PL219117B1 - Sposób ogrzewania budynków mieszkalnych oraz systemowy układ grzewczy budynku mieszkalnego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób ogrzewania budynków mieszkalnych oraz systemowy układ grzewczy budynku mieszkalnego.

Powszechnie znany i często jest stosowany sposób ogrzewania pomieszczeń, w którym ciepło uzyskiwane w kotle opalanym gazem, olejem opałowym albo paliwem stałym przemieszcza się do grzejników żeberkowych lub płytowych usytuowanych na ścianach ogrzewanych pomieszczeń, najczęściej na ścianach pod oknami.

Także powszechnie znany i często jest stosowany sposób ogrzewania pomieszczeń, w którym ciepło uzyskiwane w kotle opalanym gazem, olejem opałowym albo paliwem stałym przemieszcza się do grzejników podłogowych.

Powszechnie znany i często stosowany jest sposób ogrzewania pomieszczeń, w którym dostarcza się energię elektryczną do ogrzewanej przestrzeni i tam zamienia się ja na energię cieplną w elektrycznych urządzeniach grzejnych bądź elementach oporowych umieszczonych w podłodze.

Znany jest także i często stosowany sposób ogrzewania pomieszczeń przy użyciu pompy ciepła, gdzie przepompowywane z zewnętrznego źródła geotermalnego ciepło dostarczone jest do wężownicy zalanej w szlichcie podłogi.

Znany jest także i często stosowany sposób ogrzewania pomieszczeń przy użyciu pompy ciepła, gdzie przepompowywane z zewnętrznego źródła geotermalnego ciepło transferowane jest do kanału powietrznego, przez który przepływa powietrze pobierane z ogrzewanych pomieszczeń. W kanale tym następuje podgrzewanie tego powietrza za pośrednictwem centralnego konwektora pompy ciepła, po czym to podgrzane powietrze jest ponownie rozprowadzane w ogrzewanych pomieszczeniach.

Znany jest także sposób ogrzewania pomieszczeń, gdzie ciepło jest wytwarzane w ogrzewanym paliwem odnawialnym - biomasą, np. brykietami słomy lub polanami drewna - kotle w postaci kominka z płaszczem wodnym, w którym wytworzone ciepło kierowane jest do zbiornika cwu oraz do obiegu grzejników centralnego ogrzewania.

Przedstawione wyżej sposoby ogrzewania pomieszczeń charakteryzują się swoistymi zaletami, ale także i swoistymi wadami.

Przy stosowaniu do ogrzewania pomieszczeń grzejników żeberkowych, płytowych lub podobnych pojawia się problem konfliktu. Sprawność zamiany paliwa w kotłach grzewczych na ciepło, szczególnie w kotłach gazowych, jest tym większa, im niższa jest temperatura pracy kotła. Natomiast wydajność cieplna grzejników jest tym większa, im wyższa jest temperatura medium grzewczego oraz im mniejsza jest ich pojemność cieplna.

Obecnie najczęściej realizuje się opcję polegającą na kompromisie między obniżaniem temperatury pracy kotłów a powiększaniem powierzchni konwekcji grzejników.

Rozprowadzanie ciepła do pomieszczeń przy użyciu w/w grzejników pozwala na stosowanie obniżania zużycia energii poprzez czasowe obniżanie temperatury w zdefiniowanych okresach, np. gdy domownicy są w pracy. Reakcja termiczna systemu grzewczego na obniżenie nastawy temperatury jest odczuwalna w ogrzewanych pomieszczeniach zazwyczaj po kilkunastu minutach. Niemniej, parametr grzewczy utrzymywany na instalacji jest zdecydowanie wyższy niż dla ogrzewan ia podłogowego.

Często stosowaną metodą zwiększenia sprawności zużycia opału jest obniżenie temperatury uzyskiwanego medium grzewczego i stosowaniu ogrzewania podłogowego zasilanego medium o niskiej temperaturze. Jednak ogrzewacz podłogowy charakteryzuje się bardzo dużą bezwładnością cieplną - efekt zmiany parametru czynnika grzewczego odczuwalny jest dopiero po kilku godzinach. Tak więc większa sprawność grzewcza systemu okupiona jest brakiem możliwości szybkiej regulacji temperatury.

Podstawową wadą ogrzewania elektrycznego oporowego, niezależnie od dalszego sposobu dystrybucji ciepła w pomieszczeniach, jest jego niska sprawność brutto, a często, szczególnie w Polsce, nieekologiczność - konsumpcja energii elektrycznej wytwarzanej z konwencjonalnych źródeł energii, przyczynia się do efektu cieplarnianego. Także już sama dostawa energii elektrycznej do budynku jest związana z dużymi stratami energii przy jej przesyle. Spalenie tej samej ilości paliwa w nowoczesnym kotle lokalnym, zużytego do wytworzenia tej energii elektrycznej brutto, dałoby więcej ciepła niż ciepło uzyskane z tej energii elektrycznej bezpośrednio zamienionej na ciepło w grzejnikach oporowych. Mimo, że grzejniki elektryczne o małej pojemności cieplnej bardzo dobrze się nadają do

PL 219 117 B1 szybkiej regulacji temperatury pomieszczeń, to z uwagi na bardzo wysokie koszty energii są rzadko stosowane.

Zastosowanie centralnej pompy ciepła z wyjściem powietrznym do ogrzewania pomieszczeń mieszkania, mimo, że ma podobną zaletę jak ogrzewanie grzejnikowe - szybką reakcję - i dobrze się nadaje do stosowania celowych obniżeń temperatury, ma podstawową wadę: mieszane jest powietrze między pomieszczeniami wraz z występującą w tych pomieszczeniach mikroflorą, zarazkami i bakteriami. Zaproponowane poniżej rozwiązanie pozbawione powyższej wady, polegające na zastosowaniu odrębnych pomp ciepła dla każdego ogrzewanego pomieszczenia jest bardzo kosztowne inwestycyjnie.

Zastosowanie centralnej pompy ciepła do zasilania ogrzewania podłogowego ma wszystkie wady ogrzewania podłogowego opisane wyżej.

Stosowanie kotła grzejnego w postaci kominka z płaszczem wodnym charakteryzuje się podstawową wadą jaką jest brak możliwości regulacji chwilowej mocy cieplnej urządzenia. Kominek wymaga uważnego ręcznego dozowania opału i charakteryzuje się dużą nieregularnością spalania, a przez to niestabilnością procesu, co daje chwilowe skoki mocy, często skutkujące wytworzeniem pary i wyrzutem ciepła do atmosfery, a sama regulacja temperatury grzejników jest niemalże niemożliwa - gdy w kominku się pali to instalacja grzewcza staje się gorąca, często zdecydowanie przegrzana.

Celem wynalazku jest wskazanie sposobu pozwalającego maksymalnie efektywnie wykorzystać sprawność źródeł ciepła, zapewnienie ich stabilnej pracy przy jednoczesnym zapewnieniu pełnej możliwości zmniejszania strat energii poprzez zapewnienie skutecznej, szybkiej, dynamicznej i selektywnej regulacji temperatury poszczególnych pomieszczeń.

Celem wynalazku jest także wskazanie układu technologicznego pozwalającego na realizację praktyczną wskazanego sposobu.

Istota sposobu ogrzewania budynków mieszkalnych, według którego energię fotowoltaiczną zamienia się na ciepło w kompresorze pompy ciepła, do której podaje się, za pośrednictwem gruntowego wymiennika ciepło geotermalne, polega na tym, że ciepło geotermalne, przed podaniem na pompę ciepła, kieruje się do pomieszczeń przegrzanych, z których odzyskane ciepło kieruje się do pompy ciepła, po czym wyprowadzany z kompresora pompy ciepła czynnik grzewczy rozdziela się na dwa strumienie, z których jeden kieruje się do ogrzewaczy o dużej pojemności cieplnej, korzystnie do ogrzewaczy podłogowych, natomiast drugi do ogrzewaczy o małej pojemności cieplnej i szybkiej konwekcji, korzystnie z wymuszonym opływem powietrza ogrzewanego, z kolei rozdziału czynnika grzewczego, realizowanego za pośrednictwem rozdzielaczy strumienia, korzystnie zaworów trójdrogowych, dokonuje się w proporcji wynikającej z bieżącego zapotrzebowania ma moc cieplną poszczególnych ogrzewaczy, zaś przepływający co najmniej w jednym ze strumieni czynnik grzewczy gromadzi się wstępnie w buforze ciepła, a następnie, za pośrednictwem tego bufora, kieruje się go do ogrzewacza, przy czym nadwyżkę ciepła, celem pełnego wykorzystania mocy kompresora pompy ciepła, gromadzi się w dodatkowym buforze ciepła, natomiast w przypadku mniejszego zapotrzebowania chwilowego na ciepło zmniejsza się wydajność kompresora pompy ciepła poprzez zmianę, za pośrednictwem energoelektronicznego przetwornika postaci energii, parametrów elektrycznych tej energii przetwarzania, korzystnie napięcia i/lub częstotliwości.

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.

Korzystnym jest także, gdy miesza się strumienie kierowane do ogrzewaczy podłogowych i/lub konwektorów ze strumieniami powrotnym z tych urządzeń uzyskując w ten sposób stabilną temperaturę strumieni zasilających.

Ponadto korzystnym jest, gdy chłód przed zrzuceniem z pompy ciepła do złoża geotermalnego, kieruje się wstępnie do pomieszczenia przegrzanego, celem jego schłodzenia.

Istota układu grzewczego według wynalazku, polega na tym, że do ringu transferu ciepła jest przyłączona pompa ciepła oraz co najmniej dwa odpływy ciepła, korzystnie w postaci buforów, z których bufor ciepła jest zasilaczem niskotemperaturowym instalacji ogrzewania podłogowego zaś bufor ciepła jest zasilaczem klimakonwektorów oraz bufor ciepła, który stanowi zbiornik wody użytkowej, natomiast do pompy ciepła jest przyłączony gruntowy wymiennik ciepła, przy czym pompa ciepła jest zasilana energią elektryczną, korzystnie z ogniwa fotowoltaicznego, za pośrednictwem bufora energii elektrycznej, zaś pomiędzy gruntowy wymiennik ciepła a pompę ciepła jest włączona zwrotnica chłodu geotermalnego, do której jest przyłączony blok klimakonwektorów.

PL 219 117 B1

Korzystnym jest gdy, do bufora ciepła jest przyłączone ekologiczne źródło energii cieplnej, korzystnie kominek z płaszczem wodnym.

Korzystnym jest także, gdy bufory ciepła oraz pompy ciepła są wyposażone w rozdzielacze strumieni, które są usytuowane w obiegu ringu lub przyłączone do niego eżektorowo.

Również korzystnym jest, gdy do ringu, za pośrednictwem rozdzielacza strumieni lub eżektorowo, jest przyłączony kominek.

Ponadto korzystnym jest, gdy do ringu, bezpośrednio lub za pośrednictwem wymiennika ciepła, jest dodatkowo przyłączony gruntowy wymiennik ciepła.

Podstawowym efektem zastosowania wynalazku jest znaczna redukcja bądź nawet całkowita rezygnacja z konwencjonalnych źródeł energii, poprzez oparcie ogrzewania pomieszczeń na odnawialnych ekologicznych źródłach energii, oraz zapewnienie efektywnych warunków konwersji nośników energii na ciepło oraz dalej transferu tego ciepła do ogrzewanych pomieszczeń przy minimalizacji strat ciepła, przy pełnej automatyzacji tego procesu.

Istotnym efektem zastosowania technologii transferu ciepła między urządzeniami, zwanej „ringiem ciepła”, jest duża elastyczność w transferze ciepła między źródłami ciepła, buforami ciepła a instalacją odbiorczą ciepła. Niebagatelnym efektem jest wykorzystanie zimnego źródła geotermalnego jako bufora dla stabilizacji produkcji ciepła w tak niestabilnym urządzeniu, jakim jest kominek z płaszczem wodnym. Ciepło tam wyrzucone z kominka jest ponownie transferowane do instalacji grzewczej w okresie aktywnego wykorzystywania pompy ciepła.

Dodatkowym efektem zaproponowanego sposobu jest uzyskanie dla ogrzewanych pomieszczeń możliwości ich klimatyzowania w okresie letnim, bez ponoszenia dodatkowych kosztów. zarówno inwestycyjnych, jak i eksploatacyjnych.

Przy rozwiązaniu zagadnienia ekonomicznego wykorzystania energii dla ogrzewania budynku mieszkalnego należało pogodzić występujące trzy podstawowe, pozornie sprzeczne ze sobą zależności, mianowicie:

- sprawność cieplna źródła ciepła jest tym większa, im niższa jest temperatura medium grzewczego - stąd najkorzystniejsze jest stosowanie grzejników niskotemperaturowych o dużej powierzchni,

- straty ciepła są tym niższe, im mniejsza jest różnica między temperaturą pomieszczenia a temperaturą zewnętrzną - stąd korzystne jest jak najdłuższe utrzymywanie niskiej temperatury pomieszczeń i podnoszenie jej tylko na okres obecności użytkowników oraz

- skuteczność grzewcza grzejników jest tym większa, im temperatura czynnika grzewczego jest wyższa a pojemność cieplna grzejnika jest mniejsza.

Zmniejszenie kosztów uzyskano dzięki kaskadzie urządzeń grzejnych; pompy ciepła i kotła opalanego paliwem odnawialnym. Ponieważ zapotrzebowanie na moc szczytową systemu grzewczego występuje w naszym klimacie tylko kilkanaście do dwudziestu kilku dni w roku - zastosowanie kaskady pompa ciepła-kominek z płaszczem wodnym - pozwala na zakup pompy ciepła o mniejszej mocy oraz stosownie zakup systemu baterii fotoogniw o mniejszej mocy. Pozwala też na zmniejszenie bufora gromadzącego energię pozyskiwaną z baterii fotowoltaicznej poprzez włączanie do wytwarzania ciepła w zimowe popołudnia i wieczory kominka z płaszczem wodnym, obsługiwanego przez domowników. Efektem dodatkowym jest specyficzna ciepła atmosfera w domu z pełgającym płomieniem kominka.

Elastyczność sterowania przerzutem ciepła między źródłami ciepła a odbiorami oraz pośrednimi buforami ciepła uzyskano dzięki wprowadzeniu między tymi urządzeniami transferu ciepła z zastosowaniem cyrkulacyjnego „kolistego obiegu czynnika termodynamicznego, określanego dalej jako „ring ciepła”.

Wynalazek zostanie przybliżony na podstawie przykładowych wykonań pokazanych na rysunku, na którym poszczególne figury fig. 1, fig. 2, fig. 3 i fig. 4 przedstawiają w postaci blokowej cztery różne instalacje grzewcze.

P r z y k ł a d 1

Pompa ciepła 2 jest zasilana w ciepło geotermalne z zimnego źródła energii geotermalnej za pośrednictwem wymiennika gruntowego 5, a w energię elektryczną z ogniwa fotowoltaicznego 1 za pośrednictwem bufora energii elektrycznej 7, w którym gromadzi się i przetwarza parametry tej energii, stosownie do zapotrzebowania kompresora pompy ciepła 2.

Wytworzone w kompresorze pompy ciepła 2 ciepło rozprowadzane jest między trzy bufory ciepła 10, 20 i 30 za pośrednictwem ringu ciepła 3 wyposażonego w rozdzielacze strumienia 4, realizoPL 219 117 B1 wane przykładowo przez zawory trójdrogowe, mogące przekierować płynący w ringu strumień czynnika termodynamicznego (nośnika ciepła) do każdego z buforów.

Bufor ciepła 20 dalej zasila w ciepło niskotemperaturową instalację ogrzewania podłogowego 21 pomieszczeń budynku. Sukcesywnie do rozbioru ciepła przez instalację ogrzewania podłogowego, czynnik termodynamiczny w buforze ciepła 21 tej instalacji jest podgrzewany w granicach od T1_mjn (następuje wówczas przełączenie strumienia ciepła z ringu na bufor 20) - do T1_max - (następuje wówczas odłączenie strumienia ciepła z ringu na bufor 20). Z uwagi na dużą bezwładność termiczną instalacji ogrzewania podłogowego 21, temperaturę średnią bufora 20 nastawia się pogodowo i utrzymuje stale na takim poziomie, by w pomieszczeniach ogrzewanych uzyskać temperaturę dyżurną pomieszczeń ustaloną na czas nieobecności użytkowników, np. na poziomie 17°C.

Bufor ciepła 30 zasila w ciepło instalację klimakonwektorów 31 służących do szybkiego dogrzewania poszczególnych pomieszczeń budynku. Sukcesywnie do rozbioru ciepła przez instalację klimakonwektorów 31, czynnik termodynamiczny w buforze ciepła 30 jest podgrzewany w granicach od T2_mn (przełączenie strumienia ciepła z ringu na bufor 31), do T2_max (wyłączenie zasilania tego odpływu/bufora w ciepło z ringu poprzez przestawienie rozdzielacza strumienia 4 tego bufora 30 na obieg ringu). Z uwagi na małą pojemność cieplną instalacji klimakonwektorów 31, podczas nieobecności użytkowników utrzymuje się w tej instalacji temperaturę średnią na niskim poziomie, np. taką samą, jak w buforze ciepła 20 instalacji ogrzewania podłogowego 21. Natomiast z chwilą powrotu użytkowników do domu podnosi się tą temperaturę, np. o 15°C, by zapewnić szybką reakcję na zmianę nastawy temperatury dla konkretnego pokoju z temperatury dyżurnej do temperatury komfortu cieplnego, określonej nastawą przez danego użytkownika. Z chwilą przejścia użytkownika/ków do innego pomieszczenia, wyłącza się klimakonwektor w opuszczonym pokoju a włącza klimakonwektor w pokoju właśnie użytkowanym.

Dzięki wydzieleniu dwu oddzielnych systemów grzewczych: systemu ogrzewania podłogowego (bufor ciepła 20 i instalacja ogrzewania podłogowego 21), dostarczającego do pomieszczeń większość ciepła o bardzo niskiej temperaturze roboczej oraz charakteryzującego się małą bezwładnością cieplną systemu klimakonwektorów (bufor ciepła 30 i instalacja klimakonwektorów 31), do którego dostarcza się niewielką część zapotrzebowanego przez pomieszczenia ciepła czynnikiem termodynamicznym o nieco wyższej temperaturze - uzyskuje się efekt ogrzewania pomieszczeń z zapewnieniem komfortu termicznego, głównie dostarczając ciepło niskotemperaturowe, gdyż ilość ciepła dostarczana za pośrednictwem instalacji klimakonwektorów 31, zasilanej ciepłem średniotemperaturowym, jest proporcjonalnie niewielka. Wyselekcjonowane w przestrzeni i czasie pomieszczenia podgrzewane są tylko o zaledwie kilka stopni K, np. od T = 17°C utrzymywanej przez ogrzewanie podłogowe do T = 22°C, to jest zaledwie o Delta T = 5°K, gdy tymczasem, przykładowo przy temperaturze zewnętrznej -10°C, instalacja ogrzewania podłogowego 21 prowadzi niskotemperaturowe ogrzewanie pomieszczeń przy różnicy temperatur Delta T = 27°K.

Bufor ciepła 10 jest zbiornikiem ciepłej wody użytkowej. Z uwagi na dobową cykliczność dostępności energii promienistej słońca, jest on intensywnie podgrzewany w ciągu dnia. Spełnia on także inną istotną funkcję w okresie jesienno/wiosennym, kiedy to rozbiór ciepła na ogrzewanie pomieszczeń jest mniejszy niż w szczycie zimowym. Ponieważ dla pompy ciepła 2 niekorzystne jest częste jej włączanie i wyłączanie, w tym okresie małego zapotrzebowania na ciepło dla ogrzewania pomieszczeń, bufor ciepła 20 instalacji ogrzewania podłogowego 21, czy też bufor ciepła 30 instalacji klimakonwektorów 31, jest podgrzewany w krótkich interwałach czasowych. Ażeby nie trzeba było w takich warunkach odbioru ciepła często włączać i wyłączać pompy ciepła 2, po nagrzaniu danego bufora, zawory rozdzielaczy strumienia 4 ringu ciepła 3 odcinają ten bufor od ringu ciepła 3 i włączają bufor 10 zbiornika cwu, który jest dalej dogrzewany przez pompę ciepła 2 bez jej wyłączania. Pompę ciepła 2 wyłącza się dopiero po podgrzaniu bufora ciepła 10 zbiornika cwu, charakteryzującego się dużą pojemnością cieplną, praktycznie dopiero po kilkunastominutowym cyklu pracy. Następnie, gdy ponownie wystąpi konieczność dogrzania bufora 20 instalacji grzewczej podłogowej 21, w pierwszej kolejności do bufora 20 przerzucane jest ciepło z bufora 10 zbiornika cwu, poprzez jednoczesne otwarcie na ring ciepła 3 zaworu rozdzielacza strumienia 3 bufora 10 zbiornika cwu i zaworu rozdzielacza strumienia 4 tego bufora. W tym czasie pompa ciepła 2 nie pracuje. Pompę tę włącza się dopiero wtedy, gdy w skutek rozbioru ciepła na ogrzewanie opadnie zarówno temperatura bufora 20 lub 30, jak i bufora 10 zbiornika cwu. Po włączeniu, pompa ciepła 2 najpierw ładuje ciepłem bufory 20 i/lub 30 instalacji grzewczej, a dopiero następnie, nie przerywając swojej pracy, ponownie ładuje ciepło do bufora 10 zbiornika cwu. Dzięki takiemu sposobowi wykorzystania zdolności ringu 3 do przerzu6

PL 219 117 B1 cania ciepła między buforami do niego przyłączonymi (10, 20 i 30), minimalizuje się ilość włączeń/wyłączeń pompy ciepła 2.

W lecie klimakonwektory 32 chłodzące pomieszczenie przestawia się zwrotnicą 11 zaworów trójdrogowych na zasilanie w chłód pozyskiwany z zimnego źródła geotermalnego za pośrednictwem wymiennika ciepła 5. W przykładowym rozwiązaniu odbywa się to poprzez podsysanie medium (zimnej wody) ze strumienia czynnika termodynamicznego dostarczanego z wymiennika ciepła 5, cyrkulującego w pierwotnym obwodzie pompy ciepła 2. Ciepło, wychwytywane przez klimakonwektory 32 z chłodzonych pomieszczeń, podgrzewa ten czynnik termodynamiczny, który po podgrzaniu jest następnie z powrotnie wprowadzany w obwód pierwotny przed pompą ciepła 2. Tak więc, odzyskane przez klimakonwektory 32 ciepło z chłodzonych pomieszczeń jest przenoszone do pompy ciepła 2 i dalej jest przez tą pompę przerzucane za pośrednictwem ringu ciepła 3, np. do bufora 10 zbiornika cwu albo wprost do bufora 30 zasilającego w ciepło instalację klimakonwektorów 31 ogrzewających pokoje, np. od północnej strony budynku.

W okresie, gdy pompa ciepła 2 nie podgrzewa bufora 10 zbiornika cwu, ciepło wychwytywane z klimatyzowanych pomieszczeń jest transportowane poprzez wymiennik gruntowy do zimnego źródła geotermalnego 5, by stopniowo, prze całe lato, podnosić temperaturę wymiennika ciepła 5, akumulując się dla wykorzystania w okresie zimowym. Paradoksalnie, im więcej chłodu dostarczymy dla schłodzenia klimatyzowanych pomieszczeń latem, tym zimą pompa ciepła dłużej pracuje w korzystniejszych parametrach - dolne źródło jest cieplejsze.

P r z y k ł a d 2

Układ jest analogiczny jak w przykładzie 1, z tym, że bufor 10 zbiornika cwu jest dodatkowo ogrzewany ciepłem uzyskiwanym ze źródła ekologicznej energii cieplnej, korzystnie w kominku z płaszczem wodnym, dalej w przykładach określanych kominkiem 8, a ring ciepła 3 jest za pośrednictwem zwrotnicy 9 przyłączony odpływem 6 do gruntowego wymiennika ciepła 5 za pośrednictwem powrotu pierwotnego obwodu pompy ciepła 2.

Instalacja działa podobnie, z tym, że gdy zaczyna działać kominek 8, pompa ciepła 2 jest wyłączana i - dla zabezpieczenia przed wysoką temperaturą ciepła transferowanego w ringu 3 - odłączana od ringu poprzez przestawienie zaworu trzydrogowego rozdzielacza strumienia 4 obsługującego pompę ciepła 2, zaś całe ciepło uzyskiwane z kominka jest przemieszczane z użyciem ringu 3 do buforów 20 lub/i 30 i gromadzone najpierw w tych buforach, a w następnej kolejności gromadzone w buforze 10 zbiornika cwu.

Po zakończeniu pracy kominka 8, w pierwszym okresie, gdy bufor 10 zbiornika cwu ma zgromadzony nadmiar ciepła, podgrzewanie bufora ciepła 20 instalacji ogrzewania podłogowego 21 i/lub bufora 30 instalacji klimalonwektorów 31 jest dokonywane poprzez przerzut ciepła z bufora 10 zbiornika cwu do tych buforów, szczegółowo opisany w przykładzie nr 1.

Z uwagi na możliwość przejściowego występowania w buforze 10 zbiornika cwu temperatury znacznie wyższej niż temperatura standardowa dla cwu, korzystne jest zastosowanie na wyjściu zbiornika wody użytkowej zaworu mieszającego gorącą wodę ze zbiornika cwu z wodą zimną dla dostarczenia wody użytkowej o pożądanym parametrze, w szczególności utrzymującego tą temperaturę dzięki termostatycznemu sterowaniu tego zaworu mieszającego.

W przypadku nadmiaru ciepła uzyskiwanego chwilowo z kominka 8, ciepło to zostaje przerzucone do gruntowego wymiennika ciepła 5 poprzez skierowanie tego ciepła odpływem 6 do obwodu powrotnego tego wymiennika i tą drogą do zimnego źródła energii geotermalnej, na skutek przestawienia zwrotnicy 9. W ten sposób nadmiarowe ciepło uzyskane w kominku 8 opalanym paliwem odnawialnym (szczapy drewna) zostaje zbuforowane w gruncie, by nie być wyrzucane wraz z wytworzoną parą do atmosfery poprzez zawór bezpieczeństwa kominka, jak to zazwyczaj ma miejsce w tego typu instalacjach kominkowych z płaszczem wodnym.

W okresie letnim chłód z obwodu wymiennika gruntowego zimnego źródła geotermalnego może być za pośrednictwem odpływu 6, zwrotnicy 9 i ringu 3 skierowany do bufora 30 instalacji klimakonwektorów 31. Dzięki takiemu rozwiązaniu nie zachodzi konieczność stosowania w obwodzie instalacji klimakonwektorów 31, ani klimakonwektorów chłodzących 32, ani odrębnych przełączników, czy zwrotnic ciepła, jak to miało miejsce w przykładzie nr 1. Jednak w tym rozwiązaniu należy pamiętać, że w czasie ładowania ciepła wytwarzanego przez pompę ciepła 2 i transferowanego dalej do bufora 10 zbiornika cwu za pośrednictwem ringu 3, uniemożliwiony jest czasowo transfer chłodu do bufora 30 instalacji klimakonwektorów 31. Kolizja ta została w przykładowym zastosowaniu rozwiązana poprzez koordynację obu akcji, zarówno z dobowym cyklem dostępności elektryczności solarnej, cyklem doPL 219 117 B1 bowej zmienności temperatury zewnętrznej (zazwyczaj nie zachodzi potrzeba schładzania pomieszczeń rano, gdy temperatura zewnętrzna jest najniższa, a dostępna energia fotowoltaiczna może służyć ogrzaniu cwu) oraz rozkładem dnia użytkowników instalacji.

P r z y k ł a d 3

Instalacja wg przykładu 3 funkcjonuje jak w poprzednich przykładach, z tym, że kominek 8 jest wprost włączony do ringu. Możliwe jest tutaj zastosowanie albo zwrotnicy przepływu (zawór trójdrogowy przestawny), albo ejekcji czynnika termodynamicznego z obiegu kominka 8 do obiegu ringu. Gorący czynnik termodynamiczny uzyskiwany w kominku 8 jest wówczas wstrzykiwany pompą obsługującą kominek do ringu ciepła 3 i tam jest porywany przez strumień obiegający ring (obieg czynnika grzewczego w ringu jest wymuszany przez pompę obiegową ringu). Na czas pracy kominka 8 z pracy na rzecz ringu 3 jest wyłączana pompa ciepła 2, z uwagi na jej ochronę przed przegrzaniem wysokim parametrem temperatury pracy ringu w tej opcji pracy. W pierwszym etapie pracy kominka 8 dogrzewane są bufory 20 i 30 ogrzewania pomieszczeń, następnie do maksymalnej temperatury podgrzewany jest bufor 10 zbiornika cwu. Jeżeli po osiągnięciu tego celu kominek 8 nadal pracuje i doprowadza ciepło do ringu 3, ciepło to odprowadza się do gruntowego wymiennika ciepła 5 za pośrednictwem odpływu 6, poprzez regulowane otwieranie zwrotnicy przepływu 9 (np. zrealizowanej w postaci zaworu trójdrogowego sprzęgającego obwód źródła geotermalnego z ringiem ciepła 2), przy czym zarówno z uwagi na bezpieczeństwo pracy kominka 8, jak i z uwagi na maksymalizację efektywności pozyskiwania ciepła przez kominek 8, temperaturę w ringu 3 oraz w obiegu kominka utrzymuje się na poziomie możliwie niskim, jednak wystarczającym dla bieżącej obsługi buforów 20 i 30 ogrzewania pomieszczeń, stosownie do aktualnego rozbioru ciepła przez instalację ogrzewania podłogowego 21 oraz instalację klimakonwektorów 21.

Właściwości instalacji opisanej w przykładzie 3 są analogiczne do właściwości instalacji z przykładu 2. Przewaga tego rozwiązania polega na większej skuteczności gromadzenia w źródle energii geotermalnej ciepła, uzyskiwanego z paliwa odnawialnego w kominku 8, a także lepszym wykorzystaniu powierzchni wewnętrznego wymiennika ciepła bufora 10 zbiornika cwu, co jest szczególnie istotne w trybie pracy ringu 3 z pompą ciepła 2. Rozwiązanie takie daje także korzystne opcje doboru typu bufora 10 z uwagi na dostępność konstrukcji zbiorników cwu na rynku.

Stosując w dowolny znany sposób dodatkową zwrotnicę ciepła między sekcjami wewnętrznego wymiennika ciepła bufora ciepła 10, np. zawór czterodrogowy, możliwe jest skojarzenie rozwiązania z układu przedstawionego na fig. 2 z układem przedstawionym na fig. 3. Takie skojarzone rozwiązanie pozwala na znacznie skuteczniejsze wykorzystanie powierzchni wężownic wewnętrznych wymienników ciepła bufora 10 zbiornika cwu przy pracy z pompą ciepła 2, strukturalnie zapewnione w rozwiązaniu według fig. 3, przy zachowaniu zalet układu według fig. 2.

P r z y k ł a d 4

Ten ostatni przykład przedstawia kolejną realizację zastosowania wynalazku, w której instalacja pracuje analogicznie jak w przykładzie 3, ale kominek 8 jest przyłączony do ringu 3 za pośrednictwem zwrotnicy 4. Stabilna temperatura w ringu jest utrzymywana poprzez podmieszanie z zimnem czerpanym z zimnego źródła geotermalnego, z użyciem wymiennika ciepła 61 zainstalowanego w odpływie 6. Nadmiarowe ciepło wytwarzane w kominku 8 jest odprowadzane do źródła geotermalnego poprzez odpływ 6 oraz wymiennik 61. Chłód do pomieszczeń latem jest czerpany bezpośrednio z gruntowego wymiennika ciepła 5 i dalej kierowany do systemu elementów chłodzących pomieszczenia (np. klim akonwektorów 32) za pośrednictwem zwrotnicy strumienia 11, zainstalowanej w obwodzie zasilającym pompę ciepła 2 w chłód geotermalny.

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób ogrzewania budynków mieszkalnych, według którego zgromadzoną w buforze energię elektryczną, korzystnie energię fotowoltaiczną, zamienia się na ciepło w kompresorze pompy ciepła, do której podaje się za pośrednictwem gruntowego wymiennika ciepła ciepło geotermalne, znamienny tym, że ciepło geotermalne, przed podaniem na pompę ciepła, kieruje się do pomieszczeń przegrzanych, z których odzyskane ciepło kieruje się do pompy ciepła, po czym wyprowadzany z kompresora pompy ciepła czynnik grzewczy rozdziela się na dwa strumienie, z których jeden kieruje się do ogrzewaczy o dużej pojemności cieplnej, korzystnie do ogrzewaczy podłogowych, natomiast drugi do ogrzewaczy o małej pojemności cieplnej i szybkiej konwekcji, korzystnie z wymuszonym

   PL 219 117 B1 opływem powietrza ogrzewanego, z kolei rozdziału czynnika grzewczego, realizowanego za pośrednictwem rozdzielaczy strumienia, korzystnie zaworów trójdrogowych, dokonuje się w proporcji wynikającej z bieżącego zapotrzebowania ma moc cieplną poszczególnych ogrzewaczy, zaś przepływający co najmniej w jednym ze strumieni czynnik grzewczy gromadzi się wstępnie w buforze ciepła, a następnie, za pośrednictwem tego bufora, kieruje się go do ogrzewacza, przy czym nadwyżkę ciepła, celem pełnego wykorzystania mocy kompresora pompy ciepła, gromadzi się w dodatkowym buforze ciepła, natomiast w przypadku mniejszego zapotrzebowania chwilowego na ciepło zmniejsza się, za pośrednictwem energoelektronicznego przetwornika postaci energii, wydajność kompresora pompy ciepła poprzez zmianę parametrów elektrycznych tej energii przetwarzania, korzystnie napięcia i/lub częstotliwości.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, 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.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że miesza się strumienie kierowane do ogrzewaczy podłogowych i/lub konwektorów ze strumieniami powrotnym z tych urządzeń uzyskując w ten sposób stabilną temperaturę strumieni zasilających.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że chłód, przed zrzuceniem z pompy ciepła do złoża geotermalnego, kieruje się wstępnie do pomieszczenia przegrzanego, celem jego schłodzenia.
5. 5. Systemowy układ grzewczy budynku mieszkalnego, w którym proces ogrzewania realizuje się za pośrednictwem pompy ciepła, znamienny tym, że do ringu (3) transferu ciepła są przyłączone pompa ciepła (2), co najmniej dwa odpływy ciepła, korzystnie w postaci buforów (20 i 30), z których bufor ciepła (20) jest zasilaczem niskotemperaturowym instalacji ogrzewania podłogowego (21) zaś bufor ciepła (30) jest zasilaczem klimakonwektorów (31) oraz bufor ciepła (10), który stanowi zbiornik wody użytkowej, natomiast do pompy ciepła (2) jest przyłączony gruntowy wymiennik ciepła (5), przy czym pompa ciepła (2), za pośrednictwem bufora energii elektrycznej (7), jest zasilana energią elektryczną, korzystnie z ogniwa fotowoltanicznego (1), a ponadto pomiędzy gruntowy wymiennik ciepła (5) a pompę ciepła (2) jest włączona zwrotnica (11) chłodu geotermalnego, do której jest przyłączony blok klimakonwektorów (32).
6. 6. Systemowy układ według zastrz. 5, znamienny tym, że do bufora ciepła (10) jest przyłączone ekologiczne źródło energii cieplnej, korzystnie kominek (8) z płaszczem wodnym.
7. 7. Systemowy układ według zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że bufory ciepła (10), (20) i (30) oraz pompy ciepła (2) są wyposażone w rozdzielacze strumieni (4), które są usytuowane w obiegu ringu (3) lub przyłączone do niego eżektorowo.
8. 8. Systemowy układ według zastrz. 5 albo 6, albo 7, znamienny tym, że do ringu (3), za pośrednictwem rozdzielacza strumieni (4) lub eżektorowo, jest przyłączony kominek (8).
9. 9. Systemowy układ według jednego z zastrzeżeń od 5 do 8, znamienny tym, że do ringu (3), bezpośrednio lub za pośrednictwem wymiennika ciepła (61), jest dodatkowo przyłączony gruntowy wymiennik ciepła (5).