Presentación de PowerPoint
advertisement
Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej (STES) dla technicznych ekspertów (architektów, inżynierów, przemysłu budowlanego etc.) Mr Miguel Ramirez Dr Shane Colclough Prof Neil J Hewitt 1 Plan prezentacji Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej (STES)? Dlaczego używamy STES? Historia STES Jak to działa? Magazyny ciepła (typy, systemy, urządzenia stratyfikacyjne) Szeregowe/ Równoległe tryby pracy Kalkulacje Gdzie najlepiej stosować? Ile to kosztuje? Pilotażowe instalacje EINSTEIN i studium przypadków 2 Plan prezentacji Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej (STES)? Dlaczego używamy STES? Historia STES Jak to działa? Magazyny ciepła (typy, systemy, urządzenia stratyfikacyjne) Szeregowe/ Równoległe tryby pracy Kalkulacje Gdzie najlepiej stosować? Ile to kosztuje? Pilotażowe instalacje EINSTEIN i studium przypadków 3 CO TO JEST STES? Magazynowanie zimna w okresie zimowym do użytku w lato Magazynowanie ciepła w okresie letnim do użytku w zimę 4 Plan prezentacji Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej (STES)? Dlaczego używamy STES? Historia STES Jak to działa? Magazyny ciepła (typy, systemy, urządzenia stratyfikacyjne) Szeregowe/ Równoległe tryby pracy Kalkulacje Gdzie najlepiej stosować? Ile to kosztuje? Pilotażowe instalacje EINSTEIN i studium przypadków 5 DLACZEGO STES? Wykorzystanie energii w budynkach stanowi 30-40% całkowitego zużycia energii w UE 60-70% z niej jest zużywana do ogrzewania budynków mieszkalnych Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynków występuje głównie w okresie zimowym Magazynowanie energii słonecznej w okresie letnim do użytku w zimie Kraje Europy Północnej mają temperaturę otoczenia na poziomie 5°C i promieniowanie słoneczne do 1000 kWh/rok m² (Sztokholm) źródło: SoDa-is.com 6 Plan prezentacji Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej (STES)? Dlaczego używamy STES? Historia STES Jak to działa? Magazyny ciepła (typy, systemy, urządzenia stratyfikacyjne) Szeregowe/ Równoległe tryby pracy Kalkulacje Gdzie najlepiej stosować? Ile to kosztuje? Pilotażowe instalacje EINSTEIN i studium przypadków 7 Starożytna Persja (400 p.n.e) Ceglana kopuła (Yakhchals) o wysokości 60 stóp z wiatrołapami, służąca do przechowywania lodu przy zewnętrznych temperaturach sięgających do 40 °C. Źródło: awesci.com HISTORIA STES –Magazynowanie zimna Rzymianie Zimne Domy W XVIII i XIX w. woda z rzek lub stawów wykorzystywana była do utrzymywania niskiej temperatury w domach w celu konserwowania żywności (Middleton, AngliaGlen River, Irlandia Płn.) Źródło: Griffiths & Colclough W I w.n.e. używali studni i śniegu, do zachowania odpowiedniej temperatury jedzenia i wina podczas gorących dni. 8 HISTORIA STES –Magazynowanie ciepła Niemcy po I WŚ Pierwsze studium wykonalności rozpoczęto w 1920 ze względu na ograniczone zasoby kraju. USA “Szklany” dom z 1933 i MIT dom z 1939 - obydwa wykonane ze szkła i materiałów o wysokiej pojemności cieplnej do magazynowania energii. Dania, Szwecja Kryzys naftowy w latach 70-tych zmusił rządy do poszukiwania alternatywnych rozwiązań. Wybudowane zostały systemy magazynowania ciepła na małą i dużą skalę połączone z systemami ciepłowniczymi. 9 Plan prezentacji Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej (STES)? Dlaczego używamy STES? Historia STES Jak to działa? Magazyny ciepła (typy, systemy, urządzenia stratyfikacyjne) Szeregowe/ Równoległe tryb pracy Kalkulacje Gdzie najlepiej stosować? Ile to kosztuje? Pilotażowe instalacje EINSTEIN i studium przypadków 10 JAK TO DZIAŁA? - ELEMENTY Źródło ciepła Magazyn Ciepła Energia słoneczna Biomasa Przemysłowe ciepło odpadowe… Duża pojemność cieplna Duża objętość Niskie straty cieplne System pomocniczy i dystrybucyjny Kocioł, pompa cieplna Sieć systemu ciepłowniczego 11 JAK TO DZIAŁA? - KONFIGURACJA Równoległa Pompa ciepła, kolektory słoneczne oraz STES pracują samodzielnie w celu zaspokojenia popytu na ciepło Szeregowa Kolektor słoneczny lub STES działają jako źródło dla pompy ciepła lub jako wsparcie dla innych źródeł Centralna instalacja ciepłownicza Źródło: Solites Sieć ciepłownicza Szeregowa/ równoległa Pompa ciepła lub dostarcza ciepło do zależnie lub niezależnie kolektor budynku, 12 JAK TO DZIAŁA? - KONFIGURACJA Równoległa Kolektory słoneczne są połączone bezpośrednio ze zbiornikiem STES i są ładowane energią cieplną podczas okresów wysokiego nasłonecznienia. STES dostarcza gorącą wodę do domowego systemu ciepłej wody użytkowej (DHW) i centralnego ogrzewania podczas okresu grzewczego (zima). Kiedy temperatura STES jest niższa niż potrzeba, pompa ciepła dostarcza niezbędne ciepło do DHW oraz do systemu centralnego ogrzewania. Ciepło z pompy ciepła jest dodatkowym źródłem i może pochodzić z powietrza, gruntu lub odzysku ciepła z odpadków. Kolektory słoneczne DHW STES Pompa ciepła ŁADOWANIE (powietrzna lub gruntowa) 13 JAK TO DZIAŁA? - KONFIGURACJA Szeregowa Kolektory słoneczne, zbiornik STES i pompa ciepła połączone są szeregowo. Ciepło jest magazynowane podczas okresów dużego nasłonecznienia. Kolektory mogą bezpośrednio służyć jako źródło dla pompy ciepła lub dla magazynu ciepła. Pompa ciepła musi być jednostką typu woda-woda i może zaspokajać zapotrzebowanie budynków. Temperatura zbiornika ciepła może być utrzymywana w niższym zakresie temperaturowym w zależności od trybu pracy źródła pompy ciepła. Trzymając niższą temperaturę zbiornika, redukuje się straty ciepła z STES. Pompa ciepła Kolektory słoneczne DHW STES ŁADOWANIE 14 JAK TO DZIAŁA? - KONFIGURACJA Szeregowo/Równoległa Zbiornik STES jest ładowany przez kolektory słoneczne i dostarcza ciepło do DHW i ogrzewania budynków. Gdy temperatura w zbiorniku STES jest poniżej wymaganego minimum, pompa ciepła zaczyna pracę. Pompa ciepła przekazuje resztę ciepła ze zbiornika do DHW i centralnego ogrzewania. We wszystkich trzech przypadkach pompa ciepła może działać podczas okresów niskich cen za elektryczność do grzania zbiornika DHW w opłacalny sposób. Ponadto, system pomocniczy (tj. kocioł gazowy) musi być używany do pokrycia zapotrzebowania cieplnego, które nie może być pokryte przez STES. Kolektory słoneczne DHW STES Pompa ciepła ŁADOWANIE 15 Plan prezentacji Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej (STES)? Dlaczego używamy STES? Historia STES Jak to działa? Magazyny ciepła (typy, systemy, urządzenia stratyfikacyjne) Szeregowe/ Równoległe tryby pracy Kalkulacje Gdzie najlepiej stosować? Ile to kosztuje? Pilotażowe instalacje EINSTEIN i studium przypadków 16 MAGAZYNY CIEPŁA - Typy Ciepło utajone Ciepło chemiczne Ciepło jawne 17 MAGAZYNY CIEPLNE- Typy Ciepło utajone Ciepło chemiczne Ciepło jawne Najczęściej używanym materiałem do magazynowania ciepła utajonego są materiały zmienno-fazowe (PCM) posiadające fazę ciekłą i stałą. Energia cieplna może być wchłaniana przez PCM w obu fazach - stałej i ciekłej. Absorbują one znaczne ilości ciepła podczas przejścia ze stanu stałego do ciekłego (temperatura topnienia). W PCM można przechowywać od 5 do 14 razy więcej ciepła na jednostkę objętości w porównaniu z konwencjonalnymi materiałami magazynującymi, takimi jak woda, beton lub skały. Kiedy energia cieplna jest pobierana z PCM, zmienia się od cieczy do fazy stałej uwalniając swoje ciepło utajone. 18 MAGAZYNY CIEPLNE- Typy Ciepło utajone Ciepło chemiczne Ciepło jawne Chemiczne i sorpcyjne systemy magazynowania ciepła (termochemiczne), są obiecującymi technologiami dającymi znaczne korzyści, w porównaniu do zarówno jawnego i utajnionego systemu magazynowania ciepła. Gęstość magazynowania teoretycznie może być do 10 razy wyższa od wody, powodując tym samym zmniejszenie objętości konstrukcji. Ze względu na charakter procesu oraz niską temperaturę magazynowanych materiałów można niemal wyeliminować straty cieplne. Połączenie obu tych zalet umożliwia efektywne w czasie magazynowanie energii cieplnej i jej transport 19 MAGAZYNY CIEPLNE- Typy Ciepło utajone Ciepło chemiczne Ciepło jawne Ciepło jawne jest energią cieplną przekazywaną do, lub z substancji, co prowadzi do zmian temperatury. Jest to najbardziej popularny i bezpośredni sposób do magazynowania ciepła. Jednak głównymi wadami są duże ilości materiałów i duża objętość, które są potrzebne oraz wysokie straty ciepła kiedy magazyn jest otoczony niższą temperaturą. Korzystanie ze zbiornika wody do magazynowania ciepła jest dobrze znaną technologią. Innowacyjne rozwiązania mogą zminimalizować straty ciepła, poprzez zapewnienie optymalnej stratyfikacji wody i wysokiej sprawności izolacji termicznej. 20 Heißwasser-Wärmespeicher MAGAZYNY CIEPŁA- Systemy Kies/Wasser-Wärmespeicher Sommer Heißwasser-Wärmespeicher Heißwasser-Wärmespeicher Winter Kies/Wasser-Wärmespeicher Kies/Wasser-Wärmespeicher Sommer Winter Wärmedämmung Sommer Winter Abdichtung Schutzvlies Wärmedämmung Abdichtung Wärmedämmung Schutzvlies Zbiornik do magazynowania energii Erdsonden-Wärmespeicher cieplnej (TTES) Abdichtung Basenowy magazyn energii cieplnej Schutzvlies (PTES) 1) ~70 kWh/m³ Erdsonden-Wärmespeicher Erdsonden-Wärmespeicher Odwiertowy magazyn energii cieplnej (BTES) 15-30 kWh/m³ 1) J max=90 ~55 kWh/m³ 2) Magazyn energii cieplnej wykorzystujący wodonośne warstwy (ATES) 30-40 kWh/m³ °C, Jmin=30 °C bez pompy ciepła2) Jmax=80 °C, Jmin=10 °C żwirowo-wodna TES z pompą ciepła (D 5.5) 21 MAGAZYNY CIEPŁA- Systemy Systemy magazynowania ciepła TTES PTES BTES ATES czynnik grzewczy woda woda* żwir-woda* gleba/kamienie piasek-woda 30-50 15-30 30-40 60-80 60-80 objętość zbiornika, ekwiwalent 1 m3 wody 1 m3 1 m3 1.3-2 m3 3-5 m3 2-3 m3 -grunt nadający się do odwiertów -preferowane wody gruntowe -wysoka cieplna pojemność -wysoka termiczna przewodność -niska hydrauliczna przewodność (kf<10-10 m/s) -naturalny przepływ wód <1m/a -30-100 m głębokości - naturalna warstwa wodonośna z wysoką przewodnością hydrauliczną (kf<10-5 m/s) - warstwy ograniczające na wierzchu i dnie - brak lub niski naturalny przepływ wód gruntowych - właściwy skład chemiczny przy wysokich temperaturach - grubość warstwy 20-50 m geologiczne wymogi -stabilne warunki gruntowe -preferowany brak wód podziemnych -5-15 m głębokości -stabilne warunki gruntowe -preferowany brak wód gruntowych -5-15 m głębokości *woda jest korzystniejsza z termodynamicznego punktu widzenia. Żwir-woda często jest stosowana jeśli powierzchnia zbiornika jest projektowana do dalszego zagospodarowania (np. od ulicy, parkingu itp.) Źródło: http://solar-district-heating.eu/ pojemność cieplna w kWh/m3 22 MAGAZYNY CIEPŁA- Straty Straty ze zbiornika STES mogą być wysokie Ze względu na niższy stosunek powierzchni do objętości, duże zbiorniki mogą się chłodzić wolniej i dlatego są korzystniejsze. Dlatego skupiono się na STES z systemami ciepłowniczymi. Krzywa chłodzenia zbiornika z gorącą wodą o objętości netto 10 m3 (cylindryczny kształt: Ø 2 m, wysokość 3,18 m). Temperatura początkowa 80 °C, temperatura zewnętrzna 5 °C Ilość dni A: typowy materiał izolacyjny: λ = 0,05 W/(m·K), grubość izolacji = 0,2 m B: typowy materiał izolacyjny: : λ = 0,05 W/(m·K), grubość izolacji s = 2 m C: izolacja próżniowa: λ = 0,005 W/(m·K), grubość izolacji s = 0,2 m 23 MAGAZYNY CIEPŁA- Systemy Magazyny ciepła jawnego Rodzaje STES są charakteryzowane przez różne właściwe pojemności użytkowe, poziomy temperaturowe oraz pojemności ładowania i rozładowywania. Ponadto, objętościowe pojemności użytkowe zależą od używanych zakresów temperaturowych oraz właściwych objętościowych pojemności cieplnych materiału zbiornika. Aspekty te muszą być rozważone przed dobraniem właściwego rodzaju zbiornika STES. Temperatura przepływu medium powrotnego z sieci ciepłowniczej Temperatura /ºC Maksymalne temperatury operacyjne różnych technologii STES zależą od temperatur i przepływu medium powrotnego z sieci ciepłowniczej oraz stosowania pomp ciepła [źródło: ITW, USTUTT]. Rozładowywanie z pompą ciepła objętościowa pojemność zbiornika /kWh/m³ Używanie pompy ciepła Rozładowywanie z medium powrotnym z sieci ciepłowniczej Minimalna temperatura rozładowania /ºC Użytkowa objętościowa pojemność zbiornika jest zależnością minimalnej temperatury rozładowania różnych technologii STES zależącej od temperatury i przepływu medium powrotnego z sieci ciepłowniczej i stosowania pompy [źródło: ITW, USTUTT]. MAGAZYN CIEPŁA- TTES TTES Beton Budowa na miejscu Prefabrykaty Stal Montowanie na miejscu Włókna Próżniowa izolacja Fabryczne montowanie Zbrojony beton Zbiornik metalowy ZALETY Dodatkowa pojemność magazynowania energii (do +25%) Materiał zapewnia izolacyjność WADY Ciężka konstrukcja Niezbędne uszczelnienie Ograniczenia dla zbiorników ciśnieniowych Zwykle słaby stosunek wys./szer., słaba stratyfikacja ZALETY Lżejsza konstrukcja Łatwe uszczelnienie Dowolność geometrii i kształtu WADY Wysoka przewodność, może wpływać na straty ciepła Przewodność może zaburzać stratyfikację 25 MAGAZYN CIEPŁA- Stratyfikacja Magazyn ciepła i stratyfikacja Efektywne magazynowanie energii w zbiorniku z gorącą wodą wymaga dobrej izolacji ścian zbiornika oraz prostego układu ładowania i rozładowywania systemów, które produkują i utrzymują termiczną stratyfikację wewnątrz zbiornika. Jakość termicznej stratyfikacji wewnątrz zbiornika ma znaczny wpływ na wydajność termiczną kolektorowego systemu grzewczego. Mieszanie się gorącej i zimnej wody wewnątrz zbiornika może obniżać solarną wydajność oraz znacząco podwyższać zapotrzebowanie na podgrzewanie. Nawet w takim przypadku stosowanie słonecznego systemu grzewczego może stracić sens. MAGAZYN CIEPŁA- Stratyfikacja Typy urządzeń stratyfikujących Zewnętrzny: automatyczne zawory kontrolują przepływ wzdłuż wysokości zbiornika Wewnętrzny: Układ warstw wody jest samo regulujący się przez gęstość wody Powody stosowania Stratyfikacja STES wpływa na jakość i trwałość zmagazynowanej energii Różne temperatury wody: kolektory słoneczne, pompy ciepła i konwencjonalne kotły działają z różnymi temperaturami Temperatura dostarczanej i powracającej wody wpływa na stratyfikację wewnątrz zbiornika Słabo zaprojektowany system stratyfikacji wpływa bezpośrednio na jakość i trwałość zbiorników TES 27 MAGAZYN CIEPŁA- Bufor Zbiornik buforowy Wymagany przy decentralizowaniu produkcji ciepła z STES, zapewniając niezależny podajnik gorącej wody Stabilizuje pojemność cieplną i temperaturę wyjścia pompy ciepła Kontroluje temperaturę, poprawiając tym samym wymianę ciepła. 28 Plan prezentacji Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej (STES)? Dlaczego używamy STES? Historia STES Jak to działa? Magazyny ciepła (typy, systemy, urządzenia stratyfikacyjne) Szeregowe/ Równoległe tryby pracy Kalkulacje Gdzie najlepiej stosować? Ile to kosztuje? Pilotażowe instalacje EINSTEIN i studium przypadków 29 PRZYKŁAD SZEREGOWEGO I RÓWNOLEGŁEGO TRYBU PRACY STES (PRZYKŁAD INSTALACJI EINSTEIN) 30 SZEREGOWE/ RÓWNOLEGŁE TRYB PRACY Ładowanie Ładowanie systemu STES zaczyna się, gdy dostępna jest energia cieplna ze źródła (słońce). Energia słoneczna może być zbierana w miesiącach letnich i magazynowana w zbiornikach STES do późniejszego użytku. Możliwe jest również, aby magazynować i dostarczać energię cieplną tylko wtedy, gdy zbiornik ma niezależne układy ładowania i rozładowania. KOCIOŁ ŁADOWANIE POMPA CIEPŁA KOLEKTORY SŁONECZNE 31 SZEREGOWE/ RÓWNOLEGŁE TRYB PRACY Bezpośrednie rozładowywanie Rozładowywanie systemu STES rozpoczyna się w okresie grzewczym. Zbiornik dostarcza ciepło bezpośrednio do budynków za pomocą systemu ciepłowniczego lub bezpośredniego rurociągu. Temperaturę gorącej wody na wyjściu reguluje się przy użyciu krzywej grzewczej. Zalecana maksymalna temperatura gorącej wody na wyjściu to 80°C. TSTES > 50°C KOCIOŁ ŁADOWANIE POMPA CIEPŁA KOLEKTORY SŁONECZNE 32 SZEREGOWE/ RÓWNOLEGŁE TRYB PRACY Praca pompy ciepła Pompa ciepła pracuje kiedy temperatura wyjściowa z STES jest niższa od potrzebnej temperatury do pełnego pokrycia zapotrzebowania na ciepło. Woda z STES dostarcza ciepło do cyklu odparowania w pompie, następnie cykl skraplania zapewnia wodę o odpowiedniej temperaturze dla wyrównania zapotrzebowania. 10°C < TSTES < 50°C KOCIOŁ ŁADOWANIE POMPA CIEPŁA KOLEKTORY SŁONECZNE 33 SZEREGOWE/ RÓWNOLEGŁE TRYB PRACY Pomocniczy system – Kocioł/ Pompa Ciepła Kiedy temperatura wody w zbiorniku spada do poziomu, w którym pompa ciepła zaczyna działać nieefektywnie, pracę zaczyna system pomocniczy. Gdy energia cieplna ze zbiorników STES jest całkowicie rozładowana to ładowanie zależy całkowicie od systemu pomocniczego. TSTES < 10°C KOCIOŁ ŁADOWANIE POMPA CIEPŁA KOLEKTORY SŁONECZNE 34 SZEREGOWE/ RÓWNOLEGŁE TRYB PRACY Pomocniczy system – Kocioł/ Pompa Ciepła Pomocnicze źródło ciepła jest niezbędne do pokrycia szczytowego zapotrzebowania na ciepło i w okresach, gdy zbiornik jest rozładowany Pompy ciepła są zwykle trzy do czterech razy bardziej wydajne w porównaniu do konwencjonalnych grzejników dla uzyskania tej samej ilości ciepła Obniżona temperatura powrotu czynnika grzewczego do zbiornika pomaga w stratyfikacji zbiornika Niższa temperatura w dowolnej części zbiornika powoduje wyższą wydajność kolektorów i zmniejsza straty ciepła poprzez ziemię. 35 Plan prezentacji Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej (STES)? Dlaczego używamy STES? Historia STES Jak to działa? Magazyny ciepła (typy, systemy, urządzenia stratyfikacyjne) Szeregowe/ Równoległe tryby pracy Kalkulacje Gdzie najlepiej stosować? Ile to kosztuje? Pilotażowe instalacje EINSTEIN i studium przypadków 36 KALKULACJE - Diagram Diagram przepływu energii, STES z pompą ciepła KOCIOŁ GAZOWY STRATY CIEPŁA ELEKTRYCZNOŚĆ KOLEKTORY SŁONECZNE POBIERANA ENERGIA SŁONECZNA CIEPŁO MAGAZYNOWANE W ZBIORNIKACH STES CIEPŁO Z STES POMPA CIEPŁA POMPA CIEPŁA WYJŚCIE CIEPŁO ZMAGAZYNOWANE W BUFORZE 37 KALKULACJE Q= m·cp·ΔΤ Q: Ilość magazynowanej energii cieplnej m: Masa medium używanego do magazynowania ciepła cp: Cieplna pojemność właściwa magazynowanego medium ΔT: Różnica temperatury medium magazynującego przed i po ładowaniu zbiornika 38 KALKULACJE Maksymalna zmagazynowania energia Maksymalna energia zmagazynowana w STES może być obliczona przy użyciu równania: Qmax=V·ρ·Cp·(Tmax-Tmin) [MWh] gdzie: V : objętość [m3] ρ·Cp: pojemność cieplna czynnika grzewczego [MJ/m3K] Tmax: maksymalna magazynowana temperatura Tmin: minimalna temperatura 39 KALKULACJE Sprawność kolektorów słonecznych Dwa główne czynniki określają wydajność sezonowego magazynowania energii cieplnej z pompą ciepła. Są to sprawność kolektorów (SF) i współczynnik wydajności (COP) pompy ciepła. Te czynniki zmieniają się wraz ze zmianą powierzchni kolektorów oraz objętości zbiornika. Solarne systemy grzewcze są oceniane głównie w odniesieniu do ich SF, który jest ilością dostarczonej energii przez solarny system grzewczy podzieloną przez całkowite zapotrzebowanie na energię, co przedstawia równanie: SF = gdzie: qc: qc- Qstrat Qhd wydajność kolektora Qstrat: strata ciepła systemu Qhd: zapotrzebowanie na ciepło 40 Kalkulacje Balans energii systemu STES Relacja pomiędzy SF, COP, polem kolektora i objętością zbiornika może być obliczona rozważając zasady zachowania energii oraz energią w zbiorniku obliczoną z równania: qc + Whp = Qhd + Qstrat + Qzbiornika gdzie: qc: wydajność kolektora, Whp: moc wejściowa pompy ciepła, Qhd: zapotrzebowanie ciepła do ogrzewania pomieszczeń i DHW (jeśli dotyczy), Qstrat: strata ciepła systemu, Qzbiornika: zmagazynowana energia w zbiorniku. Jednostki kWh. 41 KALKULACJE Wydajność pompy ciepła Wydajność pompy ciepła w trybie grzania jest określana przez współczynnik wydajności (COP). Współczynnik ten wskazuje na stosunek energii wyprodukowanej do zużytej. COP zależy od temperatury źródła ciepła i ciepła na wyjściu, wydajności kompresora oraz rodzaju czynnika grzewczego. COP = ηc · (Tsin/Tsin - Tsor) 𝑛 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟𝑎 + 𝑊𝑖,𝑝𝑜𝑚𝑝𝑦 𝑖=1 𝑄ℎ𝑑 𝑖 𝑤𝑒𝑛𝑡 . = 𝐶𝑂𝑃 Obniżając różnicę temperatur pomiędzy źródłem ciepła i ciepła na wyjściu uzyskuje się wyższą wartością COP. Niska temperatura systemu grzewczego oraz wysoka temperatura źródła ciepła jest więc korzystna. ηc: sprawność Carnotta Tsin, Tsor: temperatura na wyjściu oraz źródła ciepła [°C] W: praca wykonana przez kompresor, pompę oraz wentylator [kWh] Qhd: zapotrzebowanie na ciepło [kWh] 42 KALKULACJE Rozmiary STES Gdy objętość zbiornika jest znana, pozostałe wymiary mogą być obliczone. Przyjęto, że zbiornik będzie cylindryczny i RHD = 0.6 D = [4 · V / (π · RHD)]1/3 A = πr2 Hacu = RHD · 0.5 Aacu = (RHD · 0.5) · π · D2 RHD: stosunek wysokości do średnicy Hacu: wysokość STES [m] Aacu: całkowita powierzchnia STES [m2] 43 Plan prezentacji Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej (STES)? Dlaczego używamy STES? Historia STES Jak to działa? Magazyny ciepła (typy, systemy, urządzenia stratyfikacyjne) Szeregowe/ Równoległe tryby pracy Kalkulacje Gdzie najlepiej stosować? Ile to kosztuje? Pilotażowe instalacje EINSTEIN i studium przypadków 44 GDZIE NAJLEPIEJ STOSOWAĆ? Rodzaj budynku Warunki klimatyczne Pojedynczy dom Segmenty mieszkalne Nowy budynek (preferowane) Istniejące budynki Źródło: Asko professionals Wysokie roczne nasłonecznienie & wysokie zapotrzebowanie w zimę Rodzaj ogrzewania System ciepłowniczy Nisko temperaturowy system ogrzewania 45 GDZIE NAJLEPIEJ STOSOWAĆ? – Rozważania STES warunki gruntowe Źródła energii cielnej Budowa geologiczna Działka na magazyn ciepła Charakterystyka hydrologiczna (warstwy wodonośne) Wystarczająca powierzchnia dla kolektorów słonecznych (na ziemi, na dachu) Przemysłowe ciepło odpadowe (zakres temperaturowy, odległość do punktu zapotrzebowania cieplnego, dostępność) Rodzaj zastosowania Pojedyncze obciążenie – (stabilny przebieg) Niezależny od sposobu użytkowania mieszkania (złożony system kontroli) 46 GDZIE NAJLEPIEJ STOSOWAĆ? – źródło EINSTEIN Lokalizacja wewnątrz UE Zapotrzebowanie na energię cieplną do ogrzewania pomieszczeń w obrębie UE różni się znacząco w zależności od kraju. Główne czynniki zależą od materiału budynku, okresu powstania, gęstości zabudowy, istniejącego systemu grzewczego (np. systemu ciepłowniczego) i lokalnych warunków klimatycznych. Największy potencjał dla stosowania systemu STES w Europie wskazano w raporcie: “Classification of EU building stock according to energy demand requirements.” Mieszkaniowe zapotrzebowanie na energię vs. średnie temperatury otoczenia (ACC4: Bułgaria, Rumunia, Turcja, Chorwacja; EFTA3: Islandia, Norwegia i Szwajcaria; NMS 10: dziesięciu nowych członków od maja 2004. (Źródło: ECPHEATCOOL) 47 GDZIE NAJLEPIEJ STOSOWAĆ? – źródło EINSTEIN Integracja STES Biorąc pod uwagę ostatnie unijne regulacje cieplnej wydajności w dla krajów UE, przewiduje się, że budynki będą mieć niższe zapotrzebowanie na energię (<50kWh/m²rok). W tym przypadku możliwym jest zastosowanie systemów niżej temperaturowych dla systemów grzewczych ograniczając przy tym straty ciepła. To czyni STES lepszym do tworzenia nisko-energetycznych systemów grzewczych. Integracja STES z licznymi technologiami generującymi ciepło takimi jak kotły gazowe, pompy ciepła, połączenie ciepło i energia (CHP), a także systemami dystrybuującymi jest dyskutowana w dokumencie: “Technology assessment HVAC and DHW systems in existing buildings throughout the EU”. 48 GDZIE NAJLEPIEJ STOSOWAĆ? – Źródło EINSTEIN Projekt systemu STES i instalacji EINSTEIN Wiele kroków musi być podjęte w celu zaprojektowania systemu STES. Składają się na nie głównie techniczne wyzwania i decyzje, które muszą być przeanalizowane takie jak: średnica zbiornika magazynującego, lokalizacja, powierzchnia systemu kolektorów słonecznych, system grzania. Posiadając przejściowy system, który jest uzależniony głównie od warunków pogodowych, możliwe jest przewidzenie i określenie zachowania za pomocą odpowiednich obliczeń. Wyczerpujący przewodnik po planowaniu i projektowaniu systemów STES dostępny jest tu: “Design guidelines for STES systems in Europe”. W celu zapoznania się z projektem i montażem demonstracyjnej instalacji EINSTEIN proszę kliknąć tu. 49 GDZIE NAJLEPIEJ STOSOWAĆ? – Kombinacja podwyższonej wydajności energetycznej i zastosowania odnawialnych źródeł Strategia energetyczna W celu zapewnienia największej efektywności systemu STES, musi on być częścią całościowej strategii energetycznej. W tym: Obniżenia zapotrzebowania na energię w istniejących budynkach poprzez unowocześnienie energetycznych charakterystyk wydajnościowych Integracji używanych źródeł odnawialnych Integracji specjalistycznych rozwiązań włącznie z STES Te decyzje muszą być zoptymalizowane pod kątem szczególnych zmiennych takich jak: Klimat Koszty Rodzaj budynku Narzędzie Oceny (Evaluation Tool) zostało opracowane w ramach projektu EINSTEIN w celu określania najbardziej opłacalnych kombinacji charakterystyk. Opracowane zostało również Narzędzie Wsparcia Decyzji (Decision Support Tool) do pomocy przy projektowaniu systemów solarnych. 50 GDZIE NAJLEPIEJ STOSOWAĆ?– Narzędzie Oceny Konfiguracja Narzędzia Oceny 1.Zdefiniowanie budynku • Wybór obszaru klimatycznego • Wybór rodzaju budynku • Powierzchnia budynku • Wybór zakresu oszczędności 2. Zakładany poziom redukcji 3. Kalkulacja najbardziej opłacalnego rozwiązania 4. Wyniki • Przegląd bazy danych • Dopasowanie optymalnego przypadku zapewniającego zakładane oszczędności • Identyfikacja najbardziej opłacalnej kombinacji pasywnego i aktywnego systemu włącznie z STES • Wybrana najlepsza kombinacja • Oszczędność energii (kWh/rok) • Wielkość niezbędnego nakładu inwestycyjnego (€) 51 GDZIE NAJLEPIEJ STOSOWAĆ?– Najbardziej opłacalne rozwiązanie Model komputerowy do oceny zużycia energii dla istniejącego budynku Udział STES w opłacalności rozwiązania Strategia modernizacji Narzędzie decyzyjne dla projektowania i oceny STES Narzędzie Oceny dla najbardziej opłacalnego systemu w modernizowanym budynku Dostęp do NARZĘDZIA OCENY tu 52 GDZIE NAJLEPIEJ STOSOWAĆ?– Narzędzie projektowania STES Narzędzie Wsparcia Decyzji (Decision Support Tool) Po określeniu najbardziej opłacalnego rozwiązania, kolejne narzędzie opracowano jako część projektu EINSTEIN w celu pomocy w analizie najlepszego wstępnego projektu STES. Narzędzie pomaga użytkownikowi w znalezieniu najlepiej pasującej technologii do określonych warunków: Warunków klimatycznych Wymagań obszaru/powierzchni Wymagań urządzeń i sposobu ich integracji (kolektory słoneczne, STES, sieć ciepłownicza, pompa ciepła, system pomocniczy) W celu uzyskania dalszych informacji o modelu proszę kliknąć tu. 53 GDZIE NAJLEPIEJ STOSOWAĆ?– Narzędzie projektowania STES (DST) Opis DST Narzędzie składa się z trzech głównych części: Wybór parametrów wejściowych Sekcja obliczeniowa Wybór rezultatów Opcje projektowania Poza narzędziami wyboru i oceny STES, narzędzie pozwala także na analizę i porównanie różnych scenariuszy. Scentralizowane systemy jak również rozdzielne konfiguracje mogą być wykorzystywane dla każdej lokalizacji i na każdym poziomie zapotrzebowania na ciepło, zarówno dla istniejących jak i nowo powstających budynków. W celu dostępu do narzędzia proszę kliknąć tu: DECISION SUPPORT TOOL 54 GDZIE NAJLEPIEJ STOSOWAĆ?– Referencyjny dom jednorodzinny SFH: dom jednorodzinny Sztokholm Ilość litrów skonsumowanej wody SFH 84,5 m2 Warszawa Madryt Zapotrzebowanie na ciepło w różnych krajach Europy. Przykład domu jednorodzinnego 55 GDZIE NAJLEPIEJ STOSOWAĆ?– Referencyjny dom jednorodzinny MFH: Blok mieszkalny, wielorodzinny Sztokholm MFH 676 Warszawa Madryt m2 water litres Ilośćoflitrów wody skonsumowanej consumption DHW MFH 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0.00 2.00 4.00 6.00 8.0010.0012.0014.0016.0018.0020.0022.0024.00 Zapotrzebowanie na ciepło w różnych krajach Europy. Przykład bloku mieszkalnego h 56 GDZIE NAJLEPIEJ STOSOWAĆ? Stosunek Wynik ekonomiczny Zużyta energia (=) Zaoszczędzone € kWh zużytej en. consumed € saving/kWh zaoszcz. €/kWh zużyte Stosunek wszystkich wyników w okresie/zużyta energia pierwotna vs. pierwotna energia Krzywe z najlepszymi stosunkami (rozkład Pareta) 0.300 0.250 0.200 0.150 0.100 0.050 0.000 0% 20% 40% 60% % Oszczędności 80% 100% Stosunek inwestycji/ oszczędności pierwotnej energii vs. % obniżenia energii pierwotnej 140.00 120.00 100.00 Stosunek Inwestycja Zaoszcz. energia (=) Zainw. € kWh zaoszcz. en. best restultswyniki (Invest najlepsze aproach) (podejście inw.) 80.00 60.00 best results (20 y najlepsze wyniki exploitation (20 lat eksploatacji) aproach) 40.00 20.00 0.00 0% 20% 40% 60% % Oszczędności 80% 100% 57 Plan prezentacji Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej (STES)? Dlaczego używamy STES? Historia STES Jak to działa? Magazyny ciepła (typy, systemy, urządzenia stratyfikacyjne) Szeregowe/ Równoległe tryby pracy Kalkulacje Gdzie najlepiej stosować? Ile to kosztuje? Pilotażowe instalacje EINSTEIN i studium przypadków 58 ILE TO KOSZTUJE? Koszty i korzyści finansowe sezonowego magazynowania energii cieplnej są bardzo zróżnicowane Zmienne czynniki: Klimat Zapotrzebowanie na ciepło Rodzaj STES Integracja DH Zmiany finansowe, włącznie ze stopą inflacji, wzrostem cen paliwa, wewnętrznej stopy zwrotu itp. 59 Koszt inwestycji na m³ wodnego ekwiwalentu [€/m³] ILE TO KOSZTUJE? Zbiornik STES Objętość zbiornika, ekwiwalent wody [m³] Wykres obrazuje koszty szerokiej gamy zbiorników STES o różnych rozmiarach, używanych do dużych systemów ciepłowniczych. Koszt inwestycji maleje wraz ze wzrostem objętości zbiornika. Koszty zbiorników STES dla projektu EINSTEIN zastosowanych w obu demonstratorach są zaznaczone w kółkach. Wieloczłonowy zbiornik o objętości 23m3 zlokalizowany w Lysekil jest 60 na innej skali, koszt to €700/m3 ILE TO KOSZTUJE?- całkowite koszty grzania Przykład instalacji domowej STES: Dom pasywny z systemem solarnym DHW i ogrzewanie pomieszczeń z STES Najszybszy zwrot kosztów dla systemu DHW i ogrzewania przestrzeni bez systemu STES (16 lat / 24 lat) Koszt DHW&ogrz. pomieszczeń.; podstawowy przypadek (elektryczność) vs. Kolektory słoneczne&kolektory z STES, ie=7.3%, i=2.2%, d=3% Zwrot kosztów dla DHW i ogrzewania przestrzeni systemem STES wynosił 33 lat Należy pamiętać, że STES był zaprojektowany jako element systemu niezbędny do pochłaniania ciepła Źródło: Colclough & Griffiths, Applied Energy Journal 2016 Prezentowane koszty obejmują systemy, koszty operacyjne i paliwa oraz są dostosowane do inflacji oraz czynnika zniżek firmy (ceny netto) 61 ILE TO KOSZTUJE? Przykład mało-skalowej instalacji STES: 10 pomieszczeń z systemem DHW i ogrzewaniem pomieszczeń z STES, w Lysekil, Szwecja Budynek odnowiony do standardu domu pasywnego Używanie instalacji solarnej z STES Opis Ilość pomieszczeń Całkowita powierzchnia [m2] Powierzchnia solarna [m2] Dobowe magazynowanie [m3] Zwrot kosztów po 17 latach STES objętość [m3] Zapotrzebowanie na ogrzewanie pomieszczeń [kWh] zapotrzebowanie energetyczne DHW [kWh] Całkowity koszt NPV, ponad 40 lat [€] Budynek z wieloma pomieszczeniami 10 (4 komercyjne, 6 mieszkalne) 381 plus 390 = 781 w sumie 50 3300l 23 53,422 7,417 405,415 Okres zwrotu [lata] 17 Zwrot w porównaniu do STES bez systemu solarnego 27% 62 ILE TO KOSZTUJE? Przykład mało-skalowej instalacji STES: 10 pomieszczeń z systemem DHW i ogrzewaniem pomieszczeń z STES, w Lysekil, Szwecja Całkowita wartość dostarczenia DHW i ogrzewania pomieszczeń pokazano naprzeciw. Koszty obejmują systemy, koszty operacyjne i paliwa oraz są dostosowane do inflacji oraz czynnika zniżek firmy (ceny netto) Koszty ogrzewania za pomocą systemu ciepłowniczego (€514,492) przewyższają te z zastosowaniem kolektorów słonecznych z STES i z DH jako wsparciem (€405,415) w rozważanym okresie 40 lat. Budynek 1&2 Koszty DHW&ogrz pom: kolektory vs. bez kolektorów ie=7.3%, i=3%, d=3% 63 Plan prezentacji Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej (STES)? Dlaczego używamy STES? Historia STES Jak to działa? Magazyny ciepła (typy, systemy, urządzenia stratyfikacyjne) Szeregowe/ Równoległe tryby pracy Kalkulacje Gdzie najlepiej stosować? Ile to kosztuje? Pilotażowe instalacje EINSTEIN i studium przypadków 64 Pilotażowa instalacja EINSTEIN 65 PILOTAŻOWA INSTALACJA EINSTEIN - Bilbao Hiszpańska instalacja demonstracyjna Hiszpańska instalacja demonstracyjna Budynek Kolektory solarne Płaskie Powierzchnia 62 m2 Kąt nachylenia 40° Roczne zapotrzebowanie na ciepło Orientacja Południe Grzewczy zakres temp. Niska temp. Czynnik grzewczy Glikol Obj. zbiornika buforowego 2 m3 Objętość zbiornika 180 m3 STES Dalsze szczegóły są dostępne w następujących raportach: • Design and installation • Monitoring • Impact Assessment • Overall report Powierzchnia użytkowa 1050 m2 83 MWh/rok 66 PILOTAŻOWA INSTALACJA EINSTEIN - Bilbao Schemat systemu hydraulicznego Kolektory słoneczne Kocioł Pompa ciepła Zbiornik STES Bufor Budynek 67 PILOTAŻOWA INSTALACJA EINSTEIN - Bilbao 11 dni montażu 68 PILOTAŻOWA INSTALACJA EINSTEIN - Bilbao Innowacyjny projekt STES Podwójny zbiornik. Modułowa konstrukcja Wewn. zbiornik: 6 m ; Wysokość 6.45 m (6.70 m w sumie) Zewn. zbiornik: 7.10 m; Wysokość 8.05 m Mniej mostków termicznych ze względu na brak podpór Innowacyjna izolacja Spodnia izolacja ponad gruntem: 0.45 m ekspandowanego granulatu gliny Jednorodny rozkład ładunków ponad gruntem (bez zwiększenia obwodu) Boki i góra: nowy recyklowany granulat PUR Boczna strona 0.55 m; górna strona 0.87 m 69 PILOTAŻOWA INSTALACJA EINSTEIN - Bilbao Pompy, rurociągi, HX, zbiornik buforowy Wtórny obwód, hydrauliczne kolektory Wymiennik ciepła główny/wtórny obwód Zbiornik buforowy, 2 m3 70 PILOTAŻOWA INSTALACJA EINSTEIN - Bilbao Ładowanie zbiornika STES Max Temp. 66.7°C TS5- Temp góra (5m) TS1- Temp spód (1m) 71 PILOTAŻOWA INSTALACJA EINSTEIN - Ząbki Polska instalacja demonstracyjna EINSTEIN System magazynowania Budynek Typ TTES Powierzchnia użytkowa Pojemność 800 m3 Kąt nachylenia 40° Szczytowe zapotrzebowanie 75 kW na ciepło Orientacja Południe Zakres temperaturowy Czynnik grzewczy Glikol System ciepłowniczy Całkowita długość 150 m2 Rury Giętkie 2x De65, preizolowane polibutylenem rury w osłonach z PEHD 794 m2 Wysoka Temp. Dalsze szczegóły są dostępne w następujących raportach: • Design and installation • Monitoring • Impact Assessment • Overall report 72 PILOTAŻOWA INSTALACJA EINSTEIN - Ząbki 73 PILOTAŻOWA INSTALACJA EINSTEIN - Ząbki Zbiornik buforowy Kocioł gazowy POMPA CIEPŁA 74 PILOTAŻOWA INSTALACJA EINSTEIN– Ząbki system SCADA Pilotażowa instalacja w Ząbkach, Polska, Projekt EINSTEIN Nasłonecznienie Pobrana energia słoneczna Zewnętrzna temperatura 75 STUDIUM PRZYPADKÓW Kolektory słoneczne Flachkollektoren Heizzentrale Centralna instalacja ciepłownicza Gas BrennwertKessel Podstacja Wärmeübergabestation Ciepła Transferu Wärmenetz Sieć dystrybucji Sieci Saisonaler Solarnetz STES Ciepłownicze ciepła Wärmespeicher 76 STUDIUM PRZYPADKÓW Zbiorniki STES pod domem 1szy Europejski dom w 100% ogrzewany systemem solarnym Oberburg, Szwajcaria Działa od stycznia 1990 Source: Jenni Energietechnik 77 STUDIUM PRZYPADKÓW Oberburger Sonnenhaus Pierwsze mieszkania wielorodzinne ogrzewane w całości energią słoneczną. Oberburg, Szwajcaria 276 m² kolektorów słonecznych 205 m³ zbiornik ciepła Source: Jenni Energietechnik 78 STUDIUM PRZYPADKÓW Hamburg (1996) 3.000 m² Płaskie kolektory 4500 m³ Zbiornik wody Neckarsulm (1997) 5.900 m² Płaskie kolektory 63.300 m³ BTES Rostok (2000) 1.000 m² Płaskie kolektory 20.000 m³ ATES Friedrichshafen (1996) 4.050 m² Płaskie kolektory 12.000 m³ Zbiornik wody Steinfurt (1998) 510 m² Płaskie kolektory 1.500 m³ Pit TES (Zwir/ Woda) Hanower (2000) 1.350 m² Płaskie kolektory 2.750 m³ Zbiornik wody 79 STUDIUM PRZYPADKÓW Chemnitz, 1. phase (2000) 540 m² Kolektory próżniowo rurowe 8.000 m³ Pit TES (Zwir/ Woda) Monachium (2007) 2.900 m² Płaskie kolektory 5.700 m³ Zbiornik wody Źródło: USTUTT Attenkirchen (2002) 800 m² Dach solarny 9.850 m³ Zbiornik wody & Odwierty Crailsheim (2007) 7.500 m² Płaskie kolektory 37.500 m³ BTES Eggenstein (2008) 1.600 m² Płaskie kolektory 4.500 m³ Pit TES (Zwir/ Woda) 80 Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej (STES) dla technicznych ekspertów (architektów, inżynierów, przemysłu budowlanego etc.) Mr Miguel Ramirez Dr Shane Colclough Prof Neil J Hewitt 81
