SK500712015U1

SK500712015U1 - Zemný akumulátor tepla

Info

Publication number: SK500712015U1
Application number: SK50071-2015U
Authority: SK
Inventors: Michal Gottwald; Vladimír Lukáč
Original assignee: Žilinská Univerzita V Žiline; Etop Alternative Energy, S.R.O.
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2015-11-03
Also published as: PL3118558T3; EP3118558B8; EP3118558B1; EP3118558A1; SK7401Y1

Abstract

Zemný akumulátor tepla, tvorený poľom výmenníkov (1) tepla pripojených k prívodu teplonosného média zo solárnych aplikácií a k odvodu teplonosného média do energetických aplikácií a/alebo solárnych aplikácií, pričom výmenníky tepla sú prepojené v rade za sebou, kde výmenníky (1) tepla sú tvorené rúrkovým telesom (2), ktoré je vybavené prostriedkami na zatlačenie, narazenie alebo zavŕtanie do zeminy, kde v dutine (6) rúrkového telesa (2) je komora (13) obsahujúca prostriedky (10) na rozvod teplonosného média a/alebo teplonosné médium na prenos tepla do rúrkového telesa (2), pripojené na prívod (8) a/alebo odvod (9) teplonosného média.

Description

Zemný akumulátor tepla

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka zemného akumulátora tepla, najmä na akumuláciu sezónnych prebytkov tepla zo solárnych kolektorov, solárnych fotovoltických panelov, solárnych aplikácií a pod.

Doterajší stav techniky

Je známe, že sezónne prebytky tepla zo solárnych kolektorov, solárnych fotovoltických panelov, solárnych aplikácií a pod. je možné do určitej miery akumulovať do horniny. Toto sa uskutočňuje privádzaním teplonosného média, obvykle vody, z príslušných okruhov solárnych zariadení, do výmenníkov tepla inštalovaných pod povrchom zeme, v hornine, v rôznych hĺbkach.

Z dokumentu WO 81/00754 A1 je známy podzemný akumulátor tepla nízkoteplotného typu na uchovávanie solárnej energie zo solárneho kolektora prostredníctvom niekoľkých zakopaných dvojitých rúrok s vonkajšou rúrkou a vnútornou rúrkou, ktorý má uvedené rúrky kužeľovito usporiadané, tak že sa rozširujú z centrálnej studne s krytom pri povrchu zeme. Kužeľovitá poloha rúrok zaberá na povrchu zeme veľmi malú plochu, pričom v hĺbke zaberá veľký objem zeme. Strata tepla na povrchu zeme je týmto obmedzená, pričom akumulačná schopnosť je stále dostatočná. Hoci toto riešenie do určitej miery odstraňuje nevýhodu rozsiahlych výkopových prác, pri inštalácii zemných akumulátorov tepla so zvislými rúrkami, výkopové práce, aj keď v menšom rozsahu sú stále potrebné.

Ďalej je známy systém uskladnenia tepelnej energie vrtoch (BTES - borehole thermal energy storage). Tento systém pozostáva zo sústavy vrtov, ktoré pripomínajú klasické vŕtané studne. Po vytvorení vrtu, je do vyvŕtanej diery vložená plastová rúrka na konci zahnutá do „U“. Na dosiahnutie dobrej tepelnej vodivosti s okolitou zeminou, je vyvŕtaná diera potom vyplnená injektážnym materiálom s vysokou tepelnou vodivosťou. Takýto systém inštalovaný napr. v Drake Landing Solar Community, v meste Okotoks v kanadskej provincii Alberta, pozostáva zo 144 vrtov, hlbokých 37 metrov v 2,25 m rozstupoch. Tieto vrty pokrývajú plochu v priemere 35 metrov. Na povrchu sú rúrky tvaru „U“ spájané v skupinách po šiestich v smere od stredu k vonkajšiemu okraju, odkiaľ sa pripájajú späť do nadzemného energetického systému. Celé pole tohto systému vrtov je zakryté izolačnou vrstvou a následne zeminou. Hoci ide o výkonný systém uskladnenia solárnej energie do zeme, jeho zjavná nevýhoda spočíva vo veľkej konštrukčnej náročnosti.

Cieľom tohto technického riešenia je teda zemný akumulátor tepla, ktorý by v podstatnej miere odstránil nedostatky doterajšieho stavu techniky spočívajúce v konštrukčnej náročnosti a s tým spojenými vysokými zriaďovacími nákladmi, so zachovaním dobrej účinnosti pri akumulácii tepla do zeme.

Podstata technického riešenia

Uvedený cieľ sa dosiahne zemným akumulátorom tepla podľa tohto technického riešenia, ktorý je tvorený poľom výmenníkov tepla pripojených k prívodu teplonosného média zo solárnych aplikácií a k odvodu teplonosného média do energetických aplikácií, pričom výmenníky tepla sú prepojené v rade za sebou, ktorého podstata spočíva v tom, že výmenníky tepla sú tvorené rúrkovým telesom, ktoré je opatrené prostriedkami na zatlačenie, narazenie alebo zavŕtanie do zeminy, kde v dutine rúrkového telesa je komora obsahujúca prostriedky na rozvod teplonosného média a/alebo teplonosné médium na prenos tepla do rúrkového telesa, pripojené na prívod a/alebo odvod teplonosného média.

Zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia výrazne znižuje nálady na sprievodné zemné a stavebné práce. Na vytvorenie tohto zemného akumulátora tepla je postačujúce odkrytie najvrchnejšej vrstvy na obnaženie zeminy na vybranom mieste pre akumulátor. Ďalšie zemné práce na vytvorenie akumulátora podľa tohto riešenia nie sú prakticky potrebné, nakoľko akumulátor sa vytvorí výmenníkmi tepla, ktoré sú priamo zatlačené, narazené alebo zavŕtané do zeminy na vybranom mieste pre akumulátor. Prívody a odvody teplonosného média na výmenníkoch tepla sa pripoja k príslušným výstupom teplonosného média zo solárnych aplikácií a vstupom teplonosného média do solárnych a/alebo energetických aplikácií.

Výhodné je ak medzi výmenníkmi tepla je umiestnená nádrž so samostatným teplonosným/teploprenosným médiom, najvýhodnejšie vodou, v ktorej je umiestnený výmenník tepla pripojený k výstupu teplonosného média zo solárnych aplikácií a vstupu teplonosného média do solárnych a/alebo energetických aplikácií.

Týmto usporiadaním sa vytvorí dynamický akumulačný prvok, ktorý je schopný rýchlo akumulovať prebytky tepla. Toto je výhodné najmä v prípade potreby rýchleho odvedenia veľkého množstva prebytkového tepla, nakoľko voda je schopná odviesť teplo rýchlejšie ako zemina.

Tiež je výhodné, ak časť výmenníkov tepla pripojená na výstup teplonosného média z solárnych termických kolektorov je obklopená výmenníkmi tepla pripojenými na výstup teplonosného média z chladenia solárnych fotovoltických panelov. Týmto sa výhodne vytvorí vonkajšia zóna, ktorá zohrievaním poskytuje chladenie solárnych fotovoltických panelov za súčasného vytvorenia izolácie medzi jadrom, t.j. vnútornou časťou, akumulátora tvoreným výmenníkmi tepla napájanými prebytkovým teplom zo solárnych termických kolektorov, prípadne kombinovaných s nádržou naplnenou samostatným teplonosným/teploprenosným médiom, a vonkajšou zeminou okolo celého akumulátora. Tepelné straty jadra akumulátora voči okolitej zemine sa týmto znižujú, pričom nie je okolo tohto akumulátora potrebné vytvoriť zvislú mechanickú tepelnú izoláciu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Technické riešenie je bližšie vysvetlené na pripojených výkresoch na ktorých obr. 1 znázorňuje pohľad zhora na zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia, v kruhovom usporiadaní s pripojeniami výmenníkov tepla k rozvádzačom teplonosného média;

obr. 2 znázorňuje pohľad zhora na zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia v kruhovom usporiadaní s centrálnou nádržou so samostatným teplonosným/teploprenosným médiom;

obr. 3 a, b znázorňuje pohľad zhora na varianty usporiadania nádrží so samostatným teplonosným/teploprenosným médiom v zemnom akumulátore tepla podľa tohto technického riešenia;

obr. 4 schematicky znázorňuje bočný pohľad v reze na zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia, vytvorený ako samostatné zemné teleso;

obr. 5 schematicky znázorňuje bočný pohľad v reze na zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia, vytvorený v rámci základov nadzemnej stavby.

obr. 6 znázorňuje výmenník tepla pre zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia, vo forme zemnej ihly, v pohľade zboku v reze, s voľne prechádzajúcim kvapalným teplonosným médiom privedeným do komory rúrkového telesa;

obr. 7 znázorňuje výmenník tepla pre zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia, vo forme zemnej ihly, v pohľade zboku s prostriedkami na zväčšenia vonkajšej plochy rúrkového telesa;

obr. 8 znázorňuje výmenník tepla pre zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia, vo forme zemnej skrutky, v pohľade zboku v reze, s voľne prechádzajúcim kvapalným teplonosným médiom privedeným do komory rúrkového telesa;

obr. 9 znázorňuje výmenník tepla pre zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia, vo forme zemnej skrutky, v pohľade zboku v reze, s uzatvoreným rozvodom kvapalného teplonosného média v komore rúrkového telesa, pričom komora je vyplnená samostatným kvapalným teploprenosným médiom;

obr. 10 znázorňuje výmenník tepla pre zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia, vo forme zemnej skrutky, v pohľade zboku v reze, s uzatvoreným rozvodom kvapalného teplonosného média v komore rúrkového telesa, pričom komora je vyplnená pevnou teploprenosnou látkou;

obr. 11 znázorňuje prvky na zväčšenie celkovej vonkajšej aktívnej plochy telesa výmenníka vo forme plochých závitov, v pohľade zboku;

obr. 12 znázorňuje prvky na zväčšenie celkovej vonkajšej aktívnej plochy telesa výmenníka vo forme lamiel pozdĺžnych s osou rúrkového telesa, v pohľade zboku;

obr. 13 znázorňuje prvky na zlepšenie odovzdávania a rozvodu tepla v komore, v priečnom reze rúrkovým telesom.

Príklady uskutočnenia

Základné vyhotovenie zemného akumulátora tepla predstavuje pole výmenníkov 1 tepla ktoré sú inštalované, zatlčením, narazením alebo zavŕtaním do hutnej zeminy na vopred určenej a pripravenej ploche. Výmenníky i sú potom prepojené v rade za sebou v zmysle prietoku teplonosného média. Pole výmenníkov i tepla môže byť rôzneho tvaru. Tvar poľa výmenníkov 1 tepla zemného akumulátora tepla môže byť ovplyvnené napr. geologickými podmienkami, požiadavkami na inštaláciu, napr. pod stavbu, vedľa stavby a pod. Na základe uvedených podmienok a požiadaviek potom môže byť tiež závislé množstvo inštalovaných výmenníkov 1 a ich rozstupy v zemnom akumulátore.

Podrobná konštrukcia výmenníkov i je pre prehľadnosť opísaná samostatne s odvolaním sa na príslušné obrázky, po konkrétnych príkladných uskutočnenia zemného akumulátora tepla podľa tohto technického riešenia.

Na obr. 1 je znázornené jedno možné uskutočnenie zemného akumulátora tepla podľa tohto technického riešenia. V tomto príklade uskutočnenia je zemný akumulátor tepla tvorený v podstate kruhovým poľom výmenníkov 1 tepla. Výmenníky 1 sú v tomto príklade inštalované v radoch na sústredných kružniciach okolo geometrického stredu zemného akumulátora tepla. Výmenníky 1 sú inštalované, zatlčením, narazením alebo zavŕtaním do hutnej zeminy, bez nutnosti vykopania zemného telesa 21 akumulátora, a jeho opätovného nasypania po inštalovaní výmenníkov! tepla.

Výmenníky 1 tepla sú potom pripojené na prívod teplonosného média zo solárnej aplikácie cez príslušné rozvádzače 22, 23, 24, 25 a vedenia 26 teplonosného média. Výmenníky 1 sú v tomto príklade prepojené v radiálnych radách od stredu akumulátora. Ohriate teplonosné médium zo solárnej aplikácie v tomto príklade prichádza, cez rozvádzač 23 vedeniami 26 najskôr do výmenníkov 1 tepla najbližšie k stredu akumulátora, a potom pokračuje radiálnou radou výmenníkov 1 od stredu akumulátora k jeho okraju a do rozvádzača 22. Teplonosné médium odovzdá teplo cez výmenníky 1 do zeminy, t.j. do zemného telesa 21 akumulátora. Ochladené teplonosné médium je potom privádzané späť do solárnej aplikácie. Solárnou aplikáciou z ktorej je teplo uskladňované do akumulátora môžu byť v tomto príklade solárne termické kolektory, z ktorých sa do akumulátora takto odvádza prebytkové teplo.

V poslednom rade výmenníkov 1 v tomto zemnom akumulátore tepla sú výmenníky 1 zapojené v rade za sebou na obvode tohto akumulátora. Ohriate teplonosné médium zo solárnej aplikácie v tomto príklade prichádza, cez rozvádzač 24 vedeniami 26 do výmenníkov 1 tepla na obvode akumulátora, pokračuje radou výmenníkov 1 po obvode akumulátora, a do rozvádzača 25. Teplonosné médium odovzdá teplo cez tieto výmenníky 1 do zeminy na obvode akumulátora. Ochladené teplonosné médium je potom privádzané späť do solárnej aplikácie. Solárnou aplikáciou môžu byť v tomto prípade solárne fotovoltické panely, kde sa takýmto spôsobom zabezpečí chladenie panelov.

Pri uvedenom uskutočnení zemného akumulátora tepla sa vytvorí vonkajšia zóna, ktorá zohrievaním poskytuje chladenie solárnych fotovoltických panelov za súčasného vytvorenia izolácie medzi vnútornou časťou, akumulátora tvorenom výmenníkmi 1 tepla napájanými prebytkovým teplom zo solárnych termických kolektorov a vonkajšou zeminou okolo celého akumulátora. Tepelné straty vnútornej časti akumulátora voči okolitej zemine sa týmto znižujú. V tomto prípade vonkajší rad výmenníkov 1 prakticky vytvára tepelnú izoláciu vnútornej časti akumulátora.

Na obr. 2 a 3 je znázornené ďalšie možné uskutočnenie zemného akumulátora tepla podľa tohto technického riešenia. V tomto príklade má zemný akumulátor tiež kruhové usporiadanie. V podstate do geometrického stredu akumulátora je umiestnená nádrž 27 so samostatným teplonosným/teploprenosmým médiom, najvýhodnejšie vodou. Nádrž 27 sa do zemného telesa 21 akumulátora bežne umiestni do výkopu, alebo vývrtu, pričom nie je nijako ovplyvnená pôvodná hutnosť zemného telesa 21 akumulátora, do ktorého sa potom inštalujú výmenníky 1 tepla zatlčením, narazením alebo zavŕtaním. Nádrž 27 je výhodné vytvoriť z materiálu s dobrými teplovodivými vlastnosťami. Prípadnú medzeru medzi nádržou 27a výkopom pre nádrž je vhodné vyplniť vhodnou teplovodivou zálievkou. Do nádrže 27 sa umiestni výmenník 28 tepla, ktorý sa pripojí na výstup teplovodného média zo solárnej aplikácie. Takéto výmenníky tepla sú bežne známe, a používané. Typ, veľkosť, tvar, alebo množstvo výmenníkov tepla v nádrži 27 ako aj veľkosť nádrže 27. alebo aj počet nádrží 27, t.j. tepelná kapacita nádrže 27, sa v zásade určí na základe množstva prebytkového tepla, ktoré je potrebné odviesť a uskladniť. Nádrž 27 predstavuje výhodný dynamický akumulačný prvok, ktorý je schopný rýchlo akumulovať prebytky tepla. Toto je výhodné najmä v prípade potreby rýchleho odvedenia veľkého množstva prebytkového tepla, napríklad pri chladení solárnych fotovoltických panelov. Ako je znázornené na obr. 3, ako príklad, v zemnom akumulátore tepla môže byť umiestnených aj viacero nádrží 27, v rôznych geometrických usporiadaniach.

Okolo nádrže 27 sa potom do hutnej zeminy telesa 21 zemného akumulátora tepla inštalujú výmenníky 1 tepla zatlčením, narazením alebo zavŕtaním, obdobne ako v predchádzajúcom príklade, na sústredných kružniciach okolo geometrického stredu zemného akumulátora tepla. Výmenníky 1 tepla, sú v tomto príklade zapojené cez neznázornené rozvádzače v radách za sebou tak, že na prvej kružnici od nádrže 27 sú výmenníky 1 zapojené v radách po obvode kružnice, t.j. v radách okolo nádrže 27, a ďalšie výmenníky 1 sú potom zapojené v radách, v radiálnych smeroch od stredu akumulátora. Ako je viditeľné na obr. 2 rady výmenníkov 1 môžu byť zapojené aj kombinovane, t.j. časť výmenníkov 1 zapojenej rady je na radiále a časť na obvode na kružnici, v tomto príklade poslednej, od geometrického stredu zemného akumulátora tepla.

Zemný akumulátor tepla môže byť vytvorený ako samostatný objekt, obr. 4, ako aj súčasť iného objektu alebo konštrukcie, obr. 5.

Zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia podľa obr. 4, v usporiadaní s nádržou 27, je vytvorený na určenom mieste v zemine ako samostatný objekt. Po inštalovaní výmenníkov 1 tepla zatlčením, narazením alebo zavŕtaním do zemného telesa 21 je zemné teleso 21 na obvode opatrené zvislou tepelnou izoláciou 28 na minimalizovanie strát z akumulátora do okolitej zeminy. Izolácia 28 sa samozrejme inštaluje bez narušenia hutnej zeminy, zemného telesa 21. v ktorom sú inštalované výmenníky 1. Po úplnom zhotovení zemnej časti akumulátora tepla, t.j. po nainštalovaní vedení 26 a zapojení výmenníkov 1 je zemný akumulátor tepla zhora zakrytý nadzemnou izoláciou 29, tepelnou, prípadne v kombinácii s hydroizoláciou. Po zaizolovaní je zemný akumulátor tepla zasypaný vrstvou zeminy. Takéto zemné akumulátory tepla je možné vytvoriť kedykoľvek na vhodnom mieste už pri jestvujúcich stavbách alebo nadzemných konštrukciách. Zvislú zemnú izoláciu 28 je, ako je uvedené vyššie, možné nahradiť radou výmenníkov 1 zapojených v rade po obvode akumulátora, resp. zemného telesa 21.

Zemný akumulátor tepla podľa obr. 5, v usporiadaní s nádržou 27, je vytvorený v rámci základov stavby alebo nadzemnej konštrukcie. V tomto uskutočnení je zemné teleso 21 akumulátora ohraničené zvislými základovými pásmi 30 budúcej stavby, ktoré sú s výhodu z vnútornej strany opatrené zvislou tepelnou izoláciou 28. Základové pásy 30 sú budované tak, aby medzi nimi ostala neporušená hutná zemina, ktorá bude zemným telesom 21 akumulátora. Do hutnej zeminy ohraničenej základovými pásmi 30 sa inštaluje nádrž 27 a okolo nádrže 27 výmenníky 1 tepla zatlčením, narazením alebo zavŕtaním do hutnej zeminy zemného telesa 2T Po úplnom zhotovení zemnej časti akumulátora tepla, t.j. po nainštalovaní vedení 26 a zapojení výmenníkov 1 je zemný akumulátor tepla zhora zakrytý izoláciou 29, tepelnou, prípadne v kombinácii s hydroizoláciou. Po zaizolovaní je nad zemným akumulátorom na základových pásoch 30 vytvorená bežným spôsobom nosná doska stavby, s príslušnými prestupmi pre vedenia 26 do výmenníkov T Zemný akumulátor tepla je takto vytvorený v rámci stavby, kedy významne pozitívnym spôsobom ovplyvňuje energetickú bilanciu stavby.

V príklade uskutočnenia podľa obr. 5 je výhodné v rámci pokračujúcich stavebných prác na nadzemnej časti stavby, začať zemný akumulátor nabíjať, aby jeho kapacita mohla byť plne využívaná po dokončení a hneď po obývaní stavby. K tomuto je možné na stavenisko inštalovať napr. solárne fotovoltické panely, ktoré budú chladené cirkuláciou teplonosného média cez vytvorený zemný akumulátor, ktorý takto začne postupne akumulovať do zemného telesa 21 teplo. Elektrická energia z panelov môže byť využívaná pri stavebných prácach. Aby nebolo nutné vytvárať stacionárne dočasné solárne aplikácie, ktoré by museli byť po dokončení stavby spravidla odstránené, je možné vytvoriť mobilnú jednotku so solárnymi panelmi alebo kolektormi. Takúto mobilnú jednotku je možné vytvoriť na bežných automobilových prívesných vozíkoch, prívesoch, alebo návesoch. Na tieto sa umiestni konštrukcia nesúca solárne panely alebo kolektory a príslušné prípojky pre teplonosné médium, a v prípade solárnych fotovoltických panelov aj príslušné elektrické prípojky.

Po dopravení mobilnej jednotky na miesto, sa príslušné prípojky pripoja k zemnému akumulátoru a systém bude pracovať ako bolo opísané vyššie.

V prípade ak sa v zemnom akumulátore tepla použijú výmenníky 1 tepla pracujúce získavaní tepla z elektrického prúdu, je možné elektrickú energiu vyrábanú solárnymi fotovoltickými panelmi využiť aj na tepelné nabíjanie takéhoto zemného akumulátora tepla.

Privádzaním tepla do zemného telesa 21 akumulátora, môže dochádzať k nadmernému vysušovaniu zemného telesa 21 akumulátora, čím sa znižuje účinnosť prenosu tepla medzi výmenníkmi 1 tepla a zeminou zemného telesa 21. K zníženiu vyparovania vody zo zeminy môže prispieť vyššie uvedená hydroizolácia, napr. spolu s tepelnou izoláciou 29 nad zemným telesom 21 akumulátora. Výhodné je však ak je možné vlhkosť zeminy zemného telesa 21 riadiť. Toto je možné uskutočniť tak, že do zemného telesa 21 sú inštalované rúrky na privádzanie zvlhčovacej kvapaliny, najvýhodnejšie vody. Uvedené rúrky nie sú na obrázkoch znázorné. Vínom uskutočnení je toto možné realizovať rúrkou prívodu 15 zavlažovacej vody, t.j. systém zavlažovania zemného telesa 21 je poskytovaný priamo výmenníkmi 1 tepla v ktorých je rúrka zavlažovacieho systému priamo integrovaná. Uvedené je opísané nižšie pri konštrukčných vyhotoveniach výmenníkov 1 tepla, konkrétne pri vyhotovení, ktoré odkazuje na výmenník 1 tepla podľa obr. 10.

Zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia môže byť použitý ako na akumuláciu tepla tak aj na chladenie. Ak má zemné teleso 21 akumulátora nízku teplotu, môžu výmenníky 1 tepla zabezpečovať chladenie napr. miestností tak, že sa teplonosné médium, ochladené, z výmenníkov 1 tepla privádza do jestvujúcich vykurovacích rozvodov v miestnosti, ako sú napr. rozvody podlahového, prípadne stenového alebo stropného kúrenia. Teplonosné médium ochladené z výmenníkov 1 tepla potom odoberá teplo z miestností, čím sa zabezpečuje chladenie. Ak nie sú výmenníky 1 tepla pripojené na prívod zohriateho teplonosného média zo solárnych aplikácií, je akumulácia tepla v zemnom telese 21 akumulátora v takomto prípade veľmi pomalá, a teda chladenie môže byť uskutočňované dlhšiu dobu.

Vyššie uvedené príklady uskutočnenia zemného akumulátora tepla podľa tohto technického riešenia s odkazom na vyobrazenia akumulátora na priložených výkresoch sú len ilustratívne a nepokrývajú všetky možnosti vytvorenia zemného akumulátora tepla. Je zrejmé, že zemný akumulátor tepla môže mať rôzny tvar poľa výmenníkov 1 tepla, taktiež môže obsahovať rôzny počet výmenníkov i tepla, v rôznych rozstupoch, a tiež rôznych kombináciách pripojenia k solárnym a/alebo energetickým aplikáciám.

Ďalej nasleduje opis príkladných konštrukčných vyhotovení výmenníkov 1 použiteľných v zemnom akumulátore tepla podľa tohto technického riešenia, s odvolaním sa na obr. 6 až obr. 13.

Výmenník 1 tepla pre zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia, podľa obr. 6 je vo forme zemnej ihly. Výmenník 1 obsahuje rúrkové teleso 2 na jednom konci opatrené prerážacím hrotom 5. Na druhom konci je rúrkové teleso 2 opatrené prírubou 7 s prostriedkami na pripojenie prívodu 8 a odvodu 9 teplonosného média, pričom v tomto príklade táto príruba 7 zároveň slúži ako uzáver dutiny 6 rúrkového telesa 2. Táto príruba 7, resp. tento koniec rúrkového telesa 2 tiež obsahuje prostriedky na pripojenie zatláčanieho alebo narážacieho mechanizmu, pri zatláčaní alebo narážaní výmenníka 1 do zeme. V prípade ak výmenník 1 tiež slúži ako základ stavebnej konštrukcie, obsahuje uvedený koniec rúrkového telesa 2 prostriedky na pripojenie nadzemnej časti stavebnej konštrukcie. Uvedené prostriedky na pripojenie zatláčacieho alebo narážacieho mechanizmu ako aj prostriedky na pripojenie nadzemnej časti stavebnej konštrukcie sú známe a nie je ich potrebné ďalej opisovať. Pre zjednodušenie tiež nie sú takéto prostriedky znázornené na výkresoch.

V tomto príklade uskutočnenia je rúrkové teleso 2 oddelené od prerážacieho hrotu 5 priečkou ΐχ ktorá môže byť tvorená dnom rúrkového telesa 2. Takto sa v dutine 6 rúrkového telesa 2 vytvorí komora 13, v ktorej sú umiestnené prostriedky 10 na rozvod teplonosného média. Prostriedky 10 na rozvod teplonosného média sú v tomto príklade tvorené rúrkou voľne vyústenou do komory 13 pri dne rúrkového telesa 2, t.j pri priečke 11 medzi rúrkovým telesom 2 a prerážacím hrotom 5. Príruba 7 a priečka 11 v tomto príklade tesne uzatvára komoru 1_3, takže takýto výmenník i je vhodný na využitie kvapalného teplonosného média, ktoré voľne vypĺňa komoru 13. Veľkosť g

komory 13 v rúrkovom telese 2, ako aj veľkosť rúrkového telesa 2 je určená výpočtom odovzdávania alebo prijímania tepla, geologických pomerov, alebo statických požiadaviek v prípade ak výmenník X slúži tiež ako základ stavebnej konštrukcie.

V tomto príklade uskutočnenia výmenník 1 tepla pracuje nasledovným spôsobom:

Výmenník X sa pomocou zatláčacieho alebo narážacieho mechanizmu, buď ručného alebo strojového, zatlačí alebo narazí známym spôsobom do podkladu, bez akejkoľvek extrakcie zeminy vrtom alebo výkopom.

V prípade tvrdých zemín je možné pred zatlačením, alebo narazením výmenníka 1 do zeme uskutočniť predbežný alebo prieskumný vrt, ktorého priemer je menší ako priemer rúrkového telesa 2. Tento vrt sa vykoná príslušne upraveným zemným vrtákom, pričom pri takomto vrte nie je výhodne zemina z vrtu extrahovaná, ale sa prakticky len roztlačí na priemer tela použitého vrtáku. Do takto pripravenej diery sa potom zatlačí alebo narazí výmenník T

K prívodu 8 a odvodu 9 teplonosného média sa pripojí príslušný vstup a výstup z nadzemnej aplikácie. Nadzemná aplikácia môžu byť napríklad solárne panely na ohrev vody, pričom výmenník tepla podľa tohto technického riešenia môže v tomto prípade slúžiť na odvod a uskladnenie prebytočného tepla z ohriatej vody do zemného zásobníka. Ohriata voda je privedená prívodom 8 do prostriedkov 10 na rozvod teplonosného média. Privedená voda v tomto prípade prechádza prostriedkami 10 na rozvod teplonosného média k odvodu 9 pričom odovzdáva teplo kvapaline v komore 13, ktorá následne odovzdá teplo cez najmä rúrkové teleso 2 do zeminy zemného zásobníka.

Výmenník X tepla pre zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia, podľa obr. 7 je vo forme zemnej ihly. Výmenník i obsahuje rúrkové teleso 2 na jednom konci opatrené prerážacím hrotom 5. Na druhom konci je rúrkové teleso 2 opatrené prírubou 7 s prostriedkami na pripojenie prívodu 8 a odvodu 9 teplonosného média, pričom v tomto príklade táto príruba 7 zároveň slúži ako uzáver dutiny 6 rúrkového telesa 2. Táto príruba 7, resp. tento koniec rúrkového telesa 2 tiež obsahuje prostriedky na pripojenie zatláčacieho alebo narážacieho mechanizmu, pri zatláčaní alebo narážaní výmenníka 1 do zeme. V prípade ak výmenník X tiež slúži ako základ stavebnej konštrukcie, obsahuje uvedený koniec rúrkového telesa 2 prostriedky na pripojenie nadzemnej časti stavebnej konštrukcie. Uvedené prostriedky na pripojenie zatláčacieho alebo narážacieho mechanizmu ako aj prostriedky na pripojenie nadzemnej časti stavebnej konštrukcie sú známe a nie je ich potrebné ďalej opisovať. Pre zjednodušenie tiež nie sú takéto prostriedky znázornené na výkresoch.

Z hľadiska zvýšenia účinnosti odovzdania tepla výmenníkom i z alebo do zeminy je výmenník i opatrený prvkami na zväčšenie celkovej vonkajšej aktívnej plochy výmenníka L Takéto prvky sú v tomto príklade vytvorené vo forme lamiel 16 usporiadaných v smere osi rúrkového telesa 2. Ide v podstate o prvky tvaru „plutvy“, ktoré sú umiestnené na rúrkovom telese 2. Pri zatláčaní alebo narážaní výmenníka 1 do zeminy sú tieto lamely 16 unášané s rúrkovým telesom 2 do zeminy, do ktorej sa v podstate vrezávajú. Nakoľko uvedené prvky na zväčšenie vonkajšej plochy výmenníka 1 vytvárajú ďalší odpor pri jeho zatláčaní alebo narážaní do zeminy, je výhodné uskutočniť predbežný, alebo prieskumný vrt ako bolo opísané v predchádzajúcom príklade.

Vnútorné usporiadanie výmenníka 1 ako aj spôsob práce je analogické ako je opísané v predchádzajúcom a tiež ďalších príkladoch uskutočnenia.

Výmenník i tepla pre zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia, podľa obr. 8 je vo forme zemnej skrutky. Výmenník 1. obsahuje rúrkové teleso 2 na jednom konci opatrené zavŕtavacím hrotom 3. Zavŕtavací hrot 3 môže byť opatrený prerážacím hrotom 5. Takýmto hrotom 5 je zavŕtavací hrot 3 výhodne opatrený pre aplikácie výmenníka i do kamenistých zemín. Na druhom konci je rúrkové teleso 2 opatrené prírubou 7 s prostriedkami na pripojenie prívodu 8 a odvodu 9 teplonosného média, pričom v tomto príklade táto príruba 7 zároveň slúži ako uzáver dutiny 6 rúrkového telesa 2. Táto príruba 7, resp. tento koniec rúrkového telesa 2 tiež obsahuje prostriedky na pripojenie zavŕtavacieho mechanizmu, pri zavŕtavaní výmenníka 1 do zeme. V prípade ak výmenník 1_ tiež slúži ako základ stavebnej konštrukcie, obsahuje uvedený koniec rúrkového telesa 2 prostriedky na pripojenie nadzemnej časti stavebnej konštrukcie. Uvedené prostriedky na pripojenie zavŕtavacieho mechanizmu ako aj prostriedky na pripojenie nadzemnej časti stavebnej konštrukcie sú známe a nie je ich potrebné ďalej opisovať. Pre zjednodušenie tiež nie sú takéto prostriedky znázornené na výkresoch.

Výmenník 1 je na zavŕtavacom hrote 3 opatrený zavŕtavacím závitom 4, pričom v tomto príklade zavŕtavací závit 4 prechádza na rúrkové teleso 2 výmenníka 1.. Závit 4 na rúrkovom telese 2 zároveň zväčšuje plochu na prenos tepla do zeme. Sú však tiež možné uskutočnenia, kde závit 4 je len na zavŕtavacom hrote 3 alebo prechádza len na malú časť rúrkového telesa 2. Toto je možné pri ľahko priestupných zeminách, pričom je možné ušetriť istú časť nákladov na výrobu výmenníka tepla podľa tohto technického riešenia, avšak na úkor zníženia plochy na prenos tepla.

V tomto príklade uskutočnenia je rúrkové teleso 2 oddelené od zavŕtavacieho hrotu 3 priečkou 11., ktorá môže byť tvorená dnom rúrkového telesa 2. Takto sa v dutine 6 rúrkového telesa 2 vytvorí komora 13, v ktorej sú umiestnené prostriedky 10 na rozvod teplonosného média. Prostriedky 10 na rozvod teplonosného média sú v tomto príklade tvorené rúrkou voľne vyústenou do komory 13 pri dne rúrkového telesa 2, t.j pri priečke 11_ medzi rúrkovým telesom 2 a zavŕtavacím hrotom 3. Príruba 7 a priečka 11. v tomto príklade tesne uzatvára komoru 13, takže takýto výmenník I je vhodný na využitie kvapalného teplonosného média, ktoré voľne vypĺňa komoru 13. Veľkosť komory 13 v rúrkovom telese 2, ako aj veľkosť rúrkového telesa 2 je určená výpočtom odovzdávania alebo prijímania tepla, geologických pomerov, alebo statických požiadaviek v prípade ak výmenník 1 slúži tiež ako základ stavebnej konštrukcie.

V tomto príklade uskutočnenia výmenník tepla pracuje nasledovným spôsobom:

Výmenník 1 sa pomocou zavŕtavacieho mechanizmu, buď ručného alebo strojového, zavŕta známym spôsobom do podkladu, bez akejkoľvek extrakcie zeminy vrtom alebo výkopom. K prívodu 8 a odvodu 9 teplonosného média sa pripojí príslušný vstup a výstup z nadzemnej aplikácie. Nadzemná aplikácia môže byť napríklad chladič fotovoltických panelov, ktoré sú uložené na nosnej konštrukcii pripevnenej na výmenník tepla. Ohriata voda z chladiča je privedená prívodom 8 do prostriedkov 10 na rozvod teplonosného média. Privedená voda v tomto prípade zaplní komoru 13 v rúrkovom telese 2 a ako teplonosné médium odovzdá teplo cez najmä rúrkové teleso 2 do okolitej horniny. Odvodom 9 sa potom ochladená voda vracia do chladiča fotovoltických panelov.

Výmenník i tepla pre zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia, podľa obr. 9 je tiež vo forme zemnej skrutky obdobnej ako na obr. 1. Výmenník i obsahuje rúrkové teleso 2 na jednom konci opatrené zavŕtavacím hrotom 3. Na druhom konci je rúrkové teleso 2 opatrené prírubou 7 s prostriedkami na pripojenie prívodu 8 a odvodu 9 teplonosného média, pričom v tomto príklade táto príruba 7 zároveň slúži ako uzáver dutiny 6 rúrkového telesa 2. Táto príruba 7, resp. tento koniec rúrkového telesa tiež môže obsahovať prostriedky na pripojenie zavŕtavacieho mechanizmu, pri zavŕtavaní výmenníka 1 do zeme. V prípade ak výmenník 1. tiež slúži ako základ stavebnej konštrukcie, môže obsahovať uvedený koniec rúrkového telesa 2 prostriedky na pripojenie nadzemnej časti stavebnej konštrukcie. Výmenník 1 je na zavŕtavacom hrote 3 opatrený zavŕtavacím závitom 4, pričom v tomto príklade zavŕtavací závit 4 prechádza na rúrkové teleso 2 výmenníka χ.

V tomto príklade uskutočnenia je rúrkové teleso 2 oddelené od zavŕtavacieho hrotu 3 priečkou XX tvorenou dnom rúrkového telesa 2, čím sa v rúrkovom telese 2 vytvorí komora 13. v ktorej sú umiestnené prostriedky 10 na rozvod teplonosného média. Prostriedky 10 na rozvod teplonosného média sú v tomto príklade tvorené spojitou rúrkou tvaru „U“. Za účelom zvýšenia odovzdávania tepla z privádzaného teplonosného média môžu byť prostriedky 10 na rozvod teplonosného média príslušne vyhotovené, usporiadané alebo upravené na zvýšenie účinnosti prenosu tepla. Uvedené zahŕňa napríklad stočenie rozvodnej rúrky do závitov, použite vrapovej hadice na vytvorenie turbulentného prúdenia, a pod.

Príruba 7 a priečka XX v tomto príklade tesne uzatvára komoru 13. Do komory 13 je rúrkou 12 privedená teplovodivá kvapalina, napr. voda, ktorá komoru 13 vyplní. Okrem vody môžu byť tiež použité aj iné kvapaliny alebo zmesi s požadovanou tepelnou vodivosťou.

Výmenník 1 sa pomocou zavŕtavacieho mechanizmu, buď ručného alebo strojového, zavŕta známym spôsobom do podkladu, bez akejkoľvek extrakcie zeminy vrtom alebo výkopom. K prívodu 8 a odvodu 9 teplonosného média sa pripojí príslušný vstup a výstup z nadzemnej aplikácie. Nadzemná aplikácia môžu byť napríklad solárne panely na ohrev vody, pričom výmenník tepla podľa tohto technického riešenia je v tomto prípade určený na odvod a uskladnenie prebytočného tepla z ohriatej vody v zemnom zásobníku. Ohriata voda je privedená prívodom 8 do prostriedkov 10 na rozvod teplonosného média. Privedená voda v tomto prípade prechádza prostriedkami 10 na rozvod teplonosného média k odvodu 9 pričom odovzdáva teplo kvapaline v komore 13, ktorá následne odovzdá teplo cez najmä rúrkové teleso 2 do zeminy zemného zásobníka.

Výmenník X tepla pre zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia, podľa obr. 10 je vo forme zemnej skrutky. Výmenník X obsahuje rúrkové teleso 2 na jednom konci opatrené zavŕtavacím hrotom 3. Na druhom konci je rúrkové teleso 2 opatrené prírubou 7 s prostriedkami na pripojenie prívodu 8 a odvodu 9 teplonosného média, pričom v tomto príklade táto príruba 7 zároveň slúži ako uzáver dutiny 6 rúrkového telesa 2. Vzhľadom na to, že dutina 6 obsahuje pevnú látku, nemusí byť spojenie príruby 7 a rúrkového telesa 2 tesné. Táto príruba 7, resp. tento koniec rúrkového telesa 2 tiež môže obsahovať prostriedky na pripojenie zavŕtavacieho mechanizmu, pri zavŕtavaní výmenníka 1 do zeme. V prípade ak výmenník 1 tiež slúži ako základ stavebnej konštrukcie, môže obsahovať uvedený koniec rúrkového telesa 2 prostriedky na pripojenie nadzemnej časti stavebnej konštrukcie. Výmenník 1 je na zavŕtavacom hrote 3 a časti rúrkového telesa 2 opatrený zavŕtavacím závitom 4.

V dutine 6 rúrkového telesa 2 je komora 13 vyplnená pevnou teplovodivou látkou, napríklad betónom. Prostriedky 10 na rozvod teplonosného média sú v komore 13, v tomto prípade teda zaliate betónom. Prostriedky W na rozvod teplonosného média sú v tomto príklade tvorené spojitou rúrkou tvaru „U“ na ktorej sú pre lepšiu účinnosť odvodu tepla vytvorené zatočenia.

Výmenník 1 tepla podľa tohto príkladu tiež obsahuje prívod 15 zavlažovacej vody, ktorý je realizovaný rúrkou prechádzajúcou z hornej časti výmenníka i, cez rúrkové teleso 2, do dolnej časti výmenníka 1, v tomto prípade do hrotu 3. Rúrka prívodu 15 zavlažovacej vody je vyústená do hrotu 3, resp. do dutiny hrotu 3 kde zavlažovacia voda vyteká otvormi 19 do okolitej zeminy. Toto riešenie je výhodné v prípade suchej zeminy, kedy sa takýmto zvlhčovaním zlepší tepelná vodivosť zeminy.

Prívod 15 zavlažovacej vody môže byť tiež analogicky vytvorený na výmenníku 1 vytvorenom vo forme zemnej ihly. V takomto prípade je prívod 15 realizovaný rúrkou prechádzajúcou z hornej časti výmenníka 1, cez rúrkové teleso 2, do dolnej časti výmenníka 1, v tomto prípade do prerážacieho hrotu 5.

Výmenník 1 tiež môže byť opatrený snímačom 20 teploty.

Z hľadiska zvýšenia účinnosti odovzdania tepla výmenníkom 1 z alebo do zeminy je výmenník 1 opatrení prvkami na zväčšenie celkovej vonkajšej aktívnej plochy výmenníka T Tieto prvky môžu byť vytvorené vo forme plochého závitu 14. alebo lamiel 16 usporiadaných v smere osi rúrkového telesa 2.

Príklad usporiadania plochého závitu alebo závitov 14 na výmenníku 1 je znázornený na obr. 11. Plochý závit alebo závity 14 môžu byť súčasťou závitu 4 výmenníka 1, a/alebo môžu byť vytvorené nezávisle od závitu 4 výmenníka 1. Závit 4 výmenníka 1 taktiež môže byť celý vytvorený ako plochý závit 14. Plochý závit alebo závity 14 pritom môžu byť vytvorené ako na rúrkovom telese 2 tak aj na zavŕtavacom hrote 3. Príklad lamiel T6 usporiadaných v smere osi rúrkového telesa 2 je znázornený na obr. 7. Ide v podstate o prvky tvaru „plutvy“, ktoré sú umiestnené rúrkovom telese 2, tak aby sa pri otáčaní výmenníka 1 pri jeho zavŕtavaní do zeminy neotáčali. Pri zavŕtavaní výmenníka 1 sú tieto lamely 16 vťahované s rúrkovým telesom 2 do zeminy, do ktorej sa v podstate vrezávajú. Ako je zrejmé z obr. 13 tieto prvky na zväčšenie celkovej vonkajšej aktívnej plochy výmenníka 1 je možné kombinovať.

Vyššie opísané prvky 14. 16 sú určené na zväčšenie celkovej vonkajšej aktívnej plochy výmenníka 1. Výmenník 1 môže ďalej obsahovať aj prvky 17. 18 na zlepšenie odovzdávania a rozvodu tepla vo vnútri výmenníka 1, t.j. v dutine 6 alebo komore 13. Príklady uvedené prvky 17, 18 na zlepšenie odovzdávania a rozvodu tepla sú znázornené na obr. 11, vo variantoch a, b, c, d, e, f.

Dutina 6, resp. komora 13 výmenníka 1 je vyplnená pevnou látkou, napr. betónom. V tejto pevnej látke sú zaliate prostriedky 10 na rozvod teplonosného média a prvky 17,18 na zlepšenie odovzdávania a rozvodu tepla.

V príklade podľa obr. 13a sú prvky 17 tvorené oceľovou tyčou umiestnenou v podstate v osi komory 13.

V príklade podľa obr. 13b sú prvky 17 tvorené sústavou tvarových plechov, ktoré sa vzájomne dotýkajú, pričom sa dotýkajú prostriedkov 10 na rozvod teplonosného média a tiež rúrkového telesa 2.

V príklade podľa obr. 13c sú spolu s prostriedkami 10 na rozvod teplonosného média zaliate prvky 18 na zlepšenie, v tomto prípade, odovzdávania tepla vo forme elektrických odporových káblov, ktoré sú pripojiteľné k zdroju elektrického prúdu. Takéto vyhotovenie výmenníka 1 tepla slúži najmä na zvýšenie tepelného výkonu pomocou elektrického prúdu v prípade potreby zvýšenia tepla v zemnom zásobníku tepla.

V príkladoch podľa obr. 13 d, e, f sú prvky 17 tvorené stočeným plechom, ktorý sa nemusí dotýkať prostriedkov 10 na rozvod teplonosného média alebo rúrkového telesa 2, obr. 13d, alebo sa tento stočený plech dotýka len prostriedkov 10 na rozvod teplonosného média, obr. 13 e, f.

V prípade potreby, napríklad pre dosiahnutie väčších hĺbok, môže byť rúrkové teleso 2 vytvorené z viacerých častí. V takomto prípade sa k časti rúrkového telesa už aplikovaného do zeminy pripojí ďalšia časť rúrkového telesa 2 a pokračuje sa v zatláčaní, narážaní, alebo zavŕtavaní. Spojenie častí rúrkového telesa 2 je možné uskutočniť známymi spôsobmi spájania rúrok, či už tesného alebo netesného. Takéto jednotlivé časti rúrkového telesa 2 potom môžu tiež jednotlivo, alebo v kombinácii obsahovať všetky možné vyššie popísané prvky na zväčšenie celkovej vonkajšej aktívnej plochy výmenníka T

Priemyselná využiteľnosť

Zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia je možné využiť všade tam, kde je potrebné akumulovať prebytky tepla vznikajúce pri prevádzke solárnych aplikácií ako sú najmä solárne termické kolektory, solárne fotovoltické panely a pod. na neskoršie využitie v chladných obdobiach, a obdobiach nedostatočnej výroby tepla solárnymi termickými panelmi, najmä v zimnom ročnom období. Zemný akumulátor tepla podľa tohto technického riešenia je možné využiť aj na chladenie, t.j. odoberanie tepla z priestorov, najmä z priestorov s už inštalovanými vykurovacími rozvodmi.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Zemný akumulátor tepla tvorený poľom výmenníkov tepla pripojených k prívodu teplonosného média zo solárnych aplikácií a k odvodu teplonosného média do energetických aplikácií a/alebo solárnych aplikácií, pričom výmenníky tepla sú prepojené v rade za sebou, vyznačujúci sa tým, že výmenníky (1) tepla sú tvorené rúrkovým telesom (2), ktoré je opatrené prostriedkami na zatlačenie, narazenie alebo zavŕtanie do zeminy, kde v dutine (6) rúrkového telesa (2) je komora (13) obsahujúca prostriedky (10) na rozvod teplonosného média a/alebo teplonosné médium na prenos tepla do rúrkového telesa (2), pripojené na prívod (8) a/alebo odvod (9) teplonosného média.
2. Zemný akumulátor tepla podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že výmenníky tepla (1) sú usporiadané okolo aspoň jednej nádrže (27) so samostatným teplonosným/teploprenosným médiom, v ktorej je umiestnený výmenník tepla (28) pripojený k výstupu teplonosného média zo solárnych aplikácií a vstupu teplonosného média do solárnych a/alebo energetických aplikácií.
3. Zemný akumulátor tepla podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že výmenníky (1) tepla pripojené na výstup teplonosného média zo solárnych termických kolektorov sú obklopené výmenníkmi (1) tepla pripojenými na výstup teplonosného média z chladenia solárnych fotovoltických panelov.