PL245575B1 - Magazyn ciepła o zmiennej pojemności - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest magazyn ciepła o zmiennej pojemności. Magazyn ciepła o konstrukcji modułowej zawierający zasilanie z co najmniej jednego źródła energii oraz co najmniej jeden odbiornik energii, w którym nośnikiem energii jest czynnik termodynamiczny, którego strumień przepływa przez złoże charakteryzuje się tym, że zawiera złoże z materiałem reagujące termochemicznie oraz kanały czynnika termodynamicznego (2), przez który płynie czynnik termodynamiczny (7), przy czym złoże jest podzielone na przynajmniej dwie warstwy złoża (5), przedzielone strefami buforowymi (4), przy czym kanały czynnika termodynamicznego (2) są wyposażone w zawory (1), które sterują strumieniem czynnika termodynamicznego (7) do warstw złoża (5), przy czym złoże reaguje termochemicznie z czynnikiem termodynamicznym lub substancją przez ten czynnik przenoszoną, przy czym złoże lub warstwa złoża (5) funkcjonuje w fazie ładowania lub fazie rozładowania.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest magazyn ciepła o zmiennej pojemności.

Magazynowanie energii jest bardzo istotnym zagadnieniem z punktu widzenia rosnącego zapotrzebowania na energię, rosnącego udziału odnawialnych źródeł energii w miksie energetycznym jak i występowania niestabilności konwersji energii. Energia pozyskana ze słońca na potrzeby ogrzewania domów jednorodzinnych nie jest w pełni efektywnie wykorzystywana ze względu na mniejsze zapotrzebowanie na ciepło w okresie letnim przy jednoczesnym maksimum natężenia słonecznego. Sezonowe magazynowanie energii stanowi pewne rozwiązanie tego zagadnienia, które pozwala w pełni wykorzystać potencjał odnawialnych źródeł energii.

Z opisu polskiego patentu PL 233606 znany jest układ do sezonowego magazynowania ciepła zawierający źródło ciepła w postaci kolektorów słonecznych połączonych z przeponowym wymiennikiem ciepła ciecz-powietrze, charakteryzuje się tym, że w układzie zamkniętym połączone są wymiennik ciepła ciecz-powietrze z termochemicznym magazynem ciepła oraz rekuperatorem do ogrzewania instalacji docelowej i poprzez rekuperator połączony jest z obiegiem gruntowego wymiennika ciepła, który za pomocą pompy połączony jest ze zbiornikiem magazynowym cieczy.

Z kolejnego opisu patentowego PL 219778 znane jest urządzenie mające postać usytuowanego w wykopie zbiornika, a na dnie tego zbiornika, ma ułożone perforowane cyrkulacyjne przewody, przez które tłoczone jest ogrzane powietrze lub inny gaz. Na przewodach umieszczone jest porowate złoże zawierające materiał o właściwościach akumulacyjnych energię cieplną i stanowiące magazyn ciepła, natomiast w warstwie złoża usytuowane są szczelne cyrkulacyjne przewody wymiennika ciepła wypełnione cieczą grzewczą. Nad przewodami wymiennika ciepła usytuowane są końcówki perforowanych, odsysających przewodów, zaopatrzone w wentylatory odsysające powietrze lub inny gaz, schłodzone po przejściu przez magazyn ciepła, przy czym nad przewodami znajduje się paroizolacja oraz warstwa izolacji termicznej, na której usytuowana jest konstrukcja absorbera. Wyloty odsysających przewodów są wyprowadzone nad powierzchnię absorbera, przy czym nad absorberem, na konstrukcji nośnej, usytuowana jest przezroczysta przegroda, korzystnie szklana, która stanowi pokrycie urządzenia i przegroda ta jest usytuowana nieco nad poziomem gruntu. Perforowane cyrkulacyjne przewody umieszczone pod złożem materiału akumulacyjnego są połączone szczelnymi tłoczącymi przewodami z wewnętrzną przestrzenią urządzenia, zawartą pomiędzy absorberem i przezroczystym pokryciem, a ich wloty korzystnie są usytuowane wzdłuż północnej ściany urządzenia i są zaopatrzone w wentylatory tłoczące, natomiast wspomniane perforowane odsysające przewody są połączone szczelnymi przewodami z wewnętrzną przestrzenią urządzenia, a ich wyloty są usytuowane po przeciwnej stronie, w stosunku do wlotów przewodów tłoczących.

W przypadku znanych magazynów ciepła ze stanu techniki utrudnione jest przechowywanie energii na sposób ciepła sezonowo w postaci modułowej, ponieważ sam nośnik akumulujący ciepło z czasem podlega degradacji. W urządzeniach o konstrukcji jednoczęściowej niezwykle trudna jest ocena zużycia całego złoża oraz wymiana części złoża zużytego termodynamicznie. Proces termodynamiczny przebiega w czole reakcji, czyli tylko w części złoża, zużycie materiału w złożu nie następuje równomiernie np. przy wlotach kanałów na pewno zużycie materiału złoża będzie większe niż przy ujściu czynnika termodynamicznego, natomiast wymianie podlega całe złoże.

Problemami technicznymi rozwiązywanymi przez wynalazek są niezadowalająca sprawność magazynu ciepła, trudności w sterowaniu pojemnością cieplną magazynu, utrata właściwości (zdolności akumulacyjnych) złoża na skutek jego degradacji i brak możliwości wymiany części zdegradowanego złoża.

W świetle opisanego stanu techniki celem niniejszego wynalazku jest przezwyciężenie wskazanych niedogodności i dostarczenie magazynu ciepła o konstrukcji modułowej, z możliwością sterowania pojemnością cieplną, w której poszczególne moduły magazynu są łatwo wymienialne, wraz ze zużyciem materiału reagującego użytego do magazynowania ciepła oraz dzięki budowie piętrowej ogrzewanie wzajemne poszczególnych warstw magazynu.

Magazyn ciepła o konstrukcji modułowej zawierający zasilane z co najmniej jednego źródła energii oraz odbiór do co najmniej jednego odbiornika energii, w którym nośnikiem energii jest czynnik termodynamiczny, którego strumień przepływa przez złoże charakteryzuje się tym, że zawiera złoże z materiałem reagującym termochemicznie oraz kanały czynnika termodynamicznego, przez który płynie czynnik termodynamiczny, przy czym złoże jest podzielone na przynajmniej dwie warstwy złoża, przedzielone strefami buforowymi, przy czym kanały czynnika termodynamicznego są wyposażone w zawory, które sterują strumieniem czynnika termodynamicznego do warstw złoża, przy czym złoże reaguje termochemicznie z czynnikiem termodynamicznym lub substancją przez ten czynnik przenoszoną, przy czym złoże lub warstwa złoża funkcjonuje w fazie ładowania lub fazie rozładowania.

Korzystnie, materiałem złoża reagującym termochemicznie jest materiał hydratyzujący oraz dehydratyzujący.

Korzystnie, materiałem reagującym złoża jest siarczan magnezu.

Korzystnie, czynnikiem termodynamicznym jest powietrze.

Korzystnie, warstwy złoża oraz strefy buforowe są ułożone na przemian poziomo w układzie piętrowym.

Korzystnie, strefą buforową jest pusta przestrzeń.

Korzystnie, w strefie buforowej zamontowane są mierniki parametrów termodynamicznych czynnika (tj. czujnik temperatury i/lub wilgotności).

Korzystnie, warstwy złoża są wymienne niezależnie od siebie oraz umieszczone w pojemniku zawierającym złoże przepuszczające czynnik termodynamiczny.

Korzystnie, magazyn ciepła wyposażony jest w sterownik elektroniczny do regulacji zaworów.

Alternatywnie magazyn ciepła przystosowany jest do łączenia w baterie zawierające co najmniej dwa magazyny ciepła.

Korzystnie, gdy obieg czynnika termodynamicznego jest wymuszany przez dwa wentylatory.

Dla lepszego zrozumienia wynalazku, został on zilustrowany w przykładach wykonania oraz na załączonych figurach, na których:

Fig. 1 - przedstawia schemat magazynu ciepła (11) dla przykładu wykonania z trzema warstwami złoża (5) oraz przyłączami,

Fig. 2A - przedstawia schemat fazy ładowania/rozładowania dla warstwyI,

Fig. 2B - przedstawia schemat fazy ładowania/rozładowania dla warstwyII,

Fig. 2C - przedstawia schemat fazy ładowania/rozładowania dla warstwyIII,

Fig. 3A - przedstawia układ złożony z magazynu ciepła (11), odbiornika (9) oraz źródła energii (8) zintegrowany z instalacją wentylacji mechanicznej z rekuperacją (10) pracujący w fazie ładowania,

Fig. 3B - przedstawia układ złożony z magazynu ciepła (11), odbiornika (9) oraz źródła energii (8) zintegrowany z instalacją wentylacji mechanicznej z rekuperacją (10) pracujący w fazie rozładowania.

Poniższy przykład ilustruje wynalazek, nie ograniczając go w żaden sposób.

Przykład 1. Magazyn ciepła dla domu jednorodzinnego

Przedmiot wynalazku został przedstawiony na Fig. 3A/B jako element systemu grzewczego z odbiornikiem energii 9 w postaci domu jednorodzinnego oraz źródłem energii 8 w postaci kolektora słonecznego. Magazyn ciepła 11 przedstawiono na Fig. 1, w którym wykorzystano materiał reagujący w postaci siarczanu magnezu (MgSO4) w trzech warstwach złoża (modułach) 5 ułożonych piętrowo przedzielonych pustymi przestrzeniami jako strefy buforowe 4. Opcjonalnie, dla szczelnego oddzielenia od siebie poszczególnych warstw złoża 5, strefy buforowe 4 mogą być dodatkowo wyposażone w zawory żaluzjowe pozwalające na kierowanie przepływu czynnika bezpośrednio przez większą liczbę warstw złoża 5 bez konieczności kierowania go przez zawory albo być oddzielone przegrodami stałymi. Siarczan magnezu występuje w układzie bezwodnym bądź też w postaci, jedno-, dwu-, trzy-, cztero-, pięcio-, sześcio- i siedmiowodnym MgSO4-7H2O, zwany heptahydratem, przy czym heptahydrat jest trwały w temperaturze pokojowej.

Magazyn ciepła 11, w którym poszczególne warstwy złoża 5 połączone są za pomocą kanałów czynnika termodynamicznego 2 z zestawem zaworów 1 regulujących przepływ czynnika termodynamicznego, z regulatorem powietrza 12 (do regulacji wilgotności powietrza), który to układ jest przedstawiony na Fig. 1 jest zintegrowany z:

- instalacją kolektorów słonecznych 8, w której czynnikiem obiegowym jest najczęściej glikol, poprzez wymiennik ciepła,

- instalacją wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła 10, w którym czynnikiem obiegowym jest powietrze wentylacyjne, w każdym z tych układów wymusza się obieg za pomocą pomp i/lub wentylatorów nie ujętych na rysunkach.

Magazyn ciepła 11 funkcjonuje w dwóch fazach:

- fazie ładowania, w której następuje proces dehydratacji złoża, czyli akumulacji ciepła, stan ten jest przedstawiony na Fig. 3A,

- fazie rozładowania, w której następuje proces hydratacji złoża, czyli odzysku ciepła, stan ten jest przedstawiony na Fig. 3B.

Sterowanie kierunkiem przepływu powietrza odbywa się poprzez układ zaworów, przy czym ciepła woda użytkowa w okresach letnich jest ogrzewana bezpośrednio z układu solarnego jako odrębny układ nie pokazany na schemacie.

Faza ładowania (akumulacja ciepła)

Magazyn ciepła 11 jest poddany fazie ładowania poprzez przejście strumienia czynnika termodynamicznego 7 w postaci gorącego powietrza podgrzanego nadmiarowym ciepłem z kolektorów słonecznych 8, kanałem wejściowym 6, do aktywnych warstw złoża 5 na skutek czego następuje odwadnianie siarczanu magnezu w poszczególnych warstwach. Reakcja zachodzi w pewnej objętości złoża zwanej czołem reakcji.

Ładowanie ciepła w magazynie ciepła 11 odbywa się w poszczególnych warstwach złoża 5, których stan naładowania rejestruje się za pomocą mierników parametrów termodynamicznych umieszczonych w poszczególnych strefach buforowych.

Warstwy Wi, Wii, Wiii ładuje się licząc od dołu ku górze od warstwy I przez warstwę II do warstwy III, a sterowanie odbywa się poprzez regulacje zaworów 1 osobnymi strumieniami czynnika termodynamicznego Si, S2, S3. Aktywność poszczególnych warstw złoża 5, poprzez zdolność przyjęcia energii, są odczytywane za pomocą mierników termodynamicznych, a czynnik termodynamiczny jest kierowany do kolejnej warstwy za pomocą zaworów 1. Wilgotność czynnika termodynamicznego jest regulowana za pomocą regulatora czynnika termodynamicznego 12.

Obieg czynnika termodynamicznego dla poszczególnych warstw w fazie ładowania:

- warstwa I jest ładowana, gdy zawory A, C, D są otwarte, natomiast zawory B, E, F są zamknięte, stan ten jest przedstawiony na Fig. 2A,

- warstwa II jest ładowana, gdy zawory B, C, E są otwarte, natomiast zawory A, D, F są zamknięte, stan ten jest przedstawiony na Fig. 2B,

- warstwa III jest ładowana, gdy zawory B, D, E, F są otwarte, natomiast zawory A, C są zamknięte, stan ten jest przedstawiony na Fig. 2C.

Faza rozładowania (odbiór ciepła)

W fazie rozładowania ciepła (odbiór ciepła) następuje proces odwrotny, czyli uwadniania siarczanu magnezu, przez co generowane jest ciepło w wyniku reakcji termochemicznych. Podobnie jak w fazie ładowania, czynnik termodynamiczny 7, czyli w tym przypadku powietrze o określonej wilgotności, regulowanej za pomocą regulatora czynnika termodynamicznego 12, reaguje ze złożem poprzez uwadnianie siarczanu magnezu. Podgrzane powietrze na wylocie 3 z magazynu ciepła 11 trafia na wymiennik rekuperacyjny systemu wentylacji mechanicznej 10, gdzie oddaje ciepło świeżej porcji powietrza kierowanej do pomieszczenia. Tym samym zapewniona jest zarówno wymiana powietrza w budynku oraz ogrzewanie.

Obieg czynnika termodynamicznego dla poszczególnych warstw w fazie rozładowania (odbioru ciepła) przebiega w ten sam sposób, jak dla fazy ładowania, a mianowicie:

- warstwa I jest rozładowywana, gdy zawory A, C, D są otwarte, natomiast zawory B, E, F są zamknięte, stan ten jest przedstawiony na Fig. 2A,

- warstwa II jest rozładowywana, gdy zawory B, C, E są otwarte, natomiast zawory A, D, F są zamknięte, stan ten jest przedstawiony na Fig. 2B,

- warstwa III jest rozładowywana, gdy zawory B, D, E, F są otwarte, natomiast zawory A, C są zamknięte, stan ten jest przedstawiony na Fig. 2C.

Fazy ładowania oraz rozładowania następują zamiennie w zależności od zapotrzebowania na ciepło. Układ wyposażony jest w sterownik elektroniczny sterujący zaworami 1 oraz zaworami integrującymi instalacje magazynu ciepła 11 z instalacją wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła 10 oraz instalacją kolektorów słonecznych 8, które są zaworami elektromagnetycznymi. Cały układ jest przekazywany zdalnie do systemu zarządzającego domem w systemie inteligentny dom, który jest zarządzany zdalnie poprzez aplikację mobilną. W każdej chwili dostępny jest raport oceniający sprawność układu oraz poszczególnych warstw złoża 5, informujący o potrzebie ewentualnej wymiany konkretnej warstwy złoża 5.

Magazyn ciepła 11 może stanowić wydzielony element zagłębiony w ziemię z kanałem dostępowym do celów serwisowych (m.in. wymiana złoża, kontrola mierników), bądź stanowić element instalacji umieszczony wewnątrz budynku (np. w kotłowni, piwnicy).

Wynalazek ma zastosowanie jako magazyn ciepła w budownictwie

Lista elementów:

1. zawory,

2. kanał czynnika termodynamicznego,

3. kanał wyjściowy,

4. strefy buforowe,

5. warstwy złoża,

6. kanał wejściowy,

7. strumień czynnika termodynamicznego,

8. źródło energii,

9. odbiornik energii,

10. instalacja wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła,

11. magazyn ciepła,

12. regulator czynnika termodynamicznego,

Wi, Wii,Wiii

A, B, C, D, E, F

Si, S2, S3

- numer warstwy złoża,

- oznaczenia zaworów,

- strumienie czynnika termodynamicznego przechodzące przez jedną warstwę.

Claims (11)

1. Magazyn ciepła o konstrukcji modułowej zawierający zasilanie z co najmniej jednego źródła energii oraz odbiór do co najmniej jednego odbiornika energii, w którym nośnikiem energii jest czynnik termodynamiczny, którego strumień przepływa przez złoże, znamienny tym, że zawiera złoże z materiałem reagującym termochemicznie oraz kanały czynnika termodynamicznego (2), przez który płynie czynnik termodynamiczny (7), przy czym złoże jest podzielone na przynajmniej dwie warstwy złoża (5), przedzielone strefami buforowymi (4), przy czym kanały czynnika termodynamicznego (2) są wyposażone w zawory (1), które sterują strumieniem czynnika termodynamicznego (7) do warstw złoża (5), przy czym złoże reaguje termochemicznie z czynnikiem termodynamicznym lub substancją przez ten czynnik przenoszoną, przy czym złoże lub warstwa złoża (5) funkcjonuje w fazie ładowania lub fazie rozładowania.

2. Magazyn ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że materiałem złoża, reagującym termochemicznie jest materiał o właściwościach hydratyzujących oraz dehydratyzujących.

3. Magazyn ciepła według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że materiałem reagującym złoża jest siarczan magnezu.

4. Magazyn ciepła według dowolnego zastrzeżenia od 1 do 3, znamienny tym, że czynnikiem termodynamicznym jest powietrze.

5. Magazyn ciepła według zastrz. 3, znamienny tym, że warstwy złoża (5) oraz strefy buforowe (4) są ułożone na przemian poziomo w układzie piętrowym.

6. Magazyn ciepła według dowolnego z zastrzeżeń od 1 do 5, znamienny tym, że w strefach buforowych (4) zamontowane są mierniki parametrów termodynamicznych.

7. Magazyn ciepła według dowolnego z zastrzeżeń od 1 do 6, znamienny tym, że strefą buforową (4) jest pusta przestrzeń.

8. Magazyn ciepła według dowolnego z zastrzeżeń od 1 do 7, znamienny tym, że warstwy złoża (5) są wymienne niezależnie od siebie oraz umieszczone w pojemniku zawierającym złoże przepuszczające czynnik termodynamiczny.

9. Magazyn ciepła według dowolnego z zastrzeżeń od 1 do 8, znamienny tym, że magazyn ciepła (11) wyposażony jest w sterownik elektroniczny do regulacji pracy zaworów (1).

10. Magazyn ciepła według zastrzeż. 1-9, znamienny tym, że magazyn ciepła (11) przystosowany jest do łączenia w baterie zawierające co najmniej dwa magazyny ciepła.

11. Magazyn ciepła według dowolnego z zastrzeżeń od 1 do 10, znamienny tym, że obieg czynnika termodynamicznego jest wymuszany przez dwa wentylatory.