PL B1. POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA, Kielce, PL BUP 15/16. STANISŁAW SZEWCZYK, Michałów, PL ZBIGNIEW PIOTROWSKI, Kielce, PL

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. F24J 3/08 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Gruntowy wymiennik ciepła (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 15/16 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 04/17 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA, Kielce, PL (72) Twórca(y) wynalazku: STANISŁAW SZEWCZYK, Michałów, PL ZBIGNIEW PIOTROWSKI, Kielce, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Antoni Garstka

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest gruntowy wymiennik ciepła. Gruntowe wymienniki ciepła są urządzeniami powszechnie znanymi i stosowanymi. W literaturze popularnej gruntowy wymiennik ciepła określany jest jako urządzenie wspomagające komfort cieplny. Grunt jest naturalnym magazynem ciepła o stosunkowo małej zmienności temperatury. Ciepło zgromadzone w gruncie może być wykorzystane między innymi do wentylacji, klimatyzacji i celów grzewczych. Do pobierania ciepła z gruntu służą różnego rodzaju instalacje. Najbardziej popularne rozwiązania polegają na zastosowaniu poziomo ułożonych kolektorów gruntowych w postaci wężownic lub pionowych sond gruntowych. Ilość ciepła możliwa do pobrania z gruntu w przypadku kolektorów poziomych waha się w granicach od 10 do 35 W/m 2. Natomiast ilość ciepła pozyskana przez sądy umieszczone w pionowych odwiertach wynosi średnio 50 W/m. Istnieje duża ilość publikacji opisujących zasadę działania, projektowanie, opłacalność stosowania oraz metody obliczania tego typu urządzeń. Przykładem jest publikacja Narodowej Agencji Poszanowania Energii SA, której autorami są Szymon Firląg oraz Maciej Mijakowski pt Projektowanie gruntowego wymiennika ciepła czy też publikacja Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie pt. Koncepcja i budowa gruntowego wymiennika ciepła, jako elementu systemu wentylacyjnego budynku mieszkalnego. W przypadku wykorzystania gruntowego wymiennika ciepła do celów grzewczych wskazane jest minimalizowanie różnicy temperatur pomiędzy dolnym źródłem ciepła a górnym źródłem. Z opisu patentowego PL B1 znane jest urządzenie i sposób do zwiększania wydajności dolnego źródła pompy ciepła. Urządzenie to zbudowane jest z jednowężownicowego wymiennika ciepła, do którego podłączona jest instalacja doprowadzająca i odprowadzająca wodę wodociągową (ujęcia głębinowe). Do wężownicy wymiennika ciepła podłączona jest instalacja zasilająca i powrotna prowadząca glikol. Pomiędzy zasilaniem i powrotem glikolu umieszczono obejście wymiennika. Na zasilaniu glikolem znajduje się elektrozawór 3-drogowy, którym steruje regulator na podstawie zmierzonych temperatur przez czujnik glikolu i czujnik temperatury wody w wymienniku, który jest zainstalowany w tulei zanurzeniowej. Przewód sygnałowy przesyła dane temperaturowe do regulatora, który steruje pracą elektrozaworu poprzez przewód sygnałowy. Wszystkie elementy urządzenia są umieszczone w jednej obudowie izolowanej cieplnie. Rozwiązanie to może znaleźć zastosowanie w technice cieplnej związanej z ogrzewaniem budynków mieszkalnych wyposażonych w pompę ciepłą typu glikol woda z kolektorem poziomym. W rozwiązaniu tym nośnikiem ciepła jest glikol, który przepływając przez dolne źródło ciepła w postaci kolektora poziomego ogrzewa się do określonej temperatury. Jeżeli temperatura ogrzanego glikolu jest niższa niż temperatura wody doprowadzonej do budynku z sieci wodociągowej następuje skierowanie glikolu do wężownicy wymiennika ciepła. Wężownica, przez którą przepływa glikol zanurzona jest w wodzie doprowadzonej z sieci wodociągowej. W wymienniku ciepła następuje podwyższenie temperatury ciepła glikolu, który kierowany jest do parownika pompy ciepła. Podobne rozwiązanie znane jest ze zgłoszenia patentowego P W tym przypadku kolektor, w który wyposażone jest urządzenie może służyć do przejęcia ciepła ze ścieków, wody studziennej oraz powietrza. Problemem pozostaje opłacalność ekonomiczna stosowanych rozwiązań w przedziale czasowym. Poziomo ułożona wężownica wymaga stosunkowo dużej powierzchni. Obniżenie temperatury gruntu w bezpośrednim sąsiedztwie wężownicy wprawdzie nie ma ujemnych skutków dla roślinności ale nie zaleca się sadzenia roślin o głębokich korzeniach. Nie zaleca się również zabudowywania czy też szczelnego przykrywania powierzchni usytuowanej nad wężownicą. Dodatkowym utrudnieniem jest konieczność przemieszczenia potężnych mas ziemnych co w przypadku istniejącej infrastruktury budowlanej często staje się niemożliwe. Wychłodzony grunt regeneruje się w sposób naturalny poprzez nasłonecznienia i opady. Ten sposób regeneracji nie zapewnia uzyskania pierwotnych właściwości cieplnych wymiennika gruntowego co powoduje systematyczne obniżenie wydajności cieplnej. Natomiast wymienniki cieplne o pionowych kolektorach wymagają głębokich odwiertów. Naturalna regeneracja cieplna pionowych wymienników jest zdecydowanie trudniejsza. Wydajność tego typu urządzeń w przestrzeni czasowej jest niekorzystna w stosunku do kolektorów poziomych. Gruntowy wymiennik ciepła zawierający kolektor usytuowany w gruncie poniżej strefy przemarzania, według wynalazku charakteryzuje się tym, że pod poziomo usytuowanym kolektorem górnym, zainstalowany jest drugi, poziomo usytuowany kolektor dolny, a obok kolektorów poziomych zainsta-

3 PL B1 3 lowany jest kolektor pionowy, korzystnie w postaci studni, który połączony jest instalacją hydrauliczną z wymiennikiem ciepła. Kolektor dolny wyposażony jest w zawór spustowy usytuowany w górnej warstwie cieczy wypełniającej kolektor pionowy. Kolektor górny wyposażony jest w zawór zwrotny poboru cieczy usytuowany w górnej warstwie cieczy wypełniającej pionowy kolektor. Zaworem zwrotnym pobierana jest ciecz z kolektora pionowego do poziomego kolektora górnego. Instalacja odprowadzająca ciecz z wymiennika ciepła wyposażona jest w zawór trójdrogowy łączący wymiennik z kolektorem dolnym i kolektorem pionowym. Wymiennik ciepła wyposażony jest w zawór spustowy cieczy i zawór zwrotny poboru cieczy, które usytuowane są w dolnej warstwie cieczy wypełniającej pionowy kolektor. Zadaniem zaworu trójdrogowego jest sterowanie przepływem cieczy z wymiennika ciepła do poziomego kolektora dolnego lub do kolektora pionowego. Czynnikiem decydującym o kierunku przepływu jest temperatura cieczy wypływającej z wymiennika ciepła. Ciecz wypływająca z wymiennika o temperaturze wyższej niż temperatura panująca w kolektorze dolnym kierowana jest do kolektora dolnego. W pozostałych przypadkach ciecz wpływa do dolnej warstwy cieczy wypełniającej kolektor pionowy poprzez zawór spustowy. Zaworem zwrotnym usytuowanym w dolnej warstwie cieczy wypełniającej kolektor pionowy płynie ciecz do wymiennika ciepła w przypadku wykorzystywania gruntowego wymiennika ciepła jako instalacji chłodzącej. Korzystnie, wymiennik poniżej kolektora dolnego ma kształtowniki o dużej przewodności cieplnej osadzone w gruncie. Wskazane jest aby kształtowniki te jednym końcem stykały się z kolektorem. Zadaniem kształtowników jest powiększenie przestrzeni magazynowej ciepła Korzystnie, kolektor górny oddzielony jest od kolektora dolnego warstwą gruntu. Takie rozwiązanie zapewnia stabilną dostawę ciepła do kolektora górnego oraz minimalizuje straty ciepła. Wymiennik ciepła według wynalazku łączy możliwości pozyskania ciepła z gruntu przez k o- lektory poziome oraz kolektory pionowe. Intensywna regeneracja a nawet nagrzewanie podłoża pozwala na budowę gruntowego wymiennika ciepła na stosunkowo niewielkiej przestrzeni. Gru n- towy wymiennik ciepła może pracować praktycznie nieprzerwanie przez cały rok. Cieczą roboczą przenoszącą ciepło z kolektorów do wymiennika ciepła może być woda co czyni instalację be z- pieczną dla środowiska. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat instalacji gruntowego wymiennika ciepła, a Fig. 2 uproszczony wymiennik ciepła w przekroju pionowym. W pionowym kolektorze 5 umieszczone są cztery odizolowane od siebie rury. W przypadku gdy gruntowy wymiennik ciepła pracuje jako klimatyzator, pompa 9 pompuje ciecz do wymiennika ciepła 10 przez zawór zwrotny 1 umieszczony w dolnej warstwie cieczy wypełniającej pionowy kolektor 5. Po przepłynięciu cieczy przez wymiennik ciepła 10 ciecz kierowana jest do czujnika temperatury 7. Jeżeli temperatura cieczy przepływającej przez czujnik temperatury 7 jest niższa niż temperatura wskazana przez czujnik temperatury 18 zamontowany na kolektorze dolnym 19 następuje skierowanie cieczy przez zawór trójdrogowy 6 do zaworu spustowego 2 zamontowanego w dolnej warstwie cieczy w kolektorze pionowym 5. Jeżeli natomiast temperatura cieczy mierzona przez czujnik temperatury 7 jest wyższa niż temperatura panująca w kolektorze dolnym 19 wówczas zawór trójdrogowy 6 kieruje ciecz do poziomego kolektora dolnego 19. Spust cieczy z kolektora dolnego 19 odbywa się przez zawór spustowy 4 usytuowany w górnej warstwie cieczy kolektora pionowego 5. Ciecz o niskiej temperaturze z wymiennika ciepła 10 pobierana przez pompę 11 przepływa przez otwarte zawory odcinające 12 do odbiornika 13. W tym czasie zawory odcinające 15 i 16 są zamknięte. W przypadku gdy gruntowy wymiennik ciepła wykorzystany jest do ogrzewania, wówczas pobór cieczy odbywa się przez zawór zwrotny 3 umieszczony w górnej warstwie cieczy kolektora pionowego 5. Zawór odcinający 8 zostaje zamknięty, natomiast zawór odcinający 16 jest otwarty. Układ zaworów odcinających 8 i 16 powoduje, że pompa podaje ciecz do wymiennika ciepła 10 przez kolektor górny 17. Ciepło z wymiennika ciepła 10 podawane jest do pompy cieplnej 14. Ciecz, która jest nośnikiem ciepła pompowana jest przez pompę 11 przy zamkniętych zaworach odcinających 12 i otwartych zaworach odcinających 15. Aparatura kontrolno-pomiarowa wraz z oprzyrządowaniem umieszczona jest w skrzynce rozdzielczej 21. Z kolektorem dolnym 19 stykają się jednym końcem kształtowniki 20, które tworzą dodatkowy magazyn ciepła. Wysoka przewodność cieplna kształtowników pozwala na transport ciepła w obu kierunkach to znaczy z góry do dołu i z dołu do góry.

4 4 PL B1 Gruntowy wymiennik ciepła według wynalazku może być stosowany do ogrzewania i klimatyzacji pomieszczeń mieszkalnych, magazynowych, produkcyjnych, hodowlanych itp. Proponowane rozwiązanie można zastosować jako regulator temperatury wody w zbiornikach hodowlanych. W zależności od budowy geologicznej gruntu oraz areału powierzchni działki, gruntowy wymiennik ciepła może obsługiwać domy jedno i wielorodzinne. Zastrzeżenia patentowe 1. Gruntowy wymiennik ciepła zawierający kolektor usytuowany w gruncie poniżej strefy przemarzania, znamienny tym, że pod poziomo usytuowanym kolektorem górnym (17), zainstalowany jest drugi, poziomo usytuowany kolektor dolny (19), a obok kolektorów poziomych zainstalowany jest kolektor pionowy (5), korzystnie w postaci studni, który połączony jest instalacją hydrauliczną z wymiennikiem ciepła (10). 2. Gruntowy wymiennik, według zastrz. 1, znamienny tym, że kolektor dolny (19) wyposażony jest w zawór spustowy (4) usytuowany w górnej warstwie cieczy wypełniającej kolektor pionowy (5). 3. Gruntowy wymiennik, według zastrz. 1, znamienny tym, że kolektor górny (17) wyposażony jest w zawór zwrotny (3) poboru cieczy usytuowany w górnej warstwie cieczy wypełniającej pionowy kolektor (5). 4. Gruntowy wymiennik, według zastrz. 1, znamienny tym, że instalacja odprowadzająca ciecz z wymiennika ciepła (10) wyposażona jest w zawór trójdrogowy (6) łączący wymiennik (10) z kolektorem dolnym (19) i kolektorem pionowym (5). 5. Gruntowy wymiennik, według zastrz. 1, znamienny tym, że wymiennik ciepła (10) wyposażony jest w zawór spustowy (2) cieczy i zawór zwrotny (1) poboru cieczy, które usytuowane są w dolnej warstwie cieczy wypełniającej pionowy kolektor (5). 6. Gruntowy wymiennik, według zastrz. 1, znamienny tym, że poniżej kolektora dolnego (19) ma kształtowniki (20) o dużej przewodności cieplnej osadzone w gruncie, które korzystnie jednym końcem stykają się z kolektorem (19). 7. Gruntowy wymiennik, według zastrz. 1, znamienny tym, że kolektor górny (17) oddzielony jest od kolektora dolnego (19) warstwą gruntu.

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)