Nowe możliwości akumulacji ciepła i chłodu
advertisement
INSTALACJE GRZEWCZE Nowe możliwości akumulacji ciepła i chłodu Maciej Danielak Coraz powszechniejsze stosowanie odnawialnych źródeł energii oraz konieczność zapewnienia wysokiej efektywności energetycznej sprzyjają rozwojowi technologii związanych z magazynowaniem energii cieplnej. Miejmy nadzieję, że przyspieszy to wykorzystanie rozwiązań, które – choć znane – wciąż czekają na szersze wejście na rynek instalacyjny. N a początek trochę danych statystycznych. Jak wiemy energia końcowa, która jest zużywana przez konsumentów, przede wszystkim jest przeznaczana na wytworzenie ciepła, elektryczności oraz potrzeby transportu. Elektryczność 20% Ciepło 49% Transport 31% ma decydujące znaczenie dla spełnienia założeń klimatycznych Unii Europejskiej. Jedną z zasadniczych barier rozwoju systemów opartych o wykorzystanie źródeł odnawialnych jest jednak ich specyfika: nieregularne występowanie, ograniczona moc lub jej duże wahania. Magazynowanie energii cieplnej to często kluczowy warunek niezawodnej pracy takich systemów. Zasobniki ciepła są więc ważnym ogniwem w procesie bardziej efektywnego wykorzystania OZE, ale też polepszenia współczynników energetycznych konwencjonalnych instalacji. Znanych jest już kilka systemów akumulacji ciepła, przy czym systemy wodne są stosowane najczęściej. Co wybieramy, czego nie znamy Połączenie systemu zasilania budynku chłodem czy ciepłem z odpowiednim systemem magazynowania energii to klucz do sukcesu – energooszczędnego i trwałego układu. W zależności od rodzaju źródła energii oraz zadań różne są wymagania co do budowy zasobnika energii. Biorąc pod uwagę cechy użytkowe, najważniejszymi parametrami charakteryzującymi zasobnik są: ⚫⚫temperatura, przy której pobierana jest energia z zasobnika, ⚫⚫pojemność energetyczna, która wyraża się ilością zakumulowanej energii lub nominalnym czasem rozładowywania. Wymagania stawiane zasobnikom ciepła/chłodu 1. Struktura zużycia energii końcowej w UE, wg [1] W Europie na potrzeby grzewcze w postaci ciepła zużywa się prawie połowę energii końcowej (rys. 1), z czego 80% to ciepło o temperaturze poniżej 250ºC. Możliwość pokrycia tego zapotrzebowania w sposób racjonalny i energooszczędny (ze źródeł odnawialnych) ⚫⚫Duża gęstość energii, aby zasobnik zajmował możliwie małą przestrzeń (pojemność). ⚫⚫Wystarczająca moc ładowania i rozładowywania, aby zasobnik mógł przyjmować i oddawać wymagane strumienie energii. ⚫⚫Niskie straty w czasie postoju, a tym samym wysoka sprawność. ⚫⚫Trwałość konstrukcji i stabilność parametrów pracy w dłuższym czasie. ⚫⚫Odporność na warunki zewnętrzne. ⚫⚫Korzystna cena. Zasobnik ciepła Zasobnik ciepła jawnego akumulator płynny akumulator stały Zasobnik ciepła utajonego ciało stałe/płyn płyn/gaz Zasobniki ciepła termochemiczne Zasobnik sorpcyjny Zasobnik absorpcyjny Zasobnik chemiczny Zasobnik adsorpcyjny 2. Klasyfikacja zasobników ciepła w zależności od ich właściwości termodynamicznych 38 Polski Instalator 10/2014 Temperatura INSTALACJE GRZEWCZE ja wn e j aw ne Odbiornik Temperatura przejścia fazowego utajone ja w Źródło ciepła ne Zakumulowana energia cieplna 4. Przebieg temperaturowy jako funkcja zakumulowanej energii cieplnej w procesie jawnym i utajonym (przemiany fazowej) 3. Wodny zasobnik ciepła jawnego niu temperatury przy jej oddawaniu. Ponieważ wymieniana jest energia jawna związana ze zmianą temperatury, zasobniki te nazywane są akumulatorami ciepła jawnego (rys. 3). Są one powszechnie stosowane w instalacjach c.o. i c.w.u. jest proporcjonalna do różnicy temperatury, utajona akumulacja energii prowadzi do przemiany fazowej przy niezmienionej temperaturze (rys. 4). Ta forma akumulacji energii znana jest z akumulatorów chłodu w postaci kostek lodu w wodzie. Temperatura 0ºC utrzymuje się tak długo, jak długo topnieje lód. Energia przemiany fazowej jest relatywnie duża: energia potrzebna na topnienie wystarczy, aby taką samą ilość wody podgrzać od 0 do 80ºC. Akumulacja ciepła utajonego W przeciwieństwie do jawnej (odczuwalnej) formy akumulacji ciepła, w której ilość energii 1200 fluorki 1000 Energia przemiany fazowej, [kJ/l] Ważne kryteria to także średni czas ładowania (pobierania energii) oraz techniczne możliwości stosowania (zasobniki dzienne, okresowe czy sezonowe). Wymagania, jakie powinno się stawiać dobrym zasobnikom, zostały zestawione w ramce obok. Zadaniem zasobników ciepła jest nie tylko akumulowanie energii po to, by ją oddać (jak to ma miejsce podczas ogrzewania), ale także – w przypadku zasobników chłodu – odbiór ciepła, które musi być odprowadzone z budynku. Obecnie, jeśli chodzi o akumulację ciepła, znane są cztery rodzaje zasobników: ⚫⚫zasobnik ciepła jawnego, ⚫⚫zasobnik ciepła utajonego, ⚫⚫zasobnik sorpcyjny, ⚫⚫zasobnik chemiczny. Na rys. 2 przedstawiono klasyfikację zasobników ciepła ze względu na ich właściwości termodynamiczne. Osiągalna teoretycznie gęstość akumulacji dla tych urządzeń rośnie od lewej strony zestawienia do prawej. Zależność ta jest, niestety, odwrotna jeśli chodzi o techniczne rozpoznanie prezentowanych zasobników i ich obecność na rynku. Najczęściej spotykaną i stosowaną technologią są zasobniki ciepła jawnego. Jest to klasyczny, wodny zasobnik ciepła, w którym energia cieplna akumulowana jest w różnicy temperatury. Wodne zasobniki są powszechnie stosowane w instalacjach z kolektorami słonecznymi. Mogą być zarówno zasobnikami ciepła, jak i chłodu. węglany 800 chlorki hydraty solne 600 400 klatraty azotany woda 0,1 kWh/l 200 0 - 100 wodorotlenki wodne roztwory soli 0 parafiny alkohole polihydroksylowe kwasy tłuszczowe 100 200 300 400 500 600 Temperatura topnienia, [ C] 700 800 900 1000 O 5. Klasy materiałów zmiennofazowych z temperaturą topnienia i energią przemiany fazowej, na podstawie [2] Akumulacja ciepła jawnego Najbardziej rozpowszechniona forma akumulacji ciepła bazuje na pobieraniu energii przez podwyższanie temperatury materiału akumulacyjnego oraz odpowiednio obniża- www.polskiinstalator.com.pl 6. Schematyczna budowa oraz zdjęcie z mikroskopu elektronowego mikrokapsułek parafinowych w materiale budowlanym, [3] 39 INSTALACJE GRZEWCZE Akumulacja/Desorpcja Rozładowanie/Adsorpcja Powietrze + woda Powietrze + woda ciepło skraplania ciepło parowania Zeolit Powietrze Powietrze ciepło adsorpcji ciepło desorpcji 7. Proces akumulacji i rozładowywania zasobnika sorpcyjnego Efekt izotermiczny powoduje również dużo mniejsze straty do otoczenia. W praktyce wykorzystuje się przemianę fazową ciało stałe/płyn, gdyż przemianie fazowej płyn/ gaz towarzyszą duże zmiany ciśnienia. Zaletą materiałów zmiennofazowych jest możliwość magazynowania energii w szerokim zakresie temperatury, ponieważ zmiany ich stanu skupienia zachodzą w temperaturze od poniżej 0°C do przekraczającej 800°C (rys. 5). Daje to możliwość magazynowania zarówno ciepła, jak i chłodu, a więc wykorzystania tych materiałów w procesach grzewczych i klimatyzacyjnych. Zalety materiałów zmiennofazowych są oczywiste, ich stosowanie jest jednak wciąż rzadkie. Choć badania i rozwój nauki w tym zakresie trwają już od dziesiątek lat, to dopiero od około 15 lat spotkać można na rynku pewne produkty związane z tą formą akumulacji ciepła. Opracowanie sposobu zamykania materiału zmiennofazowego w mikrokapsułkach ułatwiło wykorzystanie tej metody w materiałach budowlanych. Na rynku 9. Wartości teoretyczne potencjału akumulacyjnego zasobników chemicznych, wg [4] dostępne są zarówno płyty gipsowe, jak i zaprawy tynkarskie wykonane w technologii z mikrokapsułkami parafinowymi (rys. 6). Zasobnik sorpcyjny W zasobniku sorpcyjnym wykorzystuje się i akumuluje znaczną ilość energii, zarówno w procesie przemiany fazowej, jak i energii pochłaniania, czyli sorpcji, względnie absorpcji. Przykładami materiałów sorpcyjnych są akumulatory z zeolitu lub silikażelu i wody jako substancji roboczej (rys. 7). Oba komponenty, czyli substancja robocza i sorbent, są przy doprowadzaniu ciepła oddzielane. Podczas rozładowywania akumulatora woda w procesie adsorpcji łączy się z sorbentem, w wyniku czego wydzielane jest ciepło. Osiągana temperatura zależy zasadniczo od zastosowanego sorbentu i mieści się w zakresie od 30 do 200°C. Oczywiście, wysoka temperatura adsorpcji (rozładowywania zasobnika) wiąże się z wysoką temperaturą desorpcji (ładowania zasobnika). Ze względów ekonomicznych ten typ zasobników nie ciepło woda/lód O O +50 ...+130 C -20 ...+20 C Proces adsorpcji ciepło 150 ...300 C Piwo 8. Samochłodząca się puszka piwa 40 woda O O 30 ...80 C Proces desorpcji [2] Latentwärmespeicher in Gebäuden, BINE Themen Info I/2009 [4] Jacob van Berke:, Advanced Storage Concepts for Solar and Low Energy Buildings, Thermal Energy Storage for Solar and Low Energy Buildings – State of the Art, Juni 2005 para wodna Zeolit [1] http://www.estif.org [3] http://www.ise.fraunhofer.de Parownik Sorber materiał nasączony wodą To najbardziej obiecująca technologia, choć nie znalazła jeszcze powszechnego zastosowania. Zasada chemicznej akumulacji ciepła wykorzystuje ciepło endotermicznych reakcji chemicznych. Oznacza to, że związki chemiczne przechodzą w wyższy stan energetyczny. W wyniku reakcji powstające substancje są od siebie fizycznie oddzielone. Z tego powodu czas uwalniania zakumulowanej energii w reakcji egzotermicznej może być dowolnie wybrany. W przypadku zasobników termochemicznych nie ma zatem potrzeby ich izolowania. Zasobniki termochemiczne nadają się do sezonowej akumulacji energii, czyli o cyklu zimowo/letnim. Energia zmagazynowana w objętości materiału (gęstość energii) znacznie przewyższa możliwości zasobników wodnych oraz zmiennofazowych. ■ Literatura: para wodna Zeolit Zeolit Zasobnik chemiczny Parownik Sorber Zawór znalazł jeszcze powszechnego zastosowania w branży grzewczej i klimatyzacyjnej. Jego najpopularniejszym przykładem jest samochłodząca się puszka piwa (rys. 8). O AUTORZE dr inż. Maciej Danielak, autor niezależny Polski Instalator 10/2014
