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)

 +
,
=1
ℎ
  . =

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