PL219639B1

PL219639B1 - Installation of domestic water with solar panel

Info

Publication number: PL219639B1
Application number: PL398457A
Authority: PL
Inventors: Stanisław Płaska; Wojciech Płaska
Original assignee: Lubelska Polt; Univ Przyrodniczy W Lublinie
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2015-06-30
Also published as: PL398457A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest instalacja do podgrzewania wody użytkowej z panelem solarnym.The subject of the invention is an installation for heating utility water with a solar panel.

Znana jest z opisu patentowego US 5823177 instalacja do bezpośredniego podgrzewania wody użytkowej dla gospodarstwa domowego, w której wykorzystuje się jako źródło ciepła panele solarne. Idea wynalazku polega na zastosowaniu dwóch zbiorników, z których jeden wykorzystywany jest do przechowywania zimnej wody a drugi zbiornik izolowany termicznie służy do gromadzenia podgrzej wody w podgrzewaczu solarnym. Woda zimna ze zbiornika górnego z zimną wodą przepływa przez panel solarny, skąd już podgrzana rurą przepływa do dolnego zbiornika na wodę podgrzaną. Zbiorniki górny i dolny połączone są ze sobą rurą powietrzną, której króćce umieszczone są w górnych pokrywach zbiorników górnego i dolnego. Zbiornik górny napełniany jest wodą, co powoduje otwarcie zaworu regulacyjnego po osiągnięciu pewnej objętości w zbiorniku i przepływ wody przez kolektor solarny. Nagrzana woda spływa rurą odprowadzającą do izolowanego zbiornika dolnego, w którym ustala się poziom wody i ciśnienia, co powoduje wypływ ciepłej wody użytkowej do odbiorników. Ponadto instalacja zawiera urządzenia do odpowietrzania instalacji.A system for direct heating of domestic water, which uses solar panels as a heat source, is known from US Patent No. 5,823,177. The idea of the invention is based on the use of two tanks, one of which is used to store cold water, and the other thermally insulated tank is used to collect heated water in the solar heater. Cold water from the upper reservoir with cold water flows through the solar panel, from where the already heated pipe flows to the lower heated water reservoir. The upper and lower tanks are connected with each other by an air pipe, the stub pipes of which are placed in the upper covers of the upper and lower tanks. The upper tank is filled with water, which causes the control valve to open after reaching a certain volume in the tank and water flow through the solar collector. The heated water flows down the drain pipe to the insulated bottom tank, where the water level and pressure are set, which causes the outflow of domestic hot water to the receivers. In addition, the installation includes devices for venting the installation.

W alternatywnym rozwiązaniu przedstawionym w tym samym patencie przedstawiono instalację do podgrzewania wody użytkowej, w której zastosowano izolowany zbiornik, w którym utworzono dwie strefy dolną na wodę zimną z instalacji wodociągowej. Pomiędzy strefami znajduje się tłok z zaworem nad którym znajduje się strefa ciepłej wody. Działanie instalacji jest podobne do wcześniej opisanej z tą różnicą, że nie istnieje tutaj poduszka powietrzna. Woda z instalacji wodociągowej napełnia zbiornik podnosząc tłok i wpływa jednocześnie poprzez zawór rurą do panelu solarnego, gdzie ulega podgrzaniu i spływa do zbiornika po drugiej stronie tłoka. Po wyrównaniu się ciśnień w zbiorniku po obu stronach tłoka woda podgrzana może być użyta i wypływa do instalacji domowej poprzez króciec umieszczony w górnej pokrywie zbiornika. W sytuacji, gdy pobór wody ciepłej jest duży lub gdy źródło ciepła jest słabe tłok w zbiorniku osiąga swoje maksymalne górne położenie co powoduje otwarcie zaworu umieszczonego w tłoku powodując tym samym przepływ wody zimnej do instalacji.In an alternative embodiment presented in the same patent, a utility water heating installation is provided in which an insulated tank is used, in which two lower zones are created for cold water from the water supply. Between the zones there is a piston with a valve above which there is a hot water zone. The operation of the installation is similar to the one described above, except that there is no airbag. Water from the plumbing system fills the tank lifting the piston and flows through the valve through the pipe to the solar panel, where it is heated and flows into the tank on the other side of the piston. After the pressure in the tank is equalized on both sides of the piston, the heated water can be used and flows out to the domestic installation through a connector located in the upper cover of the tank. In a situation where hot water consumption is large or when the heat source is weak, the piston in the tank reaches its maximum upper position, which opens the valve located in the piston, thus causing cold water to flow to the installation.

Znany jest z opisu patentowego WO2010/092311 system dystrybucji wody do instalacji domowej, w którym źródłem ciepła jest instalacja solarna, kocioł grzewczy lub pompa ciepła. W rozwiązaniu tym zastosowano zbiornik na ciepłą wodę z poduszką powietrzną, którego górna pokrywa ma króciec powietrzny połączony rurą ze zbiornikiem ciśnieniowym poprzez zawory. Powietrze w zbiorniku ciśnieniowym uzupełniane jest przez sprężarkę. Działanie systemu polega na tym, że ciepła woda napływa do zbiornika na ciepłą wodę i wypełnia go do momentu osiągnięcia określonego ciśnienia poduszki powietrznej. Następnie woda przepływa do instalacji odbiorczej poprzez pompę umieszczoną na króćcu wylotowym. Nie wykorzystana woda ciepła jest zawracana do zbiornika ciepłej wody poprzez króciec umieszczony w dnie zbiornika. Ponadto ubytki powietrza w zbiorniku na ciepłą wodę uzupełniane są ze zbiornika ciśnieniowego poprzez system zaworów sterowanych sterownikiem.Known from WO2010 / 092311 is a water distribution system for a domestic installation in which the heat source is a solar installation, a heating boiler or a heat pump. In this solution, a hot water tank with an air cushion was used, the top cover of which has an air connector connected to the pressure tank by valves. The air in the pressure tank is supplemented by the compressor. The way the system works is that hot water flows into the hot water tank and fills it until the specified air cushion pressure is reached. Then the water flows to the receiving installation through a pump located on the outlet stub. Unused hot water is returned to the hot water tank through a stub pipe at the bottom of the tank. In addition, air losses in the hot water tank are supplemented from the pressure tank through a system of valves controlled by the controller.

W opisie tym przedstawiono również rozwiązania przedstawiające system dystrybucji gorącej wody pod ciśnieniem ze znanego stanu techniki, w których woda przechowywana w wieży ciśnień zasila zbiornik wody stale wypełniony. Zbiornik ten posiada ogrzewanie za pomocą znanego urządzenia, a zimna woda jest podawana od dna zbiornika, ciepła woda jest pobierana z góry, zgodnie z zasadą stratyfikacji termicznej. Zbiornik jest zasilany zimną wodą pod ciśnieniem, zwykle co najmniej 400 kPa. Pompa zapewnia dystrybucję ciepłej wody do sieci odbiorczej. W takim systemie, mieszanina ciepłej i zimnej wody w zbiorniku powoduje straty cieplne, stratyfikacja termiczna wewnątrz zbiornika ciepłej wody jest wysoce niewystarczające, czasami nawet może zniknąć, gdy duże ilości ciepłej wody są usuwane ze zbiornika.This description also describes solutions representing a prior art pressurized hot water distribution system in which water stored in a water tower feeds a continuously filled water tank. The tank is heated by a known device, and cold water is fed from the bottom of the tank, warm water is taken from above according to the principle of thermal stratification. The tank is fed with pressurized cold water, usually at least 400 kPa. The pump distributes hot water to the receiving network. In such a system, the mixture of hot and cold water in the tank causes heat loss, thermal stratification inside the hot water tank is highly insufficient, sometimes it may even disappear when large amounts of hot water are removed from the tank.

Drugi system dystrybucji gorącej wody pod ciśnieniem znany ze stanu techniki, przedstawia zbiornik ciepłej wody pod ciśnieniem atmosferycznym, który jest częściowo wypełniony powietrzem. W takim systemie, pompa dozująca jest umieszczona poniżej zbiornika ciepłej wody. W systemie tym, pompa zużywa bardzo istotną ilość energii, rzędu 2 + 3 kJ/kg wody w obiegu.The second pressurized hot water distribution system known in the art shows an atmospheric hot water tank that is partially filled with air. In such a system, the dosing pump is placed below the hot water tank. In this system, the pump consumes a very significant amount of energy, on the order of 2 + 3 kJ / kg of circulating water.

Istotą instalacji do podgrzewania wody użytkowej z panelem solarnym, składająca się z co najmniej jednego panelu solarnego, którego wężownica umieszczona jest w zbiorniku na ciepłą wodę oraz zestawu rur i zaworów doprowadzających i odprowadzających wodę do instalacji domowej, jest to, że zbiornik na ciepłą wodę użytkową ma elastyczną membranę rozdzielającą zbiornik na dwie części, w którego dolnej części umieszczona jest wężownica panelu solarnego oraz płaszcz, który rozciąga się od dna zbiornika w części dolnej wzdłuż jego tworzącej do miejsca podziału zbiornika elastyczną membraną, natomiast w górnej części zbiornika znajduje się woda zimna z poduszką powietrzną,The essence of the utility water heating installation with a solar panel, consisting of at least one solar panel, the coil of which is placed in the hot water tank, and a set of pipes and valves supplying and discharging water to the domestic installation, is that the domestic hot water tank it has a flexible membrane separating the tank into two parts, in the lower part of which there is a solar panel coil and a jacket that extends from the bottom of the tank in the lower part along its flexible membrane forming to the place where the tank is divided, while in the upper part of the tank there is cold water with airbag,

PL 219 639 B1 ponadto górna część zbiornika podłączona jest z zewnętrzną instalacją wodociągową poprzez zawór kulowy, przewód rurowy z zaworem nastawnym trzecim natomiast dolna część zbiornika podłączona jest z zewnętrzną instalacją wodociągową poprzez zawór kulowy, zawór z kryzą i przewód rurowy, przy czym pomiędzy przewodami rurowymi doprowadzającymi wodę do części dolnej i górnej zbiornika znajduje się przewód rurowy z zaworem nastawnym drugim.Moreover, the upper part of the tank is connected to the external water supply system through a ball valve, a pipe line with a third adjustable valve, while the lower part of the tank is connected to the external water supply system through a ball valve, valve with an orifice and a pipe conduit, and between the pipes there is a conduit with a second adjustable valve supplying water to the upper and lower parts of the tank.

Zbiornik ma dwa czujniki skrajnych położeń elastycznej membrany pomiędzy którymi znajduje się liniał.The tank has two sensors of the extreme positions of the flexible diaphragm between which there is a ruler.

Elastyczna membrana połączona jest ze sztywną płytą izolacyjną o wymiarach poprzecznych nieco mniejszych niż przekrój zbiornika.The flexible membrane is connected to a rigid insulating plate with transverse dimensions slightly smaller than the cross section of the tank.

Elastyczna membrana ma wbudowany detektor położenia współpracujący z liniałem, który umieszczony jest na zewnątrz zbiornika i rozciąga się pomiędzy skrajnymi położeniami czujników.The flexible diaphragm has a built-in position detector cooperating with a ruler, which is placed outside the tank and extends between the extreme positions of the sensors.

W korzystnym wykonaniu wynalazku jest zastosowanie sztywnej płyty izolacyjnej połączonej z elastyczną membraną.A preferred embodiment of the invention is the use of a rigid insulation board connected to a flexible membrane.

Instalacja do podgrzewania wody użytkowej z panelem solarnym przedstawiona jest w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat instalacji.The installation for heating utility water with a solar panel is shown in the example in the drawing, which shows the installation diagram.

W instalacji do podgrzewania wody użytkowej znajduje się elastyczna membrana 2 wykonana z materiału izolacyjnego. Membrana 2 posiada możliwość przemieszczania się do dołu lub góry. Membrana 2 rozdziela zbiornik i na część dolną 1A z wodą ciepłą WC i część górną 1B na wodę zimną WZ. woda jest podgrzewana przez wężownicę 3 panelu 5 solarnego i napływającej wody z instalacji 8 wodociągowej. Dopływ wody z instalacji 8 wodociągowej do części dolnej 1A odbywa się przez przestrzeń pomiędzy ścianą boczną zbiornika a płaszczem 4. Na zamieszczonym schemacie woda ciepła WC znajduje się w części dolnej 1A opisywanego zbiornika i a woda zimna WZ znajduje się w części górnej 1B zbiornika 1. Zbiornik i może być zbudowany również w taki sposób, że woda ciepła WC będzie znajdowała się w górnej części zbiornika 1 a woda zimna WZ będzie znajdowała się w dolnej części 1B zbiornika 1. Przemieszczanie membrany 2 odbywa się samoczynnie w wyniku przepływu wody ciepłej WC i wody zimnej WZ, zależnego od wysterowania zaworów Z1, Z2 i Z3. W górnej części zbiornika 1B zimnej wody WZ znajduje się poduszka powietrza 10, tak jak to ma miejsce w znanych rozwiązaniach zbiorników hydroforowych.The installation for heating domestic hot water has a flexible membrane 2 made of an insulating material. The diaphragm 2 is able to move downwards or upwards. The membrane 2 separates the tank and into a lower part 1A with hot water WC and an upper part 1B for cold water WZ. the water is heated by the coil 3 of the solar panel 5 and of the incoming water from the plumbing system. The water supply from the water supply 8 to the lower part 1A takes place through the space between the side wall of the tank and the jacket 4. In the diagram shown, the hot water WC is located in the lower part 1A of the described tank and the cold water WZ is located in the upper part 1B of the tank 1. Tank and it can also be built in such a way that the hot water WC will be in the upper part of the tank 1 and the cold water WZ will be in the lower part 1B of the tank 1. The membrane 2 is displaced automatically as a result of the flow of hot water WC and cold water WZ, depending on the actuation of the valves Z1, Z2 and Z3. In the upper part of the cold water tank 1B WZ there is an air cushion 10, as is the case in known solutions of hydrophore tanks.

Pracą instalacji ciepłej wody steruje układ mikroprocesorowy. Dla potrzeb sterowania mierzona jest temperatura ciepłej wody Tw oraz skrajne położenia membrany 2, wyznaczone skrajnymi położeniami czujników k1 i k2 sztywnej płycie 2A izolacyjnej umieszczony jest detektor 11 położenia współpracujący z liniałem 12, który umieszczony jest na zewnątrz zbiornika 1. Dolne położenie k1 membrany 2 określa minimalną objętość ciepłej wody WC w zbiorniku i a położenie k2 określa maksymalną objętość ciepłej wody WC w zbiorniku 1.The operation of hot water installation is controlled by a microprocessor system. For control purposes, the temperature of hot water Tw is measured and the extreme positions of the membrane 2, determined by the extreme positions of sensors k1 and k2, a rigid plate 2A, there is a position detector 11 cooperating with a ruler 12, which is located outside the tank 1. The lower position k1 of the membrane 2 is determined by the minimum volume of hot water toilet in the tank and position k2 determines the maximum volume of hot water toilet in the tank 1.

Jeżeli temperatura wody Tw w zbiorniku i wzrasta w wyniku dostarczonej przez panel solarny 5 energii cieplnej i przekracza temperaturę wody zadanej przez użytkownika (tj. Tw>To) a membrana 2 rozdzielająca wodę ciepłą WC od zimnej WZ znajduje się między położeniami k1 i k2, to w chwili poboru ciepłej wody WC przez użytkownika, zawór Z2 otwiera się oraz z pewnym opóźnieniem otwiera się zawór Z1 z wbudowaną kryzą. Natomiast zawór Z3 jest zamknięty. Takie położenia zaworów Z1, Z2, Z3 umożliwiają przepływ wody zimnej WZ przewodami 6 i 9 z górnej części 1B zbiornika 1 do części dolnej 1A uzupełniając pobraną wodę ciepłą WC. Opóźnienie otwarcia zaworu Z1 i kryza w zaworze Z1 są tak dobrane, że w czasie pobierania przez użytkownika ciepłej wody WC z części dolnej 1A zbiornika i przybywa przez przewód 7. Przepływ ten jest wymuszony przez ciśnienie powietrza 10 w zbiorniku i w części górnej 1B. W początkowym okresie, po otwarciu zaworu pobierającego wodę ciepłą WC przez użytkownika, występuje niewielki spadek ciśnienia w dolnej części 1A zbiornika 1 z ciepłą wodą WC oraz w przewodach 6, 9 i 7. To umożliwia przepływ wody zimnej WZ z górnej 1B części zbiornika 1 do jego części dolnej 1A przed dopłynięciem wody zimnej WZ przez zawór Z1, z kryzą z instalacji 8 wodociągowej.If the water temperature Tw in the tank i increases as a result of the thermal energy supplied by the solar panel 5 and exceeds the temperature of the water set by the user (i.e. Tw> To) and the membrane 2 separating the hot water WC from the cold water WZ is located between the positions k1 and k2, then when the user draws hot water from the toilet, valve Z2 opens and valve Z1 opens with a certain delay with an integrated orifice. On the other hand, valve Z3 is closed. Such positions of the valves Z1, Z2, Z3 allow the cold water WZ to flow through lines 6 and 9 from the upper part 1B of the tank 1 to the lower part 1A supplementing the taken hot water WC. The opening delay of valve Z1 and the orifice in valve Z1 are selected so that when the user draws hot water WC from the lower part 1A of the tank and arrives through the conduit 7. This flow is forced by the air pressure 10 in the tank and in the upper part 1B. In the initial period, after opening the hot water intake valve of the WC by the user, there is a slight pressure drop in the lower part 1A of the hot water toilet 1 and in the pipes 6, 9 and 7. This allows the cold water WZ to flow from the upper 1B part of the tank 1 to its lower part 1A before the cold water supply WZ through the Z1 valve, with an orifice from the water supply system.

Opisane przepływy sprawiają, że membrana 2 przemieszcza się do góry. Przemieszczanie membrany 2 do góry powoduje zwiększenie objętości części dolnej 1A zbiornika 1 przez uzupełnienie pobranej wody ciepłej dopływającą wodę zimną WZ oraz obniżenie wcześniej temperatury wody ciepłej WC, co umożliwia w kolejnym okresie akumulację energii cieplnej dostarczanej przez wężownicę 3 panelu 5 solarnego. Wyrównanie ciśnień oznacza, że został zakończony pobór wody ciepłej WC przez użytkownika. Wówczas sterujący układ mikroprocesorowy zamyka po pewnym opóźnieniu zawory Z1 i Z2. Opisane działanie dla Tw>=To trwa aż do osiągnięcia przez membranę 2 skrajnego, górnego roboczego położenia k2 określającego maksymalną pojemność ciepłej wody WC w zbiorniku. JeżeliThe described flows cause the membrane 2 to move upwards. Moving the membrane 2 upwards increases the volume of the lower part 1A of the tank 1 by supplementing the hot water taken with the incoming cold water WZ and lowering the hot water temperature WC earlier, which allows the accumulation of thermal energy supplied by the coil 3 of the solar panel 5 in the next period. Pressure equalization means that the user has finished drawing hot water from the WC. Then the control microprocessor system closes the valves Z1 and Z2 after a certain delay. The described operation for Tw> = It lasts until the membrane 2 reaches the extreme, upper operating position k2, which determines the maximum hot water capacity of the toilet in the tank. if

PL 219 639 B1 natomiast temperatura wody Tw w części dolnej 1A zbiornika i spada i jest mniejsza od temperatury wody zadanej przez użytkownika (tj. Tw<To) a membrana 2 rozdzielająca wodę ciepłą WC od zimnej WZ znajduje się między położeniami y. i to w chwili poboru ciepłej wody WC przez użytkownika spada ciśnienie w dolnej części 1A zbiornika z wodą ciepłą WC a ciśnienie poduszki powietrza 10 powoduje przemieszczanie zimnej wody WZ wraz z membraną 2 do dołu, co powoduje zmniejszenie objętości wody ciepłej WC w dolnej części zbiornika 1. Po pewnym opóźnieniu otwiera się zawór Z3 i zimna woda z sieci 8 wodociągowej przepływa przewodem 6 uzupełniając wodę zimną WZ w górnej części 1B zbiornika 1 aż do wyrównania się ciśnienia w tej części zbiornika z ciśnieniem w sieci 8 wodociągowej. Po wyrównaniu ciśnień, z pewnym opóźnieniem, zamyka się zawór Z3. Opisane działanie dla Tw<To trwa aż do osiągnięcia przez membranę 2 skrajnego dolnego k1 położenia roboczego określającego minimalną pojemność ciepłej wody WC w części dolnej 1A zbiornika 1. Przykładowo minimalna pojemność ciepłej wody wymiennika określona została na 30 l a pojemność maksymalna na 200 l.On the other hand, the water temperature Tw in the lower part 1A of the tank drops and is lower than the water temperature set by the user (i.e. Tw <To) and the membrane 2 separating the hot water WC from the cold water WZ is located between positions y. When the user draws hot water from the toilet, the pressure in the lower part 1A of the hot water tank toilet drops, and the pressure of the air cushion 10 causes the cold water WZ with the membrane 2 to move downwards, which reduces the volume of hot water WC in the lower part of the tank 1. After a certain delayed, valve Z3 opens and cold water from the water supply network 8 flows through the line 6, replenishing the cold water WZ in the upper part 1B of the tank 1 until the pressure in this part of the tank equalizes with the pressure in the water supply network. After the pressures have been equalized, valve Z3 closes with some delay. The described operation for Tw <It lasts until the diaphragm 2 reaches the lower end k1 operating position, which determines the minimum hot water capacity of the WC in the lower part 1A of the tank 1. For example, the minimum hot water capacity of the exchanger was set at 30 l and the maximum capacity at 200 l.

Przemieszczenie membrany 2 do dołu powodujące zmniejszenie objętości wody WC w części dolnej 1A zbiornika i umożliwia podwyższenie temperatury wody ciepłej WC mimo okresowego spadku mocy energii cieplnej dostarczanej przez panel 5 solarny.The downward displacement of the membrane 2, which reduces the water volume of the toilet in the lower part 1A of the tank, and enables the hot water temperature of the toilet to be increased despite the periodic decrease in the thermal energy supplied by the solar panel.

Rozwiązanie umożliwia lepsze wykorzystanie energii solarnej zapewniając jednocześnie komfort użytkownika dzięki możliwości stabilizacji temperatury wody zgodnie z jego wymaganiami. Lepsze wykorzystanie energii solarnej przejawia się możliwością dłuższego czasu eksploatacji urządzenia w skali roku z jednoczesnym utrzymaniem jakości funkcjonalnej rozumianej jako dostarczenie ciepłej wody użytkowej o stabilizowanej temperaturze, z wyeliminowaniem gwałtownych wzrostów lub spadków temperatury ciepłej wody użytkowej.The solution enables better use of solar energy while ensuring user comfort thanks to the possibility of stabilizing the water temperature in accordance with his requirements. Better use of solar energy manifests itself in the possibility of a longer operation time of the device per year, while maintaining the functional quality understood as providing hot utility water with a stabilized temperature, eliminating sudden increases or decreases in the temperature of domestic hot water.

Claims

1. Installation for heating utility water with a solar panel, consisting of at least one solar panel, the coil of which is placed in the utility water tank, and a set of pipes and valves supplying and discharging water to the domestic installation, characterized in that the tank (1) for domestic water has a flexible membrane (2) separating the tank (1) into two parts, in the lower part (1A) there is a coil (3) of the solar panel (5) and a jacket (4) that extends from the bottom of the lower part ( 1A) of the tank (1) along its forming to the point where the tank (1) is divided with a flexible membrane (2), while in the upper part (1B) of the tank (1) there is cold water (WZ) with an air cushion (10), moreover, the upper part (1B) of the tank (1) is connected to the external water supply installation (8) through the ball valve (Z4), the pipe line (6) with the adjustable valve (Z3) is third, while the lower part (1A) of the tank (1) is connected to the external installation (8) with water through the valve (Z4), the valve with orifice (Z1) and the pipe (7), there is a pipe (9) between the pipes (6) and (7) supplying water to the upper and lower part and the tank (1) pipe with a second adjustable valve (Z2).

2. Installation according to p. A device according to claim 1, characterized in that the tank (1) has two sensors (k1) and (k2) of extreme positions of the flexible diaphragm (2) between which there is a ruler (12).

3. Installation according to p. A device according to claim 1, characterized in that the flexible membrane (2) is connected to a rigid insulating plate (2A) with transverse dimensions slightly smaller than the cross-section of the tank (1).

4. Installation according to p. A device according to claim 1, characterized in that the flexible diaphragm (2) has a built-in position detector (11) cooperating with a ruler (12) which is placed outside the tank (1) and extends between the extreme positions of sensors (k1) and (k2).