PL217601B1 - Gruntowy wymiennik ciepła - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest gruntowy wymiennik ciepła, wykorzystujący zasoby energii geotermalnej ziemi, czyli gruntu, w którym wymiennik jest osadzony na pewnej głębokości.

Wymiennik według wynalazku może stanowić część systemu wentylacyjnego obiektów mieszkalnych lub innych.

Z polskiego opisu patentowego PL119749 znane jest urządzenie chłodząco - grzewcze wykorzystujące energię cieplną gruntu do chłodzenia lub ogrzewania powietrza. Istota tego wynalazku polega na tym, że w gruncie wykonane są pionowe wloty powietrza wykonane najkorzystniej w postaci studzienek. Dolne części połączone są z komorą zbiorczą za pośrednictwem przewodów lub warstwy gruntu o małym oporze przepływu i dobrym współczynniku przewodzenia. Komora zbiorcza połączona jest z urządzeniem technologicznym takim jak skraplacz chłodzony powietrzem, chłodnia wody, urządzenie klimatyzacyjne lub urządzenie wentylacyjne. Studzienki połączone są z komorą zbiorczą odcinkami przewodów osadzonym w warstwie gruntu o dobrym współczynniku przewodzenia ciepła i małym oporze powietrza. Opisany w PL119749 wynalazek pozwala na uzyskanie dużych oszczędności energii zwłaszcza w okresie najcieplejszych i najzimniejszych dni.

Inny przykład sposobu ogrzewania i wentylacji budynku znany jest z zgłoszenia wynalazku PCT/SE95/00569. Wynalazek ten dotyczy układu ogrzewania i wentylacji budynku, który to budynek zawiera obwodową ścianę fundamentową lub belki fundamentowe, na których opierają się ściany zewnętrzne budynku i strop wyznaczający powierzchnię podłóg dla pomieszczeń mieszkalnych w budynku. Pomieszczenie pod stropem umiejscowione jest w obrysie fundamentów. W stropie wykonane są otwory na kanały - przewody cyrkulacyjne, przez które następuje przepływ powietrza, o odpowiednich parametrach z pomieszczenia pod stropem do pomieszczeń mieszkalnych budynku. Poniżej płyty stropu umieszczona jest komora powietrzna połączona z kanałem przewodem na powietrze. Komora zamknięta jest membraną w postaci szczelnej przegrody wykonanej z tworzywa sztucznego. Membrana osadzona jest, tzn. spoczywa na porowatej warstwie przepuszczającej powietrze i ma postać podkładu żwirowego, a rozciąga się co najmniej na części powierzchni nośnej gruntu pod ścianą fundamentu.

Opisany w PCT/SE95/00569 wynalazek rozwiązuje zagadnienie wprowadzenia powietrza do pomieszczeń mieszkalnych obwodowo wokół podłogi co stwarza właściwy obieg dla powietrza cyrkulującego. Dzięki skierowaniu wywiewu przez fundamenty budynku i ogrzaniu ich dolnych części można uniknąć szkodliwych zawilgoceń budynku i fundamentów.

Podczas gdy w PL119749 wskazano jedynie na możliwość przepływu powietrza w odcinkach przewodów osadzonych w warstwie gruntu, to w zgłoszeniu PCT opisano sposób wykorzystania „gruntu uformowanego w postaci podkładu żwirowego lub podobnego materiału pod fundamentem. Również w tym wynalazku zasadniczo nie wykorzystano jednak gruntu i jego możliwości energetycznych.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji gruntowego wymiennika ciepła, zawierającego odpowiednią strukturę płyt i kanałów powietrznych, z którego powietrze kierowane jest do klimatyzacji obiektu, przy czym powietrze to spełnia wymogi technologiczne dla systemu wentylacyjnego zwłaszcza dla obiektów mieszkalnych.

Gruntowy wymiennik ciepła według wynalazku, posadowiony na warstwie gruntu rodzimego i przykryty warstwą izolacyjną, wykorzystuje energię cieplną gruntu, i zawiera czerpnię powietrza zewnętrznego połączoną z osadzonymi w wymienniku przewodami rurowymi i kanałami powietrznymi prowadzącymi powietrze przez wymiennik, jak również z kanałem wywiewu.

Gruntowy wymiennik ciepła według wynalazku charakteryzuje się tym, że pozioma lub lekko nachylona warstwa gruntu rodzimego pod wymiennikiem jest warstwą o dobrej przewodności cieplnej i jest przykryta siatką konstrukcyjną osadzoną na siatce stabilizującej, nad którymi znajduje się warstwa przepuszczająca powietrze zawierająca kanał cyrkulacyjny, ograniczony od góry nośną płytą, wspartą na siatce za pomocą elementów dystansowych.

Korzystnie, na warstwie gruntu rodzimego znajduje się podkład żwirowy i/lub podkład kamienia łupanego wypełnionego piaskiem.

Czerpnia i kanał wywiewu mogą być zaopatrzone w czujniki temperatury, czujniki wilgotności i czujniki prędkości przepływu powietrza.

Konstrukcja wymiennika została tak opracowana, aby zapewnić bezpośredni kontakt z gruntem całej objętości przepływającego powietrza. W efekcie zastosowania wymiennika uzyskujemy znaczne oszczędności kosztów ogrzewania, inwestycyjny i eksploatacji.

PL 217 601 B1

Rozwiązanie według wynalazku opisane jest poniżej na rysunku, który przedstawia w przekroju poprzecznym segment wymiennika.

Bardzo dobrym i zalecanym uzupełnieniem systemu wentylacyjnego dla budownictwa jednorodzinnego jest montaż gruntowego wymiennika ciepła poza obiektem. Zasada działania wymiennika według wynalazku oparta jest na wykorzystaniu istnienia pod powierzchnią gruntu, na głębokości od 6 m do 10 m, niemal stałej temperatury w ciągu całego roku, wynoszącej około 10°C.

Wymiennik wykonujemy w wykopie ziemnym na optymalnej technologicznie głębokości, koniecznie powyżej poziomu wód gruntowych. Podkład odpowiedni do posadowienia na nim wymiennika stanowi odpowiednio zagęszczony rodzimy grunt 1, który tworzy powierzchnię 2. Powierzchnia 2 ma położenie zbliżone do poziomego lub jest nieznacznie pochylona w odpowiednim kierunku. Kierunek pochylenia powierzchni 2 względem podłoża 1 zależy od wzajemnego usytuowania i ilości segmentów w całej konfiguracji wymiennika.

Na powierzchnię 2 korzystnie nałożony jest podkład żwirowy 4 usypany swobodnie. Frakcje, czyli średnice żwiru 4 rosną w kierunku od powierzchni 2 i wynoszą od 5 mm do 20 mm. Można również zamiast żwiru 4 zastosować podkład z kamienia łupanego - grys 5. Grubości warstwy żwiru 4 jak i kamienia 5 wynoszą rzędu 20 mm - 60 mm co wynika z przeliczeń wydajności wymiennika. Wolne przestrzenie żwiru 4 jak i kamienia 5 należy wypełnić płukanym piaskiem 6. Piasek 6 eliminuje wolne objętości pomiędzy żwirem 4 czy kamieniami 5, zwiększając powierzchnię wymiany ciepła. Tak wykonana warstwa ma dobry współczynnik przewodzenia ciepła.

Na tak ukształtowanej warstwie kruszywa leży siatka stabilizująca 7 wykonana np. z tworzywa termoplastycznego. Kształt i wielkość oczek siatki 7 jest zależny od zastosowanego kruszywa, ale wielkość oczek nie powinna być mniejsza niż wielkość kruszywa, na którym siatka spoczywa i może wynosić przykładowo 10 mm. Z kolei na siatce 7 swobodnie leży siatka konstrukcyjna 8, o oczkach rzędu 20 mm - 70 mm, której zadaniem jest przeniesienie obciążenia pozostałej konstrukcji wymiennika na grunt 1.

Podstawowym elementem wymiennika jest kanał cyrkulacyjny 9, którego wysokość jest stała i zwymiarowana zależnie od wielkości modułu oraz wydajności wymiennika. Kanał 9 ograniczony jest z jednej strony siatką 8, a z drugiej nośną płytą 10. Płyta 10 wspiera się na siatce 8 poprzez element dystansowy 11. Element 11 jest połączony nierozłącznie z siatką 8 na przykład na drodze zgrzewania elementów plastycznych. Płyta 10 ma odpowiednią długość roboczą, a dla zachowania ciągłości modułu wymiennika, płyty 10 mogą zachodzić na siebie na tak zwaną zakładkę 13. Przykładowo kanał 9 ma wysokość od 20 mm do 40 mm dla danej wielkości modułu i parametrów technologicznych wymiennika na przykład dla prędkości przepływającego powietrza rzędu 1,0-3,0 m/sek.

Płyta 10 jest podstawowym i powtarzalnym modułem wymiennika. Przykładowa wielkość ₃ płyty 10 wynosi 1,9x1,9 m i dla przepływu powietrza rzędu 400 m³/h należy zamontować w wymienniku 9 takich płyt 10. Elementy 11 mają w przekroju poprzecznym kształt dowolnej figury geometrycznej. Najkorzystniej jest to trapez, którego dolna podstawa, czyli krótszy bok 12 jest połączony nierozłącznie z siatką 8, tak że tworzy nośną sztywną przestrzenną konstrukcję z płytą

10. Ilość i miejsce osadzenia na płycie 10, oraz wymiary elementu 11 są zależne od parametrów obciążenia przenoszonego przez wymiennik. Na końcach płyty 10 i siatce 7 osadzone są korytka 14, w których umieszcza się kanał 15 rozprowadzający powietrze, a w jego wnętrzu umieszcza się rurę doprowadzającą 16 powietrze do kanału 9.

Na tak wykonany wymiennik nakłada się odpowiednią warstwę ziemi 18, a powyżej technologiczną warstwę izolacyjną 19 w celu wyniesienia izoterm 8°C - 12°C. Najkorzystniej, warstwa 19 wykonana jest ze styropianu, a na niej osadzona jest folia 20 z tworzywa sztucznego. Warstwa 10 i folia 20 spełniają rolę izolatora eliminującego różnicę temperatur.

Czerpnia powietrza 21 wyprowadzona jest ponad powierzchnię terenu z osadzonym filtrem 23, najkorzystniej włókninowym, w celu oczyszczenia powietrza z pyłów czy alergenów. Czerpnia 21 i kanał 4 wywiewu 22 mają osadzone czujniki: temperatury 24, prędkości przepływu powietrza 25 i wilgotności 26.

Zewnętrzne powietrze pobierane jest przez na przykład metalową czerpnię 21 wyposażoną we włókninowy filtr powietrza minimum klasy EU3. Następnie powietrze dostaje się do kanału 15 o kształcie półkola, stanowiącym sklepienie dla przepływającego powietrza. Od dołu powietrze ma bezpośredni kontakt z warstwą żwiru 4 lub kamienia 5, pokrytą piaskiem 6. W kanale 9 zachodzi zasadnicza wymiana ciepła pomiędzy przepływającym powietrzem, a żwirem 4 i/lub kamieniem 5, które są pokryte piaskiem 6. Następnie, powietrze jest odprowadzane do kanału zbierającego 17 i dalej do instalacji wentylacji budynku. Prędkość przepływającego powietrza przez segment 27 wymiennika jest rzędu 1,0-3,0 m/s. Ilość segmentów dla konkretnego wymiennika dobiera się

PL 217 601 B1 według planowanej wydajności wymiennika. Ilość przepływającego powietrza wentylacyjnego na₃ leży podzielić przez 40-50 m³/na jedną sztukę segmentu 24 godz./dobę pracy wymiennika lub ₃ podzielić przez 80-100 m³/sztukę w czasie jego pracy 8-10 godz./dobę. Przykładowo, dla prze₃ pływu powietrza w ilości 400 m³/godz. potrzeba 9 segmentów.

Przeprowadzone badania i próby potwierdziły wyjątkową skuteczność wymiennika według wynalazku. I tak, przy posadowieniu wymiennika na głębokości rzędu od 70 cm do 60 cm, powietrze przepływające podgrzewa się do wielkości 4°C - 6°C oraz jest dowilżane od gruntu do wartości 85%-92%, przy temperaturze zewnętrznej minus 20°C. Powietrze to po ogrzaniu w budynku do wartości około 20°C ma wilgotność na poziomie 35%-40%. Z kolei w okresie letnich upałów powietrze ulega ochłodzeniu na przykład z 34°C przy wilgotności 55%, do temperatury 15°C 17°C i wilgotności 98% - 100%. Wprowadzone do budynku powietrze o temperaturze 26°C ma wilgotność tylko 55%. Powstające podczas ochładzania skropliny wody dostają się bezpośrednio do gruntu lub są odprowadzane z powierzchni 2 i warstwy 19 rurkami melioracyjnymi 3. Maksy₂ malna ilość skroplin, jak wykazały badania i pomiary, wynosi 0,8 l/m² powierzchni segmentu, co w ciągu 24 godz. pracy daje wielkość rzędu od 61 - 101.

Zastosowanie wymiennika według wynalazku daje korzyści zarówno latem jak i zimą. W okresach letnich upałów wymiennik umożliwia praktyczne wykorzystanie chłodu zawartego w gruncie do obniżenia temperatury powietrza do wartości umożliwiających również skuteczne odwilżenie powietrza doprowadzonego do budynku. W sezonie grzewczym świeże powietrze zostaje w wymienniku wstępnie ogrzane i dzięki bezpośredniemu kontaktowi powietrza z gruntem jest dowilżane. Zastosowanie tworzywa sztucznego jako materiału wymiennika daje w efekcie konstrukcję kształtującą odpowiednio przepływ powietrza. Korzystnym materiałem do wykonania płyt wymiennika i siatek jest tworzywo termoplastyczne z dodatkiem środka antybakteryjnego na bazie tlenków srebra i/lub złota. Zastosowanie wymiennika według wynalazku, poza zmniejszeniem kosztów ogrzewania, poprawia mikroklimat wewnątrz wentylowanego obiektu, zapobiegając nadmiernemu przesuszeniu powietrza.

WYKAZ OZNACZEŃ rodzimy grunt powierzchnia podkładu rurka melioracyjna podkład żwirowy podkład kamienia łupanego piasek siatka stabilizująca siatka konstrukcyjna kanał cyrkulacyjny płyta nośna elementy dystansowe krótszy bok elementu dystansowego 11 zakładka ceowe korytka kanał rozprowadzający rura doprowadzająca kanał zbierający warstwa ziemi warstwa izolacyjna folia z tworzywa sztucznego czerpnia kanał wywiewu filtr czujnik temperatury czujnik prędkości przepływu powietrza czujnik wilgotności

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Gruntowy wymiennik ciepła, posadowiony na warstwie gruntu rodzimego i przykryty warstwą izolacyjną, wykorzystujący energię cieplną gruntu, zawierający czerpnię powietrza zewnętrznego połączoną z osadzonymi w wymienniku przewodami rurowymi i kanałami powietrznymi prowadzącymi powietrze przez wymiennik, jak również z kanałem wywiewu, znamienny tym, że pozioma lub lekko nachylona warstwa gruntu rodzimego (1) pod wymiennikiem jest warstwą o dobrej przewodności cieplnej i jest przykryta siatką konstrukcyjną (8) osadzoną na siatce stabilizującej (7), nad którymi znajduje się warstwa przepuszczająca powietrze zawierająca kanał cyrkulacyjny (9), ograniczony od góry nośną płytą (10), wspartą na siatce (8) za pomocą elementów dystansowych (11).
2. 2. Gruntowy wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że na gruncie rodzimym znajduje się warstwa podkładu żwirowego (4) i/lub podkładu z kamienia łupanego (5) wypełnionego piaskiem.
3. 3. Gruntowy wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że czerpnia (21) i kanał wywiewu (22) zaopatrzone są w czujniki temperatury (24), czujniki wilgotności (26) i czujniki prędkości przepływu powietrza (25).