PL248880B1 - Gruntowy wymiennik ciepła z by-passem pomiarowym profilu temperaturowego odwiertu oraz sposób pomiaru profilu temperaturowego odwiertu w gruntowym wymienniku ciepła za pomocą by-passa pomiarowego - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest By-pass pomiarowy profilu temperaturowego odwiertu w gruntowym wymienniku zwłaszcza dla pompy ciepła oraz sposób pomiaru profilu temperaturowego odwiertu w gruntowym wymienniku zwłaszcza dla pompy ciepła za pomocą By-passa pomiarowego. Układ taki ma zastosowanie w systemach grzewczych opartych o gruntowe pompy ciepła, w których wykorzystuje się gruntowe wymienniki ciepła do krótkoterminowego magazynowania ciepła lub chłodu. By-pass pomiarowy profilu temperaturowego odwiertu w gruntowym wymienniku zwłaszcza dla pompy ciepła, zaopatrzony w przewody rurowe podłączone do rozdzielaczy (RDZ) przechodząc w zamontowane w odwiertach u rury wymiennika gruntowego, charakteryzuje się tym, że co najmniej jeden z odwiertów wymiennika gruntowego jest odwiertem kontrolnym (1), w którym to jest zamontowana pomiędzy rozdzielaczami (RDZ) u-rura, która to przed wlotem do odwiertu kontrolnego (1) zaopatrzona jest w co najmniej trójdrożny zawór strefowy (M), natomiast za wylotem z otworu kontrolnego (1) rzeczona u-rura wyposażona jest w trójnik, który kieruje przepływ do rozdzielaczy (RDZ) i do obejścia rurowego w kierunku zaworu strefowego (M), przy czym obejście rurowe posiada kolejno od trójnika podłączone szeregowo przepływomierz (V) oraz pompę pomiarową (PWM), natomiast na wejściu u-rury do odwiertu kontrolnego (1) znajduje się czujnik temperatury (T).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest gruntowy wymiennik ciepła z by-passem pomiarowym profilu temperaturowego odwiertu zwłaszcza dla pompy ciepła oraz sposób pomiaru profilu temperaturowego odwiertu w gruntowym wymienniku ciepła za pomocą By-passa pomiarowego zwłaszcza dla pompy ciepła. Układ taki ma zastosowanie w systemach grzewczych opartych o gruntowe pompy ciepła, w których wykorzystuje się gruntowe wymienniki ciepła do krótkoterminowego magazynowania ciepła lub chłodu.

Znane są systemy wymienników gruntowych, w skład których wchodzi kilka lub więcej odwiertów z umieszczonymi w nich u-rurami, połączonymi równolegle, szeregowo lub szeregowo-równolegle. U- rury połączone są bezpośrednio do rozdzielaczy, a przepływ w tych u-rurach jest wymuszany centralnie. Z tego powodu przepływ przed wszystkie u-rury odbywa się w tym samym czasie i w tym samym kierunku.

Znane są także systemy, w których pionowe wymienniki gruntowe pomp ciepła wykorzystuje się do krótkoterminowego magazynowania ciepła lub chłodu. Jednak sterowanie takimi magazynami ciepła lub chłodu jest mocno dalekie od doskonałości, biorąc pod uwagę współpracę z nieprzewidywalnymi źródłami energii odnawialnej.

Znaczący rozwój odnawialnych źródeł energii rodzi spore wyzwania jeśli chodzi o wykorzystanie tych zasobów w praktyce, z uwagi na ich słabą przewidywalność. Pojawiają się problemy ze zbytnim obciążeniem sieci przesyłowych oraz brakiem koherencji pomiędzy stroną wytwórczą a odbiorczą energii. Magazynowanie energii elektrycznej jest kosztowne inwestycyjnie.

Jednocześnie nowe cele klimatyczne wymuszają dekarbonizację ciepłownictwa. W procesie tym kluczową rolę mają spełniać ciepłownie oparte o pompy ciepła lub nimi wspomagane. Z uwagi na szereg problemów jakie generują powietrzne pompy ciepła, także dla zarządzania siecią przesyłową, mocy wytwórcze w ciepłownictwie będą oparte o gruntowe pompy ciepła, które czerpią ciepło z zasobów gruntowych z wykorzystaniem pionowych gruntowych wymienników ciepła. Gruntowe wymienniki ciepła składają się szeregu odwiertów o głębokości najczęściej 100 m, w których znajduje się polietylenowa u- rura.

Systemy ciepłownicze będą w coraz większym stopniu zasilane energią elektryczną potrzebną do napędu pomp ciepła, stanowiąc coraz bardziej znaczący wolumen jeśli chodzi o odbiorniki energii elektrycznej.

Najczęściej produkcja energii z OZE nie jest skorelowana z potrzebami odbiorczymi ogólnie, w tym także z potrzebami odbiorczymi ciepłowni wykorzystujących pompy ciepła. Najczęściej przesunięcia pomiędzy szczytami produkcji i szczytami odbiorczymi wynoszą od kilku do kilkunastu godzin. Konieczne jest więc krótkoterminowe magazynowanie ciepła. Ładowanie magazynu cieplnego odbywa się w czasie kiedy są dostępne duże moce wytwórcze energii elektrycznej, natomiast jego rozładowywanie ma miejsce w szczycie zapotrzebowania na ciepło w systemie grzewczym (potrzeby nie tylko na c.o. ale także i na c.w.u.).

Jednym z wariantów magazynowania ciepła jest jego magazynowanie w pionowych wymiennikach gruntowych pomp ciepła, przy wykorzystaniu istniejącej ale nieco zmodyfikowanej instalacji. W przypadku kiedy w systemie energetycznym jest duży potencjał wytwórczy (często na tyle duży, że nie ma jak skonsumować energii elektrycznej i z tego powodu źródła OZE są wyłączane), pompy ciepła wykorzystują nadmiar energii elektrycznej i ładują ciepło pochodzące ze zużywanej energii elektrycznej i ciepło z powietrza, do magazynu gruntowego. Wynikiem tego jest wzrost temperatury w gruntowym wymienniku pompy ciepła. W efekcie tego, kiedy pojawia się szczyt zapotrzebowania na ciepło w systemie grzewczym i pompa ciepła zaczyna dostarczać ciepło do systemu grzewczego, wykonuje to z dużo wyższą efektywnością. Zostaje zatem dostarczona odpowiednia ilość ciepła, ale jednocześnie pobrane zostaje mniej energii elektrycznej, w czasie kiedy akurat źródła OZE nie dysponują mocą wytwórczą. Przy okazji ogranicza się też obciążenie sieci elektrycznej w szczytach zapotrzebowania.

Jednak magazynowanie takie nie jest rozwiązaniem idealnym, z uwagi na ograniczoną sprawność tego procesu. Z jednej strony mamy do czynienia ze stratami magazynowanego ciepła w gruncie a z drugiej strony ze zmianami efektywności pracy pomp ciepła przy ładowaniu oraz rozładowaniu magazynu, z uwagi na zmieniające się temperatury w gruntowym magazynie ciepła. W procesie podejmowania decyzji o ładowaniu oraz o głębokości tego ładownia, nie bez znaczenia będą też zmieniające się ceny energii elektrycznej jak i ceny jej przesyłu. Energia elektryczna będzie bardzo tania, kiedy będą duże moce wytwórcze OZE a brak będzie odbiorów, oraz bardzo droga, kiedy nie będzie mocy wytwór czych OZE przy jednoczesnych szczytach poboru energii elektrycznej. W procesie magazynowania konieczny jest więc ciągła optymalizacja tego procesu pod kątem nie tylko technicznym, ale głównie pod kątem ekonomicznym. Aby taka optymalizacja była możliwa, konieczna jest znajomość możliwości magazynu ciepła, czyli stan jego aktualnego naładowania. W przypadku kiedy mamy do czynienia z gruntem jednorodnym, wskaźnikiem naładowania może być temperatura gruntu, reprezentowana przez temperaturę medium krążącego w instalacji gruntowego wymiennika ciepła. Niestety przy odwiertach o głębokości 100 m mamy do czynienia z kilkoma warstwami różnego rodzaju gruntu. Każdy rodzaj gruntu w profilu pionowym odwiertu, ma różne parametry pojemności cieplnej i przewodności. Pojemność ciepła warunkuje możliwości akumulacyjne danej warstwy, a jej przewodniość cieplna ma wpływ na zdolność do przejmowania mocy oraz poziom strat magazynowania. W procesie zarządzania takim magazynem energii cieplnej, konieczna jest więc znajomość stanu poszczególnych warstw, reprezentowana poprzez temperatury na odpowiednich poziomach odwiertu.

Znane są następujące metody pomiaru temperatur w odwiercie:

a) Pomiar szeregiem standardowych czujników temperatury umieszczonych na odpowiednich głębokościach. Jednak pomimo niskiej ceny i dostępności taka metoda posiada szereg wad:

• konieczność zastosowania wielu torów pomiarowych w celu osiągnięcia odpowiedniej rozdzielczości liniowej lub wykonywanie customizowanej drabiny pomiarowej do danego profilu odwiertowego, • trudne mechaniczne warunki montażu (podczas wykonywania odwiertu) i pracy takiej drabiny pomiarowej w odwiercie, zwiększające ryzyko uszkodzenia, • trudne lub wręcz niemożliwe serwisowanie w przypadku awarii, • rozmycie profilu temperaturowego poprzez krążące w instalacji medium.

b) Pomiar profilu temperatury metodą światłowodową.

• bardzo wysoka cena (oprócz specjalnej linii światłowodowej konieczność posiadania zaawansowanej aparatury elektronicznej pozwalającej na dokonywanie odczytu), • trudne mechaniczne warunki montażu (podczas wykonywania odwiertu) i pracy światłowodu, • trudne lub wręcz niemożliwe do serwisowanie w przypadku awarii, • rozmycie profilu temperaturowego poprzez krążące w instalacji medium.

Problemy wynikające z braku informacji o stanie naładowania magazynu ciepła lub chłodu, które znacząco utrudniają lub wręcz uniemożliwiają optymalizowanie techniczno-kosztowe procesu magazynowania, rozwiązuje by-pass pomiarowy profilu temperaturowego w gruntowym wymienniku dla pompy ciepła, którego umiejscowienie w gruntowym wymienniku ciepła przedstawiono w niniejszym wynalazku.

Zaproponowane rozwiązanie wykorzystuje się odwiert roboczy do celów pomiarowych, bez znaczącego wpływu na wydajność energetyczną układu dolnego źródła jako całości, umożliwia także zdjęcie profilu temperaturowego wymiennika gruntowego, bez montażu fizycznych przyrządów pomiarowych w samym odwiercie.

Gruntowy wymiennik ciepła z by-passem pomiarowym profilu temperaturowego odwiertu zwłaszcza dla pompy ciepła, zaopatrzony w przewody rurowe podłączone do rozdzielaczy przechodząc w zamontowane w odwiertach u rury wymiennika gruntowego, charakteryzuje się tym, że co najmniej jeden z odwiertów wymiennika gruntowego jest odwiertem kontrolnym, w którym to jest zamontowana pomiędzy rozdzielaczami u-rura, która to przed wlotem do odwiertu kontrolnego zaopatrzona jest w co najmniej trójdrożny zawór strefowy, natomiast za wylotem z otworu kontrolnego rzeczona u-rura wyposażona jest w trójnik, który kieruje przepływ do rozdzielaczy i do obejścia rurowego w kierunku zaworu strefowego, przy czym obejście rurowe posiada kolejno od trójnika podłączone szeregowo przepływomierz oraz pompę pomiarową, natomiast na wejściu u-rury do odwiertu kontrolnego znajduje się czujnik temperatury.

Korzystnie, zawór strefowy, czujnik temperatury, pompa pomiarowa oraz przepływomierz podłączone są równolegle do komputerowego sterownika pomiaru.

Korzystnie, komputerowy sterownik pomiaru za pomocą złącza komunikacyjnego podłączony jest ze sterownikiem głównym.

Korzystnie, w szeregu na obejściu rurowym za pompą pomiarową zamontowany jest przepływomierz w wstecznym kierunku przepływu względem przepływu w u-rurze w odwiercie kontrolnym.

Korzystnie, przewody rurowe w tym u-rura, obejście rurowe oraz trójnik wykonane są z polietylenu.

Sposób pomiaru profilu temperaturowego odwiertu w gruntowym wymienniku ciepła za pomocą by-passa pomiarowego zwłaszcza dla pompy ciepła, charakteryzuje się tym, że za pomocą sterownika głównego jeśli nie przewiduje się pełnego obciążenia cieplnego systemu przez najbliższe co najmniej pół godziny, wysyła się poprzez złącze komunikacyjne do komputerowego sterownika pomiaru polecenie wykonania pomiaru temperatury, następnie za pomocą rzeczonego komputerowego sterownika pomiaru odłącza się odwiert kontrolny od pozostałych odwiertów roboczych wymiennika, po przez przełączenie zawór strefowego tak że zamyka się i zapętla obieg przepływu z u-rury i z obejście rurowego, po zadanym przez komputerowy sterownik pomiarowy czasokresie załącza się pompę pomiarową wymuszając przepływ w odwiercie kontrolnym w kierunku przeciwnym do kierunku w jakim odwiert kontrolny pracował w trybie odwiertu roboczego, co najmniej co 1 s odczytywana jest przy pomocy czujnika temperatury temperatura oraz dokonywany jest uśredniony pomiar przepływu objętościowego podczas wykonywania pomiaru, informacje są przekazywane do komputerowego sterownika pomiaru, po wykonaniu pomiaru komputerowy sterownik pomiarowy udostępnia w odpowiednich rejestrach złącza komunikacyjnego potwierdzenie wykonania pomiaru opatrzone stemplem czasowym oraz same dane wyjściowe będące profilem temperaturowym, w rejestrze złącza komunikacyjnego zapisuje się także wartość przepływu liniowego, zarejestrowaną z pomocą przepływomierza podczas wykonywania pomiaru, w ten sposób zbadany profil jest dostępny dla sterownika głównego, po wykonaniu cyklu pomiarowego, komputerowy sterownik pomiarowy wyłącza pompę pomiarową i przełącza zawór strefowy, przywracając odwiert kontrolny systemowi głównemu do pracy w trybie odwiertu roboczego.

Korzystnie, cyklem pomiarowym zarządza autonomiczny sterownik, wyposażony w złącze komunikacyjne, przez które przyjmowane jest zlecenie pomiaru od sterownika nadrzędnego oraz przez które publikowane są wyniki ostatniego cyklu pomiarowego, przy czym sterownik zarządza zaworem strefowym i wydajnością pomiarowej pompy obiegowej, a także dokonuje serii odczytów z czujnika temperatury umieszczonego w rurze wejściowej odwiertu kontrolnego. Korzystnie, polecenie wykonania pomiaru, opatrzone jest stemplem czasowym zgłoszenia tego żądania, ponadto polecenie to zawiera także korektę przepływu pomiarowego.

Korzystnie, pomiaru dokonuje się do 2 razy na dobę, w odstępie większym od 6 h.

Korzystnie, czasokres w którym załącza się pompę pomiarową wymuszając przepływ w odwiercie kontrolnym wynosi 25 minut.

Korzystnie, pomiarowa pompa obiegowa uruchamiana jest z ustaloną wcześniej wydajnością sterowną przez sterownik pomiarowy za pomocą sygnału, wydajność pompy obiegowej nie jest zmieniana podczas pomiaru.

Korzystnie, sterownik sterujący pomiarem na podstawie liniowej prędkości przepływu, w zależności do głębokości odwiertu oblicza czas pomiaru, a także tworzy profil temperaturowy odwiertu.

Korzystnie, podczas pomiaru utrzymywana jest liniowa prędkość przepływu na poziomie 0,5 m/s +/-10%.

Korzystnie, komputerowy sterownik zarządzający pomiarem dokonuje przed rozpoczęciem pomiaru korekcji nastawy wydajności pompy obiegowej, na podstawie danych o przepływie zebranych w poprzednim cyklu pomiarowym, tak aby przepływ bazowy podczas kolejnego cyklu pomiarowego był jak najbardziej zbliżony do 0,5 m/s.

Korzystnie, kiedy profil obciążenia jest powtarzalny w czasie, a wartość przepływu liniowego podczas ostatnich pomiarów mieści się w zakresie od 0,45 m/s do 0,55 m/s, sterownik główny podczas wysyłania żądania wykonania pomiaru do komputerowy sterownika pomiarowego, ma możliwość wysyłania korekty przepływu, który podczas wykonywania następnego cyklu pomiarowego może być korygowany od: -0,2 m/s, -0,1 m/s, 0 m/s, +0,1 m/s, +0,2 m/s.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na załączonym rysunku, na którym Fig. 1 przedstawiono umiejscowienie by-pass’u pomiarowego profilu temperaturowego w gruntowym wymienniku dla pompy ciepła, Fig. 2 uwidoczniono pracę odwiertu kontrolnego w trybie obciążenia cieplnego, Fig. 3 zaprezentowano pracę odwiertu kontrolnego w trybie pomiarowym.

Podczas normalnej pracy odwiert kontrolny 1 pracuje w takim samym reżimie jak pozostałe odwierty w systemie, czyli odwierty robocze 2. Cała instalacja sterowana jest ze sterownika głównego systemu SG, który zarządza pracą systemu ciepłowniczego, w tym podejmując decyzję o ładowaniu i rozładowywaniu magazynu ciepła.

Jeśli sterownik główny SG chce podjąć decyzję związaną z pracą magazynu ciepła, a jednocześnie nie przewiduje pełnego obciążenia cieplnego systemu przez najbliższe pół godziny, wysyła poprzez złącze komunikacyjne MODBUS rozkaz wykonania pomiaru, opatrzony stemplem czasowym zgłoszenia tego żądania. Rozkaz wykonania pomiaru zawiera także korektę przepływu pomiarowego. Ważne jest, aby nie wykonywać zbyt często cyklu pomiarowego (maks. 2 razy na dobę, w odstępie większym od 6 h), gdyż wtedy wyniki z odwiertu kontrolnego 1 nie będą dość dokładnie odzwierciedlały ogólnego stanu magazynu ciepła.

Peryferyjny sterownik zarządzający pomiarem SP przyjmuje rozkaz wykonania pomiaru profilu temperaturowego odwiertu kontrolnego 1. Przełącza wtedy zawór strefowy M odcinając odwiert kontrolny 1 od reszty wymiennika gruntowego. Odwiert kontrolny 1 jest odcięty na 25 minut, tak aby medium znajdujące się w u-rurze, zróżnicowało swoją temperaturę w profilu odwiertu zgodnie z temp. na danym poziomie odwiertu. W tym czasie, reszta odwiertów, czyli odwierty robocze 2, mogą funkcjonować bez przeszkód.

Odwiert kontrolny 1 może pracować w dwóch trybach, czyli w trybie obciążenia cieplnego Fig. 2 oraz w trybie pomiarowym Fig. 3.

Po 25 minutach od rozpoczęcia cyklu pomiarowego aktywowana jest kontrolna pompa obiegowa PWM, wymuszając przepływ jedynie w odwiercie kontrolnym 1 w kierunku przeciwnym do kierunku, w stosunku do którego pracował normalnie odwiert pomiarowy 1 jako odwiert roboczy. Kontrolowana jest zatem połowa wejściowa u-rury, co pozwala na osiągnięcie większego kontrastu temperaturowego (z uwagi na większe gradienty temperaturowe w pobliżu rury wejściowej od odwiertu w stosunku do rury wyjściowej). Pomiarowa pompa obiegowa PWM uruchamiana jest z ustaloną wcześniej wydajnością (sterowna przez sterownik pomiarowy SP za pomocą sygnału PWM). Wydajność pompy obiegowej PWM nie jest zmieniana podczas pomiaru. Dokonywany jest też uśredniony pomiar przepływu objętościowego podczas wykonywania pomiaru, za pomocą przepływomierza V. Z pomiaru objętościowego przepływu i na podstawie średnicy wewnętrznej u-rury, obliczana jest liniowa prędkość przepływu. Podczas cyklu pomiarowego co 1 s odczytywana jest temperatura medium w kontrolowanej u-rurze, przy pomocy czujnika temperatury T, umieszczonego wewnątrz u-rury w tzw. przepływie. Tablica z kolejnymi pomiarami w danym cyklu pomiarowym zapisywana jest w pamięci sterownika SP. Sterownik sterujący pomiarem SP na podstawie liniowej prędkości przepływu, oblicza czas pomiaru (w zależności do głębokości odwiertu), a także tworzy profil temperaturowy odwiertu.

Ważne jest, aby podczas pomiaru utrzymywana była liniowa prędkość przepływu na poziomie 0,5 m/s +/-10% + korekta. Zbyt duża prędkość przepływu spowoduje, z uwagi na ograniczoną stałą czasową reakcji termicznej samego czujnika temperatury T, że pomiar profilu temperaturowego będzie obarczony dużym błędem (brak możliwości precyzyjnego zarejestrowania zmian temperatury przepływającego medium). Natomiast zbyt mała prędkość przepływu liniowego podczas pomiaru, spowoduje „zatarcie” różnic temperaturowych w profilu odwiertu, spowodowanych wymianą ciepła pomiędzy poszczególnymi warstwami odwiertu i medium płynącym w u-rurze. Sterownik zarządzający pomiarem SP dokonuje przed rozpoczęciem pomiaru korekcji nastawy wydajności pompy obiegowej PWM, na podstawie danych o przepływie zebranych w poprzednim cyklu pomiarowym, tak aby przepływ bazowy podczas kolejnego cyklu pomiarowego był jak najbardziej zbliżony do 0,5 m/s + korekta.

Po wykonaniu pomiaru sterownik pomiarowy SP udostępnia w odpowiednich rejestrach MODBUS potwierdzenie wykonania pomiaru opatrzone stemplem czasowym oraz same dane wyjściowe będące profilem temperaturowym. W rejestrze MODBUS dostępna jest także wartość przepływu liniowego, zarejestrowana z pomocą przepływomierza V podczas wykonywania pomiaru. W ten sposób zbadany profil jest dostępny dla sterownika głównego SG.

Po wykonaniu cyklu pomiarowego, sterownik pomiarowy SP wyłącza pompę pomiarową PWM i przełącza zawór strefowy M, przywracając odwiert kontrolny systemowi głównemu.

Na skuteczność zdejmowania profilu temperaturowego wpływ ma układ warstw w gruncie, jak i sposób wykonania odwiertu. Dokładność można poprawić przez korekcję prędkości przepływu podczas sesji pomiarowej. Jednak korekcja ta jest w gestii sterownika głównego systemu SG. Sterownik główny systemu SG ma informację o profilu obciążenia odwiertu. W przypadku kiedy profil obciążenia jest powtarzalny w czasie (a wartość przepływu liniowego podczas ostatnich pomiarów mieści się w zakresie od 0,45 m/s + korekta do 0,55 m/s + korekta), sterownik główny SG podczas wysyłania żądania wykonania pomiaru do sterownika pomiarowego, ma możliwość wysyłania korekty przepływu. Przepływ podczas wykonywania następnego cyklu pomiarowego może być korygowany od: -0,2 m/s, -0,1 m/s, 0 m/s, +0,1 m/s, +0,2 m/s. Po odczytaniu danych pomiarowych z różnymi korektami, sterownik główny SG może dokonać optymalizacji poprzez wybór odpowiednej korekty, która będzie używana już trwale podczas następnych cykli pomiarowych. Wybór optymalnej korekty następuje w wyniku analizy przedziału zmienności odczytów temperatury w danych sesjach pomiarowych wykonanych dla poszczególnych korekt. Im przedział zmienności temperatur w danej sesji pomiarowej jest większy, tym korzystniejsza jest korekta związana właśnie z tą sesją pomiarową.

Przykład 1

By-pass pomiarowy profilu temperaturowego odwiertu w gruntowym wymienniku zwłaszcza dla pompy ciepła, zaopatrzony jest w przewody rurowe podłączone do rozdzielaczy RDZ przechodząc w zamontowane w odwiertach u-rury wymiennika gruntowego. Jeden z odwiertów wymiennika gruntowego jest odwiertem kontrolnym 1, w którym to jest zamontowana pomiędzy rozdzielaczami RDZ u-rura 3, która to przed wlotem do odwiertu kontrolnego 1 zaopatrzona jest w trójdrożny zawór strefowy M, natomiast za wylotem z otworu kontrolnego 1 rzeczona u-rura 3 wyposażona jest w trójnik 4, który kieruje przepływ do rozdzielaczy RDZ i do obejścia rurowego 5 w kierunku zaworu strefowego M, przy czym obejście rurowe 5 posiada kolejno od trójnika 4 podłączone szeregowo przepływomierz V oraz pompę pomiarową PWM, natomiast na wejściu u-rury do odwiertu kontrolnego 1 znajduje się czujnik temperatury T. Zawór strefowy M, czujnik temperatury T, pompa pomiarowa PWM oraz przepływomierz V podłączone są równolegle do komputerowego sterownika pomiaru SP. Komputerowy sterownik pomiaru SP za pomocą złącza komunikacyjnego MODBUS podłączony jest ze sterownikiem głównym SG. W szeregu na obejściu rurowym 5 za pompą pomiarową PWM zamontowany jest przepływomierz V w wstecznym kierunku przepływu względem przepływu w u-rurze 3 w odwiercie kontrolnym 1. Przewody rurowe w tym u-rura 3, obejście rurowe 5 oraz trójnik 4 wykonane są z polietylenu, zaś zawór strefowy M to elektrozawór.

Przykład 2

Sposób pomiaru profilu temperaturowego odwiertu w gruntowym wymienniku zwłaszcza dla pompy ciepła za pomocą By-passa pomiarowego, obejmuje następujące czynności: za pomocą sterownika głównego SG jeśli nie przewiduje się pełnego obciążenia cieplnego systemu przez najbliższe co najmniej pół godziny, wysyła się poprzez złącze komunikacyjne MODBUS do komputerowego sterownika pomiaru SP polecenie wykonania pomiaru temperatury, następnie za pomocą rzeczonego komputerowego sterownika pomiaru SP odłącza się odwiert kontrolny 1 od pozostałych odwiertów roboczych 2 wymiennika, po przez przełączenie zawór strefowego M tak że zamyka się i zapętla obieg przepływu z u-rury 3 i z obejście rurowego 5, po zadanym przez komputerowy sterownik pomiarowy SP czasokresie załącza się pompę pomiarową PWM wymuszając przepływ w odwiercie kontrolnym 1 w kierunku przeciwnym do kierunku w jakim odwiert kontrolny 1 pracował w trybie odwiertu roboczego 2, co najmniej co 1 s odczytywana jest przy pomocy czujnika temperatury T temperatura oraz dokonywany jest uśredniony pomiar przepływu objętościowego podczas wykonywania pomiaru, informacje są przekazywane do komputerowego sterownika pomiaru SP, po wykonaniu pomiaru komputerowy sterownik pomiarowy SP udostępnia w odpowiednich rejestrach złącza komunikacyjnego MODBUS potwierdzenie wykonania pomiaru opatrzone stemplem czasowym oraz same dane wyjściowe będące profilem temperaturowym, w rejestrze złącza komunikacyjnego MODBUS zapisuje się także wartość przepływu liniowego, zarejestrowaną z pomocą przepływomierza V podczas wykonywania pomiaru, w ten sposób zbadany profil jest dostępny dla sterownika głównego SG, po wykonaniu cyklu pomiarowego, komputerowy sterownik pomiarowy SP wyłącza pompę pomiarową PWM i przełącza zawór strefowy M, przywracając odwiert kontrolny 1 systemowi głównemu do pracy w trybie odwiertu roboczego 2.

Cyklem pomiarowym zarządza autonomiczny sterownik SP, wyposażony w złącze komunikacyjne MODBUS, przez które przyjmowane jest zlecenie pomiaru od sterownika nadrzędnego SG oraz przez które publikowane są wyniki ostatniego cyklu pomiarowego, przy czym sterownik SP zarządza zaworem strefowym M i wydajnością pomiarowej pompy obiegowej PWM, a także dokonuje serii odczytów z czujnika temperatury T umieszczonego w rurze wejściowej odwiertu kontrolnego 1.

Polecenie wykonania pomiaru, opatrzone jest stemplem czasowym zgłoszenia tego żądania, ponadto polecenie to zawiera także korektę przepływu pomiarowego. Pomiaru dokonuje się do 2 razy na dobę, w odstępie większym od 6 h. Czasokres w którym załącza się pompę pomiarową PWM wymuszając przepływ w odwiercie kontrolnym 1 wynosi 25 minut. Pomiarowa pompa obiegowa PWM uruchamiana jest z ustaloną wcześniej wydajnością sterowną przez sterownik pomiarowy SP za pomocą sygnału PWM, wydajność pompy obiegowej PWM nie jest zmieniana podczas pomiaru. Sterownik sterujący pomiarem SP na podstawie liniowej prędkości przepływu, w zależności do głębokości odwiertu oblicza czas pomiaru, a także tworzy profil temperaturowy odwiertu. Podczas pomiaru utrzymywana jest liniowa prędkość przepływu na poziomie 0,5 m/s +/-10%.

Komputerowy sterownik zarządzający pomiarem SP dokonuje przed rozpoczęciem pomiaru korekcji nastawy wydajności pompy obiegowej PWM, na podstawie danych o przepływie zebranych w poprzednim cyklu pomiarowym, tak aby przepływ bazowy podczas kolejnego cyklu pomiarowego był jak najbardziej zbliżony do 0,5 m/s. Kiedy profil obciążenia jest powtarzalny w czasie, a wartość przepływu liniowego podczas ostatnich pomiarów mieści się w zakresie od 0,45 m/s do 0,55 m/s, sterownik główny SG podczas wysyłania żądania wykonania pomiaru do komputerowy sterownika pomiarowego SP, ma możliwość wysyłania korekty przepływu, który podczas wykonywania następnego cyklu pomiarowego może być korygowany od: -0,2 m/s, -0,1 m/s, 0 m/s, +0,1 m/s, +0,2 m/s.

Claims (15)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Gruntowy wymiennik ciepła z by-passem pomiarowym profilu temperaturowego odwiertu zwłaszcza dla pompy ciepła, zaopatrzony w przewody rurowe podłączone do rozdzielaczy (RDZ) przechodzące w zamontowane w odwiertach u rury wymiennika gruntowego, znamienny tym, że co najmniej jeden z odwiertów wymiennika gruntowego jest odwiertem kontrolnym (1), w którym to jest zamontowana pomiędzy rozdzielaczami (RDZ) u-rura (3), która to przed wlotem do odwiertu kontrolnego (1) zaopatrzona jest w co najmniej trójdrożny zawór strefowy (M), natomiast za wylotem z otworu kontrolnego (1) rzeczona u-rura (3) wyposażona jest w trójnik (4), który kieruje przepływ do rozdzielaczy (RDZ) i do obejścia rurowego (5) w kierunku zaworu strefowego (M), przy czym obejście rurowe (5) posiada kolejno od trójnika (4) podłączone szeregowo przepływomierz (V) oraz pompę pomiarową (PWM), natomiast na wejściu u-rury do odwiertu kontrolnego (1) znajduje się czujnik temperatury (T).
2. 2. Gruntowy wymiennik, według zastrz. 1, znamienny tym, że zawór strefowy (M), czujnik temperatury (T), pompa pomiarowa (PWM) oraz przepływomierz (V) podłączone są równolegle do komputerowego sterownika pomiaru (SP).
3. 3. Gruntowy wymiennik, według zastrz. 2, znamienny tym, że komputerowy sterownik pomiaru (SP) za pomocą złącza komunikacyjnego (MODBUS) podłączony jest ze sterownikiem głównym (SG).
4. 4. Gruntowy wymiennik, według zastrz. 1, znamienny tym, że w szeregu na obejściu rurowym (5) za pompą pomiarową (PWM) zamontowany jest przepływomierz (V) we wstecznym kierunku przepływu względem przepływu w u-rurze (3) w odwiercie kontrolnym (1).
5. 5. Gruntowy wymiennik, według zastrz. 1, znamienny tym, że przewody rurowe w tym u-rura (3), obejście rurowe (5) oraz trójnik (4) wykonane są z polietylenu, zaś zawór strefowy (M) to elektrozawór.
6. 6. Sposób pomiaru profilu temperaturowego odwiertu w gruntowym wymienniku ciepła za pomocą by-passa pomiarowego zwłaszcza dla pompy ciepła, znamienny tym, że za pomocą sterownika głównego (SG) jeśli nie przewiduje się pełnego obciążenia cieplnego systemu przez najbliższe co najmniej pół godziny, wysyła się poprzez złącze komunikacyjne (MODBUS) do komputerowego sterownika pomiaru (SP) polecenie wykonania pomiaru temperatury, następnie za pomocą rzeczonego komputerowego sterownika pomiaru (SP) odłącza się odwiert kontrolny (1) od pozostałych odwiertów roboczych (2) wymiennika, po przez przełączenie zawór strefowego (M) tak że zamyka się i zapętla obieg przepływu z u-rury (3) i z obejście rurowego (5), po zadanym przez komputerowy sterownik pomiarowy (SP) czasokresie załącza się pompę pomiarową (PWM) wymuszając przepływ w odwiercie kontrolnym (1) w kierunku przeciwnym do kierunku w jakim odwiert kontrolny (1) pracował w trybie odwiertu roboczego (2), co najmniej co 1 s odczytywana jest przy pomocy czujnika temperatury (T) temperatura oraz dokonywany jest uśredniony pomiar przepływu objętościowego podczas wykonywania pomiaru, informacje są przekazywane do komputerowego sterownika pomiaru (SP), po wykonaniu pomiaru komputerowy sterownik pomiarowy (SP) udostępnia w odpowiednich rejestrach złącza komunikacyjnego (MODBUS) potwierdzenie wykonania pomiaru opatrzone stemplem czasowym oraz same dane wyjściowe będące profilem temperaturowym, w rejestrze złącza komunikacyjnego (MODBUS) zapisuje się także wartość przepływu liniowego, zarejestrowaną z pomocą przepływomierza (V) podczas wykonywania pomiaru, w ten sposób zbadany profil jest dostępny dla sterownika głównego (SG), po wykonaniu cyklu pomiarowego, komputerowy sterownik pomiarowy (SP) wyłącza pompę pomiarową (PWM) i przełącza zawór strefowy (M), przywracając odwiert kontrolny (1) systemowi głównemu do pracy w trybie odwiertu roboczego (2).
7. 7. Sposób, według zastrz. 6, znamienny tym, że cyklem pomiarowym zarządza autonomiczny sterownik (SP), wyposażony w złącze komunikacyjne (MODBUS), przez które przyjmowane jest zlecenie pomiaru od sterownika nadrzędnego (SG) oraz przez które publikowane są wyniki ostatniego cyklu pomiarowego, przy czym sterownik (SP) zarządza zaworem strefowym (M) i wydajnością pomiarowej pompy obiegowej (PWM), a także dokonuje serii odczytów z czujnika temperatury (T) umieszczonego w rurze wejściowej odwiertu kontrolnego (1).
8. 8. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że polecenie wykonania pomiaru, opatrzone jest stemplem czasowym zgłoszenia tego żądania, ponadto polecenie to zawiera także korektę przepływu pomiarowego.
9. 9. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiaru dokonuje się do 2 razy na dobę, w odstępie większym od 6 h.
10. 10. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że czasokres w którym załącza się pompę pomiarową (PWM) wymuszając przepływ w odwiercie kontrolnym (1) wynosi 25 minut.
11. 11. Sposób działania skraplacza hybrydowego, znamienny tym, że pomiarowa pompa obiegowa (PWM) uruchamiana jest z ustaloną wcześniej wydajnością sterowną przez sterownik pomiarowy (SP) za pomocą sygnału (PWM), wydajność pompy obiegowej (PWM) nie jest zmieniana podczas pomiaru.
12. 12. Sposób, według zastrz. 7, znamienny tym, że sterownik sterujący pomiarem (SP) na podstawie liniowej prędkości przepływu, w zależności do głębokości odwiertu oblicza czas pomiaru, a także tworzy profil temperaturowy odwiertu.
13. 13. Sposób, według zastrz. 7, znamienny tym, że podczas pomiaru utrzymywana jest liniowa prędkość przepływu na poziomie 0,5 m/s +/-10%.
14. 14. Sposób, według zastrz. 7, znamienny tym, że komputerowy sterownik zarządzający pomiarem (SP) dokonuje przed rozpoczęciem pomiaru korekcji nastawy wydajności pompy obiegowej (PWM), na podstawie danych o przepływie zebranych w poprzednim cyklu pomiarowym, tak aby przepływ bazowy podczas kolejnego cyklu pomiarowego był jak najbardziej zbliżony do 0,5 m/s.
15. 15. Sposób, według zastrz. 7, znamienny tym, że kiedy profil obciążenia jest powtarzalny w czasie, a wartość przepływu liniowego podczas ostatnich pomiarów mieści się w zakresie od 0,45 m/s do 0,55 m/s, sterownik główny (SG) podczas wysyłania żądania wykonania pomiaru do komputerowy sterownika pomiarowego (SP), ma możliwość wysyłania korekty przepływu, który podczas wykonywania następnego cyklu pomiarowego może być korygowany od: -0,2 m/s, -0,1 m/s, 0 m/s, +0,1 m/s, +0,2 m/s.