PL218272B1 - Sposób i układ do ogrzewania/chłodzenia budynków i hal magazynowo/logistycznych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób ogrzewania/chłodzenia budynków i hal magazynowo/logistycznych oraz układ do ogrzewania/chłodzenia budynków i hal magazynowo/logistycznych do stosowania tego sposobu.

Znane i powszechnie stosowane w halach magazynowych/logistycznych oraz halach produkcyjnych o dużej powierzchni są systemy grzewcze oparte o kotły grzewcze, szczególnie kotły gazowe kondensacyjne, pozwalające na uzyskanie sprawności grzewczej powyżej 100%. Kotły te, pojedynczo lub w kaskadzie, usytuowane są w wydzielonym pomieszczeniu kotłowni, a ciepło w nich wytwarzane kierowane jest do kolektorów, i dalej rozprowadzane jest poszczególnymi obwodami magistralnymi wzdłuż ścian magazynu/hali logistycznej. Od obwodów magistralnych ciepło jest dalej transferowane do pomieszczenia magazynu/hali logistycznej za pośrednictwem grzejników rozmieszczonych nisko wzdłuż ścian, lub za pośrednictwem nagrzewnic z wymuszoną konwekcją, umieszczonych na wysokości, zazwyczaj powyżej 2 m.

Również znane, i powszechnie stosowane w halach magazynowych/logistycznych oraz halach produkcyjnych o dużej powierzchni są systemy grzewcze oparte o nagrzewnice gazowe rozproszone, zazwyczaj umieszczone wzdłuż osi hali pod sufitem, często skojarzone z systemem wentylacyjnym. Nagrzewnice te mają odizolowany od atmosfery hali system grzewczy i połączone są ze sobą magistralą gazową, przy czym ciepło transferowane jest do hali poprzez konwekcję wymuszoną. Zaletą instalacji z centralną kotłownią jest stosowanie kotłów kondensacyjnych o dużej sprawności grzewczej. Wadą takiej instalacji są obwody grzewcze magistralne wzdłuż ścian, narażone na zamarznięcie w sytuacji awarii systemu. Dodatkowo przy wersji z grzejnikami występuje konieczność usytuowania pod sufitem hali systemu destratyfikacji ciepła.

Wady tej pozbawiony jest system z nagrzewnicami gazowymi rozproszonymi wzdłuż hali logistycznej. Również to rozwiązanie niesie za sobą niższy koszt instalacji - nie ma systemu rur grzewczych rozprowadzających ciepło poprzez wodę. Nie ma więc niebezpieczeństwa zamarznięcia.

Jednak oba te systemy charakteryzują się wspólną istotną wadą. Korzystają z energii nieodnawialnej i generują w czasie swojej pracy strumień CO2 do atmosfery.

Celem wynalazku jest redukcja emisji CO2 do atmosfery oraz zminimalizowanie konsumpcji energii nieodnawialnej, przy zachowaniu pozytywnych cechy obu wymienionych wyżej wariantów instalacji grzewczej hali magazynowej/logistycznej.

Cel ten osiągnięto poprzez wprowadzenie modułowej struktury grzewczej zasilanej w istotnym procencie energią odnawialną, pozwalającej znacząco zredukować, a w przypadku opcji pełnego zasilania energią odnawialną, pozwalającej całkowicie wyeliminować zużycie nośników energii nieodnawialnej.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że wyprowadzony z gruntowego wymiennika ciepła czynnik termodynamiczny rozdziela się za pośrednictwem zewnętrznego rozdzielacza strumienia na dwa strumienie, z których jeden kieruje się do pompy ciepła, natomiast drugi bezpośrednio do modułu grzewczego.

Korzystnym jest gdy w przypadku mniejszego zapotrzebowania chwilowego na ciepło/chłód zmniejsza się wydajność kompresora pompy ciepła poprzez zmianę, za pośrednictwem energoelektronicznej przetwornicy energii elektrycznej, parametrów elektrycznych tej energii przetwarzania, korzystnie napięcia i/lub częstotliwości przy czym zmniejszając wydajność cieplną kompresora pompy ciepła zmniejsza się wydajność pomp obiegowych przemieszczających czynnik termodynamiczny do odbiorów oraz do wymiennika gruntowego.

Korzystnym jest także, gdy chłód geotermalny kieruje się poprzez zwrotnicę czynnika termodynamicznego do przestrzeni przegrzanych klimatyzowanych pomieszczeń z pominięciem transferu tego chłodu poprzez pompę ciepła, a odzyskane ciepło z tych stref kieruje się i zrzuca wprost do zimnego źródła geotermalnego.

Istota układu grzewczego według wynalazku polega na tym, że zawiera co najmniej jedną instalację grzewczą współpracującą z usytuowanym w zimnym źródle geotermalnym gruntowym wymiennikiem ciepła, którego wyjście, za pośrednictwem zewnętrznego rozdzielacza strumienia, jest połączone z wejściami odpowiednio pompy ciepła i modułu grzewczego, zaś wyjście tego modułu, korzystnie za pośrednictwem drugiego zewnętrznego rozdzielacza strumienia, jest połączone odpowiednio z wejściami pompy ciepła po stronie górnej oraz gruntowego wymiennika ciepła, a ponadto do modułu grzewczego jest bezpośrednio przyłączone wyjście pompy ciepła po stronie górnej zaś jej wyjście po

PL 218 272 B1 stronie dolnej jest bezpośrednio przyłączone do wejścia gruntowego wymiennika ciepła, przy czym korzystnie pomiędzy rozdzielacze strumienia jest włączony wymiennik separacyjny. Korzystnym jest gdy moduł grzewczy stanowi zespół konwektorów oraz ogrzewaczy niskotemperaturowych, korzystnie podłogowych, współpracujących ze sobą za pośrednictwem wewnętrznego rozdzielacza strumienia.

Korzystnym jest także gdy układ grzewczy składa się z kaskadowego zespołu instalacji grzewczych, które są rozmieszczone w pomieszczeniu w taki sposób by utrzymywać w ogrzewanym pomieszczeniu stabilną temperaturę, wyznaczaną korzystnie na podstawie stałego monitorowania.

Wynalazek zostanie przybliżony na podstawie przykładowych wykonań pokazanych na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia układ grzewczy w postaci blokowej, natomiast Fig. 2 - przestrzenną strukturę grzewczą hali magazynowo/logistycznej.

Układ grzewczy działa następująco. Ciepło geotermalne pobierane strumieniem czynnika termodynamicznego za pośrednictwem wymiennika ciepła 5, umieszczonego w zimnym źródle ciepła geotermalnego, przenoszone jest do pompy ciepła 2. Pompa ciepła 2 jest z drugiej strony zasilana energią elektryczną, korzystnie eko-energią elektryczną pozyskiwaną z baterii ogniw fotowoltaicznych 1 i/lub z generatora wiatrowego 1', przetwarzaną na użytkową postać energii elektrycznej w przetwornicy 7. Ciepło odebrane z czynnika termodynamicznego dolnej strony pompy ciepła 2, przenoszone na górną stronę tej pompy i przekazane czynnikowi termodynamicznemu, jest dalej transportowane do członu grzewczego 61, gdzie korzystnie jest dzielone przy użyciu rozdzielacza 69 na dwa strumienie, jeden kierowany do koń wektora 62 a drugi do ogrzewacza niskotemperaturowego (63), np. w postaci akumulacyjnego ogrzewacza podpodłogowego 63.

Przy realizowaniu funkcji grzania instalacja pracuje następująco. Ciepło geotermalne przenoszone czynnikiem termodynamicznym do pompy ciepła 2, transferowane jest dalej do ogrzewacza podłogowego akumulacyjnego 63, gdzie jest akumulowane. W sytuacji chwilowego obniżenia temperatury w strefie, np. podczas dokowania traka przy otwieraniu bramy, rozdzielacz 69 przekierowywuje strumień ciepła do konwektora 62 z wymuszonym przepływem ciepła, szybko podnosząc temperaturę w strefie. Konwektor 62 włączany jest również cyklicznie w okresie stabilnej temperatury w strefie celem wymuszenia cyrkulacji powietrza w strefie zapobiegającej destratyfikacji ciepła.

Korzystnie jest, gdy instalacje grzewcze dwu sąsiadujących ze sobą stref są ze sobą skrzyżowane, przez co rozumie się, że konwektor 62 jednej strefy ogrzewa strefę nad którą jest zainstalowany, natomiast ogrzewacz podłogowy 63 ogrzewa strefę sąsiadującą, np. strefę symetryczną z drugiej strony osi hali, i identycznie system grzewczy tamtej strefy swoim konwektorem 62 ogrzewa tą swoją strefę, natomiast ogrzewaczem podłogowym 63 ogrzewa strefę pierwszą. Istotną zaletą takiego skrzyżowania stref ogrzewanych jest po pierwsze duża elastyczność w przerzucie mocy grzewczej między obu sprzężonymi strefami, np. strefa pierwsza jednocześnie może być ogrzewana pełną mocą cieplną, pompa ciepła 2 pierwszej strefy ogrzewana przez konwektor 62 tej strefy, i jednocześnie może być ogrzewana pełną mocą cieplną pompy ciepła 2 przeciwległej strefy, sprzężonej poprzez ogrzewacz podłogowy 63, co może być korzystne przy konieczności intensywnego podniesienia temperatury strefy pierwszej np. w wyniku przecieku chłodu do tej strefy w przypadku uszkodzenia doku dla traków. Również ewentualna awaria pompy ciepła 2 jednej strefy przynosi mniejsze skutki, ponieważ funkcję grzewczą przejmuje wtedy pompa ciepła strefy sprzężonej, której moc grzewcza jest obliczona na ekstremalne warunki i zdecydowanie złagodzi efekt niedogrzania stref, tym bardziej, że przy zaistniałej różnicy temperatur między strefami pracującymi poprawnie a temperaturami w strefach niedogrzanych nastąpi migracja ciepłego powietrza ciepła między tymi strefami, co dalej złagodzi efekt niedogrzania strefy z uszkodzoną pompa ciepła 2 do czasu jej naprawy.

Pompa ciepła pozwala także na chłodzenie magazynu/hali w lecie. W tym celu zasilana eko-elektryczną energią odnawialną pompa ciepła 2 przestawia wewnętrznie kierunek przenoszenia ciepła. Instalacja górna włącza jedynie obieg czynnika termodynamicznego na konwektory 62, które odbierając ciepło z przepływającego przez nie powietrza chłodzi je. Odebrane przez konwektory 62 ciepło przerzucane jest przez pompę ciepła 2 do czynnika termodynamicznego dolnej strony i dalej przenoszone jest poprzez wymiennik gruntowy 5, do zimnego źródła geotermalnego, gdzie jest odkładane. Ochłodzony czynnik termodynamiczny wraca do pompy ciepła 2, która zrzuca do niego ciepła odebrane przez czynnik termodynamiczny z koń wektorów 62, jednocześnie chłodząc ten czynnik termodynamiczny, dalej ponownie do konwektorów kierowany.

Nieoczekiwaną własność tej instalacji uzyskano poprzez spięcie obwodu dolnego i obwodu górnego obiegu pompy ciepła 2 rozdzielaczem strumienia 9, przy czym może być zastosowany jeden lub więcej, np. aż do czterech takich rozdzielaczy przestawianych synchronicznie. Podczas grzania oraz

PL 218 272 B1 podczas chłodzenia w trybie opisanym wyżej rozdzielacz/rozdzielacze strumienia 9 są tak ustawione, że separują dolny obieg czynnika termodynamicznego, to znaczy ten przenoszący ciepło/chłód ge otermalny z zimnego źródła geotermalnego, od obiegu górnego obwodu pompy ciepła 2. Podczas standardowego trybu pracy pompa ciepła 2 jest zasilana w energię elektryczną i aktywnie tą energię elektryczną konsumuje. W trybie chłodzenia pompa ma dużą moc termiczną chłodzenia, a spodziewany współczynnik COP z uwagi na niską temperaturę dolnego źródła geotermalnego, rzędu między 4°C a 10°C, może osiągać nawet wartość powyżej 10, niemniej pompa ciepła 2 musi konsumować energię elektryczną. Przestawienie rozdzielaczy 9 w pozycję odcinającą przepływ czynnika termodynamicznego przez pompę ciepła 2, a łączącą obwód konwektorów 62 wprost z obwodem wymiennika gruntowego 5 sprawia, że konwektor 62 jest zasilany chłodem geotermalnym czerpanym wprost z zimnego źródła geotermalnego z pominięciem pośrednictwa pompy ciepła 2 w tym transferze chłodu. W takiej opcji pracy pomieszczenie magazynu/hali logistycznej jest wprost klimatyzowane chłodem geotermalnym. Pompa ciepła 2 w takim procesie klimatyzowania nie zużywa energii elektrycznej, a jeżeli ta energia elektryczna jest pozyskiwana ze źródła ekologicznego, np. z baterii ogniw fotowoltaicznych 1 i/lub z generatora wiatrowego 1', to może być sprzedawana do zewnętrznego systemu energetycznego, istotnie go wspomagając w okresie szczytu letniego.

Przy właściwym doborze mocy ekologicznego źródła energii elektrycznej fotowoltaicznej 1 i/lub wiatrowej 1', opisana instalacja może być energetycznie samowystarczalna w skali roku. To znaczy ilość sprzedanej energii w okresach nadwyżki tej energii elektrycznej fotowoltaicznej latem, i/lub energii elektrycznej wiatrowej w dni wietrzne, może być nie mniejsza, niż ilość energii elektrycznej pobranej z sieci w dni zimowe i/lub bezwietrzne.

Szczególnie korzystna jest właściwość klimatyzowania magazynu/hali wprost chłodem geotermalnym, którego ilość pobieranego ze źródła geotermalnego w przeciętnie gorącym okresie może być wystarczająca do klimatyzowania obiektu bez konieczności korzystania z mocy grzewczej/chłodniczej pompy ciepła 2, co w tym okresie pozwoli odprowadzać nadmiarową eko-energię elektryczną do systemu energetycznego kraju.

Podział instalacji na niezależne hydraulicznie moduły sprawia z jednej strony łatwość i prostotę jej instalowania, redukuje koszty elementów składowych (nie ma grubych rurociągów dla transportu czynnika termodynamicznego po hali, nie ma kolektorów i systemu zaworów), a z drugiej strony hydrauliczna rozdzielność modułów gwarantuje wysoką niezawodność całego systemu - awaria na jednym module wyłącza z pracy tylko ten moduł. Pozostałe funkcjonują normalnie i co najwyżej temperatura w jednej strefie nieco odbiegnie od oczekiwanej - mieszanie powietrza między strefami w okoliczności różnicy temperatur zniweluje efekt awarii - temperatury będą się wyrównywać, gdy tymczasem w przypadku systemu z centralną dystrybucją czynnika termodynamicznego, awaria swoimi skutkami dotknęłaby cały system grzewczy magazynu/hali.

Claims (6)

1. Sposób ogrzewania/chłodzenia budynków i hal magazynowo/logistycznych, według którego energię elektryczną, korzystnie energię fotowoltaniczną i/lub energię z generatora wiatrowego, zamienia się na ciepło w kompresorze pompy ciepła, po czym wyprowadzony z kompresora pompy ciepła uzdatniony termicznie czynnik termodynamiczny rozdziela się na dwa strumienie, z których jeden kieruje się do radiatorów o dużej pojemności cieplnej, korzystnie do ogrzewaczy podłogowych, natomiast drugi do radiatorów o małej pojemności cieplnej i szybkiej konwekcji, korzystnie z wymuszonym opływem powietrza, przy czym rozdziału czynnika termodynamicznego realizowanego za pośrednictwem rozdzielaczy strumienia dokonuje się w proporcji wynikającej z bieżącego zapotrzebowania na moc cieplną/chłodniczą poszczególnych odbiorców, znamienny tym, że wyprowadzony z gruntowego wymiennika ciepła (5) czynnik termodynamiczny rozdziela się za pośrednictwem zewnętrznego rozdzielacza strumienia (9) na dwa strumienie, z których jeden kieruje się do pompy ciepła (2), natomiast drugi bezpośrednio do modułu grzewczego (61).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w przypadku mniejszego zapotrzebowania chwilowego na ciepło/chłód zmniejsza się wydajność kompresora pompy ciepła (2) poprzez zmianę, za pośrednictwem energoelektronicznej przetwornicy energii elektrycznej (7), parametrów elektrycznych tej energii przetwarzania, korzystnie napięcia i/lub częstotliwości przy czym zmniejszając wydajPL 218 272 B1 ność cieplną kompresora pompy ciepła (2) zmniejsza się wydajność pomp obiegowych przemieszczających czynnik termodynamiczny do odbiorów oraz do wymiennika gruntowego (5).

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że chłód geotermalny kieruje się poprzez zwrotnicę czynnika termodynamicznego do przestrzeni przegrzanych klimatyzowanych pomieszczeń z pominięciem transferu tego chłodu poprzez pompę ciepła (2), a odzyskane ciepło z tych stref kieruje się i zrzuca wprost do zimnego źródła geotermalnego.

4. Układ do ogrzewania/chłodzenia budynków i hal magazynowo/logistycznych, składający się z instalacji pomp ciepła, zasilanej korzystnie z ogniwa fotowoltaicznego i/lub generatora wiatrowego, znamienny tym, że zawiera co najmniej jedną instalację grzewczą współpracującą z usytuowanym w zimnym źródle geotermalnym gruntowym wymiennikiem ciepła (5), którego wyjście, za pośrednictwem zewnętrznego rozdzielacza strumienia (9), jest połączone z wejściami odpowiednio pompy ciepła (2) i modułu grzewczego (61), zaś wyjście tego modułu, korzystnie za pośrednictwem drugiego zewnętrznego rozdzielacza strumienia (9), jest połączone odpowiednio z wejściami pompy ciepła (2) po stronie górnej oraz gruntowego wymiennika ciepła (5), a ponadto do modułu grzewczego (61) jest bezpośrednio przyłączone wyjście pompy ciepła (2) po stronie górnej zaś jej wyjście po stronie dolnej jest bezpośrednio przyłączone do wejścia gruntowego wymiennika ciepła (5), przy czym korzystnie pomiędzy rozdzielacze strumienia (9) i (9) jest włączony wymiennik separacyjny (60).

5. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że moduł grzewczy (61) stanowi zespół konwektorów (62) oraz ogrzewaczy niskotemperaturowych, korzystnie podłogowych (63), współpracujących ze sobą za pośrednictwem wewnętrznego rozdzielacza strumienia (69).

6. Układ według zastrz. 4 albo 5, znamienny tym, że składa się z kaskadowego zespołu instalacji grzewczych, które są rozmieszczone w pomieszczeniu w taki sposób by utrzymywać w ogrzewanym pomieszczeniu stabilną temperaturę, wyznaczaną korzystnie na podstawie stałego monitoro-