PL211514B1 - Zasobnik ciepła - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zasobnik ciepła będący elementem instalacji grzewczej i/lub instalacji ciepłej wody użytkowej, stosowany do ogrzewania i wytwarzania ciepłej wody użytkowej dla różnego rodzaju obiektów, takich jak domy jednorodzinne, domy wielorodzinne, osiedla mieszkaniowe, gospodarstwa rolnicze lub inne obiekty, takie jak przemysłowe, biurowe.

W chwili obecnej znane są cylindryczne zbiorniki ciś nieniowe, stosowane jako zasobniki ciepł a, przeznaczone generalnie do wyrównania różnic pomiędzy chwilowym zapotrzebowaniem na ciepło w budynku a iloś cią ciepł a bę d ą c ą do dyspozycji w ź ródle ciepła, takim jak kocioł , wymiennik ciepł a, kolektor słoneczny, itp.

Doprowadzenie i pobór ciepła realizowane są za pomocą wymienników ciepła o różnorodnej konstrukcji, które zainstalowane są na stałe w określonej strefie zbiornika w trakcie procesu produkcji zbiornika. Z uwagi na wymogi dotyczące urządzeń do pracy pod ciśnieniem praktycznie niemożliwa jest rozbudowa zbiorników, bądź adaptacja do nowych wymogów spowodowanych rozbudową lub zmianą warunków pracy instalacji, w której są zamontowane.

Zarówno doprowadzenie, jak i pobór ciepła realizowane są przy pomocy elektrycznych pomp obiegowych wymuszających cyrkulację wody w obiegach pierwotnych i wtórnych. W przypadku wyłączenia zasilania pomp obiegowych, przykładowo w wyniku awarii sieci elektrycznej doprowadzającej prąd elektryczny do budynku, bądź instalacji elektrycznej wewnętrznej budynku, budynek pozbawiony jest zarówno ogrzewania, jak też często ciepłej wody użytkowej, w przypadku, gdy ciepła woda użytkowa nie jest dostarczana z zewnątrz, a jest ogrzewana w instalacji wewnątrz budynku.

Zwiększenie pojemności zbiornika na potrzeby instalacji w budynku możliwe jest albo poprzez zwiększanie średnicy zbiornika - praktycznie wymianę zbiornika i montaż nowego zbiornika, albo przez tworzenie baterii zbiorników poprzez montaż kolejnego zbiornika i połączenia go z już zainstalowanym zbiornikiem. Maksymalną szerokość zbiorników wyznacza szerokość otworów drzwi i okien prowadzących do pomieszczeń, w którym zbiorniki są ustawiane - z reguły szerokość ta wynosi od 80 cm do 85 cm, zaś ich wysokość z kolei ogranicza wysokość pomieszczeń i konieczność uwzględnienia izolacji - z reguły nie przekracza 1,80 m. Ogranicza to pojemność powszechnie stosowanych zbiorników ciśnieniowych do ok. 800 I pojemności użytkowej. W przypadku konieczności zainstalowania większych jednostek konieczne jest tworzenie baterii będących wielokrotnością 800 I, więc przebudowę pomieszczenia, w którym zabudowany jest istniejący zbiornik lub przeznaczanie kolejnych pomieszczeń na potrzeby ogrzewania.

Należy zwrócić uwagę, że wraz ze wzrostem pojemności zbiornika pogarsza się stopień wykorzystania powierzchni pomieszczenia, przeznaczonej na ustawienie zbiornika. Szczególnie niekorzystnie przedstawia się to właśnie w przypadku baterii składających się z szeregu połączonych ze sobą cylindrycznych pojemników. Dodatkowo mamy tu do czynienia z wyjątkowo niekorzystnym stosunkiem pojemności do powierzchni zewnętrznej determinującej straty ciepła baterii.

Zasobnik ciepła jako zbiornik ciśnieniowy połączony bezpośrednio z instalacją powoduje zwiększenie kosztów inwestycyjnych nie tylko ze względu na wysoki koszt własny zasobnika ale również poprzez konieczność wbudowania znacznie większego naczynia wzbiorczego.

Modernizacja istniejącej instalacji centralnego ogrzewania najczęściej sprowadza się do instalacji nowoczesnego kotła i zasobnika ciepłej wody, który z reguły jest zbyt mały, aby w przyszłości można było wykorzystać nowe ekologiczne źródła energii i połączyć je z zmodernizowaną instalacją. Ogranicza to możliwości późniejszej modernizacji całej instalacji poprzez zwiększenia ilości źródeł ciepła dostarczających ciepło do zbiornika, przykładowo przez przyłączenie w następnych latach kolektorów słonecznych, pomp ciepła itp., gdyż połączone jest to z koniecznością instalacji nowego i wię kszego, a co za tym idzie bardziej kosztownego zasobnika. Czę sto z braku miejsca uż ytkownik staje przed alternatywą zastąpienia jeszcze w pełni sprawnego zasobnika ciepłej wody nowym zasobnikiem niezbędnym do zainstalowania ekologicznego źródła energii. Decyzja o modernizacji jest w tym przypadku z uwagi na koszty i zakres dodatkowych prac utrudniona.

Celem wynalazku jest usunięcie powyższych mankamentów poprzez opracowanie sposobu rozdzielania energii cieplnej umożliwiającego wykorzystanie różnych źródeł ciepła do efektywnego magazynowania energii cieplnej i jej przechowywania przez żądany okres czasu, a następnie przekazywania do instalacji zewnętrznych odbioru ciepła umożliwiających ogrzewanie pomieszczeń lub uzyskanie ciepłej wody użytkowej.

PL 211 514 B1

Celem wynalazku jest również usunięcie powyższych mankamentów poprzez skonstruowanie układu do rozdzielania energii cieplnej, w którym zastosowano różne źródła ciepła, zasobnik ciepła i instalacje zewnę trzne odbioru ciepła pracują cego efektywnie w każdych warunkach i umożliwiającego optymalizację wykorzystania źródeł energii cieplnej oraz zwiększanie ilości źródeł energii cieplnej poprzez adaptację istniejącego układu.

Celem wynalazku jest ponadto skonstruowanie zasobnika ciepła pozwalającego na maksymalne wykorzystanie będącej do dyspozycji powierzchni pomieszczenia, oszczędne zwiększenie użytkowej pojemności zasobnika oraz umożliwienie optymalizowania pozycji i ilości wymienników ciepła w zasobniku w zależ noś ci od zapotrzebowania na energię cieplną .

Cel wynalazku osiągnięto również przez skonstruowanie zasobnika ciepła, który zawiera co najmniej jeden wyrównywacz objętości powietrza nad lustrem cieczy w zasobniku, wynikającej ze zmian objętości cieczy zawartej w zasobniku przy jej ogrzewaniu lub chłodzeniu, zamocowany w pokrywie, połączony z wnętrzem zasobnika.

Korzystnie, wyrównywacz objętości powietrza oddzielający wewnętrzną przestrzeń powietrzną zasobnika ciepła od tlenu zawartego w powietrzu zewnętrznym stanowi przepona z elastycznego materiału zamocowana w pokrywie.

Korzystnie, wyrównywacz objętości powietrza oddzielający wewnętrzną przestrzeń powietrzną zasobnika ciepła od tlenu zawartego w powietrzu zewnętrznym stanowi mieszek z elastycznego materiału zamocowany w pokrywie.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zasobnik ciepła według wynalazku w przekroju wzdłużnym, schematycznie, fig. 2 - układ z zasobnikiem ciepł a wedł ug wynalazku do rozdzielania energii cieplnej, w przykł adzie wykonania z róż nymi ź ródł ami ciepł a, schematycznie, fig. 3 - ukł ad z zasobnikiem ciepł a według wynalazku do rozdzielania energii cieplnej, według wynalazku, w innym przykładzie wykonania, schematycznie, fig. 4 - układ z zasobnikiem ciepła według wynalazku, w kolejnym przykładzie wykonania, schematycznie.

Zasobnik ciepła według wynalazku jest zasobnikiem bezciśnieniowym, pracującym - co nie ma miejsca w znanych zasobnikach ciepła, między innymi bojlerach - pod ciśnieniem atmosferycznym.

Zasobnik ciepła, jak to uwidoczniono na fig. 1, zawiera korpus 8 zasobnika, wykonany z materiałów odpornych na temperaturę, korzystnie do 90°C, mający izolację 7 termiczną, na którym zamocowana jest pokrywa 1, również wykonana z materiałów odpornych na temperaturę, korzystnie do 90°C, mająca izolację 2 termiczną, przy czym pokrywa 1 uszczelniona jest za pomocą uszczelki 3.

Zasobnik ciepła wyposażony jest w czujnik 4 temperatury maksymalnej, usytuowany korzystnie w pobliżu lustra 9 cieczy wypełniającej zasobnik i czujnik 6 temperatury minimalnej usytuowany korzystnie w pobliżu dna zasobnika. Temperatura, do jakiej ogrzewana jest ciecz wewnątrz zasobnika ciepła jest poniżej temperatury wrzenia cieczy wypełniającej zasobnik ciepła, korzystnie ciecz ogrzewana jest do temperatury maksymalnie 90°C. Cieczą wypełniającą zasobnik może być woda, przykładowo woda z sieci wodociągowej, olej, mleko, itp.

Zasobnik ciepła ma wyrównywacz objętości zamocowany w pokrywie 1, połączony kanałem z wnętrzem zasobnika, stanowiący zabezpieczenie zasobnika ciepła przed wzrostem ciśnienia powietrza w przestrzeni ponad lustrem 9 cieczy w zasobniku ciepła, przy rozszerzaniu się podgrzewanej cieczy, co mogłoby spowodować wypływ powietrza z tej przestrzeni do otoczenia. Nadmiar powietrza zbiera się w wyrównywaczu objętości, a przy schładzaniu cieczy powietrze z wyrównywacza objętości uzupełnia ubytek objętości cieczy w zasobniku ciepła, tak że żadne powietrze z aktywnym, grożącym korozją tlenem nie może być zassane z otoczenia do wnętrza zasobnika ciepła. Jako wyrównywacz objętości można zastosować mieszek 5 z elastycznego materiału lub przeponę, przykładowo z gumy, tworzywa sztucznego, mosiądzu.

Na figurze 2 przedstawiono układ do rozdzielania energii cieplnej w wersji podstawowej, zawierający oprócz zasobnika ciepła według wynalazku źródło ciepła na paliwo stałe, przykładowo kocioł na paliwo stałe, takie jak węgiel, drewno, itp., automatyczne źródło ciepła, przykładowo kocioł gazowy, kocioł olejowy oraz instalację solarną przeznaczone do ogrzewania cieczy wewnątrz zasobnika. Instalacje do ogrzewania cieczy w zasobniku ciepła mogą być dowolne i w dowolnej innej niż przedstawiono na fig. 2 konfiguracji.

Źródło ciepła na paliwo stałe stanowi kocioł 13 na paliwo stałe mający czujnik 12 temperatury kotła, klapę 10 zaporową i pompę 11 obiegową. Czujnik 12 temperatury kotła przeznaczony jest do włączania pompy 11 obiegowej po osiągnięciu przez kocioł 13 temperatury wyższej od temperatury wskazywanej przez czujnik 4 temperatury maksymalnej, który jest zamontowany w zasobniku ciepła.

PL 211 514 B1

Klapa 10 zaporowa umożliwia w pozycji otwartej bezkolizyjną cyrkulację grawitacyjną cieczy. Ciecz do ogrzewania pobierana jest bezpośrednio z zasobnika ciepła i przepływa przez instalację kotła na paliwo stałe.

Automatyczne źródło ciepła zawiera regulator 15 kotła włącz/wyłącz, kocioł 16, naczynie wzbiorcze 14, pompę 17 obiegową i wymiennik 18 ciepła. Wymiennik 18 ciepła umieszczony jest na odpowiedniej głębokości wewnątrz zasobnika ciepła tak, że ciecz w obiegu instalacji automatycznego źródła ciepła ogrzewa w sposób pośredni ciecz wewnątrz zasobnika ciepła.

Instalacja automatycznego źródła ciepła ogrzewa ciecz wewnątrz zasobnika ciepła po spadku temperatury cieczy wewnątrz zasobnika ciepła poniżej zadanej przez użytkownika wartości. Proporcje stosowania obydwu źródeł ciepła do ogrzewania cieczy wewnątrz zasobnika ciepła uzależnione są od indywidualnych życzeń użytkownika układu i możliwe jest udział jednego z nich w zakresie od 0 do 100%, przykładowo w czasie zimowego urlopu automatyczny kocioł przejmuje 100% funkcji w układzie, ponieważ ciepła woda użytkowa albo nie jest pobierana, albo ilość pobieranej wody użytkowej jest mniejsza niż w trakcie normalnej eksploatacji, jak również temperatura ogrzewania pomieszczeń jest niższa niż w przypadku obecności ludzi. Ponadto, automatyczne źródło ciepła jako dodatkowe źródła ciepła może mieć zastosowanie do szybkiego zwiększenia temperatury cieczy wewnątrz zasobnika ciepła, doprowadzenia jej do parametrów stałych pracy, w przypadku, gdy następuje intensywny pobór ciepła z zasobnika ciepła przez instalacje zewnętrzne, przykładowo, gdy następuje duże zużycie ciepłej wody użytkowej.

Układ może również zawierać instalację solarną, którą stanowi dowolnego typu bateria 19 słoneczna, pompa 20 obiegowa, naczynie 21 wzbiorcze przeponowe i wymiennik 22 ciepła, przy czym wymiennik 22 ciepła umieszczony jest na odpowiedniej głębokości wewnątrz zasobnika ciepła i ciecz w obiegu instalacji solarnej ogrzewa w sposób pośredni ciecz wewnątrz zasobnika. Ta inwestycja rozbudowująca układ ogranicza się wyłącznie do instalacji baterii 19 słonecznej z osprzętem i może być wykorzystywana zarówno w lecie do przygotowania ciepłej wody, jak i w okresie przejściowym do oszczędzającego energię zasilania instalacji centralnego ogrzewania.

Na figurze 3 przedstawiono kolejny przykład wykonania układu do rozdzielania energii cieplnej zawierającego zasobnik ciepła według wynalazku, o konstrukcji jak na fig. 1, instalację solarną o konstrukcji jak na fig. 2 oraz instalacje zewnętrzne odbioru ciepła - instalację przygotowania ciepłej wody użytkowej i instalację do ogrzewania pomieszczeń.

Instalacja ciepłej wody użytkowej przedstawiona w przykładzie wykonania jak na fig. 3 jest instalacją przepływową i zawiera dopływ 42 zimnej wody, przykładowo wody pitnej z instalacji wodociągowej, zawór 41 zwrotny, zawór 40 odcinający, naczynie 39 wzbiorcze przeponowe, wymiennik 43 przepływowy ciepłej wody użytkowej, usytuowany wewnątrz zasobnika ciepła oraz pobór 38 ciepłej wody użytkowej. Wykorzystanie do ogrzewania wody użytkowej wymiennika 43 przepływowego usytuowanego wewnątrz zasobnika ciepła, wyklucza możliwość zarażenia legionellami ciepłej wody użytkowej. Oczywiste jest, że można zastosować inną instalację do ogrzewania wody użytkowej, przykładowo z wykorzystaniem pośredniego zewnętrznego wymiennika ciepła, jak w przypadku instalacji centralnego ogrzewania opisanej poniżej.

Instalacja ogrzewania pomieszczeń zawiera punkt poboru 29 zasilania, usytuowany korzystnie pod lustrem 9 cieczy wewnątrz zasobnika ciepła, wypływ 30 powrotu, usytuowany korzystnie przy dnie zasobnika ciepła, pompę 37 obiegową pierwotną, wymiennik 36 ciepła, przykładowo płytowy, przeciwprądowy itp., umieszczony na zewnątrz zasobnika ciepła, zawór 35 trójdrożny - mieszacz, pompę 34 obiegową wtórną, czujnik 32 temperatury, grzejnik 31 i naczynie 33 wzbiorcze przeponowe.

Na figurze 4 przedstawiono przykład wykonania układu do rozdzielania energii cieplnej, w wersji najbardziej rozbudowanej. Układ ten zawiera wszystkie instalacje opisane już w odniesieniu do fig. 2 i fig. 3, to jest zasobnik ciepła według wynalazku, źródło ciepła na paliwo stałe, automatyczne źródło ciepła, instalację solarną przeznaczone do ogrzewania cieczy wewnątrz zasobnika, instalację ciepłej wody użytkowej i instalację ogrzewania z poborem ciepła poprzez wymiennik 36 ciepła umieszczony na zewnątrz zasobnika ciepła oraz ponadto dodatkowo instalację ogrzewania z poborem ciepła poprzez wymiennik 28 ciepła umieszczony wewnątrz zasobnika ciepła, mającą zawór 26 trójdrożny - mieszacz, pompę 25 obiegową, czujnik 23 temperatury i grzejnik 24 ciepła i układ regulacji.

Układ regulacji zawiera zespół 44 sygnalizacji stanu zawartości zasobnika, przykładowo sygnalizację akustyczną i/lub świetlną, regulator 45 pogodowy i kable 46 instalacji sterującej łączące regulator 45 pogodowy z wszystkimi czujnikami temperatury i pompami obiegowymi poszczególnych instalacji układu i zasobnika.

PL 211 514 B1

Zgodnie z wynalazkiem, w miejsce drogiego zbiornika ciśnieniowego zastosowano tani zasobnik ciepła bezciśnieniowy, który może być dowolnie uzupełniany kolejnymi wymiennikami ciepła, aby sprostać wymogom rozbudowywanej instalacji co. i c. w. u.

Wynalazek stanowi oszczędne rozwiązanie dla domków jednorodzinnych oraz gospodarstw wiejskich w regionach, gdzie przeważa ogrzewanie paliwami stałymi. Ze względu na praktycznie nieograniczoną pojemność zasobnika możliwe jest zastosowanie go również w innych obiektach. Zasobnik buforowy jest w przypadku paliw stałych energetyczną koniecznością, ale nie jest powszechnie stosowany ze względu na wysokie koszty zakupu i konieczność kosztownej modernizacji całej instalacji co. i c. w. u.

Zasobnik ciepła bezciśnieniowy może być zbudowany w dowolnej geometrii i co pozwala na wykorzystanie dotychczas bezużytecznych powierzchni pomieszczeń a jego prosta konstrukcja pozwala na stosowanie zasobnika w dowolnej okolicy przy wykorzystaniu dostępnych na miejscu materiałów bez konieczności angażowania wysoko wykwalifikowanych fachowców i uzyskiwania certyfikatów jak to ma miejsce w przypadku zbiorników ciśnieniowych. Dotyczy to zarówno konstrukcji zasobnika, jak i izolacji cieplnej.

Zasobnik ciepła może być transportowany w częściach, które na miejscu bez specjalnych narzędzi i urządzeń montowane są przez przeciętnie wykwalifikowanych pracowników. Występujące przy zmianie temperatury wody różnice jej objętości powodują wyłącznie nieznaczne wahania poziomu wody w zasobniku ciepła. Jak to już wyżej przedstawiono, w celu uniknięcia występowania różnic ciśnienia w warstwie powietrza ponad lustrem 9 wody wewnątrz zbiornika ciepła w pokrywie 1 wykonany jest otwór i zainstalowany jest elastyczny mieszek 5. W ten sposób nie dochodzi do podsysania powietrza atmosferycznego i doprowadzania nowych ilości tlenu. Zasobnik ciepła może być wbudowany jako uszlachetnienie do dowolnej instalacji centralnego ogrzewania jako pierwszy krok jej modernizacji.

Bez konieczności wymiany kotła istnieje przykładowo możliwość, przy pomocy niewielkich nakładów, zamiana otwartego systemu ogrzewania grawitacyjnego na nowoczesne zamknięte pompowe. Modernizacja i rozbudowa dalszych elementów jest możliwa później bez istotnych ograniczeń. Oznacza to, że modernizacja może przebiegać etapami bez konieczności angażowania jednorazowo dużych środków finansowych. Późniejsze zastosowanie nowych, przykładowo ekologicznych źródeł energii możliwe jest w dowolnym czasie i w dowolnym zakresie. Już samo wbudowanie zasobnika ciepła z wymiennikiem ciepłej wody użytkowej do grawitacyjnej instalacji, co z „kowalskim” kotłem węglowym prowadzi do radykalnych oszczędności paliwa i zdecydowanej poprawy komfortu mieszkańców.

Istnieje cały szereg dalszych możliwości magazynowania i poboru energii z zasobnika ciepła zgodnie z wynalazkiem. Stanowi on w ten sposób oszczędny punkt węzłowy dowolnych dalszych inwestycji w zakresie oszczędności energii w ogrzewnictwie i innych instalacjach energetycznych.

Claims (3)

1. Zasobnik ciepła zawierający korpus zasobnika, mający izolację termiczną, na którym zamocowana jest pokrywa, mająca izolację termiczną, przy czym pokrywa uszczelniona jest za pomocą uszczelki, co najmniej jeden czujnik temperatury, znamienny tym, że zawiera co najmniej jeden wyrównywacz (5) objętości powietrza nad lustrem (9) cieczy w zasobniku, wynikającej ze zmian objętości cieczy zawartej w zasobniku przy jej ogrzewaniu lub chłodzeniu, zamocowany w pokrywie (1), połączony z wnętrzem zasobnika.

2. Zasobnik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że wyrównywacz (5) objętości powietrza oddzielający wewnętrzną przestrzeń powietrzną zasobnika ciepła od tlenu zawartego w powietrzu zewnętrznym stanowi przepona z elastycznego materiału zamocowana w pokrywie (1).

3. Zasobnik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że wyrównywacz (5) objętości powietrza oddzielający wewnętrzną przestrzeń powietrzną zasobnika ciepła od tlenu zawartego w powietrzu zewnętrznym stanowi mieszek (5) z elastycznego materiału zamocowany w pokrywie (1).