Устройство и способ рекуперации тепла из окружающей среды
Изобретение относится к строительству, а именно к шпунтовым ограждениям для рекуперации тепла из окружающей среды, для использования в подземном и подводном строительстве. Предложено устройство для рекуперации тепла из окружающей среды для использования в гражданском и гидротехническом строительстве, в котором в шпунтовом ограждении, закрепленном в грунте и состоящем из элементов шпунтового ограждения, выполненных с возможностью соединения друг с другом, элементы шпунтового ограждения содержат по меньшей мере одно замкнутое полое пространство, выполненное в виде тепловой трубки. Тепловая трубка переносит тепловую энергию, отведенную от воды или грунта посредством элементов шпунтового ограждения, к тепловому насосу посредством теплообменника на одном конце тепловой трубки. Технический результат состоит в обеспечении эффективной рекуперации энергии из окружающей среды. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к устройству для рекуперации тепла из окружающей среды по отличительной части пункта 1 и способу по пункту 8.
Использование шпунтовых ограждений в гидротехническом строительстве и гражданском строительстве известно. Шпунтовые ограждения служат для защиты котлованов или гряд и могут в то же самое время выполнять изолирующую функцию, так чтобы изоляция от воды или загрязненного грунта была также возможна. В гидротехническом строительстве шпунтовые ограждения могут быть использованы, например, в качестве причальных стенок, швартовочных сооружений для судоходных путей и в укреплениях набережной.
Шпунтовое ограждение состоит из отдельных элементов шпунтового ограждения, вбитых в землю или вдавленных в нее под действием вибрации. Чаще всего элементы шпунтового ограждения выполнены из стали. Отдельные элементы шпунтового ограждения, составляющие шпунтовое ограждение, соединены друг с другом посредством взаимодействующих замков, так чтобы непрерывное шпунтовое ограждение могло быть образовано. При вбивании каждый элемент шпунтового ограждения направляется сбоку замком последнего вбитого элемента шпунтового ограждения и образует запрессованное и герметичное соединение с ним. Существуют различные элементы шпунтового ограждения, изготовленные различными производителями. Обычные элементы шпунтового ограждения доступны длиной в диапазоне от около 6 м до 30 м, например.
Шпунтовые ограждения также используются в гидротехническом строительстве в качестве постоянных конструктивных элементов для причальных стенок, шлюзовых стенок, каналов, дамб или портовых бассейнов, а также для защиты от наводнения.
Шпунтовые ограждения, образованные из элементов шпунтового ограждения различного профиля, известны из DE 2819737.
Использование шпунтовых ограждений предпочтительно, поскольку они могут быть изготовлены и установлены с малыми затратами и дополнительно не требуют обслуживания и долговечны.
Дополнительно известно отведение энергии, имеющейся в окружающей среде, используя тепловые насосы, и ее использование для нагрева или в качестве тепла для подготовки горячей воды.
Дополнительно тепловые трубки называют теплообменниками, которые обеспечивают высокую плотность теплового потока за счет использования теплоты парообразования среды. Теплообменным трубкам не требуется какая-либо дополнительная вспомогательная энергия, такая как циркуляционный насос, например, чтобы перемещать теплоноситель (рабочую текучую среду), так что работы по техническому обслуживанию и эксплуатационные расходы снижаются таким образом.
Теплообменные трубки называют тепловыми трубками или также двухфазными термосифонами.
В общем, тепловые трубки включают в себя герметизированное полое пространство, чаще всего в виде трубки. Полое пространство заполнено теплоносителем, который в меньшей степени заполняет объем полого пространства в жидком состоянии и в большей степени заполняет его в парообразном состоянии.
Область применения тепловой трубки ограничена областью между температурой плавления и температурой в критической точке используемой рабочей текучей среды. Предпочтительный теплоноситель должен быть выполнен с возможностью использования в диапазоне температур от -10ºС до +40ºС.
Задачей изобретения является обеспечение устройства и способа рекуперации регенеративного тепла из окружающей среды, в котором возможно достичь эффективной рекуперации энергии из окружающей среды за счет использования конструктивных элементов, которые требуются в любом случае.
Задача достигается признаками по п.1, а также по пп.8 и 11.
Изобретение предпочтительно обеспечивает устройство и способ рекуперации регенеративной тепловой энергии из окружающей среды посредством шпунтового ограждения со встроенными тепловыми трубками, которое может использоваться, например, в или непосредственно на водных объектах, таких как реки, озера или море. Теплообменник, расположенный на более теплом конце тепловых трубок, делает возможным перенос тепловой энергии, отведенной от воды или земли, к тепловому насосу посредством теплообменника.
Существенным преимуществом такой установки рекуперации тепла является то, что конструктивные элементы, которые требуются в любом случае, могут использоваться для отведения тепла от окружающей среды через их большую контактную поверхность. Поскольку прочность шпунтовых ограждений еще более повышается встраиванием тепловых трубок, механическое укрепление берегов, грунтов и сооружений для предотвращения загрязнения гидросферы, например, не только полностью обеспечивается, но даже отвечает более строгим конструктивным требованиям.
Рекуперацией тепла из воды становится возможным снижение температуры водных объектов, в результате чего повышения температуры вследствие введения отработавшей воды, например, могут быть компенсированы.
Также установками защиты от наводнения дополнительное преимущество может быть достигнуто в том, что конструктивные элементы обеспечивают рекуперацию энергии.
В предпочтительном варианте выполнения обеспечено то, что элемент шпунтового ограждения имеет две стенки и что тепловая трубка встроена в полое пространство, образованное в ней.
Тепловая трубка также может быть образована трубкой круглого или прямоугольного сечения, которая прикреплена или приварена к шпунтовому ограждению.
Предпочтительно тепловая трубка является тепловой трубкой с CO2. Тепловые трубки имеют превосходную способность к теплопереносу. CO2 является предпочтительным теплоносителем (рабочей текучей средой) вследствие его биологической безопасности.
Термодинамическая конструкция этих тепловых трубок такова, что два термодинамических процесса, то есть процесс испарения и процесс конденсации, могут возникать в замкнутой системе без циркуляционного насоса и без какой-либо вспомогательной энергии. Тепловые трубки выполняют только функцию конденсаторов и предназначены и оптимизированы для этой цели. Если они соединены с или прикреплены к шпунтовому ограждению в виде сборных элементов, сами по себе они не способствуют повышению механической прочности шпунтового ограждения.
Предпочтительно тепловые трубки расположены на участке шпунтового ограждения, расположенном в воде, но на стороне, отвернутой от воды. Таким образом, защищенная конструкция тепловых трубок может быть достигнута, в то же время по-прежнему обеспечивая перенос тепла к теплообменнику посредством элементов шпунтового ограждения.
Предпочтительно, две трети шпунтового ограждения находятся в почве, в то же время одна треть - в воде.
Тем не менее, вся поверхность шпунтового ограждения доступна для рекуперации тепла независимо от того, соприкасается ли она с водой или почвой.
Далее следует подробное описание вариантов выполнения изобретения со ссылкой на чертежи, где:
фиг.1 показывает шпунтовое ограждение, используемое в области гидротехнического строительства,
фиг.2-8 показывают различные профили шпунтового ограждения со встроенными тепловыми трубками в сечении.
Для использования тепла, накопленного в водном объекте 10, без использования опасной для воды среды, в то же время по-прежнему используя высокую эффективность технологии теплового насоса, тепловые трубки 8, встроенные в шпунтовое ограждение 2, размещены вблизи поверхности в открытых водных объектах 10 и/или вблизи нее в гидрологическом режиме.
Благодаря новому типу тепловых трубок 8, встроенных в шпунтовые ограждения 2, которые (трубки) установлены в открытых водоемах 10 и их прибрежных зонах в виде тепловых трубок с CO2 или тепловых трубок 8, заполненных технически эквивалентным теплоносителем, возможна даже установка шпунтовых ограждений 2 со встроенными тепловыми трубками 8, например, в реках и в море с меньшим объемом работ, технически простым способом и с низкими затратами.
Встроенные тепловые трубки 8 образованы стойкими к давлению металлическими конструкциями, имеющими размеры и изготовленными согласно заданным мощностям тепловой рекуперации и статическим требованиям. В этом смысле возможно множество различных конструкций, которые могут быть соединены друг с другом. Таким образом, возможно построить экономически и технически эффективные установки с нулевыми выбросами, которые работают без поломок и без нанесения ущерба окружающей среде даже при длительной работе.
Элементы 4 шпунтового ограждения для шпунтового ограждения 2 известны, например, как стальные шпунтовые ограждения Peiner (см. буклет по ассортименту продукции «Hoesch Stahlspundwande» 1/03 и «Peiner Stahlspundwande» 3/02 HSP Hoesch Spundwand und Profil, GmbH, Дортмунд). Эти буклеты компании предлагают прокатанные элементы 4 шпунтового ограждения в виде частей, выполненных с возможностью герметичного сцепления, в зависимости от варианта выполнения, которые могут быть соединены друг с другом посредством замков 42 шпунтового ограждения.
Эти элементы 4 шпунтового ограждения служат, помимо всего прочего, для поддержки гряд и защиты котлованов, дамб, плотин и портовых сооружений. Они должны быть способны воспринимать значительные горизонтальные усилия, которые приводят к соответствующему изгибающему напряжению шпунтовых ограждений 2 в направлении, вертикальном по отношению к протяженности элементов 4 шпунтового ограждения. Определяющим фактором для выбора размеров в общем является изгибающее напряжение, которое прикладывается боковым давлением почвы и/или воды и которое может быть воспринято элементом 4 шпунтового ограждения посредством момента сопротивления. В зависимости от воспринимаемой нагрузки эти элементы 4 шпунтового ограждения могут быть соединены с аналогичными элементами 4 шпунтового ограждения посредством соединительных замков 42, так что замкнутое шпунтовое ограждение 2 из отдельных элементов 4 шпунтового ограждения может быть построено с высоким моментом сопротивления, или они могут быть использованы для шпунтового ограждения 2 с различными элементами 4 шпунтового ограждения, где, например, U- или Z-образные элементы могут быть расположены в ряд, используя соединительный замок 42.
В зависимости от требуемого момента сопротивления элементов 4 шпунтового ограждения те же элементы обеспечиваются по существу в различных конструктивных высотах с различной толщиной стенки.
В предшествующем уровне техники существуют различные возможности увеличения момента сопротивления стандартного профиля в виде элемента 4 шпунтового ограждения, не выбирая экономически нецелесообразный профиль или без необходимости выбора полностью нового профиля с должным образом измененной геометрией (по существу в отношении высоты конструкции и толщины стенки). Для того чтобы исключить эти недостатки, предпринимается попытка оптимизации момента сопротивления согласно требованиям, в то же время сохраняя геометрию стандартного элемента 4 шпунтового ограждения.
Одной возможностью, известной и доказанной практически в течение длительного времени, является сварка стальной пластины с одной или обеих внешних сторон фланца элемента 4 шпунтового ограждения (см. выдержку из буклета по ассортименту продукции «Peiner Stahlspundwande» 3/02). Эти пластины предпочтительно расположены в области возникновения самого большого изгибающего момента. Сварка пластин трудоемка и влечет дополнительные затраты вследствие работы по восстановлению формы элемента 4 шпунтового ограждения, необходимой вследствие возникновения напряжений при сварке.
Элемент 4 шпунтового ограждения может быть использован со вторым промежуточным листом/пластиной, приваренной к нему на расстоянии от стенки, так чтобы средний момент сопротивления увеличился, в то же время размеры профиля существующего стандартного профиля сохраняются неизменными, и, кроме того, полое пространство 6, образованное таким образом, может быть использовано в качестве тепловой трубки 8, встроенной в шпунтовое ограждение 2.
Такая тепловая трубка 8, встроенная в шпунтовое ограждение 2, предпочтительна в том, что даже большим конструкциям шпунтового ограждения может быть экономично найдено новое, дополнительное применение, без необходимости выполнения существенных изменений спроектированных конструкций и статических требований к ним. Здесь дополнительно возможна рекуперация регенеративной энергии.
Встраиванием тепловых трубок 8 в шпунтовое ограждение 2 крепежная конструкция, которая необходима в любом случае, может быть одновременно использована для рекуперации тепла.
Фиг.1 изображает шпунтовое ограждение 2, состоящее из множества соединенных элементов 4 шпунтового ограждения, закрепленных в грунте или почве 1. Отдельные элементы 4 шпунтового ограждения соединены друг с другом посредством замка 42, причем элементы выполнены с возможностью образования непроницаемого шпунтового ограждения 2, изолирующего от воды 10.
Фиг.1 является лишь схематичным изображением. Обычно около 2/3 такого шпунтового ограждения 2 находятся в земле 1, и около 1/3 его длины находится в воде 10.
Предпочтительно элементы 4 шпунтового ограждения содержат тепловую трубку 8, теплопроводно соединенную с элементом 4 шпунтового ограждения. Тепловая трубка 8 может быть встроена в элемент 4 шпунтового ограждения в виде отдельного компонента или может быть образована в замкнутом полом пространстве 6 элемента 4 шпунтового ограждения.
Тепловая трубка 8 отводит тепловую энергию от воды 10 или земли 1 посредством элементов 4 шпунтового ограждения и выполняет это предпочтительно через всю поверхность элемента 4 шпунтового ограждения. Тепловая энергия, скопившаяся на более теплом конце 14 тепловой трубки 8, переносится к тепловому насосу 16 посредством теплообменника 12 и трубопровода 18.
Как изображено на фиг.2 и 3, элемент 4 шпунтового ограждения может иметь две стенки, чтобы образовать полое пространство 6, где тепловая трубка 8 образована в полом пространстве 6, и элемент 4 шпунтового ограждения образует ограничивающие стенки тепловой трубки 8. Полости 6 закрыты на их нижнем и их верхнем концах 14, так чтобы тепловая трубка 8 содержалась в герметично замкнутом полом пространстве 6.
Фиг.4 изображает другой альтернативный вариант выполнения, в котором элемент 4 шпунтового ограждения слева на чертеже по существу соответствует элементам 4 шпунтового ограждения на фиг.2 и 3, и средний элемент 4 шпунтового ограждения изображает встраивание двух тепловых трубок 8, образованных перекрыванием профиля шпунтового ограждения в двух местах.
Справа фиг.4 показывает традиционную тепловую трубку 8, соединенную с элементом 24 стенки посредством теплопроводных соединительных элементов 34.
Теплоноситель в тепловых трубках 8 предназначен для рабочего диапазона между около -10ºС и +40ºС и предпочтительно является CO2.
Фиг.5 показывает тепловые трубки 8 предпочтительно на стороне шпунтового ограждения 2, отвернутой от воды. Вариант выполнения, изображенный на фиг.5, показывает коробчатую сваю 38 с усиливающими элементами 40, соединенную с элементами 4 шпунтового ограждения, каждый из которых включает в себя тепловую трубку 8.
Такие коробчатые сваи 38 служат в качестве опор для шпунтового ограждения 2, например, если преобладают большие напоры воды.
Фиг.6 изображает вариант выполнения, в котором тепловые трубки 8 расположены с одной стороны другого типа профиля.
Фиг.7 изображает двойное шпунтовое ограждение 2, опирающееся на множество коробчатых свай 38. Здесь тепловые трубки 8 расположены на стороне шпунтового ограждения 2, отвернутой от воды 10.
Фиг.8 изображает шпунтовое ограждение 2, образованное элементами 4 шпунтового ограждения в виде коробчатых шпунтовых свай 40, соединенных друг с другом соединительными и фиксирующими элементами 42. Здесь в качестве примера тепловые трубки 8 расположены с одной стороны внутри профиля, который является I-образным в сечении.
1. Устройство для рекуперации тепла из окружающей среды для использования в гражданском и гидротехническом строительстве,
в котором
в шпунтовом ограждении, закрепленном в грунте и состоящем из элементов шпунтового ограждения, выполненных с возможностью соединения друг с другом, элементы шпунтового ограждения содержат по меньшей мере одно замкнутое полое пространство, выполненное в виде тепловой трубки, причем тепловая трубка переносит тепловую энергию, отведенную от воды или грунта посредством элементов шпунтового ограждения, к тепловому насосу посредством теплообменника на одном конце тепловой трубки.
2. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере одна вертикально продолжающаяся тепловая трубка расположена в двустенном элементе шпунтового ограждения.
3. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере одно вертикально продолжающееся полое пространство образовано профилем трубки, прикрепленной к элементу шпунтового ограждения и закрытой на концах.
4. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере одна тепловая трубка содержит теплоноситель, подходящий для температурного диапазона от -10ºС до +40ºС.
5. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере одна тепловая трубка является тепловой трубкой с COs.
6. Устройство по п.1, в котором элементы трубопроводной стенки имеют профили, которые содержат участки стенки, продолжающиеся параллельно друг другу в продольном направлении и смещенные под углом относительно друг друга, в котором, чтобы образовать тепловые трубки, полые пространства, закрытые на концах, образованы элементами стенки, продолжающимися параллельно упомянутым участкам стенки в их продольном направлении, причем упомянутые элементы стенки перекрывают по меньшей мере два участка стенки.
7. Устройство по п.1, в котором на участке шпунтового ограждения, расположенном в воде, тепловые трубки расположены на стороне, отвернутой от воды.
8. Способ рекуперации тепла из окружающей среды для использования в гражданском и гидротехническом строительстве,
в котором
шпунтовое ограждение содержит множество элементов шпунтового ограждения, выполненных с возможностью соединения друг с другом, введенных в землю, причем по меньшей мере одну тепловую трубку образуют в шпунтовом ограждении или теплопроводно прикрепляют к нему, причем тепловую энергию, отведенную тепловой трубкой от воды или земли посредством элементов шпунтового ограждения, переносят к тепловому насосу посредством теплообменника на одном конце тепловой трубки.
9. Способ по п.8, в котором вертикально продолжающиеся полые пространства образованы на элементах шпунтового ограждения, которые вмещают тепловые трубки или образуют тепловую трубку.
10. Способ по п.8, в котором тепловые трубки с CO2 используют в качестве тепловых трубок.
11. Применение элементов шпунтового ограждения, содержащего множество элементов шпунтового ограждения, выполненных с возможностью соединения друг с другом, предназначенных для использования в гражданском и гидротехническом строительстве для принятия по меньшей мере одной тепловой трубки и для рекуперации термального тепла от воды или земли через всю поверхность элементов шпунтового ограждения.
