PL231482B1 - Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła i zespół takich wymienników ciepła - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest gruntowy powietrzny wymiennik ciepła oraz zespół takich wymienników ciepła.

Zadaniem powietrznych gruntowych wymienników ciepła jest wstępne podgrzanie powietrza w gruncie w okresie zimowym i chłodzenie powietrza w okresie letnich upałów. W ten sposób korzysta się z darmowej naturalnej energii zawartej w gruncie. Powietrze obrobione termicznie w gruntowym wymienniku ciepła może być później wykorzystywane do wentylacji budynków i w różnych procesach technologicznych. Efektywność wymiany cieplnej pomiędzy powietrzem a gruntem zależna jest od budowy wymiennika, jak również od warunków klimatycznych panujących na danym obszarze. Generalnie, im większa jest różnica między temperaturami zimowymi a letnimi, tym wymiennik jest bardziej wydajny.

Jeśli powietrze ma służyć do wentylacji pomieszczeń bytowych, to korzystne jest, aby wymiennik oprócz zmiany temperatury poprawiał i inne jego parametry. Dotyczy to w szczególności wilgotności, redukcji szkodliwych gazów smogowych, czystości mechanicznej i mikrobiologicznej. Niektóre znane wymienniki mają cechy wpływające korzystnie na powyższe parametry, jednak ich skuteczność jest ograniczona. Znany z opisu patentowego PL 217601, należącego do obecnego Zgłaszającego, gruntowy wymiennik ciepła charakteryzuje się wysoką sprawnością wymiany cieplnej. Ta wysoka sprawność wynika z optymalnie uformowanego kanału przepływu powietrza oraz z bezpośredniego kontaktu przepływającego przez ten kanał powietrza z porowatą powierzchnią podłoża wymiennika. Sprawność wymiany cieplnej pomiędzy powietrzem a podłożem takiego wymiennika może osiągnąć ponad 90%, czego dowodzi praktycznie stała wartość temperatury powietrza za wymiennikiem w przedziale dzieńnoc. Konstrukcja tego wymiennika sprawia, że następuje w nim również wymiana gazowa z gruntem, szczególnie dotyczy to wymiany wilgoci. Dzięki temu, powietrze może być zimą w pewnym stopniu nawilżane, a latem w procesie chłodzenia osuszane. Jednak w praktyce, np. w polskich warunkach klimatycznych, nie osiąga się stopnia chłodzenia powietrza wystarczającego by nie przekraczać tzw. „krzywej duszności”. Powoduje to konieczność dodatkowego chłodzenia powietrza w sposób standardowy, przeważnie układami chłodniczymi. Zimą natomiast, szczególnie podczas mrozów, powietrze wentylacyjne jest permanentnie suche. W spotykanych rozwiązaniach wymienników bezprzeponowych następuje wprawdzie częściowe dowilżanie wilgocią podciąganą z gruntu, ale z powodu ograniczonej kapilarności podłoża i względnie niskiej temperatury powietrza za wymiennikiem ilość dostarczanej wilgoci jest niewielka.

Innym rodzajem gruntowego wymiennika ciepła są tzw. „wymienniki żwirowe. Przykład takiego wymiennika znany jest z opisu patentowego PL 206332. W takim wymienniku powietrze płynie przez złoże kamienne, np. żwirowe. Złoże to jest umieszczone w wykopie ziemnym. Kierunek przepływu powietrza jest wzdłuż wykopu, a więc praktycznie poziomy. Powietrze ma bezpośredni kontakt ze ścianami wykopu, natomiast z gruntem rodzimym kontaktuje się tylko w niewielkim stopniu. Większość powietrza płynąc przez całe złoże kamienne nie wymienia energii cieplnej z gruntem, lecz tylko z kamieniami w górnej warstwie złoża, odizolowanymi od gruntu rodzimego kamieniami znajdującymi się poniżej. Wydajność energetyczna tego typu wymienników jest przez to znacznie ograniczona, co potwierdzają ich liczne istniejące realizacje. Znane są też rozwiązania tego typu wymiennika z dodatkową instalacją zraszającą złoże wodą. Zraszanie odbywa się od górnej warstwy kamieni, woda spływa po kamieniach w dół. Potwierdzona jest wysoka skuteczność tego sposobu nawilżania w pewnym zakresie temperatur, powietrze za wymiennikiem może mieć praktycznie 100% wilgotności względnej. Jednak podczas mrozów z temperaturami poniżej -5°C nawilżanie tego typu wymienników praktycznie przestaje działać, ponieważ dochodzi do zamarzania instalacji zraszania. Chociaż teoretycznie możliwa jest znaczna zmiana temperatury powietrza, a więc dodatkowe chłodzenie latem i ogrzewanie zimą za pomocą tego typu wymiennika, rozwiązanie to ma jednak następujące niedogodności:

- zimą podczas mrozów złoże kamienne wraz z instalacją zraszającą ulega zamarzaniu, co stanowi istotny problem eksploatacyjny. Aby skutecznie podgrzewać powietrze do wartości temperatur zawsze dodatnich należałoby nieprzerwanie doprowadzać wodę i to w znacznych ilościach. Nadmiar gromadzonej wody w wykopie wymiennika może spowodować jego zalewanie i tym samym zatykanie. Na przykład dla instalacji wentylacji niewielkiego domku jednorodzinnego, w okresie mrozów ze średnią dobową temperaturą zewnętrzną -10°C wymienniki tego typu podgrzewają powietrze do około -5°C. Przy tej temperaturze jest ono zbyt suPL 231 482 B1 che. Aby strumień powietrza o wielkości 300 m3/h podgrzać i dowilżyć do minimalnej wymaganej wartości +2°C/95% potrzeba ponad 250 litrów wody na godzinę. Oczywiście dochodzą do tego problemy ze skutkami zamarzania wody;

- latem podczas upałów, aby za pomocą zraszania powietrze skutecznie chłodzić poniżej tzw. krzywej duszności, należałoby doprowadzać do wymiennika ogromne ilości wody, co prowadziłoby do niebezpieczeństwa zalania wymiennika. Na przykład, w tego typu wymienniku o standardowej powierzchni 3 m x 4 m, dla strumienia powietrza wentylacyjnego 400 m³/h i parametrach na wejściu +35°C/60% i na wyjściu +12°C/100%, ilość doprowadzanej wody gruntowej w tych warunkach to około 1100-1300 litrów na godzinę.

W znanych wymiennikach ciepła instalacja zraszania wodą służy do nawilżania złoża, w któ rym następuje wymiana ciepła, czyli woda pojawia się w środowisku powietrza o różnych parametrach energetycznych - temperatura i wilgotność. Stanowi to wadę szczególnie zimą, bowiem już przy niewielkich mrozach część instalacji zraszania znajduje się w temperaturze mogącej powodować zamarznięcie, niedrożność lub trwałe uszkodzenie elementów z wodą.

Celem wynalazku było opracowanie gruntowego powietrznego wymiennika ciepła i zespołu takich wymienników, które umożliwiałyby zapewnienie optymalnych parametrów obrabianego powietrza, w szczególności wentylacyjnego.

Celem wynalazku było też opracowanie gruntowego powietrznego wymiennika ciepła i zespołu takich wymienników o wysokiej skuteczności mechanicznego i katalitycznego oczyszczania powietrza, odpowiednio do stopnia zanieczyszczenia powietrza zewnętrznego smogiem ulicznym, szkodliwymi gazami czy dymem kominowym.

W szczególności, celem wynalazku było opracowanie gruntowego powietrznego wymiennika ciepła, w którym można by było uniknąć wyżej wymienionych wad znanych wymienników i który umożliwiałby, bardziej skutecznie niż znane wymienniki tego typu, ogrzanie powietrza zewnętrznego zimą i zapewnienie mu dostatecznej wilgotności, oraz ochłodzenie i wysuszenie powietrza zewnętrznego latem, tak aby w umiarkowanej strefie klimatycznej możliwe było wyeliminowanie konieczności stosowania klimatyzatorów.

Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według wynalazku, posadowiony na warstwie gruntu rodzimego i przykryty warstwą termoizolacyjną, wykorzystujący energię cieplną gruntu, zawiera doprowadzenie powietrza zewnętrznego, które połączone jest z pierwszym kanałem cyrkulacyjnym powietrza, ponadto zawiera kolektor odbierający połączony z instalacją wentylacyjną budynku, przy czym pierwszy kanał cyrkulacyjny ograniczony jest od spodu warstwą gruntu rodzimego.

Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według wynalazku charakteryzuje się tym, że pierwszy kanał cyrkulacyjny powietrza składa się z dwóch części: pierwszej i drugiej, przy czym pierwsza część przykryta jest nieprzepuszczającą powietrza płytą nośną, zaś druga część przykryta jest pierwszą przepuszczającą powietrze warstwą konstrukcyjną, nad którą znajduje się układ regenerująco- uzdatniający zawierający warstwę złoża aktywnego, przykrytą drugą przepuszczającą powietrze warstwą konstrukcyjną, nad którą znajduje się drugi kanał cyrkulacyjny powietrza, przykryty nieprzepuszczającą powietrza płytą nośną oraz połączony z kolektorem odbierającym, znajdującym się powyżej warstwy złoża aktywnego.

Korzystnie, w górnej części warstwy złoża aktywnego umieszczone są środki nawadniające złoże aktywne.

Środki nawadniające mogą stanowić przewody doprowadzające wodę, korzystnie wodę gruntową.

Korzystnie, zarówno pierwsza jak i druga warstwa konstrukcyjna zawiera otwory i wykonana jest z siatki z materiału termoplastycznego lub z perforowanej płyty.

Łączna powierzchnia otworów każdej przepuszczającej powietrze warstwy konstrukcyjnej korzystnie jest nie mniejsza niż 20% jej powierzchni całkowitej.

Korzystnie, kolektor odbierający zaopatrzony jest w co najmniej jeden środek wymuszający przepływ powietrza przez wymiennik, korzystnie wentylator.

Warstwa złoża aktywnego może być wykonana z kamienia płukanego lub łupanego.

Korzystnie, warstwa złoża aktywnego zawiera dolomit, węgiel aktywowany, węgiel drzewny lub ich mieszankę.

Warstwa złoża aktywnego może zawierać kamienie o granulacji w zakresie od 2 mm do 80 mm.

Korzystnie, warstwa złoża aktywnego ma grubość w zakresie od 0,1 m do 1,5 m.

PL 231 482 B1

Warstwa złoża aktywnego może też zawierać dodatkową warstwę węgla aktywowanego lub węgla drzewnego, umieszczoną nad środkami nawadniającymi.

Wymiennik ciepła według wynalazku może być zaopatrzony w dodatkowy kolektor odbierający, połączony z pierwszym kanałem cyrkulacyjnym.

Dodatkowy kolektor odbierający może być zaopatrzony w co najmniej jeden środek wymuszający przepływ powietrza przez wymiennik, korzystnie wentylator.

Korzystnie, wymiennik ciepła zaopatrzony jest w układ sterowania, który steruje ilością strumienia powietrza oraz odpowiednio dozuje ilość wody doprowadzanej do warstwy złoża aktywnego przez środki nawadniające.

Zespół wymienników ciepła według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera co najmniej dwa gruntowe powietrzne wymienniki ciepła według wynalazku, połączone wspólnym doprowadzeniem powietrza zewnętrznego i co najmniej wspólnym kolektorem.

W wymienniku według wynalazku powietrze procesowe, które przepłynęło już przez pierwszy kanał cyrkulacyjny i zostało już zasadniczo ogrzane (w zimie) lub schłodzone (w lecie), przepływa następnie przez układ regenerująco-uzdatniający, dzięki czemu zostaje poddane dalszej obróbce. W układzie tym powietrze przepływa bardzo powoli, dzięki czemu zachodzące w układzie mechaniczne i katalityczne oczyszczania powietrza jest bardzo skuteczne.

W korzystnym wariancie wymiennika według wynalazku, w układzie regenerująco- uzdatniającym powietrze poddawane jest zraszaniu. Wariant ten ma dodatkową zaletę, ponieważ dopływające do układu regenerująco-uzdatniającego powietrze zostało już wstępnie ogrzane (w zimie) lub schłodzone (w lecie). Dzięki temu, w porównaniu ze znanymi wymiennikami „żwirowymi”, w zimie temperatura wody krążącej w układzie regenerująco-uzdatniającym, służąca do dalszej obróbki powietrza jest wyższa i woda ta nie zamarza. Z kolei w lecie, wstępnie schłodzone powietrze wymaga zastosowania dużo mniejszej ilości wody w celu uzyskania wysokiej skuteczności chłodzenia i suszenia. W ten sposób w wymienniku według wynalazku wyeliminowany został problem z zalewaniem i zamarzaniem wymiennika.

Dzięki specyficznej budowie wymiennika według wynalazku również opory pneumatyczne są zdecydowanie niższe niż w przypadku znanych wymienników żwirowych. Praktycznie, opory całego wymiennika nie powinny przekraczać wartości 100 Pa, podczas gdy typowe rozwiązania wymienników żwirowych mają opory 2-3 krotnie wyższe.

Kolejną zaletą wymiennika według wynalazku jest to, że jego wysoką skuteczność uzyskano przy stosunkowo niewielkiej powierzchni, ponieważ układ regenerująco-uzdatniający znajduje się ponad częścią wymiennika, a strumień powietrza płynie w tym układzie w kierunku pionowym.

Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła przedstawiony został w przykładach wykonania na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia schematycznie przekrój poprzeczny pierwszego przykładu wykonania wymiennika według wynalazku;

Fig. 2 przedstawia częściowo przekrojowy widok z góry przykładu pokazanego na fig. 1;

Fig. 3 przedstawia schematycznie przekrój poprzeczny drugiego przykładu wykonania wymiennika według wynalazku;

Fig. 4 przedstawia schematycznie przekrój poprzeczny trzeciego przykładu wykonania wymiennika według wynalazku;

Fig. 5a i 5b przedstawiają dwa przykładowe schematy podłączenia kolektorów odbierających B i B1.

Fig. 6, 7 i 8 przedstawiają schematyczne przekroje innych przykładów wykonania wymiennika według wynalazku.

Fig. 9 i 10 przedstawiają przykłady wykonania zespołu wymienników ciepła według wynalazku w częściowo przekrojowych widokach z góry.

Na fig. 1 pokazany jest gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według pierwszego przykładu wykonania wynalazku, który zawiera dwie części - pierwsza część (na fig. 1 część lewa) odpowiada znanemu wymiennikowi, takiemu jak opisano np. w patencie PL 217601, natomiast druga część (na fig. 1 część prawa) to układ regenerująco-uzdatniający.

W opisanym przykładzie, wymiennik według wynalazku, tak jak wymiennik według PL 217601, posadowiony jest korzystnie na warstwie podbudowy 2 nieprzepuszczającej powietrza uformowanej na gruncie rodzimym 1. Wymiennik ten wykorzystuje energię cieplną gruntu, i zawiera czerpnię powietrza zewnętrznego (niepokazaną) połączoną z osadzonymi w wymienniku przewodami rurowymi i kanałami powietrznymi A prowadzącymi powietrze przez wymiennik, jak również z kolektorem odbierającym B.

PL 231 482 B1

Warstwa gruntu rodzimego 1 pod wymiennikiem według wynalazku jest warstwą o dobrej przewodności cieplnej. Na warstwie gruntu rodzimego umieszczona jest podbudowa wymiennika 2, na której znajduje się siatka konstrukcyjna 4 osadzona na siatce stabilizującej 3. Podbudowa 2 to warstwa żwiru lub kamienia łupanego wypełniona piaskiem o dobrej przewodności cieplnej, na której ułożone są siatki 3, 4. Powyżej podbudowy 2 znajduje się pierwszy kanał cyrkulacyjny 5, składający się z dwóch części 5a i 5b (patrz fig. 2). Pierwsza część 5a ograniczona jest od góry nośną płytą 6, wspartą na siatce za pomocą elementów dystansowych 7. Płyta nośna 6 może być przykryta warstwą 8 w postaci dowolnego ziemnego materiału zasypowego, np. może to być naturalna pospółka lub wykopany wcześniej grunt. Cały wymiennik przykryty jest od góry termoizolacją 9.

Powietrze zewnętrzne wpływa do wymiennika przez doprowadzenie (np. kanał) A, i jako powietrze procesowe płynie wzdłuż podbudowy 2 pierwszym kanałem cyrkulacyjnym 5, w którym następuje zasadnicza wymiana cieplna z podłożem, czyli gruntem rodzimym 1. Jednocześnie następuje też wymiana gazowa, głównie pary wodnej. Ponieważ przepływające powietrze ma bezpośredni kontakt z mikroflorą gruntu, w pierwszym kanale cyrkulacyjnym 5 następuje naturalna redukcja zawartości chorobotwórczych bakterii, zarodników grzybów i pleśni.

Pierwszy kanał cyrkulacyjny 5 ma długość oznaczoną na fig. 1 jako L. Długość ta jest tak dobrana, aby zapewnić wystarczającą wydajność wymiany ciepła, tzn. aby zimą temperatura na końcu kanału 5 nie była niższa niż 0°C. Praktycznie, długość L wynosi od 4 m do 10 m i jest uzależniona od prędkości przepływającego powietrza oraz występującej w danym miejscu strefy klimatycznej.

W końcowym odcinku pierwszego kanału cyrkulacyjnego 5, czyli w jego drugiej części 5b, płyta nośna 6 zastąpiona jest przez pierwszą przepuszczającą powietrze warstwę konstrukcyjną 10, nad którą znajduje się druga część wymiennika, czyli układ regenerująco-uzdatniający. Pierwsza przepuszczająca powietrze warstwa konstrukcyjna 10 jest w tym przykładzie siatką konstrukcyjną z materiału termoplastycznego, której oczka mają taką wielkość, aby elementy złoża układu regenerującego nie przedostawały się do pierwszego kanału cyrkulacyjnego 5b. Na fig. 1 wymiary układu regeneracyjno uzdatniającego oznaczone zostały jako Y- długość, X - wysokość. Szerokość Z układu zaznaczona jest na fig. 2.

Układ regenerująco-uzdatniający zbudowany jest z warstwy złoża aktywnego 11, przykrytego od góry drugą przepuszczającą powietrze warstwą konstrukcyjną 12, nad którą znajduje się drugi kanał cyrkulacyjny powietrza obrobionego 13. Druga przepuszczająca powietrze warstwa konstrukcyjna 12 jest w tym przykładzie siatką konstrukcyjną z materiału termoplastycznego.

Zarówno pierwsza jak i druga przepuszczająca powietrze warstwa konstrukcyjna nie musi być wykonana jako siatka. Warstwy 10 i 12 mogą być wykonane np. z perforowanej litej płyty. Niezależnie od formy wykonania warstw 10 i 12, łączna powierzchnia otworów nie powinna być mniejsza niż 20% powierzchni całkowitej S, przy czym S = Y x Z.

Ewentualnie, na pierwszej siatce konstrukcyjnej 10 może być umieszczona dodatkowa siatka zabezpieczająca o odpowiednich oczkach dostosowanych do granulacji złoża. Jej zadaniem jest zapobiegnięcie przedostawania się kamieni złoża aktywnego 11 przez siatkę 10 do pierwszego kanału cyrkulacyjnego 5. Sumaryczna powierzchnia oczek tej dodatkowej siatki zabezpieczającej i siatki 10 powinna stanowić mniej niż 20% powierzchni siatki 10.

Wielkość poziomej powierzchni całkowitej S jest tak dobrana, aby w zależności od granulacji kamieni złoża aktywnego zapewnić względnie niewielkie opory pneumatyczne. Wielkość powierzchni S zależy od parametru k wyrażonego jako wielkość strumienia powietrza na jednostkę powierzchni S. Parametr „k” powinien być z przedziału od 60 do 400 m³/h/m².

Złoże aktywne może być wykonane z kamienia płukanego, dolomitu lub innego kamienia łupanego, węgla aktywowanego, lub odpowiedniej do wymaganej funkcji mieszanki. W złożu tym następuje bardzo intensywne oddziaływanie naturalnej flory ziemnej (głównie bakterie tlenowe) oraz katalityczna redukcja niektórych gazów. W przypadku zastosowania węgla aktywowanego następuje dodatkowo chemiczna filtracja szkodliwych gazów oraz dymu.

Grubość X złoża aktywnego 11 uzależniona jest od wymaganych parametrów powietrza oraz maksymalnych dopuszczalnych oporów pneumatycznych i zawiera się w przedziale od 0,1 m do 1,5 m.

Kamienie złoża aktywnego powinny mieć granulację od 2 mm do 80 mm. Złoże może być uformowane w całości z jednej technologicznej warstwy kamieni jednego lub kilku rodzajów materiału, jak również z odpowiednio uformowanych warstw o różnej granulacji lub różnych materiałów.

PL 231 482 B1

Głównym kryterium określającym ograniczenia dla parametru k, grubości złoża X oraz jego granulacji są dopuszczalne opory pneumatyczne wymiennika ciepła. Dlatego korzystne jest, aby prędkość przepływającego powietrza pomiędzy kamieniami złoża aktywnego 11 nie była większa niż 1 m/s.

Drugi kanał cyrkulacyjny powietrza obrobionego 13 przykryty jest nieprzepuszczającą powietrza płytą nośną 14 wspartą na elementach dystansowych 15. Na końcu drugiego kanału cyrkulacyjnego 13, nad warstwą złoża aktywnego 11, znajduje się kolektor odbierający B.

Po opuszczeniu drugiej części pierwszego kanału cyrkulacyjnego 5b powietrze procesowe zmienia kierunek przepływu i dalej płynie w górę, poprzez siatkę 10 w kierunku pionowym przez układ regenerująco-uzdatniający. Pomiędzy kamieniami złoża aktywnego 11 powietrze przepływa bardzo powoli. Następnie, ponownie płynie poziomo przez drugi kanał cyrkulacyjny 13 i wypływa przez kolektor odbierający B do instalacji wentylacyjnej budynku.

Na fig. 2 pokazany jest schematycznie częściowo przekrojowy widok z góry wymiennika pokazanego w przekroju na fig. 1. Na tej figurze wymiennik pokazany jest w stanie gdy nie położono jeszcze warstw przykrywających płytę nośną 6 oraz górnej termoizolacji 9, przy czym lewa strona wymiennika pokazana jest w widoku z góry, natomiast układ regenerująco-uzdatniający pokazany jest w przekroju poziomym poprowadzonym nad warstwą 10. Na fig. 2 widać dopro wadzenie powietrza zewnętrznego A, płytę nośną 6 oraz siatkę konstrukcyjną 10. Jak widać, pole powierzchni siatki ma wielkość S = Z x Y. Jak widać, pierwszy kanał cyrkulacyjny powietrza 5 składa się z dwóch części pierwszej 5a i drugiej 5b.

Fig. 3 przedstawia gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według drugiego przykładu wykonania wynalazku. Wymiennik ten różni się od wymiennika pokazanego na fig. 1 tym, że układ regenerująco uzdatniający zaopatrzony jest w środki nawadniające złoże aktywne 11. W tym przykładzie wykonania są to przewody instalacji nawadniającej 16.

Ponad przewodami nawadniającymi 16 korzystnie jest umieścić dodatkowe złoże z węgla aktywowanego lub drzewnego.

Przewody 16 powinny więc być zamontowane na złożu aktywnym 11 lub w samym złożu i mogą być przykryte pewną ilością kamieni złoża. Jeśli przewody 16 są ułożone na powierzchni złoża aktywnego 11, to na nich układa się siatkę konstrukcyjną 12 oraz płytę nośną 14 wspartą na elementach dystansowych 15. Ewentualnie, przewody 16 mogą być umieszczone w drugim kanale cyrkulacyjnym

13. Przewody powinny być ułożone korzystnie poziomo, w sposób zapewniający skuteczne zroszenie całego złoża aktywnego 11. W przykładzie pokazanym na fig. 3 przewody 16 rozmieszczone są poprzecznie do powierzchni rysunku. Zraszanie może odbywać się metodą kroplową lub natryskowo, cyklicznie lub w sposób ciągły.

Korzystnie, wymiennik zaopatrzony jest w układ sterowania US (fig. 5a), który steruje ilością strumienia powietrza oraz odpowiednio dozuje ilość doprowadzanej wody, w taki sposób aby zapewnić pożądaną wartość temperatury i wilgotności powietrza na wyjściu z wymiennika. Układ sterowania US może być dowolnym, konwencjonalnym odpowiednim do tego celu układem sterowania.

W tym drugim przykładzie wykonania wymiennika złoże aktywne 11 może być regularnie zraszane wodą, korzystnie wodą gruntową. Umieszczenie instalacji nawadniającej 16 w końcowej części wymiennika ma na celu:

- latem dodatkowe chłodzenie i tym samym suszenie powietrza do wartości poniżej +12°C, która jest wystarczająca, aby zapobiegać odczuciu duszności;

- zimą skuteczne dowilżanie powietrza do wartości minimum 5 g na 1 kg powietrza, co uznaje się za wartość wystarczającą dla zapewnienia komfortu zdrowotno-higienicznego;

- zwiększenie przewodnictwa cieplnego gruntu za sprawą spływającej nadmiarowej wody, a tym samym zwiększenie skuteczności wymiany cieplnej zachodzącej w wymienniku.

Na fig. 4 pokazany jest schematyczny przekrój trzeciego przykładu wykonania wymiennika. W tym szczególnym wykonaniu wymiennik ma dwa kolektory odbierające - kolektor B tak jak w powyżej opisanych przykładach i dodatkowy kolektor B1, połączony bezpośrednio z drugą częścią 5b pierwszego kanału cyrkulacyjnego na jego krańcu. Wymiennik według tego przykładu wykonania można wykonać jako zaopatrzony w przewody nawadniające 16 (jak na fig. 4) lub bez tych przewodów. Taki wymiennik można stosować zamiennie - jeżeli dolny kolektor B1 jest zamknięty, a kolektor B otwarty, wówczas powietrze procesowe podlega dodatkowej obróbce w układzie regenerująco-uzdatniającym. Jeżeli w układzie regenerująco-uzdatniającym znajdują się przewody 16, wówczas złoże 11 może też korzystnie być dodatkowo zraszane. Z kolei jeżeli górny kolektor B zostanie zamknięty, a dolny kolektor

PL 231 482 B1

B1 otwarty, wówczas powietrze nie płynie przez układ regenerująco-uzdatniający (nie ma potrzeby zraszania). Wariant ten może mieć zastosowanie, gdy nie jest wymagane dodatkowe uzdatnianie powietrza, np. w okresach wiosny i jesieni lub gdy w obiekcie wentylowanym nie przebywają ludzie.

Korzystnie, każdy z kolektorów odbierających B i B1 może być zaopatrzony w środki wymuszające przepływ powietrza przez wymiennik, wentylator W i W1 i przepustnice P i P1. Rolę wentylatora może pełnić podłączona centrala wentylacyjna w sposób typowy dla inżynierii sanitarnej.

Fig. 5a i 5b przedstawiają schematycznie dwa przykładowe schematy podłączenia kolektorów odbierających B i B1 z układem sterowania US i wentylatorami W i W1. W przewodach łączących kolektory B i B1 z wentylatorem znajdują się odpowiednie przepustnice P i P1 pozwalające na selektywne zamykanie i otwieranie obu kolektorów. Na fig. 5a dwa kolektory B i B1 połączone są ze wspólnym wentylatorem W, natomiast na fig. 5b każdy z kolektorów ma swój oddzielny przewód łączący i wentylator W i W1.

Fig. 6, 7 i 8 przedstawiają schematyczne przekroje przykładów wymiennika, w których przewody nawadniające 16 rozmieszczone są w różny sposób. Na fig. 6 przewody 16 znajdują się w wymienniku z jednym kolektorem B, w warstwie złoża aktywnego 11 i mają odcinki zarówno poprzeczne do płaszczyzny rysunku jak i skierowane wzdłuż płaszczyzny rysunku. Na fig. 7 takie same przewody 16 umieszczone w wymienniku z dwoma kolektorami B i B1. Z kolei na fig. 8 przewody 16 znajdują się w drugim kanale cyrkulacyjnym 13 wymiennika z dwoma kolektorami B i B1.

Fig. 9 i 10 przedstawiają częściowo przekrojowe widoki z góry dwóch przykładów wykonania zespołu wymienników ciepła według wynalazku. Na tych figurach, podobnie jak na fig. 2, wymiennik pokazany jest w stanie gdy nie położono jeszcze warstw przykrywających płytę nośną 6 oraz górnej termoizolacji 9, przy czym lewa strona wymiennika pokazana jest w widoku z góry, natomiast układ regenerująco-uzdatniający pokazany jest w przekroju poziomym poprowadzonym nad warstwą 10.

Na fig. 9 pokazany jest zespół, który zawiera dwa gruntowe powietrzne wymienniki ciepła według wynalazku, połączone wspólnym doprowadzeniem powietrza zewnętrznego A i wspólnymi kolektorami B, B1 (kolektor B jest niewidoczny). W tym przykładzie poszczególne wymienniki umieszczone są bezpośrednio obok siebie. W przykładzie wykonania pokazano dwa wymienniki, może ich jednak być więcej. Zespół złożony z kilku wymienników (modułów) funkcjonalnie działa jak odpowiednio szerszy jeden wymiennik. W przykładzie pokazanym na fig. 10 zespół zawiera trzy wymienniki rozmieszczone w odstępach, również połączone wspólnym doprowadzeniem powietrza zewnętrznego A i wspólnymi kolektorami B, B1. Połączenie kilku wymienników w zespół z odpowiednim rozsunięciem pozwala na uzyskanie większych wydajności energetycznych w porównaniu z wymiennikiem zwartym, czyli bez rozsunięć. Wynika to z faktu że na taką samą powierzchnię płyt wymiennika przypada większa powierzchnia gruntu rodzimego mogącego zgromadzić więcej energii.

Claims (15)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła posadowiony na warstwie gruntu rodzimego (1) i przykryty warstwą termoizolacyjną (9), wykorzystujący energię cieplną gruntu, zawierający doprowadzenie powietrza zewnętrznego (A), które połączone jest z pierwszym kanałem cyrkulacyjnym powietrza (5), ponadto zawierający kolektor odbierający (B) połączony z instalacją wentylacyjną budynku, przy czym pierwszy kanał cyrkulacyjny (5) ograniczony jest od spodu warstwą gruntu rodzimego (1), znamienny tym, że pierwszy kanał cyrkulacyjny powietrza (5) składa się z dwóch części: pierwszej (5a) i drugiej (5b), przy czym pierwsza część (5a) przykryta jest nieprzepuszczającą powietrza płytą nośną (6), zaś druga część (5b) przykryta jest pierwszą przepuszczającą powietrze warstwą konstrukcyjną (10), nad którą znajduje się układ regenerująco-uzdatniający zawierający warstwę złoża aktywnego (11), przykrytą drugą przepuszczającą powietrze warstwą konstrukcyjną (12), nad którą znajduje się drugi kanał cyrkulacyjny powietrza (13), przykryty nieprzepuszczającą powietrza płytą nośną (14) oraz połączony z kolektorem odbierającym (B), znajdującym się powyżej warstwy złoża aktywnego (11).
2. 2. Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że w górnej części warstwy złoża aktywnego (11) umieszczone są środki nawadniające (16) złoże aktywne.
3. 3. Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według zastrz. 2, znamienny tym, że środki nawadniające (16) stanowią przewody doprowadzające wodę, korzystnie wodę gruntową.

   PL 231 482 B1
4. 4. Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że zarówno pierwsza jak i druga warstwa konstrukcyjna (10, 12) zawiera otwory i wykonana jest z siatki z materiału termoplastycznego lub z perforowanej płyty.
5. 5. Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według zastrz. 4, znamienny tym, że łączna powierzchnia otworów każdej przepuszczającej powietrze warstwy konstrukcyjnej (10,12) jest nie mniejsza niż 20% jej powierzchni całkowitej (S).
6. 6. Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że kolektor odbierający (B) zaopatrzony jest w co najmniej jeden środek wymuszający przepływ powietrza przez wymiennik, korzystnie wentylator (W).
7. 7. Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że warstwa złoża aktywnego (11) wykonana jest z kamienia płukanego lub łupanego.
8. 8. Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według zastrz. 7, znamienny tym, że warstwa złoża aktywnego (11) zawiera dolomit, węgiel aktywowany, węgiel drzewny lub ich mieszankę.
9. 9. Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według zastrz. 7, znamienny tym, że warstwa złoża aktywnego (11) zawiera kamienie o granulacji w zakresie od 2 mm do 80 mm.
10. 10. Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że warstwa złoża aktywnego (11) ma grubość w zakresie od 0,1 m do 1,5 m.
11. 11. Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według zastrz. 2, znamienny tym, że warstwa złoża aktywnego (11) zawiera dodatkową warstwę węgla aktywowanego lub węgla drzewnego, umieszczoną nad środkami nawadniającymi (16).
12. 12. Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że zaopatrzony jest w dodatkowy kolektor odbierający (B1) połączony z pierwszym kanałem cyrkulacyjnym (5).
13. 13. Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według zastrz. 12, znamienny tym, że dodatkowy kolektor odbierający (B1) zaopatrzony jest w co najmniej jeden środek wymuszający przepływ powietrza przez wymiennik, korzystnie wentylator (W1).
14. 14. Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła według zastrz. 2, znamienny tym, że zaopatrzony jest w układ sterowania (US), który steruje ilością strumienia powietrza oraz odpowiednio dozuje ilość wody doprowadzanej do warstwy złoża aktywnego (11) przez środki nawadniające (16).
15. 15. Zespół wymienników ciepła, znamienny tym, że zawiera co najmniej dwa gruntowe powietrzne wymienniki ciepła określone dowolnym z zastrzeżeń od 1 do 14, połączone wspólnym doprowadzeniem powietrza zewnętrznego (A) i co najmniej wspólnym kolektorem (B).