PL177377B1

PL177377B1 - Sposób rozdzielania energii cieplnej i układ rozdzielczy energii cieplnej

Info

Publication number: PL177377B1
Application number: PL95315524A
Authority: PL
Inventors: Seppo Leskinen
Original assignee: Abb Installaatiot Oy
Priority date: 1994-01-24
Filing date: 1995-01-20
Publication date: 1999-11-30
Also published as: WO1995020133A1; DK0740760T3; BG100740A; SK95896A3; JPH09507705A; DE69507013D1; CA2181574A1; KR970700849A; DE69507013T2; FI940344A0; ATE175264T1; EP0740760B1; CZ290405B6; FI940344A7; AU1419295A; NO963070L; EP0740760A1; CZ216396A3; CN1139478A; FI98858C

Abstract

1. Sposób rozdzielania energii cieplnej, w którym energie ogrzewania zaabsorbowana w nosniku ciepla i wytwarzana w sposób skon- centrowany dla ogrzewania budynków rozdzie- la sie za pomoca co najmniej jednej rury zasi- lania miejskiego systemu ogrzewania do urzadzen grzejnych znajdujacych sie w budyn- kach, zas energie chlodzenia wytwarzana w spo- sób skoncentrowany przez agregaty chlodnicze typu absorpcyjnego dystr ybuuje sie do urzadzen chlodzacych za pomoca innej co najmniej jed- nej rury zasilania miejskiego systemu chlodzenia, znamienny tym, ze ciecz powrotna systemu przesylania energii ogrzewania/energii chlodzenia stosuje sie jako wode kondensacyjna w agregacie chlodniczym (16-19), i podaje sie co najmniej czesc tej wody kondensacyjnej opuszczajacej agregat chlodniczy (16-19) bezposrednio z powrotem do cieczy powrotnej plynacej rura prowadzaca (2) systemu przesylania energii ogrzewania/energii chlodzenia. FIG. 2 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób rozdzielania energii cieplnej i układ rozdzielczy energii cieplnej.

Najbardziej dzisiaj popularną metodą chłodzenia budynków jest stosowanie agregatów chłodniczych opartych na agregatach sprężarkowych. Energia chłodzenia w nich jest wytwarzana za pomocą prądu. Stosunek energii chłodzenia budynków do zużycia prądu jest już znaczny; np. na południu Europy szczyty poboru elektryczności występują latem.

Energia chłodzenia może być wytwarzana z ciepła odpadowego uzyskiwanego przy wytwarzaniu elektryczności w tzw. agregatach absorpcyjnych, przy czym najbardziej znane z takich agregatów są agregaty bromku litu/wodny lub agregaty amoniakowo-wodne. Zużycie prądu a więc np. emisja CO2 mogłyby być w wyniku tego zmniejszone, zaś ciepło odpadowe, które jest obecnie całkowicie tracone, mogłoby być wykorzystane.

Najtańszym sposobem wytwarzania zimna byłby tak zwany miejski system chłodzenia, w którym energia chłodzenia byłaby wytwarzana w sposób skoncentrowany w zakładach energetycznych i dystrybuowana do użytkowników przez sieć rurociągową w ten sam sposób, co ciepło miejskie. Powinno to wywierać dodatni wpływ np. na koszty obsługi - które w obecnych rozproszonych systemach są wysokie - i na niezawodność, obniżając poziom wpływów okazjonalnych szczytów obciążenia, itd.

ΠΊ 3ΊΊ

Jednakże, systemy miejskiego chłodzenia centralnego nie stały się powszechne ze względu na wysokie koszty inwestycji. Jakkolwiek cena kilowatogodziny energii chłodzenia wytworzonego w ten sposób jest niska w porównaniu z kilowatogodziną elektryczności, liczba godzin, gdy system jest używany, w tych strefach klimatycznych, gdzie opłacalne jest budowanie systemów centralnego ogrzewania, jest tak mała, że oszczędności w kosztach eksploatacji nie są wystarczające, aby pokryć koszty systemu centralnego chłodzenia, agregatu absorpcyjnego, wymienników ciepła dla budynków itd. Na przykład w Finlandii, systemy takie nie zostały jeszcze zbudowane. Większość z nich istnieje w Japonii, Korei i USA.

Fińskie zgłoszenie patentowe nr 940 342 ujawnia system rozdzielczy energii cieplnej, w którym koszty sieci rozdzielczej mogą być istotnie zmniejszone przez zastosowanie wspólnej rury powrotnej dla wody chłodzenia i ogrzewania. Zgłoszenie ujawnia także wykonania, dzięki którym koszty miejskiej sieci chłodzenia mogą być dalej zmniejszane. Warunkiem jest to, aby systemy ogrzewania, wodociągowe i klimatyzacyjne budynku były zaprojektowane zgodnie z zasadami podanymi w fińskich zgłoszeniach patentowych nr 941 034 i nr 915 511.

Fińskie zgłoszenie patentowe nr 940 343 ujawnia system przesyłania ciepła, przy pomocy którego oddzielne wymienniki ciepła pomiędzy siecią chłodzącą budynku a miejskim systemem chłodzenia stają się niepotrzebne. Eliminuje to wysoki koszt miejskiego systemu chłodzenia.

Największy koszt systemu, stanowią agregaty absorpcyjne i ich skraplacze. Badania wykazały, że koszt ten sięga 50%.

Sposób rozdzielania energii cielnej, w którym energię ogrzewania zaabsorbowaną w nośniku ciepła i wytwarzaną w sposób skoncentrowany dla ogrzewania budynków rozdziela się za pomocą co najmniej jednej rury zasilania miejskiego systemu ogrzewania do urządzeń grzejnych znajdujących się w budynkach, zaś energię chłodzenia wytwarzaną w sposób skoncentrowany przez agregaty chłodnicze typu absorpcyjnego dystrybuuje się do urządzeń chłodzących za pomocą innej co najmniej jednej rury zasilania miejskiego systemu chłodzenia, według wynalazku charakteryzuje się tym, że ciecz powrotną systemu przesyłania energii ogrzewania/energii chłodzenia stosuje się jako wodę kondensacyjną w agregacie chłodniczym i podaje się co najmniej część tej wody kondensacyjnej opuszczającej agregat chłodniczy bezpośrednio z powrotem do cieczy powrotnej płynącej rurą prowadzącą systemu przesyłania energii ogrzewania/energii chłodzenia.

Korzystnie woda przepływająca przez obwód chłodzenia agregatu chłodniczego chłodzi się za pomocą skraplacza.

Korzystnie za pomocą wody kondensacyjnej wytwarza się gorącą wodę zasilania dla miejskiego systemu ogrzewania.

Układ rozdzielczy energii cieplnej, w którym energia ogrzewania zaabsorbowana w nośniku ciepła i wytwarzana w sposób skoncentrowany do ogrzewania budynków jest rozdzielana za pomocą co najmniej jednej rury zasilania miejskiego systemu ogrzewania do urządzeń grzejnych znajdujących się w budynkach, i, odpowiednio, energia chłodzenia wytwarzana w sposób skoncentrowany przez agregaty chłodnicze typu absorpcyjnego jest dystrybuowana do urządzeń chłodzących za pomocą co najmniej jednej rury miejskiego systemu chłodzenia, według wynalazku charakteryzuje się tym, że agregat chłodniczy jest podłączony do rury powrotnej za pomocą rury i rury powrotnej.

Korzystnie obwód chłodzenia w agregacie chłodniczym posiada rurę cyrkulacyjną, na której jest umieszczony skraplacz.

Sposób według wynalazku polega na tym, że ciecz powrotna systemu przesyłowego energii chłodzenia/energii ogrzewania stosowana jest jako woda kondensacyjna w agregacie chłodniczym, i co najmniej część wody kondensacyjnej opuszczającej agregat chłodzenia jest podawana bezpośrednio z powrotem do systemu przesyłowego energii ogrzewania/energii chłodzenia. Układ według wynalazku, charakteryzuje się tym, że agregat chłodniczy przystosowany jest do kondensowania cieczy powrotnej uzyskanej z rury powrotnej systemu przesyłania energii ogrzewania energii chłodzenia, i że co najmniej część cieczy używanej do skraplania jest podawana bezpośrednio z powrotem do rury powrotnej.

177 377

Główną zaletą wynalazku jest to, że koszty ogólne agregatu absorpcyjnego mogą być zasadniczo obniżone w porównaniu z poprzednim stanem techniki, co bardzo polepsza opłacalność systemu chłodzenia miejskiego. Energia ogrzewania doprowadzona do agregatu chłodzącego może być użyta powtórnie w całości do celów grzania wstępnego wody zasilania miejskiego systemu ogrzewania. Ponadto wynalazek rozwiązuje wszelkie techniczne problemy związane z korozją, obróbką wody surowej, wymogami sanitarnymi. Gdy budowa miejskiego systemu chłodzenia staje się w praktyce możliwa, wówczas uzyskuje się także powyższe zalety chłodzenia miejskiego.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok ogólny 2-komorowego agregatu absorpcyjnego, fig. 2 przedstawia, schematycznie, jak agregat z fig. 1 jest połączony z miejskim systemem chłodzenia i ogrzewania, fig. 3 pokazuje widok ogólny pierwszego wykonania systemu według wynalazku, i fig. 4 pokazuje widok ogólny drugiego wykonania systemu według wynalazku.

Na figurze 1 pokazano konwencjonalny 2-komorowy agregat absorpcyjny bromek litu/woda wraz z temperaturami panującymi w różnych częściach agregatu absorpcyjnego, zaś na fig. 2 pokazano podłączenie agregatu. Dla jasności rysunku, na fig. 2 nie pokazano obwodu czynnika chłodzącego.

Agregat działa w następujący sposób: w kotle 17 agregatu, gdzie ciśnienie jest wyższe, znajduje się roztwór wody i bromku litu. Roztwór bromku litu jest ogrzewany za pomocą gorącej wody lub pary do temperatury wrzenia. Gorąca woda lub para są doprowadzane rurą kondensacyjną. 20 z turbiny 9 za pomocą pompy 22, i zawracane do rury kondensacyjnej o niższej temperaturze przez zawór sterujący 21.

Odparowany bromek litu zostaje skroplony w skraplaczu 18, przy czym jest chłodzony wodą kondensacyjną płynącą z chłodnicy wodnej rurą kondensacyjną 25 z zaworem sterującym 24 i pompą wody chłodzącej 23.

Skroplony bromek litu płynie do parownika 16, gdzie zostaje odparowany przy niskim ciśnieniu. Podczas odparowania, ciepło zostaje absorbowane i w ten sposób zostaje osiągnięta temperatura zaznaczona na fig. 1. Woda płynąca rurą powrotną 2 miejskiej sieci chłodzenia z zaworem sterującym 14 i pompą 15 ulega schłodzeniu w parowniku 16 i zostaje wypompowana do rury zasilania 3 miejskiego systemu chłodzenia.

W agregacie absorpcyjnym, bromek litu przepływa z parownika 16 do absorbenta 19, gdzie absorbuje wodę, wytwarza na powrót roztwór i jest pompowany z powrotem do kotła 17 za pomocą pompy 23. Przeprowadzanie w stan ciekły w absorberze 19 jest wykonywane przez schłodzenie wodą kondensacyjną doprowadzaną przewodem z pompą 23, zaworem sterującym 24 i rurą kondensacyjną 25.

Na rysunku nie pokazano urządzenia do chłodzenia wody kondensacyjnej. W agregacie absorpcyjnym nagrzana woda jest zwykle chłodzona w wymiennikach ciepła z wodą morską, chłodniach wieżowych itp.

Wartości temperatury w różnych częściach agregatu absorpcyjnego pokazane na fig. 1 pokazują, że temperatura wody kondensacyjnej jest prawie taka sama, jak temperatura wody powrotnej w miejskim systemie chłodzenia/ogrzewania.

Powyższe obserwacje doprowadziły do pomysłu, na którym oparty jest niniejszy wynalazek: zamiast wody wytwarzanej w oddzielnych urządzeniach chłodzących, woda powrotna uzyskiwana z miejskiego systemu chłodzenia/ogrzewania jest stosowana jako woda kondensacyjna w agregacie absorpcyjnym, i po zaabsorbowaniu nadmiaru ciepła z agregatu absorpcyjnego, nagrzewana wstępnie woda powrotna jest zawracana do rury powrotnej i służy do wytwarzania gorącej wody wodociągowej.

To rozwiązanie znacznie zmniejsza koszty inwestycyjne związane z agregatem absorpcyjnym. Zgodnie z badaniami chłodzenie wody kondensacyjnej stanowi około 30% kosztów ogólnych agregatu absorpcyjnego, tj. około 15%o kosztów inwestycyjnych w całym miejskim systemie chłodzenia. Ta pozycja kosztów zostaje tu całkowicie wyeliminowana, albo przynajmniej zasadniczo zmniejszona.

Oprócz powyższego należy zauważyć, że układ kondensacyjny może być wykonany jako obwód zamknięty, w wyniku czego mogą być w pełni wyeliminowane lub znacznie

177 377 zmniejszone problemy związane z korozją, zanieczyszczeniami i zatykaniem się systemów chłodzenia. Podczas stosowania wynalazku nie są wymagane żadne inwestycje, albo koszty operacyjne związane z obróbką wody, ani opłaty za zużycie wody. W przypadku wież chłodniczych specjalnym problemem jest narażenie zdrowia wynikające z faktu rozmnażania się bakterii legionella i innych w tego rodzaju wieżach. Wada ta jest także wyeliminowana lub przynajmniej zasadniczo zmniejszona dzięki zastosowaniu niniejszego wynalazku.

Na figurze 3 pokazano pierwsze wykonanie układu według wynalazku. Na figurze 3, woda jest pobierana z rury powrotnej 2 miejskiego systemu ogrzewania/chłodzenia i płynie rurą 34 z zaworem sterowania 24 przez pompę 23, i pompowana jest do absorbera 19 agregatu absorpcyjnego, a następnie do skraplacza 18. Większa część wody jest odprowadzana rurą powrotną 26 z powrotem do rury powrotnej 2 miejskiego systemu ogrzewania/chłodzenia. Jeżeli nie jest potrzebna pełna moc chłodzenia, to część wody jest zawracana rurą obiegową 25 do pompy 23.

Woda pompowana rurą powrotną 26 do rury powrotnej 2 miejskiego systemu ogrzewania i nagrzana wstępnie do temperatury około 40° miesza się z tą częścią wody powrotnej, która nie została oddzielona za pomocą zaworu 14 i pompą 15 celem oziębienia w parowniku 16 i odprowadzenia do rury zasilania 3 miejskiego systemu chłodzenia. Zmieszana woda jest pompowana za pomocą pompy 27 rurą z zaworem sterującym 28 do wymiennika ciepła 11. W wymienniku ciepła 11 jest ona nagrzewana do temperatury około 65°C - 75°C latem i odprowadzana do rury zasilania 1 miejskiego systemu ogrzewania. Zawór 7 odcina latem rurę pomiędzy rurą 1 ogrzewania miejskiego, a rurą 3 chłodzenia miejskiego. Zimą rura zostaje otwarta, jeżeli rura 3 chłodzenia miejskiego ma być stosowana do magazynowania ciepła lub do przesyłania ciepła miejskiego.

Część kondensatu uzyskana z turbiny 9 jest pompowana pompą 22 do kotła 17 w agregacie absorpcyjnym, gdzie odparowany zostaje bromek litu z wody, i następnie przez zawór sterujący 21 z powrotem do rury kondensacyjnej. Zmieszany kondensat przepływa przez wymiennik ciepła 11 do skraplacza 12, który jest chłodzony np. wodą nieoczyszczona pompowaną za pomocą pompy 29 przez zawór sterujący 30. Stamtąd woda jest pompowana za pomocą pompy 13 do kotła parowego 8, i para tam wytwarzana jest doprowadzana rurą 10 do turbiny 9, gdzie para ulega skropleniu i następnie zawraca rurą kondensacyjną 20 do obiegu opisanego powyżej.

Miejska woda grzewcza jest doprowadzona rurą 1 do urządzeń pobierających ciepło 6 w budynkach 4, latem zwykle do wymienników ciepła gorącej wody wodociągowej. Natomiast, miejska woda chłodząca jest doprowadzana rurą 3 do urządzeń 5, które wymagają energii chłodzenia, zwykle do wymienników ciepła obsługujących urządzenia klimatyzacyjne. Z obu powyższych urządzeń woda powraca do wspólnej rury powrotnej 2.

Problemem z zastosowaniem wynalazku jest to, że pobór gorącej wody w budynku zmienia się znacznie, i że szacowane dzienne zużycie w budynku, gdzie konieczne jest chłodzenie nie jest wystarczające, aby pokryć przepływ wody wymagany do chłodzenia agregatu absorpcyjnego, jeżeli temperatura wody przed agregatem wynosi +25°C a za agregatem +40°C, zaś temperatura wody na zasilaniu wynosi +65°C.

Zwykle w osiedlach w strefie temperatury, większość budynków nie posiada systemu chłodzenia; np. w domkach wolnostojących system chłodzenia bardzo rzadko występuje. Ponadto, w większości budynków chłodzenie przez odparowanie jest wystarczające. Na przykład w Finlandii, mniej niż 10% wszystkich nowych budynków posiada mechaniczny system chłodzenia. Nawet w tych budynkach jest jednak niezbędna gorąca woda wodociągowa. Ogólne zużycie wody wodociągowej w osiedlach jest zwykle wystarczające, aby pokryć zapotrzebowanie na wodę do chłodzenia agregatu absorpcyjnego obsługującego budynki, które wymagają chłodzenia. Dla zilustrowania tego, rura ogrzewania miejskiego 1 i rura powrotna 2 przechodzi na fig. 3 obok budynków 4 i nie musi być chłodzona. Figura 3 przedstawia także fakt, że jest zwykle nieekonomiczne budowanie miejskiej sieci chłodzenia poza ścisłym centrum osiedli.

Jeżeli jednak zużycie wody gorącej w pewnych przypadkach jest niewystarczające, można zastosować rozwiązanie według wynalazku pokazane na fig. 4. Na figurze 4 skraplacz 32 jest umieszczony na rurze cyrkulacyjnej 26 obwodu chłodzącego w agregacie absorpcyj6

177 377 nym, przy czym cyrkulująca woda jest chłodzona w skraplaczu 32, np. za pomocą pompy 31 pompującej wodę surową przepływającą przez zawór sterujący 33. Wielkość skraplacza 32 jest, w każdym przypadku, jedynie częścią całego układu skraplaczy montowanego w systemie konwencjonalnym. Samo to rozwiązanie oznacza już wielkie oszczędności przy inwestycjach, ale stracone zostają częściowo inne techniczne zalety. Jednakże, należy pamiętać, że skraplacz 32 jest stosowany tylko w krótkim okresie w sytuacji obciążenia szczytowego, tak że zatykanie, korozja lub inne problemy są wyraźnie mniejsze niż w siłowniach konwencjonalnych, i takie sąnp. koszty wody surowej.

Sieć posiada zdolności akumulacyjne, dzięki którym jest w stanie obniżać krótkotrwałe 1- lub 2-godzinne szczyty poboru gorącej wody wodociągowej. Natomiast obniżenie szczytów długotrwałych jest trudniejsze. W lokalach biurowych i budynkach publicznych, szczyt poboru wody wodociągowej i maksymalna moc chłodzenia zbiegają się ze sobą i kompensują się wzajemnie. Natomiast w domkach wolnostojących, przy poborze wody wodociągowej, sytuacja jest inna.

W domach wolnostojących, zużycie wody wodociągowej jest wyraźnie równomierne w ciągu dni tygodnia od godziny 7:00 do 15:00 i następnie zaczyna wzrastać. Szczyt jest osiągany około godziny 21:00. Pobór nocny jest niewielki.

W lokalach biurowych zapotrzebowanie na chłodzenie pojawia się już około godziny dziewiątej rano, osiąga maksimum o godzinie jedenastej rano i pozostaje stała aż do godziny szóstej po południu, kończąc się około ósmej wieczorem. Pobór jest równomierny, ze względu na zdolność chłodzenia przez parowanie co obniża poziom szczytu.

Przesunięcie fazy pomiędzy szczytem poboru wody wodociągowej i maksymalną wydajnością chłodzenia jest tak wielkie, że miejska sieć chłodzenia nie jest w stanie jego skompensować. Powyższy problem może być wyeliminowany za pomocą akumulatora chłodzenia umieszczonego odpowiednio w systemie lub połączonego z nim.

Wynalazek jednak, nie jest ograniczony do powyższych wykonań, ale może być zmodyfikowany zupełnie swobodnie w obrębie zastrzeżeń. Należy więc zrozumieć, że system według wynalazku nie musi koniecznie być identyczny z tym, co jest przedstawione na rysunkach, ale inne rodzaje rozwiązań są także możliwe. Wszystkie połączenia rurowe znane skądinąd mogą być stosowane w tym wynalazku. Agregat absorpcyjny może także być zastąpiony innymi znanymi agregatami chłodniczymi, jeżeli temperatura wody kondensacyjnej jest odpowiednia, itd.

177 377

ΠΊ 377

177 377

FIG. 3

177 377

FIG. 4

Departament Wydawnictw UP RP Nakład 70 egz.

Cena 2,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób rozdzielania energii cieplnej, w którym energię ogrzewania zaabsorbowaną w nośniku ciepła i wytwarzaną w sposób skoncentrowany dla ogrzewania budynków rozdziela się za pomocą co najmniej jednej rury zasilania miejskiego systemu ogrzewania do urządzeń grzejnych znajdujących się w budynkach, zaś energię chłodzenia wytwarzaną w sposób skoncentrowany przez agregaty chłodnicze typu absorpcyjnego dystrybuuje się do urządzeń chłodzących za pomocą innej co najmniej jednej rury zasilania miejskiego systemu chłodzenia, znamienny tym, że ciecz powrotną systemu przesyłania energii ogrzewania/energii chłodzenia stosuje się jako wodę kondensacyjną w agregacie chłodniczym (16-19), i podaje się co najmniej część tej wody kondensacyjnej opuszczającej agregat chłodniczy (16-19) bezpośrednio z powrotem do cieczy powrotnej płynącej rurą prowadzącą (2) systemu przesyłania energii ogrzewania/energii chłodzenia.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że woda przepływająca przez obwód chłodzenia agregatu chłodniczego (16-19) chłodzi się za pomocą skraplacza (32).
3. Sposób według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że za pomocą wody kondensacyjnej wytwarza się gorącą wodę zasilania dla miejskiego systemu ogrzewania.
4. Układ rozdzielczy energii cieplnej, w którym energia ogrzewania zaabsorbowana w nośniku ciepła i wytwarzana w sposób skoncentrowany do ogrzewania budynków jest rozdzielana za pomocą co najmniej jednej rury zasilania miejskiego systemu ogrzewania do urządzeń grzejnych znajdujących się w budynkach, i odpowiednio, energia chłodzenia wytwarzana w sposób skoncentrowany przez agregaty chłodnicze typu absorpcyjnego jest dystrybuowana do urządzeń chłodzących za pomocą co najmniej jednej rury miejskiego systemu chłodzenia, znamienny tym, że agregat chłodniczy (16-19) jest podłączony do rury powrotnej (2) za pomocą rury (34) i rury powrotnej (26).
5. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że obwód chłodzenia w agregacie chłodniczym (16-19) posiada rurę cyrkulacyjną(25), na której jest umieszczony skraplacz (32).