PL B1. Sposób wykorzystania w sieci grzewczej ciepła odpadowego z pomieszczeń lub urządzeń, zwłaszcza serwerowni

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. F24D 3/18 ( ) F24D 12/02 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób wykorzystania w sieci grzewczej ciepła odpadowego z pomieszczeń lub urządzeń, zwłaszcza serwerowni (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 13/14 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 06/16 (72) Twórca(y) wynalazku: CEZARY ORŁOWSKI, Gdańsk, PL ANDRZEJ SKRZYPEK, Gdynia, PL MAREK MATULEWICZ, Otomin, PL MAREK OŻAROWSKI, Pruszcz Gdański, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Małgorzata Kluczyk

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób wykorzystania w sieci grzewczej ciepła odpadowego z pomieszczeń lub urządzeń, zwłaszcza serwerowni do ogrzewania pomieszczeń biurowych, pomieszczeń użyteczności publicznej, czy obiektów sportowych, takich jak baseny lub sale sportowe. Znane są systemy klimatyzacji, które utrzymują zadaną temperaturę w obiektach, w których urządzenia bądź infrastruktura są wrażliwe na przegrzanie. Są to systemy grawitacyjne lub z obiegiem wymuszonym. Ciepło odprowadzane z tych pomieszczeń lub urządzeń jest odprowadzane do otoczenia. Względy ochrony środowiska powodują, że podejmowane są próby wykorzystywania energii cieplnej zgromadzonej w czynniku chłodzącym na wyjściu z systemu klimatyzacji. W celu wykorzystania tej energii do ogrzewania innych pomieszczeń niezbędne jest zużycie dodatkowej energii do podgrzania czynnika, tak aby zapewnione były odpowiednie parametry grzewcze. Ilość zużywanej dodatkowej energii czyni całe przedsięwzięcie nieopłacalnym. Niejednokrotnie więc, ogrzane powietrze lub woda w dalszym ciągu odprowadzane są bezpośrednio do otoczenia, negatywnie oddziałując na środowisko naturalne. Do chłodzenia podzespołów elektronicznych powszechnie są stosowane rozwiązania oparte na wymienniku ciepła wspomaganym wentylatorem, który poprzez ruch obrotowy łopatek wymusza znaczny przepływ powietrza owiewającego radiatory wymiennika ciepła. Jest to tzw. chłodzenie aktywne. Celem wynalazku jest rozwiązanie bilansowania energetycznego na przykład w centrum przetwarzania danych z wykorzystaniem nanobaterii lub odnawialnych źródeł energii, takich jak baterie słoneczne oparte na ogniwach fotowoltaicznych. Baterie słoneczne mogą być rozmieszczone na dużych powierzchniach konstrukcji hal sportowych, w których można by umieszczać takie centra obliczeniowe, generujące moc obliczeniową i świadczące usługi na potrzeby rynku, jednocześnie wykorzystując ciepło odpadowe, wydzielane podczas pracy sprzętu komputerowego i nadwyżkę energii elektrycznej do celów komercyjnych lub do zasilania urządzeń w tych centrach. Centra obliczeniowe są bardzo energochłonne, a przy tym mogą wydzielać nawet około 1 MW nieużytecznego pod względem przemysłowym ciepła, które w kłopotliwy technologicznie i kapitałowo sposób musi zostać odprowadzone poprzez kosztowne systemy klimatyzacji. Sposób wykorzystania w sieci grzewczej ciepła odpadowego z pomieszczeń lub urządzeń, zwłaszcza serwerowni polegający na dostarczeniu ciepła odpadowego jako dolnego źródła ciepła do pompy ciepła za pomocą czynnika chłodzącego mającego postać ciekłą lub gazową, a następnie odebraniu ciepła z pompy ciepła przez czynnik grzewczy mający postać ciekłą lub gazową do odbiornika ciepła charakteryzuje się według wynalazku tym, że czynnik chłodzący doprowadza się do pierwszego termogeneratora przyłączonego do pompy ciepła od strony zimnej, w którym część energii cieplnej zamienia się w energię elektryczną. Czynnik grzewczy doprowadza się do drugiego termogeneratora przyłączonego do pompy ciepła od strony ciepłej. Energię elektryczną wygenerowaną w pierwszym termogeneratorze i w drugim termogeneratorze wykorzystuje się do zasilania pompy ciepła korzystnie z wykorzystaniem ultrakondensatora uzupełniająco do zewnętrznego źródła zasilania pompy cieplnej. Korzystnie część energii elektrycznej z zewnętrznego źródła zasilania pompy cieplnej wykorzystuje się do zasilania urządzeń serwerowni. Korzystnie jako zewnętrzne źródło zasilania pompy ciepła stosuje się baterie słoneczne z ogniw fotowoltaicznych. Korzystnie jako zewnętrzne źródło zasilania pompy ciepła stosuje się nanobaterie słoneczne. Korzystnie do pierwszego termogeneratora dołącza się pierwszą nanobaterię, a pomiędzy pompą ciepła i drugim termogeneratorem umieszcza się drugą nanobaterię, zaś energię elektryczną wykorzystuje się do zasilania pompy ciepła. Proponowane rozwiązanie łączy trzy rodzaje elementów zasilania, to jest nanobaterie, bądź konwencjonalne baterie słoneczne, pompę ciepła i termogeneratory. Pewną formę niezależności energetycznej są w stanie zapewnić technologie oparte na alte r- natywnych źródłach energii. W pierwszej kolejności jest to energia słoneczna oraz energia cieplna pochodząca z ziemi. Do konwersji energii słonecznej na elektryczną są powszechnie stosowane baterie słoneczne na bazie materiałów półprzewodnikowych, wykorzystujących tzw. zjawisko fot o- woltaiczne i zachodzi w ciele stałym, z tą jednak różnicą, iż mamy tu do czynienia z diodą fotonową,

3 PL B1 3 w której wnętrzu nie dochodzi do procesu zmiany przewodnictwa, tylko powstania siły elektromot o- rycznej w postaci wygenerowanego na jej końcówkach napięcia, jako półprzewodnika elektronowo dziurowego typu n p. Natomiast do konwersji energii cieplnej pochodzącej z ziemi na elektryczną z założenia teoretycznie można wykorzystać termogeneratory, u których podstaw zasady funkcjonowania leży tzw. efekt Seebecka. Zjawisko to polega na powstawaniu siły elektromotorycznej (zwanej siłą termoelektryczną) w obwodzie, zestawionym z elementów wykonanych z materiałów (np. metali) o różnych przewodnościach, połączonych szeregowo, których spojenia utrzymywane są w rożnych temperaturach. Innym urządzeniem pozwalającym na wykorzystanie energii cieplnej, jest pompa ciepła. Jej podstawowa rola polega na pobieraniu ciepła ze źródła o niższej temperaturze (dolnego) i przekazywaniu go do źródła o temperaturze wyższej (górnego). Aby proces ten był możliwy, konieczne jest doprowadzenie energii z zewnątrz. Na użyteczną energię cieplną tych urządzeń składa się więc ilość ciepła pobrana ze źródła dolnego i ilość ciepła odpowiadająca energii doprowadzonej do napędu pompy ciepła. Zjawisko rezonansu elektromagnetycznego jako moduł odbiorczy, składający się z cewki i kondensatora, jest powszechnie stosowanym sposobem do odbioru np. fal radiowych, bądź telewizyjnych. Lecz w odpowiedniej nanoskali, jako tzw. nanoantena może posłużyć do odbioru fal elektromagnetycznych z zakresów podczerwieni, bądź światła widzialnego. W takim przypadku pojedynczy układ rezonansowy z nanoanteną odpowiada w przybliżeniu wielkością długości fali świetlnej np. 500 nm. Takich układów na powierzchni 1 m 2 może się znajdować miliardy. W praktyce osiąga nanobateria słoneczna sprawność 70%. Dzięki rozwiązaniu według wynalazku zapewniona jest niezależność energetyczna centrów przetwarzania danych. Możliwa jest budowa rozwiązań hybrydowych uzupełnionych o zasilanie konwencjonalne. Sposób umożliwia rezygnację z kosztownych systemów klimatyzacji pomieszczeń na rzecz systemu chłodzenia pomieszczeń lub/i lodowisk, który równocześnie sam generuje energię elektryczną z odprowadzanego ciepła. W związku z tym możliwe staje się wykorzystanie powierzchni pod obiektami sportowymi do celów komercyjnych i wydajne, dzięki obniżeniu kosztów energii zarządzanie centrami obliczeniowymi. Dzięki zastosowaniu sposobu według wynalazku możliwe i uzasadnione jest pod względem oszczędności energii i ekonomicznym niewykorzystanie przestrzeni pod trybunami, jak również wykorzystanie znacznych powierzchni ścian zewnętrznych. Możliwa jest budowa urządzenia hybrydowego, które: a) pozyskuje energię z konwencjonalnych, lub tzw. nanobaterii słonecznych, rozmieszczonych na powierzchni ściennej stadionu. Rozwiązanie to może zapewnić centrum obliczeniowemu niezależność energetyczną, generując nawet nadwyżkę energii elektrycznej, która może być odprowadzona do otwartej sieci energetycznej, b) chłodzi urządzenia i pomieszczenia centrum, c) odprowadza ciepło odpadowe, podwyższając na wyjściu jego temperaturę do tzw. wartości przemysłowo-użytkowej na poziomie 160 C. Taka temperatura pozwala na jego komercjalizację i użycie do ogrzewania pomieszczeń lub/i na przykład basenów. Wynalazek został bliżej przedstawiony w przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat sposobu według wynalazku z wykorzystaniem baterii słonecznej wykorzystującej ogniwa fotowoltaiczne, a fig. 2 przedstawia schemat sposobu według wynalazku z wykorzystaniem nanobaterii oraz nanobaterii słonecznej. P r z y k ł a d 1 Pompa ciepła współpracująca z termogeneratorami dla obniżenia przez nią zużycia energii elektrycznej. Chłodzi ona urządzenia centrum przetwarzania danych, równocześnie odprowadzając ciepło odpadowe do otwartej komercyjnej sieci grzewczej. Natomiast konwencjonalne baterie słoneczne stanowią pierwoźródło energii elektrycznej, zdolne pokryć z nadwyżką energetyczną zapotrzebowanie centrum na energię elektryczną. Jest to możliwe dzięki znacznej powierzani ściennej stadionów, na poziomie m 2. Aczkolwiek dolną granicę ekonomicznie zasadną przy dzisiejszym zaawansowaniu technologii baterii słonecznych, stanowi czynna ich powierzchnia na poziomie m 2. Produkcję energii elektrycznej za pośrednictwem polimerowych baterii słonecznych o przybliżonej sprawności 10% przy powierzchni czynnej m 2 i średnim natężeniu promieniowania słonecznego 300 W/m 2. Pozwala to na uzyskanie mocy W. By móc wykorzystać także i znaczne pokłady ciepła wydzielane przez urządzenia o łącznym zapotrzebowaniu na moc ziębniczą W

4 4 PL B1 powstał pomysł użycia do tego celu pompy ciepła. Jej zadanie polega na odprowadzeniu tego ciepła z procesorów urządzeń, tym samym pełniąc funkcję ich chłodzenia, do otwartej sieci cieplnej oraz na podwyższeniu jego temperatury na wyjściu pompy do przemysłowej wartości użytkowej na poziomie 164 C. By utrzymać wartość energii potrzebnej do zasilania pompy cieplnej w rozsądnych wartościach z pomocą mają tu przyjść termogeneratory, które z panujących różnic temperatur na wejściu i wyjściu pompy ciepła, są w stanie przemienić w przybliżeniu po 11% energii cieplnej na prąd elektryczny. Energia ta może być w tej postaci zastosowana do współdzielonego napędzania silnika pompy cieplnej zwiększając jej sprawność energetyczną do teoretycznej wartości od 40% do 60%. P r z y k ł a d 2 Wykorzystanie tzw. nanobaterii słonecznej. Jej przewagą jest duża sprawność konwersji energii promieniowania elektromagnetycznego na energię elektryczną na poziomie 70%. Dodatkowo istnieją możliwości dostosowania jej zakresu pracy do zakresu długości fal odbieranego promieniowania elektromagnetycznego poprzez zmianę rozmiarów komórki nanoanteny i właściwości fizycznych układu rezonansowego: cewka, kondensator. Można je tak dostosować, by oprócz konwersji promieniowania elektromagnetycznego Słońca, mogła też przeprowadzić konwersję promieniowania cieplnego gleby lub/i pompy ciepła na energię elektryczną. Oprócz nanobaterii słonecznych, zastosowane są nanobaterie czerpiące energię z promieniowania podczerwonego gleby działki o powierzchni m 2, jak i promieniowania cieplnego pompy ciepła przy współpracy z termogeneratorami. Oznaczenia na rysunku 1 Procesor jako podstawowa jednostka obliczeniowa komputera, podczas którego procesu pracy zużywana jest energia w postaci prądu elektrycznego, który trafiając na opór w materiale przewodzącym, przyczynia się do wydzielania się ciepła odpadowego. Energia ta może zostać użyta do ogrzewania pomieszczeń. 2 Pierwszy termogenerator za pośrednictwem tzw. zjawiska Seebeck-a, z różnicy temperatur pomiędzy dolnym źródłem ciepła CPU a zimną stroną pompy ciepła, generuje energię elektryczną. Sprawność tego procesu przy Nr. 3 Pompa ciepła służy do transportu energii z dolnego do górnego źródła ciepła, podwyższając równocześnie jego temperaturę w tym konkretnym przykładzie z około 10 C do 167,5 C. Sprawność tego procesu zawiera się pomiędzy wartością 3 a 4. 4 Drugi termogenerator zasada i cel działania takie same, co pierwszego termogeneratora, z tą różnicą, iż po jego stronie zimnej znajduje się wymiennik ciepła odprowadzający ciepło celem ogrzania pomieszczeń, natomiast za stronę gorącą odpowiada pompa ciepła. 5 Ultrakondensator wysokopojemnościowy kondensator gromadzi powstałą energię elektryczną w termogeneratorach oraz uzyskaną z paneli baterii słonecznych, celem zasilenia układu napędowego pompy ciepła. 6 Grzejnik radiator oddający na zewnątrz ciepło pochodzące z linii ciepłowniczej. 7 Źródło zasilania pompy ciepła w postaci paneli baterii słonecznych (fig. 1) konwertery energii na bazie zjawiska fotoelektrycznego, celem dostarczenia niezbędnej energii elektrycznej do zasilenia centrum danych oraz układu systemu hybrydowego, bądź paneli nanobaterii słonecznych (fig. 2) w przedstawionym na rysunku przykładzie służy, jako odpowiednik baterii słonecznej, który też jako konwerter energii elektromagnetycznej na elektryczną, zamiast na tzw. zjawisku fotoelektrycznym, bazuje na tzw. rezonansie elektromagnetycznym. Zjawisko to wykorzystuje się podczas konstruowania modułów nadajników i odbiorników radiowych. Różnica polega na długości odbieranej fali elektromagnetycznej, zamiast np. 2 m mieści się ona w zakresie 500 nm, +/- 20%. 8 Pierwsza nanobateria zasada działania i zastosowania podobne do nanobaterii słonecznej, jednak różnica polega na długości odbieranej fali elektromagnetycznej, która mieści się tu w zakresie nm, +/- 20%. Długość fali elektromagnetycznej w tym konkretnym zastosowaniu odpowiada to w przybliżeniu temperaturze 10 C ciała doskonale czarnego. 9 Druga nanobateria zasada działania i zastosowania, podobne do pierwszej nanobaterii, jednak różnica polega na długości odbieranej fali elektromagnetycznej, która mieści się tu w zakresie 8000 nm, +/- 20%. Długość fali elektromagnetycznej w tym konkretnym zastosowaniu odpowiada to temperaturze 168 C ciała doskonale czarnego.

5 PL B1 5 Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wykorzystania w sieci grzewczej ciepła odpadowego z pomieszczeń lub urządzeń, zwłaszcza serwerowni polegający na dostarczeniu ciepła odpadowego jako dolnego źródła ciepła do pompy ciepła za pomocą czynnika chłodzącego mającego postać ciekłą lub gazową, a następnie odebraniu ciepła z pompy ciepła przez czynnik grzewczy mający postać ciekłą lub gazową do odbiornika ciepła, znamienny tym, że czynnik chłodzący doprowadza się do pierwszego termogeneratora przyłączonego do pompy ciepła od strony zimnej, w którym część energii cieplnej zamienia się w energię elektryczną, a czynnik grzewczy doprowadza się do drugiego termogeneratora przyłączonego do pompy ciepła od strony ciepłej, zaś energię elektryczną wygenerowaną w pierwszym termogeneratorze i w drugim termogeneratorze wykorzystuje się do zasilania pompy ciepła korzystnie z wykorzystaniem ultrakondensatora uzupełniająco do zewnętrznego źródła zasilania pompy cieplnej. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że część energii elektrycznej z zewnętrznego źródła zasilania pompy cieplnej wykorzystuje się do zasilania urządzeń serwerowni. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jako zewnętrzne źródło zasilania pompy ciepła stosuje się baterie słoneczne z ogniw fotowoltaicznych. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jako zewnętrzne źródło zasilania pompy ciepła stosuje się nanobaterie słoneczne. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że do pierwszego termogeneratora dołącza się pierwszą nanobaterię, a pomiędzy pompą ciepła i drugim termogeneratorem umieszcza się drugą nanobaterię, zaś energię elektryczną wykorzystuje się do zasilania pompy ciepła.

6 6 PL B1 Rysunki

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)