PL226528B1 - Układ gruntowego powietrznego wymiennika ciepła - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ gruntowego powietrznego wymiennika ciepła służący do odzysku ciepła lub chłodu z gruntu, pełniący jednocześnie funkcję filtra powietrza, mający zastosowanie głównie w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych.

Z polskiego zgłoszenia patentowego nr P.404130 znany jest układ gruntowego powietrznego wymiennika ciepła charakteryzujący się tym, że na podłożu wykonanym z kruszywa naturalnego żwirowego lub łamanego lub z mieszaniny piasku z kruszywem naturalnym żwirowym lub łamanym ułożone są kanały powietrzne w postaci połówek rur, korzystnie o półokrągłym przekroju poprzecznym, wykonane poprzez cięcie wzdłuż osi podłużnej rur litych albo korygowanych albo spiralnie zwijanych, korzystnie polietylenowych lub polipropylenowych. Połówki rur ułożone są na całej długości na podkładkach wykonanych z tworzywa, korzystnie polietylenu lub polipropylenu, zapobiegających przed wciskaniem połówek rur w podłoże. Kanały powietrzne w postaci połówek rur są szczelnie wsunięte z jednej strony do otworów wyciętych w kolektorze zbierającym a z drugiej strony do otworów wyciętych w kolektorze rozdzielającym. Kolektor zbierający z jednej strony zakończony jest zaślepką a z drugiej strony posiada króciec łączący go z rurą połączoną z drugiej strony z urządzeniem transportującym powietrze do docelowego miejsca odbioru, natomiast kolektor rozdzielający z jednej strony zakończony jest zaślepką a z drugiej strony posiada króciec łączący go z rurą połączoną z drugiej strony z czerpnią powietrza. Obydwa kolektory wykonane są z całych rur o pełnym obwodzie lub z połówek rur. Na wymienniku cieplnym składającym się z kolektorów oraz odpowiednio ułożonych połówek rur naniesiona jest warstwa gruntu rodzimego. W przypadku, gdy przewidywany jest duży nacisk od góry, pod warstwą gruntu rodzimego, na zewnętrznej powierzchni kolektorów oraz kanałów powietrznych w postaci połówek rur zalana jest korzystnie warstwa betonu, która tworzy betonową płytę wzmacniającą, z uformowanymi samoczynnie pomiędzy połówkami rur w trakcie lania warstwy betonu stopami betonowymi. W szczególnym przypadku, betonowa płyta wzmacniająca posiada dodatkowe wzmocnienie zbrojeniowe w postaci wbudowanej siatki zbrojarskiej lub drutu zbrojeniowego montowanego jako kratownica.

W przypadku posadowienia wymiennika na głębokości nie przekraczającej 2 m, w warstwie gruntu rodzimego, w odległości od 20 do 30 cm powyżej betonowej płyty wzmacniającej lub w razie jej braku powyżej powierzchni połówek rur, korzystnie ułożona jest - z naddatkiem po 2 do 2,5 m na każdą stronę od wymiennika - izolacja, korzystnie ze styroduru lub styropianu, o grubości nie mniejszej niż 15 cm.

Celem twórców niniejszego wynalazku było przede wszystkim zwiększenie sztywności a zarazem nośności konstrukcji znanych gruntowych wymienników ciepła oraz poprawa ich pa rametrów wymiany cieplnej (termodynamicznej) z gruntem.

Istotę wynalazku stanowi układ gruntowego powietrznego wymiennika ciepła zawierający podłoże, korzystnie utwardzone, wykonane z kruszywa naturalnego żwirowego lub łamanego, o granulacji kruszywa od 0-31,5 mm lub wykonane z mieszaniny, na którą składa się piasek, korzystnie płukany oraz naturalne żwirowe lub łamane kruszywo, korzystnie płukane, o granulacji kruszywa od 10 do 20 mm, w proporcjach korzystnie 3:1, na którym ułożone są kanały powietrzne, w których następuje wymiana cieplna transportowanego powietrza z gruntem, przy czym kanały powietrzne są szczelnie wsunięte z jednej strony do otworów wyciętych w kolektorze zbierającym a z drugiej strony do otworów wyciętych w kolektorze rozdzielającym, ponadto kolektor zbierający z jednej strony zakończony jest zaślepką a z drugiej strony posiada króciec łączący go z rurą połączoną z drugiej strony z urządzeniem transportującym powietrze do docelowego miejsca odbioru, natomiast kolektor rozdzielający z jednej strony zakończony jest zaślepką a z drugiej strony posiada króciec łączący go z rurą połączoną z drugiej strony z czerpnią powietrza, dodatkowo na wymienniku cieplnym składającym się z kolektorów zbierającego i rozdzielającego oraz odpowiednio ułożonych kanałów powietrznych naniesiona jest warstwa gruntu rodzimego, korzystnie odpowiednio zagęszczona, o grubości niezbędnej do wyrównania terenu w przypadku montażu na terenie otwartym lub do wyrównania przestrzeni pod wylewkami w przypadku montażu w obrysie fundamentów, charakteryzujący się tym, że kanały powietrzne mają postać modułów wykonanych poprzez tłoczenie, wtryskiwanie lub termoformowanie, a kanały te posiadają na swoim obwodzie rowki stanowiące przetłoczenia wykonane do wewnątrz w postaci rowków spiralnych i/lub poprzecznych i/lub karby stanowiące przetłoczenia wykonane na zewnątrz w postaci karbów spiralnych i/lub poprzecznych, przy czym rowki i karby wykonane są zwłaszcza w procesie wytłaczania lub termoformowania.

PL 226 528 B1

Korzystnym jest by część rowków i karbów w kanałach powietrznych wykonanych było spiralnie a część poprzecznie. Mają one za zadanie wzmocnić sztywność i nośność konstrukcji oraz spowodować lepszą wymianę cieplną z gruntem w kanałach powietrznych. Rowki i karby wykonane spiralnie wymuszają ruch obrotowy powietrza w kanale powietrznym, natomiast celem wykonania rowków i karbów poprzecznych jest zaburzenie ruchu laminarnego powietrza. Obydwa rozwiązania powodują sprowadzenie powietrza z górnej części kanału powietrznego do jego najniższego poziomu. Dzięki temu rozwiązaniu przepływ laminarny powietrza zamieni się w przepływ turbulentny, co spowoduje jego bezpośredni kontakt z podłożem i zaowocuje lepszą wymianą cieplną.

Korzystnie, jako kanały powietrzne stosuje się moduły wykonane z polietylenu.

Korzystnie, jako kanały powietrzne stosuje się moduły wykonane z polipropylenu.

Korzystnie, jako kanały powietrzne stosuje się moduły o półokrągłym przekroju poprzecznym.

Korzystnie, jako kanały powietrzne stosuje się moduły o półowalnym przekroju poprzecznym.

Korzystnie, kolektory zbierający i rozdzielający wykonane są z całych rur o pełnym obwodzie, a w ich dolnej części wykonane są otwory służące odprowadzaniu do gruntu kondensatu skroplonej wody.

W drugim wariancie, kolektory zbierający i rozdzielający wykonane są poprzez cięcie wzdłuż osi podłużnej rur, korzystnie o okrągłym lub owalnym przekroju poprzecznym, a kolektory te mają przekrój poprzeczny w kształcie dowolnego odcinka koła, korzystnie połowy koła.

Korzystnie, kanały powietrzne wykonane poprzez tłoczenie, wtryskiwanie lub termoformowanie, posiadają na krawędziach stopy nośne wykonane w trakcie tych procesów, które zapobiegają wciskaniu krawędzi kanałów powietrznych w podłoże.

W przypadku, gdy przewidywany jest duży nacisk od góry, pod warstwą gruntu rodzimego, na zewnętrznej powierzchni kolektorów zbierającego i rozdzielającego oraz kanałów powietrznych zalana jest korzystnie warstwa betonu, która tworzy betonową płytę wzmacniającą, z uformowanymi samoczynnie pomiędzy wypukłymi kanałami powietrznymi w trakcie lania warstwy betonu stopami betonowymi, przy czym pod warstwą betonu znajduje się korzystnie folia budowlana o grubości korzystnie 0,5 mm. Cały nacisk na betonową płytę wzmacniającą znajdującą się nad wymiennikiem jest przenoszony na jej stopy betonowe, które wsparte są na podkładkach z tworzywa lub stopach nośnych, w zależności od sposobu wykonania kanałów powietrznych. Dzięki zastosowaniu podkładek lub stóp nośnych nacisk warstw ziemi oraz innych obciążeń, na przykład nacisku ciężkiego transportu przenosi się na podłoże pod wymiennikiem.

Korzystnie, betonowa płyta wzmacniająca posiada dodatkowe wzmocnienie zbrojeniowe, na przykład wbudowaną w warstwę betonu wkładkę w postaci siatki zbrojarskiej lub drutów, prętów, strun zbrojeniowych, montowanych zwłaszcza w formie kratownicy.

Korzystnie wzmocnienie zbrojeniowe ma postać zbrojenia rozproszonego otrzymanego poprzez dodanie do betonu odpowiednich włókien stalowych lub syntetycznych, zwłaszcza polipropylenowych. Włókno stalowe wykorzystywane jest do zbrojenia betonu, jako alternatywa dla tradycyjnego zbrojenia. Na jego korzyść przemawiają przede wszystkim względy ekonomiczne, w tym możliwość zastosowania mniejszej grubości warstwy betonu, redukcja kosztów materiałowych, brak prac związanych z układaniem zbrojenia i kosztów transportu. Beton zbrojony włóknem stalowym posiada jednorodną strukturę z równomiernie rozprowadzonym zbrojeniem. Najkorzystniejsze jest zastosowanie zbrojenia rozproszonego z włókien syntetycznych, które przewyższa zaletami zbrojenie rozproszone z włókien stalowych, między innymi poprzez zwiększenie długoterminowej wytrzymałości betonu, odporność na korozję oraz niższą cenę.

W przypadku posadowienia wymiennika na głębokości nie przekraczającej 2 m, w warstwie gruntu rodzimego, powyżej betonowej płyty wzmacniającej lub w razie jej braku powyżej powierzchni kanałów powietrznych korzystnie ułożona jest - z naddatkiem po 2 do 2,5 m na każdą stronę od wymiennika - izolacja, korzystnie ze styroduru lub styropianu, o grubości nie mniejszej niż 15 cm.

Alternatywnym, ale równie korzystnym rozwiązaniem w przypadku posadowienia wymiennika na głębokości nie przekraczającej 2 m, w warstwie gruntu rodzimego, powyżej betonowej płyty wzmacniającej lub w razie jej braku powyżej powierzchni kanałów powietrznych ułożona jest termoizolacja w postaci warstwy betonu komórkowego o wysokiej odporności na wodę i wilgoć, o grubości zapewniającej parametry termoizolacyjne porównywalne z tymi, jakie zapewnia piętnastocentymetrowa warstwa styropianu lub styroduru. Do zalet betonu komórkowego należą wysoka odkształcalność cieplna i wilgotnościowa, niska przewodność cieplna i dobre parametry termoizolacyjne. Jest

PL 226 528 B1 stosunkowo łatwy w obróbce, zapewnia dobrą ognioodporność i ma dobrą odporność na działanie mrozu. Ponadto cechuje się niewielką masą i przystępną ceną.

Celem izolacji ze styroduru, styropianu lub innego podobnego materiału a także z termoizolacji z betonu komórkowego jest odizolowanie wymiennika od warunków atmosferycznych oraz w głównej mierze sztuczne podniesienie izoterm gruntu, dzięki czemu osiąga się takie warunki, jak gdyby wymiennik był zamontowany na głębokości 6-10 m, gdzie panują optymalne warunki cieplne bez względu na zewnętrzne warunki atmosferyczne, zwłaszcza w przybliżeniu stała temperatura gruntu (8-10°C).

Korzystnie, kanały powietrzne posiadają wewnętrzną powłokę antybakteryjną, dzięki czemu powietrze przez nie płynące, oczyszczane jest z niepożądanych bakterii.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia kolektor 3 lub 4 w wariancie wykonania: a) z całej rury o pełnym obwodzie, b) z połówki rury, w wersji z kanałami wykonanymi w procesie tłoczenia lub wtryskiwania lub termoformowania, ze stopami nośnymi 24 zamiast podkładek 5; fig. 2 - układ gruntowego powietrznego wymiennika ciepła w widoku z góry, w wersji z kanałami wykonanymi w procesie tłoczenia lub wtryskiwania lub termoformowania, ze stopami nośnymi 24 zamiast podkładek 5; fig. 3 - kanał powietrzny 2 w rzucie aksonometrycznym, w wariancie z kanałem wykonanym w procesie tłoczenia lub wtryskiwania lub termoformowania, z spiralnymi rowkami 20 i spiralnymi karbami 22 oraz stopami nośnymi 24; fig. 4 - kanał powietrzny 2 w widoku z boku w wariancie z kanałem wykonanym w procesie tłoczenia lub wtryskiwania lub termoformowania, z spiralnymi rowkami 20 i spiralnymi karbami 22 oraz poprzecznymi rowkami 21 i poprzecznymi karbami 23; fig. 5 - przekrój poprzeczny wzdłuż linii A-A₁ kanału powietrznego 2 pokazanego na fig. 4; fig. 6 - przekrój poprzeczny wzdłuż linii B-B₁ kanału powietrznego 2 pokazanego na fig. 4.

Ponadto na dodatkowym rysunku obrazującym stan techniki przedstawiono układ gruntowego powietrznego wymiennika ciepła w widoku z boku, w przekroju, w wariancie znanym z dotychczasowego stanu techniki, ze zgłoszenia patentowego P.404130, tj. z podkładkami 5 oraz izolacją 17.

Przykładowy układ gruntowego powietrznego wymiennika ciepła składa się z utwardzonego podłoża 1, wykonanego z kruszywa naturalnego łamanego, w postaci dolomitu, o granulacji od 0-31,5 mm, na którym ułożone jest pięć kanałów powietrznych 2 w postaci modułów o półokrągłym przekroju poprzecznym wykonanych poprzez termoformowanie z polietylenu, posiadających na swoich krawędziach stopy nośne 24 wykonane w trakcie termoformowania, zapobiegające przed wciskaniem kanałów powietrznych 2 w podłoże 1. Kanały powietrzne 2 są szczelnie wsunięte z jednej strony do otworów 6 wyciętych w kolektorze zbierającym 3, a z drugiej strony do otworów 6 wyciętych w kolektorze rozdzielającym 4. Kolektor zbierający 3 z jednej strony zakończony jest zaślepką 10 a z drugiej strony posiada króciec 11 łączący go z rurą 8 połączoną z drugiej strony z urządzeniem 19 transportującym powietrze do docelowego miejsca odbioru, natomiast kolektor rozdzielający 4 z jednej strony zakończony jest zaślepką 10 a z drugiej strony posiada króciec 11 łączący go z rurą 7 połączoną z drugiej strony z czerpnią powietrza 18. Obydwa kolektory 3 i 4 (fig. 1 a) wykonane są z całych rur o pełnym obwodzie, a w ich dolnej części wykonane są otwory 9 służące odprowadzaniu do gruntu kondensatu skroplonej wody. Pola powierzchni przekroju poprzecznego kolektorów 3 i 4 są większe od rur 7 i 8 transportujących powietrze.

Na zewnętrznej powierzchni kolektorów 3 i 4 oraz kanałów powietrznych 2 ułożona jest folia budowlana 12 o grubości 0,5 mm, na której zalana jest warstwa betonu tworząca betonową płytę wzmacniającą 13, z uformowanymi samoczynnie pomiędzy wypukłymi kanałami powietrznymi 2 w trakcie lania warstwy betonu stopami betonowymi 14, przenoszącymi obciążenia na podłoże 1. Betonowa płyta wzmacniająca 13 posiada dodatkowe wzmocnienie zbrojeniowe w postaci zbrojenia rozproszonego uzyskanego poprzez równomierne rozprowadzenie włókien syntetycznych w masie betonowej. Na betonowej płycie wzmacniającej 13 naniesiona jest odpowiednio zagęszczona warstwa gruntu rodzimego 16, w której, w odległości 30 cm powyżej betonowej płyty wzmacniającej 13 ułożona jest termoizolacja w postaci warstwy betonu komórkowego, o grubości 30 cm.

Na obwodzie kanałów powietrznych 2 wykonane są do wewnątrz, spiralnie rowki 20, a do zewnątrz również spiralnie karby 22 oraz do wewnątrz, poprzecznie rowki 21, a do zewnątrz również poprzecznie karby 23.

Działanie grantowego powietrznego wymiennika ciepła jest następujące. Powietrze atmosferyczne pobierane z czerpni powietrza 18, gdzie jest wstępnie filtrowane, doprowadzane jest rurą 7 do kolektora rozdzielającego 4, do którego wprowadzane jest poprzez króciec 11, następnie przez

PL 226 528 B1 otwory 6 wprowadzane jest do kanałów powietrznych 2, gdzie następuje wymiana termodynamiczna (cieplna) transportowanego powietrza bezpośrednio z gruntem. Rowki 20 oraz karby 22 wykonane spiralnie wymuszają ruch obrotowy powietrza w kanale powietrznym 2, natomiast rowki 21 i karby 23 poprzeczne zaburzają ruch laminarny powietrza. Dzięki temu rozwiązaniu przepływ laminarny powietrza zamienia się w przepływ turbulentny, co powoduje jego bezpośredni kontakt z podłożem i owocuje lepszą wymianą cieplną z grantem. Następnie tak schłodzone/ogrzane powietrze przez otwory 6 wprowadzane jest do kolektora zbierającego 3, skąd poprzez króciec 11 wprowadzane jest do rury 8 transportującej powietrze do urządzenia 19 transportującego powietrze do docelowego miejsca odbioru, na przykład do centrali wentylacyjnej. Zarówno w rurach transportujących 7 i 8 jak i w kolektorach oraz kanałach powietrznych 2 następuje uzdatnienie antybakteryjne transportowanego powietrza w wyniku kontaktu z warstwą antybakteryjną. Takim sposobem do miejsca docelowego dostarczane jest powietrze uzdatnione antybakteryjnie oraz odpowiednio schłodzone/podgrzane w zależności od zewnętrznych warunków atmosferycznych.

Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według wynalazku może być wykorzystany wszędzie tam, gdzie powietrze potrzeba podgrzać lub schłodzić, na przykład w domach jednorodzinnych, obiektach użyteczności publicznej, do chłodzenia urządzeń technologicznych w przemyśle, handlu spożywczym, czy w gastronomii, do chłodzenia skraplaczy w instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych itp.

Claims (1)

1. Układ gruntowego powietrznego wymiennika ciepła, zawierający podłoże, korzystnie utwardzone, wykonane z kruszywa naturalnego żwirowego lub łamanego, o granulacji kruszywa od 0-31,5 mm lub wykonane z mieszaniny, na którą składa się piasek, korzystnie płukany oraz naturalne żwirowe lub łamane kruszywo, korzystnie płukane, o granulacji kruszywa od 10 do 20 mm, w proporcjach korzystnie 3:1, na którym ułożone są kanały powietrzne, w których następuje wymiana cieplna transportowanego powietrza z gruntem, przy czym kanały powietrzne są szczelnie wsunięte z jednej strony do otworów wyciętych w kolektorze zbierającym a z drugiej strony do otworów wyciętych w kolektorze rozdzielającym, ponadto kolektor zbierający z jednej strony zakończony jest zaślepką a z drugiej strony posiada króciec łączący go z rurą połączoną z drugiej strony z urządzeniem transportującym powietrze do docelowego miejsca odbioru, natomiast kolektor rozdzielający z jednej strony zakończony jest zaślepką a z drugiej strony posiada króciec łączący go z rurą połączoną z drugiej strony z czerpnią powietrza, dodatkowo na wymienniku cieplnym składającym się z kolektorów zbierającego i rozdzielającego oraz odpowiednio ułożonych kanałów powietrznych naniesiona jest warstwa gruntu rodzimego, korzystnie odpowiednio zagęszczona, o grubości niezbędnej do wyrównania terenu w przypadku montażu na terenie otwartym lub do wyrównania przestrzeni pod wylewkami w przypadku montażu w obrysie fundamentów, znamienny tym, że kanały powietrzne (2) mają postać modułów wykonanych poprzez tłoczenie, wtryskiwanie lub termoformowanie, a kanały te posiadają na swoim obwodzie rowki stanowiące przetłoczenia wykonane do wewnątrz w postaci rowków spiralnych (20) i/lub poprzecznych (21) i/lub karby stanowiące przetłoczenia wykonane na zewnątrz w postaci karbów spiralnych (22) i/lub poprzecznych (23).

   Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że jako kanały powietrzne (2) stosuje się moduły wykonane z polietylenu.

   Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że jako kanały powietrzne (2) stosuje się moduły wykonane z polipropylenu.

   Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że jako kanały powietrzne (2) stosuje się moduły o półokrągłym przekroju poprzecznym.

   Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że jako kanały powietrzne (2) stosuje się moduły o półowalnym przekroju poprzecznym.

   Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że kolektory (3) i (4) wykonane są z całych rur o pełnym obwodzie, a w ich dolnej części wykonane są otwory (9) służące odprowadzaniu do gruntu kondensatu skroplonej wody.

   Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że kolektory (3) i (4) wykonane są poprzez cięcie wzdłuż osi podłużnej rur, korzystnie o okrągłym lub owalnym przekroju poprzecznym,

   PL 226 528 B1 a kolektory te mają przekrój poprzeczny w kształcie dowolnego odcinka koła, korzystnie połowy koła.

   8. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że kanały powietrzne (2) wykonane poprzez tłoczenie, wtryskiwanie lub termoformowanie posiadają na krawędziach stopy nośne (24) wykonane w trakcie tych procesów.

   9. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że w przypadku, gdy przewidywany jest duży nacisk od góry, pod warstwą gruntu rodzimego (16), na zewnętrznej powierzchni kolektorów (3) i (4) oraz kanałów powietrznych (2) zalana jest warstwa betonu, która tworzy betonową płytę wzmacniającą (13), z uformowanymi samoczynnie pomiędzy wypukłymi kanałami powietrznymi (2) w trakcie lania warstwy betonu stopami betonowymi (14), przy czym pod warstwą betonu znajduje się korzystnie folia budowlana (12) o grubości korzystnie 0,5 mm.

   10. Układ według zastrz. 9, znamienny tym, że betonowa płyta wzmacniająca (13) posiada dodatkowe wzmocnienie zbrojeniowe.

   11. Układ według zastrz. 10, znamienny tym, że wzmocnienie zbrojeniowe ma postać wbudowanej w warstwę betonu wkładki (15) w postaci siatki zbrojarskiej lub drutów, prętów, strun, montowanych zwłaszcza w formie kratownicy.

   12. Układ według zastrz. 10, znamienny tym, że wzmocnienie zbrojeniowe ma postać zbrojenia rozproszonego otrzymanego poprzez dodanie do betonu odpowiednich włókien stalowych lub syntetycznych, zwłaszcza polipropylenowych.

   13. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że w przypadku posadowienia wymiennika na głębokości nie przekraczającej 2 m, w warstwie gruntu rodzimego (16), powyżej betonowej płyty wzmacniającej (13) lub w razie jej braku powyżej powierzchni kanałów powietrznych (2) ułożona jest - z naddatkiem po 2 do 2,5 m na każdą stronę od wymiennika - izolacja (17), korzystnie ze styroduru lub styropianu, o grubości nie mniejszej niż 15 cm.

   14. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że w przypadku posadowienia wymiennika na głębokości nie przekraczającej 2 m, w warstwie gruntu rodzimego (16), powyżej betonowej płyty wzmacniającej (13) lub w razie jej braku powyżej powierzchni kanałów powietrznych (2) ułożona jest termoizolacja w postaci warstwy betonu komórkowego o wysokiej odporności na wodę i wilgoć, o grubości zapewniającej parametry termoizolacyjne porównywalne z tymi jakie zapewnia piętnastocentymetrowa warstwa styropianu lub styroduru.

   15. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że kanały powietrzne (2) posiadają wewnętrzną powłokę antybakteryjną.