PL235781B1 - Układ transportu powietrza w gruntowym bezprzeponowym wymienniku ciepła - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ transportu powietrza w gruntowym bezprzeponowym wymienniku ciepła służącym do odzysku ciepła lub chłodu z gruntu, wyposażony w efektywny system łączenia modułów wymiany cieplnej z kolektorami doprowadzającymi i odprowadzającymi transportowane powietrze do/z tych modułów.

Technologie związane z odzyskiem ciepła lub chłodu z gruntu, na potrzeby ogrzewania lub chłodzenia obiektów, zwłaszcza mieszkalnych, znane są od wielu lat. Popularne są technologie wykorzystujące podgrzewany lub chłodzony w gruncie strumień powietrza, które oprócz niezaprzeczalnych zalet ekologicznych dają użytkownikowi duże oszczędności w zakresie zużywania energii, a co za tym idzie oszczędności ekonomiczne.

Znane są sposoby odzysku ciepła lub chłodu z gruntu za pomocą gruntowych wymienników ciepła, w których strumień powietrza płynie pod ziemią poprzez system kanałów wentylacyjnych gdzie następuje wymiana termodynamiczna (cieplna) powietrza z gruntem. Strumień powietrza atmosferycznego o temperaturze ujemnej, zwłaszcza w okresie zimowym lub dodatniej, zwłaszcza w okresie letnim, doprowadzany do kanałów wentylacyjnych z otoczenia, płynąc w tych kanałach ułożonych pod ziemią na głębokości około 2 m napotyka grunt o temperaturze pozwalającej na podgrzanie tego powietrza zimą lub schłodzenie latem.

Znane są na przykład gruntowe płytowe wymienniki ciepła, które składają się ze specjalnych płaskich płyt, układanych w rzędach, w układzie zwartym bądź z rozstawem między rzędami płyt. Płyta uniesiona jest ponad zagęszczoną podsypkę na specjalnych klockach dystansowych. Powstaje wówczas szczelina między gruntem a płytą, którą przepływa powietrze, a w wyniku kontaktu powietrza z gruntem dochodzi do wymiany cieplnej. Oprócz płyt, wymiennik składa się z dwóch kolektorów oraz rurociągu doprowadzającego powietrze z czerpni terenowej do kolektora wlotowego i rurociągu odprowadzającego powietrze z kolektora wylotowego do docelowego budynku.

Płytowy gruntowy wymiennik ciepła znany jest między innymi z opisu patentowego nr PL217601. Wymiennik ten charakteryzuje się tym, że na gruncie rodzimym poziomo lub pod małym nachyleniem uformowana jest warstwa materiałów przepuszczających powietrze tworząc kanał cyrkulacyjny wymiennika ograniczony nośną płytą z wyprowadzonymi elementami dystansowymi i połączonymi z siatką konstrukcyjną osadzoną na siatce stabilizującej a całość jest przykryta warstwą izolacyjną. W rozwiązaniu tym zastosowana jest płaska płyta, pod którą biegnie szczelina powietrzna, a sposób połączenia płyty z kolektorami polega na tym, że krawędź wzdłużna kolektora osadzana jest na górnej powierzchni płyty przy jej brzegu, co nie zapewnia odpowiedniej wytrzymałości oraz szczelności połączenia. Takie rozwiązanie nie zapewnia również równomiernego przepływu powietrza przez całą powierzchnię pod płytą, stanowiącą powierzchnię roboczą wymiany cieplnej, co ma miejsce w innych rozwiązaniach wykorzystujących układ Tichelman’a. W rozwiązaniu PL217601 powietrze płynie bowiem najkrótszą drogą, to jest w poprzek wymiennika, a zatem nie cała powierzchnia pod płytą bierze czynny udział w procesie wymiany cieplnej, obniżając tym samym efektywność układu.

Do najlepszych znanych rozwiązań należą bezprzeponowe rurowe lub płytowe gruntowe wymienniki ciepła, w których powietrze płynie między gruntem a powierzchnią wewnętrzną kanałów powietrznych, mających korzystnie postać połówek rur lub półokrągłych kanałów uformowanych w płycie wymiennika.

Na przykład z opisu patentowego nr PL223092 znany jest układ gruntowego powietrznego wymiennika ciepła zawierający kanały powietrzne, w których następuje wymiana cieplna transportowanego powietrza z gruntem, charakteryzujący się tym, że na podłożu ułożone są podkładki wykonane z tworzywa, a na podkładkach ułożone są kanały powietrzne w postaci połówek rur, korzystnie o półokrągłym przekroju poprzecznym, wykonane poprzez cięcie wzdłuż osi podłużnej rur litych albo korugowanych albo spiralnie zwijanych. Kanały powietrzne w postaci połówek rur są ciasno wsunięte z jednej strony do otworów wyciętych w kolektorze zbierającym a z drugiej strony do otworów wyciętych w kolektorze rozdzielającym. Ulepszona wersja tego rozwiązania ujawniona została w opisie patentowym nr PL226528, w którym kanały powietrzne uformowane są w modułach wykonanych poprzez tłoczenie, wtryskiwanie lub termoformowanie, a kanały te posiadają na swoim obwodzie rowki stanowiące przetłoczenia wykonane do wewnątrz w postaci rowków spiralnych i/lub poprzecznych i/lub karby stanowiące przetłoczenia wykonane na zewnątrz w postaci karbów spiralnych i/lub poprzecznych. Również

PL 235 781 B1 w tym rozwiązaniu kanały powietrzne w postaci połówek rur uformowane w modułach są ciasno wsunięte z jednej strony do otworów wyciętych w kolektorze zbierającym a z drugiej strony do otworów wyciętych w kolektorze rozdzielającym.

Do podstawowych zalet tego typu wymienników bezprzeponowych należą:

- prosta konstrukcja;

- bezpośredni kontakt powietrza z podłożem, dzięki czemu następuje bardzo dobra i skuteczna wymiana cieplna z gruntem przez cały czas pracy wymiennika (24 h/dobę) - brak konieczności regeneracji wymiennika;

- znaczne ograniczenie kosztów ogrzewania i/lub chłodzenia.

Idea działania wszystkich wymienionych rozwiązań polega na tym, że transportuje się ogrzewane/chłodzone powietrze pobierane z czerpni, przez kolektor rozdzielający, następnie kanały powietrzne stanowiące układ rur lub połówek rur lub szczelinę pod płytą, do kolektora zbierającego, a finalnie najczęściej do centrali wentylacyjnej, przy czym wymiana cieplna między transportowanym powietrzem a gruntem zachodzi przede wszystkim w kanałach powietrznych stanowiących połączenie pomiędzy dwoma kolektorami. Niedogodnością techniczną znanych dotychczas rozwiązań była niedoskonała technicznie konstrukcja połączenia kolektorów zbierającego i rozdzielającego z elementami transportującymi powietrze, w których zachodzi wymiana cieplna z gruntem.

Między innymi w wynalazkach o nr patentów PL223092 oraz PL226528 ujawniono rozwiązania, w których stosowane były kolektory z wyciętymi otworami przeznaczonymi do wsunięcia do nich kanałów powietrznych w postaci połówek rur transportujących powietrze lub modułów z uformowanymi półokrągłymi kanałami powietrznymi. Konieczność wycinania otworów w kolektorach, a następnie sposób montażu kanałów powietrznych - w postaci połówek rur lub modułów z kanałami powietrznymi w postaci połówek rur - w tych otworach były czynnościami uciążliwymi i pracochłonnymi. Samo wsunięcie modułów z kanałami powietrznymi do otworów w kolektorach nie zapewniało też odpowiedniej szczelności, stąd po ułożeniu kolektorów z wsuniętymi do otworów modułami z kanałami powietrznymi należało uszczelniać połączenia specjalnymi, atestowanymi i dopuszczonymi do stosowania w systemach wentylacyjnych pastami uszczelniającymi. Dużą niedogodnością wykonania połączeń modułów wymiennika z kolektorami według dotychczasowej technologii był długi czas realizacji i konieczność zaangażowania kilku osób do wykonania tych czynności. Przykładowo dla średniej wielkości domu jednorodzinnego, przy pracy czterech montażystów czas realizacji wykonania połączeń modułów wymiennika z kolektorami wynosił co najmniej pięć godzin.

Celem twórców niniejszego wynalazku stało się opracowanie konstrukcji gruntowego bezprzeponowego wymiennika ciepła wyposażonego w rozwiązania, które pozbawione będą wyżej wymienionych niedogodności i umożliwią łatwy, szybki, skuteczny sposób łączenia modułów wymiany cieplnej z kolektorami, a jednocześnie nie podnoszący kosztów w stosunku do znanych dotychczas rozwiązań.

Istotę wynalazku stanowi układ transportu powietrza w gruntowym bezprzeponowym wymienniku ciepła, zawierający moduł wymiany cieplnej powietrza z gruntem wyposażony w kanały transportujące powietrze, który to moduł ma postać zestawu wycinków rur, powstałych w wyniku wzdłużnego przecięcia rur, które to wycinki rur mają w przekroju poprzecznym kształt wycinka koła lub elipsy, korzystnie połówki koła, bądź też moduł ma postać co najmniej jednej płyty wykonanej poprzez tłoczenie, wtryskiwanie lub termoformowanie, z wykonanymi w niej kanałami powietrznymi mającymi w przekroju poprzecznym kształt wycinka koła lub elipsy, korzystnie połówki koła, który to moduł połączony jest z jednej strony z kolektorem rozdzielającym, a z drugiej strony z kolektorem zbierającym, przy czym kolektor rozdzielający połączony jest za pomocą kanału transportowego z czerpnią powietrza, natomiast kolektor zbierający połączony jest za pomocą kanału transportowego wyjściowego z centralą wentylacyjną lub innym odbiornikiem powietrza, a oba kolektory mają w przekroju poprzecznym kształt wycinka koła lub elipsy, charakteryzujący się tym, że moduł wymiany cieplnej zarówno od strony wlotu powietrza jak i od strony wylotu powietrza połączony jest odpowiednio z kolektorem rozdzielającym i zbierającym za pomocą gotowego elementu w postaci grzebienia łączeniowego, w którym wykonane są przelotowe otwory, przy czym ilość otworów, rozstaw, kształt i wymiary dopasowane są do odpowiadających im parametrów modułu wymiany cieplnej, wsuwanego z jednej strony do otworów w grzebieniu, przy czym grzebienie łączeniowe wykonane są z płyt z tworzywa, korzystnie z polietylenu, polipropylenu lub kopolimeru akrylonitrylo-butadieno-styrenowego ABS, przy czym pojedynczy grzebień łączeniowy wykonany jest z co najmniej jednej, korzystnie trzech warstw połączonych ze sobą płyt o grubości kilku cm, w których wykonane są przelotowe otwory, a do górnej zewnętrznej powierzchni grzebienia łączeniowego

PL 235 781 B1 stanowiącej krawędź płyt/y, z której/ych został on wykonany, na całej długości grzebienia przymocowany jest ceownik stanowiący gniazdo na osadzenie krawędzi wzdłużnej kolektora, przy czym ceownik wykonany jest z tworzywa, korzystnie z kopolimeru akrylonitrylo-butadieno-styrenowego ABS, polipropylenu lub polietylenu, a jego szerokość jest większa od grubości ścianki kolektora, który jest w nim osadzany, ponadto jedna krawędź wzdłużna każdego kolektora osadzona jest na podbudowie nośnej, na której wsparty jest wymiennik, a druga krawędź wzdłużna każdego kolektora ułożona jest w gnieździe utworzonym przez ceownik.

Korzystnie, grzebienie łączeniowe mają długość równą szerokości modułu wymiany cieplnej, to jest rozstawu wycinków rur lub w innym wariancie szerokości płyty z kanałami powietrznymi, a w razie gdy łączna szerokość modułu jest większa od długości gotowego grzebienia łączeniowego, układ wyposażony jest w taką ilość połączonych ze sobą grzebieni łączeniowych, by dopasować ich łączną długość do szerokości modułu.

Korzystnie, grzebienie łączeniowe wraz z modułami wymiany cieplnej i krawędziami wzdłużnymi kolektorów zalane są zaprawą betonową tworząc jedną monolityczną całość. Po połączeniu grzebieni łączeniowych z modułami i kolektorami, wymiennik zalewa się zaprawą betonową tworząc jedną monolityczną całość z zalanymi modułami. Przy zalewaniu wymiennika zaprawą betonową gniazdo grzebienia również jest całe zalewane zaprawą betonową, co zapewnia pełną szczelność połączenia modułu wymiany cieplnej z kolektorami.

W niektórych realizacjach związanych z montażem gruntowych wymienników ciepła istnieje konieczność podzielenia modułów wymiany ciepła na kilka bloków i wykonania przerw pomiędzy nimi, przede wszystkim spowodowanych potrzebą ominięcia stóp fundamentowych (szczególnie w większych halach produkcyjnych) lub ułożenia systemu gruntowego wymiennika ciepła w odrębnych kwaterach fundamentowych, na przykład w domach jednorodzinnych. W takich przypadkach układ według niniejszego wynalazku wyposażony jest dodatkowo w łączniki łączące grzebienie łączeniowe na odcinkach kolektorów odpowiadających przerwom między blokami modułu wymiany ciepła, przy czym w przekroju poprzecznym kształt łącznika jest zbieżny z kształtem grzebienia, z którym jest łączony, natomiast w widoku z boku ma pełne ścianki, to jest bez wykonanych otworów przelotowych.

Korzystnie, łącznik skręcony jest z grzebieniem za pomocą wkrętów.

Korzystnie, łączniki mają postać ceowników odpowiadających kształtem i rozmiarem ceownikom montowanym na grzebieniu, pełniąc rolę ich przedłużenia, a do łączników od dołu przymocowane są podpory wykonane z płyt, korzystnie z kopolimeru akrylonitrylo-butadieno-styrenowego ABS, polietylenu lub polipropylenu, przy czym pojedyncza podpora wykonana jest z co najmniej jednej, korzystnie trzech warstw połączonych ze sobą pasków z płyt, i ma szerokość równą szerokości ceownika oraz wysokość odpowiadającą wysokości grzebienia.

Ceownik przymocowany od góry do podpory służy jako gniazdo, w którym oparta jest jedna wzdłużna krawędź kolektora. Rozwiązanie jest bardzo skuteczne i trwałe.

Zastosowanie grzebienia łączeniowego istotnie usprawniło sposób i skuteczność łączenia modułów wymiany cieplnej z kolektorami, a przede wszystkim wyeliminowało konieczność uciążliwego, pracochłonnego i kosztownego wycinania otworów w kolektorach znanych dotychczas. W nowym rozwiązaniu nie ma też już konieczności dodatkowego uszczelniania specjalnymi pastami uszczelniającymi połączeń kolektora z modułem, gdyż wycięte, zwłaszcza w technologii CNC grzebienie łączące są idealnie dopasowane gabarytami do wsuwanych do nich modułów wymiany cieplnej. W praktyce dzięki takiemu rozwiązaniu znacznie ułatwiono łączenie kolektorów z modułami, a przy tym montaż całego wymiennika. W stosunku do wcześniej stosowanej technologii związanej z wycinaniem otworów w kolektorach, wsuwaniem do nich modułów i uszczelnianiem istotnie skrócił się czas łączenia modułów z kolektorami. W praktyce dla średniej wielkości domu jednorodzinnego zastosowanie wynalazku pozwoliło na skrócenie czasu mniej więcej o połowę, to jest do około 2,5 godzin, co w efekcie wpłynęło też na obniżenie ceny robocizny.

Koszt gotowego produktu jakim jest grzebień łączeniowy wykonywany w skali przemysłowej jest istotnie mniejszy od kosztów wykonywania w kolektorach otworów dopasowywanych do kształtu modułu oraz kosztu uszczelniania takich połączeń.

Rozwiązanie według niniejszego wynalazku zawierające zmiany konstrukcyjne dotyczące łączenia modułów wymiany cieplnej z kolektorami nie powoduje wzrostu kosztów wytworzenia końcowego produktu, a wręcz przeciwnie, wraz ze zmniejszeniem kosztów produkcji i mniejszym kosztem zakupu poszczególnych elementów składowych - półproduktów, koszt wykonania wymiennika i jego montażu jest znacznie obniżony.

PL 235 781 B1

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia grzebień według wynalazku - rzut izometryczny, fig. 2 - grzebień - rzut boczny, fig. 3 - łącznik - rzut izometryczny, fig. 4 - elementy składowe: moduł i kolektor - rzut izometryczny (te elementy są ze sobą łączone za pomocą grzebienia przedstawionego na fig. 1).

P r z y k ł a d

Układ transportu powietrza w gruntowym bezprzeponowym wymienniku ciepła, według wynalazku zawiera moduł 1 wymiany cieplnej powietrza z gruntem mający postać płyty wykonanej poprzez termoformowanie, z wykonanymi w niej kanałami powietrznymi 2 mającymi w przekroju poprzecznym kształt połówki koła, który to moduł 1 połączony jest z jednej strony z kolektorem zbierającym 3, a z drugiej strony z kolektorem rozdzielającym, przy czym kolektor rozdzielający połączony jest za pomocą kanału transportowego z czerpnią powietrza, natomiast kolektor zbierający 3 połączony jest za pomocą kanału transportowego wyjściowego z odbiornikiem powietrza, a oba kolektory mają w przekroju poprzecznym kształt wycinka koła. Moduł 1 wymiany cieplnej z obu stron połączony jest z kolektorami, odpowiednio od strony wlotu powietrza z kolektorem rozdzielającym, a od strony wylotu powietrza z kolektorem zbierającym 3, za pomocą gotowych elementów w postaci grzebieni łączeniowych 4. Grzebienie łączeniowe 4 wykonane są z płyt z polietylenu, przy czym pojedynczy grzebień łączeniowy 4 wykonany jest z trzech warstw połączonych ze sobą płyt o grubości kilku cm, w których wykonane są przelotowe otwory 6, których ilość, rozstaw, kształt i wymiary dopasowane są do odpowiadających im parametrów modułu 1 wymiany cieplnej, wsuwanego z jednej strony do otworów 6 w grzebieniu 4. Do górnej zewnętrznej powierzchni grzebienia łączeniowego 4 stanowiącej krawędź płyt, z których został on wykonany, na całej długości grzebienia przymocowany jest ceownik 7 stanowiący gniazdo na osadzenie krawędzi wzdłużnej 8 odpowiedniego kolektora, przy czym ceownik 7 wykonany jest z kopolimeru akrylonitrylo-butadieno-styrenowego ABS, a jego szerokość jest większa od grubości ścianki odpowiedniego kolektora, który jest w nim osadzany. Po montażu jedna krawędź wzdłużna każdego kolektora osadzona jest na gruncie, w którym montowany jest wymiennik, a druga krawędź wzdłużna 8 każdego kolektora ułożona jest w gnieździe wykonanym w górnej części grzebienia łączeniowego 4, po jego zewnętrznej stronie i na całej jego długości. Montaż układu polega na tym, że do otworów przelotowych 6 w grzebieniu 4 z jednej strony wsuwa się moduł 1 wymiany cieplnej, natomiast z drugiej strony krawędź wzdłużną 8 odpowiedniego kolektora umieszcza się w gnieździe (ceowniku) 6 wykonanym w górnej części grzebienia 4. Grzebienie 4 łączy się z modułem 1 oraz z kolektorami za pomocą wkrętów, a następnie cały układ zalewa się zaprawą betonową.

Claims (6)

1. Układ transportu powietrza w gruntowym bezprzeponowym wymienniku ciepła, zawierający moduł wymiany cieplnej powietrza z gruntem wyposażony w kanały transportujące powietrze, który to moduł ma postać zestawu wycinków rur, powstałych w wyniku wzdłużnego przecięcia rur, które to wycinki rur mają w przekroju poprzecznym kształt wycinka koła lub elipsy, korzystnie połówki koła, bądź też moduł ma postać co najmniej jednej płyty wykonanej poprzez tłoczenie, wtryskiwanie lub termoformowanie, z wykonanymi w niej kanałami powietrznymi mającymi w przekroju poprzecznym kształt wycinka koła lub elipsy, korzystnie połówki koła, który to moduł połączony jest z jednej strony z kolektorem rozdzielającym, a z drugiej strony z kolektorem zbierającym, przy czym kolektor rozdzielający połączony jest za pomocą kanału transportowego z czerpnią powietrza, natomiast kolektor zbierający połączony jest za pomocą kanału transportowego wyjściowego z centralą wentylacyjną lub innym odbiornikiem powietrza, a oba kolektory mają w przekroju poprzecznym kształt wycinka koła lub elipsy, znamienny tym, że moduł (1) wymiany cieplnej zarówno od strony wlotu powietrza jak i od strony wylotu powietrza połączony jest odpowiednio z kolektorem rozdzielającym i zbierającym (3) za pomocą gotowego elementu w postaci grzebienia łączeniowego (4), w którym wykonane są przelotowe otwory (6), przy czym ilość otworów, rozstaw, kształt i wymiary dopasowane są do odpowiadających im parametrów modułu (1) wymiany cieplnej, wsuwanego z jednej strony do otworów (6) w grzebieniu (4), przy czym grzebienie łączeniowe (4) wykonane są z płyt z tworzywa, korzystnie z polietylenu, polipropylenu lub kopolimeru akrylonitrylo-butadieno-styrenowego ABS, przy czym pojedynczy grzebień łączeniowy (4) wykonany jest z co najmniej

PL 235 781 B1 jednej, korzystnie trzech warstw połączonych ze sobą płyt o grubości kilku cm, w których wykonane są przelotowe otwory (6), a do górnej zewnętrznej powierzchni grzebienia łączeniowego (4) stanowiącej krawędź płyt/y, z której/ych został on wykonany, na całej długości grzebienia przymocowany jest ceownik (7) stanowiący gniazdo na osadzenie krawędzi wzdłużnej (8) kolektora, przy czym ceownik (7) wykonany jest z tworzywa, korzystnie z kopolimeru akrylonitrylo-butadieno-styrenowego ABS, polipropylenu lub polietylenu, a jego szerokość jest większa od grubości ścianki kolektora, który jest w nim osadzany, ponadto jedna krawędź wzdłużna każdego kolektora osadzona jest na podbudowie nośnej, na której wsparty jest wymiennik, a druga krawędź wzdłużna (8) każdego kolektora ułożona jest w gnieździe utworzonym przez ceownik (7).

2. Układ według zastrz. 1 znamienny tym, że grzebienie łączeniowe (4) mają długość równą szerokości modułu (1) wymiany cieplnej, to jest rozstawu wycinków rur lub w innym wariancie szerokości płyty z kanałami powietrznymi, a w razie gdy łączna szerokość modułu (1) jest większa od długości gotowego grzebienia łączeniowego (4), układ wyposażony jest w taką ilość połączonych ze sobą grzebieni łączeniowych (4), by dopasować ich łączną długość do szerokości modułu (1).

3. Układ według zastrz. 1 znamienny tym, że grzebienie łączeniowe (4) wraz z modułami (1) i krawędziami wzdłużnymi (8) kolektorów zalane są zaprawą betonową tworząc jedną monolityczną całość.

4. Układ według zastrz. 1 znamienny tym, że w przypadku podzielenia modułu (1) wymiany ciepła na kilka bloków i wykonania przerw pomiędzy nimi, układ wyposażony jest dodatkowo w łączniki (5) łączące grzebienie łączeniowe (4) na odcinkach kolektorów odpowiadających przerwom między blokami modułu (1) wymiany ciepła, przy czym w przekroju poprzecznym kształt łącznika (5) jest zbieżny z kształtem grzebienia (4), z którym jest łączony, natomiast w widoku z boku ma pełne ścianki, to jest bez wykonanych otworów przelotowych.

5. Układ według zastrz. 4 znamienny tym, że łącznik (5) skręcony jest z grzebieniem (4) za pomocą wkrętów.

6. Układ według zastrz. 4 znamienny tym, że łączniki (5) mają postać ceowników odpowiadających kształtem i rozmiarem ceownikom (7) montowanym na grzebieniu (4), pełniąc rolę ich przedłużenia, a do łączników (5) od dołu przymocowane są podpory wykonane z płyt, korzystnie z kopolimeru akrylonitrylo-butadieno-styrenowego ABS, polietylenu lub polipropylenu, przy czym pojedyncza podpora wykonana jest z co najmniej jednej, korzystnie trzech warstw połączonych ze sobą pasków z płyt, i ma szerokość równą szerokości ceownika oraz wysokość odpowiadającą wysokości grzebienia (4).