SE531128C2 - Kombinerat kollektorsystem för en värmepumpsinstallation - Google Patents

Description

lO 531 128 runt. En nackdel med markvärmepumpar är att marken från vilken värme upptas kyls ner under värmeuttagsperioderna, vilket i det fall värme samlas upp från ytjorden kan leda till en försenad och avkortad växtperiod för växter som lever ovanför ytjordkollektorn. En nackdel med användning av ett borrat hål för värmeextrahering är att ett sådant hål är dyrt att borra; om ett för kort hål används för en för stor värmeextrahering finns risken att hålet fryser.

Det finns på marknaden anordningar som kombinerar en markkollektor och en frànluftskonnektor. Emellertid är mängden energi i frånluften, såsom nämnts, ganska begränsad.

Målet med föreliggande uppfinning är att presentera ett kollektorsystem som undviker alla ovan nämnda nackdelar.

En annan skillnad som skall noteras är mellan värmepumpar som använder ”direktföràngning” och system med ”brine”; ”direktförångnings”-system avser system där kylmediet hos värmepumpen leds direkt till làgtemperaturkällan, varvid köldmediet förångar och temperaturen hos làgtemperaturkällan minskar (värme tas upp av köldmediets föràngning). I brinesystem används en vätska kallad brine, frysskyddsmedel, som oftast innehåller vatten och ett exempelvis alkohol, som ett medium mellan det förångande kylmediet och lågtemperaturvärmekällan_ Vanligtvis är verkningsgraden något lägre för brinesystem, medan säkerhet och ekonomi förbättras avsevärt.

Sammanfattning av uppfinningen Föreliggande uppfinning löser ovan nämnda problem genom ett kombinerat kollektorsystem som innefattar en förbindelse till uteluft, vilken förbindelse tillåter uteluft att blandas med från huset förflyttad luft och tillsammans med denna värmeväxlas i värmeväxlaren samt ett 53% 128 första spjäll anordnat att öppna och sluta förbindelsen till uteluften.

Fördelaktiga utföringsformer av uppfinningen anges i de beroende patentkraven.

Kortfattad beskrivning av ritningarna Nedan kommer uppfinningen att beskrivas medelst vissa föredragna utföringsformer med hänvisning till de bifogade ritningarna, varvid Fig. 1 är en schematisk vy av en första utföringsform av uppfinningen, Fig. 2 är en schematisk vy av en andra utföringsform av föreliggande uppfinning, i en driftssituation som passar för en hög uteluftstemperatur, Fig. 3 är en schematisk vy av den andra utföringsformen av föreliggande uppfinning, i en driftssituation som passar för genomsnittliga uteluftstemperaturer, Fig. 4 är en schematisk vy av den andra utföringsformen av föreliggande uppfinning i en driftssituation som passar för låga yttertemperaturer, och Fig. 5 är en schematisk vy av en tredje utföringsform av föreliggande uppfinning.

Beskrivning av föredragna utföringsformer I Fig. 1 visas en första utföringsform av ett kombinerat kollektorsystem 100 enligt föreliggande uppfinning. Det kombinerade kollektorsystemet är kopplat till en värmepumpanordning 300 av känd konstruktion, vilken i sin tur är kopplad till ett hushållsvärmesystem 400.

Eftersom värmepumpars konstruktion är väl känd av fackmän inom området, kommer ingen förklaring av värmepumpsfunktionen att anges.

Det kombinerade kollektorsystemet 100 innefattar en markkollektor 110, exempelvis ett borrat hål eller en 531 128 kollektor för ytjord. Vidare innefattar det kombinerade kollektorsystemet 100 en uteluftskollektor 120, vilken i sin tur innefattar en fläkt 123 och en luft/vätskevärmeväx- lare 124, en brinepump 130, innefattande en elektroniskt styrd avstängningsventil som öppnas när ström levereras till pumpen 130, en envägsventil 140, en brinetemperaturmätare 150, en uteluftstemperaturmätare 160 och ett styrdon 170. Styrdonet 170 är kopplat till uteluftstemperaturmätaren 160 och brinetemperaturmätaren 150, och styr drift av uteluftskollektorn 120 och brinepumpen 130. Markkollektorn 110, uteluftskollektorn 120, envägsventilen 140, värmepumpanordningen 300, brinepumpen 130, brinetemperaturmätaren 150 och andra detaljer (inte visade) är alla sammankopplade medelst ett brinerörverk 200, såsom visas i Fig. 1. Små pilar A visar en flödesriktning för brinevätskan i rörverket.

Såsom är väl känt är ändamålet med värmepumpen 300 att extrahera làgtemperaturvärme.från det kombinerade kollektorsystemet 100 och leverera högtemperaturvärme till hushållsvärmesystemet 400. Enligt den första utföringsformen av föreliggande uppfinning extraheras làgtemperaturvärme från markkällan 110 vid låga yttertemperaturer. Om yttertemperaturen är ett förbestämt värde högre än brinetemperaturen, aktiveras fläkten 123 hos uteluftskollektorn 120 och brinepumpen 130; detta kommer att öka brinetemperaturen, beroende på värmeväxlingen mellan brinevätskan och uteluften i värmeväxlaren 124, och sålunda öka värmepumpverkningsgraden och/eller öka temperaturen hos markkollektorn.

Den första utföringsformen hos föreliggande uppfinning är fördelaktig genom att den är okomplicerad och kostnadseffektiv.

En andra utföringsform av föreliggande uppfinning visas i Fig. 2~4. Den kombinerade kollektorn enligt den andra utföringsformen av föreliggande uppfinning påminner 531 128 om den första utföringsformen, men skiljer sig avseende vissa viktiga detaljer. Den kombinerade kollektorn enligt den andra utföringsformen innefattar, istället för envägsventilen 140 i den första utföringsformen, två trevägsventiler 170, 180 som tillåter brineflödet i brinerörverket att flöda i tre kretsar, beroende på brinevätske- och utomhustemperatur: 1. Under sommaren, d v s när ytterluftstemperaturen är avsevärt högre än marktemperaturen, styrs de två 180 att rikta brineflödet endast genom uteluftskollektorn 120, trevägsventilerna 140, enligt de tjocka streckade linjerna i Fig. 2. Detta ger en hög brinetemperatur, vilket i sin tur ger hög värmepumpverkningsgrad och inte minskar markkollektorns temperatur. 2. Under vår och höst, d v s när uteluftstemperaturen inte är tillräckligt hög för att möjliggöra tillräcklig energiuppsamling från enbart uteluftskollektorn, styrs de två trevägsventilerna 178 att rikta brineflödet genom både uteluftskollektorn och markkollektorn, enligt de tjocka streckade linjerna i Fig. 3. Detta ökar brinetemperaturen mer än vad som skulle vara möjligt genom att samla värme från antingen uteluftskollektorn eller markkollektorn, och reducerar samtidigt energin som samlas upp från marken. 3. Vintertid, d v s när uteluftstemperaturen är låg, 180 att rikta brineflödet genom endast markkollektorn 110, såsom visas styrs de två trevägsventilerna 170, med tjocka, streckade linjer i Fig. 4.

I den andra utföringsformen skulle pumpen 130 kunna utelämnas.

Fig. 5 visar en tredje utföringsform av föreliggande uppfinning. Konstruktionen av värmepumpen 300 och markkollektorn 110 är identisk med konstruktionen av värmepumpen och markkollektorkonstruktionen enligt de tidigare beskrivna första och andra utföringsformerna.

Uteluftskollektorn 120 hos de tidigare utföringsformerna är 531 128 emellertid ersatt med en kollektor som samlar upp värme från frânluft och/eller uteluft. Såsom är känt är frânluft en accepterad benämning för luft som evakueras från en byggnad av ventilationsskäl. Nedan kommer de använda komponenterna och funktionerna hos den tredje utföringsformen att beskrivas, varvid komponenter som är identiska med komponenterna som används i de tidigare utföringsformerna kommer att få identiska hänvisningsbeteckningar och inte kommer att förklaras.

Såsom antyds ovan använder den tredje utföringsformen en kollektor 500 som samlar upp värme från frânluft E eller från en blandning av frânluft E och uteluft O. Kollektorn 500 innefattar en filterenhet 510, en styrbar fläkt 520 och en värmeväxlare 530. Värmeväxlaren 530 är kopplad till brinesystemet hos värmepumpen 300, och mängden brinevätska som flödar genom värmeväxlaren styrs genom en brinepump 533, innefattande en elektriskt styrd avstängningsventil som öppnas när ström leds till pumpen 533, samt en envägsventil 140. Vidare är filterenheten 510, fläkten 520 och värmeväxlaren 530 kopplade till ett grenat första rörverk 540 för att släppa in fràn- och/eller uteluft in i kollektorn 500, där luften passerar filtret, fläkten och värmeväxlaren för att överföra sin värme till brinevätskan som flödar genom värmeväxlaren. En första ventilationsförgrening 550 är kopplad till en byggnads frànluftsventilationssystem, och en andra ventilationsförgrening 560 är kopplad till uteluften.

Förhållandet mellan uteluft och frânluft styrs genom två spjäll Tl och T2 fästa vid den andra förgreningen 560, varvid spjället Tl är ett manuellt inställt spjäll och spjället T2 är ett styrbart spjäll med endast två positioner, nämligen fullt öppen och fullt stängd.

Kollektorn 500 är också kopplat till ett evakueringsrör 570 för att leda ut frånluften E och uteluften O till utsidan 531 128 av byggnaden efter att värmen hos denna luft har samlats upp i värmeväxlaren 530.

Den kombinerade kollektorn enligt den tredje utföringsformen kan köras på tre olika sätt, nämligen i frånluftsmod, ute- och frànluftsmod samt avfrostningsmod, vilka moder kommer att beskrivas nedan. 1. Vid frånluftsmod, vilket används vid låga uteluftstemperaturer, är spjället T2 i en stängd position och fläkten 530 går på låg hastighet; den låga hastigheten skall ställas in för att ge ett tillräckligt frånluftsflöde genom den kombinerade kollektorn 500, och även en tillräcklig ventilation av byggnaden som skall ventileras.

Vidare skall brinepumpen 533 försörjas för att ge ett brineflöde genom värmeväxlaren 530. 2. I frånlufts- och uteluftsmod är spjället T2 i en fullt öppen position, och fläkten 520 körs med full hastighet. Tillräckligt frànluftsflöde från byggnaden som skall ventileras erhålls genom att förinställa spjället T2 på ett värde som ger en riktig balans mellan flödena av uteluft och frånluft. Såsom är uppenbart skall brinepumpen 533 strömförsörjas för att ge ett brineflöde genom värmeväxlaren 530. Utelufts- och frånluftsmod används närhelst uteluftstemperaturen är avsevärt högre än brinetemperaturen. 3. Det sista modet är ett avfrostningsmod. Det används närhelst värmeväxlaren 530 behöver avfrostning. Ett avfrostningsbehov kan uppkomma om brinetemperaturen är lägre än O°C; under sådana omständigheter kondenserar vattenånga i från- och/eller uteluften på värmeväxlarväggarna och fryser därefter till is, vilket minskar värmeöverföringen från ute- eller fránluften till värmeväxlarväggarna. För avfrostning stängs spjället T2, fläkten 520 kör på låg hastighet och brinepumpen stängs av.

Detta kommer att leda till en temperaturökning hos värmeväxlaren 530; sålunda kommer isen att smälta. 531 128 För det tredje utföringsformen flödar brinevätskan genom brinerörverket på samma sätt som vid den första utföringsformen (d v s brinevätskan tas från brinerörverket vid en första position och återförs på en andra position, varvid positionerna separeras av envägsventilen 140); det är emellertid ingenting som utesluter att ute- och frånluftskollektorn enligt den tredje utföringsformen används med ett brinevätskerörverk enligt den andra utföringsformen. Detta tillåter ett mer optimerat uppförande för en stor variation av brine- och utetemperaturer.

Den tredje utföringsformen ger en avsevärd förbättring gentemot existerande konstruktioner, och har även vissa fördelar gentemot de första och andra utföringsformerna. En generell tumregel (för välisolerade hus) säger att en tredjedel av värmet som används för uppvärmning av ett hus leds genom väggar, fönster och tak, en tredjedel av värmet går bokstavligen ut i avloppet i form av varmt vatten, och en tredjedel går förlorad beroende på ventilation. Med en kollektor enligt den tredje utföringsformen kan värmet som går förlorat p g a ventilation återföras för att värma huset.

Föreliggande uppfinning är särdeles användbar om marken från vilken värme samlas upp har en liten energireservoar, eller har en låg grad av energiåterhämtning, d v s en liten värmeledning från omgivningen till kollektorn. Detta gör uppfinningen mycket användbar för byggnader i trånga områden, där det ofta är mycket svårt att anordna en grund markkollektor av ordinär storlek, vilket f n är den föredragna metoden att anordna en markkollektor. Såsom är väl känt av fackmän inom området, innefattar en grund markkollektor vanligtvis en halvflexibel slang som är fylld med brinevätska och nedgrävd på ett frostfritt djup (ungefär 1 meter i Sverige), exempelvis under en gräsmatta. Slangen extraherar 531 128 energi från den angränsande jorden, och jorden återtar värme under sommarmånaderna (mest genom solljus som träffar marken). En generell tumregel säger att ungefär 400 meter slang måste användas för en normalstor villa i Sverige; avståndet mellan slangarna skall vara ungefär l meter, d v s en fri mark på 400 nf behövs. De flesta moderna tomter är emellertid mindre än 400 nF. Därför är den tillgängliga tomten inte tillräcklig för en vanlig grund markkollektor.

Genom föreliggande uppfinning är det möjligt att använda en avsevärt kortare slang för den grunda markkollektorn, eftersom en så stor andel av energin samlas upp från uteluften. Vidare kan den kombinerade kollektorn enligt föreliggande uppfinning även användas för att ”ladda” markkollektorn med värme från frånluft och/eller uteluft, genom att köra både uteluftkollektorn och markkollektorn när uteluftstemperaturen är hög. Detta ökar återhämtningsmöjligheten för markkollektorn; sålunda är det möjligt att använda en ”flerlagers”-grund markkollektor, med slanglager nedgrävda på exempelvis djup på 3, 2 och 1 Detta, slanglängd, meter. kombinerat med en kortare nödvändig reducerar den tomtyta som krävs till 100-150 m2; en signifikant minskning jämfört med de tidigare 400 af.

En annan viktig fördel med föreliggande uppfinning är vegetationsperioden, som kan påverkas något på tomter försedda med en grund markkollektor utan den kompletterande uteluftskollektorn enligt föreliggande uppfinning, beroende på marktemperaturminskning; genom föreliggande uppfinning kan marken återvärmas av uteluftskollektorn under våren, och sålunda öka marktemperaturen.

Såsom visas i figurerna dras brinevätska som flödar genom uteluftskollektorerna (för de första och andra utföringsformerna) och från- och uteluftskollektorn (för den tredje utföringsformen) från brinevätskan som kommer ut Detta är fördelaktigt, ur värmepumpen 300. eftersom 531 128 brinetemperaturen är lägre för brinevätska som kommer ut från värmepumpen jämfört med brinevätska som kommer in i värmepumpen; sålunda kan mer energi extraheras från ute- eller frånluften.

Såsom är underförstått finns många möjliga utsvävningar från ovan beskrivna utföringsformer, utan att falla utanför föreliggande uppfinnings räckvidd såsom den definieras i den bifogade patentkravsatsen.

Claims (5)

10 15 20 25 30 531 128 11 PATENTKRAV

1. l. Kombinerat kollektorsystem (100) för en värmepumpsinstallation, varvid en värmepump (300) är anordnad att utvinna värme från en i kollektorsystemet (100) cirkulerande brinevätska och överföra denna värme vid en högre temperatur till ett uppvärmningssystem (400) för hus, varvid brinevätskan upptar värme från en i mark anordnad kollektor (110), varvid kollektorsystemet (100) innefattar en värmeväxlaraggregat (500) försett med en fläkt (520) anordnad att förflytta luft (E) från inre volymer i huset till utsidan av huset och varvid den från huset förflyttade luften (E) växlar värme med den i kollektorsystemet cirkulerande brinevätskan i en värmeväxlare (530), kännetecknat av en förbindelse (560) till uteluft (O), vilken förbindelse (560) tillåter uteluft (O) att blandas med den fràn huset förflyttade luften (E) och tillsammans med denna värmeväxlas i värmeväxlaren (530), samt ett första spjäll (T2) anordnat att öppna och sluta förbindelsen (560) till uteluften (O).

2. Kombinerat kollektorsystem (100) enligt patentkravet 1, vidare innefattande ett andra spjäll (T1), vilket är anordnat att manuellt ställas in för att sålunda begränsa mängden uteluft (O) som värmeväxlas tillsammans med den från huset förflyttade luften (E).

3. Kombinerat kollektorsystem (100) enligt patentkravet 1 eller 2, varvid det första spjället (T2) är anordnat att öppna förbindelsen närhelst uteluften (O) är varmare än brinevätskan.

4. Kombinerat kollektorsystem (100) enligt någotdera av ovanstående krav, varvid den i marken 10 53¶ 128 12 anordnade kollektorn (110) varandra liggande lager. är anordnad i flera ovanför

5. Kombinerat kollektorsystem (100) enligt någotdera av ovanstående krav, varvid fläkten (520) är anordnad att drivas med ett första varvtal när det första spjället (T2) är öppet och ett andra varvtal, lägre än det första, när det första spjället (T2) är stängt.