SK252014A3 - Termoelektrické tepelné čerpadlo - Google Patents

Abstract

Termoelektrické tepelné čerpadlo využíva sériovo-paralelné zapojenie termoelektrických článkov (1) na princípe Peltierového javu pripojených k elektrofotovoltickým panelom (6), ktoré je určené na prípravu teplej a studenej vody v akumulačnej nádobe (14) na vykurovanie a chladenie predovšetkým v nízkoenergetických a pasívnych domoch. Termoelektrické tepelné čerpadlo prostredníctvom výmenníkov akumuluje tepelnú energiu do vody v akumulačnej nádrži (14), ktorá je potom čerpadlom vedená v rúrkach stropného, stenového či podlahového kúrenia/chladenia. Vynález patrí k alternatívnym zdrojom energie.

Description

Oblasť techniky:

Vynález patrí do skupiny alternatívnych zdrojov vykurovania a chladenia obytných a priemyselných priestorov a primárne využíva pre ohrev alebo chladenie slnečné žiarenie z elektrofotovoltaických panelov, ktoré napájajú termoelektrické články Peltierov jav. Inštalované termoelektrické tepelné čerpadlo dokáže zabezpečiť stabilnú vnútornú teplotu obytného alebo priemyselného priestoru 25°C ±5°C pri vonkajšej teplote okolitého vzduchu v rozsahu +40°C až -20°C za predpokladu, že uvedený priestor je vhodne zaizolovaný a disponuje správnym rozmiestnením teplovodných rozvodov.

Doterajší stav techniky:

V súčasnosti sa na vykurovanie/chladenie obytných priestorov používajú tepelné čerpadlá, s elektrickým kompresorom, využívajúce zmenu skupenského stavu látky na dodávku tepelnej energie pri potrebe ohrevu, alebo odoberanie tepelnej energie v prípade chladenia. Tieto zariadenia sa nedajú priamo pripojiť k fotovoltaickým kolektorom, z dôvodu nestabilného výkonu fotovoltaických panelov.

Podstata vynálezu:

Termoelektrické tepelné čerpadlo obsahuje termoelektrické články TEC, zložené z telluru a bismutu medzi keramickými platničkami využívajúce Peltierov jav, ktoré sa pripojením k jednosmernému zdroju napätia jedna strana otepľuje a jedna strana ochladzuje sú mechanicky vložené medzi dvoma typmi hliníkových interiérových výmenníkov, z ktorých sú dva priebežné a jeden obežný, v nich prúdi voda s nemrznúcou zmesou. Pri zmene polarity napätia na termoelektrických článkoch sa vymenia teploty na styčných keramických plochách opačne, čo jednoduchým prepojením stýkača zabezpečuje ohrev a zároveň aj chladenie. Termoelektrické tepelné čerpadlo podľa slnečného svitu vyrába tepelný výkon, napája priamo odporovú záťaž, a pre svoje fungovanie nevyžaduje minimálny výkon fotovoltaických panelov a preto funguje po celý deň atak maximálne využíva celú energiu zo slnka.

Obrázky č.2,3,4,5 určujú konštrukčné riešenie termoelektrickej jednotky.

Pomocou čerpadiel a rúrkami je vedené teplonosné médium, napr. voda pre interiérové výmenníky. Interiérový výmenník obežný slúži na odovzdávanie alebo odoberanie tepla z akumulačnej nádoby, z ktorej je vedený najmenej jeden výstup pre podlahové, stenové vykurovanie. Interiérový výmenník priebežný slúži na z

odovzdávanie alebo odoberanie tepla do alebo z vonkajšieho priestoru, k čomu slúžia dva typy exteriérových výmenníkov, jeden pre potrebu kúrenia, na získavanie tepla z okolitého priestoru by mal byť na slnečnej strane a druhý pre potrebu chladenia najlepšie v tieni mimo dosahu slnečných lúčov počas celého dňa, ktorý je ďalej vybavený ventilátorom pre účinnejšie chladenie. Termoelektrické tepelné čerpadlo obsahuje najmenej jeden z obidvoch typov exteriérových výmenníkov. Termoelektrické tepelné čerpadlo obsahuje najmenej jednu termoelektrickú jednotku.

Toto riešenie nevyžaduje striedavé napätie distribučnej siete a preto je výhodné ho použiť pre vykurovanie alebo chladenie priestorov bez pripojenia na elektrickú energiu. Elektrická energia je dodávaná priamo zo slnka s využitím elektrofotovoltaických panelov, ktorých energia je priamo spotrebovaná na ohrev alebo chladenie vody v akumulačnej nádobe, na pohon čerpadiel, ventilov a riadiacej jednotky a ďalej môže byť ukladaná do elektrických akumulátorov, z ktorých je podľa potreby čerpaná v noci, alebo v čase menej slnečných dní. Pokiaľ je k dispozícií distribučná sieť je možné k napájaniu použiť sieťový jednosmerný zdroj cez oddeľovaciu diódu a istiace prvky.

Termoelektrické tepelné čerpadlo obsahuje riadiacu jednotku, ktorá zabezpečuje meranie najmenej jednej teploty priestoru miestnosti, najmenej jednej teploty stien miestnosti, teplotu akumulačnej nádrže, teplotu okolia umiestnenia termoelektrického tepelného čerpadla, chod najmenej jedného obehového čerpadla pre interiérové a exteriérové výmenníky, dodanú energiu z fotovoltaických panelov, spotrebovanú energiu z distribučnej siete, stav elektrickej akumulátorovej batérie, ovláda stýkač pre zmenu polarity napätia termoelektrických článkov a ventil, ktorý prepína teplonosné médium exteriérových výmenníkov. Všetky údaje a stavy meraných veličín môžu byť posielané prostredníctvom GSM siete cez SMS správy, alebo ukladané na počítač.

Výhodou termoelektrického tepelného čerpadla je, že ho je možné vymeniť za existujúce tepelné čerpadlá, nakoľko pripojenie rúrok je kompatibilné.

Prehľad obrázkov:

Obr. 1 - Líniová schéma zapojenia Termoelektrického čerpadla

Obr. 2 - Tepelná izolácia zo Styroduru s frézovanými otvormi slúži na zábranenie úniku tepla z konštrukčných častí

Obr. 3 - interiérový výmenník č.l- spodok a vrch sú hliníkové frézované profily. Priebežný, teplonosné médium vstupuje na dvoch miestach na jednej strane a vystupuje na dvoch miestach na druhej strane

Obr. 4 - interiérový výmenník č.2- spodok a vrch sú hliníkové frézované profily. Obežný, teplonosné médium vstupuje na jednom mieste na jednej strane a vystupuje na druhom mieste na tej istej strane

Obr. 5 - Mechanika uchytenia slúži na konštrukčné uchytenie dvoch interiérových výmenníkov č.l - spodok interiérových výmenníkov č.l - vrch a jedného interiérového výmenníka č.2 - spodok a interiérového výmenníka č.2 - vrch ý

Príklad uskutočnenia vynálezu:

Termoelektrické tepelné čerpadlo má dve základné časti: Prvú časť, tvorí termoelektrická jednotka 11 s trubkami pre rozvod vody a čerpadlom C2 pre stenové resp. podlahové vykurovanie (prípadne kombinované stenové a podlahové vykurovanie) a akumulačná nádrž M. Druhú časť, tvoria dva výmenníky: výmenník studenej vody 12 a chladič teplej vody 13, cez ktoré je tlačená voda pomocou čerpadla Cl a podľa potreby chladenia alebo kúrenia je regulovaná ventilom VI.

Skonštruované termoelektrické tepelné čerpadlo využíva termoelektrické články 1 typu TEC1-12730, s príkonom 350W a elektrofotovoltaické panely 6 s výkonom 35OWp. Termoelektrické články aj fotovoltaické kolektory je možné kombinovať podľa potreby výkonu a napájacieho napätia.

Prvá časť sa skladá z dvoch typov interiérových výmenníkov tepla a to interiérového výmenníka č.l - spodok 2 interiérového výmenníka č.l - vrch 2a a interiérového výmenníka č.2 - spodok 3, interiérového výmenníka č.2 - vrch 3a , medzi ktorými sú uložené termoelektrické články 1, ďalej mechanikou uchytenia 4 a tepelnou izoláciou 5.

Interiérový výmenník č.l - spodok 2, interiérový výmenníka č.l - vrch 2a termoelektrickej jednotky 11 je priebežný, tzn., že voda do neho vstupuje dvoma otvormi na jednej strane a vystupuje dvoma otvormi na druhej strane. Slúži na výmenu tepla mimo priestoru budovy, kde čerpadlom Cl je voda vedená trubkami podľa polohy ventila VI do samostatných výmenníkov pre kúrenie cez výmenník studenej vody 12 a pre chladenie cez chladič teplej vody 13, kde k ochladzovaniu dopomáha ventilátor Ventl.

Interiérový výmenník č.2 - spodok 3, interiérový výmenníka č.2 - vrch 3a termoelektrickej jednotky 11 je obežný, tzn., že voda do neho vstupuje jedným otvorom na jednej strane, otočí smer o 180° a vystupuje druhým otvorom na tej istej strane. Tento výmenník slúži na odovzdanie tepla pre akumulačnú nádrž 14.

Exteriérovú časť tvoria dva samostatné výmenníky, ktoré sú uložené vo vonkajšom prostredí, chladič teplej vody 13 pre potrebu chladenia a výmenník studenej vody 12 pre potrebu kúrenia, čo umožňuje maximalizovať účinnosť tepelného čerpadla pre kúrenie a chladenie.

Termoelektrické tepelné čerpadlo prečerpáva tepelnú energiu uloženú v teplonosnom médiu z exteriérovej časti do interiérovej časti a naopak pri zmene polarity jednosmerného prúdu, ktorý preteká termoelektrickými článkami 1.

Prepínanie smeru prúdu zabezpečuje riadiaca jednotka 10 prostredníctvom stýkača.

J

Termoelektrické tepelné čerpadlo prečerpáva tepelnú energiu z exteriérovej časti do interiérovej časti a naopak aj pomocou prestupu tepla cez viacvrstvovú konštrukciu termoelektrických článkov 1. Termoelektrické tepelné čerpadlo na tento proces nevyžaduje elektrické napájanie.

Exteriérová časť termoelektrického tepelného čerpadla využíva pre účinnejšiu výmenu tepla jednosmerné ventilátory Ventl, ktoré sú napájané cez istiaci prvok zo spoločného jednosmerného napätia.

Výmenník studenej vody 12 pre potrebu kúrenia je orientovaný na južnú svetovú stranu objektu a ak je to možné, je v čase dňa neustále osvetľovaná slnečnými lúčmi. Táto časť slúži na ohrev teplonosného média a tepelná energia sa získava predovšetkým z tepelnej energie slnka. Riadiaca jednotka 10 zabezpečuje cez ventil V1 požadovaný smer teplonosného média pre potrebu kúrenia.

Chladič teplej vody 13 pre potrebu chladenia, je orientovaný na severnú svetovú stranu objektu a ak je to možné, je uložená v tieni, mimo dosahu slnečného žiarenia počas celého dňa. Táto časť slúži na účinnejšie chladenie teplonosného média v prípade potreby chladenia. Riadiaca jednotka 10 zabezpečuje cez ventil VI požadovaný smer teplonosného média pre potrebu chladenia.

Elektrofotovoltaické panely 6 sú cez istiaci prvok pripojené k elektrickým akumulátorom 7 a prebytočnú energiu, ktorá nie je práve spotrebovaná termoelektrickou jednotkou 11, akumulujú pre potrebu energie v noci, alebo na obdobie menej slnečných dní.

Elektrofotovoltaické panely 6 môžu byť cez istiaci prvok pripojené k DC/AC meniču a prebytočnú energiu, ktorá nie je práve spotrebovaná termoelektrickou jednotkou 11, dodávajú do elektrického rozvodu 230V AC.

Termoelektrické tepelné čerpadlo je cez istiaci prvok pripojené k akumulátorom 7, nevyžaduje pripojenie k distribučnej sieti.

Riadiaca jednotka 10 môže merať vyrobenú energiu z elektrofotovoltaických panelov 6, dodanú energiu z elektrofotovoltaických panelov 6 do elektrických akumulátorov 7 Wl, dodanú energiu z jednosmerného zdroja 9 W2 napájaného zo striedavej siete 230V AC, (400V AC), vyrobenú energiu z elektrofotovoltaických panelov 6 W3. Riadiaca jednotka 10 ďalej meria vonkajšiu teplotu prostredia -TI, teplotu výmenníka studenej vody 12 - T2 pre kúrenie, teplotu chladiča teplej vody 13 - T4, teplotu vody v akumulačnej nádobe 14 - T3, všetky teploty vzduchu miestností v objekte - Tmi až Tmx, všetky teploty stien miestnosti - Tsl až Tsx a okolitú teplotu priestoru umiestnenia termoelektrickej jednotky 11- T5.

Riadiaca jednotka 10 môže sledovať stav distribučnej siete - Dig. input 1, poruchu ventilátora Ventl - Dig. input 2, poruchu jednosmerného zdroja 9 - Dig.

input 3, stav pripojeného elektrického akumulátora 7 - Dig. input 4 a voliteľné 3 digitálne bezpotenciálové vstupy - Dig. input 5 až Dig. input 7.

Termoelektrické tepelné čerpadlo tohto typu môže byť priamo bez DC/DC alebo DC/AC meničov elektrického napätia napojené na elektrofotovoltaické panely 6 a tým využívať obnoviteľné zdroje energie bez elektrických strát v DC/DC alebo DC/AC meničoch. Podmienkou je, že príkon tepelného termoelektrického čerpadla je väčší alebo rovný výkonu elektrofotovoltaických panelov 6 a zároveň zapojenie termoelektrických článkov £ elektrofotovoltaických panelov 6 neprekročí max. pracovné napätie termoelektrických článkov £.

Napájanie termoelektrického tepelného čerpadla môže byť pripojené cez oddeľovaciu diódu 8 z prídavného sieťového jednosmerného zdroja 9 (AC/DC menič), vtedy je výkon termoelektrického tepelného čerpadla ovládaný riadiacou jednotkou 10 pulzne šírkovou moduláciou jednosmerného prúdu, ktorý preteká termoelektrickými článkami L

Termoelektrické tepelné čerpadlo využíva sério paralelne zapojenie termoelektrických článkov £ na princípe Peltierového javu a to tak, aby maximálny výkon elektrofotovoltaického panela 6 zodpovedal 75% - 90% zaťaženiu termoelektrických článkov L

Priemyselné použitie:

Podstata vynálezu je v tom, že toto zariadenie patrí do skupiny obnoviteľných zdrojov energie. Využíva predovšetkým energiu slnečného žiarenia na energetické vykrytie potreby chladenia alebo kúrenia, kde využitie doterajšieho stavu techniky zbytočne predražuje vstupné náklady, prevádzkové náklady, ako aj spotrebu jalovej energie z distribučnej siete. V prípade pripojenia klasických tepelných čerpadiel k elektrofotovoltaickým kolektorom je nutnosť použitia DC/AC meničov, kde sú straty elektrickej energie a preto dlhá až žiadna návratnosť vstupných investícií. Nakoľko elektrofotovoltaické kolektory nemajú stabilný výkon, nieje ich možne praktický využiť ako samostatný zdroj napájania tepelných čerpadiel s elektromotorom pre kompresor.

Tento vynález nepotrebuje priame pripojenie do distribučnej elektrickej siete, preto jeho využitie má výhodu znižovať náklady spojené pri stavbe inžinierskych sietí.

Termoelektrické tepelné čerpadlo má minimálne rozmery, nízke prevádzkové náklady, menšiu hlučnosť a skladá sa z menšieho počtu dielov, čo predurčuje jeho dlhú životnosť vzhľadom na nižší počet použitých dielov.

Claims (5)

1. Patentové nároky:

   1. Termoelektrické tepelné čerpadlo sa vyznačuje tým, že na ohrev/chladenie vody v akumulačnej nádobe, ktorá je následné vedená čerpadlom v rúrkach podlahového, stenového či stropného vykurovania /chladenia, sa využíva sério-paralelné zapojenie termoelektrických článkov (1) na princípe Peltierového javu priamo k elektrofotovoltaickým panelom (6).
2. 2. Termoelektrické tepelné čerpadlo podľa nároku č.l sa vyznačuje tým, že využíva dva typy interiérových výmenníkov tepla: obežný a priebežný
3. 3. Termoelektrické tepelné čerpadlo podľa nároku č.l sa vyznačuje tým, že využíva dva typy exteriérových výmenníkov tepla: výmenník studenej vody (12) na slnečnej južnej orientovanej svetovej strane a chladič teplej vody (13) v tieni mimo dosahu slnečných lúčov na severne orientovanej svetovej strane objektu
4. 4. Termoelektrické tepelné čerpadlo podľa nároku č.l sa vyznačuje tým, že termoelektrické články (1) sú priamo pripojené k elektrofotovoltaickým panelom (6) bez DC/DC, DC/AC meničov
5. 5. Termoelektrické tepelné čerpadlo podľa nároku č.l sa vyznačuje tým, že s pripojeným elektrickým akumulátorom (7) nie je potrebná prípojka k distribučnej striedavej sieti