Trendy v solární tepelné technice (V) - Zásobníky tepla

Datum: 24.10.2005  |  Autor: Ing. Tomáš Matuška, PhD.  |  Organizace: ČVUT, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí

Srdce solární soustavy je tématem dalšího dílu trendů v solární tepelné technice. Řídit proces "nabíjení" zásobníku nebo zmenšit jeho zastavěný objem použitím látek se změnou skupenství, které mají vysokou hustotou akumulace tak, aby konečné parametry solární soustavy byly co nejlepší.

ÚVOD

Zásobník tepla je srdcem solární soustavy. Pokud je jeho akumulační kapacita špatně navržena, buď vzhledem k potřebě tepla v objektu, nebo vzhledem k ploše kolektorů, projeví se to výrazně na konečných parametrech solární soustavy (solární podíl, měrné zisky). Trendem v oblasti zásobníků tepla je snaha řídit proces "nabíjení" zásobníku a tím zvýšit využitelnost solárních zisků v okruhu spotřeby tepla (zvýšit exergii), a dále zmenšit zastavěný objem použitím látek s vysokou hustotou akumulace (látky se změnou skupenství).

ZÁSOBNÍKY TEPLA S TEPLOTNÍ STRATIFIKACÍ

Mezi nejběžnější a nejpoužívanější zásobníky tepla v solární technice patří vodní zásobníky (kapalinové solární soustavy), případně v daleko menší míře štěrkové (vzduchové solární soustavy), obojí využívající citelného tepla. V oblasti vodních zásobníků (tlakové, netlakové) se v poslední době začínají i na tuzemském trhu objevovat tzv. stratifikační zásobníky, využívané především ve velkých solárních soustavách v kombinaci s nízkým průtokem teplonosné látky kolektory (low-flow).

Teplotní stratifikací (vrstvení) se rozumí vrstvení objemu zásobníku podle teploty řízeným ukládáním tepla do vrstev o stejné nebo podobné teplotě. Princip je zjednodušeně znázorněn na obr. 1.


Obr. 1 - Princip teplotní stratifikace v zásobníku
solární soustavy

Pokud je ze solárních kolektorů k dispozici tepelná energie o vysoké teplotě odpovídající teplotě v horní vrstvě zásobníku, ukládá se teplo do této vrstvy (viz obr. 1 vlevo). Pokud je k dispozici teplota nižší (např. vlivem klimatických podmínek), ukládá se teplo do odpovídající chladnější vrstvy (viz obr. 1 vpravo). Výsledkem je takové rozvrstvení zásobníku, kde v horní části je teplota výrazně vyšší než ve spodní části. Kvalitní stratifikační zásobníky, oproti běžným bez vrstvení, umožňují dodávat teplo o požadované teplotě (bez potřeby dohřevu) do okruhu spotřeby již během náběhu akumulačního zásobníku, což samozřejmě zvyšuje solární podíl solární soustavy. Navíc spodní část zásobníku zůstává chladná až do úplného nabití a na vstupu do solárních kolektorů se udržuje během nabíjení zásobníku nízká teplota, což zaručuje vysokou účinnost. Použití stratifikačního zásobníku je zásadně výhodné u soustav s nízkým průtokem (low-flow), u kterých je možné na výstupu z kolektoru docílit vysokých teplot, při zachování nízkých teplot na vstupu.

Teplotní stratifikace objemu zásobníku může probíhat do určité míry přirozeně volným prouděním, např. u vysokých a štíhlých zásobníků, nebo zejména řízeně při použití tzv. stratifikačních vestaveb. Na obr. 2 jsou uvedeny různé typy řízení stratifikace. První způsob (vlevo) je řízení stratifikace ovládanými ventily na základě porovnávání teploty v dané vrstvě zásobníku a teploty přiváděné teplonosné látky. Přívodní potrubí s ventily do zásobníku je nutné dimenzovat s ohledem na nízkou vstupní rychlost a konstrukčně řešit tak, aby přiváděný proud nenarušil teplotní rozvrstvení objemu zásobníku. Jednodušším způsobem bez nároku na regulaci a elektrickou energii jsou samočinné trubkové vestavby, které pracují na základě rozdílu hustot mezi přiváděnou teplonosnou látkou z výměníku a vrstvami akumulačního zásobníku. Teplonosná látka o hustotě ρ (kg/m3) je přiváděna vždy pod vrstvu, která má nižší hustotu. Trubkové vestavby (uprostřed) jsou levné prvky, zpravidla z plastového PVC potrubí. Odbočky jsou často vybaveny velmi lehkými plovoucími zpětnými klapkami, které zabraňují znehodnocení teploty přiváděné teplonosné látky přisáváním z dolní chladnější části zásobníku. Speciální talířové vestavby (vpravo) mají toto vyřešeno vlastní konstrukcí (přirozená-gravitační zpětná klapka). U trubkových vestaveb je důležité udržet nízkou rychlost v přiváděcím potrubí pod 0,1 m/s, aby nebylo teplotní rozvrstvení narušeno účinkem kinetické energie proudu.


Obr. 2 - Různé typy řízené stratifikace

ZÁSOBNÍKY TEPLA SE ZMĚNOU SKUPENSTVÍ

Změna skupenství (fáze) pevná látka - kapalina (tání, tuhnutí) je provázená uvolněním, resp. jímáním, skupenského tepla tání, někdy nazývaného též latentní teplo tání nebo vázané teplo. Akumulace tepla s využitím změny skupenství látek poskytuje mnohem větší akumulační kapacitu oproti akumulaci citelného tepla při stejném teplotním rozdílu Δ T (viz obr. 3). Změna skupenství kapalina - plyn (vypařování, srážení) není prakticky vhodná pro akumulaci energie vzhledem k velké změně objemu akumulační látky s tím spojené.

Látky vhodné pro akumulaci tepla se změnou skupenství (Phase Change Materials - PCM) by se měly vyznačovat především vysokou hodnotou skupenského tepla tání lt (kJ/kg), vysokou tepelnou vodivostí λ (W/m.K) a bodem tání Tt (°C) ležícím ve vhodném rozsahu pro danou aplikaci (u solárních soustav 35 až 70 °C, nejčastěji 40 až 50 °C). Z hlediska praktického použití by PCM měly být chemicky stálé, levné, netoxické a nekorozivní. Důležitá je také stabilita vlastností při dlouhodobém cyklickém použití a omezení jevů jako přechlazování akumulační látky, vylučování fáze, atd. Posledních 40 let byly vyvíjeny a zkoumány látky především na bázi hydratovaných solí, parafinových vosků, mastných kyselin a eutektik organických a anorganických látek.

Komerční (technické) parafinové vosky jsou levné s průměrnou hodnotou skupenského tepla tání (lt ~ 200 kJ/kg nebo 150 MJ/m3) a velkým rozsahem teplot tání (od 30 do 70 °C, nejběžnější parafiny mají teploty tání Tt = 44, 53, 64 °C). Vyznačují se chemickou netečností, minimálním přechlazováním, bez vylučování fáze. Nicméně, mají nízkou tepelnou vodivost (λ ~ 0,2 W/m.K) a je nutné je kombinovat s kovovými matricemi, lamelami a výplňovými strukturami pro zvýšení vodivosti.

Vhodnými kandidáty pro zásobníky se změnou skupenství jsou mastné kyseliny (kaprinová, laurová, palmitová, stearová) a jejich binární směsi. Teplota tání kyselin leží v rozsahu od 30 do 65 °C, skupenské teplo tání se pohybuje od 150 do 180 kJ/kg.

Hydratované soli jsou výraznými látkami z hlediska jejich vysoké hodnoty skupenského tepla tání v objemovém vyjádření (lt ~ 350 MJ/m3), relativně vysoké tepelné vodivosti (λ ~ 0,5 W/m.K) a nízké ceny srovnatelné s parafiny. Nejznámější je Glauberova sůl (Na2SO4 . H2O s poměrem 44 % Na2SO4 a 56 % H2O) s teplotou tání 32,4 °C a skupenským teplem tání 254 kJ/kg (377 MJ/m3), která je jedním z nejlevnějších materiálů pro akumulaci se změnou skupenství. Použití solí je však omezeno vzhledem k problémům s vylučováním fáze a s přechlazováním, dlouhodobě se také snižuje jejich akumulační hustota. Tyto překážky lze překonat zatím pouze za cenu snížení tepelně-akumulačních parametrů vlastní látky.


Obr. 3 - Porovnání akumulační kapacity zásobníku citelného tepla
(vodní) a zásobníku tepla se změnou skupenství (PCM zásobník)

Použití zásobníků tepla se změnou skupenství v solárních aplikacích má několik výhod. První z nich je již zmíněná vysoká akumulační schopnost při malých rozdílech teplot, což vede ke snížení potřebného objemu zásobníku a úspoře prostoru ve strojovnách. Druhou podstatnou výhodou je využití přebytků ve špičkách příkonu sluneční energie a eliminace podmínek tzv. chodu naprázdno (stagnace). Na obr. 4 je znázorněn průběh nabíjení solárního zásobníku během letního slunného dne v případě, že během předchozího dne nebyl zásobník zcela vybit (nižší odběr) nebo byl z pohotovostních důvodů udržován např. dodatkovým zdrojem tepla na teplotě 40 °C. Solární vodní zásobník dosahuje limitní teploty pro zásobník 85 °C již zhruba okolo slunečního poledne a po zbytek dne nejsou solární zisky z kolektoru odebírány (stagnace, maření zisků v kolektoru). U solárního zásobníku s látkou procházející změnou skupenství při Tt = 50 °C dochází k akumulaci skupenského tepla během tavení objemu zásobníku, a dále (zhruba od 12h) pokračuje akumulace citelného tepla (v závislosti na měrné tepelné kapacitě látky v kapalném skupenství). Ke stagnačním podmínkám během dne vůbec nedojde, solární zisky jsou akumulovány v zásobníku tepla. Akumulované teplo v zásobníku je nyní možné využít pro běžný odběr např. TUV při teplotě 50 °C cca 2 dny bez slunečního záření. To vede k vyššímu solárnímu podílu solárních soustav a k omezení provozně nepříznivých jevů doprovázejících stagnaci.


Obr. 4 - Průběh teplot při nabíjení vodního zásobníku a zásobníku se změnou
skupenství v solární soustavě

LITERATURA

[1] Kramoliš, P.: Zásobníky tepla

[2] Farid, M.M., a kol.: A review on phase change energy storage: materials and applications, Energy Conversion and Management, 45 (2004), pp. 1597-1615. Elsevier Ltd.

 

Hodnotit:  

Datum: 24.10.2005
Autor: Ing. Tomáš Matuška, PhD.   všechny články autora
Organizace: ČVUT, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Google+  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (5 příspěvků, poslední 16.02.2010 13:39)


Projekty 2017

 
 

Aktuální články na ESTAV.czJak vyčistit vzduch ve městech? Stěna z mechu může pomociJak bezpečněji bydlet se dozvěděli účastníci konference ESTAV.czDruhý den právní poradny zdarma na stánku ESTAV.czJaké jsou nejlepší výrobky a stánky na veletrhu FOR ARCH 2017? A kdo je architektem roku?