PL218175B1 - Sposób i układ do aktywnego zarządzania energią cieplną - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do aktywnego zarządzania energią cieplną, zwłaszcza energią wykorzystywaną dla celów klimatyzacyjnych i/lub grzewczych.

Znane są instalacje klimatyzacyjne wykonane w oparciu o urządzenia z odzyskiem ciepła i z zastosowaniem klimatyzatorów z rozpływem powietrza i/lub klimatyzatorów przyściennych, sufitowych bądź też kanałowych.

Znane są także instalacje wykonane z użyciem agregatów wody lodowej tzw. chillerów, w których woda jest schładzana, a za pomocą pompy obiegowej, wprowadzanej do instalacji odbiorczej. Odbiornikami chłodu są między innymi chłodnice klimatyzacji w centralach wentylacyjno-klimatyzacyjnych, klimatyzatory przyścienne lub/i sufitowe, często z wymuszeniem wentylatorowym albo indukcyjnym, oraz różnego rodzaju instalacje przemysłowe. Praca agregatów wody lodowej zasadza się na wykorzystaniu pompy ciepła typu woda/powietrze, z wyrzucaniem ciepła z obwodu sprężania pompy ciepła do atmosfery przy wspomaganiu konwekcji wentylatorami.

Istotną wadą stosowania tych urządzeń jest ich duża energochłonność wynikająca z wyrzucania ciepła odpadowego uzyskiwanego w tym procesie do atmosfery, oraz wytwarzanie znacznego hałasu wynikającego głównie z pracy wentylatorów wyrzucających ciepło do atmosfery.

Celem wynalazku jest opracowanie układu do wytwarzania wody lodowej dla celów klimatyzacyjnych zapewniającego mniejszą energochłonność tego procesu, a także znaczące ograniczenie wytwarzanego hałasu.

Cel ten osiągnięto poprzez skojarzenie procesu pozyskiwania chłodu dla celów klimatyzacyjnych z zimnego źródła geotermalnego z procesem pozyskiwania ciepła użytkowego przy użyciu pompy ciepła.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, czynnik grzewczy i chłodniczy wyprowadza się z kompresora pompy ciepła dwoma strumieniami użytkowymi, z których jeden kieruje się do instalacji klimatyzacyjnej schładzającej, a drugi strumień kieruje się do instalacji ciepła technologicznego, tj. instalacji wytwarzania ciepłej wody użytkowej i/lub do instalacji grzewczej, przy czym rozdziału czynnika grzewczego i chłodniczego, realizowanego za pośrednictwem rozdzielaczy strumienia, korzystnie zaworów trójdrogowych, dokonuje się w proporcji wynikającej z bieżącego zapotrzebowania ma moc cieplną/chłodniczą poszczególnych odbiorów z tym, że użytkowy strumień czynnika chłodzącego pozyskuje się w pierwszej kolejności z zimnego źródła geotermalnego zasilającego pompę ciepła.

Korzystnym jest gdy w celu uzyskania stabilnej temperatury strumieni zasilających ogrzewacze i/lub konwektory klimatyzacyjne, miesza się strumienie kierowane do tych urządzeń ze strumieniami powrotnym z tych urządzeń.

Korzystnym jest także gdy w sezonie grzewczym przerywany lub znacząco redukowany jest transfer chłodu do instalacji klimatyzacyjnej poprzez znaczne wymieszanie lub odcięcie dopływu chłodu do celów klimatyzacyjnych przy użyciu rozdzielacza i skierowanie do tych instalacji strumienia ciepła wytworzonego w pompie ciepła.

Dalej korzystnym jest także gdy w przypadku mniejszego zapotrzebowania chwilowego na ciepło/chłód lub chwilowej zmniejszonej podaży energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, zmniejsza się wydajność kompresora pompy ciepła poprzez zmianę, za pośrednictwem energoelektronicznego przetwornika postaci energii, parametrów elektrycznych tej energii przetwarzania, korzystnie napięcia i/lub częstotliwości.

Również korzystnym jest gdy zmniejszając wydajność cieplną kompresora pompy ciepła zmniejsza się wydajność pomp przemieszczających do odbiorów czynnik grzewczy pochodzenia fotowoltaicznego i/lub czynnik grzewczy pochodzenia geotermalnego.

Istota układu według wynalazku polega na tym, że zasilana korzystnie przez wymiennik ciepła instalacja klimatyzacyjna oraz zasilająca instalację grzewczą pompa ciepła są przyłączone do usytuowanego w zimnym źródle geotermalnym gruntowego wymiennika ciepła, pracującego w wyposażonym w zwrotnicę układzie o wymuszonym obiegu pierścieniowym, przy czym wejście pompy ciepła jest połączone z układem obiegowym gruntowego wymiennika ciepła za pośrednictwem drugiej zwrotnicy, natomiast wejście wymiennika ciepła jest połączone układem obiegowym gruntowego wymiennika ciepła za pośrednictwem układu mieszającego.

Korzystnym jest gdy pomiędzy wymiennik ciepła a instalację klimatyzacyjną jest szeregowo włączona dodatkowa zwrotnica, która jest przy tym równolegle włączona pomiędzy pompę ciepła a instalację grzewczą.

PL 218 175 B1

Niespodziewanym skutkiem powyższego rozwiązania jest energetyczny efekt synergiczny, tzn. że oszczędność energii elektrycznej, wynikająca z kogeneratywnego systemowego połączenia instalacji grzewczej i instalacji klimatyzacyjnej współpracujących ze wspólną pompą ciepła ze źródłem chłodu geotermalnego, jest większa niż w przypadku, gdy obie instalacje pracują osobno i nie komunikują się ze sobą.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na podstawie przykładowego wykonania pokazanego na rysunku, który przedstawia kogeneratywnie skojarzony układ instalacji chłodniczej i instalacji grzewczej, zasilanych ze wspólnej pompy ciepła w połączenie z zimnym źródłem wody geotermalnej.

Układ do wytwarzania ciepła użytkowego oraz wody lodowej dla celów klimatyzacyjnych składa się z pompy ciepła 2 zasilanej w ciepło geotermalne pobierane poprzez wymiennik gruntowy z zimnego źródła geotermalnego 5 oraz instalacji klimatyzacyjnej 60 zasilanej bezpośrednio lub korzystnie za pośrednictwem wymiennika ciepła 80 chłodem niesionym przez czynnik termodynamiczny, a pozyskiwanym poprzez wymiennik gruntowy z tego samego źródła geotermalnego 5, zwany roboczo Wodą Lodową. Transfer chłodu jest dokonywany przy użyciu rurociągu podającego czynnik termodynamiczny z gruntowego wymiennika ciepła 5, zainstalowanego w zimnym złożu geotermalnym, do wymiennika ciepła 80 i dalej do instalacji klimatyzacyjnej 60, z której, poprzez rurociąg odbierający, podgrzany czynnik termodynamiczny wraca do gruntowego wymiennika ciepła 5, gdzie ulega schłodzeniu do temperatury bliskiej temperaturze zimnego źródła geotermalnego, tj. do temperatury około 8 - 10°C. Czynnik ten jest po schłodzeniu odbierany i transferowany rurociągiem powrotnym do instalacji klimatyzacyjnej 60, poprzez zwrotnicę 11, bądź rurociągiem poprzez wężownicę schładzającą pompy ciepła 5, która początkowo jest nie aktywna. Po oddaniu chłodu - odebraniu ciepła przez instalację klimatyzacyjną 60 z klimatyzowanego obiektu, czynnik termodynamiczny powraca ogrzany. Ten ogrzany czynnik termodynamiczny jest ponownie kierowany wymiennika gruntowego 5, gdzie oddaje ciepło. Proces ten ma ciągły charakter. Ponieważ temperatura czynnika termodynamicznego k ierowanego do instalacji klimatyzacyjnej może być niższa niż temperatura właściwa dla tej instalacji klimatyzacyjnej , korzystnie jest jeżeli strumień zimnego czynnika termodynamicznego, przed jego skierowaniem do instalacji klimatyzacyjnej, zostanie zmieszany z ciepłym czynnikiem termodynamicznym powracającym z instalacji klimatyzacyjnej 60 przy użyciu układu mieszającego 9, celem uzyskania temperatury oczekiwanej dla zasilania instalacji klimatyzacyjnej, np. 15°C - dla zasilania belek chłodniczych. Podczas tego procesu zrzucania strumienia ciepła temperatura zimnego źródła geotermalnego stopniowo się podnosi sprawiając, że temperatura powracającego z wymiennika gruntowego 5 w raz z upływem sezonu ciepłego ma coraz wyższą temperaturę. Przy doborze dużej moc y cieplnej wymiennika gruntowego 5 można tak skorelować moc cieplną wymiennika oraz ilość ciepła zrzucanego poprzez wymiennik do zimnego źródła geotermalnego, by uzyskana temperatura równowagi wymiany była niższa od oczekiwanej temperatury pozyskiwanej wody lodowej. Wiąże się to z koniecznością zapewnienia dużej powierzchni czynnej tego wymiennika, a to jest kosztowne.

Im jest większa moc cieplna wymiennika gruntowego 5 tym mniejsze jest zapotrzebowanie na moc cieplną pompy ciepła 2 pracującej w trybie schładzania i odwrotnie.

W przypadku zapotrzebowania na ciepło użytkowe, pompa ciepła 2 włącza się i kogeneratywnie wytwarza ciepło użytkowe, jednocześnie aktywnie odbierając ciepło ze strumienia czynnika termodynamicznego niosącego pobrany z wymiennika gruntowego 5, tym samym wytwarzając chłód dla instalacji klimatyzacyjnej 60.

Natomiast w sezonie zimowym zapotrzebowanie na chłód dla celów klimatyzacyjnych jest ni ewielkie, jeżeli wręcz nie zerowe, natomiast wzrasta zapotrzebowanie na ciepło technologiczne dla celów grzewczych i/lub wentylacyjnych. Wówczas przerywany lub znacząco redukowany jest transfer chłodu do instalacji klimatyzacyjnej poprzez znaczne wymieszanie lub nawet odcięcie dopływu chłodu do celów klimatyzacyjnych przy użyciu rozdzielacza 9. Pompa ciepła 2 wytwarza ciepło zrzucając chłód do wymiennika gruntowego 5. Po podgrzaniu w pompie ciepła 2, ciepły czynnik termodynamiczny kierowany jest do technologicznej instalacji grzewczej 70.

Opcjonalnie korzystnym jest gdy instalacja klimatyzacyjna przyjmuje w okresie zimowym w całości lub częściowo funkcję grzewczą bezpośrednią, lub funkcję grzewczą wspomagającą dla podstawowej instalacji grzewczej, dla zapewnienia właściwej temperatury w klimatyzowanych pomieszczeniach, w sytuacji ubytków tego ciepła przez ściany i okna w sezonie grzewczym. Do tego celu służy zwrotnica 111 przestawiająca zasilanie instalacji klimatyzacyjnej lub części instalacji z zasilania w chłód na zasilanie w ciepło pozyskiwane w pompie ciepła 2.

PL 218 175 B1

Moc cieplna pompy ciepła 2 została dobrana zgodnie z audytem energetycznym dla ogrzania obiektu przez instalację grzewczą 70 oraz instalację klimatyzacyjną 60, natomiast moc cieplną wymiennika gruntowego 5 została dobrana tak, aby zapewnić ciepło pompie ciepła 2 w okresie grzewczym, oraz aby łączny koszt instalacji chłodniczej był najniższy, dopuszczając, że przez kilka dni w roku, dni szczytowych upałów/mrozów, temperatura dostarczanego do instalacji klimatyzacyjnej czynnika termodynamicznego była nieco niższa/wyższa, niż temperatura oczekiwana. Założenie takie pozwala na zmniejszenie cieplnej mocy szczytowej instalacji i - dzięki temu - na znaczące zredukowanie kosztu instalacji.

Korzystne jest, by pompę ciepła 2 zasilać energią fotowoltaiczną pozyskiwaną z ogniwa fotowoltaicznego i/lub generatora wiatrowego 1 i dalej kierowaną do pompy ciepła 2 za pośrednictwem przekształtnika 7 energii elektrycznej. Na podkreślenie zasługuje fakt bardzo dużej korelacji pomiędzy zapotrzebowaniem przez instalację klimatyzacyjną 60 na chłód i mocą energii solarnej odbieranej przez ogniwo fotowoltaiczne względnie na ciepło i mocą energii wiatrowej odbieranej przez generator wiatrowy.

Wskazane jest zastosowanie kaskady pomp ciepła dla stopniowego dopasowania mocy cieplnej pomp ciepła do chwilowego zapotrzebowania na moc cieplną instalacji klimatyzacyjnej i instalacji grzewczej.

W przykładowym rozwiązaniu, dla zapewnienia płynnej regulacji intensywności odbioru ciepła z pozyskanej w wymienniku gruntowym 5 zbyt cieplej wody lodowej, zastosowano przetwornicę częstotliwości, dostosowującą chwilową moc cieplną pompy ciepła 2 do bieżącego zapotrzebowania na chłód dla właściwego dochłodzenia tego strumienia wody lodowej. Zastosowanie takiej przetwornicy pozwala na lepszą i skuteczniejszą korelację wykorzystania w pełni mocy ze źródeł energii solarnej bądź wiatrowej z aktualną chwilową podażą tej odnawialne energii. Dla chwilowej, mniejszej ilości wiatru bądź promieniowania słonecznego, moc chwilowa uzyskiwanej energii odnawialnej może być niższa od mocy zainstalowanej pompy ciepła 2. Włączana pompa ciepła zapotrzebowywuje pełnej nominalnej mocy energii elektrycznej i jednocześnie oddaje nominalną moc transferu ciepła. Natomiast źródła odnawialnej energii elektrycznej nie dostarczają mocy elektrycznej przełączanej skokowo; moc taka wynika z aktualnej podaży czynnika odnawialnego - siły wiatru i natężenia promieniowania słonecznego. Także zapotrzebowanie na chłód nie zmienia się skokowo. Zasilanie pompy ciepła 2 poprzez przetwornicę częstotliwości pozwala skorelować płynnie zmieniające się zapotrzebowanie na ciepło/chłód z płynnie zmieniającą się podażą energii odnawialnej, z zachowaniem parametrów termicznych dostarczanego czynnika termodynamicznego w granicach dopuszczalnej tolerancji. Szczytowa moc pompy ciepła jest wykorzystywana jedynie w okresach szczytowych mrozów lub szczytowych upałów.

W przykładowym rozwiązaniu przyjęto, że instalacja klimatyzacyjna dostarcza chłód/ciepło za pośrednictwem konwektorów, konwektorów z wymuszonym przepływem wentylacyjnym lub indukcyjnym, takich jak klimakonwektory, belki sufitowe indukcyjne czy też płytowe, a także maty grzewcze i/lub maty chłodnicze.

Claims (7)

1. Sposób systemowego ogrzewania budynków użytkowych mieszkalnych lub/i biurowych, według którego energię elektryczną, korzystnie energię fotowoltaiczną lub/i energię z generatora wiatrowego, zamienia się na ciepło w kompresorze pompy ciepła, znamienny tym, że czynnik grzewczy i chłodniczy wyprowadza się z kompresora pompy ciepła dwoma strumieniami użytkowymi, z których jeden kieruje się do instalacji klimatyzacyjnej schładzającej, a drugi strumień kieruje się do instalacji ciepła technologicznego, tj. instalacji wytwarzania ciepłej wody użytkowej i/lub do instalacji grzewczej, przy czym rozdziału czynnika grzewczego i chłodniczego, realizowanego za pośrednictwem rozdzielaczy strumienia, korzystnie zaworów trójdrogowych, dokonuje się w proporcji wynikającej z bieżącego zapotrzebowania ma moc cieplną/chłodniczą poszczególnych odbiorów z tym, że użytkowy strumień czynnika chłodzącego pozyskuje się w pierwszej kolejności z zimnego źródła geotermalnego zasilającego pompę ciepła.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w celu uzyskania stabilnej temperatury strumieni zasilających ogrzewacze i/lub konwektory klimatyzacyjne, miesza się strumienie kierowane do tych urządzeń ze strumieniami powrotnym z tych urządzeń.

PL 218 175 B1

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w sezonie grzewczym przerywany lub znacząco redukowany jest transfer chłodu do instalacji klimatyzacyjnej poprzez znaczne wymieszanie lub odcięcie dopływu chłodu do celów klimatyzacyjnych przy użyciu rozdzielacza i skierowanie do tych instalacji strumienia ciepła wytworzonego w pompie ciepła.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w przypadku mniejszego zapotrzebowania chwilowego na ciepło/chłód lub chwilowej zmniejszonej podaży energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, zmniejsza się wydajność kompresora pompy ciepła poprzez zmianę, za pośrednictwem energoelektronicznego przetwornika postaci energii, parametrów elektrycznych tej energii przetwarzania, korzystnie napięcia i/lub częstotliwości.

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że zmniejszając wydajność cieplną kompresora pompy ciepła zmniejsza się wydajność pomp przemieszczających do odbiorów czynnik grzewczy pochodzenia fotowoltaicznego i/lub czynnik grzewczy pochodzenia geotermalnego.

6. Układ do aktywnego zarządzania energią cieplną, składający się z instalacji pompy ciepła, zasilanej korzystnie z ogniwa fotowoltaicznego lub/i generatora wiatrowego i skojarzonej z instalacją klimatyzacyjną, znamienny tym, że zasilana korzystnie przez wymiennik ciepła (80) instalacja klimatyzacyjna (60) oraz zasilająca instalację grzewczą (70) pompa ciepła (2) są przyłączone do usytuowanego w zimnym źródle geotermalnym gruntowego wymiennika ciepła (5), pracującego w wyposażonym w zwrotnicę (11) układzie o wymuszonym obiegu pierścieniowym, przy czym wejście pompy ciepła (2) jest połączone z układem obiegowym gruntowego wymiennika ciepła (5) za pośrednictwem drugiej zwrotnicy (11), natomiast wejście wymiennika ciepła (80) jest połączone układem obiegowym gruntowego wymiennika ciepła (5) za pośrednictwem układu mieszającego (9).

7. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że pomiędzy wymiennik ciepła (80) a instalację klimatyzacyjną (60) jest szeregowo włączona dodatkowa zwrotnica (111), która jest przy tym równolegle włączona pomiędzy pompę ciepła (2) a instalację grzewczą (70).