PL218723B1

PL218723B1 - Ecological water heater

Info

Publication number: PL218723B1
Application number: PL397126A
Authority: PL
Inventors: Vyacheslav Pisarev; Sławomir Rabczak
Original assignee: Politechnika Rzeszowska Im Inacego Łukasiewicza
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2015-01-30
Also published as: PL397126A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest ekologiczny podgrzewacz wody wykorzystujący energię solarną poprzez zastosowanie kolektora słonecznego oraz pompy ciepła. Ekologiczny podgrzewacz wody, zawierający pompę ciepła, w skład której wchodzą: parownik, sprężarka oraz zawór rozprężny jak również kolektor słoneczny z grupą solarną i wymiennikiem ciepła, połączone ze zbiornikiem podgrzewanej wody, charakteryzuje się tym, że we wspólnej obudowie (1) usytuowane są: parownik (2) pompy ciepła oraz meander (3) przewodu z czynnikiem grzewczym kolektora słonecznego, stanowiąc zintegrowany panel grzewczy (4). Parownik (2) pompy ciepła z tego panelu (4) połączony jest ze skraplaczem (7) w zbiorniku (6) podgrzewanej wody poprzez sprężarkę (8) oraz zawór rozprężny (9), natomiast meander (3) przewodu z czynnikiem grzewczym kolektora słonecznego sprzężony jest z tym zbiornikiem (6) poprzez wymiennik ciepła (10). Korzystnym jest podzielenie skraplacza, połączonego z parownikiem pompy cieplnej, na dwa odcinki usytuowane szeregowo, z których każdy jest umieszczony w oddzielnym zbiorniku podgrzewanej wody, przy czym z tymi zbiornikami sprzężony jest też meander kolektora słonecznego poprzez wymiennik ciepła.The subject of the invention is an ecological water heater using solar energy through the use of a solar collector and a heat pump. Ecological water heater, including a heat pump, which includes: evaporator, compressor and expansion valve, as well as a solar collector with a solar group and a heat exchanger, connected to a heated water tank, characterized by the fact that in a common housing (1) there are: the evaporator (2) of the heat pump and the meander (3) of the conduit with the heating agent of the solar collector, constituting an integrated heating panel (4). The evaporator (2) of the heat pump from this panel (4) is connected to the condenser (7) in the heated water tank (6) through the compressor (8) and the expansion valve (9), while the meander (3) of the pipe with the heating factor of the solar collector is coupled is with this tank (6) through the heat exchanger (10). It is advantageous to divide the condenser, connected to the heat pump evaporator, into two sections located in series, each of which is placed in a separate tank of heated water, and the solar collector meander is also coupled with these tanks through a heat exchanger.

Description

Przedmiotem wynalazku jest ekologiczny podgrzewacz wody wykorzystujący energię solarną poprzez zastosowanie kolektora słonecznego oraz pompy ciepła.The subject of the invention is an ecological water heater that uses solar energy through the use of a solar collector and a heat pump.

Przygotowanie ciepłej wody użytkowej w budownictwie mieszkalnym i użyteczności publicznej realizowane jest za pomocą podgrzewaczy gazowych, układów elektrycznych lub z lokalnych węzłów ciepłowniczych poprzez dedykowany wymiennik ciepła. Koszty przygotowania ciepłej wody największe wartości osiągają w przypadku podgrzewaczy przepływowych i pojemnościowych zasilanych energią elektryczną. Popularność tego typu instalacji wiąże się z niskimi kosztami jej wykonania. Mniejsze koszty użytkowania instalacji ponosi się w przypadku przygotowania ciepłej wody za pomocą pieca gazowego, natomiast wzrastają koszty inwestycyjne w porównaniu z instalacją elektryczną.Preparation of domestic hot water in residential and public utility buildings is carried out with the use of gas heaters, electrical systems or from local heating nodes through a dedicated heat exchanger. The costs of hot water preparation are highest in the case of flow heaters and storage heaters powered by electricity. The popularity of this type of installation is related to the low cost of its implementation. Lower operating costs of the installation are incurred in the case of preparing hot water with the use of a gas furnace, while the investment costs increase compared to the electric installation.

Znaczne zmniejszenie kosztów związanych z przygotowaniem ciepłej wody można uzyskać dzięki wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii. Najpopularniejszym rozwiązaniem są kolektory słoneczne. Wykorzystują one energię promieniowania słonecznego do podgrzewania wody do wymaganej temperatury. Wadą tego rozwiązania jest konieczność dogrzewania wody energią elektryczną lub inną w okresach o wysokim zachmurzeniu, co znacznie podnosi koszty eksploatacyjne instalacji. Innym rozwiązaniem bazującym na odnawialnych źródłach energii są pompy ciepła. Mogą to być instalacje przeznaczone wyłącznie do celów przygotowania ciepłej wody lub powiązane z instalacją centralnego ogrzewania. W układach indywidualnych pompa ciepła przygotowująca ciepłą wodę wykorzystuje powietrze zewnętrzne jako źródło ciepła co jest rozwiązaniem najkorzystniejszym inwestycyjnie, eliminuje konieczność wykonania drogiego kolektora gruntowego w przypadku rozwiązań połączonych z funkcją centralnego ogrzewania. W przypadku pomp ciepła temperatura ciepłej wody limitowana jest temperaturą dolnego źródła ciepła. W tradycyjnych rozwiązaniach temperatura dolnego źródła ciepła jest równa temperaturze powietrza zewnętrznego lub gruntu na głębokości posadowienia kolektora gruntowego, a temperatury te są stosunkowo niskie. Powoduje to nieekonomiczne warunki pracy pompy ciepła i limituje górną granicę temperatury ciepłej wody możliwą do uzyskania w takim rozwiązaniu technicznym.A significant reduction in the cost of domestic hot water preparation can be achieved through the use of renewable energy sources. Solar collectors are the most popular solution. They use the energy of solar radiation to heat water to the required temperature. The disadvantage of this solution is the need to heat the water with electricity or other energy in periods of high cloudiness, which significantly increases the operating costs of the installation. Heat pumps are another solution based on renewable energy sources. These can be installations designed exclusively for hot water preparation or associated with a central heating installation. In individual systems, the heat pump preparing hot water uses the outside air as a heat source, which is the most advantageous investment solution, it eliminates the need for an expensive ground collector in the case of solutions combined with the central heating function. In the case of heat pumps, the hot water temperature is limited by the temperature of the heat source. In traditional solutions, the temperature of the lower heat source is equal to the temperature of the outside air or ground at the depth of ground collector foundation, and these temperatures are relatively low. It causes uneconomical working conditions of the heat pump and limits the upper limit of hot water temperature that can be achieved in such a technical solution.

W przypadku kolektora słonecznego temperatura ciepłej wody zależna jest od sprawności samego kolektora słonecznego oraz natężenia promieniowania słonecznego. Wzrost temperatury ciepłej wody można osiągnąć poprzez zwiększenie powierzchni kolektorów słonecznych, a to z kolei wiąże się ze znacznymi kosztami inwestycyjnymi.In the case of a solar collector, the hot water temperature depends on the efficiency of the solar collector itself and the intensity of solar radiation. The increase in the temperature of hot water can be achieved by increasing the surface of solar collectors, which in turn involves significant investment costs.

W świetle dotychczasowych rozwiązań wykorzystania odnawialnych źródeł energii do podgrzewania wody korzystnym jest zastosowanie ekologicznego podgrzewacza wody zawierającego pompę ciepła, w skład której wchodzą; parownik, sprężarka oraz zawór rozprężny jak również kolektor słoneczny z grupą solarną i wymiennikiem ciepła, połączone ze zbiornikiem podgrzewanej wody, który zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że we wspólnej obudowie usytuowane są; parownik pompy ciepła oraz meander przewodu z czynnikiem grzewczym kolektora słonecznego, stanowiąc zintegrowany panel grzewczy. Parownik pompy ciepła z tego panelu połączony jest ze skraplaczem w zbiorniku podgrzewanej wody poprzez sprężarkę oraz zawór rozprężny, natomiast meander przewodu z czynnikiem grzewczym kolektora słonecznego sprzężony jest z tym zbiornikiem poprzez wymiennik ciepła.In the light of the existing solutions of using renewable energy sources for heating water, it is advantageous to use an ecological water heater containing a heat pump, which includes; an evaporator, a compressor and an expansion valve as well as a solar collector with a solar group and a heat exchanger connected to a heated water tank, which according to the invention is characterized in that they are situated in a common housing; heat pump evaporator and a cable meander with the solar collector's heating medium, constituting an integrated heating panel. The heat pump evaporator from this panel is connected with the condenser in the heated water tank through the compressor and the expansion valve, while the meander of the pipe with the solar collector's heating medium is coupled with this tank through a heat exchanger.

Korzystnym jest również, z punktu widzenia optymalnego wykorzystania przejętej przez zintegrowany panel grzewczy solarnej energii, podzielenie skraplacza połączonego z parownikiem pompy cieplnej na dwa odcinki usytuowane szeregowo, z których każdy jest umieszczony w oddzielnym zbiorniku podgrzewanej wody, przy czym z tymi zbiornikami sprzężony jest też meander kolektora słonecznego poprzez wymiennik ciepła.It is also advantageous, from the point of view of the optimal use of the solar energy absorbed by the integrated heating panel, to divide the condenser connected with the heat pump's evaporator into two sections arranged in series, each of which is placed in a separate tank of heated water, with a meander also coupled to these tanks solar collector through a heat exchanger.

Proponowane rozwiązanie łączy w sobie zalety kolektorów słonecznych z możliwościami pracy pompy ciepła w bardziej ekonomicznych warunkach. Dzięki umieszczeniu elementu pompy ciepła pobierającego energię na powierzchni kolektora słonecznego, znacznie wzrasta temperatura źródła ciepła dla jej parownika. Układ taki umożliwia przygotowanie ciepłej wody o wysokiej temperaturze przy większej wydajności energetycznej pompy ciepła w porównaniu z tradycyjnym rozwiązaniem. Zapotrzebowanie na energię elektryczną jest mniejsze w porównaniu z instalacją kolektora słonecznego i pompy ciepła działających niezależnie i wytwarzających ciepłą wodę o temperaturze 50-55°C. W proponowanym rozwiązaniu, dzięki przesunięciu charakterystyki pompy ciepła w kierunku wyższej temperatury dolnego źródła ciepła, w wyniku połączenia kolektora słonecznego z parownikiem pompy ciepła, możliwe jest uzyskanie temperatury ciepłej wody na wyższym poziomie lub znaczne obniżenie kosztów wytwarzania ciepłej wody użytkowej w okresie rocznym. W proponowanym rozwiązaniu zaPL 218 723 B1 sobnik ciepłej wody zintegrowany jest z wężownicą skraplacza pompy ciepła, natomiast instalacja kolektora słonecznego zasila zbiornik ciepłej wody wodą pochodzącą z podgrzania jej na wymienniku ciepła kolektora słonecznego. Instalacja tego typu umożliwia przygotowanie ciepłej wody o wysokiej temperaturze, jak również o dwóch poziomach temperatur: wysokiej i niskiej w zależności od rozwiązania technologicznego.The proposed solution combines the advantages of solar collectors with the possibility of heat pump operation in more economical conditions. By placing the energy-collecting heat pump element on the surface of the solar collector, the temperature of the heat source for its evaporator increases significantly. Such a system enables the preparation of hot water with high temperature with greater energy efficiency of the heat pump compared to the traditional solution. The demand for electricity is lower compared to the installation of a solar collector and heat pump operating independently and producing hot water at a temperature of 50-55 ° C. In the proposed solution, thanks to the shifting of the heat pump characteristics towards a higher temperature of the heat source, as a result of connecting the solar collector with the heat pump's evaporator, it is possible to obtain the hot water temperature at a higher level or significantly reduce the costs of domestic hot water production in the annual period. In the proposed solution, the hot water tank is integrated with the heat pump condenser coil, while the solar collector installation supplies the hot water tank with water that comes from heating it on the solar collector heat exchanger. This type of installation enables the preparation of hot water with high temperature, as well as with two temperature levels: high and low, depending on the technological solution.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładowych wykonaniach na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w ujęciu schematycznym zintegrowany panel grzewczy, natomiast na fig. 2 w analogicznym ujęciu pokazano układ ekologicznego podgrzewacza połączonego z jednym zbiornikiem wody wyposażonym w skraplacz przejmujący ciepło z panela grzewczego, z kolei na fig. 3 pokazano układ tego podgrzewacza połączonego z dwoma zbiornikami podgrzewanej wody, w których umieszczone są połączone ze sobą szeregowo dwa odcinki skraplacza.The subject of the invention is presented in the exemplary embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a schematic view of an integrated heating panel, while Fig. 2 shows a similar view of an ecological heater system connected to one water tank equipped with a condenser taking heat from the heating panel, and in turn Figure 3 shows the arrangement of this heater connected to two tanks of heated water, in which two sections of the condenser are connected in series.

Jak to przedstawiono na fig. 1 ekologiczny podgrzewacz wody posiada we wspólnej obudowie 1 umieszczony parownik 2 pompy cieplnej wypełniony freonem oraz meander 3 przewodu z czynnikiem grzewczym, który jest solanką, stanowiące zintegrowany panel grzewczy 4.As shown in Fig. 1, the ecological water heater has in a common casing 1 a heat pump evaporator 2 filled with freon and a meander 3 of a pipe with a heating medium, which is brine, constituting an integrated heating panel 4.

Panel ten umieszczony jest na zewnętrznej płaszczyźnie 5 obiektu mieszczącego zbiornik 6 z podgrzewaną wodą, korzystnie na dachu od strony nasłonecznionej co przedstawiono na fig. 2. P arownik 2 pompy cieplnej połączony jest ze skraplaczem 7 w zbiorniku 6 poprzez sprężarkę 8 na jego wejściu oraz zawór rozprężny 9. Równocześnie meander 3 przewodu z czynnikiem grzewczym kolektora słonecznego sprzężony jest z instalacją wody przesyłanej do zbiornika 6 poprzez wymiennik ciepła 10. Wstępnie woda podgrzewana jest przez kolektor słoneczny, skąd ciepło odbierane od promieniowania słonecznego transportowane jest przez grupę solarną 11 do wymiennika ciepła 10. W wymienniku ciepła 10 energia od solanki przekazywana jest do wody zasilającej zbiornik 6 poprzez króciec 12, która dostarczana jest z sieci wodociągowej poprzez króciec 13. Przed wzrostem temperatury wody w zbiorniku 6 powyżej wartości maksymalnej zabezpiecza zawór regulacyjny trójdrogowy 14 umieszczony za wymiennikiem ciepła 10. Poza tym w instalacji kolektora słonecznego włączony jest zespół 15 do napełniania i opróżniania instalacji solarnej.This panel is placed on the outer plane 5 of the object housing the tank 6 with heated water, preferably on the roof from the sun side, as shown in Fig. 2. The heat pump evaporator 2 is connected to the condenser 7 in the tank 6 through a compressor 8 at its inlet and a valve. expansion 9. At the same time, the meander 3 of the conduit with the heating medium of the solar collector is coupled with the installation of water transferred to the tank 6 through the heat exchanger 10. The water is pre-heated by the solar collector, from where the heat received from solar radiation is transported by the solar group 11 to the heat exchanger 10 In the heat exchanger 10, the energy from the brine is transferred to the water supplying the tank 6 through the stub pipe 12, which is supplied from the water supply network through the stub pipe 13. The three-way control valve 14 located behind the heat exchanger 10 protects the water temperature in the tank 6 above the maximum value. Besides you m, the solar system filling and emptying assembly 15 is included in the solar system.

Jeżeli promieniowanie słoneczne miało wystarczającą moc cieplną do podgrzania wody w zbiorniku 6 do wymaganej temperatury, woda ta jest rozprowadzana do odbiorników, nie uwidocznionych na rysunku, poprzez króciec 16. W przypadku, kiedy promieniowanie słoneczne nie zapewni wymaganego podgrzania wody, zwłaszcza w okresach pełnego zachmurzenia, włącza się układ pompy ciepła. Woda dogrzewana jest poprzez skraplacz 7 do wymaganej temperatury dzięki ciepłu zaabsorbowanemu podczas odparowywania freonu w parowniku 2 umieszczonym w zintegrowanym panelu grzewczym 4.If the solar radiation had sufficient thermal power to heat the water in the tank 6 to the required temperature, this water is distributed to receivers, not shown in the drawing, through the connector 16. In the event that the solar radiation does not provide the required water heating, especially in periods of full cloud cover the heat pump system starts up. The water is heated by the condenser 7 to the required temperature thanks to the heat absorbed during the evaporation of freon in the evaporator 2 located in the integrated heating panel 4.

W przypadku rozwiązania służącego do produkcji ciepłej wody zarówno o wysokiej jak i niskiej temperaturze instalacja ciepłej wody pokazana na fig. 3 posiada dodatkowo pojemnościowy zbiornik wody 17. Woda zasilająca ten zbiornik dostarczana jest poprzez króciec przyłączeniowy 18 z instalacji wody zimnej. Przygotowanie wody ciepłej w zbiorniku 17 następuje tylko dzięki odebraniu ciepła od skraplacza 19. Ciepła woda ze zbiornika 17 trafia do odbiorników ciepłej wody poprzez króciec wylotowy 20. Wstępne podgrzewanie wody w zbiorniku 6 o wysokiej temperaturze następuje analogicznie jak w przypadku instalacji przedstawionej na fig. 2. Woda podgrzewana jest na wymienniku ciepła 10 odbierając energię od solanki a następnie jest transportowana do zbiornika 6 ciepłej wody do którego wpływa poprzez króciec wlotowy 21. Dogrzanie wody w zbiorniku 6 o wysokiej temperaturze do wymaganej temperatury, odbywa się kosztem ochładzania i częściowemu skraplaniu gorących par czujnika chłodniczego w skraplaczu 7. Tak przygotowana ciepła woda o wysokiej temperaturze trafia do instalacji poprzez króciec wylotowy 16. Całkowite skroplenie czynnika chłodniczego przy zachowaniu stałej temperatury procesu następuje w skraplaczu 19 umieszczonym w zbiorniku 17.In the case of a solution for the production of hot water with both high and low temperature, the hot water system shown in Fig. 3 additionally has a capacitive water tank 17. The water supply to this tank is supplied through the connector 18 from the cold water system. The preparation of hot water in the tank 17 takes place only thanks to the removal of heat from the condenser 19. The hot water from the tank 17 goes to the hot water receivers through the outlet pipe 20. Preheating of the water in the high-temperature tank 6 takes place in the same way as in the installation shown in Fig. 2. The water is heated on the heat exchanger 10, receiving the energy from the brine, and then it is transported to the hot water tank 6 to which it flows through the inlet pipe 21. The water in the high-temperature tank 6 is heated to the required temperature at the expense of cooling and partial condensation of the hot vapors. refrigerant sensor in the condenser 7. Thus prepared hot water with high temperature goes to the installation through the outlet connection 16. The complete condensation of the refrigerant while maintaining a constant process temperature takes place in the condenser 19 placed in the tank 17.

Claims

1. Ecological water heater containing a heat pump, which includes; an evaporator, a compressor and an expansion valve, as well as a solar collector with a solar group and a heat exchanger, connected to a heated water tank, characterized in that in a common housing (1) they are located; the evaporator (2) of the heat pump and the meander (3) of the pipe with the heating medium (3) of the solar collector, constituting an integrated heating panel (4), whose evaporator (2) of the heat pump is connected with the condenser (7) in the tank (6) through the compressor (8) and an expansion valve (9),

On the other hand, the meander (3) of the conduit with the heating medium (3) of the solar collector is coupled to the heated water tank (6) through a heat exchanger (10).

2. Ecological water heater according to claim The condenser according to claim 1, characterized in that the condenser connected to the evaporator (2) of the heat pump consists of two sections (7, 19) arranged in series, each of which is placed in a separate tank (6, 17) of heated water, with these tanks being coupled also meander (3) of the solar collector through the heat exchanger (10).