PL219636B1

PL219636B1 - Installation of domestic water with solar panel

Info

Publication number: PL219636B1
Application number: PL398453A
Authority: PL
Inventors: Stanisław Płaska; Wojciech Płaska
Original assignee: Lubelska Polt; Univ Przyrodniczy W Lublinie
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2015-06-30
Also published as: PL398453A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest instalacja do podgrzewania wody użytkowej z panelem solarnym. Znana jest z opisu patentowego US 5823177 instalacja do bezpośredniego podgrzewania wody użytkowej dla gospodarstwa domowego, w której wykorzystuje się jako źródło ciepła panele solarne. Idea wynalazku polega na zastosowaniu dwóch zbiorników, z których jeden wykorzystywany jest do przechowywania zimnej wody a drugi zbiornik izolowany termicznie służy do gromadzenia podgrzanej wody w podgrzewaczu solarnym. Woda zimna ze zbiornika górnego z zimną wodą przepływa przez panel solarny, skąd już podgrzana rurą przepływa do dolnego zbiornika na wodę podgrzaną. Zbiorniki górny i dolny połączone są ze sobą rurą powietrzną, której króćce umieszczone są w górnych pokrywach zbiorników górnego i dolnego. Zbiornik górny napełniany jest wodą, co powoduje otwarcie zaworu regulacyjnego po osiągnięciu pewnej objętości w zbiorniku i przepływ wody przez kolektor solarny. Nagrzana woda spływa rurą odprowadzającą do izolowanego zbiornika dolnego, w którym ustala się poziom wody i ciśnienia, co powoduje wypływ ciepłej wody użytkowej do odbiorników. Ponadto instalacja zawiera urządzenia do odpowietrzania instalacji.The subject of the invention is an installation for heating utility water with a solar panel. A system for direct heating of domestic water, which uses solar panels as a heat source, is known from the patent description US 5,823,177. The idea of the invention is based on the use of two tanks, one of which is used to store cold water and the other thermally insulated tank is used to store heated water in a solar heater. Cold water from the upper reservoir with cold water flows through the solar panel, from where the already heated pipe flows to the lower heated water reservoir. The upper and lower tanks are connected with each other by an air pipe, the stub pipes of which are placed in the upper covers of the upper and lower tanks. The upper tank is filled with water, which causes the control valve to open after reaching a certain volume in the tank and water flow through the solar collector. The heated water flows down the drainage pipe to the insulated bottom tank, where the water level and pressure are set, which causes the outflow of domestic hot water to the receivers. In addition, the installation includes devices for venting the installation.

W alternatywnym rozwiązaniu przedstawionym w tym samym patencie przedstawiono instalację do podgrzewania wody użytkowej, w której zastosowano izolowany zbiornik, w którym utworzono dwie strefy dolną na wodę zimną z instalacji wodociągowej. Pomiędzy strefami znajduje się tłok z zaworem nad którym znajduje się strefa ciepłej wody. Działanie instalacji jest podobne do wcześniej opisanej z tą różnicą, że nie istnieje tutaj poduszka powietrzna. Woda z instalacji wodociągowej napełnia zbiornik podnosząc tłok i wpływa jednocześnie poprzez zawór rurą do panelu solarnego, gdzie ulega podgrzaniu i spływa do zbiornika po drugiej stronie tłoka. Po wyrównaniu się ciśnień w zbiorniku po obu stronach tłoka woda podgrzana może być użyta i wypływa do instalacji domowej poprzez króciec umieszczony w górnej pokrywie zbiornika. W sytuacji, gdy pobór wody ciepłej jest duży lub gdy źródło ciepła jest słabe tłok w zbiorniku osiąga swoje maksymalne górne położenie co powoduje otwarcie zaworu umieszczonego w tłoku powodując tym samym przepływ wody zimnej do instalacji.In an alternative solution presented in the same patent, a utility water heating installation is provided in which an insulated tank is used, in which two lower zones are created for cold water from the water supply. Between the zones there is a piston with a valve above which there is a hot water zone. The operation of the installation is similar to the one described earlier, with the difference that there is no airbag. Water from the plumbing system fills the tank lifting the piston and flows through the valve through the pipe to the solar panel, where it is heated and flows to the tank on the other side of the piston. After the pressure in the tank is equalized on both sides of the piston, the heated water can be used and flows into the domestic installation through a connector located in the upper cover of the tank. In a situation where hot water consumption is large or when the heat source is weak, the piston in the tank reaches its maximum upper position, which opens the valve located in the piston, thus causing cold water to flow to the installation.

Znany jest z opisu patentowego WO2010/092311 system dystrybucji wody do instalacji domowej, w którym źródłem ciepła jest instalacja solarna, kocioł grzewczy lub pompa ciepła. W rozwiązaniu tym zastosowano zbiornik na ciepłą wodę z poduszką powietrzną którego górna pokrywa ma króciec powietrzny połączony rurą ze zbiornikiem ciśnieniowym poprzez zawory. Powietrze w zbiorniku ciśnieniowym uzupełniane jest przez sprężarkę. Działanie systemu polega na tym, że ciepła woda napływa do zbiornika na ciepłą wodę i wypełnia go do momentu osiągnięcia określonego ciśnienia poduszki powietrznej. Następnie woda przepływa do instalacji odbiorczej poprzez pompę umieszczoną na króćcu wylotowym. Nie wykorzystana woda ciepła jest zawracana do zbiornika ciepłej wody poprzez króciec umieszczony w dnie zbiornika. Ponadto ubytki powietrza w zbiorniku na ciepłą wodę uzupełniane są ze zbiornika ciśnieniowego poprzez system zaworów sterowanych sterownikiem.Known from the patent description WO2010 / 092311 is a water distribution system for a domestic installation, in which the heat source is a solar installation, a heating boiler or a heat pump. In this solution, a hot water tank with an air cushion was used, the top cover of which has an air connector connected to the pressure tank by valves. The air in the pressure vessel is supplemented by the compressor. The operation of the system is that hot water flows into the hot water tank and fills it until the specified air cushion pressure is reached. Then the water flows to the receiving installation through a pump located at the outlet connection. Unused hot water is returned to the hot water tank through a stub pipe at the bottom of the tank. In addition, air losses in the hot water tank are supplemented from the pressure tank through a system of valves controlled by the controller.

W opisie tym przedstawiono również rozwiązania przedstawiające system dystrybucji gorącej wody pod ciśnieniem ze znanego stanu techniki, w których woda przechowywana w wieży ciśnień zasila zbiornik wody stale wypełniony. Zbiornik ten posiada ogrzewanie za pomocą znanego urządzenia, a zimna woda jest podawana od dna zbiornika, ciepła woda jest pobierana z góry, zgodnie z zasadą stratyfikacji termicznej. Zbiornik jest zasilany zimną wodą pod ciśnieniem, zwykle co najmniej 400 kPa. Pompa zapewnia dystrybucję ciepłej wody do sieci odbiorczej. W takim systemie, mieszanina ciepłej i zimnej wody w zbiorniku powoduje straty cieplne, stratyfikacja termiczna wewnątrz zbiornika ciepłej wody jest wysoce niewystarczająca, czasami nawet może zniknąć, gdy duże ilości ciepłej wody są usuwane ze zbiornika.This description also describes solutions representing a prior art pressurized hot water distribution system in which water stored in a water tower feeds a continuously filled water reservoir. The tank is heated by a known device, and cold water is fed from the bottom of the tank, hot water is taken from above according to the principle of thermal stratification. The reservoir is fed with pressurized cold water, usually at least 400 kPa. The pump distributes hot water to the receiving network. In such a system, the mixture of hot and cold water in the tank causes heat loss, thermal stratification inside the hot water tank is highly insufficient, sometimes it may even disappear when large amounts of hot water are removed from the tank.

Drugi system dystrybucji gorącej wody pod ciśnieniem znany ze stanu techniki, przedstawia zbiornik ciepłej wody pod ciśnieniem atmosferycznym, który jest częściowo wypełniony powietrzem. W takim systemie, pompa dozująca jest umieszczona poniżej zbiornika ciepłej wody. W systemie tym, pompa zużywa bardzo istotną ilość energii, rzędu 2:3 kJ/kg wody w obiegu.The second pressurized hot water distribution system known in the art shows an atmospheric hot water tank that is partially filled with air. In such a system, the dosing pump is placed below the hot water tank. In this system, the pump consumes a very significant amount of energy, on the order of 2: 3 kJ / kg of circulating water.

Istotą instalacji do podgrzewania wody użytkowej z panelem solarnym, którego wężownica umieszczona jest w zbiorniku na podgrzewaną wodę użytkową doprowadzoną z zewnętrznej instalacji, w którym umieszczona jest elastyczna przegroda rozdzielająca wodę od wolnej przestrzeni w zbiorniku, z którą trwale związana jest dennica o wymiarach zewnętrznych nieco mniejszych niż przekrój poprzeczny zbiornika, jest to, że dennica stale styka się z powierzchnią wody w zbiorniku, na którą stale działa siła zewnętrzna skierowana w kierunku dna zbiornika. Dennica połączona jest z pokrywą górną zbiornika poprzez sprężynę naciskową. Na dennicy umieszczona jest płyta o dużejThe essence of the utility water heating installation with a solar panel, the coil of which is placed in a tank for heated utility water supplied from an external installation, in which there is a flexible partition separating the water from the free space in the tank, which is permanently connected with a bottom with slightly smaller external dimensions than the cross-section of the tank, is that the bottom is in constant contact with the surface of the water in the tank, which is constantly exerted by an external force directed towards the bottom of the tank. The bottom head is connected with the top cover of the tank through a pressure spring. A large plate is placed on the bottom

PL 219 636 B1 masie. Dennica połączona jest z mechanizmem dźwigniowym poprzez trzpień połączony z dennicą poprzez przegub.PL 219 636 B1 mass. The bottom head is connected to the lever mechanism through a pin connected to the bottom through a joint.

Korzystnym skutkiem wynalazku jest znaczące polepszenie funkcjonowania instalacji w okresach niedoboru mocy dostarczanej przez panel solarny, co w znanych rozwiązaniach o stałej masie wody nie występuje i jego brak prowadzi do obniżenia lub nadmiernego niekontrolowanego przez użytkownika zmian temperatury wody. Zbyt niska nie akceptowalna przez użytkownika temperatura podgrzewanej wody, mimo praktycznie znaczącej dla istotnie mniejszej masy wody sprawia, że użytkownicy są zmuszeni do wyłączenia i zaprzestania wykorzystywania znanych, tradycyjnych urządzeń podgrzewających wodę. Tej wady nie posiada zastrzegane rozwiązanie i opisany sposób działania umożliwia: bardziej efektywne wykorzystanie urządzenia w okresach niedoboru mocy, co ma miejsce w okresach wiosennych i jesiennych, podniesienie jakości procesu podgrzewania wody przez zapewnienie stabilizacji jej temperatury.The advantageous effect of the invention is a significant improvement in the operation of the installation during periods of power shortage provided by the solar panel, which in the known solutions with constant water mass does not occur and its absence leads to a reduction or excessive water temperature changes that are uncontrolled by the user. Too low, unacceptable by the user temperature of the heated water, despite the fact that the mass of water is practically significant for a significantly lower mass, causes that users are forced to turn off and stop using the known, traditional water heating devices. The claimed solution does not have this disadvantage and the described method of operation enables: more effective use of the device in periods of power shortage, which takes place in spring and autumn periods, improvement of the quality of the water heating process by ensuring its temperature stabilization.

Instalacja do podgrzewania wody użytkowej z panelem solarnym przedstawiona jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat instalacji z dennicą obciążoną sprężyną, fig. 2 - dennicę obciążoną dużą masą i fig. 3 - schemat obciążenia dennicy mechanizmem dźwigniowym.The installation for heating utility water with a solar panel is shown in the embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of an installation with a spring loaded bottom, Fig. 2 - a bottom loaded with a large mass and Fig. 3 - a diagram of loading the bottom with a lever mechanism.

Instalacja składa się ze zbiornika 1, do którego od dołu doprowadzona jest woda z instalacji wodociągowej 4 przez zawór Z1 z kryzą i przewód rurowy 5. Zbiornik 1 przedzielony jest elastyczną membraną 6, z którą połączona jest sztywna dennica 7. Wymiary tej dennicy są nieco mniejsze niż wymiary zbiornika 1 w przekroju poprzecznym. Dennica 7 umieszczona jest na wodzie, na którą stale wywierany jest nacisk siły F. Na dennicę 7 działa sprężyna 8, która połączona jest z dennicą 7 poprzez przegub 9 i z pokrywą 1a zbiornika 1 poprzez przegub 10. Dla potrzeb sterowania mierzone są: temperatura wody w zbiorniku 1 za pomocą termometru 12 oraz temperatura czynnika w panelu 2 solarnym za pomocą termometru 13. Ponadto mierzone jest położenie dennicy 7 za pomocą linijki 14 pomiarowej współpracującej z czujnikiem umieszonym w dennicy.The installation consists of a tank 1, to which water from the water supply system 4 is supplied from the bottom through the Z1 valve with an orifice and a pipe conduit 5. The tank 1 is divided by a flexible membrane 6 to which a rigid bottom is connected 7. The dimensions of this bottom are slightly smaller than the dimensions of tank 1 in cross section. The bottom 7 is placed on the water to which the pressure of force F is constantly exerted. The bottom 7 is operated by a spring 8, which is connected with the bottom 7 through a joint 9 and with the cover 1a of the tank 1 through a joint 10. For control purposes, the following are measured: water temperature in tank 1 by means of a thermometer 12 and the temperature of the medium in the solar panel 2 by a thermometer 13. Moreover, the position of the bottom 7 is measured by means of a measuring ruler 14 cooperating with a sensor placed in the bottom.

Instalacja służy do podgrzewania wody WC dla potrzeb użytkowych, w którym energia cieplna dostarczana jest przez wężownicę 3 i przekazywana jest za pośrednictwem płynnego nośnika z panelu 2 solarnego. Instalacja jest wykonana w postaci zamkniętego zbiornika 1 ciśnieniowego o ruchomej górnej, sztywnej dennicy 7 wykonanej z materiału termoizolacyjnego, której położenie może znajdować się między skrajnymi położeniami k1-dolnym i k2-górnym. Określone, sterowane położenie dennicy 7 określa masę mw - objętość podgrzewanej wody, która jest samoczynnie nastawiana w zależności od zadanej przez użytkownika wartości temperatury To wody oraz aktualnej mocy panelu 2 solarnego. Przemieszczanie się dennicy 7 umożliwia elastyczna szczelna membrana 6.The installation serves to heat the toilet water for utility needs, in which the thermal energy is supplied by the coil 3 and is transferred via the liquid carrier from the solar panel 2. The installation is made in the form of a closed pressure vessel 1 with a movable upper, rigid bottom 7 made of heat-insulating material, the position of which may be between the extreme positions k1-lower and k2-upper. The determined, controlled position of the bottom 7 determines the mass mw - the volume of heated water, which is automatically set depending on the user-set water temperature value To and the current power of the solar panel. The movement of the bottom 7 is enabled by a flexible, tight membrane 6.

Przemieszczanie dennicy 7 w kierunku górnym lub dolnym powodują zmiany objętości podgrzewanej wody WC będące wynikiem ilości wody pobieranej przez przewód 11 oraz wody doprowadzonej przez przewód 5 i sterowany zawór Z1 z dławicą z sieci 4 wodociągowej. Ciśnienie wody podgrzewanej WC uzależnione jest od potrzeb użytkownika i jest osiągane przez zastosowanie odpowiednich parametrów urządzeń obciążających dennicę 7. Realizację różnych postaci rozwiązania przedstawiają figury 1 do 3. Może to być odpowiednio zainstalowana sprężyna 8, i masa 8a umieszczona bezpośrednio na dennicy 7 oraz wywierającej nacisk na dennicę 7 przez układ dźwigniowy 8b, 8c lub też mogą to być inne złożone układy działania bezpośredniego bez zasilania energią zewnętrzną. Istotą funkcjonowania przedstawionego urządzenia jest jego zdolność do możliwie dużego wykorzystania energii cieplnej dostarczanej przez panel 2 solarny przez zdolność dostosowania masy mw podgrzewanej wody WC oraz możliwość wyboru przez użytkownika priorytetu, którym może być:Movement of the bottom 7 in the upward or downward direction causes changes in the volume of the heated WC water as a result of the amount of water taken in through the pipe 11 and the water supplied through the pipe 5 and the controlled valve Z1 with a choke from the water supply network 4. The pressure of the water heated WC depends on the user's needs and is achieved by applying appropriate parameters of the devices loading the bottom 7. The implementation of various forms of the solution is shown in figures 1 to 3. It can be an appropriately installed spring 8, and a mass 8a placed directly on the bottom 7 and exerting pressure. to the bottom 7 through the lever system 8b, 8c or they can be other complex direct-acting systems without external energy supply. The essence of the functioning of the presented device is its ability to use as much heat energy as possible provided by the solar panel 2 by the ability to adjust the mass m in the heated toilet water and the possibility for the user to choose the priority, which may be:

a) uzyskanie zadanej przez użytkownika temperatury wody Tw o stabilizowanej wartości z akceptacją pewnej minimalnej masy wody mwmin i tendencją do skokowych wzrostów temperatury wody w sposób Tw=Twot + kATw. Two - wartość zadana przez użytkownika temperatury wody, ATw - przyrosty temperatury wody sterowane przez układ, k=1,2,3... liczba stopni przyrostu temperatury ATw zależna od dostarczanej przez kolektor słoneczny mocy,a) obtaining the user-defined water temperature Tw with a stabilized value with the acceptance of a certain minimum water mass mwmin and a tendency to abrupt water temperature increases in the manner Tw = Twot + kATw. Two - value set by the user for water temperature, ATw - increases in water temperature controlled by the system, k = 1,2,3 ... number of degrees of temperature increase ATw depending on the power supplied by the solar collector,

b) uzyskanie zadanej przez użytkownika minimalnej mocy MW o zadanej akceptowalnej temperaturze z tendencją do wzrostu tej mocy o ile umożliwia to poziom dostarczanej przez kolektor solarny mocy.b) obtaining the minimum MW power set by the user at a set acceptable temperature with a tendency to increase this power, provided that the level of power supplied by the solar collector allows it.

W okresach pełnej mocy dostarczanej przez panel solarny 2 przedstawiona instalacja, niezależnie od wcześniej włączonej przez użytkownika opcji określającej priorytet przyjmowania przez podgrzewaną wodę energii, będzie funkcjonowała w sposób prowadzący do uzyskania maksymalnej temperatury wody i jej maksymalnej mocy - objętości. Użytkowanie urządzenia nie wymaga stosowania urządzeń zabezpieczających przed nadmiernym wzrostem ciśnienia podgrzewanej wody wynikłym zeDuring the periods of full power supplied by the solar panel 2, the presented installation, regardless of the option previously activated by the user, which determines the priority of receiving energy by the heated water, will function in a way leading to obtaining the maximum water temperature and its maximum power - volume. The use of the device does not require the use of devices protecting against excessive pressure increase of the heated water resulting from

PL 219 636 B1 zmian jej objętości. Dla potrzeb sterowania mierzone są: temperatura Tk czynnika przenoszącego energię cieplną z kolektora słonecznego do wymiennika, Tw podgrzewanej wody, dolne k1 i górne k2 położenia dennicy 7 określające minimalną masę (objętość) wody Mwmin i maksymalną masę Mwmax wody. W skład urządzenia wchodzi sterowany zawór Z1 z wbudowaną kryzą oraz mikroprocesorowy układ sterowania, którego nie przedstawiono na rysunku.Changes in its volume. For control purposes, the following are measured: temperature Tk of the medium transferring thermal energy from the solar collector to the exchanger, Tw of the heated water, lower k1 and upper k2 of the bottom 7 positions, determining the minimum mass (volume) of water Mwmin and the maximum mass Mwmax of water. The device consists of a Z1 controlled valve with an integrated orifice and a microprocessor control system, which is not shown in the drawing.

Claims

1. Installation for heating utility water with a solar panel, the coil of which is placed in a tank for heated utility water supplied from an external installation, in which there is a flexible partition separating the water from the free space in the tank, to which the bottom is permanently connected with external dimensions slightly smaller than the cross-section of the tank, characterized in that the bottom (7) is in constant contact with the water surface in the tank (1), which is constantly exerted by an external force (F) directed towards the bottom (1b) of the tank (1).

2. Installation according to p. A device according to claim 1, characterized in that the bottom (7) is connected to the upper cover (1a) of the tank (1) via a pressure spring (8).

3. Installation according to p. A plate as claimed in claim 1, characterized in that a heavy plate (8a) is placed on the bottom (7).

4. Installation according to p. 3. The bottom plate (7) is connected to the lever mechanism (8b) through a pin (8c) connected to the bottom plate via a joint (9a).