PL207849B1 - Układ grzewczy do ogrzewania pomieszczeń z zastosowaniem naturalnych i odnawialnych źródeł ciepła - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ grzewczy do ogrzewania pomieszczeń z zastosowaniem naturalnych i odnawialnych źródeł ciepła, którego urządzenia pobierają ciepło emitowane przez słońce oraz ciepło pozyskiwane poprzez pompę ciepła z dolnych źródeł ciepła, takich jak naturalne cieki wodne, a także grunt, ścieki gospodarcze, z włączoną do układu scentralizowaną instalacją klimatyzacyjną.

Znane są układy pobierające energię słoneczną, które poprzez wymienniki ciepła oddają pobrane ciepło do instalacji grzewczej wody użytkowej.

Znane są również pompy ciepła odzyskujące ciepło z otoczenia, najczęściej z gruntu i wód gruntowych, oddając to ciepło poprzez wymienniki do instalacji ciepłej wody użytkowej.

Zarówno układ solarny zbudowany z kolektorów słonecznych i z modułów transportu energii słonecznej do ogrzewania ciepłej wody użytkowej, jak i pompa ciepła czerpiąca energię z wodnych ujęć wód gruntowych jak i głębinowych oddają energię cieplną poprzez wymienniki do instalacji grzewczej. Dalej energia jest przekazywana do podgrzewania wody użytkowej zaopatrującej krany w ł azienkach i sanitariatach lub dla dogrzania wody w kaloryferach.

Niedogodnością znanych układów grzewczych wykorzystujących naturalne i odnawialne źródła ciepła jest ich ograniczone stosowanie jedynie jako dodatkowe źródło ciepła do pracujących, konwencjonalnych systemów grzewczych.

Istotą układu grzewczego według wynalazku jest całkowite wyeliminowanie konwencjonalnych źródeł ciepła dla pozyskiwania ciepłej wody użytkowej, jak i dla ogrzewania wszelkich pomieszczeń. Istota układu grzewczego według wynalazku polega na połączeniu ciepła pozyskanego z promieniowania słonecznego oraz ciepła pozyskanego poprzez pompę ciepła z dolnych źródeł ciepła dla pozyskania ciepłej wody użytkowej i jej wykorzystania zarówno w kranach i sanitariatach, jak i dla pozyskania ciepłej wody technologicznej do ogrzewania pomieszczeń systemem centralnego ogrzewania i/lub centrali klimatyzacyjnej, poprzez którą ogrzewanie budynku jest realizowane podgrzewanym powietrzem. W centrali klimatyzacyjnej powietrze wywiewane z pomieszczenia, wstępnie podgrzewa czerpane powietrze świeże, nawiewane do pomieszczeń, które następnie podgrzewane jest w nagrzewnicy wodnej i jako czynnik niosący regulowaną w zależności od potrzeb ilość ciepła, służy do ogrzewania pomieszczeń.

Układ grzewczy według wynalazku składa się z kolektorów słonecznych połączonych rurociągiem płynu transferowego z modułem do transferu energii słonecznej, który wyposażony jest w wymiennik ciepła, korzystnie płytowy. Ilość kolektorów słonecznych uzależniona jest od ilości zapotrzebowania w użytkową wodę ciepłą oraz kubatury ogrzewanego pomieszczenia. Korzystnym jest, aby kolektory słoneczne transportowały i oddawały ciepło poprzez niskociśnieniowy układ urządzeń transportu energii słonecznej. Do modułu transferu energii słonecznej podłączony jest rurociąg wody zimnej z wodociągu i rurociąg wody ciepłej z zasobnika ciepłej wody uż ytkowej pozyskanej z układu solarnego, do którego może być dostarczana również zimna woda z wodociągu. Zasobnik ten jest połączony rurociągiem transportu ciepłej wody użytkowej poprzez zawory trójdrogowe z centralnym zbiornikiem ciepłej wody użytkowej układu grzewczego oraz do drugiego zasobnika ciepłej wody użytkowej, który jest jednocześnie połączony z pompą wodną oraz z wymiennikiem ciepła, korzystnie płytowym. Korzystnym jest, aby drugi zasobnik ciepłej wody użytkowej posiadał połączenie poprzez pompę z układem cyrkulacyjnym ciepłej wody, stabilizującym jej temperaturę. Układ grzewczy składa się również z pompy ciepła, do której jest dostarczana woda z głębinowych ujęć wód gruntowych, ale również ze studni, jezior, stawów lub rzek. Pompa ciepła podnosi temperaturę energii cieplnej do wyższego poziomu. Podnosi ona czerpane ciepło do wyższej temperatury i oddaje to ciepło poprzez wymienniki ciepła do zbiornika lub zbiorników ciepłej wody użytkowej instalacji grzewczej lub do zbiornika buforowego wody technologicznej. Pompa ciepła wraz z wymiennikiem ciepła układem rurociągów wodnych jest połączona z dolnym źródłem ciepła. Korzystnym jest, aby pompa ciepła pracowała ze stałą temperaturą dolnego źródła ciepła. Dodatkowo, pompa ciepła układem rurociągów z zainstalowanymi pompami wodnymi, jest połączona, korzystnie poprzez elektryczny podgrzewacz oraz poprzez zawór trójdrogowy, ze zbiornikiem buforowym ciepłej wody technologicznej oraz drugim rurociągiem z wymiennikiem ciepła drugiego zasobnika ciepłej wody użytkowej układu solarnego, natomiast trzecim i czwartym rurociągiem bezpośrednio jest połączona z drugim zasobnikiem układu solarnego i z buforowym zbiornikiem ciepłej wody technologicznej. Zbiornik buforowy ciepłej wody technologicznej pracuje w obiegu zamknię tym. Ciepł a woda technologiczna ze zbiornika buforowego nie miesza się bezpośrednio z wodą w zbiornikach i zasobnikach ciepłej wody użytkowej. Ciepła woda technologiczna moPL 207 849 B1 że pośrednio poprzez wymienniki ciepła lub wężownice podgrzewać ciepłą wodę użytkową zgromadzoną w zasobnikach i w zbiorniku ciepłej wody użytkowej. Zawór trójdrogowy umożliwia zasilanie zbiornika buforowego w ciepłą wodę technologiczną bezpośrednio z pompy ciepła, z drugiego zasobnika układu solarnego, jak i z pompy ciepła poprzez elektryczny podgrzewacz. Zasilanie zbiornika buforowego wodą technologiczną poprzez elektryczny podgrzewacz odbywa się w przypadku bardzo niskich temperatur zewnętrznych, poniżej -25°C, awarii pompy ciepła, lub innych nieprzewidzianych problemów technologicznych. Pompa ciepła jest również połączona z czujnikiem lub z systemem czujników temperatury zewnętrznej powietrza. Pompa ciepła posiada sterownik lub układ sterowników, poprzez które można ustawić okresy czasowe, w których ma być utrzymywana wyższa temperatura ciepłej wody użytkowej. Dalej energia cieplna zarówno z kolektorów słonecznych jak i z pompy ciepła przekazywana jest według potrzeb do różnych odbiorników ciepła. Zbiornik buforowy ciepłej wody technologicznej jest bezpośrednio połączony obiegiem zamkniętym z układem konwencjonalnym centralnego ogrzewania lub z nagrzewnicą wstępną i z nagrzewnicą wtórną centrali klimatyzacyjnej. Nagrzewnice centrali klimatyzacyjnej poprzez zawór trójdrogowy i pompę są połączone z naczyniem przeponowym, które wraz z zaworami bezpieczeństwa utrzymuje stałe ciśnienie w układzie i jednocześnie zabezpiecza układ grzewczy przed nadmiernym ciśnieniem wody w układzie. Powietrze z zewnątrz, układem wentylacyjnym jest kierowane bezpośrednio do filtra wyłapującego części stałe, a następnie w razie konieczności może być skierowane do nagrzewnicy wstępnej, która pobiera ciepło bezpośrednio ze zbiornika buforowego wody technologicznej. Skierowanie powietrza zewnętrznego do nagrzewnicy wstępnej jest realizowane jedynie w przypadku, gdy zachodzi konieczność osiągnięcia wysokich parametrów temperaturowych powietrza nawiewanego i w przypadku istnienia ryzyka zmrożenia wymiennika ciepła. Następnie wstępnie podgrzane powietrze zewnętrzne jest kierowane do dowolnego, korzystnie krzyżowego lub obrotowego wymiennika ciepła celem odzysku ciepła z powietrza wywiewanego z ogrzewanego pomieszczenia. Powietrze wywiewane jest kierowane do wymiennika ciepła poprzez filtr, wyłapujący części stałe. Z wymiennika ciepła powietrze wywiewane układem wentylacyjnym jest usuwane do atmosfery, natomiast nawiewane powietrze zewnętrzne jest kierowane do nagrzewnicy wtórnej i poprzez chłodnicę i wentylator wchodzi do ogrzewanego pomieszczenia. Całością obiegu mediów w układzie grzewczym, praca wszystkich urządzeń, jak i urządzeń pomocniczych steruje procesor odbierający w sposób ciągły sygnały z zainstalowanego układu czujników zewnętrznych i wewnętrznych. Praca układu grzewczego dla pozyskania ciepłej wody użytkowej i ciepłej wody technicznej dla potrzeb ogrzewania jest całkowicie zautomatyzowana.

Praca układu grzewczego urządzeń według wynalazku polega na wykorzystaniu energii słonecznej i energii dolnych źródeł ciepła do ogrzewania ciepłej wody użytkowej oraz ciepłej wody technologicznej. Do pompy ciepła pierwszym obiegiem jest dostarczana woda czerpana ze studni głębinowej. W pompie ciepła następuje obniżenie temperatury wody czerpanej poprzez jej ochłodzenie oraz przemianę termodynamiczną czynnika chłodniczego, w wyniku następuje podniesienie temperatury wody technologicznej i ciepłej wody użytkowej przepływającej przez wymiennik ciepła. Pompa ciepła, drugim obiegiem jest połączona rurociągiem odprowadzającym podgrzaną wodę technologiczną do wymiennika ciepła zasobnika lub zasobników ciepłej wody użytkowej układu grzewczego. Korzystnym jest, aby na trasie rurociągu transportującego ciepłą wodę z wymiennika pompy ciepła, zainstalowany był elektryczny podgrzewacz wody technologicznej. Ciepła woda uzyskana poprzez wymiennik ciepła płynu transferowego kolektorów słonecznych jest transportowana z modułu transferu energii słonecznej do zasobnika ciepłej wody. Posiada on najniższą temperaturę ciepłej wody w układzie grzewczym według wynalazku, spowodowanej dopływem zimnej wody. Z tego zasobnika, woda po podgrzaniu przepływa do zbiornika lub zbiorników ciepłej wody użytkowej podgrzewanego przez pompę ciepła, w którym w zależności od zapotrzebowania jest dalej podgrzewana lub magazynowana. Rurociąg płynu solarnego z kolektorów słonecznych jest połączony z wymiennikiem ciepła. Wymiennik ciepła, drugim obiegiem jest połączony rurociągiem doprowadzającym zimną wodę użytkową i odprowadzającym ciepłą wodę uż ytkową do zbiornika lub zbiorników ciepłej wody użytkowej. Na trasie drugiego obiegu zainstalowana jest pompka cyrkulacyjna przepompowująca zimną wodę ze zbiornika ciepłej wody użytkowej do wymiennika ciepła, gdzie pobiera energię od pierwszego obiegu i podgrzaną już wodę przepompowuje do zbiornika ciepłej wody użytkowej. W celu ochrony przed poparzeniem zbyt gorącą wodą, układ grzewczy jest wyposażony w zawory mieszające ciepłą wodę użytkową. W celu zapewnienia komfortu użytkowników została zamontowana pompa cyrkulacyjna ciepłej wody użytkowej. Ma ona za zadanie zapewnienie dostawy ciepłej wody użytkowej do baterii, w celu uniknię cia oczekiwania na ciepłą wodę . Czas pracy pompy cyrkulacyjnej moż na okreś lać

PL 207 849 B1 poprzez odpowiednie ustawienia zegara czasowego znajdującego się pomiędzy zbiornikami ciepłej wody użytkowej. Po uruchomieniu układu grzewczego następuje jednoczesne ogrzewanie ciepłej wody użytkowej, jak i ciepłej wody technologicznej dla potrzeb ogrzewania budynku. Przy znacznym jednorazowym poborze ciepłej wody użytkowej, całość ciepła z układu grzewczego jest automatycznie przełączana na dogrzewanie ciepłej wody użytkowej. Po nagrzaniu odpowiedniej ilości ciepłej wody użytkowej, układ samoczynnie przełącza się na ogrzewanie budynku i dogrzewanie ciepłej wody użytkowej. Ciepła woda technologiczna, rurociągiem gorącej wody jest połączona z wymiennikiem ciepła zainstalowanym w centrali klimatyzacyjnej. Ogrzewanie budynku jest realizowane poprzez podgrzewanie powietrza przepływającego przez centralę klimatyzacyjną. Powietrze wywiewane podgrzewa wstępnie świeże powietrze nawiewane do pomieszczenia. Wstępnie podgrzane powietrze nawiewane jest następnie kierowane do nagrzewnicy wodnej i dostarczane do ogrzewanych pomieszczeń. Temperatura medium grzewczego regulowana jest w zależności od aktualnego zapotrzebowania na ciepło, poprzez mieszający zawór trójdrogowy znajdujący się na rurociągu podgrzanego powietrza. Zawór ten sterowany jest przez sterownik centrali klimatyzacyjnej uwzględniający regulację pogodową. W sterowniku centrali klimatyzacyjnej można ustawić okresy czasowe, w których ma być utrzymywana wyższa temperatura medium grzewczego, ogrzewającego pomieszczenia. W okresie letnim nagrzewnice centrali klimatyzacyjnej chłodzą powietrze nawiewane do klimatyzowanych pomieszczeń. W zbiorniku buforowym wody technologicznej jest magazynowana zimna woda technologiczna, która jest transportowana do nagrzewnic centrali klimatyzacyjnej. W okresie letnim nadmiar ciepła pozostający po nagrzaniu zasobników ciepłej wody użytkowej poprzez układ kolektorów słonecznych oraz nadmiar ciepła z centrali klimatyzacyjnej powstały po jego odebraniu z chłodzonego powietrza nawiewanego, jest transportowany poprzez pompę ciepła do głębinowego ujęcia medium pod powierzchnią ziemi. W tym przypadku głębinowe ujęcie pod ziemią jest akumulatorem ciepła na okres zimowy.

Zaletą układu grzewczego urządzeń według wynalazku jest całkowite wyeliminowanie uciążliwych dla otoczenia kotłowni konwencjonalnych, gazowych lub olejowych. Układ jest sterowany automatycznie i nie wymaga ciągłego dozoru. Układ grzewczy pozyskuje wystarczające ilości ciepła, potrzebne dla podgrzewania ciepłej wody użytkowej, niezbędnej w gospodarstwach domowych na potrzeby kuchni, sanitariatów i łazienek, jak i ciepłej wody technologicznej dla potrzeb ogrzewania pomieszczeń przy pomocy nawiewu ciepłym powietrzem z naturalnych i z odnawialnych źródeł ciepła. Włączenie do układu grzewczego centrali klimatyzacyjnej pozwala na bezpośrednie ogrzewanie pomieszczeń podgrzanym do zadanej temperatury i do zadanej wilgotności powietrzem w okresie zimowym, natomiast w okresie letnim pozwala na ochładzanie tych samych pomieszczeń o zadanych parametrach nawiewanego powietrza. Praca układu grzewczego urządzeń jest całkowicie zautomatyzowana i nie wymaga stałej obsługi.

Przykładową realizację układu grzewczego urządzeń według wynalazku pokazano na rysunku w schemacie blokowym, na którym Fig. 1 przedstawia schemat cał ego ukł adu grzewczego, natomiast Fig. 2 przedstawia schemat obiegu powietrza w centrali klimatyzacyjnej.

Układ urządzeń składa się z kolektorów słonecznych 1, połączonych z modułem transferu energii słonecznej 2, którym jest niskociśnieniowy układ urządzeń transferu energii słonecznej. Moduły transferu energii słonecznej 2 są połączone z zasobnikiem ciepłej wody użytkowej 5, do którego poprzez naczynie przeponowe 3 i zawór bezpieczeństwa 4, dostarczana jest woda z wodociągów A. Cyrkulację ciepłej wody użytkowej zapewnia pompa 6. Układ składa się również z pompy ciepła 18, połączonej z ujęciem wody głębinowej D poprzez płytowy wymiennik ciepła 19. Do pompy ciepła 18 spływają również impulsy przekazywane przez czujnik temperatury zewnętrznej powietrza 20. Pompa ciepła 18 jest bezpośrednio połączona ze zbiornikiem buforowym cieplej wody technologicznej 10 oraz z zasobnikiem ciepłej wody użytkowej 7. Pompa ciepła 18 poprzez zawór trójdrogowy 12 jest połączona ze zbiornikiem buforowym ciepłej wody technologicznej 10. Zasobnik ciepłej wody użytkowej 7, poprzez pompę 8 i płytowy wymiennik ciepła 9 jest połączony z pompą ciepła 18. Płytowy wymiennik ciepła 9 jest również bezpośrednio połączony z zasobnikiem ciepłej wody użytkowej 7. Zasobnik ciepłej wody użytkowej 7 oraz zasobnik ciepłej wody użytkowej 5 są włączone w układ cyrkulacyjny ciepłej wody użytkowej B, składający się z pompy 11 i pompy 6. Zasobniki ciepłej wody użytkowej 5 i 7 są połączone poprzez dwa zawory trójdrogowe 12 z centralnym zbiornikiem ciepłej wody użytkowej C. Płytowy wymiennik ciepła 9 poprzez pompę 13 oraz zainstalowany zawór bezpieczeństwa 4, który posiada połączenie ze zbiornikiem buforowym 10, jest połączony z pompą ciepła 18. Pompa ciepła 18 poprzez pompę 17 i nagrzewnicę elektryczną 15, zawór trójdrogowy 12, jest połączona ze zbiornikiem buforowym ciepłej wody technologicznej 10. Zbiornik buforowy 10 jest połączony z nagrzewnicą

PL 207 849 B1 wstępną E2 oraz z nagrzewnicą wtórną E4 centrali klimatyzacyjnej E. Centrala klimatyzacyjna E poprzez zawór trójdrogowy 12 i pompę 16 jest połączona z naczyniem przeponowym 14. Wymiennik krzyżowy E3 centrali klimatyzacyjnej E poprzez nagrzewnicę wstępną E2 jest połączony z filtrem E1 zasysanego powietrza zewnętrznego oraz z wentylatorem E8 powietrza zużytego usuwanego do atmosfery. Z drugiej strony wymiennik krzyżowy E3 poprzez nagrzewnicę wtórną i chłodnicę E5 jest połączony z wentylatorem E6 zasysanego powietrza zewnętrznego oraz z filtrem części stałych E7 powietrza wywiewanego.

Claims (7)

1. Układ grzewczy urządzeń pobierających ciepło emitowane przez słońce oraz ciepło pozyskiwane poprzez pompę ciepła z dolnych źródeł ciepła, składający się z kolektorów słonecznych, modułu transportu energii słonecznej, wymienników ciepła, zasobnika ciepłej wody użytkowej, pompy ciepła, układu pomp transportu podgrzanej wody, znamienny tym, że składa się z kolektorów słonecznych (1), połączonych z modułem transferu energii słonecznej (2), które są połączone z zasobnikiem ciepłej wody użytkowej (5), do którego poprzez naczynie przeponowe (3) i zawór bezpieczeństwa (4), dostarczana jest woda z wodociągów (A), przy czym zasobnik ciepłej wody użytkowej (5) jest połączony z zasobnikiem ciepłej wody użytkowej (7), do którego jest połączona pompa ciepła (18), która to połączona jest z ujęciem wody głębinowej (D) poprzez wymiennik ciepła (19) i która to bezpośrednio połączona jest ze zbiornikiem buforowym ciepłej wody technologicznej (10), przy czym pompa ciepła (18) poprzez zawór trójdrogowy (12) jest połączona ze zbiornikiem buforowym ciepłej wody technologicznej (10), natomiast zasobnik ciepłej wody użytkowej (7) poprzez pompę (8) i płytowy wymiennik ciepła (9) oraz pompę (13) i zawór bezpieczeństwa (4), który posiada połączenie bezpośrednie ze zbiornikiem buforowym (10), jest połączony z pompą ciepła (18) i bezpośrednio z wymiennikiem ciepła (9), natomiast pompa ciepła (18), poprzez pompę (17) i nagrzewnicę elektryczną (15), zawór trójdrogowy (12), jest połączona ze zbiornikiem buforowym ciepłej wody technologicznej (10), który to zbiornik buforowy (10) jest połączony z nagrzewnicą wstępną (E2) oraz z nagrzewnicą wtórną (E4) centrali klimatyzacyjnej (E), przy czym centrala klimatyzacyjna (E) poprzez zawór trójdrogowy (12) i pompę (16) jest połączona z naczyniem przeponowym (14) i zaworami bezpieczeństwa, natomiast wymiennik krzyżowy (E3) centrali klimatyzacyjnej (E) poprzez nagrzewnicę wstępną (E2) jest połączony z filtrem (E1) zasysanego powietrza zewnętrznego oraz z wentylatorem (E8) powietrza zużytego usuwanego do atmosfery, ponadto wymiennik krzyżowy (E3) poprzez nagrzewnicę wtórną (E4) i chłodnicę (E5) jest połączony z wentylatorem (E6) zasysanego powietrza zewnętrznego oraz z filtrem części stałych (E7) powietrza wywiewanego.

2. Układ grzewczy według zastrz. 1, znamienny tym, że modułem transferu energii słonecznej (1) jest niskociśnieniowy układ urządzeń transferu energii słonecznej.

3. Układ grzewczy według zastrz. 1, znamienny tym, że cyrkulację ciepłej wody użytkowej zapewnia pompa (6).

4. Układ grzewczy według zastrz. 1, znamienny tym, że pompa ciepła (18) jest połączona z czujnikiem temperatury zewnętrznej powietrza (20).

5. Układ grzewczy według zastrz. 1, znamienny tym, że nagrzewnica elektryczna (15) jest przepływowa grzałka elektryczna.

6. Układ grzewczy według zastrz. 1, znamienny tym, że zasobnik ciepłej wody użytkowej (7) oraz zasobnik ciepłej wody użytkowej (5), są włączone w układ cyrkulacyjny ciepłej wody użytkowej (B), składający się z pompy (11) i pompy (6), które to zasobniki ciepłej wody użytkowej (5) i (7) są połączone poprzez dwa zawory trójdrogowe (12) z centralnym zbiornikiem ciepłej wody użytkowej (C).

7. Układ grzewczy według zastrz.1, znamienny tym, że nadmiar ciepła zasobników ciepłej wody użytkowej (5) i (7) oraz ciepło odebrane z powietrza nawiewanego przez nagrzewnice (E2) i (E4) centrali klimatyzacyjnej (E) poprzez pompę ciepła (18) jest kierowany do ujęcia głębinowego (D).