PL247647B1

PL247647B1 - Magazyn energii cieplnej

Info

Publication number: PL247647B1
Application number: PL445038A
Authority: PL
Inventors: Ryszard Kaptur; Daniel Słowikowski; Zygmunt Bartoszek; Marian Ohl; Tomasz Mazur
Original assignee: Polbud Pomorze Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2023-05-30
Filing date: 2023-05-30
Publication date: 2025-08-18
Also published as: PL445038A1; EP4471367C0; EP4471367B1; EP4471367B8; EP4471367A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest magazyn energii cieplnej zawierający zamkniętą izolację (1), wewnątrz której znajduje się odgrodzona przestrzeń (2) akumulacji ciepła, w której znajduje się wymiennik ciepła, zawierający przewody (3) z przepływowym płynem, materiał mineralny oraz płyn. Magazyn ten charakteryzuje się tym, że ciśnienie w najwyższej części odgrodzonej przestrzeni (2) akumulacji ciepła mieści się w zakresie od 100 kPa do 3 MPa, a gazoprzepuszczalność materiału izolacji (1) jest mniejsza od 10 mD. Przedmiotem zgłoszenia jest również sposób wytwarzania takiego magazynu.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest magazyn energii cieplnej i sposób jego wytwarzania. Magazyn ten charakteryzuje się przede wszystkim warunkami nadciśnienia, które ułatwiają uzyskiwanie wyższych temperatur składowych wymiennika cieplnego, natomiast sposób wytwarzania ogranicza potrzebę wybierania znacznych ilości gruntu.

Z opisu zgłoszenia patentowego JPS58117962A znany jest podziemny magazyn energii cieplnej, który jest ukształtowany w foremny wielokąt i składa się z zakopanego pod ziemią wymiennika ciepła, który jest połączony z kolektorem słonecznym w celu utworzenia podziemnej strefy akumulacji ciepła. Boki magazynu są izolowane termicznie w celu poprawy efektywnego współczynnika przepływu ciepła.

Z kolei z chińskiego opisu zgłoszenia patentowego CN101818957A znany jest układ i sposób wykorzystujący podziemne warstwy wodonośne do magazynowania ciepła lub dostarczania ciepła lub chłodu, w który zatłacza się ciepłą lub zimną wodę ze źródła ciepła lub chłodu do warstwy wodonośnej na obszarze magazynowania ciepła. Wokół obszaru magazynowania ciepła jest umieszczona przegroda, a w szczelinę między pierwotną podziemną glebą a skałą przegrody jest umieszczony środek zatykający. Podziemna ściana ciągła strefy izolacji jest zaopatrzona w perforowane rury na dole i na obu końcach ciągłej ściany przed zalaniem, a ciągła ściana jest zalewana. Środek zapobiegający wyciekaniu jest wlewany do perforowanej rurki pod wysokim ciśnieniem. Dolna warstwa obszaru akumulacji ciepła jest zaopatrzona w izolacyjną podstawę zapobiegającą przesiąkaniu. Uszczelnione dno izolacyjne pierwotnej podziemnej szczeliny kamiennej jest wypełniane środkiem zatykającym.

Natomiast z opisu międzynarodowego zgłoszenia patentowego WO2020231299A1 znany jest układ sezonowego lub dobowego magazynowania ciepła położony pod ziemią. Sposób magazynowania ciepła obejmuje wprowadzanie energii do ziemi w celu magazynowania i odprowadzania jej w celu wykorzystania. Stosuje się stałą objętość nie mniejszą niż 5 metrów sześciennych ziemi, której środek ciężkości znajduje się na odległości od 0,1 m do 10 m poniżej poziomu gruntu, przy czym wspomniana kubatura jest ograniczona obudową wykonaną z materiału hydroizolacyjnego i termoizolacyjnego o oporze cieplnym nie mniejszym niż 1,0 (m²K)/W. Gruntowy akumulator ciepła może mieć kształt pierścieniowy, spiralny lub inny ze względu na swój kształt podyktowany zagospodarowaniem działki.

Z kolei z koreańskiego opisu zgłoszenia patentowego KR20210158660A znany jest podziemny układ magazynowania ciepła typu odwiertowego, zdolny do odcięcia wody gruntowej.

Dokładniej, niniejszy wynalazek dotyczy podziemnego systemu magazynowania ciepła typu odwiertu zdolnego do blokowania wód gruntowych w celu zapobieżenia utracie ciepła przez wody gruntowe poprzez zainstalowanie blokującej grodzicy do blokowania wody w warstwie przepuszczalnej dla wody wokół korpusu magazynowania energii cieplnej.

Podziemny zbiornik ciepła dla słonecznego systemu grzewczego do geologicznej międzysezonowej akumulacji ciepła ujawnia także chińskie zgłoszenie patentowe CN103423798A. Powłoka termoizolacyjna jest zakopana w skorupie ziemskiej pod powierzchnią ziemi. Stały akumulator ciepła owinięty osłoną termoizolacyjną jest umieszczony w osłonie termoizolacyjnej. Materiały wypełniające do zakopania płaszcza termoizolacyjnego są rozmieszczone w przestrzeni szczątkowej, poza przestrzenią zajmowaną przez płaszcz termoizolacyjny w wykopie. W stałym akumulatorze ciepła zakopane są wymienniki ciepła oraz rurociąg doprowadzający czynnik roboczy wymiennika ciepła. Podziemny zbiornik ciepła może magazynować ciepło w okresach międzysezonowych, magazynować energię słoneczną w okresach gorących, jest stosowany do ogrzewania budynków w sezonach grzewczych i jest niskobudżetowy.

Ujawniono również inne układy podziemnych magazynów energii cieplnej, dla których analizę pominięto w niniejszym opisie (m.in.: US2012152488A1, CN218001846U, CN107270375A). Jednak we wszystkich ujawnionych rozwiązaniach magazynów energii, brak takich, w których stosowane jest nadciśnienie umożliwiające osiągnięcie wysokiej temperatury złoża.

Istotą wynalazku jest magazyn energii cieplnej zawierający zamkniętą izolację, wewnątrz której znajduje się odgrodzona przestrzeń akumulacji ciepła, w której znajduje się wymiennik ciepła, zawierający przewody na przepływowy płyn, oraz płyn. Magazyn ten charakteryzuje się tym, że zawiera pompę hydroforową połączoną przewodem z odgrodzoną przestrzenią, a gazoprzepuszczalność izolacji jest mniejsza od 10 mD, dzięki czemu magazyn jest przystosowany do ciśnienia w zakresie od 100 kPa do 3 MPa w najwyższej części odgrodzonej przestrzeni akumulacji ciepła.

Odgrodzona przestrzeń akumulacji ciepła zawiera korzystnie materiał mineralny.

Opcjonalnie temperatura przepływowego płynu wynosi co najmniej 100°C.

Magazyn energii cieplnej usytuowany jest pod ziemią i korzystnie ma głębokość w zakresie od 10 do 150 m.

Przewody z przepływowym płynem wymiany cieplnej, umieszczone są korzystnie w materiale mineralnym w postaci pionowych, betonowych baret między którymi występuje grunt, w którym znajduje się woda.

Korzystne jest, gdy boczne ściany zamkniętej izolacji mają grubość od 40 do 450 cm i składają się z co najmniej dwóch warstw: warstwy termoizolacyjnej o grubości od 30 do 200 cm, oraz warstwy konstrukcyjno-hydroizolacyjnej o grubości od 10 do 250 cm, przy czym warstwę termoizolacyjną stanowi warstwa zawierająca polimerowe żywice pianotwórcze, natomiast warstwę konstrukcyjno-hydroizolacyjną stanowi warstwa betonu specjalnego o gazoprzepuszczalności mniejszej niż 10 mD.

Dobrze jest, jeżeli górna ściana zamkniętej izolacji ma grubość od 45 do 1300 cm i zawiera co najmniej trzy warstwy: warstwę termoizolacyjną o grubości w zakresie od 5 do 600 cm, warstwę konstrukcyjno-hydroizolacyjną, warstwę rozprężno-drenażową, przy czym warstwę termoizolacyjną stanowi warstwa zawierająca polimerowe żywice pianotwórcze, natomiast warstwę konstrukcyjno-hydroizolacyjną o grubości od 20 do 200 cm stanowi warstwa betonu specjalnego o gazoprzepuszczalności mniejszej niż 10 mD, natomiast warstwę rozprężno-drenażową stanowi warstwa kruszywa o uziarnieniu od 16 do 64 mm o miąższości od 20 do 500 cm.

Dolna ściana zamkniętej, zewnętrznej izolacji ma grubość nie mniej 50 cm i zawiera co najmniej jedną warstwę w postaci przesłony odcinającej wykonanej metodą iniekcji strumieniowej, lub stanowi ją górotwór będący naturalną barierą o gazoprzepuszczalności mniejszej niż 10 mD.

Magazyn energii według wynalazku można wykonać m.in. w taki sposób, że najpierw w podłożu wykonuje się pionowe otwory szczelinowe przy użyciu chwytaka do drążenia szczelin, po czym następuje wypełnieniem ich zawiesiną bentonitową zapewniającą stateczność szczelin. Następnie do wykonanych szczelin wprowadza się mieszankę betonową z technicznych betonów specjalnych, która po związaniu stanowi warstwę bocznych ścian izolacji o gazoprzepuszczalności mniejszej niż 10 mD. W kolejnym etapie wykonuje się metodą odwiertów z iniekcją dolną ścianę warstwy izolacyjnej, a następnie wykonuje się szczelinowe, lokalne wybrania gruntów, do których wprowadza się kolejno przewody i mieszankę betonową, która po związaniu stanowi betonowe barety między którymi występuje grunt, zawierający płyn, korzystnie wodę. Następnie tworzy się górną ścianę zamkniętej izolacji, kolejno wykonując warstwę rozprężno-drenażową oraz betonową warstwę konstrukcyjno-hydroizolacyjną, przy czym warstwa konstrukcyjno-hydroizolacyjna po związaniu ma gazoprzepuszczalność mniejszą niż 10 mD wyznaczoną laboratoryjnie lub aparaturą Torrenta. W ostatnim etapie tworzy się warstwy termoizolacji ściany bocznej i górnej, przy czym materiał do formowania tych ścian zawiera polimerowe żywice pianotwórcze.

Korzystnym skutkiem wynalazku jest możliwość wytwarzania magazynów energii, w których panuje wysokie ciśnienie (co najmniej nadciśnienie względem ciśnienia atmosferycznego) co umożliwia uzyskiwanie wysokiej temperatury złoża wymiennika cieplnego. Dodatkowo ciśnienie to sprzyja wypełnieniu wszelkich przestrzeni złoża, zwłaszcza w postaci gruntu wodą poprzez wypchnięcie gazu, co znacząco poprawia pojemność cieplną układu. Szczelność układu przed przepływem wody zapewnia warstwa o odpowiednio określonej gazoprzepuszczalności. Złoże wymiennika zostało dobrane tak aby zabezpieczyć przewody z czynnikiem przepływowym z uwagi na ruchy górotwórcze oraz znaczne ciśnienie i wysoką temperaturę panujące we wnętrzu magazynu. Sposób wytwarzania magazynu jest stosunkowo prosty, a wybranie rodzimego gruntu znacząco ograniczone poprzez technikę szczelinowych wybrań. Magazyny mogą być zlokalizowane w obszarach pod zabudowaniami, co nie zaburza architektonicznego przestrzennego ładu planu zagospodarowania.

Wynalazek w przykładzie realizacji został zobrazowany rysunkiem, którego poszczególne figury przedstawiają:

Fig. 1. Magazyn energii w przekroju poprzecznym, usytuowany pod ziemia;

Fig. 2. Bryłę magazynu energii w widoku perspektywicznym;

Fig. 3. Bryłę magazynu energii z jego strukturą warstwową w widoku perspektywicznym;

Fig. 4. Betonową baretę z przewodami przepływowego wymiennika cieplnego - widok perspektywiczny;

Fig. 5. Fragment gruntu z przyległą baretą, w którym usytuowany jest przewód przepływowego wymiennika cieplnego;

Fig. 6. Widok z góry na magazyn energii - przekrój poprzeczny;

Fig. 7. Przekrój A-A z fig. 6;

Fig. 8. Przekrój B-B z fig. 6.

Przykład realizacji

W przykładzie realizacji magazyn energii cieplnej zawiera zamkniętą izolację 1, wewnątrz której znajduje się odgrodzona przestrzeń 2 akumulacji ciepła. W odgrodzonej przestrzeni 2 znajduje się wymiennik ciepła, zawierający przewody 3, w których krąży przepływowy czynnik 4 wymiany cieplnej w postaci wody. W odgrodzonej przestrzeni 2 znajduje się także materiał mineralny 5 dwojakiego rodzaju. Stanowią go betonowe barety 5a, w których znajdują się przewody 3, oraz grunt 5b znajdujący się między tymi baretami 5a. Grunt jest w postaci ziemi i kamieni naturalnie występujących w lokalizacji geodezyjnej magazynu energii cieplnej. W gruncie 5b znajduje się woda 6, która pozytywnie wpływa na dużą pojemność cieplną układu. W magazynie energii cieplnej ciśnienie w najwyższej części odgrodzonej przestrzeni (2) akumulacji ciepła mieści się w zakresie od 100 kPa do 3 MPa, a nadciśnienie to (względem ciśnienia atmosferycznego) może być utrzymywane pompą hydroforową 7 wskutek wtłaczania w grunt 5b dodatkowej wody 6, zapewniając ustaloną wartość nadciśnienia, zależnie od planowanych wartości temperatury szczytowej. Gazoprzepuszczalność zamkniętej izolacji 1 jest mniejsza od 10 mD, tj. 9,86923*10^-15 m², wyznaczoną laboratoryjnie lub aparaturą Torrenta. Dzięki temu możliwe jest utrzymywanie stabilnej wartości nadciśnienia w zamkniętej izolacji 1. Opcjonalnie, dodatkowo do zastosowania pompy hydroforowej 7, nadciśnienie w zamkniętej izolacji 1 może być uzyskiwane cieplnie, poprzez wysoką temperaturę przepływowego czynnika 4 w przewodach 3. Przepływowym czynnikiem 4 jest korzystnie woda, która krąży w układzie przewodów 3 wskutek działania pompy 9 termoobiegu. Woda ta jest nagrzewana elektrycznie (także poprzez kolektory słoneczne) z odnawialnych źródeł energii, zwłaszcza w czasie nadwyżki energetycznej sieci infrastruktury energetycznej. W przykładzie realizacji temperatura przepływowego czynnika grzewczego 4 wynosi 100°C, a szczelność zamkniętej izolacji 1 powoduje nagrzewanie się baret 5a oraz gruntu 5b z wodą 6, czemu towarzyszy powstanie nadciśnienia w najwyższej części odgrodzonej przestrzeni 2. Nadciśnienie umożliwia uzyskiwanie wyższej temperatury wymiennika cieplnego przy mniejszym wydatku strumienia cieplnego. Zbiornik usytuowany jest pod ziemią i ma głębokości h w zakresie od 10 do 150 m. Boczne ściany 1a zamkniętej izolacji 1 mają grubość od 40 do 450 cm i składają się z co najmniej dwóch warstw: warstwy termoizolacyjnej w1 o grubości od 30 do 200 cm, oraz warstwy konstrukcyjno-hydroizolacyjnej w2 o grubości od 10 do 250 cm, przy czym warstwę termoizolacyjną w1 stanowi warstwa zawierająca polimerowe żywice pianotwórcze, natomiast warstwę konstrukcyjno-hydroizolacyjną w2 stanowi warstwa betonu specjalnego o gazoprzepuszczalności mniejszej niż 10 mD. Górna ściana 1c zamkniętej izolacji 1 ma grubość od 45 do 1300 cm i zawiera co najmniej trzy warstwy: warstwę termoizolacyjną W1 o grubości w zakresie od 5 do 600 cm, warstwę konstrukcyjno-hydroizolacyjną W2, warstwę rozprężno-drenażową W3, przy czym warstwę termoizolacyjną W1 stanowi warstwa zawierająca polimerowe żywice pianotwórcze, natomiast warstwę konstrukcyjno-hydroizolacyjną W2 o grubości od 20 do 200 cm stanowi warstwa betonu specjalnego o gazoprzepuszczalności mniejszej niż 10 mD, natomiast warstwę rozprężno-drenażową W3 stanowi warstwa kruszywa o uziarnieniu od 16 do 64 mm o miąższości od 20 do 500 cm. Dolna ściana 1b zamkniętej izolacji 1 ma grubość nie mniejszą niż 50 cm i zawiera co najmniej jedną warstwę w postaci przesłony odcinającej wykonanej metodą iniekcji strumieniowej, lub stanowi ją górotwór będący naturalną barierą o gazoprzepuszczalności mniejszej niż 10 mD.

W przykładzie realizacji sposób wytwarzania magazynu energii cieplnej polega na tym, że najpierw w podłożu wykonuje się pionowe otwory szczelinowe przy użyciu chwytaka do drążenia szczelin, z wypełnieniem ich zawiesiną bentonitową zapewniającą stateczność szczelin. Następnie do wykonanych szczelin wprowadza się mieszankę betonową ze specjalnych betonów technicznych o minimalnym stopniu wodoszczelności W2, która po związaniu stanowi boczne ściany 1a izolacji 1, o gazoprzepuszczalności mniejszej niż 10 mD. W kolejnym etapie wykonuje się metodą odwiertów z iniekcją dolną ścianę 1b izolacji 1. Następnie wykonuje się szczelinowe, lokalne wybrania gruntów 5b, do których wprowadza się kolejno przewody 3 i mieszankę betonową, która po związaniu stanowi betonowe barety 5a między którymi występuje rodzimy grunt 5b, zawierający wodę 6. W kolejnym etapie tworzy się górną ścianę 1c zamkniętej izolacji 1, kolejno wykonując warstwę rozprężno-drenażową W3 oraz betonową warstwę konstrukcyjno-hydroizolacyjną W2, przy czym warstwa konstrukcyjno-hydroizolacyjną W2 po związaniu ma gazoprzepuszczalność mniejszą niż 10 mD wyznaczoną laboratoryjnie lub aparaturą Torrenta. W ostatnim etapie tworzy się warstwy termoizolacji w1, W1 ścian bocznej 1a i górnej 1b, przy czym materiał do formowania tych ścian zawiera polimerowe żywice pianotwórcze

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Magazyn energii cieplnej zawierający zamkniętą izolację (1), wewnątrz której znajduje się odgrodzona przestrzeń (2) akumulacji ciepła, w której znajduje się wymiennik ciepła, zawierający przewody (3) na przepływowy płyn (4), oraz płyn (6) znamienny tym, że zawiera pompę hydroforową (7) połączoną przewodem (8) z odgrodzoną przestrzenią (2), a gazoprzepuszczalność izolacji (1) jest mniejsza od 10 mD, dzięki czemu magazyn jest przystosowany do ciśnienia w zakresie od 100 kPa do 3 MPa w najwyższej części odgrodzonej przestrzeni (2) akumulacji ciepła.
2. Magazyn energii cieplnej według zastrz. 1, znamienny tym, że odgrodzona przestrzeń (2) akumulacji ciepła zawiera także materiał mineralny (5).
3. Magazyn energii cieplnej według zastrz. 1, znamienny tym, że temperatura przepływowego płynu (4) wynosi co najmniej 100°C.
4. Magazyn energii cieplnej według zastrz. 1,2 albo 3, znamienny tym, że usytuowany jest pod ziemią i ma głębokość (h) w zakresie od 10 do 150 m.
5. Magazyn energii cieplnej według zastrz. 2, znamienny tym, że przewody (3) z przepływowym płynem (4) wymiany cieplnej, umieszczone są w materiale mineralnym (5) w postaci pionowych, betonowych baret (5a) między którymi występuje grunt (5b), w którym znajduje się płyn (6) w postaci wody gruntowej.
6. Magazyn energii cieplnej według zastrz. 1, znamienny tym, że boczne ściany (1 a) zamkniętej izolacji (1) mają grubość od 40 do 450 cm i składają się z co najmniej dwóch warstw: warstwy termoizolacyjnej (w1) o grubości od 30 do 200 cm, oraz warstwy konstrukcyjno-hydroizolacyjnej (w2) o grubości od 10 do 250 cm, przy czym warstwę termoizolacyjną (w1) stanowi warstwa zawierająca polimerowe żywice pianotwórcze, natomiast warstwę konstrukcyjno-hydroizolacyjną (w2) stanowi warstwa betonu specjalnego o gazoprzepuszczalności mniejszej niż 10 mD.
7. Magazyn energii cieplnej według zastrz. 1, znamienny tym, że górna ściana (1 c) zamkniętej izolacji (1) ma grubość od 45 do 1300 cm i zawiera co najmniej trzy warstwy: warstwę termoizolacyjną (W 1) o grubości w zakresie od 5 do 600 cm, warstwę konstrukcyjno-hydroizolacyjną (W2), warstwę rozprężno-drenażową (W3), przy czym warstwę termoizolacyjną (W 1) stanowi warstwa zawierająca polimerowe żywice pianotwórcze, natomiast warstwę konstrukcyjno-hydroizolacyjną (W2) o grubości od 20 do 200 cm stanowi warstwa betonu specjalnego o gazoprzepuszczalności mniejszej niż 10 mD, natomiast warstwę rozprężno-drenażową (W3) stanowi warstwa kruszywa o uziarnieniu od 16 do 64mm o miąższości od 20 do 500 cm.
8. Podziemny magazyn energii cieplnej według zastrz. 1, znamienny tym, że dolna ściana (1b) zamkniętej izolacji (1) ma grubość nie mniejszą niż 50 cm i zawiera co najmniej jedną warstwę w postaci przesłony odcinającej wykonanej metodą iniekcji strumieniowej, lub stanowi ją górotwór będący naturalną barierą o gazoprzepuszczalności mniejszej niż 10 mD.