PL219940B1 - Wodna pompa ciepła i sposób optymalizacji pracy wodnej pompy ciepła - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wodna pompa ciepła i sposób optymalizacji pracy wodnej pompy ciepła. Pompa może być wykorzystana w instalacjach obsługujących indywidualne klimatyzatory, instalacje grzewcze domów jednorodzinnych i wielorodzinnych obok których jest zbiornik wodny lub gdzie można go utworzyć, lub istnieje inne źródło wody.

Znana jest z literatury „Kompendium ogrzewnictwa i klimatyzacji” Rekcnagel, Sprenger, Schramek, wydawnictwa OMNI SCALA, Wrocław 08/09 i przedstawiona na schemacie na str. 596 wodna pompa ciepła, która zasilana jest powietrzem w dolnym źródle ciepła, może być także zasilana wodą, zawierająca układ chłodzenia powietrza zewnętrznego składający się ze sprężarki połączonej poprzez rurociągi z dwoma wymiennikami ciepła, parowaczem i skraplaczem, wyposażona w element dławiący i zawór sterujący pracą w cyklach grzania i odszraniania. W tej samej publikacji przedstawiony jest na str. 2051 schemat pompy ciepła zasilanej ze studni wodą gruntową składający się z rurociągów wymiennika ciepła, zaworu zwrotnego, pomp wody gruntowej. Woda gruntowa czerpana jest ze studni zasilającej i doprowadzana do parownika pompy ciepła. Tu odbierane jest zawarte w niej ciepło, a ochłodzona woda odprowadzana jest do studni spustowej. W znanych pompach ciepła wymienniki ciepła w celu powiększenia powierzchni wymiany ciepła zwykle wyposażone są w ożebrowanie. Pompy ciepła wykorzystujące do zasilania dolnego źródła ciepła wodę są stosowane tam gdzie temperatura wody jest stosunkowo wysoka, a więc tam gdzie mamy tzw. ciepło odpadowe: wód geotermalnych, wód zrzutowych elektrowni, ścieków itp. W dotychczas stosowanych pompach ciepła dolne źródło ciepła zasilane jest ciepłem pochodzącym z różnicy temperatur wody.

Z opisu patentowego PL 209839 znana jest wodna pompa ciepła i sposób optymalizacji pracy wodnej pompy ciepła. Wodna pompa ciepła zawierająca dolne źródło ciepła, górne źródło ciepła, połączone w obiegu termodynamicznym lewobieżnym, wyposażona w układ do regulacji i sterowania i urządzenie do odwracania obiegu czynnika, element rozprężający, źródło wody, charakteryzuje sie tym, że dolne źródło ciepła ma dwa wymienniki: parowacz i doziębiacz pracujące naprzemiennie, tak, że parowacz staje się doziębiaczem a doziębiacz staje się parowaczem. Istotą działania pompy ciepła według wynalazku jest to, że dolne źródło ciepła jest zasilane energią cieplną pochodzącą z przejścia fazowego wody ze stanu ciekłego w stan stały. Sposób optymalizacji pracy wodnej pompy ciepła, w którym wykorzystuje się odwracanie obiegu czynnika chłodniczego, charakteryzuje się tym, że do zasilania dolnego źródła ciepła wykorzystuje się energię cieplną pochodzącą z przejścia fazowego wody ze stanu ciekłego w stan stały. Czynnik chłodniczy kieruje się poprzez doziębiacz na parowacz aż do momentu kiedy na parowaczu utworzy się warstwa lodu nie większa niż 5 mm. Po oblodzeniu się parowacza odwraca się obieg czynnika chłodniczego tak, że parowacz staje się doziębiaczem, a doziębiacz staje się parowaczem. Zakumulowane w doziębiaczu „zimno” zawarte w różnicy temperatur mas, w ciepłe topienia lodu, służy do doziębienia ciekłego czynnika w obiegu. Ponownie zamienia się funkcję wymienników dolnego źródła ciepła najwcześniej po uwolnieniu się doziębiacza z lodu. I tak na przemian, jeden wymiennik się obladza, a na drugim wymienniku pod wpływem ciepła dostarczonego przez skroplony czynnik chłodniczy lód topi się i odpada od powierzchni wymiennika.

Nieoczekiwanie okazało się, że można jeszcze korzystniej zrealizować pracę wodnej pompy ciepła.

Wodna pompa ciepła według wynalazku, zawierająca dolne źródło ciepła, które przy niskiej temperaturze wody zasilane jest energią cieplną pochodzącą z przejścia fazowego wody ze stanu ciekłego w stan stały, górne źródło ciepła, połączone w obiegu termodynamicznym lewobieżnym wyposażone w układy do regulacji i sterowania, element rozprężający, źródło wody, charakteryzuje się tym, że dolne źródło ciepła ma układ cyrkulacji cieczy pośredniczącej, zawierający co najmniej trzy wężownice zanurzone w wodzie, przez które przepływa ciecz pośrednicząca odbierając ciepło z wody. Układ cyrkulacji cieczy pośredniczącej zawiera elektronicznie sterowany rozdzielacz cieczy pośredniczącej, kolektor zbiorczy oraz pompę cieczy pośredniczącej, poprzez które połączone są wężownice z dolnym wymiennikiem ciepła. Ciecz pośredniczącą stanowi ciecz niezamarzająca - roztwór glikolu łub solanka. Wężownice wykonane są z tworzyw sztucznych odpornych na temperaturę i substancje zawarte w wodzie. Wężownice usytuowane są na różnej głębokości zbiornika wodnego, przy czym w okresie niskich temperatur zewnętrznych umieszczane są przy dnie zbiornika, a gdy temperatura wody przy powierzchni jest powyżej 4°C wężownicę są umieszczane pod jej powierzchnią. Praca pompy według wynalazku polega na okresowej zmianie ilości i kolejności pracujących wężownic, przez które przepływa niezamarzająca ciecz pośrednicząca. Wężownice są wymiennikami ciepła zaPL 219 940 B1 nurzonymi w wodzie. Po oblodzeniu jednej wężownicy, lub kilku z nich, kolejna jest wykorzystana do odbierania ciepła z wody, aż utworzy się na niej warstwa lodu. Oblodzona wcześniej wężownica uwalnia się stopniowo od lodu, jest wyłączona - brak przepływu cieczy pośredniczącej w tym czasie. I tak jedna wężownica się obladza, a druga i kolejne oczyszczają się z lodu pod wpływem ciepła wody otaczającej oraz pod wpływem siły wyporu, następuje oderwanie się resztek lodu z powierzchni wężownicy (wymiennika) i samoczynne wypłynięcie lodu na powierzchnię.

Sposób optymalizacji pracy wodnej pompy ciepła, według wynalazku, w którym wykorzystuje się cykliczne zmiany cyrkulacji chłodziwa przez wymienniki ciepła do zasilania parowacza obiegu pompy ciepła, przy czym w okresie niskich temperatur zewnętrznych do zasilania dolnego źródła ciepła wykorzystuje się energię cieplną pochodzącą z przejścia fazowego wody ze stanu ciekłego w stan stały na powierzchni wymiennika, charakteryzuje się tym, że mierzy się temperaturę wody w połowie wysokości każdej wężownicy i za pomocą elektronicznego rozdzielacza cieczy kieruje się ciecz pośredniczącą na tą wężownicę, która w danym momencie usytuowana jest w warstwie wody charakteryzującej sie najwyższą temperaturą. Ciecz pośrednicząca odbiera ciepło krzepnięcia wody, po czym kieruje się ją do parowacza, gdzie oddaje ciepło, aż do momentu kiedy na wężownicy utworzy się warstwa lodu nie większa niż 15 mm. Operację powtarza się dla kolejnych wężownic, a w tym czasie oblodzona wężownica stopniowo uwalnia się od lodu i ponownie może pełnić funkcję zasilania parowacza dolnego źródła ciepła. W zależności od wielkości szczytów zapotrzebowania na ciepło dobiera się objętość zasobnika ciepła 3 - od strony nośnika ciepła w taki sposób aby jego objętość była minimalnie o 10% większa od sumy objętości pracujących wężownic, tak aby liczbę włączeń sprężarki minimalizować do 3-4 na godzinę.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest wykorzystanie znacznego zasobu ciepła przejścia fazowego wody ze stanu ciekłego w stały (krzepnięcie), niskie koszty wymiennika wężownicy (z pcv) i wysoka odporność na warunki zasolenia itp. w wodzie morskiej lub zawierającej duże ilości związków chemicznych. Rozwiązanie pozwala na elastyczne przemieszczania wężownic pod powierzchnie wody lub przy dnie zależnie od temperatury wody, przy wysokiej temperaturze wody w warstwie powierzchniowej, natomiast w warunkach zimowych w warstwie dennej. Pompa posiada wysoki współczynnik efektywności energetycznej COP niezależny od temperatury powietrza zewnętrznego (szczególnie istotne w okresach niskich temperatur zewnętrznych). Proponowane rozwiązanie pozwala na praktycznie prawie ciągłą pracę pompy ciepła. Okresy przełączeń wymienników cieczy pośredniczącej nie mają znaczenia w zasilaniu ciepłem górnego źródła ciepła. Zaproponowany wynalazek usuwa też typowe niedomogi wodnych i powietrznych pomp ciepła szczególnie gdy temperatury otoczenia w danym regionie spadają poniżej 0°C gwarantuje wysoką i stabilną moc cieplną zasilania. Usuwa praktycznie przerwę na czas odszraniania parowacza i eliminuje charakterystyczne niekorzystne chłodzenie pomieszczenia w okresie odszraniania. Ponadto pozwala na znaczne zwiększenie efektywności pompy ciepła dwiema drogami: podnosząc temperaturę i ciśnienie parowania i eliminując moc zużytą na proces odszraniania w funkcjonowaniu powietrznej pompy ciepła. Rozwiązanie według wynalazku zmniejsza znacznie zużycie energii przez pompę ciepła, a więc wzrasta jej efektywność w warunkach zewnętrznych gdy temperatura otoczenia jest zbliżona do 0°C lub niższa od 0°C.

Rozwiązanie według wynalazku przedstawione jest przykładach wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat wodnej pompy ciepła pracującej w funkcji grzania powietrza, fig. 2 przedstawia schemat rewersyjnej wodnej pompy ciepła pracującej w funkcji grzania powietrza, fig. 3 przedstawia schemat rewersyjnej wodnej pompy ciepła pracującej w funkcji chłodzenia powietrza.

P r z y k ł a d 1

Wodna pompa ciepła zawiera dolne źródło ciepła 3, które przy niskiej temperaturze wody zasilane jest energią cieplną pochodzącą z przejścia fazowego wody ze stanu ciekłego w stan stały, górne źródło ciepła 2, połączone w obiegu termodynamicznym lewobieżnym wyposażone w układy do regulacji i sterowania, element rozprężający 5, źródło wody 11, układ cyrkulacji cieczy pośredniczącej. Dolne źródło ciepła - parowacz/zasobniki ciepła 3 połączony jest z wężownicami A1, A2, A3, A4 i skraplaczem/nagrzewnicą powietrza 2, pomiędzy którymi umieszczony jest element rozprężny w postaci zaworu rozprężnego 5. Wężownice A1, A2, A3, A4 umieszczone są w zbiorniku wodnym 11 stanowiącym zewnętrzny zasobnik ciepła. Przez wężownice przepływa roztwór glikolu odbierając ciepło z wody. Parowacz/zasobnik ciepła 3 połączony jest z wymiennikiem regeneracyjnym 4, sprężarką 1 i skraplaczem 2. Skraplacz/nagrzewnica powietrza 2 z drugiej strony połączony jest poprzez wymiennik regeneracyjny/osuszacz par 4 i filtr 10 z zaworem rozprężnym 5. Praca wodnej pompy ciepła regulowana jest układem sterującym poprzez sterownik elektroniczny 12. Czynnik chłodniczy ze skrapla4

PL 219 940 B1 cza 2 poprzez zawór rozprężny 5 kieruje się do parowacza/zasobnika ciepła 3, w którym następuje jego rozprężenie i gdzie zmienia swój stan skupienia pobierając ciepło od roztworu glikolu przepływającej przez wężownice A1, A2, A3, A4 zanurzone w zbiorniku 11. Oddający ciepło roztwór glikolu ochładza się w parowaczu/zasobniku ciepła 3 poniżej 0°C i płynąc przez wężownicę, która w danym momencie usytuowana jest w warstwie wody charakteryzującej się najwyższą temperaturą. Roztwór glikolu odbiera ciepło z wody, woda zamarza na powierzchni wężownicy przy temperaturze wody ok. 4°C i niższej tworząc warstwę lodu. Liczba wężownic przez które płynie roztwór glikolu zależy od obciążenia cieplnego, przy czym zawsze jest to co najwyżej połowa przyłączonych do parowacza/zasobnika ciepła 3. Gazowy czynnik chłodniczy jest zasysany przez sprężarkę 1 która kieruje go do skraplacza 2, gdzie oddaje ciepło skraplania. Układ cyrkulacji cieczy pośredniczącej składa się z czterech wężownic A1, A2, A3, A4, elektronicznego rozdzielacza cieczy 7, kolektora zbiorczego 9 oraz pompy cieczy pośredniczącej 6. Układ połączony jest z parowaczem/zasobnikiem ciepła 3. Wężownice A1, A2, A3, A4 wykonane są z tworzyw sztucznych odpornych na temperaturę i substancje agresywne zawarte w wodzie. Wężownice A1, A2, A3, A4 pełniące rolę wymienników ciepła usytuowane są na różnej głębokości zbiornika wodnego. W zależności od temperatury wody która mierzona jest w połowie wysokości każdej wężownicy, elektroniczny rozdzielacz cieczy 7 poprzez zawory elektroniczne 8 kieruje ciecz pośredniczącą na odpowiednią wężownicę. W okresie niskich temperatur zewnętrznych, w czasie pracy wodnej pompy ciepła roztwór glikolu z wężownic/y kieruje się do parowacza 3 gdzie oddaje ciepło, aż do momentu kiedy na wężownicy A1 utworzy się warstwa lodu nie większa niż 15 mm, po czym kieruje się roztwór glikolu do kolejnej wężownicy tak, że kolejna wężownica pokrywa się lodem, odbierając ciepło podczas tworzenia się lodu, w tym czasie oblodzona wężownica stopniowo uwalnia się od lodu. Po uwolnieniu się od lodu wężownica znowu pełni funkcję wymiennika ciepła w układzie cyrkulacji cieczy pośredniczącej.

P r z y k ł a d 2

Wodna pompa ciepła, pokazana na fig. 2 zawiera dolne źródło ciepła z dwoma połączonymi ze sobą wymiennikami: parowaczem/zasobnikiem ciepła 3 połączonym z trzema wężownicami A1, A2, A3 i skraplaczem-nagrzewnicą powietrza 2, pomiędzy którymi umieszczony jest element rozprężny w postaci zaworu rozprężnego 5. Wężownice A1, A2, A3 umieszczone są w zbiorniku wodnym 11 stanowiącym zasobnik ciepła, przez wężownice przepływa solanka odbierając ciepło z wody. Parowacz/zasobnik ciepła 3 poprzez zawór czterodrożny 13 połączony jest z osuszaczem par 4 i zaworem rozprężnym 5, natomiast poprzez zawór czterodrożny 14 ze sprężarką 1. Skraplacz 2 z drugiej strony połączony jest poprzez zawór czterodrożny 14 ze sprężarką 1. Praca pompy ciepła regulowana jest układem sterującym poprzez sterownik elektroniczny 12. Czynnik chłodniczy ze skraplacza poprzez zawór czterodrożny 13 kieruje się do osuszacza par/wymiennika regeneracyjnego 4, w którym następuje jego ochłodzenie. Dalej czynnik kieruje się przez filtr 10 i zawór rozprężny 5 i zawór czterodrożny 13 do parowacza/zasobnika ciepła 3, gdzie zmienia swój stan skupienia pobierając ciepło od solanki. Oziębiona solanka płynie do zbiornika wody 11 gdzie ogrzewa się. Oddająca ciepło krzepnięcia woda zamarza na powierzchni wężownicy która w danym momencie usytuowana jest w warstwie wody charakteryzującej sie najwyższą temperaturą. Gazowy czynnik płynie z parowacza/zasobnika ciepła 3 przez zawór czterodrożny 14 i osuszacz par/wymiennik regeneracyjny 4 do sprężarki 1, która tłoczy go do skraplacza 2, gdzie oddaje ciepło skraplania. W zależności od temperatury wody która mierzona jest w połowie wysokości każdej wężownicy, elektroniczny rozdzielacz cieczy 7 poprzez zawory elektroniczne 8 kieruje ciecz pośredniczącą na odpowiednią wężownicę. W okresie niskich temperatur zewnętrznych, w czasie pracy wodnej pompy ciepła, solanka z wężownicy kieruje się do parowacza 3 gdzie oddaje ciepło, aż do momentu kiedy na wężownicy utworzy się warstwa lodu nie większa niż mm, po czym kieruje się solankę do kolejnej wężownicy tak, że kolejna wężownica pokrywa się lodem, odbierając ciepło podczas tworzenia się lodu, w tym czasie oblodzona wężownica stopniowo uwalnia się od lodu. Po uwolnieniu się od lodu wężownica znowu pełni funkcję wymiennika ciepła w układzie cyrkulacji cieczy pośredniczącej. Liczba wężownic przez które płynie solanka zależy od obciążenia cieplnego.

P r z y k ł a d 3

Wodna pompa ciepła pokazana na fig. 3 jak w przykładzie 2, z tym, że sterownik 12 wyłącza sprężarkę 1 i przełączając zawory czterodrożne 13 i 14, odwraca obieg czynnika chłodniczego. Sytuacja tak ma miejsce w okresie letnim gdy chcemy chłodzić powietrze w parowaczu 2, który w funkcji grzania powietrza pełni funkcję skraplacza.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Wodna pompa ciepła zawierająca dolne źródło ciepła, które przy niskiej temperaturze wody zasilane jest energią cieplną pochodzącą z przejścia fazowego wody ze stanu ciekłego w stan stały, górne źródło ciepła, połączone w obiegu termodynamicznym lewobieżnym wyposażone w układy do regulacji i sterowania, element rozprężający, źródło wody, znamienna tym, że dolne źródło ciepła (3) ma układ cyrkulacji cieczy pośredniczącej, zawierający co najmniej trzy wężownice (A) zanurzone w wodzie, przez które przepływa ciecz pośrednicząca odbierając ciepło z wody.
2. 2. Wodna pompa według zastrz. 1, znamienna tym, że układ cyrkulacji cieczy pośredniczącej zawiera elektronicznie sterowany rozdzielacz (7) cieczy pośredniczącej, kolektor zbiorczy (9) oraz pompę cieczy pośredniczącej (6), poprzez które połączone są wężownice (A) z dolnym wymiennikiem ciepła (3).
3. 3. Wodna pompa według zastrz. 1, znamienna tym, że ciecz pośredniczącą stanowi ciecz niezamarzająca - roztwór glikolu lub solanka.
4. 4. Wodna pompa według zastrz. 1, znamienna tym, że wężownice wykonane są z tworzyw sztucznych odpornych na temperaturę i substancje zawarte w wodzie.
5. 5. Wodna pompa ciepła według zastrz. 1, znamienna tym, że wężownice (A) usytuowane są na różnej głębokości zbiornika wodnego (11), przy czym w okresie niskich temperatur zewnętrznych umieszczane są przy dnie zbiornika, a gdy temperatura wody przy powierzchni jest powyżej 4°C wężownicę są umieszczane pod jej powierzchnią.
6. 6. Sposób optymalizacji pracy wodnej pompy ciepła, w którym wykorzystuje się cykliczne zmiany cyrkulacji chłodziwa przez wymienniki ciepła do zasilania parowacza obiegu pompy ciepła, przy czym w okresie niskich temperatur zewnętrznych do zasilania dolnego źródła ciepła wykorzystuje się energię cieplną pochodzącą z przejścia fazowego wody ze stanu ciekłego w stan stały na powierzchni wymiennika, znamienny tym, że mierzy się temperaturę wody w połowie wysokości każdej wężownicy i za pomocą elektronicznego rozdzielacza cieczy kieruje się ciecz pośredniczącą na tą wężownicę, która w danym momencie usytuowana jest w warstwie wody charakteryzującej sie najwyższą temperaturą, gdzie ciecz pośrednicząca odbiera ciepło krzepnięcia wody, po czym kieruje się ją do parowacza gdzie oddaje ciepło, aż do momentu kiedy na wężownicy utworzy się warstwa lodu nie większa niż 15 mm, przy czym operację powtarza się dla kolejnych wężownic, a w tym czasie oblodzona wężownica stopniowo uwalnia się od lodu i ponownie może pełnić funkcję zasilania parowacza dolnego źródła ciepła.
7. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że w zależności od wielkości szczytów zapotrzebowania na ciepło dobiera się objętość zasobnika ciepła 3 - od strony nośnika ciepła w taki sposób aby jego objętość była minimalnie o 10% większa od sumy objętości pracujących wężownic, tak aby liczbę włączeń sprężarki minimalizować do 3 - 4 na godzinę.