BE1022037B1

BE1022037B1 - Verbeterd ecologisch verwarmingssysteem

Info

Publication number: BE1022037B1
Application number: BE2014/0025A
Authority: BE
Inventors: Johan Stroobandt
Original assignee: Building Energy Nv
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2016-02-08

Abstract

Deze uitvinding betreft een verwarmingssysteem (1), omvattende: een warmtepomp (2), voor het verwarmen van een eerste warmteoverbrengend medium; een zonnecollector (3), voor het verwarmen van een tweede warmteoverbrengend medium; warmte-afgiftemiddelen (4) voorzien voor het afgeven van de warmte van 10 het eerste warmteoverbrengend medium naar de omgeving, waarbij het genoemde systeem (1) een buffervat (6) omvat dat voorzien is voor het opslaan van het eerste warmteoverbrengend medium en waarbij het eerste verwarmingsmiddel (2) een water-water pomp omvat die voorzien is om zijn warmte te onttrekken uit het tweede warmteoverbrengend medium en af te geven aan het eerste warmteoverbrengend medium.

Description

VERBETERD ECOLOGISCH VERWARMINGSSYSTEEM

Deze uitvinding betreft een verwarmingssysteem voorzien voor het verwarmen van minstens één ruimte in een gebouw of het verwarmen van een productieproces, omvattende: eerste verwarmingsmiddel in de vorm van een warmtepomp, voor het verwarmen van een eerste warmteoverbrengend medium; tweede verwarmingsmiddel in de vorm van een zonnecollector, voor het verwarmen van een tweede warmteoverbrengend medium; warmte-afgiftemiddelen voorzien voor het afgeven van de warmte van het eerste warmteoverbrengend medium naar de omgeving.

Gezien de steeds stijgende energieprijzen en de noodzaak onze ecologische voetafdruk te verkleinen, is het zuinig omspringen met energie een noodzaak geworden. Daarom stappen steeds meer mensen af van een klassiek verwarmingssysteem (met fossiele brandstoffen) en schakelen over naar verwarmingssystemen die gebruik maken van een warmtepomp, waarmee energie op een zuinige en milieuvriendelijke manier kan opgewekt worden. Dergelijke systemen zijn gekend en kunnen gebruik maken van een lucht-water warmtepomp die energie (warmte) uit de lucht haalt en oppompt tot een hogere temperatuur. Hierbij wordt de warmte afgegeven aan een warmteoverbrengend medium (cv-water). Dit is een ideaal systeem voor de verwarming van een woning. Het water dient meestal slechts tot 50 °C opgewarmd te worden, waardoor een hogere COP-waarde (coefficient of performance - prestatiecoëffïciënt) bereikt kan worden door de lage condensortemperatuur. Lucht-water warmtepompen hebben het nadeel dat hun rendement minder gunstig van zodra het buiten vriest.

Een andere mogelijkheid is dat men gebruik maakt van een water-water warmtepomp waarbij de noodzakelijke warmte voor de warmtepomp uit water gehaald wordt of met behulp van water uit de bodem wordt gehaald. Bij dit type van warmtepomp zijn er verschillende opstellingen gekend, met name: - oppompen van water uit een rivier of meer; - verticale grondwarmtewisselaar (captatienet); - warmte halen uit grondwater; - horizontale grondwarmtewisselaar (captatienet).

Dergelijke water-water warmtepompen hebben echter het nadeel dat ze de grond kunnen ‘uitputten’ waardoor ze minder efficiënt gaan werken.

Om een verdere vermindering van de C02 uitstoot te realiseren kunnen de bovenbeschreven systemen toegepast worden in combinatie met een zonnecollector. Bij dergelijke combinaties wordt de zonnecollector veelal gebruikt bij de productie van sanitair warm water.

Ondanks het feit dat de verschillende gekende systemen elk hun eigen specifieke voordelen hebben, maken ze toch nog geen optimaal gebruik van de zon als energiebron. Deze uitvinding heeft daarom tot doel een verwarmingssysteem te verschaffen die toelaat de energie van de zon optimaal te benutten voor de energievoorziening van een woning, gebouw of productieproces. Een bijkomend doel van de uitvinding bestaat erin om het verwarmingssysteem te kunnen sturen i.fiv. de omstandigheden.

Het doel van de uitvinding wordt bereikt door te voorzien in een verwarmingssysteem voorzien voor het verwarmen van minstens één ruimte in een gebouw of het verwarmen van een productieproces, omvattende: eerste verwarmingsmiddel in de vorm van een warmtepomp, voor het verwarmen van een eerste warmteoverbrengend medium; tweede verwarmingsmiddel in de vorm van een zonnecollector, voor het verwarmen van een tweede warmteoverbrengend medium; warmte-afgiftemiddelen voorzien voor het afgeven van de warmte van het eerste warmteoverbrengend medium naar de omgeving, waarbij het genoemde systeem een buffervat omvat dat voorzien is voor het opslaan van het eerste warmteoverbrengend medium en waarbij het eerste verwarmingsmiddel een water-water pomp omvat die voorzien is om zijn warmte te onttrekken uit het tweede warmteoverbrengend medium en af te geven aan het eerste warmteoverbrengend medium. Als warmteoverbrengend medium komen verschillende producten in aanmerking, de voorkeur wordt gegeven aan één van de volgende producten: water, glycol, paraffine, .... Het eerste warmteoverbrengend medium is bij voorkeur water, terwijl het tweede warmteoverbrengend medium bij voorkeur glycol is.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm van het verwarmingssysteem volgens de uitvinding is het buffervat voorzien om warmte te onttrekken uit het tweede warmteoverbrengend medium en af te geven aan het eerste warmteoverbrengend medium.

Volgens een meer voorkeurdragende uitvoeringsvorm van het verwarmingssysteem overeenkomstig de uitvinding omvat het systeem registratiemiddelen en omvat het systeem verder sturingsmiddelen die voorzien zijn om op basis van de door de registratiemiddelen gegenereerde signalen het eerste of het tweede verwarmingsmiddel aan te sturen om het eerste warmteoverbrengend medium te verwarmen. Bij voorkeur omvatten de registratiemiddelen minstens één of meerdere sensoren om de temperatuur en/of lichtsterkte te registreren. In een bijzondere uitvoering kunnen ook nog andere informatiebronnen toegepast worden om informatie te verzamelen die door de sturingsmiddelen verwerkt (bij voorkeur via een verwerkingseenheid) kan worden om dan op basis van de gegenereerde informatie(registratie) signalen te beslissen welk verwarmingsmiddel het best geschikt is om het eerste warmteoverbrengend medium te verwarmen. Enkele voorkeurdragende informatiebronnen zijn: weerstation, internet (bijv. online weerbericht), door de bewoners gegenereerde informatie via bijv. een digitale agenda, enz...

Via de zonnecollector kan de zon als voeding van een water-water warmtepomp gebruikt worden, wat resulteert in het optimaal benutten van de zon. Zonnecollectoren genereren een veel hogere temperatuur dan de omgevingstemperatuur. Zodoende is de temperatuur die uit de collectoren komt, hoger dan die van de omgevingslucht en werkt dit systeem dus efficiënter dan systemen met een lucht-lucht warmtepomp. Bovendien is de warmtetransport door een vloeistof veel efficiënter dan warmtetransport in lucht. De systemen die gebruik maken van een water-water warmtepomp kunnen niet genieten van de zon als primaire warmtebron op alle zonnige dagen. Hierdoor is de COP van het systeem volgens de uitvinding op alle gebieden beter ten opzichte van de bekende verwarmingssystemen.

In een meest voorkeurdragende uitvoeringsvorm van het verwarmingssysteem volgens de uitvinding omvat het genoemde systeem slechts één buffervat dat voorzien is voor het opslaan van het eerste warmteoverbrengend medium. Vanuit dit buffervat vertrekken de leidingen van de warmte-afgiftemiddelen. Het buffervat toegepast in het verwarmingssysteem is bij voorkeur een geïsoleerd buffervat en heeft een inhoud van 1 tot 20.000 liter. In een alternatieve uitvoeringsvorm kunnen voor verwarmingsdoeleinden ook leidingen rechtstreeks uit het eerste verwarmingsmiddel vertrekken.

Bij een bijzondere uitvoeringsvorm van het systeem volgens de uitvinding is het tweede verwarmingsmiddel een hybride fotovoltaisch zonnepaneel dat voorzien is voor het verwarmen van het tweede warmteoverbrengend medium en het leveren van elektriciteit. Bij een hybride fotovoltaisch paneel zijn een fotovoltaische module en een warmtecollector in eenzelfde oppervlak geïntegreerd. Dergelijk paneel heeft het voordeel dat de fotovoltaische cellen beter afkoelen, waardoor een beter elektrisch rendement wordt bekomen. Het totaal rendement van het systeem wordt dus hoger.

De warmte-afgiftemiddelen omvatten in een voorkeurdragende uitvoeringsvorm één of meerdere radiatoren of een vloerverwarmingssysteem. Het is evident dat andere gekende warmte-afgiftemiddelen eveneens binnen de beschermingsomvang van deze uitvinding vallen, zoals bijv. een lage temperatuursafgiftesysteem, zwembadverwarming, wellness, sanitair warm water, productieprocessen, thermische olie, enz...

Volgens een meer bijzondere uitvoeringsvorm van het systeem overeenkomstig de uitvinding staat het buffervat via een eerste set leidingen in verbinding met de warmtepomp, en via een tweede set leidingen in verbinding met de zonnecollector, waarbij de tweede set leidingen voorzien zijn voor het transporteren van het tweede warmteoverbrengend medium.

Bij een meest bijzondere uitvoeringsvorm van het systeem omvat het systeem verder middelen die voorzien zijn om de warmte voor de water-water warmtepomp te onttrekken uit de ondergrond. Deze middelen worden toegepast in het uitzonderlijk geval (op heel koude dagen), en de temperatuur van het tweede warmteoverbrengend medium niet voldoende hoog gebracht kan worden via de zonnecollectoren. In dit geval kan de water-water warmtepomp via deze ontrekkingsmiddelen de benodigde warmte halen uit de ondergrond.

In een bijzonder voordelige uitvoeringsvorm van het systeem volgens de uitvinding staan de ontrekkingsmiddelen via kleplichamen in verbinding met de tweede set leidingen waardoor het tweede warmteoverbrengend medium via de ontrekkingsmiddelen naar de ondergrond getransporteerd kan worden om zo de ondergrond te verwarmen. Dit is in het bijzonder nuttig in de zomer wanneer er veel warmte gegenereerd wordt door de tweede verwarmingsmiddelen. Door de warmte naar de ondergrond te sturen kan de, in de winter uitgeputte bodem, terug geregenereerd worden. Bovendien, in het geval er gebruik gemaakt wordt van hybride panelen, dan worden deze hierdoor bijkomend afgekoeld, wat positief is voor de elektriciteitsproductie van het paneel.

Om de eigenschappen van deze uitvinding verder te verduidelijken en om bijkomende voordelen en bijzonderheden ervan aan te duiden volgt nu een meer gedetailleerde beschrijving van het verwarmingssysteem overeenkomstig deze uitvinding. Het weze duidelijk dat niets in de hierna volgende beschrijving kan geïnterpreteerd worden als een beperking van de in de conclusies opgeëiste bescherming voor deze uitvinding.

In deze beschrijving wordt door middel van referentiecijfers verwezen naar de hierbij gevoegde tekeningen waarbij: - figuur 1: een schematische voorstelling van een verwarmingssysteem volgens de uitvinding.

De onderhavige uitvinding betreft een verwarmingssysteem die ondersteund wordt door een water-water warmtepomp en die de zon (5) als primaire bron van licht en warmte optimaal benut, zodat een verwarmingssysteem (1) bekomen wordt die veel efficiënter werkt dan de bestaande.

Het verwarmingssysteem (1) is geschikt voor het verwarmen van huizen en kan indien nodig makkelijk ingepast worden in bestaande verwarmingsinstallaties. Het systeem (1) omvat: een eerste verwarmingsmiddel (2) in de vorm van een water-water warmtepomp, voor het verwarmen van een eerste warmteoverbrengend medium; tweede verwarmingsmiddelen (3) in de vorm van een zonnecollector, voor het verwarmen van een tweede warmteoverbrengend medium en warmte-afgiftemiddelen (4) voorzien voor het afgeven van de warmte van het medium naar de omgeving. Het systeem (1) volgens de uitvinding omvat verder een buffervat (6) dat voorzien is voor het opslaan van het eerste warmteoverbrengend medium. Overeenkomstig deze uitvinding is het eerste verwarmingsmiddel (2) een water-water pomp die voorzien is om zijn warmte te onttrekken uit het tweede warmteoverbrengend medium en af te geven aan het eerste warmteoverbrengend medium. Het buffervat (6) is tevens voorzien om warmte te onttrekken uit het tweede warmteoverbrengend medium en af te geven aan het eerste warmteoverbrengend medium.

De warmte-afgiftemiddelen zijn de standaard gekende elementen, zoals bijvoorbeeld radiatoren, een vloerverwarmingssysteem, een aftappunt voor sanitair warm water, zwembad, wellness, enz... die via één of meerdere leidingen in verbinding met een buffervat (6), waarin het warmteoverbrengend medium is opgeslagen.

Vernieuwend aan het verwarmingssysteem (1) volgens deze uitvinding, is dat ondermeer de zonnecollector (3) als bron kan worden gebruikt waaruit de water-water warmtepomp (2) van het systeem zijn energie haalt om het eerste warmteoverbrengend medium op te warmen.

Om het rendement van het verwarmingssysteem (1) volgens de uitvinding te verhogen is het tweede verwarmingsmiddel (3) uitgevoerd in de vorm van een hybride fotovoltaisch paneel. Doordat er bij een dergelijk paneel een fotovoltaische module en een warmtecollector in een zelfde oppervlak zijn geïntegreerd is zo’n paneel in het verwarmingssysteem (1) volgens de uitvinding geschikt voor zowel het verwarmen van het tweede warmteoverbrengend medium, als het leveren van elektriciteit. De geleverde elektriciteit kan vanzelfsprekend gebruikt worden in het systeem (1). Dergelijk paneel heeft het voordeel t.a.v. klassieke zonnepanelen dat de fotovoltaische cellen beter afkoelen, waardoor een beter elektrisch rendement wordt bekomen. Het is evident dat het systeem (1) verder kan uitgebreid worden met enkelvoudige zonnecollectoren.

Om hoge rendementsverliezen bij extreem koude dagen, waarop de zonnecollectoren het medium onvoldoende kunnen opwarmen, op te vangen, kan het verwarmingssysteem (1) volgens de uitvinding verder uitgebreid worden met zogenaamde onttrekkingsmiddelen (7) die voorzien zijn om de warmte voor de water-water warmtepomp te onttrekken uit de ondergrond. Dergelijke onttrekkingsmiddelen (7) zijn op zich gekend onder vorm van bijvoorbeeld een horizontaal of verticaal captatienet. De ontrekkingsmiddelen (7) staan via kleplichamen in verbinding met de leidingen waarin het tweede warmteoverbrengend medium getransporteerd, hierdoor kan tijdens perioden van veel warmte (bijv. zomer) de warmte gegenereerd door de zonnecollector of de hybride panelen, via de ontrekkingsmiddelen naar de ondergrond getransporteerd worden om zo de ondergrond te verwarmen. Door de warmte naar de ondergrond te sturen kan de, in de winter uitgeputte bodem, terug geregenereerd worden. Op deze manier dient er minder (diep) geboord worden in de ondergrond omdat er een actieve bodemgeneratie en seizoensopslag mogelijk is met dit systeem (1). Bovendien, in het geval er gebruik gemaakt wordt van hybride panelen, worden deze hierdoor bijkomend afgekoeld, wat positief is voor de efficiëntie van het paneel.

In het afgebeelde systeem is het medium dat gebruikt wordt voor de transport te doen tussen de eerste (2) en tweede verwarmingsmiddelen (3), het buffervat (6) en (eventueel) de ondergrond, één en hetzelfde medium (standaard glycol). Tussen de warmtepomp (2) en het buffervat (6) is het een ander medium. Het kan zijn dat voor de verwarming, tussen de warmtepomp en het buffervat afgetakt word, zodat niet alle warmte door het buffervat moet om dan afgegeven te worden aan het afgiftesysteem. Dat zit in een circuit en wordt geregeld met kleppen (bij voorkeur automatische bolkranen. Dus de glycol gaat van zonnepaneel naar warmtewisselaar in het buffervat of van zonnepaneel naar warmtepomp of van zonnepaneel naar de grond of van de grond naar de warmtepomp. Kleppen en een pomp regelen de richting.

Het verwarmingssysteem (1) overeenkomstig deze uitvinding maakt gebruik van bestaande elementen, weliswaar in een vernieuwde opstelling, en is vrij eenvoudig naar montage toe. Gezien over een volledig jaar, onder invloed van de buitentemperatuur en de seizoenen werkt de het systeem (1) overeenkomstig de uitvinding efficiënter dan een water-water warmtepomp met horizontaal of verticaal captatienet in de grond en efficiënter dan warmtepompen die gebruik maken van de lucht als primair medium. De efficiëntie van warmtepompen wordt door een groot stuk bepaald door de temperatuur van de bron en de gewenste temperatuur. Hoe kleiner het temperatuursverschil tussen de bron en afgiftesysteem, hoe efficiënter de energieomzetting.

Door het op deze wijze koppelen van verschillende hernieuwbare energiebronnen, ontstaat een systeem dat de zon optimaal gebruikt en die uiterst zuinig omspringt met energie.

Een ander belangrijk vernieuwend element van het verwarmingssysteem volgens de uitvinding is dat het systeem registratiemiddelen en sturingsmiddelen omvat, waarbij de sturingsmiddelen voorzien zijn om op basis van de door de registratiemiddelen gegenereerde signalen het eerste of het tweede verwarmingsmiddel aan te sturen om zo het eerste warmteoverbrengend medium te verwarmen. De sturingsmiddelen van het systeem kunnen hierbij rekening houden met gegevens van allerhande informatiebronnen zoals bijv. door sensoren (temperatuur of lichtsensoren) gegenereerde signalen, toekomstige zonne-instraling verkregen door informatie van weerberichten (internet) en/of via een weerstation verbonden met de installatie. Op deze manier kan het systeem beoordelen welke verwarmingsmiddelen het meest geschikt is om het eerste warmteoverbrengend medium op te warmen.

De sturing maakt gebruikt van registratiemiddelen in de vorm van bijvoorbeeld sensoren aan de zonnepanelen, sensoren aan warmtepomp die grondtemperatuur meten, grondwarmte (die kan bepaald worden door de pomp even te laten draaien) temperatuursensoren in buffervat. In functie van de omstandigheden (bijvoorbeeld woning van vier personen) wordt dan in de tijd rekening gehouden met het beste scenario. Bijvoorbeeld tijdens de week wordt er om 7.00 hr. door 4 mensen (100 liter) warm water benut, ’s avonds is iedereen terug en moet er dan terug warmte voorhanden zijn voor andere verbruiken. Het systeem kan dan rekening houden dat er in de namiddag zon zal zijn en dat het systeem rechtstreeks zijn warmte tussen zonnepaneel en boilervat kan transporteren zodat de warmtepomp niet moet werken. In het weekend moet er tijdens de dag meer warmte voorhanden zijn en zal er bijvoorbeeld tegen 11 uur wanneer er gekookt wordt moeten voldoende warm water zijn. Indien er die dag dan geen zon is zal de warmtepomp hiervoor moeten zorgen zodat het comfort ten allen tijde er is. Zodoende kan het systeem zichzelf aanleren wanneer die tijdstippen zijn en altijd de meest energetisch interessante bron aanspreken. Er kan ook een link gelegd worden met vakanties enz., via elektronische agenda’s.

Claims

CONCLUSIES

1. Verwarmingssysteem (1) voorzien voor het verwarmen van minstens één ruimte in een gebouw of het verwarmen van een productieproces, omvattende: - eerste verwarmingsmiddel (2) in de vorm van een warmtepomp, voor het verwarmen van een eerste warmteoverbrengend medium; - tweede verwarmingsmiddel (3) in de vorm van een zonnecollector, voor het verwarmen van een tweede warmteoverbrengend medium; - warmte-afgiftemiddelen (4) voorzien voor het afgeven van de warmte van het eerste warmteoverbrengend medium naar de omgeving; met het kenmerk dat het genoemde systeem (1) een buffervat (6) omvat dat voorzien is voor het opslaan van het eerste warmteoverbrengend medium en dat het eerste verwarmingsmiddel (2) een water-water pomp omvat die voorzien is om zijn warmte te onttrekken uit het tweede warmteoverbrengend medium en af te geven aan het eerste warmteoverbrengend medium.
2. Verwarmingssysteem (1) volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het buffervat (6) voorzien is om warmte te onttrekken uit het tweede warmteoverbrengend medium en af te geven aan het eerste warmteoverbrengend medium.
3. Verwarmingssysteem (1) volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat het systeem (1) registratiemiddelen omvat en dat het systeem verder sturingsmiddelen omvat die voorzien zijn om op basis van de door de registratiemiddelen gegenereerde signalen het eerste of het tweede verwarmingsmiddel aan te sturen om het eerste warmteoverbrengend medium te verwarmen.
4. Verwarmingssysteem (1) volgens conclusie 3, met het kenmerk dat de registratiemiddelen minstens één of meerdere sensoren omvatten om de temperatuur en/of lichtsterkte te registreren.
5. Verwarmingssysteem volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het tweede verwarmingsmiddel (3) een hybride fotovoltaisch paneel is voorzien voor het verwarmen van het tweede warmteoverbrengend medium en het leveren van elektriciteit.
6. Verwarmingssysteem (1) volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de genoemde warmte-afgiftemiddelen (4) via één of meerdere leidingen in verbinding staan met het buffervat (6).
7. Verwarmingssysteem (1) volgens conclusie 6, met het kenmerk dat de warmte-afgiftemiddelen één of meerdere radiatoren of een vloerverwarmingssysteem omvatten.
8. Verwarmingssysteem (1) volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het buffervat (6) via een eerste set leidingen in verbinding staat met de warmtepomp (2), en via een tweede set leidingen in verbinding staat met de zonnecollector (3), waarbij de tweede set leidingen voorzien zijn voor het transporteren van het tweede warmteoverbrengend medium.
9. Verwarmingssysteem (1) volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het systeem (1) verder ontrekkingsmiddelen (7) omvat die voorzien zijn om de warmte voor de water-water warmtepomp te onttrekken uit de ondergrond.
10. Verwarmingssysteem (1) volgens conclusie 9, met het kenmerk dat de ontrekkingsmiddelen via kleplichamen in verbinding staan met de tweede set leidingen waardoor het tweede warmteoverbrengend medium via de ontrekkingsmiddelen naar de ondergrond getransporteerd kan worden om zo de ondergrond te verwarmen.