FI124800B - Solar heating system for a building - Google Patents
Solar heating system for a building Download PDFInfo
- Publication number
- FI124800B FI124800B FI20135522A FI20135522A FI124800B FI 124800 B FI124800 B FI 124800B FI 20135522 A FI20135522 A FI 20135522A FI 20135522 A FI20135522 A FI 20135522A FI 124800 B FI124800 B FI 124800B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- heat
- heat exchanger
- building
- solar collector
- accumulator
- Prior art date
Links
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims description 24
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 42
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 27
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 24
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 2
- 239000003570 air Substances 0.000 description 21
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 6
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 4
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 4
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000003760 hair shine Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000005338 heat storage Methods 0.000 description 1
- 239000013529 heat transfer fluid Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009182 swimming Effects 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
- F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
- F24D11/002—Central heating systems using heat accumulated in storage masses water heating system
- F24D11/003—Central heating systems using heat accumulated in storage masses water heating system combined with solar energy
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
- F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
- F24D11/02—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps
- F24D11/0214—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps water heating system
- F24D11/0221—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps water heating system combined with solar energy
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
- F24D17/00—Domestic hot-water supply systems
- F24D17/0015—Domestic hot-water supply systems using solar energy
- F24D17/0021—Domestic hot-water supply systems using solar energy with accumulation of the heated water
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
- F24D17/00—Domestic hot-water supply systems
- F24D17/0036—Domestic hot-water supply systems with combination of different kinds of heating means
- F24D17/0042—Domestic hot-water supply systems with combination of different kinds of heating means recuperated waste heat and solar energy
- F24D17/0047—Domestic hot-water supply systems with combination of different kinds of heating means recuperated waste heat and solar energy with accumulation of the heated water
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
- F24D17/00—Domestic hot-water supply systems
- F24D17/0036—Domestic hot-water supply systems with combination of different kinds of heating means
- F24D17/0063—Domestic hot-water supply systems with combination of different kinds of heating means solar energy and conventional heaters
- F24D17/0068—Domestic hot-water supply systems with combination of different kinds of heating means solar energy and conventional heaters with accumulation of the heated water
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
- F24D3/00—Hot-water central heating systems
- F24D3/005—Hot-water central heating systems combined with solar energy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
- Y02B10/20—Solar thermal
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
- Y02B10/70—Hybrid systems, e.g. uninterruptible or back-up power supplies integrating renewable energies
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)
Description
RAKENNUKSEN AURINKOLÄMMITYSJÄRJESTELMÄ KEKSINNÖN ALABUILDING SOLAR HEATING SYSTEM FIELD OF THE INVENTION
Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määritetty rakennuksen aurinkolämmitysjärjes-telmä.The present invention relates to a solar heating system for a building as defined in the preamble of claim 1.
KEKSINNÖN TAUSTABACKGROUND OF THE INVENTION
Tunnettua tekniikkaa keksinnön alalla on esitetty esimerkiksi julkaisuissa CN101650098 ja US2007214815. Pyrittäessä vähemmän energiaa kuluttaviin rakennuksiin ja pois fossiilisten energialähteiden käytöstä on rakennusten lämmityksessä pyritty käyttämään yhä enemmän auringon suoraa lämpöä sekä maaperän lämpöä. Järjestelmät perustuvat suurelta osin maalämpöpumppuihin ja ilmalämpöpumppuihin, joilla sähkön avulla yleensä yli puolet tarvittavasta energiasta saadaan maaperästä, vedestä tai ilmasta, laitteet ovat monimutkaisia, kalliita ja huoltoa vaativia ja lisäksi ne vaativat koko-naisenergiatarpeesta ainakin kolmasosan kallista sähköenergiaa .Prior art in the field of the invention is disclosed, for example, in CN101650098 and US2007214815. In pursuit of less energy-consuming buildings and away from fossil energy sources, more and more direct heat from the sun and soil heat has been used to heat buildings. The systems are largely based on ground source heat pumps and air source heat pumps, which usually provide more than half of the required energy from soil, water or air, are complex, expensive and maintenance-intensive and require at least one third of the total electricity requirement.
Nykyisin käytössä olevat aurinkolämpöjärjestelmät taas ovat vuosihyötysuhteeltaan heikkoja. Niillä pystytään lämmittämään noin puolet kiinteistön käyttämästä lämpimästä käyttövedestä ja kattamaan 10-20% kaikesta kiinteistön käyttämästä lämmitysenergiasta.On the other hand, solar thermal systems currently in use have poor annual efficiency. They can heat about half of the hot water used by the property and cover 10-20% of the total heating energy used by the property.
KEKSINNÖN TARKOITUSPURPOSE OF THE INVENTION
Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä esitetyt tunnetun tekniikan epäkohdat. Erityisesti keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uudenlainen rakennusten aurinkolämmitysjärjestelmä, jonka avulla suurin osa rakennuksen tarvitsemasta lämpöenergiasta saadaan nk. ilmaisenergioista. Edelleen keksinnön tarkoituksena on mahdollistaa yksinkertainen, varmatoiminen, huoltova-paa ja mahdollisimman vähän rakennuksessa sisällä tilaa vaativa aurinkolämmitysjärjestelmä.The object of the invention is to overcome the above-mentioned drawbacks of the prior art. In particular, it is an object of the invention to provide a new type of solar heating system for buildings, whereby most of the thermal energy required by a building is obtained from so-called free energy. It is a further object of the invention to provide a simple, reliable, maintenance-free solar system with minimal space inside the building.
KEKSINNÖN YHTEENVETOSUMMARY OF THE INVENTION
Keksinnön mukainen aurinkolämmitysjärjestelmä on lähtenyt kahdesta perusajatuksesta. Ensiksikin järjestelmän pitää olla toimiva ilman ilmalämpöpumppua tai maa-lämpöpumppua niin, että järjestelmän normaalissa toiminnassa kaikki käytettävä energia niin suuressa määrin kuin mahdollista on saatava suoraa auringon lämpönä tai maalämpönä. Tämä ei kuitenkaan poista sitä mahdollisuutta, että joissain sovelluksissa lämpöpumppuja voidaan käyttää. Toiseksi rakennuksissa ja niiden yhteydessä on suuret määrät lämpötilaltaan erisuuruisia ja muuttuvia energiatiloja, kuten auringon lämpösäteilyn vaihtelut vuorokauden ja vuodenajan mukaan, sisäilman lämpötila, ulkoilman lämpötila, rakennuksen alla olevan maan lämpötila, lähellä olevan vesistön lämpötila jne., joiden välillä lämpöä voidaan lähes aina siirtää haluttuun suuntaan vain sopivan suuntaisilla massavirtauksilla ja yksinkertaisilla lämmön-vaihtimilla.The solar heating system according to the invention has started from two basic ideas. First of all, the system must be operating without an air source heat pump or a ground source heat pump, so that in the normal operation of the system, all the energy used must, as far as possible, be obtained as direct solar heat or geothermal heat. However, this does not eliminate the possibility that in some applications heat pumps may be used. Secondly, there are a large number of different and variable energy states in and around buildings, such as variations in solar thermal radiation depending on the time of day and season, indoor temperature, outdoor temperature, underground temperature, near water temperature etc. between which heat can almost always be transferred direction only with mass flow directions and simple heat exchangers.
Keksinnön mukaiseen rakennuksen aurinkolämmitysjärjestelmä kuuluu nestekierrolla varustettu aurinkokerääjä, nestetäytteinen lämmönvaraaja sekä lämmönvaraajassa ainakin yksi lämmönvaihdin varaajaan varastoituneen lämmön käyttämiseksi. Lämmönvaraaja on pystysuunnassa pitkänomainen säiliö eli säiliö, johon sen korkeudesta johtuen saadaan selvä lämpötilaero sen yläosan nesteen ja alaosan nesteen välille. Edelleen aurinkokerääjän nestekierto on järjestetty avautumaan lämmönvaraajan yläosaan, täyttämään koko lämmönvaraaja ja ympäröimään siis käytettävät yksi tai useampi lämmönvaihdin ja lopulta poistumaan lämmönvaraajan alaosasta takaisin aurinkokerää j ään . Näin korkeaan ja suhteellisen kapeaan lämmönvaraajaan saadaan suuri lämpötilaero sen yläpään ja alapään välille ja säiliössä sisällä käytettävä ja kiertävä neste ei sekoitu säiliössä, vaan hitaasti laskeutuu säiliössä alaspäin kiertovirtauksen suuruuden mukaan.The solar heating system of a building according to the invention comprises a liquid collector solar collector, a liquid-filled heat accumulator and at least one heat exchanger in the heat accumulator for utilizing the heat stored in the accumulator. The heat reservoir is a vertically elongated reservoir, i.e. a reservoir, which, due to its height, provides a clear temperature difference between its upper fluid and lower fluid. Further, the fluid circulation of the solar collector is arranged to open at the top of the heater, fill the entire heater and thus surround one or more heat exchangers used, and finally exit from the lower part of the heater back to the solar collector. Such a high and relatively narrow heat reservoir provides a large temperature difference between its upper and lower ends and the fluid used and circulating inside the container is not mixed in the container but slowly descends in the container according to the magnitude of the circulation.
Olennainen osa keksintöä on siis lämmönvaraajan muodostava suhteellisen korkea ja kapea lämpöeristetty säiliö, joka on täynnä aurinkopiirin lämmönsiirtones-tettä. Kun säiliö on riittävän korkea sen vaakasuuntaiseen halkaisijaan verrattuna, ei säiliössä tapahdu merkittävää nesteen sekoittumista. Täten lämmönvaraaja on pysty putki, jonka korkeus on ainakin 10, edullisesti yli 20 ja jopa suuruusluokkaa 100 kertaa sen halkaisija. Voidaan jopa sanoa, että lämmönvaraajan muodostaa aurinkokerääjän nestekierron putkessa oleva pystysuuntainen osuus, jossa neste kulkee ylhäältä alaspäin ja jossa putken halkaisija on selvästi suurempi kuin muualla nestekierrossa. Näin tällä laajennetulla putken alueella virtausnopeus on huomattavasti pienempi kuin muualla, mutta kuitenkaan putken pituussuunnassa nesteen sekoittumista ei olennaisesti tapahdu. Säiliön yläosassa nesteen lämpötila voi olla vaikka noin 90°C samanaikaisesti kun alaosassa nesteen lämpötila on vain noin 4°C. Näin lämpötila nousee säiliössä suhteellisen tasaisesti pohjalta ylöspäin. Tämä mahdollistaa säiliöön sisälle tai säiliöstä ulos siirtyvät eri lämpötilatasoilla tapahtuvat lämpöenergiavir-taukset.An essential part of the invention is thus a relatively high and narrow heat insulated container forming a heat reservoir filled with a heat transfer medium of the solar circuit. When the container is sufficiently high relative to its horizontal diameter, no significant liquid mixing occurs in the container. Thus, the heat reservoir is a vertical tube having a height of at least 10, preferably greater than 20 and even of the order of 100 times its diameter. It can even be said that the heat reservoir is formed by the vertical portion of the solar collector fluid circulation tube, where the liquid passes from top to bottom and the tube diameter is significantly larger than elsewhere in the liquid circulation. Thus, in this expanded region of the tube, the flow rate is significantly lower than elsewhere, but substantially no mixing of the liquid occurs along the length of the tube. At the top of the tank, the temperature of the liquid may be as high as about 90 ° C, while at the bottom the temperature of the liquid is only about 4 ° C. Thus, the temperature in the container rises relatively evenly from the bottom up. This allows thermal energy flows at different temperature levels to be transferred to or from the container.
Koska keksinnön mukaisen järjestelmän toimivuudelle on olennaista lämmönvaraajan korkeus ja kapeus, on se edullisesti sijoitettu rakennukseen ulottumaan olennaisesti sen koko korkeudelle tai ainakin rakennuksessa olevaan mahdollisimman korkeaan vapaaseen tilaan. Täten esimerkiksi kerrostaloissa lämmönvaraaja voi olla porraskäytävässä ja täyttää portaan keskikuilun rakennuksen lattiasta kattoon tai se voidaan sijoittaa yleensä käytöstä poistettuun roskakuiluun. Rakennuksen sisällä olevan sopivan paikan puuttuessa se voidaan myös sijoittaa hyvin eristettynä rakennuksen ulkoseinää vasten.Because the height and width of the heat accumulator are essential for the functionality of the system according to the invention, it is preferably located in the building to extend substantially throughout its height or at least to the highest possible free space in the building. Thus, for example, in a block of flats, a heat sink may be located in the stairwell and fill the middle shaft of the staircase from floor to ceiling or may be located in a generally disused waste bin. In the absence of a suitable space inside the building, it can also be placed well insulated against the exterior wall of the building.
Eräässä keksinnön sovelluksessa ainakin yksi lämmön-vaihdin on rakennuksen lämminvesikierron lämmönvaih-din, joka on järjestetty ulottumaan olennaisesti säiliön koko korkeudelle. Lämmönvaihdin voi olla koko säiliön korkeudelle ulottuva spiraali tai muu putkira-kenne. Edullisessa sovelluksessa lämmönvaihtimeen kuuluu säiliön alaosassa oleva alalämmönvaihdin ja säiliön yläosassa oleva ylälämmönvaihdin sekä niitä yhdistävä yhdysputki. Näin alalämmönvaihtimeen syötetään kylmää raakavettä, jonka tarkoituksena on ennen kaikkea jäähdyttää säiliöstä aurinkokerääjään lähtevä neste mahdollisimman matalaan lämpötilaan. Ylälämmönvaihdin sitten lämmittää lämminvesikierron veden säiliön yläpään lämpöä vastaavaksi. Yleensä näin saatu kuuma vesi on liian kuumaa lämpimäksi käyttövedeksi, joten saatu kuuma vesi on johdettava sekoitusventtiiliin ennen käyttöä.In one embodiment of the invention, the at least one heat exchanger is a hot water circulation heat exchanger in a building arranged to extend substantially over the entire height of the tank. The heat exchanger may be a spiral or other tubular structure extending throughout the height of the container. In a preferred embodiment, the heat exchanger comprises a lower heat exchanger at the bottom of the tank and an upper heat exchanger at the top of the tank, and a connecting pipe connecting them. In this way, the lower heat exchanger is supplied with cold raw water, which is primarily intended to cool the liquid leaving the tank to the solar collector to the lowest possible temperature. The top heat exchanger then heats the hot water circulation to the top of the tank. Generally, the hot water thus obtained is too hot to be used as hot water, so the hot water obtained must be supplied to the mixing valve before use.
Ylä- ja alalämmönvaihtimien välinen yhdysputki on tarkoitettu vain nesteen siirtämiseksi lämmönvaihtimien välillä eli yhdysputkessa ei tarvitse tapahtua lämmön siirtymistä säiliöstä veteen. Näin yhdysputki voi olla lämpöeristetty ja sijaita joko sisällä säiliössä tai yhtä hyvin säiliön ulkopuolella.The connecting pipe between the upper and lower heat exchangers is intended only for the transfer of liquid between the heat exchangers, i.e. no heat transfer from the tank to the water is required in the connecting pipe. In this way, the connecting pipe may be thermally insulated and may be located either inside the container or equally well outside the container.
Eräässä keksinnön sovelluksessa järjestelmään kuuluu aurinkokerääjän nestekiertoon yhdistetty ja aurinkoke-rääjän kanssa rinnakkain toimiva rakennuksen poistoillaan lämmöntalteenottolaite, joka voi olla esimerkiksi ilmasta veteen lämpöenergiaa siirtävä poistoilmalämpö-pumppu. Sitä voidaan ohjata vallitsevien lämpötilojen mukaan siten, että poistoilman lämpöä otetaan talteen silloin, kun aurinkokerääjästä ei saada riittävästi lämpöä Tietenkin järjestelmässä voidaan käyttää myös sinänsä tunnettua tuloilman esilämmitystä poistoilman avulla.In one embodiment of the invention, the system comprises a heat recovery device connected to the liquid circulation of the solar collector and operating in parallel with the solar collector, which may be, for example, an exhaust heat pump for transferring heat energy from air to water. It can be controlled according to the ambient temperatures so that the heat from the exhaust air is recovered when there is not enough heat from the solar collector. Of course, the system can also use the known pre-heating of the supply air with exhaust air.
Eräässä keksinnön sovelluksessa järjestelmään kuuluu aurinkokerääjän nestekiertoon yhdistetty maaperään sijoitettu lämmönvaihdin nestekierron lämmittämiseksi tai jäähdyttämiseksi olosuhteiden mukaan. Maaperään sijoitettu lämmönvaihdin on routarajan alapuolelle sijoitettava putkisto, joka voi olla upotettu maahan tai veteen, tai olla esimerkiksi porakaivossa. Maaputkis-ton putkena voidaan käyttää esimerkiksi happidif-fuusiosuojattua lattialämmitysputkea. Putkistolla saadaan kerätyksi geotermistä lämpöä, mutta sitä voidaan käyttää myös rakennuksen huonetilojen ilmakierron jäähdytykseen kuumina kesäpäivinä.In one embodiment of the invention, the system comprises a soil-mounted heat exchanger for heating or cooling the fluid circulation in conditions connected to the fluid circulation of the solar collector. A ground-based heat exchanger is a piping system located below the frost boundary, which may be submerged in the ground or water, or may be located in a well, for example. For example, an oxygen diffusion-protected underfloor heating pipe can be used as a pipe for a ground pipe. The pipelines provide geothermal heat but can also be used to cool the air circulation in the building's rooms on hot summer days.
Keksinnön mukaiseen korkeaan varaajaan varataan lämpöä lyhyen ajan tarpeita varten. Pidemmän ajan eli kuukausien ajaksi ja talven varalle lämpöä voidaan varata lämpöakkuun, joka voi olla varsinainen maapiiri, kuten joukko kallioperään porattuja lämpökaivoja. Lämpöakku voi myös olla hyvin eristetty vesisäiliö, kuten puolipallon muotoinen säiliö, joka on sijoitettu talon alle. Säiliön koko optimoidaan lämmöntarpeen ja esimerkiksi sen mukaan, käytetäänkö lämmön purkauksessa akusta lämpöpumppua vai ei. Myös voidaan käyttää läm-pökellaria eli täyskorkean kellarin osaa tai korotetulla sokkelilla muodostettua talon koko pinta-alan kokoista alatilaa. Lämpöakku tai lämpökellari voidaan toteuttaa esimerkiksi PVCrstä valmistetulla uima-allaspussilla. Pussi voidaan valmistaa niin, että ulommaisen pussin sisällä on toinen pussi. Tällöin pussien sisään jää umpinainen tila. Liityntöjä, välitilan täyttöä ja huoltamista varten pusseihin on tehty läpivientilaippa. laipan kautta välitila voidaan täyttää eristeellä, kuten EPS-rakeilla tai kevytsoralla. Lisäksi umpinainen tila voidaan paineistaa huonosti lämpöä johtavalla kaasulla kuten argonilla. Umpinaiseen välitilaan voidaan myös imeä alipaine lämpöeristyksen parantamiseksi. Alipainetta varten välitila pitää täyttää materiaalilla, joka ei painu kasaan niin, että ko. materiaali alkaisi johtaa lämpöä alipaineesta huolimatta.The high accumulator according to the invention is provided with heat for short-term needs. For a longer period, that is months, and for the winter, heat can be stored in a heat accumulator, which can be the actual earth circuit, such as a number of wells drilled into the bedrock. The heat accumulator may also be a well-insulated water tank, such as a hemispherical tank located under the house. The size of the tank is optimized based on the heat requirement and, for example, whether or not a heat pump is used to discharge heat from the battery. It is also possible to use a heat cellar, that is, a part of a full-height basement or a raised floor area of the entire house. The heat accumulator or heat cellar can be implemented, for example, in a swimming pool bag made of PVC. The bag may be made with a second bag inside the outer bag. This leaves a closed space inside the bags. For connection, fill-up and maintenance, the bags are provided with a through flange. through the flange the gap can be filled with insulation such as EPS granules or light gravel. In addition, the closed space can be pressurized with a poorly conductive gas such as argon. Vacuum can also be sucked into the enclosed intermediate space for improved thermal insulation. For vacuum, the space must be filled with material that does not collapse so that the material would begin to conduct heat despite the vacuum.
Kun käytetään lämpöpumppua, voi varaajassa olevan nesteen lämpötila olla matalampi, esimerkiksi 15-25°C. Tällöin lämpöhäviöt pienenevät ja eristettä tarvitaan vähemmän. Jos lämpöpumppua ei käytetä, täytyy nesteen lämpötilan olla noin 25-35°C, jotta sillä voidaan pitää talo lämpimänä. Tämä lisää lämpöhäviöitä ja eristyksen tarvetta.When using a heat pump, the temperature of the fluid in the accumulator may be lower, for example 15-25 ° C. This reduces heat loss and requires less insulation. If the heat pump is not in use, the temperature of the liquid must be about 25-35 ° C in order to keep the house warm. This increases heat loss and the need for insulation.
Eräässä keksinnön sovelluksessa järjestelmään kuuluu aurinkokerääjän nestekiertoon yhdistetty rakennuksen ilmanvaihdon tuloilman esilämmitin. Näin vallitsevien lämpötilojen mukaan sopivasti nestekiertoja ohjaamalla voidaan rakennukseen otettavaa raitista tuloilmaa esi-lämmittää vaihtoehtoisesti suoraan aurinkokerääjästä tulevalla lämpövirtauksella, lämmönvaraajasta otettavalla lämpövirtauksella tai maaperästä saatavalla geotermisellä lämmöllä. Vastaavasti samalla järjestelyllä voidaan kesäaikaan maaperässä tapahtuvalla nestekier-rolla jäähdyttää tuloilmaa.In one embodiment of the invention, the system comprises a building air supply pre-heater connected to the solar circuit fluid circuit. Alternatively, by controlling the fluid circulation accordingly to the prevailing temperatures, fresh supply air to the building may be preheated by heat from the solar collector, heat from the heat sink, or geothermal from the soil. Correspondingly, the same arrangement can be used to cool the supply air by a liquid circulation in the soil during summer.
Eräässä keksinnön sovelluksessa järjestelmään kuuluu sopivalle osalle lämmönvaraajan korkeutta ulottuva rakennuksen lämmönjakolaitteistoon, kuten patteriverkostoon tai lattialämmitykseen, yhteydessä oleva lämmön- vaihdin. Näin lämmönvaraajasta saadaan lämpimän käyttöveden lisäksi optimaalisella tavalla rakennuksen sisätilojen lämmitysenergia. Tämä lämmönvaihdin voidaan sijoittaa lämmönvaraajaan vain tietylle sopivalle korkeudelle niin, että lämmönjakolaitteistossa kiertävä vesi on sopivan lämpöistä. On jopa mahdollista, että tämä lämmönvaihdin on kaksiosainen tai useampiosainen niin, että veden lämmitys tapahtuu kierrättämällä vettä vain osalla lämmönvaihdinta, kuten esimerkiksi yläosassa, keskiosassa tai alaosassa riippuen lämmönva-raajan nesteen lämpötilasta lämmönvaihtimen eri osien kohdalla.In one embodiment of the invention, the system includes a heat exchanger associated with a suitable portion of the height of the heat reservoir in connection with a heat distribution facility in the building, such as a radiator network or underfloor heating. In this way, in addition to hot water, the heat sink provides optimum heating energy for the interior of the building. This heat exchanger can only be placed in a heat reservoir at a certain suitable height so that the water circulating in the heat distribution equipment is suitably heated. It is even possible for this heat exchanger to have two or more parts so that the water is heated by circulating water only with a part of the heat exchanger, such as at the top, middle or bottom depending on the temperature of the heat exchanger fluid at different parts of the heat exchanger.
Periaatteessa keksinnön mukaiseen järjestelmään voidaan yhdistää kaikenlaisia aurinkokerääjiä, joilla lämmönvaraajan nesteeseen saadaan siirretyksi auringon lämpöä. Jotta järjestelmästä saataisiin ympäri vuoden mahdollisimman suuri hyöty, on aurinkokerääjän valinnalla suuri merkitys. Optimaaliseen lopputulokseen ei välttämättä päästä vain yhdentyyppisillä kerääjillä tai vain yhdessä kulmassa kiinteästi maanpintaan nähden tai vain yhteen suuntaan kiinteästi asennetuilla kerääjillä. Täten edullisesti aurinkokerääjänä käytetään myös auringon säteilyä keskittävää tyhjöputkike-rääjä, joka on varustettu kääntyvällä paraboloidihei-jastimella, jonka polttopisteeseen tyhjöputki on sijoitettu. Näin talvella jopa kovilla pakkasilla auringon paistaessa saadaan lämpöä talteen järjestelmään ja toisaalta kesäinen ylilämpö voidaan ehkäistä kääntämällä heijastin pois auringosta varjostamaan absor-baattorina toimivaa tyhjöputkea.In principle, all types of solar collectors can be combined with the system of the invention to transfer solar heat to the heat storage fluid. To maximize the benefits of the system throughout the year, choosing a solar collector is of great importance. The optimum result may not be achieved with only one type of collector or with only one angle fixed to the ground or only with one-way fixed collectors. Thus, preferably, a solar tube concentrating solar radiation is provided as a solar collector and is provided with a rotatable paraboloid reflector with a focal point positioned within the vacuum tube. In this way, even in harsh winter, the sun shines in the system, and on the other hand, the summer overheating can be prevented by turning the reflector away from the sun to shield the vacuum tube, which acts as an absorber.
Aurinkokerääjinä voidaan esimerkiksi käyttää horisontaalisesti pyöriviä aurinkolämpökerääjiä, joissa CPC-heijastimet on kallistettu niin, että vaikka keräin onkin lumikuormien minimoimiseksi aivan pystyssä, ovat heijastimet kallistettuja 27 asteen kulmaan. Heijasti- mien avautumiskulma voi olla 55 astetta, mikä vastaa suurinta Suomessa esiintyvää auringon korkeuskulmaa. Edelleen heijastimet voivat olla ulkopäistään alempana kuin keskeltä kerääjää, joten lumi ja vesi valuvat pois heijastimen muodostamasta kourusta.For example, solar collectors can be horizontally rotating solar heat collectors with CPC reflectors inclined so that even though the collector is upright to minimize snow loads, the reflectors are inclined at 27 degrees. The reflection angle of the reflectors can be 55 degrees, which corresponds to the maximum height of the sun in Finland. Further, the reflectors may be lower at their outer ends than in the center of the collector, so that snow and water drain out of the trough formed by the reflector.
Tilanteissa, joissa lämmönvaraajan yläosan lämpötila ei ole riittävän korkea lämpimän käyttöveden lämmittämiseen riittävän korkeaan lämpötilaan, voidaan käyttää sähköllä toimivaa virtauslämmitintä. Se kytketään sarjaan käyttövesikierukan kanssa virtaussuunnassa sen jälkeen niin, että jos vesi ei ole lämmönvaraajan jälkeen riittävän lämmintä, kytkeytyy virtauslämmitin automaattisesti päälle ja nostaa veden lämpötilan sopivaksi, esim. noin 55°C. Useimmiten kuitenkin vuoden ympäri lämmönvaraajan lämpötila on suurempi kuin lämpimän käyttöveden suurin sallittu lämpötila. Tämän vuoksi lämminvesikierron yhteyteen on syytä kuulua se-koitusventtiili kylmän veden lisäämiseksi kiertoon ennen veden käyttöä.In situations where the temperature of the top of the heater is not high enough to heat the domestic hot water to a high enough temperature, an electric flow heater may be used. It is connected in series with the hot water coil downstream, so that if the water is not warm enough after the heat accumulator, the flow heater will automatically switch on and raise the water temperature to a suitable level, for example about 55 ° C. In most cases, however, throughout the year the temperature of the heat accumulator is higher than the maximum allowable temperature for hot water. Therefore, a hot water circulation should include a mixing valve for adding cold water to the circulation before using the water.
Kuten edellä olevasta esityksestä huomataan, keksinnön mukaista järjestelmää voidaan käyttää monella eri tavalla ja ohjata energiavirtoja aina sopivasti tarpeen ja saatavuuden mukaan. Olennaista keksinnössä on korkea lämmönvaraaja, johon saadaan korkeuden ansiosta merkittävä lämpötilaero sen yläosan ja alaosan välille ja johon lämpö tuodaan ylhäältä alaspäin tapahtuvilla lämpövirtauksilla ja lämpö otetaan alhaalta ylöspäin tapahtuvilla nestevirtauksilla. Edelleen keksinnölle on olennaista, että järjestelmässä ja siihen liittyvissä kohteissa vallitsevia ja muuttuvia lämpötiloja jatkuvasti seuraamalla voidaan aina optimaalisesti siirtää ja ottaa talteen lämpöenergiaa. Edelleen järjestelmälle on olennaista, että lämpöä pyritään siirtämään aina energiataloudellisesti korkeammasta lämpötilasta matalampaan lämpötilaan eli luonnollisen ener- giansiirtymisen välityksellä. Tämä ei kuitenkaan estä käyttämästä järjestelmässä lisänä sähköllä toimivia lämpöpumppuja silloin kun se energiataloudellisesti on j ärkevää.As will be appreciated from the foregoing description, the system of the invention can be used in many different ways and always controlled for energy flows according to need and availability. Essential to the invention is a high heat accumulator which, due to its height, provides a significant temperature difference between its top and bottom, and in which heat is supplied by top-down heat flows and heat is taken by bottom-up liquid flows. Further, it is essential to the invention that, by continuously monitoring the system and associated temperatures, it is always possible to optimally transfer and recover thermal energy. Further, it is essential for the system that heat is always transferred from a higher temperature to a lower temperature, that is, through natural energy transfer. However, this does not preclude the use of electrically driven heat pumps in the system when energy efficient.
Keksinnön mukainen rakenne soveltuu erityisesti monikerroksisiin taloihin kuten varsinaisiin kerrostaloihin ja myös esimerkiksi kellarilla varustettuihin kaksikerroksisiin pientaloihin, joissa rakennuksen koko-naiskorkeudeksi tulee jo lähes 10 metriä. Näin korkea ja kapea lämpöä varaava säiliö saadaan toimimaan optimaalisesti .The structure according to the invention is particularly suitable for multi-storey houses such as apartment blocks as well as for example two-storey detached houses with basements where the total height of the building is already almost 10 meters. This high and narrow heat reservoir can be optimized to operate.
Keksinnön mukaisella rakennuksen aurinkolämmitysjär-jestelmällä saavutetaan merkittäviä etuja tunnettuun tekniikkaan verrattuna. Perinteisillä aurinkolämpöjär-jestelmillä saadaan noin puolet lämpimän käyttöveden ja 10-20% koko rakennuksen tarvitsemasta vuotuisesta lämpöenergiasta. Keksinnön mukaisessa järjestelmässä mittaamalla ja vertaamalla eri kohteiden lämpötiloja, optimoimalla oikein saatavat lämpövirtaukset ja käyttämällä mahdollisimman vähän ulkopuolista energiaa vaativia tekniikoita eli käyttämällä pääasiassa vain tarvittavat virtaukset toteuttavia pumppuja, saadaan suoritettujen laskelmien perusteella 40-60% kaikesta rakennuksen tarvitsemasta lämpöenergiasta.The solar heating system of the building according to the invention provides significant advantages over the prior art. Conventional solar heating systems provide about half of the annual hot energy required for hot water and 10-20% of the total heat required by the building. In the system according to the invention, by measuring and comparing the temperatures of different sites, optimizing the heat fluxes properly, and using techniques that require little external energy, i.e. using pumps that mainly use only the necessary fluxes, 40-60% of the total thermal energy required in the building.
Lisäksi järjestelmän yksinkertaisesta rakenteesta johtuen, jossa on vain pumppuja ja stabiileja putkistoja ja lämmönvaihtimia, sen investointikustannukset samoin kuin käyttö- ja ylläpitokustannukset ovat erittäin pieniä perinteisiin ratkaisuihin verrattuna. Yhden edullisimmista kohderyhmistä keksinnön mukaiselle järjestelmälle muodostavat vanhat painovoimaisella tai poistoilmanvaihdolla varustetut kerrostalot, joissa kustannustehokkain ratkaisu on käyttää lisänä myös poistoilmalämpöpumppua.In addition, due to the simple design of the system, with only pumps and stable piping and heat exchangers, its investment costs, as well as operating and maintenance costs, are very low compared to conventional solutions. One of the most advantageous target groups for the system according to the invention is the old blocks of flats with gravity or exhaust ventilation, where the most cost-effective solution is to also use an exhaust heat pump.
KUVALUETTELOLIST OF FIGURES
Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 on kaaviokuva eräästä keksinnön mukaisesta au-rinkolämmitysjärjestelmästä ja kuva 2 on kaaviokuva toisesta keksinnön mukaisesta au-rinkolämmitysj ärj estelmästä.The invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings, in which Fig. 1 is a schematic diagram of an auxiliary heating system according to the invention and Fig. 2 is a diagrammatic view of another auxiliary heating system according to the invention.
KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUSDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Kuvan 1 mukaiseen rakennuksen aurinkolämmitysjärjes-telmään kuuluu esimerkiksi kerrostalossa rakennuksen portaikon koko tai ainakin lähes koko korkeudelle ulottuva lämmönvaraaja 2 eli putkimainen säiliö. Järjestelmässä on myös aurinkokerääjä 1, joka sopivimmin on keskittävä tyhjöputkikerääjä, josta kuumentunut nestekierto 11 ohjataan lämmönvaraajan 2 yläosaan 4. Lämmönvaraajan 2 alaosasta 5 lähtee jäähtynyt paluu-kierto 12, joka pumpun 21 välityksellä ohjataan takaisin aurinkokerääjään 1.For example, in a block of flats, the building's solar heating system according to Figure 1 comprises a heat store 2, or a tubular tank, which extends the staircase size of the building or at least almost the entire height. The system also has a solar collector 1, preferably a centralized vacuum tube collector, from which the heated fluid circulation 11 is directed to the upper part 4 of the heat accumulator 2. The cooled return cycle 12 is output from the lower part 5 of the heat accumulator 2.
Lisäksi lämmönvaraajassa 2 on yleensä kuparikierukasta muodostuva lämmönvaihdin 3, joka voi ulottua olennaisesti sen koko korkeudelle. Yleensä kuitenkin lämmönvaihdin on vain osassa lämmönvaraajaa, esimerkiksi sen yläosassa eli kuumimmassa osassa. Kuvassa 1 lämmönvaihdin on esitetty vain yhtenä suorana putkena. Läm-mönvaihtimessa 3 tapahtuva veden virtaus on vastakkaissuuntainen lämmönvaraajassa tapahtuvaan laskevaan virtaukseen verrattuna. Näin käyttöveden syötöstä 13 vesi virtaa lämmönvaraajan alaosan 5 kautta lämmönvaihtimen 3 läpi lämmönvaraaj an 2 yläosaan 4 ja edelleen sekoitusventtiiliin 14. Sekoitusventtiiliin otetaan tarvittaessa kylmää vettä kylmän veden syötöstä 15 niin, että kuuman veden syötön 16 maksimilämpötila pidetään turvallisissa rajoissa.In addition, the heat accumulator 2 generally has a heat exchanger 3 formed of a copper coil, which can extend substantially throughout its height. Usually, however, the heat exchanger is located only in a portion of the heat sink, for example at the top, i.e. the hottest part. In Figure 1, the heat exchanger is shown as only one straight pipe. The flow of water in the heat exchanger 3 is opposite to the downward flow in the heat reservoir. Thus, from the hot water supply 13, water flows through the lower part 5 of the heat accumulator through the heat exchanger 3 to the upper part 4 of the heat accumulator 2 and further to the mixing valve 14. Cold water is drawn into the mixing valve if necessary.
Edelleen lämmönvaraajassa 2 on toinen virtaussuunnassa alhaalta ylöspäin ulottuva lämmönvaihdin 9, joka on yhdistetty rakennuksen lämmityksen patterikiertoon tai lattialämmityskiertoon. Lämmönvaihdin 9 eli kierukka on sijoitettu lämmönvaraajaan vain tietylle korkeudelle ulottumaan esimerkiksi 1-2 metrin matkalle korkeus-suunnassa. Korkeus valitaan siten, että patterikiertoon saadaan kaikissa olosuhteissa riittävän lämmintä mutta ei liian kuumaa kiertovettä.Further, the heat accumulator 2 has a second, bottom-up heat exchanger 9, which is connected to the radiator or underfloor heating circuit of the building. The heat exchanger 9, i.e. the coil, is placed in the heat reservoir only at a certain height to reach, for example, 1-2 meters in the height direction. The height is chosen to provide enough hot but not too hot circulation water in all circumstances.
Esitetyssä sovelluksessa kierukassa on lisäksi väliot-to 30. Näin siis patteriverkoston paluuputki 17 on kytketty lämmönvaihtimen 9 alaosaan ja lähtöputki 18 sen yläosaan. Sinänsä tunnetusti sopivilla valinta-venttiileillä (ei esitetty kuvassa) joko paluuputken 17 virtaus tai lähtöputken 18 virtaus voidaan kytkeä väliottoon 30. Näin lämmönvaraajan lämpötiloista eri korkeuksilla riippuen patterikiertoon saadaan suhteellisen tasalämpöistä vettä joko koko kierukan matkalta, vain sen alaosasta tai vain sen yläosasta.In the embodiment shown, the coil also has a tap-off 30. Thus, the return pipe 17 of the radiator network is connected to the lower part of the heat exchanger 9 and the outlet pipe 18 to the upper part thereof. Appropriate selection valves (not shown), known per se, can switch either return flow 17 or outlet 18 flow to tap 30. Thus, depending on the temperature of the heater at different altitudes, relatively uniform heat is circulated throughout the coil, at the bottom or only at the top.
Aurinkokerääjästä 1 tulevaan kuumentuneeseen neste-kiertoon 11 on myös kytketty paisuntasäiliö 19 ja va-roventtiili 20, koska tehokkailla keskittävillä aurin-kokerääjillä lämpötilat ja paineet voivat nousta vaarallisen korkeiksi. Tässä sovelluksessa järjestelmään kuuluu myös rakennuksen poistoilman lämmöntalteenottolaite 6. Se on kytketty rinnan aurinkokerääjän 1 kanssa niin, että pumpun 21 pumppaama paluukierron 12 nestevirta ohjataan kolmitieventtiilistä 22 siihen, mistä lämpöä nes-tevirtaan on enemmän saatavissa. Nestekierto 12-11 kulkee siis lämmöntalteenottolaitteen 6 kautta, jossa vastavirtaan liikkuu rakennuksesta poistettava pois-toilma 23-24. Edullisena sovelluksena lämmöntalteenot- tolaitteena 6 käytetään lämpöpumppua, joka siis käyttää ulkopuolista energiaa, mutta jolla saadaan pois-toilmasta tehokkaasti lämpöenergia talteen.An expansion tank 19 and a safety valve 20 are also coupled to the heated fluid circuit 11 from the solar collector 1, because with efficient concentrating solar collectors, temperatures and pressures can be dangerously high. In this embodiment, the system also includes a building exhaust air heat recovery device 6. It is coupled in parallel with the solar collector 1 so that the liquid stream pumped by the pump 21 from the return cycle 12 is controlled from the three-way valve 22 to provide more heat to the liquid stream. Liquid circulation 12-11 thus passes through a heat recovery device 6 in which the exhaust air 23-24 to be removed from the building moves upstream. In a preferred embodiment, the heat recovery device 6 is a heat pump, which uses external energy but which effectively recovers heat energy from the exhaust air.
Kuvan 1 mukaisessa järjestelmässä energian käytön ja järjestelmän toiminnan optimointi tehdään useiden eri mittausten perusteella. Järjestelmässä vertaillaan ja optimoidaan sinänsä tunnetusti tuotettuja ja kulutettuja lämpömääriä ja ohjataan lämpöä kulloisessakin lämmön tuoton ja kulutuksen tilanteessa sinne, missä siitä on eniten hyötyä. Mittauskohtina voivat olla esimerkiksi:In the system of Figure 1, the optimization of energy use and system operation is based on several measurements. The system compares and optimizes the amount of heat produced and consumed as is known per se and directs the heat to where it is most useful in any given situation of heat generation and consumption. Examples of measurement points include:
Tl aurinkokerääjästä 1 tuleva neste, T2 lämmöntalteenottolaitteesta 6 tuleva neste, T3 lämmönvaraajasta tuleva neste.T1 fluid from solar collector 1, T2 fluid from heat recovery unit 6, T3 fluid from heat reservoir.
Kuvassa 2 on esitetty keksinnön toinen sovellus, jossa on kuvaa 1 vastaava pystysuuntainen, korkea ja putkimainen lämmönvaraaja 2, joka on täynnä samaa lämmön-siirtonestettä, joka kiertää aurinkokerääjän 1 kautta. Lämmönvaraajassa 2 on lämmönvaihdin 3, joka on yhteydessä käyttöveden syöttöön 13 rakennuksen kylmän 15 ja lämpimän 16 käyttöveden järjestämiseksi sekoitusvent-tiilin 14. Tässä sovelluksessa käyttövesikiertoon on lisäksi liitetty sähkötoiminen lisälämmitin 10, joka on järjestetty automaattisesti lisälämmittämään sähköllä vettä silloin, kun lämmönvaraajan 2 lämpötila ei ole riittävä. Aurinkokerääjä 1 on nestekierrolla 11 yhteydessä lämmönvaraajan yläosaan 4 ja vastaavasti paluukierto 12 lähtee lämmönvaraajan 2 alaosasta 5 pumpun 21 kautta takaisin aurinkokerääjälle 2. Neste-kierrossa 11 on kuvan 1 tapaan paisuntasäiliö 19 ja varoventtiili 20. Lämmönvaihdin 3 on kaksiosainen eli siihen kuuluu lämmönvaraaj an 2 yläosassa ylälämmönvaihdin 31 ja alaosassa alalämmönvaihdin 32 sekä niitä yhdistävä yhdys- putki 33. Molemmat lämmönvaihtimet 31 ja 32 ovat esimerkiksi kuparikierukoita, joiden korkeudet ovat esimerkiksi noin 5-10% lämmönvaraajan korkeudesta, esimerkiksi 0,5 - 1 m. Kun kylmä vesi syötetään alaläm-mönvaihtimeen 32, jäähdyttää se tehokkaasti aurinkoke-rääjään menevän nesteen ja näin aurinkokerääjästä saadaan tehokkaasti lämpöä talteen. Ylälämmönvaihtimessa 31 taas jo vähän lämmennyt vesi lämpiää vähintään kuuman käyttöveden lämpötilaan ennen sekoitusventtiilillä 16 tapahtuvaa lopullista käyttöveden lämpötilan säätöä. Yhdysputkella vain yhdistetään nämä kaksi lämmön-vaihdinta 31 ja 32 toisiinsa, koska säiliön koko korkeudella ei tarvita lämmönvaihdinta. Yhdysputki voi kulkea säiliön sisällä tai yhtä hyvin ulkopuolella. Näin lämmönvaihtimista 31 ja 32 saadaan pienikokoiset ja erilliset ja niiden huolto ja asennukset säiliön yläosassa ja alaosassa tapahtuvat helposti yhteen yhtenäiseen lämmönvaihtimeen verrattuna. Lisäksi käyttämällä vain tarvittavia osia lämmönvaraajan koko korkeudesta saadaan lämmönvaraajan nestevirtaukset pystysuunnassa rauhallisiksi ja pyörteettömiksi. Näin korkeassa lämmönvaraajassa lämmin nestemassa valuu tasaisesti ja hitaasti alaspäin samalla kun sen lämpötila laskee suhteellisen tasaisesti.Figure 2 illustrates another embodiment of the invention having a vertical, high and tubular heat accumulator 2 similar to Figure 1 filled with the same heat transfer fluid circulating through solar collector 1. The heat accumulator 2 has a heat exchanger 3 which communicates with the hot water supply 13 for supplying the cold 15 and hot 16 hot water of the building to the mixing valve 14. In this embodiment, an additional auxiliary heater 10 is automatically connected to the hot water circuit. sufficient. Solar collector 1 is fluidly connected 11 to heat reservoir upper part 4 and return cycle 12, respectively, from heat reservoir 2 lower part 5 via pump 21 back to solar collector 2. Liquid circuit 11 has an expansion tank 19 and a safety valve 20. The heat exchanger 3 has two parts the upper heat exchanger 31 and the lower heat exchanger 32 and the connecting pipe 33 connecting them. Both heat exchangers 31 and 32 are, for example, copper coils having a height of, for example, about 5-10% of the height of the heat reservoir, for example 0.5-1 m. 32, it effectively cools the liquid entering the solar collector and thus effectively recovering heat from the solar collector. In the upper heat exchanger 31, the already slightly warmed water warms up to at least the temperature of the hot water before final adjustment of the hot water temperature via the mixing valve 16. The connecting pipe only connects the two heat exchangers 31 and 32 to one another, since no heat exchanger is required at full height of the tank. The connecting tube may pass inside the container or equally well outside. In this way, the heat exchangers 31 and 32 are small and separate and their maintenance and installation at the top and bottom of the tank are easy compared to a single heat exchanger. In addition, by using only the necessary parts of the entire height of the heat reservoir, the fluid flows of the heat reservoir are vertically calm and turbulent. With such a high heat reservoir, the warm liquid mass flows down steadily and slowly while its temperature drops relatively steadily.
Edelleen kuvan 2 sovelluksessa järjestelmään kuuluu maan lämpöä hyväksi käyttävä lämmönvaihdin 8. Se voi olla maahan routarajan alapuolelle upotettu riittävän pitkä putki, vesistöön, kuten järven pohjaan sijoitettu putki tai maahan porattuun reikään asennettu vesi-kierto maan geotermisen energian käyttämiseksi. Lämmönvaihtimen 8 syöttö on kolmitieventtiilin 25 välityksellä paluukierrossa 12 pumpun 21 ja aurinkokerää-j än 1 välissä. Lämmönvaihtimen 8 paluuvirtaus on järjestetty kolmitieventtiiliin 26, joka sijaitsee aurin-kokerääjän 1 ja lämmönvaraajan 2 välissä nestekierros- sa 11. Näin silloin, kun aurinkokerääj ä 1 ei tuota lämpöä, voidaan pumpun 21 pumppaama neste ohjata kol-mitieventtiilillä 25 lämmönvaihtimeen 8 ja siirtää maalämpöä toisen venttiilin 26 kautta lämmönvaraajaan 2 .Further, in the embodiment of Figure 2, the system includes a heat exchanger 8 utilizing the heat of the earth. It may be a sufficiently long pipe submerged in the ground below the frost, a pipe inserted into a body of water such as a lake or drilled in a hole. The heat exchanger 8 is supplied via a three-way valve 25 in return cycle 12 between pump 21 and solar collector 1. The return flow of the heat exchanger 8 is arranged to a three-way valve 26 located between the solar collector 1 and the heat accumulator 2 in the fluid circuit 11. Thus, when the solar collector 1 does not produce heat, the fluid pumped by pump 21 can be controlled by the three-way valve 25 via valve 26 to heat accumulator 2.
Edelleen kuvan 2 järjestelmään kuuluu rakennuksen ulkoilman esilämmitin/jäähdytin 7. Ulkoilma 27 virtaa esilämmittimeen ja sen kautta esilämmitettynä 28 huonetiloihin. Esilämmitys toimii samalla aurinkokerääjää 1, lämmönvaraajaa 2 ja lämmönvahdinta 8 kiertävällä nestekierrolla seuraavasti. Kolmitieventtiilin 26 ja lämmönvaihtimen 8 välissä on väliotto 29, josta neste pääsee kiertämään esilämmittimelle 7. Neste poistuu ja yhdistyy paluukiertoon 12 lämmönvaraajan 2 ja pumpun 21 välissä. Mittaamalla eri kohdissa neste- ja kaasu-virtausten lämpötilat Tl - T5 voidaan kolmitieventtii-leitä 25 ja 26 ohjata optimaalisen energiansaannin saavuttamiseksi. Esimerkiksi aina kun ulkoilma on kylmempää kuin sopiva sisäilma, kannattaa sitä mahdollisuuksien mukaan lämmittää. Samoin pakkasella tuloilma kannattaa lämmittää niin lämpimäksi kuin sen maan lämmöllä lämmönvaihtimen 8 avulla saa, koska tämä energia on ilmaista.Further, the system of Figure 2 includes a building outdoor preheater / cooler 7. The outdoor air 27 flows to the preheater and through it preheated to the room 28. The preheating operates with the same fluid circulation through solar collector 1, heat accumulator 2 and heat exchanger 8 as follows. Between the three-way valve 26 and the heat exchanger 8 there is a tap 29 from which the liquid can circulate to the preheater 7. The fluid exits and connects to the return circuit 12 between the heat accumulator 2 and the pump 21. By measuring the liquid and gas flow temperatures T1 to T5 at different points, the three-way valves 25 and 26 can be controlled to achieve optimum energy supply. For example, whenever the outdoor air is colder than a suitable indoor air, it is advisable to heat it wherever possible. Similarly, in freezing temperatures, it is advisable to heat the supply air as warm as the heat of the earth can be obtained by means of the heat exchanger 8, since this energy is free.
Edelleen järjestelmää voidaan käyttää yhtä edullisesti ilman olennaista ulkopuolista energiaa liian lämpimän tuloilman jäähdyttämiseen kesäaikana. Tällöin sulkemalla kolmitieventtiili 26 kokonaan ja ohjaamalla kol-mitieventtiilistä 25 pumpun 21 nestevirtaus lämmönvaihtimeen 8 saadaan nestevirtaus jäähtymään maassa ja näin jäähdyttämään tuloilmaa lämmönvaihtimessa 7. Näin samalla kun kesällä sisäilmaa jäähdytetään varataan lämpöä maahan myöhemmin käytettäväksi. Samalla tavoin muu ylimääräinen lämpö voidaan kesäaikaan johtaa maahan ja varata maamassoihin myöhempää käyttöä varten.Further, the system can be used equally cheaply without the use of essential external energy to cool the excessively warm supply air during summer time. In this case, closing the three-way valve 26 completely and directing the liquid flow from the three-way valve 25 to the heat exchanger 8 of the pump 21 causes the liquid flow to cool in the ground and thereby cool the supply air in the heat exchanger 7. Similarly, other excess heat can be fed into the ground during the summer and reserved for land use for later use.
On huomattava, että keksinnön mukainen järjestelmä ei pyrikään kattamaan rakennuksen koko lämmitysener-giatarvetta ympäri vuoden, vaan sen tarkoituksena on hyödyntää eri vuodenaikoina saatavilla olevia ilmaisia energiavirtoja taloudellisesti parhaalla mahdollisella tavalla. Täten järjestelmä tarvitsee lisäenergiaa joka tapauksessa jossain vaiheessa vuotta. Tämä lisäenergia voidaan saada sinänsä tunnetusti eri tavoin kaukolämmöstä, aluelämmöstä, erilaisista saatavilla olevista hukkalämmöistä, palamisprosesseista kattiloissa ja tulisijoissa, maalämpöpumpulla, ilmalämpöpumpulla jne.It should be noted that the system according to the invention is not intended to cover the entire heating energy requirement of a building throughout the year, but is intended to make the best economic use of the free energy flows available at different times of the year. Thus, the system needs additional energy at some point during the year. This additional energy can be obtained in various ways from the district heating, district heating, various available waste heat, combustion processes in boilers and fireplaces, ground source heat pump, air heat pump, etc., as is known per se.
Keksinnön mukaiseen järjestelmään voidaan helposti yhdistää esimerkiksi tulisija, jonka ylimääräinen tai jopa kaikki lämpö otetaan talteen sopivilla savukaasu-kierroilla korkeaan lämmönvaraajaan. Sieltä lämpö voidaan sitten jakaa käyttökohteisiin samoin keinoin ja välinein kuin aurinkokerääjästäkin kerätty lämpö. Korkea ja hyvin lämpöeristetty säiliö, jonka tilavuus voi olla useita kuutiometrejä jo pientaloissakin, toimii kuumaksi lämmitettynä useita vuorokausia rakennuksen päälämmönlähteenä samalla kun maalämpöä ja auringon säteilyä hyödynnetään mahdollisuuksien mukaan.For example, a fireplace in which the excess or even all of the heat is recovered by suitable flue gas cycles in a high heat reservoir can easily be combined with the system of the invention. From there, the heat can then be distributed to applications by the same means and means as the heat collected from the solar collector. The tall, well-insulated tank, which can be up to several cubic meters in a small house, can serve as the main source of heat in a building heated for several days while utilizing geothermal and solar radiation wherever possible.
Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitettyjä esimerkkejä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.The invention is not limited to the above examples only, but many modifications are possible within the scope of the inventive idea defined by the claims.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20135522A FI124800B (en) | 2013-05-16 | 2013-05-16 | Solar heating system for a building |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20135522A FI124800B (en) | 2013-05-16 | 2013-05-16 | Solar heating system for a building |
| FI20135522 | 2013-05-16 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FI20135522L FI20135522L (en) | 2014-11-17 |
| FI124800B true FI124800B (en) | 2015-01-30 |
Family
ID=52012678
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FI20135522A FI124800B (en) | 2013-05-16 | 2013-05-16 | Solar heating system for a building |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FI (1) | FI124800B (en) |
-
2013
- 2013-05-16 FI FI20135522A patent/FI124800B/en active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FI20135522L (en) | 2014-11-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7234314B1 (en) | Geothermal heating and cooling system with solar heating | |
| US6615601B1 (en) | Sealed well direct expansion heating and cooling system | |
| US3965972A (en) | Heating and cooling system | |
| US7827814B2 (en) | Geothermal water heater | |
| KR101030458B1 (en) | New renewable energy total system with underground heat storage system | |
| CN104412047B (en) | Insulating glass solar collector and buildings using it for heating and cooling with solar energy | |
| US8851066B1 (en) | Thermal energy storage system | |
| US11549725B2 (en) | System for storing and retrieving thermal energy | |
| KR20150082439A (en) | Method for operating an arrangement for storing thermal energy | |
| US20110108018A1 (en) | Solar based energy conversion apparatus | |
| CA2919554C (en) | Temperature management system | |
| KR20100021948A (en) | Eco-friendly hot water supply and heating system using solar heat and waste water heat | |
| RU2636018C2 (en) | Heating and hot water supply system | |
| CN105937814B (en) | A kind of building passive cooling and solar water comprehensive utilization device | |
| Vinubhai et al. | A review: solar water heating systems | |
| FI124800B (en) | Solar heating system for a building | |
| JP2014081088A (en) | Heat exchanging apparatus | |
| CN102853471B (en) | Solar heating bath system accumulating heat in summer | |
| CN203704386U (en) | Heat storage type solar low-temperature heat supply system | |
| JP6241742B2 (en) | Freezing prevention system in indoor warm air circulation type hot water storage tank. | |
| KR100964885B1 (en) | Solar thermal storage tank | |
| CN110594837A (en) | Heat storage well heating system with two-stage heat storage | |
| CN210921545U (en) | Heat storage well heating system with two-stage heat storage | |
| FI66079C (en) | FOER FARING FOER UTNYTTJANDE AV JORDVAERME OCH SOLVAERME | |
| CN104930722A (en) | Secondary natural circulation solar water heater with floor-type water tank and hot water system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG | Patent granted |
Ref document number: 124800 Country of ref document: FI Kind code of ref document: B |