PL215453B1 - Urządzenie i sposób do zwiększania wydajności dolnego źródła pompy ciepła - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie i sposób do zwiększania wydajność dolnego źródła pompy ciepła.

Wynalazek może mieć zastosowanie w technice cieplnej, związanej z ogrzewaniem budynków mieszkalnych wyposażonych w pompę ciepłą typu glikol - woda z kolektorem poziomym.

Znane są urządzenia do odzyskiwania energii cieplnej, w których kolektor składa się z przewodów rurowych wypełnionych cieczą. Zadaniem pompy ciepła w tego typu układach jest przenoszenie ciepła z dolnego niskotemperaturowego źródła ciepła do górnego źródła o temperaturze wyższej. Może to być zrealizowane w wymuszonym obiegu termodynamicznym, poprzez dostarczenie pracy do napędu sprężarki (pompa ciepła sprężarkowa). Ciepło niskotemperaturowe w zakresie temperatur od -5°C do +25°C, może być pozyskiwane ze środowiska naturalnego, tj. grunt, wody gruntowe i powierzchniowe, powietrze lub ciepło odpadowe.

Z polskiego opisu zgłoszeniowego P-379882, znane jest urządzenie do odzyskiwania energii cieplnej, zwłaszcza ze ścieków. Kolektor posiada wlot na takim samym poziomie jak wylot, przy czym przewód rurowy jest opleciony rurką, stanowiącą parownik pompy ciepła. W zbiorniku jest również rura z powietrzem zwłaszcza o podwyższonej temperaturze oraz rura wypełniona wodą i połączona za pośrednictwem obiegowej pompy z odbiornikiem ciepła. Kolektor służy do odzyskiwania ciepła ze ścieków, wody studziennej oraz ciepłego powietrza z dowolnego źródła. Ma on zastosowanie w domach jedno- i wielorodzinnych, szkołach, zakładach pracy, basenach kąpielowych.

W wyżej opisanym wynalazku do odzyskiwania energii cieplnej ze ścieków, wody studziennej oraz ciepłego powietrza, istnieje ryzyko zamarznięcia medium oddającego ciepło i zniszczenia przewodów. Parownik w którym osiągane są ujemne temperatury czynnika układu sprężarkowego opleciony jest bezpośrednio wokół przewodów rurowych wypełnionych cieczą.

Istotą wynalazku jest urządzenie do zwiększania wydajności dolnego źródła pompy ciepła, w którym pomiędzy zasilaniem i powrotem glikolu znajdują się obejście wymiennika ciepła i elektrozawór 3-drogowy. Zawór sterowany jest regulatorem na podstawie zmierzonych temperatur przez czujnik glikolu i czujnik temperatury wody w wymienniku ciepła.

Korzystnie jest, gdy wszystkie elementy urządzenia znajdują się w jednej obudowie izolowanej cieplnie.

Istotą wynalazku jest także sposób do zwiększenia wydajności dolnego źródła pompy ciepła. Polega on na tym, że po przejściu glikolu przez kolektor poziomy, dodatkowo pozyskuje się ciepło niskotemperaturowe z wody do celów bytowo - gospodarczych, z ujęć głębinowych w wymienniku ciepła.

Zaletą wynalazku jest to, że dolne źródło pompy ciepła, dodatkowo odbiera energię cieplną z wody wodociągowej, z ujęć głębinowych. Dopiero po odebraniu dodatkowej energii cieplnej, czynnik, którym jest glikol, transportowany jest do parownika pompy ciepła, powodując odparowanie czynnika w układzie sprężarkowym. Urządzenie posiada podwójne zabezpieczenie przed zniszczeniem wymiennika i pompy ciepła. Przede wszystkim uniemożliwia zamarznięcie glikolu w parowniku pompy ciepła, a także kieruje przepływ glikolu na obejście wymiennika w sytuacji, kiedy na wejściu do wymiennika, czujnik glikolu zmierzy temperaturę powodującą ryzyko zamarznięcia wody w wymienniku (<1°C).

Pompa ciepła osiąga najwyższe wskaźniki efektywności COP, kiedy różnica temperatur pomiędzy dolnym źródłem, a górnym, jest jak najmniejsza. Wzrost temperatury dolnego źródła ciepła o 1°C, powoduje także wzrost współczynnika efektywności COP o 2,7%. Dolnym źródłem może być ciepło niskotemperaturowe gruntu odebrane przez kolektor poziomy wkopany na głębokość 0,3 - 0,5 m poniżej strefy przemarzania gruntu.

Woda do celów bytowo - gospodarczych wydobywana z ujęć głębinowych ma wyższą temperaturę niż grunt na głębokości 0,3 - 0,5 m poniżej strefy przemarzania gruntu (dla Wrocławia 1,1 do 1,3 m poniżej poziomu terenu) w czasie trwania sezonu grzewczego (od 1 października do 30 kwietnia).

Po przeprowadzeniu dwumiesięcznych badań stwierdzono, że dla miesiąca grudnia temperatura wody wodociągowej (ujęcia głębinowe) doprowadzonej do budynku jest większa średnio o +4,91°C od temperatury glikolu pozyskującego ciepło z gruntu na głębokości 1,1 m poniżej poziomu terenu. Natomiast w styczniu różnica ta wynosiła średnio +4,95°C. Przedstawione urządzenie i sposób powoduje podwyższenie temperatury glikolu w wymienniku ciepła, po przejściu przez grunt (dolne źródło pompy ciepła). Po przejściu przez wymiennik ciepła glikol o wyższej temperaturze transportowany jest

PL 215 453 B1 do parownika, co w konsekwencji wpływa na zwiększenie efektywności COP pompy ciepła. Zwiększenie efektywności COP pompy ciepła powoduje zmniejszenie zużycia energii elektrycznej potrzebnej do napędu sprężarki przy takiej samej ilości wytworzonej energii cieplnej.

Chłodny glikol ze skraplacza pompy ciepła transportowany jest do dolnego źródła (grunt na głębokości 0,3 - 0,5 m poniżej strefy przemarzania gruntu) gdzie pozyskuje ciepło niskotemperaturowe. Następnie przepływa od dołu przez wężownicę wymiennika ciepła pozyskując dodatkowe ciepło z wody użytkowej. Po przejściu przez wymiennik ciepła (górna część) transportowany jest do parownika pompy ciepła.

Przepływ glikolu przez wężownicę wymiennika ciepła odbywa się tylko, jeżeli czujnik temperatury glikolu na wejściu do wymiennika ciepła zmierzy temperaturę niższą niż wody w wymienniku ciepła (czujnik w górnej części). Ponieważ istnieje także ryzyko, że temperatura glikolu po przejściu przez dolne źródło ciepła może być mniejsza od +1°C - automatyka sterująca w takiej sytuacji kieruje glikol z pominięciem wymiennika ciepła bezpośrednio do parownika. Temperatura wody w wymienniku ciepła i glikolu na wejściu do wężownicy wymiennika ciepła monitorowana jest przez automatykę sterującą, która przełącza w odpowiednie ustawienie elektrozawór 3-drogowy.

Przedmiot wynalazku bliżej opisany jest w przykładach wykonania oraz przedstawiony na rysunku, ilustrującym schematycznie urządzenie.

P r z y k ł a d 1

Urządzenie zbudowane jest z jednowężownicowego wymiennika ciepła 1, do którego podpięta jest instalacja doprowadzająca wodę z sieci wodociągowej 2 i instalacja odprowadzająca wodę wodociągową do budynku 3. Pojemność wodna wymiennika ciepła 1 powinna wynosić 50 l/osobę dobę. Dla budynku jednorodzinnego zamieszkiwanego przez 4 osoby potrzebny byłby wymiennik ciepła 1 o pojemności 200 I. Do wężownicy w dolnej części doprowadzony jest glikol z instalacji zasilającej 4 (poziomy kolektor gruntowy). Przed dopłynięciem glikolu do wężownicy na instalacji zamontowany jest elektroniczny czujnik temperatury glikolu 9 oraz elektrozawór 3-drogowy 7. Do zaworu 3-drogowego 7 podpięta jest instalacja obejścia wymiennika 6. Glikol wyprowadzany jest z wężownicy przez instalację powrotną 5. Wykonano także w górnej części wymiennika ciepła 1 tuleję zanurzeniową 11 z elektronicznym czujnikiem temperatury wody 10. Urządzenie wyposażone jest w elektroniczny regulator 8, do którego podpięty jest przewód sygnałowy 12 od czujnika temperatury glikolu 9, przewód sygnałowy 13 od czujnika temperatury wody 10 i przewód sygnałowy 14 od zaworu 3-drogowego 7. Wszystkie elementy urządzenia są umieszczone w jednej obudowie izolowanej cieplnie 15. Wymiennik ciepła 1 wykonany jest ze stali i pomalowany wewnątrz powłoką antykorozyjną. Wszystkie instalacje rurowe wykonane są z rur miedzianych połączonych na lut miękki.

P r z y k ł a d 2

Woda z sieci wodociągowej (ujęcia głębinowe) wprowadzana jest przez instalację 2 do jednowężownicowego wymiennika ciepła 1. Po oddaniu ciepła glikolowi wyprowadzana jest przez instalację 3 do celów bytowo - gospodarczych w budynku. Glikol po przejściu przez dolne źródło ciepła (poziomy kolektor gruntowy) wprowadzany jest do wężownicy wymiennika ciepła 1 poprzez instalację zasilającą 4. Po odebraniu ciepła wodzie w wymienniku ciepła 1 glikol wyprowadzany jest do parownika pompy ciepła poprzez instalację powrotną 5. W przypadku braku możliwości osiągnięcia wyższej temperatury glikolu (wartość na czujniku temperatury glikolu 9 = wartości czujnika temperatury wody w wymienniku 10), regulator 8 przestawia położenie elektrozaworu 3-drogowego 7 kierując przepływ glikolu na obejście wymiennika 6. Regulator 8 przestawia położenie elektrozaworu 3-drogowego 7 kierując przepływ glikolu na obejście wymiennika 6 także w sytuacji, kiedy na czujniku glikolu 9 zmierzy temperaturę powodującą ryzyko zamarznięcia wody w wymienniku ciepła 1 (<+1 °C).

P r z y k ł a d 3

Glikol po przejściu przez dolne źródło ciepła (poziomy kolektor gruntowy) zostaje skierowany nie do parownika pompy ciepła (standartowy sposób pozyskania ciepła niskotemperaturowego), ale do urządzenia, dzięki któremu zostanie podwyższona temperatura glikolu 1-15. Wprowadzenie glikolu następuje przez instalację zasilającą 4 (z kolektora poziomego gruntowego) do wężownicy wymiennika ciepła 1. W wymienniku ciepła pozyskiwane jest dodatkowe ciepło i glikol o wyższej temperaturze transportowany jest dopiero do parownika pompy ciepła. Sposób dodatkowego podwyższenia temperatury glikolu w wymienniku ciepła 1, wpływa na zwiększenie efektywności COP pompy ciepła. Zwiększenie efektywności COP pompy ciepła powoduje zmniejszenie zużycia energii elektrycznej potrzebnej do napędu sprężarki przy takiej samej ilości wytworzonej energii cieplnej. Wzrost temperatury glikolu o 1°C powoduje wzrost współczynnika efektywności COP o 2,7%.

Claims (3)

1. Urządzenie do zwiększenia wydajności dolnego źródła pompy ciepła składające się z wymiennika ciepła, do którego podłączona jest instalacja wodociągowa i glikolowa, znamienne tym, że pomiędzy zasilaniem i powrotem glikolu posiada obejście (6) wymiennika ciepła (1) i elektrozawór 3-drogowy (7), którym steruje regulator (8) na podstawie zmierzonych temperatur przez czujnik glikolu (9) i czujnik temperatury wody (10) w wymienniku ciepła (1).

2. Urządzenie według zastrzeżenia 1, znamienne tym, że wszystkie elementy urządzenia (1-14) znajdują się w jednej obudowie izolowanej cieplnie (15).

3. Sposób do zwiększenia wydajności dolnego źródła pompy ciepła polegający na tym, że ciepło niskotemperaturowe pozyskuje się z gruntu przez kolektor poziomy pompy ciepła, znamienny tym, że po przejściu glikolu przez kolektor poziomy, dodatkowo pozyskuje się ciepło niskotemperaturowe z wody do celów bytowo - gospodarczych z ujęć głębinowych w wymienniku ciepła (1).