PL183921B1

PL183921B1 - Urządzenie energetyczne dla budynków

Info

Publication number: PL183921B1
Application number: PL96325516A
Authority: PL
Inventors: Edmond D. Krecke
Original assignee: Krecke Edmond D
Priority date: 1995-09-12
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 2002-08-30
Also published as: US6220339B1; EP0850388B1; EP0850388A1; SK29098A3; DE19533475A1; DE19533475B4; SK284751B6; WO1997010474A1; PL325516A1; DE59605627D1; CZ72398A3; CZ293436B6; CA2231638C; CA2231638A1; AU7128696A; ATE194868T1

Abstract

1. Urzadzenie energetyczne dla budynków, zawierajace absorbery sloneczne, wymienniki ciepla i akumulatory cieplne, w którym pod budynkiem umieszczony jest akumulator cieplny z substancja stala, zaopatrzony w ulozone w nim weze lub rury do doprowadzania lub pobierania ciepla oraz podzielony na co najmniej dwa obszary, mianowicie obszar centralny i obszar srodkowy/zewnetrzny, zaopatrzone w odrebne obiegi cieczy, skladajace sie z wezy lub rur danego obszaru, przy czym w trybie poboru ciepla, ciecz jest doprowadzana do instalacji grzejnej budynku za pomoca sterowanych termicznie zaworów pierwotnie z obiegu srodkowego/zewnetrznego obszaru akumulatora ciepl- nego i wtórnie z obiegu centralnego obszaru akumulatora ciepl- nego, zas w trybie kumulowania ciepla ciecz jest doprowadzana za pomoca sterowanych termicznie zaworów z obiegu poszcze- gólnych obszarów absorbera slonecznego pierwotnie do obiegu centralnego obszaru akumulatora cieplnego 1 wtórnie do obiegu srodkowego/zewnetrznego obszaru akumulatora cieplnego, znam ienne tym, ze absorber sloneczny zawiera weze lub rury (7, 8), ulozone pomiedzy pokryciem dachowym i umieszczona pod nim warstwa izolacyjna (6), oraz jest podzielony na co najmniej dwa obszary, zaopatrzone w odrebne obiegi cieczy, skladajace sie z wezy lub rur danego obszaru, oraz co najmniej czesc zewnetrz- nych scian (1, 2) budynku zawiera systemy (17, 18) wezy lub rur do przeplywu cieczy, przy czym temperatura cieczy doprowadza- nej przez sterowane termicznie zawory z obiegu danego obszaru jest co najmniej o 2 do 8°C, korzystnie o 4°C, wyzsza od tempe- ratury danego obszaru (21, 22, 23, 24, 26, A, B, C) akumulatora cieplnego z substancja stala. Fig. 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie energetyczne dla budynków.

Słoneczne urządzenia energetyczne są znane od dawna i stosowane coraz powszechniej w celu oszczędności energii. Ciepło wytwarzane przez bezpośrednie promieniowanie słoneczne jest przy tym wykorzystywane zwłaszcza w absorberach słonecznych do nagrzewania lub podgrzewania wody użytkowej, a także w instalacjach ciepłowniczych. Znane jest również rozwiązanie, w którym niepotrzebna w danej chwili energia cieplna jest najpierw magazynowana, na przykład poprzez podgrzewanie wody w zbiorniku, zaś później można ją ponownie odzyskać ze zbiornika za pomocą wymienników ciepła.

W bilansie energetycznym budynku poza doprowadzaniem energii w postaci energii słonecznej lub energii spalania decydującą rolę odgrywa także izolacja cieplna. Osiągnięto tutaj istotny postęp poprzez rozwój materiałów termoizolacyjnych w obszarze ścian zewnętrznych i dachu.

Z niemieckiego zgłoszenia patentowego nr DE-A-33 12 329 znane jest urządzenie energetyczne dla budynków, składające się z kolektorów słonecznych, wymienników ciepła i akumulatorów cieplnych. Pod budynkiem umieszczony jest gruntowy akumulator cieplny, składający się z gruntu rodzimego, do którego można doprowadzać lub z którego można pobierać ciepło. Gruntowy akumulator cieplny jest podzielony na co najmniej dwa obszary, mianowicie obszar centralny i obszar środkowy/zewnętrzny, każdy z własnym obiegiem cieczy. Tryb kumulowania ciepła polega na tym, że pierwotnie lub z pierwszeństwem zasilany jest obieg cieczy cieplejszego, centralnego obszaru akumulatora cieplnego. Tryb poboru cie4

183 921 pła polega na tym, że pierwotnie lub z pierwszeństwem zasilany jest obieg cieczy środkowego/zewnętrznego obszaru akumulatora cieplnego.

Urządzenie energetyczne dla budynków, zawierające absorbery słoneczne, wymienniki ciepła i akumulatory cieplne, w którym pod budynkiem umieszczony jest akumulator cieplny z substancją stałą, zaopatrzony w ułożone w nim węże lub rury do doprowadzania lub pobierania ciepła oraz podzielony na co najmniej -dwa obszary, mianowicie obszar centralny i obszar środkowy/zewnętrzny, zaopatrzone w odrębne obiegi cieczy, składające się z węży lub rur danego obszaru, przy czym w trybie poboru ciepła, ciecz jest doprowadzana do instalacji grzejnej budynku za pomocą sterowanych termicznie zaworów pierwotnie z obiegu środkowego/zewnętrznego obszaru akumulatora cieplnego i wtórnie z obiegu centralnego obszaru akumulatora cieplnego, zaś w trybie kumulowania ciepła ciecz jest doprowadzana za pomocą sterowanych termicznie zaworów z obiegu poszczególnych obszarów absorbera słonecznego pierwotnie do obiegu centralnego obszaru akumulatora cieplnego i wtórnie do obiegu środkowego/zewnętrznego obszaru akumulatora cieplnego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że absorber słoneczny zawiera węże lub rury, ułożone pomiędzy pokryciem dachowym i umieszczoną pod nim warstwą izolacyjną, oraz jest podzielony na co najmniej dwa obszary, zaopatrzone w odrębne obiegi cieczy, składające się z węży lub rur danego obszaru, oraz co najmniej część zewnętrznych ścian budynku zawiera systemy węży lub rur do przepływu cieczy, przy czym temperatura cieczy doprowadzanej przez sterowane termicznie zawory z obiegu danego obszaru jest co najmniej o 2 do 8°C, korzystnie o 4°C, wyższa od temperatury danego obszaru akumulatora cieplnego z substancją stałą.

Absorber słoneczny może być podzielony na co najmniej trzy obszary, przyporządkowane różnie zorientowanym fragmentom dachu. Poszczególne obszary absorbera słonecznego są wówczas połączone po stronie odpływów za pomocą sterowanych termicznie zaworów i wspólnie zasilają kolektor, zaś po stronie dopływów są poprzez pompę doprowadzane wspólnie do połączonych odpływów centralnego obszaru akumulatora z substancją stałą i środkowego/zewnętrznego obszaru akumulatora z substancją stałą, przy czym dopływy centralnego obszaru i środkowego/zewnętrznego obszaru akumulatora z substancją stałą uchodzą poprzez sterowane termicznie zawory do kolektora, zaś obieg jest utrzymywany za pomocą połączenia poprzez sterowany termicznie zawór pomiędzy wejściem pompy i kolektorem. W korzystnej postaci wykonania wynalazku węże lub rury absorbera słonecznego są ułożone w meandrycznie przebiegających wgłębieniach lub rowkach warstwy izolacyjnej.

Akumulator cieplny może zawierać trzy obszary, mianowicie obszar centralny, otaczający go obszar środkowy i, otaczający obszar środkowy, obszar zewnętrzny. Obszar zewnętrzny akumulatora cieplnego z substancją stałąjest w szczególności poszerzony lejkowato do dołu i poza zarysem poziomego rzutu budynku jest osłonięty warstwą termoizolacyjną Z kolei zewnętrzny obszar akumulatora cieplnego z substancją stalą jest otoczony obszarem peryferyjnym.

Zewnętrzne ściany budynku mogą być od zewnątrz pokryte zwiększającą absorpcję, przezroczystą powłoką względnie okładziną.

Systemy węży lub rur zewnętrznych ścian budynku są w szczególności poprzez sterowane termicznie zawory połączone z obiegami cieczy obszarów akumulatora cieplnego z substancją stałą.

Jeżeli urządzenie energetyczne zawiera wymiennik ciepła dla wody użytkowej, wówczas jest on poprzez sterowane termicznie zawory podłączony obejściowo do tego obszaru absorbera słonecznego, który ma najwyższą temperaturę.

Na materiał kumulacyjny do akumulatora cieplnego z substancją stałą nadaje się złoże szutrowe względnie krzemionkowe o grubości co najmniej 60 cm, natomiast centralny obszar akumulatora cieplnego z substancją stałą zawiera osadzone w nim pakiety metalowe, wsporniki stalowe, sprasowany złom samochodowy lub podobny materiał o dużym cieple właściwym. Akumulator cieplny z substancją stałą, zwłaszcza jego obszar centralny, powinien być od dołu zaizolowany warstwą termoizolacyjną. Jako ciecz stosuje się wodę względnie środek zabezpieczający przed zamarzaniem.

183 921

Do systemów węży lub rur zewnętrznych ścian budynku mogą być podłączone wymienniki ciepła z omywanymi przez ciecz płytkami, umieszczone w otworach wentylacyjnych, zwłaszcza w ramach okiennych. Jeżeli wokół peryferyjnego obszaru akumulatora biegnie zewnętrzny powietrzny kanał ssący, zaś w akumulatorze z substancją stałą biegnie wewnętrzny powietrzny kanał ssący, wówczas kanałom tym przyporządkowany jest zawór wielodrogowy do sterowanego chłodzenia powietrza w trybie letnim i sterowanego podgrzewania powietrza w trybie zimowym, przy czym powietrze wdmuchiwane do budynku stanowi w trybie letnim powietrze zasysane przez kanał zewnętrzny, zaś w trybie zimowym powietrze zasysane przez kanał wewnętrzny.

Urządzenie energetyczne według wynalazku pozwala osiągnąć znaczną poprawę bilansu cieplnego za pomocą środków wymagających niewielkich nakładów finansowych. Absorber słoneczny według wynalazku jest znacznie tańszy niż znane absorbery słoneczne, umieszczane dodatkowo na dachu w postaci płyt. Dzięki ułożeniu węży lub rur pomiędzy pokryciem dachowym, wykonanym zazwyczaj z dachówek, i warstwą izolacyjną nie są potrzebne żadne dodatkowe elementy budowlane. Poza tym nie ulega zakłóceniu ogólny wygląd budynku.

Podział absorbera słonecznego na co najmniej dwa obszary, każdy z własnym obiegiem cieczy, sprawia, że na wyjściu absorbera słonecznego nie jest osiągana temperatura średnia, lecz nagrzane w absorberze ciecze można wykorzystać oddzielnie zależnie od ich chwilowej temperatury. Ciecz o wyższej temperaturze może przykładowo nadal zasilać akumulator cieplny również wówczas, gdy średnia temperatura leży poniżej temperatury akumulatora cieplnego.

Akumulator cieplny z substan^cą stałą jest również podzielony na co najmniej dwa obszary. Obszar centralny ma przy tym wyższą temperaturę. Obszary o niższej temperaturze mogą być zatem zasilane przez ciecze z absorbera również wtedy, gdy ich temperatura jest niższa niż temperatura obszaru centralnego. Pozwala to osiągnąć bardzo dobry bilans energetyczny. Kumulacyjny tryb pracy urządzenia energetycznego według wynalazku jest sterowany czujnikami termicznymi przy użyciu sterowanych termicznie zaworów. To samo dotyczy trybu pracy, w którym z obszarów akumulatora pobierana jest energia cieplna dla ogrzewania budynku.

Jeżeli absorber słoneczny jest podzielony na co najmniej trzy obszary, przyporządkowane różnie zorientowanym fragmentom dachu, wówczas można osiągnąć jeszcze lepszy rozdział pomiędzy różnymi obszarami temperaturowymi, które zależą od geograficznej orientacji fragmentów dachu.

Ułożenie węży lub rur absorbera słonecznego w meandrycznie przebiegających wgłębieniach lub rowkach warstwy izolacyjnej, zapewnia ich skuteczne zamocowanie, nie powodując zarazem zwiększenia grubości warstwy izolacyjnej lub pokrycia dachowego.

Jeżeli zewnętrzny obszar akumulatora cieplnego z substancją stałą jest poszerzony lejkowato do^ dołu, przy czym jego części leżące poza zarysem poziomego rzutu budynku są osłonięte warstwą termoizolacyjną, wówczas można lepiej wykorzystać energię pochodzącą z wnętrza ziemi. Nawet w zimie, przy temperaturach poniżej punktu zamarzania, grunt jest znacznie cieplejszy dzięki wzrastającej energii. Przykładowo średnia temperatura na głębokości 2 m przy nieosłoniętej powierzchni wynosi około +7 do +9°C. Pod budynkiem temperatura na tej głębokości wynosi co najmniej około +14 do +16°C. Ten sam efekt wykorzystania energii geotermicznej wykorzystuje się na przykład przy osłanianiu hodowli roślin. Zapobiega się tutaj natychmiastowemu wypromieniowaniu energii geotermicznej. W ten sposób można również zapewnić ochronę przed zamarzaniem.

Podział akumulatora cieplnego na trzy obszary, mianowicie obszar centralny, otaczający obszar centralny obszar środkowy i otaczający obszar środkowy obszar zewnętrzny, pozwala na bardziej dokładne zróżnicowanie poziomów temperaturowych poszczególnych obszarów akumulatora.

Zewnętrzny obszar akumulatora cieplnego z substancją stałą może być otoczony obszarem peryferyjnym, co umożliwia odzyskanie dalszych ilości energii geotermicznej. Zwłaszcza zaś obszar peryferyjny można wykorzystać do tego, by latem, za pomocą zimnej cieczy, zrealizować chłodzenie budynku.

183 921

Dzięki różnym, otaczającym na kształt powłok obszar centralny, w miarę możności jednak otwartych ku dołowi, obszarom akumulatora o coraz niższej temperaturze osiągana jest lepsza izolacja obszaru centralnego i zmniejszane są straty ciepła, ponieważ otaczający obszar środkowy jest cieplejszy niż grunt. To samo dotyczy również zewnętrznego obszaru akumulatora. Boczny odpływ ciepła z akumulatora jest w dużym stopniu kompensowany przez 'lejkowate ukształtowanie zewnętrznego obszaru akumulatora. Poza tym podział akumulatora na kilka obszarów pozwala wykorzystać najmniejszą dawkę słonecznej energii cieplnej o niższej temperaturze, ponieważ ciecz jest kierowana z obszarów absorbera słonecznego do zewnętrznego lub peryferyjnego obszaru akumulatora z substancją stałą. Energia słoneczna może być wówczas wykorzystywana również w zimie przy temperaturach absorbera pomiędzy 8 i 15°C dzięki zasilaniu peryferyjnego obszaru akumulatora. W ten sposób, poprzez nagrzewanie, polepsza się płaszcz ochronny wokół centralnego obszaru akumulatora. Ogólnie rzecz biorąc, rozwiązanie to umożliwia pokrycie braku energii, grożącego konwencjonalnej solarnej technice grzewczej w miesiącach od grudnia do marca.

Co najmniej część zewnętrznych ścian lub wszystkie ściany budynku zawierają korzystnie systemy węży lub rur, przez które przepływa ciecz. Systemy te służą do przekazywania ciepła ze ściany do cieczy lub odwrotnie, przy czym systemy węży lub rur są włączane w obieg, zawierający pompę dla cieczy. W ten sposób może zachodzić wymiana ciepła pomiędzy nasłonecznioną i zacienioną ścianą zewnętrzną. Taka kompensacja typu północpołudnie może znacznie poprawić gospodarkę cieplną w budynku, jeżeli latem ciepło z nagrzanej ściany południowej będzie oddawane zimnej ścianie północnej. Również w zimie prowadzi to do bardziej równomiernego rozkładu ciepła w budynku. Pokrycie zewnętrznych ścian budynku od zewnątrz zwiększającą absorpcję, przezroczystą powłoką lub okładziną zapewnia wyższą sprawność energetyczną układu. Taka przezroczysta termoizolacja jest również znana pod nazwą TWD.

Jeżeli systemy węży lub rur zewnętrznych ścian budynku są poprzez sterowane termicznie zawory połączone z obiegami cieczy obszarów akumulatora cieplnego z substancją stalą wówczas w ciągu lata pochłaniana energia może być wówczas magazynowana, zaś zimna ciecz, zwłaszcza z obszaru peryferyjnego, może być celem chłodzenia doprowadzana do systemów węży lub rur w ścianach zewnętrznych. Zimą systemy rur zewnętrznych ścian budynku można wykorzystywać jako instalację grzejną. Poza tym zimą, zwłaszcza w przypadku powłoki lub okładziny ze zwiększającego absorpcję materiału (TWD), można odzyskać dodatkowe ilości energii cieplnej.

Systemy węży lub rur w zewnętrznych ścianach budynku umożliwiają poza tym realizację wielu procesów klimatyzacyjnych oraz funkcji kompensacyjnych, w związku z czym są również nazywane klimatyzacyjno-kompensacyjnym systemem ścian zewnętrznych (system AKK). Do wspomnianych funkcji należy opisana wyżej kompensacja pomiędzy północną i południową stroną budynku, klimatyzacja w miesiącach letnich poprzez odprowadzanie nadmiaru ciepła słonecznego, kompensacja transmisyjnych strat cieplnych w miesiącach zimowych poprzez temperowanie za pomocą zmagazynowanej energii oraz funkcja ogrzewania ściennego. Dzięki temu w jastrychu można położyć korzystnie przewód pierścieniowy, z którego wychodzą końcówki do zewnętrznych ścian poszczególnych pomieszczeń. Zawory termostatyczne w tych końcówkach umożliwiają indywidualną regulację temperatury każdego z pomieszczeń. Takie ogrzewanie dużych powierzchni było znane już w czasach rzymskich jako ogrzewanie hipokaustyczne i służyło ogrzewaniu domów i łaźni. Za pomocą takiego systemu można również przeprowadzać temperowanie zabytkowych budynków przy jednoczesnym termicznym schnięciu murów. Akumulatory cieplne ze stałą substancją umieszcza się przy tym najczęściej w piwnicach takich budynków. Absorbery słoneczne można umieścić później, przy naprawie dachu, nie naruszając przy tym budynku. Można je również umieścić poza budynkiem względnie w ogóle ich nie uwzględniać.

System AKK może również rozwiązać problemy związane z rosieniem części budynku, dzięki możliwości utrzymywania go w stanie suchym i zabezpieczeniu przed kondensacją w obszarach zwiększonej wilgoci. Wreszcie do obiegów systemu AKK można podłączyć również ogrzewanie awaryjne lub dodatkowe o niskiej mocy (kilka kW) na wypadek ekstre183 921 malnych warunków pogodowych względnie nie podlegających kalkulacji przypadków korzystania z energii z mniejszą dyscypliną.

Wymiennik ciepła dla wody użytkowej może być podłączony, poprzez sterowane termicznie zawory, obejściowo i z pierwszeństwem do tego obszaru absorbera słonecznego, który ma najwyższą temperaturę. W ten sposób można osiągnąć nagrzanie względnie podgrzanie wody użytkowej do ponad 40°C. Akumulator cieplny z substancją stałą zawiera korzystnie jako materiał kumulacyjny, z uwagi na niskie koszty i duże ciepło właściwe, złoże szutrowe względnie krzemionkowe o grubości co najmniej 60 cm. Dodatkowo w centralnym obszarze akumulatora cieplnego z substancją stałą można umieścić wsporniki stalowe, sprasowany złom samochodowy lub podobny materiał o jak największym cieple właściwym. Jednocześnie rozwiązuje to problemy usuwania odpadów, za co można nawet pobierać opłaty.

Akumulator cieplny z substancją stałą, zwłaszcza jego obszar centralny, jest od dołu zaizolowany warstwą termoizolacyjną. Zapobiega to oddawaniu ciepła z obszarów akumulatora cieplnego, mających temperaturę wyższą niż znajdujący się pod nimi grunt. W zewnętrznym obszarze, zwłaszcza zaś w obszarze peryferyjnym, izolacja cieplna może się natomiast okazać niecelowa, jeżeli ciepło pochodzące z ziemi daje wyższą temperaturę niż odpowiedni obszar akumulatora. Jako ciecz dla wszystkich obiegów stosowana jest woda względnie typowy środek zabezpieczający przed zamarzaniem.

W poszczególnych obszarach absorbera słonecznego, akumulatora cieplnego z substancją stałą i instalacji grzejnej budynku, korzystnie w postaci instalacji podłogowej lub ściennej, potrzebne są niekiedy pompy cyrkulacyjne, które nie są tu szczegółowo opisane, ponieważ specjalista może w każdym z przypadków bez trudności przewidzieć ich zastosowanie.

Nowoczesne budynki są tak uszczelnione, że niezbędna jest okresowa wentylacja. Jest ona jednak przyczyną strat cieplnych względnie niepożądanego dopływu ciepła w lecie. W kolejnym wykonaniu wynalazku urządzenie energetyczne zawiera dla wentylacji otwory, usytuowane zwłaszcza w ramach okiennych, w których to otworach umieszczone są podłączone do systemów węży lub rur zewnętrznych ścian budynku wymienniki ciepła z omywanymi przez ciecz płytkami. Powietrze, napływające zimą, do wewnątrz, może być wówczas nagrzewane przez wymienniki ciepła, zaś latem napływające powietrze można odpowiednio oziębić.

Inne rozwiązanie problemów wentylacyjnych polega na zastosowaniu zewnętrznego, biegnącego wokół peryferyjnego obszaru akumulatora, oraz wewnętrznego, biegnącego w akumulatorze z substancją stałą, powietrznego kanału ssącego. W tym rozwiązaniu powietrze, chłodzone latem w sposób sterowany za pomocą zaworu wielodrogowego, jest zasysane przez kanał zewnętrzny i wdmuchiwane do budynku, zaś w zimie podgrzane powietrze jest zasysane przez kanał wewnętrzny i wdmuchiwane do budynku.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia budynek z różnymi systemami i urządzeniami w ujęciu schematycznym, fig. 2 - odmianę przykładu wykonania z fig. 1, fig. 3 - wariant budynku z fig. 1 w ujęciu schematycznym, fig. 4 - zewnętrzną ścianę budynku z zewnętrzną warstwą izolacyjną w częściowym widoku perspektywicznym, zaś fig. 5 - zewnętrzną ścianę budynku z wewnętrzną waarstwą. izolacyjną w schematycznym częściowym widoku perspektywicznym.

Zewnętrzne ściany 1, 2 budynku są wykonane systemem szalunkowym z betonu i zaopatrzone w warstwę izolacyjną la, 2a, która ma grubość przykładowo co najmniej 25 cm i jest wykonana z twardej pianki styropianowej. Dolna płyta 3 budynku jest również wylana z betonu i zaopatrzona w warstwę izolacyjną 3a. Z dolnej płyty 3 i zewnętrznych ścian 1, 2 wychodzi warstwa termoizolacyjna 4. Na rysunku warstwy izolacyjne 4 są ukazane jedynie na obu przedstawionych bokach ze ścianami zewnętrznymi 12. Przednia i tylna ściana budynku sąjednak ukształtowane tak samo.

Ukośne warstwy termoizolacyjne 4 tworzą wraz z dolną płytą 3 komorę na akumulator cieplny ze stałą substtanj zawierający przykładowo (nie przedstawione w szczegółach) złoże szutrowe lub krzemionkowe z dodatkowymi elementami kumulacyjnymi, opisanymi poniżej bardziej szczegółowo.

183 921

Dach budynku zawiera typową konstrukcję nośną 5, składającą się przykładowo z krokwi drewnianych i ewentualnie desek, na której ułożona jest warstwa termoizolacyjna 6 o grubości około 18 cm, wykonana z tego samego materiału, co warstwy termoizolacyjne la, 2a, ścian zewnętrznych 1, 2. Na górnej powierzchni warstwy termoizolacyjnej ułożone są meandrycznie przewody rurowe 7, 8 (rury polipropylenowe 20x2) w rynnach lub rowkach warstwy termoizolacyjnej 6 pod (nie przedstawionym) pokryciem dachowym w postaci, w miarę możności czarnych, dachówek. Przewody rurowe 7, 8 tworzą na obu przedstawionych bokach budynku oddzielne obiegi cieczy, podłączone poprzez sterowane termicznie zawory 9, 10 do wspólnych kolektorów 11, 12 dla ciepłej względnie zimnej strony systemów przewodów rurowych. Zawory 9, 10 są tutaj, podobnie jak wszystkie inne zawory, przedstawione w uproszczeniu jako krzyżyk w odpowiednim przewodzie. Z kolektorów 11, 12 prowadzą przewody rurowe 13, 14 do następnych kolektorów 15, 16, które można również połączyć w całość z kolektorami 1112. ,

W celu jak najpełniejszego wykorzystania energii słonecznej można w ramach nie przedstawionego, alternatywnego rozwiązania doprowadzić obiegi poszczególnych części absorbera słonecznego pojedynczo do takich kolektorów w postaci krótkich kształtek rurowych. Obiegi uchodzą przy tym na przykład do czołowych ścian kolektorów, w związku z czym ciecz stale znajduje się w obiegu względnie jest przetłaczana. Z otoczenia kolektorów w pobliżu końców dwie rury lub dwa węże prowadzą do kolejnych kolektorów 15, 16, przy czym w jednej z rur lub w jednym z węży znajduje się sterowany termicznie zawór. Następnie, po otwarciu odpowiedniego zaworu, ciecz (jej większa część) może być doprowadzana do obszaru akumulatora.

Na figurze 2 ukazana jest następna możliwość wykonania połączeń między obszarami absorbera słonecznego I, II i III. Obszary I i II mogą przy tym odpowiadać na przykład obiegom cieczy z przewodami rurowymi 7, 8 z fig. 1. Obszar 1Π istnieje dodatkowo. Dopływy 35, 36 i 37 obszarów I, II względnie III są połączone we wspólny przewód 38 i prowadzą poprzez pompę tłoczącą 39 z jednej strony do kolektora 40, a poza tym do odpływów 41, 42 względnie 43 centralnego obszaru C akumulatora ze stałą substancją który odpowiada obiegowi 21 na fig. 1, oraz do odcinków A, B, które odpowiadają obiegom 24 względnie 23 na fig. 1. Dopływy obszarów A, B, C akumulatora są za pomocą sterowanych termicznie zaworów 44, 45 względnie 46 połączone z kolektorem. W celu uzupełnienia obiegów odpływy 47, 48 i 49 obszarów I, II względnie III absorbera są za pomocą sterowanych termicznie zaworów 50, 51 i 52 podłączone do wspólnego przewodu 53, który prowadzi do kolektora 40. Poza tym pomiędzy wejściem pompy 39 i kolektorem 40 znajduje się przewód 54. Przewód ten zawiera następny, sterowany termicznie zawór 55.

Sterowane termicznie zawory 50, 51 i 52 stanowią korzystnie zawory, sterowane za pomocą czujnika termicznego i przekaźnika. Jako zawory 44, 45 i 46 stosuje się natomiast korzystnie regulowane ręcznie zawory termostatyczne.

Dla objaśnienia różnych stanów roboczych przyjęto przykładowo, że obszary akumulatora ze stałą substancją mają następujące temperatury: zewnętrzny obszar akumulatora A = + 16°C do 24°C B = + 25°C do 34°C C == + 35°C i wy/żsaa.

Peryferyjny obszar akumulatora ma temperaturę pomiędzy +7°C i +15°C.

Przykład 1

Temperatura zewnętrzna: -4°C

Obszary absorbera dachowego: mćdssymalriie + 8°C

Zawory 50, 51, 52, 55 pozostają zamknięte, pompa 39 jest wyłączona. Do akumulatora z substancją stałą o obszarach A, B, C nie może być zatem oddawane ciepło, ponieważ maksymalna temperatura cieczy w obszarach absorbera słonecznego leży nadal poniżej temperatury obszaru A akumulatora z substancja stałą o najniższej temperaturze.

środkowy obszar akumulatora centralny obszar akumulatora

183 921

Przykład 2:

Temperatura zewnętrzna: + 6°C

Obszar absorbera słonecznego: +26°C

Obszary absorbera słonecznego II i III: + 12°C

Zawory 44, 45, 46, 55 zostają otwarte, pompa 39 jest włączona. Zawór 44 otwiera się, gdy temperatura obszaru A akumulatora leży co najmniej 2°C poniżej temperatury cieczy w kolektorze 40.

Przykład 3:

Temperatura zewnętrzna: +36°C

Temperatura obszarów absorbera dachowego I, II, III: +64°C do + 75°C

Zawory 50, 51, 52 i 55 oraz zawór 46, prowadzący do centralnego obszaru C akumulatora, zostają otwarte. Następnie centralny obszar C akumulatora zostaje naładowany stosunkowo wysoką temperaturą cieczy z absorbera słonecznego.

Podczas eksploatacji zimowej istnieje ponadto możliwość jedynie krótkotrwałego, przerywanego otwierania pompy oraz zaworów 50, 51, 52 i 55 za pomocą obwodu przekaźnikowego.

W ścianach zewnętrznych 1, 2 ułożone są meandrycznie dalsze systemy 17 względnie 18 przewodów rurowych, podłączonych do kolektorów 19, 20. Podłączenia te są przedstawione jedynie dla systemu 17 przewodów rurowych. System 18 przewodów rurowych prowadzi jednak w taki sam sposób do kolektorów 19, 20. Dzięki temu powstaje możliwość wymiany ciepła pomiędzy północną i południową stroną budynku poprzez przepompowywanie cieplejszej cieczy po jednej stronie do zimniejszej cieczy po drugiej stronie i odwrotnie. Poza tym jednak, jak opisano poniżej, ciepła woda z systemów 17, 18 przewodów rurowych jest doprowadzana do akumulatora z substancją stałą względnie zimna woda jest wtłaczana w systemy 17, 18 przewodów rurowych w celu ich ochłodzenia.

Akumulator z substancją stałą jest podzielony na cztery obszary o różnych zakresach temperatury. Centralny obszar, wyznaczony przez meandryczne, osadzone w materiale akumulatora ze stałą substa^^ją przewody rurowe 21, które tworzą obieg zamknięty, ma w złożu szutrowym względnie krzemionkowym z warstwą ochronną dodatkowe pakiety metalowe 22, przez które również przechodzą przewody rurowe 21 względnie które są objęte tymi przewodami. Dzięki temu centralny obszar 21, 22, mający również najwyższą, temperaturę, charakteryzuje się zwiększoną, pojemnością cieplną. Przewody rurowe 21 są korzystnie osadzone z zastosowaniem warstwy pośredniej lub warstwy ochronnej (nie przedstawionej) z betonu lub podobnego materiału.

Akumulator z substancją stałą ma obszar środkowy, położony w pobliżu centralnego obszaru 21, 22 i wyznaczony przez obieg cieczy z meandrycznie ułożonymi rurami 23, oraz obszar zewnętrzny, który otacza obszar środkowy 23 i jest wyznaczony przez obieg cieczy z meandrycznie ułożonymi rurami 24. Rury 23, 24 są przy tym osadzone w złożu szutrowym względnie krzemionkowym z warstwą ochronną. Poniżej centralnego obszaru 21, 22 znajduje się warstwa termoizolacyjna, zapobiegająca stratom ciepła ze stosunkowo ciepłego, centralnego obszaru 21, 22 do dołu.

Zewnętrzny obszar 24 akumulatora jest otoczony obszarem peryferyjnym 26 z systemem meandrycznie ułożonych rur. Obszar peryferyjny 26, podobnie jak inne obszary akumulatora z substancją stałą, gromadzi ciepło ziemi (energię geotermiczną), które symbolizuje strzałka 27. Zwłaszcza zaś obszar peryferyjny 21 można wykorzystać także latem, aby w celu chłodzenia budynku doprowadzać zimną ciecz do systemów rurowych 17, 18 w ścianach zewnętrznych.

Jak widać na fig. 1, rozprowadzanie nagrzanych cieczy pochodzących z absorberów słonecznych do poszczególnych obszarów akumulatora odbywa się za pomocą kolektorów 15, 16. W każdym z przewodów ramowych 21 a, 23a, 24a, które doprowadzaaą ciecze do obszarów 22 względnie 23 względnie 24 akumulatora, umieszczony jest termicznie sterowany zawór 28a, 28b, 28c. Jeżeli na przykład temperatura cieczy pochodzącej z absorbera słonecznego jest wysoka i wynosi przykładowo od 25 do 35°C, wówczas ciecz jest doprowadzana przez zawór 28c do centralnego akumulatora z obiegiem 21. Jeżeli temperatura wynosi przy10

183 921 kładowo od 15 do 24°C, wówczas zasilany jest środkowy zewnętrzny obszar 23 akumulatora.

Wreszcie ciepła ciecz jest doprowadzana do zewnętrznego obszaru 24 akumulatora, jeżeli jej temperatura wynosi przykładowo od 7 do 14°C.

Przez kolektory 19, 20 ciepło z obszarów 21, 23, 24, 26 akumulatora może być doprowadzane poprzez zawory 29a, 29b, 29c, 29d do systemów rurowych 17 i 18 ścian zewnętrznych w celu ogrzewania budynku. Zawory 29a, 29b, 29c, 29d są również sterowane termicznie, w związku z czym systemy 17, 18 są każdorazowo zasilane cieczą o wymaganej temperaturze. Istnieje również możliwość doprowadzania latem zimnej cieczy w celu chłodzenia budynku z obszaru peryferyjnego 26 poprzez zawór 29d do systemów 17, 18.

Woda pitna jest rozprowadzana w budynku przez przewód 30, który poprzez rozgałęzienie 30a zasila odbiorców. Kolejny przewód 30b prowadzi do zaznaczonego jedynie schematycznie wymiennika ciepła 31. Wymiennik ciepła jest poprzez sterowany termicznie zawór 32 zasilany obejściowo ciepłą cieczą z kolektora 11. Dzięki temu przepływająca woda może być nagrzewana względnie podgrzewana do temperatury na przykład 38°C. Umieszczona dalej terma lub grzejnik przepływowy zapewnia utrzymanie zapasu wody oraz ewentualne dalsze nagrzewanie wstępnie podgrzanej wody użytkowej. Zamiast wymiennika ciepła 31 można również zastosować osadzone w centralnym obszarze 21 akumulatora przewody (nie przedstawione) w postaci na przykład rur polietylenowych. Centralny obszar akumulatora pracuje wówczas jako wymiennik ciepła.

Wszystkie przedstawione zawory mogą być zaworami termostatycznymi, które można nastawiać ręcznie na żądane temperatury, mianowicie również w ten sposób, że zawory otwierają się na początku nastawianego przedziału temperatur i zamykają ponownie na końcu tego przedziału. Istnieje jednak również możliwość centralnego sterowania wszystkimi zaworami za pomocą odpowiednio zaprogramowanego komputera przy użyciu przekaźnika lub silników nastawczych. Dzięki temu osiąga się maksymalną elastyczność dla różnych warunków atmosferycznych i zmian pogody.

Na fig. 3 ukazany jest przekrój budynku, podobnie jak na fig. 1. Istotne elementy, łącznie z absorberem dachowym, akumulatorem z substancją stałą, obiegami ściennymi, kolektorami i łączącymi przewodami rurowymi są tu takie same. Przekrój na fig. 3 odpowiada jednak bliżej rzeczywistym warunkom, panującym w budynku. Zwłaszcza widać tu, że dodatkowe elementy zajmuj ą niewiele miejsca i nie komplikują w znaczący sposób konstrukcji budynku. Akumulator z substancją stałą jest przedstawiony jedynie schematycznie, z zaznaczonym obszarem centralnym, środkowym, zewnętrznym i peryferyjnym. W praktyce obszar centralny ma temperaturę 38°C i więcej, obszar środkowy ma temperaturę od 25 do 34°C, obszar zewnętrzny ma temperaturę od 15 do 24°C, zaś obszar peryferyjny ma temperaturę od 7 do 14°C.

Na fig. 4 ukazana jest schematycznie budowa ściany zewnętrznej z zewnętrzną warstwą tynkową 40, zewnętrzną warstwą izolacyjną 41 o grubości pomiędzy 10 i 25 cm, masywną ścianą 42, na przykład z lekkiego betonu, oraz umieszczoną wewnątrz budynku okładziną 43 z płyty wiórowej, która może być przystosowana do nakładania tapet. W masywnej ścianie 42 przebiegają rury lub węże 18, umożliwiające nagrzewanie lub chłodzenie, odpowiednio do powyższych objaśnień.

Na fig. 5 przedstawiony jest fragment ściany budynku, na przykład chronionego budynku zabytkowego, którego zewnętrzna elewacja nie może być zmieniana. Istniejąca masywna ściana ma dotychczasową lub odnowioną warstwę tynkową 40. Po wewnętrznej stronie masywnej ściany 42 ułożone są rury odpływowe 18b systemu 18 rur względnie węży. Po ewentualnym (nie pokazanym) wypełnieniu przestrzeni pomiędzy rurami 18b układa się warstwę izolacyjną 44, na której z kolei układane są ewentualnie w (nie przedstawionych) rowkach rury dopływowe 18a, przesunięte względem rur odpływowych 18b. Warstwę zewnętrzną stanowi wewnętrzna okładzina ścienna 43. Przez rury dopływowe 18b następuje wówczas ogrzewanie pomieszczeń na zasadzie ogrzewania ściennego, zaś rury odpływowe umożliwiają takie nagrzewanie masywnej ściany zewnętrznej 42, aby możliwe było zarówno jej wysychanie, jak też utrzymywanie w stanie suchym.

183 921

-w ^-50

49·

1,5

1251

A ,._r4

z.

lWU

lwu

183 921

Fig. 3

OBSZARY AKUMULATORA

183 921

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie energetyczne dla budynków, zawierające absorbery słoneczne, wymienniki ciepła i akumulatory cieplne, w którym pod budynkiem umieszczony jest akumulator cieplny z substancją stałą, zaopatrzony w ułożone w nim węże lub rury do doprowadzania lub pobierania ciepła oraz podzielony na co najmniej dwa obszary, mianowicie obszar centralny i obszar środkowy/zewnętrzny, zaopatrzone w odrębne obiegi cieczy, składające się z węży lub rur danego obszaru, przy czym w trybie poboru ciepła, ciecz jest doprowadzana do instalacji grzejnej budynku za pomocą sterowanych termicznie zaworów pierwotnie z obiegu środkowego/zewnętrznego obszaru akumulatora cieplnego i wtórnie z obiegu centralnego obszaru akumulatora cieplnego, zaś w trybie kumulowania ciepła ciecz jest doprowadzana za pomocą sterowanych termicznie zaworów z obiegu poszczególnych obszarów absorbera słonecznego pierwotnie do obiegu centralnego obszaru akumulatora cieplnego i wtórnie do obiegu środkowego/zewnętrznego obszaru akumulatora cieplnego, znamienne tym, że absorber słoneczny zawiera węże lub rury (7, 8), ułożone pomiędzy pokryciem dachowym i umieszczoną pod nim warstwą izolacyjną (6), oraz jest podzielony na co najmniej dwa obszary, zaopatrzone w odrębne obiegi cieczy, składające się z węży lub rur danego obszaru, oraz co najmniej część zewnętrznych ścian (1,2) budynku zawiera systemy (17,18) węży lub rur do przepływu cieczy, przy czym temperatura cieczy doprowadzanej przez sterowane termicznie zawory z obiegu danego obszaru jest co najmniej o 2 do 8°C, korzystnie o 4°C, wyższa od temperatury danego obszaru (21,22,23,24,26, A, B, C) akumulatora cieplnego z subs^^ć^ stałą
2. Urządzenie energetyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że absorber słoneczny jest podzielony na co najmniej trzy obszary (I, II, III) przyporządkowane różnie zorientowanym fragmentom dachu.
3. Urządzenie energetyczne według zastrz. 1 albo 2, znamienite tym, że poszczególne obszary (I, II, III) absorbera słonecznego są połączone po stronie odpływów (47, 48, 49) za pomocą sterowanych termicznie zaworów (50, 51, 52) i stanowią wspólnie element zasilający kolektor (40), zaś po stronie dopływów (35, 36, 37) są poprzez pompę (39) doprowadzone wspólnie do połączonych odpływów (41, 42, 43) centralnego obszaru (21, C) akumulatora z substa^^j^ stałą i środkowego/zewnętrznego obszaru (23, B; 24, A) akumulatora z substancją stałą przy czym dopływy centralnego obszaru (10) i środkowego/zewnętrznego obszaru (A, B) akumulatora z substancją stałą są połączone poprzez sterowane termicznie zawory (44, 45, 46) z kolektorem (40), zaś obieg jest zamknięty za pomocą zaopatrzonego w sterowany termicznie zawór (55) połączenia (54), usytuowanego pomiędzy wejściem pompy (39) i kolektorem (40).
4. Urządzenie energetyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że węże lub rury (7, 8) absorbera słonecznego są ułożone w meandrycznie przebiegających wgłębieniach lub rowkach warstwy izolacyjnej (6).
5. Urządzenie energetyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że akumulator cieplny zawiera trzy obszary, mianowicie obszar centralny (21, C), otaczający go obszar środkowy (23, B) i, otaczający obszar środkowy (23), obszar zewnętrzny (24, A).
6. Urządzenie energetyczne według zastrz. 5, znamienne tym, że obszar zewnętrzny (24) akumulatora cieplnego z substancją stałą jest poszerzony lejkowato do dołu i poza zarysem poziomego rzutu budynku jest osłonięty warstwą termoizolacyjną (4).
7. Urządzenie energetyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że zewnętrzny obszar (24, A) akumulatora cieplnego z substancją stałąjest otoczony obszarem peryferyjnym (26).
8. Urządzenie energetyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że zewnętrzne ściany (3, 2) budynku są od zewnątrz pokryte zwiększającą absorpcję, przezroczystą powłoką względnie okładziną

183 921
9. Urządzenie energetyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że systemy (17,18) węży lub rur zewnętrznych ścian (1, 2) budynku są poprzez sterowane termicznie zawory (29a, 29b, 29c, 29d) połączone z obiegami (21, 23, 24, 26) cieczy obszarów akumulatora cieplnego z substancją stałą.
10. Urządzenie energetyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że obszar absorbera słonecznego, mający najwyższą, temperaturę, połączony jest obejściowo poprzez sterowane termicznie zawory (32) z wymiennikiem ciepła (31) dla wody użytkowej.
11. Urządzenie energetyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że akumulator cieplny z substancją stałą zawiera materiał kumulacyjny w postaci złoża szutrowego względnie krzemionkowego o grubości co najmniej 60 cm.
12. Urządzenie energetyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że centralny obszar (21) akumulatora cieplnego z substancją stalą zawiera osadzone w nim pakiety metalowe (22) , wsporniki stalowe, sprasowany złom samochodowy lub podobny materiał o dużym cieple właściwym.
13. Urządzenie energetyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że akumulator cieplny z substancją stałą, zwłaszcza jego obszar centralny (21), jest od dołu zaopatrzony w warstwę termoizolacyjną (25).
14. Urządzenie energetyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że ciecz stanowi woda względnie środek zabezpieczający przed zamarzaniem.
15. Urządzenie energetyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że do systemów (17, 18) węży lub rur zewnętrznych ścian (1, 2) budynku podłączone są wymienniki ciepła z omywanymi przez ciecz płytkami, umieszczone w otworach wentylacyjnych, zwłaszcza w ramach okiennych.
16. Urządzenie energetyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że wokół peryferyjnego obszaru (26) akumulatora biegnie zewnętrzny powietrzny kanał ssący, zaś w akumulatorze (21, 23, 24) z substancją stałą biegnie wewnętrzny powietrzny kanał ssący, którym to kanałom przyporządkowany jest zawór wielodrogowy do sterowanego chłodzenia powietrza w trybie letnim i sterowanego podgrzewania powietrza w trybie zimowym, przy czym powietrze wdmuchiwane do budynku stanowi w trybie letnim powietrze zasysane przez kanał zewnętrzny, zaś w trybie zimowym powietrze zasysane przez kanał wewnętrzny.