PL233606B1 - Uklad do magazynowania energii cieplnej oraz sposob magazynowania energii cieplnej - Google Patents

Abstract

Układ do sezonowego magazynowania ciepła zawierający źródło ciepła w postaci kolektorów słonecznych (8) połączonych z przeponowym wymiennikiem ciepła ciecz-powietrze (2), charakteryzuje się tym, że w układzie zamkniętym połączone są wymiennik ciepła ciecz-powietrze (2) z termochemicznym magazynem ciepła (1) oraz rekuperatorem (7) do ogrzewania instalacji docelowej i poprzez rekuperator (3) połączony jest z obiegiem gruntowego wymiennika ciepła (4), który za pomocą pompy (6) połączony jest ze zbiornikiem magazynowym (5) cieczy.

Description

Opis wynalazku

Dążenie do ograniczenia emisji CO2 skłania do poszukiwania nowych rozwiązań dostarczenia i magazynowania energii cieplnej do budynków mieszkalnych, biurowych lub hal produkcyjnych. Ze względu na klimat panujący w Polsce zużycie energii cieplnej występuje głównie w sezonie zimowym, gdzie możliwości pozyskania OZE, w szczególności energii słonecznej, jest bardzo niskie w okresie zimowym. Odzysk energii cieplnej zakumulowanej w okresie letnim pozwoli na ogrzewanie budynków i na podgrzewanie ciepłej wody użytkowej.

Przedmiotem wynalazku jest układ do sezonowego magazynowania energii cieplnej oraz sposób magazynowania energii cieplnej uzyskiwanej za pomocą kolektorów słonecznych z promieniowania słonecznego wraz ze sposobem jej odzysku do centralnego ogrzewania (C.O.) i do ciepłej wody użytkowej (C.W.U.).

Znane są rozwiązania magazynowania ciepła w postaci fizycznej, gdzie odzysk ciepła prowadzi się z wykorzystaniem pomp ciepła. Energia cieplna promieniowania słonecznego wykorzystywana jest do podgrzania zasobników wodnych, wód gruntowych, gruntu.

Znane jest również wykorzystanie magazynu ciepła do nagrzewania powietrza wentylacyjnego (WO 2014/053476 A1). Powietrze wilgotne pochodzące z budynku jest kierowane do magazynu ciepła. Para wodna zawarta w powietrzu wentylacyjnym powoduje hydratację soli, wydzielone ciepło przekazywane jest do strumienia przepływającego powietrza, a następnie w rekuperatorze przekazywane do powietrza wpływającego do budynku.

Znane są również rozwiązania wykorzystujące pompy ciepła w układzie sezonowego magazynowania ciepła, gdzie ciepło pochodzące z kolektorów słonecznych magazynowane jest w gruncie za pomocą systemu rur (DE 3032748 A1). W okresie zimowym ciepło zgromadzone w gruncie otaczającym system rur jest wykorzystywane jako dolne źródło gruntowej pompy ciepła.

Znane jest również rozwiązanie (US 9016079 B2), gdzie odpadowe ciepło z kolektorów słonecznych magazynowane jest w zbiorniku będącym jednocześnie magazynem ciepła i dolnym źródłem ciepła pompy ciepła. Podczas gdy kolektory słoneczne nie są w stanie zapewnić wymaganej temperatury w zbiorniku ciepłej wody, uruchamiana jest pompa ciepła, która wykorzystuje niskotemperaturowe ciepło z magazynu ciepła (będącego również zbiornikiem wody) do podgrzania wody w zbiorniku ciepłej wody.

Z kolei patent (US 4224803) opisuje metodę akumulowania ciepła z kolektorów słonecznych w magazynie termochemicznym działającym jednak w cyklu dobowym. Układ nie zastępuje ogrzewania konwencjonalnego budynku w okresie zimowym natomiast stanowi jego uzupełnienie. W porze dziennej nadmiar ciepła z kolektorów słonecznych jest kierowany do kanałów wypełnionych solą (hydratem soli) i następuje akumulacja ciepła poprzez dehydratację soli. W porze nocnej kiedy temperatura zewnętrzna się obniży, powietrze kierowane z domu powoduje nasycanie soli parą wodną, a w wyniku reakcji wydziela się ciepło, które kierowane jest do pomieszczeń budynku.

Patent (EP 2141419) opisuje wykorzystanie pompy ciepła do produkcji ciepła w budynku w połączeniu z panelami fotowoltaicznymi i magazynowaniem ciepła w gruncie.

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. Poprzez rekuperator układ połączony jest z obiegiem gruntowego wymiennika ciepła, który za pomocą pompy połączony jest ze zbiornikiem magazynowym cieczy. Jako źródła ciepła można również zastosować układ elektryczny lub piec grzewczy.

Termochemiczny magazyn ciepła w porze letniej pracuje w oparciu o proces dehydratacji według MgSO4'7H2O do MgSO4'H2O, a w okresie zimowym pracuje w oparciu o proces hydratacji według MgSO4-H2O do MgSO4-7H2O.

Powietrze może być również pobierane bezpośrednio z otoczenia za pomocą dmuchawy i kierowane do magazynu ciepła, który wyposażony jest w parownik pompy ciepła, przez co ciepło reakcji jest bezpośrednio wykorzystywane jako dolne źródło pompy ciepła. Magazyn ciepła może być również połączony za pomocą wymiennika ciepła z dolnym źródłem pompy ciepła.

Sposób sezonowego magazynowania energii cieplnej według proponowanego wynalazku, którego obieg powietrza wilgotnego lub suchego przedmuchującego magazyn jest zrealizowany w układzie zamkniętym, charakteryzuje się tym, że w porze letniej nadmiar ciepła uzyskiwanego z kolektorów słonecznych kierowany jest do przeponowego wymiennika ciepła ciecz - powietrze, gdzie za pomocą płynu

PL 233 606 B1 termalnego następuje nagrzanie powietrza do temperatury niezbędnej do procesu dehydratacji. Powietrze pompowane za pomocą dmuchawy kierowane do magazynu ciepła posiada niską wilgotność względną, dzięki czemu możliwy jest przebieg procesu dehydratacji soli MgSO4'7H2O do MgSO4'H2O. W magazynie mogą być wykorzystywane uwodnione sole (siarczany, chlorki, azotany, fosforany i in.) grupy I i II układu okresowego (głównie Mg, Na, Ca, K). Powietrze nawilżone, odprowadzane z magazynu ciepła, chłodzone jest w rekuperatorze, a następnie kierowane jest do gruntowego wymiennika ciepła. W gruntowym wymienniku ciepła następuje skroplenie pary wodnej i jej odprowadzenie do zbiornika magazynowego. Skroplenie pary wodnej powoduje przekazanie ciepła skraplania do otaczającego gruntu. Osuszone powietrze wstępnie nagrzewane jest w rekuperatorze, jednocześnie chłodząc powietrze kierowane do przeponowego wymiennika ciepła. Nagrzane i suche powietrze skierowane do magazynu ciepła powoduje dehydratację siarczanu magnezu według MgSO4'7H2O do MgSO4'H2O i akumulację ciepła.

W porze zimowej do gruntowego wymiennika ciepła za pomocą pompy dozowana jest woda, gdzie następuje jej odparowanie w strumieniu powietrza do wartości równowagowej z wykorzystaniem ciepła zakumulowanego w otaczającym gruncie. Powietrze wilgotne następnie kierowane jest do rekuperatora i do magazynu ciepła poprzez wymiennik przeponowy. W magazynie ciepła następuje pochłanianie wilgoci, a reakcja hydratacji według MgSO4'H2O do MgSO4'7H2O jest reakcją egzotermiczną. Podgrzane powietrze z magazynu ciepła kierowane jest do rekuperatora, który nagrzewa powietrze kierowane do budynku.

Podgrzane powietrze z magazynu ciepła wykorzystywane jest także jako dolne źródło pompy ciepła. Jako dolne źródła pomp ciepła wykorzystuje się: powietrze (zewnętrzne lub wywiewane), wody powierzchniowe, grunt, wody gruntowe, niskotemperaturowe wody geotermalne i ścieki.

Przedmiot wynalazku w przykładach realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu sezonowego magazynowania energii cieplnej pochodzącej z kolektorów słonecznych, z zamkniętym obiegiem powietrza wraz z układem odzyskiwania ciepła; fig. 2 przedstawia schemat układu sezonowego magazynowania energii cieplnej z pompą ciepła wraz z układem odzyskiwania ciepła; fig. 3 przedstawia zakres operacyjny pracy akumulatora ciepła.

P r z y k ł a d 1

Sposób sezonowego magazynowania energii cieplnej według wynalazku, którego obieg powietrza wilgotnego lub suchego, przedmuchującego magazyn jest zrealizowany w układzie zamkniętym, charakteryzuje się tym, że w porze letniej nadmiar ciepła uzyskiwanego z kolektorów słonecznych 8 kierowany jest do przeponowego wymiennika ciepła ciecz - powietrze 2, w którym powietrze nagrzewane jest do temperatury ok. 80°C. W kolektorach słonecznych 8 cyrkulujący płyn termalny nagrzewany jest do ok. 110-120°C. Płyn termalny kierowany jest do wymiennika ciepła 2, gdzie następuje podgrzanie powietrza do temperatury 60-90°C. Podczas ładowania suche powietrze podgrzewane jest w wymienniku przeponowym 2. Powietrze nawilżone chłodzone jest w rekuperatorze 3, a następnie kierowane jest do gruntowego wymiennika ciepła 4. W gruntowym wymienniku ciepła 4 następuje skroplenie pary wodnej i jej odprowadzenie do zbiornika magazynowego 5. Skroplenie pary wodnej powoduje przekazanie ciepła skraplania do otaczającego gruntu. Osuszone powietrze wstępnie nagrzewane jest w rekuperatorze 3, jednocześnie chłodząc powietrze kierowane do przeponowego wymiennika ciepła 2, gdzie płyn termalny z kolektorów słonecznych 8 nagrzewa powietrze do temperatury ok. 80°C. Nagrzane i suche powietrze skierowane do magazynu ciepła 1 powoduje dehydratację siarczanu magnezu według MgSO4'7H2O do MgSO4'H2O i akumulację ciepła.

W porze zimowej do gruntowego wymiennika ciepła 4 pompą 6 pompowana jest woda, gdzie następuje jej odparowanie w strumieniu powietrza do wartości równowagowej z wykorzystaniem ciepła zakumulowanego w gruncie otaczającym gruntowy wymiennik ciepła 4. Powietrze wilgotne następnie kierowane jest do rekuperatora 3 i do magazynu ciepła 1 poprzez wymiennik przeponowy 2. W magazynie ciepła następuje pochłanianie wilgoci, a reakcja hydratacji według MgSO4'H2O do MgSO4'7H2O jest reakcją egzotermiczną. Podgrzane powietrze z magazynu ciepła 1 kierowane jest do rekuperatora 7, który nagrzewa powietrze kierowane do budynku.

P r z y k ł a d 2

W porze letniej nadmiar ciepła uzyskiwanego z kolektorów słonecznych 8 kierowany jest do przeponowego wymiennika ciepła ciecz - powietrze 2, w którym powietrze nagrzewane jest do temperatury ok. 80°C. W kolektorach słonecznych 8 cyrkulujący płyn termalny nagrzewany jest do ok. 110-120°C. Płyn termalny kierowany jest do wymiennika ciepła 2, gdzie następuje nagrzanie powietrza do tempe

PL 233 606 B1 ratury 60-90°C. Powietrze wylotowe służy do wstępnego podgrzania powietrza wlotowego w rekuperatorze 2. Nagrzane i suche powietrze skierowane do magazynu ciepła 1 powoduje dehydratację siarczanu magnezu według MgSO4'7H2O do MgSO4'H2O i akumulację ciepła. Proces ten stanowi akumulację ciepła w postaci termochemicznej.

W porze zimowej następuje z kolei odzysk zakumulowanego ciepła. Wilgotne powietrze z otoczenia kierowane jest przez rekuperator 3 do magazynu ciepła 1. W temperaturze 20-30°C następuje hydratacja soli np.: MgSO4'H2O do MgSO4'7H2O i odzysk zakumulowanego ciepła. Odzyskiwane ciepło jest wykorzystane w połączeniu z pompą ciepła 10. W tym rozwiązaniu magazyn ciepła 1 wykorzystywany jest jako dolne źródło pompy ciepła. Magazyn ciepła 1 jest wyposażony w parownik pompy ciepła 10, przez co ciepło reakcji jest bezpośrednio wykorzystane jako dolne źródło pompy ciepła. Taka konfiguracja pozwala na wykorzystanie zakumulowanego ciepła zarówno do ogrzewania budynków jak i podgrzania ciepłej wody użytkowej.

Kluczowym problemem związanym z sezonowym magazynowaniem ciepła, które rozwiązuje sposób według niniejszego wynalazku, jest odzyskiwanie zakumulowanego ciepła i jego temperatura. Możliwa zawartość pary wodnej w powietrzu jest ograniczona, a z tym związany jest maksymalny stopień uwodnienia soli. Wykonano analizę termodynamiczną układu równowagowego para wodna MgSO4'H2O - MgSO4'7H2O wykonaną z wykorzystaniem oprogramowania HSC Chemistry 7.0. Kolejne zawartości pary wodnej korespondują z udziałem pary nasyconej w kolejnych temperaturach od 0 do 100°C co 10°C. Możliwości grzewcze układu są organiczne termodynamiką układu związaną z zawartością pary wodnej, a uzyskiwane ciepło jest ciepłem niskotemperaturowym. Jednakże także strumień ciepła jest doskonałym rozwiązaniem dla wykorzystania jako dolne źródło pompy ciepła powietrze woda w celu uzyskania C.O. i C.W.U.

Claims (6)

Zastrzeżenia patentowe

1. Układ do sezonowego magazynowania ciepła zawierający źródło ciepła w postaci kolektorów słonecznych (8), połączonych z przeponowym wymiennikiem ciepła ciecz - powietrze (2), znamienny tym, że w układzie zamkniętym połączone są wymiennik ciepła ciecz - powietrze (2) z termochemicznym magazynem ciepła (1) oraz rekuperatorem (7) do ogrzewania instalacji docelowej i poprzez rekuperator (3) połączony jest z obiegiem gruntowego wymiennika ciepła (4), który za pomocą pompy (6) połączony jest ze zbiornikiem magazynowym (5) cieczy.

2. Układ do sezonowego magazynowania ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że źródłem ciepła jest układ elektryczny lub piec grzewczy.

3. Układ do sezonowego magazynowania ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że termochemiczny magazyn ciepła (1) w porze letniej pracuje w oparciu o proces dehydratacji według MgSO4'7H2O do MgSO4'H2O, a w okresie zimowym pracuje w oparciu o proces hydratacji według MgSO4'H2O do MgSO4'7H2O.

4. Układ do sezonowego magazynowania ciepła według dowolnego spośród zastrz. 1 do 3, znamienny tym, że powietrze z otoczenia pompowane za pomocą dmuchawy (9) kierowane jest do magazynu ciepła (1), który wyposażony jest w parownik pompy ciepła (10), przez co ciepło reakcji jest bezpośrednio wykorzystywane jako dolne źródło pompy ciepła.

5. Układ do sezonowego magazynowania ciepła według dowolnego spośród zastrz. 1 do 4, znamienny tym, że magazyn ciepła (1) połączony jest za pomocą wymiennika ciepła z dolnym źródłem pompy ciepła.

6. Sposób sezonowego magazynowania energii cieplnej, którego obieg powietrza wilgotnego lub suchego przedmuchującego magazyn jest zrealizowany w układzie zamkniętym, znamienny tym, że w porze letniej nadmiar ciepła uzyskiwanego z kolektorów słonecznych (8) kierowany jest do przeponowego wymiennika ciepła ciecz - powietrze (2), w którym wprowadzone powietrze nagrzewane jest do temperatury korzystnie 80°C, następnie powietrze kierowane jest do magazynu ciepła gdzie następuje dehydratacja i dalej nawilżone w magazynie powietrze chłodzone jest w rekuperatorze (3), a następnie kierowane jest do gruntowego wymiennika ciepła (4), w którym następuje skroplenie pary wodnej i jej odprowadzenie do zbiornika magazynowego (5), następnie osuszone powietrze wstępnie nagrzewane jest w rekuperatorze (3) jednocześnie chłodząc powietrze kierowane do gruntowego wymiennika ciepła (4) przeponowego wymiennika ciepła (3), następnie nagrzane i suche powietrze skierowane do magazynu

PL 233 606 Β1 ciepła (2) i dalej do magazynu powodując dehydratację siarczanu magnezu według MgSO4'7H2O do MgSO^hhO i akumulację ciepła; z kolei w porze zimowej do gruntowego wymiennika ciepła (4) pompą (6) pompowana jest woda, gdzie następuje jej odparowanie w strumieniu powietrza do wartości równowagowej z wykorzystaniem ciepła zakumulowanego w gruncie otaczającym gruntowy wymiennik ciepła (4), następnie powietrze wilgotne kierowane jest do rekuperatora (3) i do magazynu ciepła (1) dalej podgrzane powietrze z magazynu ciepła (1) kierowane jest do rekuperatora (7), który nagrzewa powietrze kierowane do budynku lub innej docelowej instalacji.