DK158646B - Fremgangsmaade til udnyttelse af varmebaerende medier i form af grund- eller overfladevand - Google Patents

Description

i DK 158646 B

Nærværende opfindelse vedrører en fremgangsmåde til udnyttelse 5 af den i varme årstider i overflade- og afløbsvand til rådighed stående varmeenergi i kolde årstider, ved hvilken fremgangsmåde overfladevandet i de varme årstider tages fra et vandløb, en sø eller havet henholdsvis fra afløbsvandet og returneres efter afgivelse af varmeenergien til et varmelager, 10 hvorefter den i varmelageret gennem det strømmende vand oplagrede varmeenergi efter behov kan tilføres en varmeforbruger.

En fremgangsmåde af den ovennævnte art er kendt fra den offentliggjorte internationale patentansøgning PCT/W079/00806.

15 Overfladevand, som opvarmes i løbet af sommeren, aftages og ledes gennem tildækkede rør til en jord-varmeveksler. Efter afgivelse af varme til jordmasserne omkring jord-varmeveksle-ren bliver vandet afledt gennem fritliggende rør og ført til en anden sø. Dette tjener især til en indledende opvarmning af 20 varmeveksleren. I løbet af den kolde årstid må der også foretages en tvangsmæssig cirkulation af det i denne tidsperiode kolde overfladevand, nemlig når forbrugere skal have tilført varme. Ved hjælp af en pumpe bliver det i jord-varmeveksleren opvarmede overfladevand ført til en forbruger. Forud for før-25 sien til varmeveksleren foretages en nødvendig temperaturforøgelse, så varmeleveringen kan udføres på et højere temperaturniveau til direkte udnyttelse af det varme vand i forbindelse med udleveringen, hvorfor fremgangsmåden alene er anvendelig ved særlige former for forbrugere, især fortove, gader, 30 fodboldbaner og lignende steder, der skal holdes frostsikrede.

Ved fremgangsmåder af denne art drager man nytte af, at ved naturlige varmekilder, som for eksempel jord, vand og luft, er temperaturen underkastet sæsonmæssige variationer i takt med 35 solindstrålingen. Varmebehovet til opvarmning med videre ligger normalt i modfase med disse naturlige varmemængder. Ved slige varmekilder udnytter man derfor den idé at oplagre den i

2 DK 158646 B

de varme årstider til rådighed stående varmeenergi og at anvende den, når behovet foreligger, det vil sige i de kolde årstider.

5 Ved anvendelse af varmepumper må man bemærke, at deres virkningsgrad i det væsentlige afhænger af varmekildens temperatur. Dette forhold er især fordelagtigt, når der er behov for et stort temperaturfald.

10 I løbet af sommerhalvåret er temperaturen af overfladevand betydeligt højere end grundvandets. I dette tidsrum er det derfor fordelagtigt at udnytte overfladevand direkte som varmekilde for varmepumper. I den resterende tid af året kan det store varmeindhold af sommerens overfladevand udnyttes til at 15 overføre varmeenergi til et forråd af grundvand.

Betydningen af udnyttelsen i stor målestok af naturlige varmekilder og især udnyttelsen af den i vand til rådighed stående varmeenergi skal forklares nærmere i det følgende under hen-20 visning til den efterfølgende fig. 1, der viser et diagram o-ver temperaturforløbet i forskellige medier i relation til tiden. Ved anvendelse af disse medier som varmekilde i varmepumper kan mediets temperatur ved konventionel varmepumpeteknik formindskes med en værdi på ca. 2-3°, hvilket vises gennem den 25 nederste horisontale linie i fig. 1. Den således indvindbare varmemængde er proportional med temperatursænkningen t i afhængighed af forskellen mellem udgangstemperaturen for mediet og værdien svarende til den nævnte nederste horisontale linie i fig. 1. Temperaturvariationerne i overfladevand fra søer og 30 vandløb følger med en ubetydelig forsinkelse lufttemperaturens variationer. De i fig. 1 angivne værdier gælder for et bestemt område i Sydsverige, men temperaturforløbet gælder i hovedsagen også for andre områder. Variationerne medfører, at temperaturen gennem hele sommeren (ca. 4 mdr.) er højere end 35 +14°C og når op til +20°C, mens temperaturen i størstedelen af vinterhalvåret (ca. 4-5 mdr.) er under +3°C. For havvand i områder med grundt vand opnår man tilsvarende temperaturvaria 3

DK 158646 B

tioner. I forhold til temperaturen i vandløb forekommer variationerne dog med en vis forsinkelse, ligesom maksimum- og minimumværdierne ikke er lige så udprægede.

5 Denne træghed i tilpasningen til omgivelsernes temperatur hænger sammen med vandmassernes store varmekapacitet. I områder med større vanddybde eller hvor lagdeling forekommer som følge af forskelle i saltholdigheden, kan temperaturvariationerne i havvand afvige betydeligt fra det, der vises i de anførte kur-10 ver.

Som følge af, at en omtrent fuldstændig udjævning af de sæsonmæssige temperaturviationer normalt sker i det øverste jordlag, får grundvandet en konstant temperatur på ca. 8°C. Denne 15 temperatur svarer til årsmiddeltemperaturen ved jordoverfladen (jvf. kurverne). Grundvandet er således en stabil varmekilde for varmepumper.

Udover ovenfor beskrevne, naturlige varmekilder kan man også 20 udnytte afløbsvand som varmekilde. Afløbsvand har også sæsonmæssige temperaturvariationer, som ligger mellem +8°C og +18°C, jfr. fig. 1. Betydelige afvigelser kan forekomme som følge af tilførsel af industrielt spildevand eller smeltevand, indstrømmende grundvand eller drænvand m.m.

25

Det kan heraf udledes, at det er ønskeligt at anvende grundvand som varmekilde.

Det er derfor formålet med opfindelsen at videreudvikle den 30 omhandlede fremgangsmåde, så man kan anvende grundvand som varmekilde.

Dette formål opnås ved en fremgangsmåde, der ifølge opfindelsen er særegen ved, at'overflade- henholdsvis afløbsvandet som 35 et første varmevekslermedium føres til en varmeveksler, at vandet fra et grundvandsreservoir, der udgør varmelageret, som et andet varmevekslermedium i et lukket kredsløb i de varme 4

DK 158646 B

årstider føres gennem varmeveksleren for at overføre varme fra overflade- henholdsvis afløb svandet, og at det opvarmede grundvand i varmelageret efter behov bringes til at cirkulere gennem en som varmeforbruger tjenende varmepumpe til afgivelse 5 af den oplagrede varmeenergi.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen skal nu nærmere beskrives med henvisning til vedføjede tegning, hvor: 10 Fig. 1 viser temperaturvariationer for forskellige varmekilder i afhængighed af tiden, fig. 2 viser et principskema for et varmeforsyningsanlæg til udøvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen med 15 driftsforholdene i sommertiden, fig. 3 viser driftsforholdene, for det i fig. 2 viste varmeforsyningsanlæg ved vintertid, 20 fig. 4 viser skematisk et pulserende magasin til varmelag-ring igennem sommerhalvåret, og fig. 5 viser det samme magasin igennem vinterhalvåret.

25 I sommerhalvåret er temperaturen på overfladevand betydeligt højere end grundvandtemperaturen. I denne periode er det derfor fordelagtigere at udnytte overfladevandet som varmekilde for varmepumper. I den resterende del af året kan man også udnytte overfladevandets store varmeindhold igennem sommeren ved 30 varmeoplagring i et grundvandsreservoir. Dette kan som vist på fig. 2 udføres på den måde, at varmt vand tilføres igennem sommeren til opvarmning af et reservoir. Samtidigt udtager man en tilsvarende mængde nedkølet vand, som kan bortledes til vandløb eller sø 1. Det varme vand kan herefter oplagres uden 35 nævneværdigt temperaturtab i et grundvandsreservoir 2. Igennem vinterhalvåret udtager man så det opvarmede vand fra reservoiret 2 og tilfører dette til en varmepumpe 3 i takt med var- 5

DK 158646 B

mebehovets variationer. Koldt vand tilledes samtidigt til reservoiret 2. På denne måde opretholder man kontinuertligt hydraulisk balance i reservoiret, ligesom den termiske balance vedligeholdes på årsbasis. Teknisk kan reservoiret 2 udformes 5 som et såkaldt pulserende reservoir, hvor det varme vand i den varme årstid tilføres i centralt placerede brønde 6, mens koldt vand samtidigt udtages i perifert anbragte brønde 7, jfr. fig. 4, som angiver funktionsprincippet for et såkaldt pulserende reservoir til varmelagring. I løbet af den kolde 10 årstid bliver det varme grundvand udtaget fra de centralt placerede brønde 6 og det kolde grundvand tilført gennem de perifert anbragte brønde 7.

Opvarmning af grundvandet kan ligesom kontakt med luftens ilt-15 indhold medføre kemiske reaktioner, som kan føre til udfældninger og risiko for tilstopning af brønde. I de her forekommende tilfælde er temperaturvariationerne så små, at disse ikke anses at udgøre noget problem. For at undgå ilttilførsel til grundvandet kan det derimod være rimeligt at cirkulere 20 dette i et lukket system. Varmeoverføringen fra overfladevand må da ske i varmevekslere 4, som medfører et temperaturtab på 2-3°C. Igennem de fire varmeste sommermåneder varierer overfladevandets temperatur normalt mellem +14°C og ca. +20°C, jfr. fig. 1. Middeltemperaturen når op på ca. +17°C. Ved var-25 meveksling kan grundvandet derfor opnå en middeltemperatur på +14 eller til +15°C. Ved varmetab igennem oplagringsperioden skønnes temperaturen at falde yderligere til +12 - +13°C. Den disponible temperatursænkning over varmepumpen 3 bliver da godt og vel +10°C igennem hele året.

30

For fra en varmekilde 1 at kunne udtage en vis ønsket effekt ved hjælp af en varmepumpe 3 kræves med en bestemt temperatursænkning af varmekilden tilførsel af en mediestrøm med en bestemt størrelse. Ved udnyttelse af en varmekilde med relativ 35 høj temperatur opnås fordelagtige driftsforudsætninger. Varmekilden kan herunder anvendes på den måde, at temperaturen sænkes maksimalt (ca. 10-12°C) til et niveau umiddelbart over

6 DK 158646 B

frysepunktet. Hermed begrænses strømmen gennem anlægget, hvilket medfører reducerede dimensioner på varmepumpens fordampere, strømningsledninger, udtagsanordninger etc. Alternativt kan man sænke temperaturen i varmekilden i begrænset omfang 5 (ca. 3-5°C), således at der opnås en relativ høj udgangstemperatur. Hermed reduceres varmepumpens såkaldte temperaturløft-ning, og der opnås en højere varmefaktor.

For at tilvejebringe en naturlig varmekilde, som holder så-10 kaldt sommertemperaturer året rundt, er der etableret en indretning omfattende et varmelager 5 i grundvandsreservoiret 2 og en varmeveksler 4 med tilhørende overføringsledninger, indtags- og udtagsanordninger etc.

15 Det er påregnet at drive anlægget på en sådan måde, at varmt Overfladevand eller havvand udtages fra vandløb, sø eller hav 1 igennem sommeren. Dette vand tilføres varmeveksleren 4, hvor varmen overføres til grundvandet, som bringes til at cirkulere i et lukket kredsløb, hvorved varmelageret 5 oplades (fyldes).

20 I den resterende del af året udtages det opvarmede grundvand fra varmelageret 5 i takt med varmebehovets variationer. Grundvandet bringes da til at cirkulere gennem et varmepumpeanlæg 3, hvor den opmagasinerede varme afgives. Herved tømmes 25 varmelageret 5 i grundvandsreservoiret 2. Fig. 2 og 3 samt fig. 4 og 5 over et pulserende reservoir eller magasin angiver fremgangsmåden ifølge opfindelsen.

Claims (1)

1. DK 158646 B Fremgangsmåde til udnyttelse af den i varme årstider i over-5 flade- og afløbsvand til rådighed stående varmeenergi i kolde årstider, ved hvilken fremgangsmåde overfladevandet (1) i de varme årstider tages fra et vandløb, en sø eller havet henholdsvis fra afløbsvandet og returneres efter afgivelse af varmeenergien til et varmelager (5), hvorefter den i varmela-10 geret (5) gennem det strømmende vand oplagrede varmeenergi efter behov kan tilføres en varmeforbruger, kendetegnet ved, at overflade- henholdsvis afløbsvandet som et første varmevekslermedium føres til en varmeveksler (4), at vandet fra et grundvandsreservoir (2), der udgør varmelageret 15 (5), som et andet varmevekslermedium i et lukket kredsløb i de varme årstider føres gennem varmeveksleren (4) for at overføre varme fra overflade- henholdsvis afløbsvandet, og at det opvarmede grundvand i varmelageret (5) efter behov bringes til at cirkulere gennem en som varmeforbruger tjenende varmepumpe 20 (3) til afgivelse af den oplagrede varmeenergi.