PL219638B1

PL219638B1 - Installation of domestic water with solar panel

Info

Publication number: PL219638B1
Application number: PL398456A
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: PL398456A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest instalacja do podgrzewania wody użytkowej z panelem solarnym.The subject of the invention is an installation for heating utility water with a solar panel.

Znane 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 podgrzej 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.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 for storing cold water and the other thermally insulated tank is used to collect heated water in the 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 wodą 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 with the pressure tank through valves by a pipe. 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 niewystarczające, 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 ciągłej 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 a continuous atmospheric pressure 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, składająca się z co najmniej jednego panelu solarnego, którego wężownica umieszczona jest w zbiorniku na wodę oraz zestawu rur i zaworów doprowadzających i odprowadzających wodę do instalacji domowej, jest to, że zbiornik na wodę ma dwie strefy, strefę wypełnioną wodą oraz strefę stanowiącą poduszkę powietrzną, do którego w dolnej jego części doprowadzona jest woda z instalacji wodociągowej poprzez zawór z kryzą i przewód rurowy oraz króciec wylotowy umieszczony w najniższym miejscu dna zbiornika odprowadzający wodę użytkową do instalacji domowej, ponadto zbiornik ma sterowany mikroprocesorem zawórThe essence of the utility water heating installation with a solar panel, consisting of at least one solar panel, the coil of which is placed in the water tank, and a set of pipes and valves supplying and discharging water to the domestic installation, is that the water tank has two zones , a zone filled with water and a zone constituting an air cushion, to which water from the water supply system is supplied in its lower part through a valve with a flange and a pipe and an outlet connector located at the lowest point of the bottom of the tank, draining domestic water to the domestic installation, moreover, the tank is controlled by a microprocessor valve

PL 219 638 B1 powietrzny regulujący poziom ciśnienia w zbiorniku umieszczony w górnej pokrywie zbiornika oraz wyposażony jest w co najmniej dwa czujniki położenia poziomu wody, górny i dolny, i umieszczony na płaszczu bocznym zbiornika czujnik temperatury wody w zbiorniku, zaś panel solarny ma czujnik temperatury czynnika grzewczego.The air pressure level control in the tank is located in the upper cover of the tank and is equipped with at least two water level sensors, upper and lower, and a temperature sensor of water in the tank located on the side of the tank, and the solar panel has a temperature sensor of the medium heating.

Wewnątrz zbiornika umieszczony jest pływak z detektorem położenia, który współpracuje z liniałem umieszczonym na zewnątrz zbiornika.Inside the tank there is a float with a position detector, which cooperates with a ruler placed outside the tank.

Na pokrywie zbiornika znajduje się sprężarka doprowadzająca sprężone powietrze do zbiornika poprzez zawór.There is a compressor on the cover of the tank, which supplies compressed air to the tank through a valve.

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 poglądowym schematycznym rysunku.The installation for heating utility water with a solar panel is shown in the exemplary embodiment in a schematic schematic drawing.

Instalacja składa się ze zbiornika 1, w którym są dwie strefy, strefa 2 wypełniona wodą i strefa 3 stanowiąca poduszkę powietrzną, do którego doprowadzona jest woda z instalacji 4 wodociągowej poprzez zawór Z1 z kryzą i przewód 5 rurowy. Ujście ze zbiornika 1 poprowadzone jest poprzez króciec 6 wylotowy umieszczony w najniższym miejscu zbiornika i dalej do instalacji domowej nie widoc znej na rysunku. W zbiorniku 1 umieszczona jest wężownica 12 panelu solarnego 9 oraz pływak 10 z umieszczonym w nim detektorem 11 położenia, który współpracuje z liniałem 13 umieszczonym na zewnątrz zbiornika 1. Ponadto w zbiorniku 1 mieszczony jest termometr 7 mierzący temperaturę podgrzewanej wody 2, zaś na przewodzie wylotowym czynnika roboczego umieszczony jest termometr 8 mierzący temperaturę panelu 9 solarnego. Zbiornik i wyposażony jest w pokrywę 1A, na której umieszczona jest sprężarka 13 uzupełniająca powietrze 3 w zbiorniku oraz zawór Z2 sprężonego powietrza, przez który odbywa się doprowadzanie i wypuszczanie powietrza.The installation consists of a tank 1 in which there are two zones, a zone 2 filled with water and a zone 3 constituting an air cushion to which water from the water supply 4 is supplied through the valve Z1 with a flange and a pipe conduit. The outlet from the tank 1 is led through the outlet connector 6 located at the lowest point of the tank and then to the domestic installation not shown in the drawing. In the tank 1 there is a coil 12 of the solar panel 9 and a float 10 with a position detector 11 placed in it, which cooperates with a ruler 13 located outside the tank 1. Moreover, the tank 1 houses a thermometer 7 measuring the temperature of the heated water 2, and on the outlet conduit working medium there is a thermometer 8 measuring the temperature of the solar panel 9. The tank and is equipped with a cover 1A on which a compressor 13 supplementing air 3 in the tank is located and a compressed air valve Z2 through which air is supplied and released.

W zbiorniku 1 ciepłej wody użytkowej nad powierzchnią podgrzewanej wody 2 znajduje się powietrze 3. Powietrze 3 jest sprężone a jego ciśnienie może być równe lub nieco niższe od ciśnienia wody zasilającej z instalacji 4 wodociągowej.There is air 3 in the domestic hot water tank 1 above the surface of the heated water 2. Air 3 is compressed and its pressure may be equal to or slightly lower than the pressure of water supplied from the water supply system 4.

Jeżeli temperatura Tw wody 2 w zbiorniku i wzrasta w wyniku dostarczonej przez panel 9 solarny energii cieplnej i przekracza temperaturę wody 2. To zadaną przez użytkownika (tj. Tw>To) a poziom podgrzewanej wody 2 znajduje się między położeniami k1 i k2, to mikroprocesorowe urządzenie sterujące nie widoczne na rysunku, otwiera zawór Z2, przez który ze zbiornika 1 wypływa powietrze 3. Jednocześnie przez otwarty zawór T2 dopływa zimna woda z sieci wodociągowej 4. W ten sposób zwiększa się objętość podgrzewanej wody 2 a jej średnia temperatura zmniejsza się w stosunku do poprzedniej wartości Tw o pewną zapewnioną przez układ sterowania wartość ΔΤ. Wartość ΔΤ jest tak dobrana by układ sterowania nie uaktywniał zbyt często urządzeń wykonawczych, którymi są: zawory Z1 i Z2 oraz agregat 13 sprężarkowy.If the temperature Tw of the water 2 in the tank i increases as a result of the thermal energy provided by the solar panel 9 and exceeds the water temperature 2. It is set by the user (i.e. Tw> To) and the level of heated water 2 is between positions k1 and k2, then the microprocessor a control device, not visible in the drawing, opens valve Z2 through which air flows from tank 1. At the same time, cold water flows from the water supply network through the open valve T2. Thus, the volume of heated water 2 increases and its average temperature decreases in relation to to the previous Tw value by a certain value ΔΤ provided by the control system. The value of ΔΤ is selected so that the control system does not activate too often the actuators, which are: the valves Z1 and Z2 and the compressor unit 13.

Wzrost objętości podgrzanej wody 2 w zbiorniku i umożliwia w kolejnym okresie akumulację energii cieplnej dostarczanej przez wężownicę 12 panelu solarnego 9, która np. nie jest odbierana w dostatecznym stopniu przez pobór ciepłej wody instalacji domowej. Opisane działanie dla Tw>To trwa aż do osiągnięcia przez poziom podgrzanej wody 2 skrajnego górnego położenia k2.The increase in the volume of heated water 2 in the tank allows the accumulation of thermal energy supplied by the coil 12 of the solar panel 9, which, for example, is not sufficiently received by the consumption of hot water from the domestic installation. The described action for Tw> To lasts until the heated water level reaches the 2 extreme upper position k2.

W ten sposób w opisanym zbiorniku i wody użytkowej zainstalowana została funkcja maksymalnego wykorzystania energii cieplnej dostarczanej przez panel solarny 9 w różnych porach roku, która polega na możliwości podgrzewania wody użytkowej 2 od pewnej minimalnej objętości i minimalnej jej temperatury akceptowalnej przez użytkownika wynoszącej Tw=Tomin, aż do zakumulowania maksymalnej objętości ciepłej wody WC użytkowej o akceptowalnej przez użytkownika temperaturze Tw=To_max. Przypadek pierwszy odpowiada sytuacjom, w których dostarczana jest niewielka energia cieplna np. w okresach zimowych, wiosennych, późnej jesieni. Przypadek drugi umożliwia akumulację znacznej energii cieplnej. W ten sposób urządzenie umożliwia lepsze wykorzystanie energii solarnej zapewniając jednocześnie komfort użytkownika dzięki możliwości stabilizacji temperatury wody zgodnieThus, in the described tank and domestic water, the function of the maximum use of the thermal energy supplied by the solar panel 9 in different seasons of the year was installed, which consists in the possibility of heating the domestic water 2 from a certain minimum volume and its minimum temperature acceptable by the user, amounting to Tw = Tomin, up to the accumulation of the maximum volume of domestic hot water with a temperature acceptable to the user Tw = To _max . The first case corresponds to situations in which little thermal energy is supplied, e.g. in winter, spring and late autumn periods. The second case allows the accumulation of considerable thermal energy. In this way, the device enables better use of solar energy while ensuring user comfort thanks to the possibility of stabilizing the water temperature in accordance with

PL 219 638 B1 z jego wymaganiami. Lepsze wykorzystanie energii solarnej przejawia się możliwością dłuższego czasu eksploatacji urządzenia w skali roku z jednoczesnym utrzymaniem jakości funkcjonalnej rozumianej jako dostarczenie ciepłej wody użytkowej o stabilizowanej temperaturze, z wyeliminowaniem gwałtownych wzrostów lub spadków temperatury ciepłej wody użytkowej.PL 219 638 B1 with its requirements. Better use of solar energy manifests itself in the possibility of a longer operation time of the device per year, while maintaining the functional quality understood as providing hot utility water with a stabilized temperature, eliminating sudden increases or decreases in the temperature of domestic hot water.

Jeżeli natomiast temperatury Tw wody 2 w zbiorniku i spada i jest mniejsza od temperatury wody zadanej przez użytkownika (tj. Tw<To a poziom wody znajduje się między położeniami M i to w chwili poboru ciepłej wody 2 przez użytkownika układ sterujący zamyka zawór Z1 a ciepła woda 2 jest wypychana przez powietrze 3. Jeżeli ciśnienie powietrza 3 osiągnie pewną wartość minimalną, to włącza się agregat 13 sprężarkowy i przez sterowany zawór Z2 wtłacza powietrze do zbiornika i aż do osiągnięcia nastawionego ciśnienia maksymalnego, które jest równe lub nieznacznie niższe od ciśnienia wody w sieci 4 zasilającej.If, on the other hand, the temperature Tw of the water 2 in the tank i drops and is lower than the water temperature set by the user (i.e. Tw <To and the water level is between positions M and then at the time of hot water 2 consumption by the user, the control system closes the valve Z1 and the heat water 2 is forced out by air 3. If the air pressure 3 reaches a certain minimum value, the compressor unit 13 is switched on and through the controlled valve Z2 it forces air into the tank and until the set maximum pressure is reached, which is equal to or slightly lower than the water pressure in mains 4.

Opisane działanie dla Tw<To trwa aż do osiągnięcia przez poziom podgrzanej wody 2 skrajnego, dolnego położenia W. W przypadku zmniejszenia w zbiorniku i objętości podgrzanej wody 2 może następować automatyczna zmiana wartości zadanej, w tym przypadku będzie to zmniejszenie temperatury To zadanej przez użytkownika o wartość ΔΥ aż do osiągnięcia wartości minimalnej To_min.The described operation for Tw <To lasts until the level of heated water 2 reaches the extreme, lower position W. In the event of a decrease in the volume of heated water 2 in the tank and the volume of heated water 2, an automatic change of the set point may take place, in this case it will be a reduction of the temperature To set by the user by value of ΔΥ until the minimum value is reached To _min .

Opisane działanie umożliwia stabilizację temperatury ciepłej wody 2 użytkowej w pobliżu zadanej przez użytkownika temperatury To z dokładnością ± ΔΤ, niezależnie od zmian mocy dostarczonej energii cieplnej przez panel 9 solarny i pobór wody przez użytkownika.The described operation enables the stabilization of the domestic hot water temperature in the vicinity of the user-set temperature To with an accuracy of ± Δ niezależnie, regardless of changes in the power of the supplied thermal energy by the solar panel 9 and water consumption by the user.

Claims

Patent claims

1. Installation for heating utility water with a solar panel, consisting of at least one solar panel, the coil of which is placed in the water tank, and a set of pipes and valves supplying and discharging water to the domestic installation, characterized in that the tank (1) is water has two zones, a zone (2) filled with water and a zone constituting an air cushion to which, in its lower part, water is supplied from the water supply system (4) through a valve with orifice (Z1) and a pipe (5) and an outlet connector (6) located at the lowest point of the tank bottom (1), draining utility water to the domestic installation, moreover, the tank (1) has a microprocessor-controlled air valve (Z2) regulating the pressure level located in the upper cover (1A) of the tank (1) and is equipped with at least two water level position sensors, lower (k1) and upper (k2) located outside the side shell of the tank (1) and in the water temperature sensor (7) (WC) Tw in zbi the plowman (1) and the solar panel (9) has a temperature sensor (8) of the heating medium,

2. Installation according to p. A float (10) with a position detector (11), which cooperates with a ruler (14) placed outside the tank (1), is arranged inside the tank (1).

3. Installation according to p. A compressor according to claim 1, characterized in that on the cover (1A) of the tank (1) there is a compressor (13) supplying compressed air to the tank (1) through the valve (Z2).

PL 219 638 B1