PL248700B1 - Układ urządzeń do akumulacji ciepła nadmiarowego w naturalnej warstwie wodoprzepuszczalnej oraz do jego odzysku - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest układ urządzeń do akumulacji ciepła nadmiarowego w naturalnej warstwie wodoprzepuszczalnej oraz do jego odzysku, którego zasadniczym elementem jest napełniony wodą akumulator (1) ciepła, stanowiący zamknięty obszar, wydzielony z warstwy wodoprzepuszczalnej (2), zawierający wykonaną w tym obszarze co najmniej jedną studnię wydobywczą (8) i co najmniej jedną studnię zrzutową (8) oraz instalację umożliwiającą wydobycie i zrzut wody oraz odbiór i dostarczenie ciepła nadmiarowego do akumulatora (1) ciepła poprzez wymiennik ciepła, a także instalację, zapewniającą kontrolę temperatury i poziomu wody w akumulatorze (1) ciepła oraz automatyzację i optymalizację procesu magazynowania i poboru ciepła nadmiarowego.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ urządzeń do akumulacji ciepła nadmiarowego w naturalnej warstwie wodoprzepuszczalnej oraz do jego odzysku, mający zastosowanie w podziemnym magazynowaniu ciepła nadmiarowego, zwłaszcza w jego efektywnym wykorzystaniu.

Znane i stosowane są sposoby oraz instalacje do podziemnego magazynowania ciepła. Przykładowo w koreańskim opisie patentowym KR101670007 B1 oraz w książce J. Chodury pt.: „Instalacje słoneczne. Dobór, montaż i nowe konstrukcje kolektorów” (Rynek Instalacyjny, Wyd.: Dom Wydawniczy MEDIUM, Warszawa, 2011) opisane zostały typowe sposoby magazynowania ciepła, w tym m.in. zbiorniki wodno-żwirowe oraz magazynowanie ciepła w warstwach wodonośnych. W przypadku zbiorników wodno-żwirowych jako medium magazynujące wykorzystuje się mieszaninę wody i żwiru, ulokowaną w dole wykopanym w gruncie i odizolowanym cieplnie od gruntu otaczającego oraz od atmosfery za pomocą folii z tworzyw sztucznych. Pobieranie ciepłej wody odbywa się bezpośrednio ze zbiornika albo za pośrednictwem wężownicy rozłożonej w zbiorniku. W przypadku magazynowania energii w warstwach wodonośnych, ciepło dostarczane jest do nich i z nich pobierane za pośrednictwem wyposażonych w zestawy filtrów studni głębinowych, sięgających do warstw wodonośnych, które muszą być ograniczone od góry i od dołu warstwą skał nieprzepuszczalnych. Również w publikacji K. Kwestarz pt.: „Magazynowanie ciepła - rodzaje magazynów” (Czysta Energia - 12/2016), opisane zostały magazyny ciepła wykorzystujące naturalne warstwy wodonośne do podziemnego przechowywania ciepła. Ciepło jest magazynowane w wodzie, jak również w otaczającym gruncie. Warstwy wodonośne o korzystnej miąższości 20-50 metrów stanowić mogą piaski, żwiry, skały piaskowcowe oraz wapienie. Najlepsze warunki panują wtedy, gdy warstwa jest położona pomiędzy dwiema nieprzepuszczalnymi warstwami oraz gdy nie występuje w niej przepływ wody lub jest on minimalny. Najprostszy układ tego typu składa się z dwóch studni (dwóch zespołów studni) o różnej głębokości. Latem woda z jednego zespołu jest pobierana oraz ogrzewana, np. przez kolektory słoneczne z wykorzystaniem wymienników ciepła, i zatłaczana do drugiego zespołu studni. Między nimi tworzy się front termalny, który przemieszcza się wraz z rosnącą lub malejącą temperaturą. W okresie grzewczym woda jest pobierana z warst wy ogrzanej latem i kierowana do wymienników, gdzie się ochładza, a następnie jest wtłaczana do drugiego zespołu studni bez jakichkolwiek zanieczyszczeń. Ze względów ekonomicznych oraz z powodu strat ciepła temperatura wody wtłaczanej nie powinna przekraczać 45°C. W przypadku, gdy wymagana jest wyższa temperatura zasilania odbiornika, stosuje się pompy ciepła.

Z polskiego opisu patentowego PL217289B1, znany układ instalacji geotermii płytkiej, gdzie przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wydobywania i zatłaczania wody podziemnej, wykorzystywanej do celów grzewczych i klimatyzacyjnych, mające zastosowanie w przypadku użytkowania co najmniej dwóch studni, sięgających odpowiednio do strefy saturacji warstwy wodonośnej, znajdującej się pomiędzy warstwami nieprzepuszczalnymi, współpracujących z pompą ciepła. W obu studniach, na dolnych końcach rurociągu obiegowego zainstalowane są agregaty pompowe, a ponad studniami w odcinkach napowierzchniowych rurociągu wbudowane są sterowalne zawory, do których przyłączone są rurociągi spustowe, wprowadzone do obu studni. Rozwiązanie zapewnia łatwą i szybką zmianę funkcji studni z wydobywczej na chłonną i odwrotnie, poprzez odpowiednie ustawienie sterowalnych zaworów. W okresie letnim, pompa ciepła wykorzystywana jest do klimatyzowania i chłodzenia, a ciepło odzyskowe pochodzące z pompy ciepła jest odprowadzane z wodą do warstwy wodonośnej, gdzie gromadzone jest do wykorzystania w okresie zimowym. W zależności od pory roku studnie pełnią zamiennie funkcje wydobywczą lub zrzutową.

Z kolei w japońskim opisie patentowym JP6325835B2 ujawniono sposób magazynowania ciepła w zbiorniku labiryntowym, utworzonym w obszarze warstwy wodoprzepuszczalnej, usytuowanej pomiędzy warstwami nieprzepuszczalnymi. Zbiornik wydzielony jest poprzez okonturowanie części warstwy wodoprzepuszczalnej, nieprzepuszczalnymi, pionowymi ścianami z powierzchni do głębokości poniżej stropu niżej leżącej warstwy nieprzepuszczalnej oraz poprzez wykonanie wewnątrz zamkniętego obszaru pionowych, nieprzepuszczalnych przegród tworzących kanał o kształcie labiryntowym, maksymalnie wydłużający drogę przepływu pomiędzy wykonanymi z powierzchni otworami: otworem zrzutowym oraz otworem wydobywczym, połączonymi poprzez pompy z wymiennikiem ciepła, do którego dalej podłączona może być klimatyzacja. Woda, zmagazynowana w odizolowanej również od powierzchni warstwie wodoprzepuszczalnej, może służyć do ogrzewania pomieszczeń, a latem do ich chłodzenia.

Wynalazek rozwiązuje problem techniczny sposobu magazynowania ciepła w naturalnych warstwach wodoprzepuszczalnych - ATES (Aquifer Thermal Energy Storage), polegający na braku możliwości jego zastosowania w warstwach wodoprzepuszczalnych o małym zawodnieniu lub przy znaczącym odpływie wody z obszaru wyznaczonego na magazyn, przy zapewnieniu dużej wydajności i małej bezwładności cieplnej.

Istota układu urządzeń do akumulacji ciepła nadmiarowego w naturalnej warstwie wodoprzepuszczalnej oraz do jego odzysku, zawierającego napełniony wodą akumulator ciepła, który stanowi zamknięty obszar, wydzielony z warstwy wodoprzepuszczalnej za pomocą ścian przeciwfiltracyjnych, pionowych lub o nachyleniu zbliżonym do pionowego, wykonanych z powierzchni terenu do głębokości poniżej spągu warstwy wodoprzepuszczalnej, a także zawierającego usytuowaną w tym obszarze co najmniej jedną studnię wydobywczą oraz wymiennik ciepła, co najmniej jedną studnię zrzutową oraz co najmniej jedną pompę, polega na tym, że ściany przeciwfiltracyjne, stanowią ściany szczelinowe, stanowiące również przegrodę izolującą termicznie, a studnię wydobywczą i studnię zrzutową stanowi jedna dwufunkcyjna, wydobywczo-zrzutowa studnia wyposażona w rurociąg zrzutowy oraz rurociąg wydobywczy, połączony hydraulicznie bezpośrednio lub pośrednio z pompą, a pompa połączona jest za pomocą elektrycznego przewodu zasilającego z przemiennikiem częstotliwości, który połączony jest sygnałowo z aparaturą kontrolno-pomiarowo-sterującą, która ponadto jest połączona sygnałowo z wielopoziomowymi sondami pomiarowymi temperatury oraz poziomu wody, znajdującymi się w wydobywczo-zrzutowej studni oraz w co najmniej jednym otworze kontrolno-pomiarowym, usytuowanym w obrębie akumulatora ciepła oraz w wymienniku ciepła. Aparatura kontrolno-pomiarowo-sterująca, połączona jest sygnałowo ze sterowalnymi zaworami, usytuowanymi na przewodach hydraulicznych, łączących kolektor wydobywczy z rurociągiem wydobywczym oraz ze sterowalnymi zaworami, usytuowanymi na przewodach hydraulicznych, łączących kolektor zrzutowy z rurociągiem zrzutowym. Kolektory: wydobywczy oraz zrzutowy, doprowadzone są do wymiennika ciepła, zaś akumulator ciepła od góry przykryty jest poziomą przegrodą, stanowiącą osłonę przeciwfiltracyjną oraz izolację termiczną. Korzystnym jest, gdy akumulator ciepła, przykryty jest dodatkowo warstwą gleby, zalegającej na poziomej przegrodzie, co pozwala na zapewnienie funkcji biologicznej obszaru na powierzchni, ponad akumulatorem ciepła. Korzystnym jest, gdy pomiędzy ustalonym poziomem wody w akumulatorze ciepła a poziomą przegrodą, znajduje się bezwodna przestrzeń, wypełniona powietrzem gruntowym, stanowiąca dodatkową izolację termiczną. Również korzystnym jest, gdy pompę stanowi pompa albo zestaw pomp, zainstalowany na powierzchni pomiędzy kolektorem wydobywczym a wymiennikiem ciepła. Także korzystnym jest, gdy pompę stanowi pompa głębinowa, zainstalowana w miejsce kosza ssawnego, na rurociągu wydobywczym. Korzystnym jest, gdy ściany akumulatora ciepła w rzucie na płaszczyznę poziomą tworzą kształt pierścienia. Ponadto, korzystnym jest, gdy układ zawiera dwufunkcyjne studnie wydobywczozrzutowe, rozmieszczone w ten sposób, że jedna usytuowana jest w środku akumulatora ciepła, a pozostałe są rozmieszczone równomiernie w stałej odległości od środka, zaś na kierunkach, stanowiących dwusieczną kąta wyznaczonego przez dwie sąsiednie studnie wydobywczo-zrzutowe oraz studnię wydobywczo-zrzutową centralną, znajdują się otwory kontrolno-pomiarowe.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie widok z góry na podziemny akumulator ciepła nadmiarowego wraz ze schematem instalacji na powierzchni, a fig. 2 przedstawia schematycznie przekrój pionowy, poprowadzony przez środek wydzielonego w naturalnej warstwie wodoprzepuszczalnej podziemnego akumulatora ciepła nadmiarowego, wraz z instalacją na powierzchni.

Układ urządzeń do akumulacji ciepła nadmiarowego w naturalnej warstwie wodoprzepuszczalnej oraz do jego odzysku, zawiera podziemny akumulator 1 ciepła, wykonany w części naturalnej warstwy wodoprzepuszczalnej 2, przykrytej poziomą przegrodą 3 stanowiącą izolację cieplną i filtracyjną oraz zalegającą na niej warstwę gleby 4. Naturalna warstwa wodoprzepuszczalna 2 ograniczona jest pionową ścianą 5 przeciwfiltracyjną, stanowiącą izolację cieplną i filtracyjną, tworzącą zamknięty obszar o kształcie pierścienia o promieniu wewnętrznym 52 m. Pionowa ściana 5 zagłębiona jest na odcinku 1 m w naturalnej warstwie nieprzepuszczalnej 6, zalegającej pod naturalną warstwą wodoprzepuszczalną 2. Poziom zwierciadła wody 24, w akumulatorze 1 ciepła znajduje się wyżej niż naturalne zwierciadło wody 7 podziemnej w naturalnej warstwie wodoprzepuszczalnej 2. Wewnątrz podziemnego akumulatora 1 ciepła, znajduje się sześć dwufunkcyjnych wydobywczo-zrzutowych studni 8, składających się z kolumny rur filtrowych 8a, wokół których znajduje się obsypka żwirowa 8b, a na odcinku przypowierzchniowym, nad obsypką znajduje się uszczelnienie 8c. Studnie 8 rozmieszczone są w ten sposób, że jedna położona jest w środku akumulatora 1 ciepła, a pozostałe są rozmieszczone równomiernie, w stałych odległościach od środka; na okręgu o promieniu 33 m. Na kierunkach, stanowiących dwusieczną kąta wyznaczonego przez dwie sąsiednie studnie 8 leżące na okręgu oraz studnię 8 centralną, a w odległości 45 m, od środka znajduje się pięć otworów kontrolno-pomiarowych 9. W każdej dwufunkcyjnej wydobywczo-zrzutowej studni 8 znajduje się pionowy rurociąg wydobywczy 10, zakończony w dolnej części koszem ssawnym 11 z zaworem zwrotnym, zanurzonym poniżej dynamicznego poziomu zwierciadła wody 24 występującego w tej studni, a górny koniec rurociągu wydobywczego 10 połączony jest poprzez sterowalny zawór 21 z kolektorem wydobywczym 12. Ponadto, w każdej dwufunkcyjnej wydobywczo-zrzutowej studni 8 znajduje się pionowy rurociąg zrzutowy 13, którego dolny koniec usytuowany jest w dolnej części podziemnego akumulatora 1 ciepła, a koniec górny połączony jest poprzez sterowalny zawór 22 z kolektorem zrzutowym 14. Kolektory: wydobywczy 12 i zrzutowy 14, wykonane w technologii rur preizolowanych i zlokalizowane pod powierzchnią terenu, doprowadzone są do wymiennika ciepła 15, do którego podłączona jest również instalacja dostawy ciepła 16 oraz instalacja odbioru ciepła 17. Pomiędzy zbiorczym kolektorem wydobywczym 12, a wymiennikiem ciepła 15 znajduje się zestaw hydraulicznych pomp 20, zasilanych przez przemiennik częstotliwości 23, z którym są połączone za pomocą przewodu elektrycznego. W każdej dwufunkcyjnej, wydobywczo-zrzutowej studni 8, w każdym otworze kontrolno-pomiarowym 9 oraz w wymienniku ciepła 15 znajdują się wielopoziomowe sondy pomiarowe 18 temperatury oraz poziomu wody 24, połączone przewodem sygnałowym 26 z aparaturą kontrolno-pomiarowo-sterującą 19, która z kolei połączona jest za pomocą przewodu sygnałowego 26 z przemiennikiem częstotliwości 23 i sterowalnymi zaworami 21 i 22. Pomiędzy ustalonym poziomem wody 24 w akumulatorze 1 ciepła a poziomą przegrodą 3 znajduje się bezwodna przestrzeń 25, wypełniona powietrzem gruntowym, stanowiąca dodatkową izolację cieplną. Dla lepszego opisu wynalazku w przykładzie wykonania, można przedstawić sposób jego działania. Za pomocą wielopoziomowych sond pomiarowych 18 przekazujących odczyty do aparatury kontrolno-pomiarowo-sterującej 19, kontrolowany jest pionowy rozkład pola temperatury oraz poziomu zwierciadła wody 24 w podziemnym akumulatorze 1 ciepła nadmiarowego oraz rozkład pola temperatury w wymienniku ciepła 15. W przypadku konieczności podniesienia poziomu zwierciadła wody 24 w akumulatorze 1 ciepła, uzupełnia się ją nieuwidocznionym na rysunku zestawem pomp z obszaru naturalnej warstwy wodoprzepuszczalnej 2 lub z innego źródła wody. Funkcja wydobywcza, zrzutowa lub czasowe wyłączenie poszczególnych studni 8 jest ustalane każdorazowo na podstawie danych pomiarowych, uzyskanych ze wszystkich wielopoziomowych sond pomiarowych 18. Dedykowane oprogramowanie aparatury kontrolno-pomiarowo-sterującej 19 ustala indywidualnie tryb pracy każdej studni 8 w czasie rzeczywistym, w zależności od rozkładu pola temperatury w przestrzeni akumulatora 1 ciepła. Natężenie przepływu wody obiegowej w pionowym rurociągu wydobywczym 10, kolektorze wydobywczym 12, rurociągu zrzutowym 13, oraz w kolektorze zrzutowym 14 zależy od pracy zestawu pomp 20, w których stosuje się regulację prędkością obrotową za pomocą przemiennika częstotliwości 23, sterowanego aparaturą kontrolno-pomiarowo-sterującą 19. Aparatura kontrolno-pomiarowo-sterująca 19 włącza i wyłącza zestaw pomp 20 w zależności od ciśnienia w zbiorczym kolektorze zrzutowym 14 oraz od wartości temperatury mierzonej wielopoziomowymi sondami pomiarowymi 18, a także steruje indywidualnie sterowalnymi zaworami 21 i 22, regulującymi wydobywanie ciepłej wody w celu przekazania ciepła poprzez wymiennik ciepła 15 do instalacji odbioru ciepła 17 akumulowanego lub jej zrzut do akumulatora 1 ciepła, po jego odbiorze w wymienniku ciepła 15 z instalacji dostawy ciepła 16 nadmiarowego. W innym przykładzie realizacji wynalazku, transmisja sygnałów pomiędzy sondami pomiarowymi 18, aparaturą kontrolno-pomiarowo-sterującą 19, zestawem pomp 20 oraz przemiennikiem częstotliwości 23, a także sterowalnymi zaworami 21 regulującymi wydobywanie wody i sterowalnymi zaworami 22, regulującymi zrzut wody, jest dokonywana bezprzewodowo, za pomocą fal radiowych. W jeszcze innym, nieuwidocznionym na rysunku, przykładzie wykonania wynalazku, pompy 20 stanowią pompy głębinowe, zainstalowane w każdej dwufunkcyjnej wydobywczo-zrzutowej studni 8 w miejsce kosza ssawnego 11. Pompy 20 zasilane są energią elektryczną, a ich praca regulowana jest indywidualnie aparaturą kontrolno-pomiarowo-sterującą 19 poprzez przemiennik częstotliwości 23.

Objaśnienia numerów odnośników na fig. 1 i fig. 2:

(1) akumulator (ciepła) (2) naturalna warstwa wodoprzepuszczalna (3) pozioma przegroda (4) warstwa gleby (5) ściana przeciwfiltracyjna (6) naturalna warstwa nieprzepuszczalna (7) naturalne zwierciadło wody (8) studnia (8a) kolumna rur filtrowych (8b) obsypka żwirowa (8c) uszczelnienie (9) otwór kontrolno-pomiarowy (10) rurociąg wydobywczy (11) kosz ssawny (12) kolektor wydobywczy (13) rurociąg zrzutowy (14) kolektor zrzutowy (15) wymiennik ciepła (16) instalacja dostawy ciepła (17) instalacja odbioru ciepła (18) wielopoziomowe sondy pomiarowe (19) aparatura kontrolno-pomiarowo-sterująca (20) pompa lub zestaw pomp (21) sterowalny zawór (22) sterowalny zawór (23) przemiennik częstotliwości (24) poziom zwierciadła wody (25) bezwodna przestrzeń (26) przewód sygnałowy

Claims (7)

1. Układ urządzeń do akumulacji ciepła nadmiarowego w naturalnej warstwie wodoprzepuszczalnej oraz do jego odzysku, zawierający napełniony wodą akumulator ciepła, który stanowi zamknięty obszar, wydzielony z warstwy wodoprzepuszczalnej za pomocą ścian przeciwfiltracyjnych, pionowych lub o nachyleniu zbliżonym do pionowego, wykonanych z powierzchni terenu do głębokości poniżej spągu warstwy wodoprzepuszczalnej, a także zawierający usytuowaną w tym obszarze co najmniej jedną studnię wydobywczą oraz wymiennik ciepła, co najmniej jedną studnię zrzutową oraz co najmniej jedną pompę, znamienny tym, że ściany (5) przeciwfiltracyjne, stanowią ściany szczelinowe, stanowiące również przegrodę izolującą termicznie, a studnię wydobywczą i studnię zrzutową stanowi dwufunkcyjna wydobywczo-zrzutowa studnia (8) wyposażona w rurociąg zrzutowy (13) oraz rurociąg wydobywczy (10) połączony hydraulicznie bezpośrednio lub pośrednio z pompą (20), a pompa (20) połączona jest za pomocą elektrycznego przewodu zasilającego z przemiennikiem częstotliwości (23), który połączony jest sygnałowo z aparaturą kontrolno-pomiarowo-sterującą (19), która ponadto jest połączona sygnałowo z wielopoziomowymi sondami pomiarowymi (18) temperatury oraz poziomu wody (24), znajdującymi się w wydobywczo-zrzutowej studni (8) oraz w co najmniej jednym otworze kontrolno-pomiarowym (9), usytuowanym w obrębie akumulatora (1) ciepła oraz w wymienniku ciepła (15), a ponadto aparatura kontrolno-pomiarowo-sterująca (19), połączona jest sygnałowo ze sterowalnymi zaworami (21) usytuowanymi na przewodach hydraulicznych, łączących kolektor wydobywczy (12) z rurociągiem wydobywczym (10) oraz ze sterowalnymi zaworami (22) usytuowanymi na przewodach hydraulicznych, łączących kolektor zrzutowy (14) z rurociągiem zrzutowym (13), przy czym kolektory: wydobywczy (12) oraz zrzutowy (14) doprowadzone są do wymiennika ciepła (15), zaś akumulator (1) ciepła od góry przykryty jest poziomą przegrodą (3), stanowiącą osłonę przeciwfiltracyjną oraz izolującą termicznie.

2. Układ urządzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że akumulator (1) ciepła, przykryty jest dodatkowo warstwą gleby, zalegającej na poziomej przegrodzie (3).

3. Układ urządzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy ustalonym poziomem wody (24) w akumulatorze (1) ciepła a poziomą przegrodą (3), znajduje się bezwodna przestrzeń (25) wypełniona powietrzem gruntowym, stanowiąca dodatkową izolację termiczną.

4. Układ urządzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że pompę (20) stanowi pompa albo zestaw pomp, zainstalowany na powierzchni pomiędzy kolektorem wydobywczym (12) a wymiennikiem ciepła (15).

5. Układ urządzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że pompę (20) stanowi pompa głębinowa, zainstalowana w miejsce kosza ssawnego (11) na pionowym rurociągu wydobywczym (10).

6. Układ urządzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że ściany (5) akumulatora (1) ciepła, w rzucie na płaszczyznę poziomą, tworzą kształt pierścienia.

7. Układ urządzeń według zastrz. 5, znamienny tym, że zawiera dwufunkcyjne studnie wydobywczo-zrzutowe (8), rozmieszczone w ten sposób, że jedna usytuowana jest w środku akumulatora (1) ciepła, a pozostałe są rozmieszczone równomiernie w stałej odległości od środka, zaś na kierunkach, stanowiących dwusieczną kąta wyznaczonego przez dwie sąsiednie studnie wydobywczo-zrzutowe (8) oraz studnię wydobywczo-zrzutową (8) centralną, znajdują się otwory kontrolno-pomiarowe (9).