2022-10-10 08:06:58 
Woda jako nośnik i magazyn energii
Woda jako związek chemiczny charakteryzuje się wieloma niezwykłymi własnościami - m.in. najwyższym ze wszystkich materiałów masowym ciepłem właściwym, które wynosi 4,19 kJ/kg × K, ale w przypadku wykorzystania jej jako akumulatora ciepła możliwości w tym zakresie są ograniczone stosunkowo niską gęstością objętościową (ok. 1 kg/dm3) i temperaturą nie większą niż 100°C.
Zmagazynowanie więc znacznej energii cieplnej wymagać będzie wykorzystania zbiorników wodnych o dużej pojemności, a jej użyteczna ilość uzależniona będzie również od różnicy temperatur przechowywania i poboru.
Wyliczenie zgromadzonej energii polega na przemnożeniu ciepła właściwego wody, jej różnicy temperatur i objętości.
Przykładowo w zbiorniku o pojemności 100 litrów przechowywana jest woda o temperaturze 90°C, a najniższa temperatura użyteczna wynosi np. 50°C. Ilość zgromadzonej w zbiorniku energii cieplnej wyniesie więc 4,19 kJ/kg K × 100 kg × (90°C-50°C) = 16760 kJ, co jest równoważne energii 4,66 kWh.
Stosownie do przeznaczenia dobierana jest odpowiednia pojemność zbiornika, którą określa się na podstawie wytycznych producenta źródła ciepła lub wylicza indywidualnie dla konkretnych instalacji z uwzględnieniem założeń priorytetowych - minimalizacji kosztów eksploatacyjnych lub komfortu użytkowania.
Bufor w instalacji grzewczej z kotłem na paliwo stałe
Nawet bardzo rozbudowany system sterowania mocą kotła na paliwo stałe nie jest w stanie precyzyjnie dostosowywać proces spalania do aktualnych potrzeb grzewczych, przy czym musi być również utrzymywana dostatecznie wysoka temperatura wody na powrocie, ze względu na m.in. ochronę antykorozyjną wymiennika i prawidłowe odprowadzenie spalin.
Zbiorniki buforowe przeznaczone są głównie do okresowego wyrównywania temperatury w instalacji redukując jej wahania spowodowane nierównomierną pracą kotła zwłaszcza węglowego pracującego w trybie zasypowym.
Ich pojemność najczęściej nie przekracza 300 litrów i są szczególnie zalecane przy zasilaniu ogrzewania podłogowego z kotła na paliwo stałe.
Dobrym rozwiązaniem w takich instalacjach będzie zamontowanie zbiornika z wężownicą, co pozwoli na rozdzielenie otwartego obiegu kotłowego od cyrkulacji zamkniętej po stronie grzejnikowej - zastąpi on wtedy również wymiennik płytowy.
Dzięki takiemu rozwiązaniu można zapewnić płynne, niskotemperaturowe zasilanie instalacji grzejnej, która może pracować w obiegu zamkniętym z oddzielną pompą i ciśnieniowym naczyniem wzbiorczym.
Instalacja grzewcza z kotłem zgazyfikujacym drewno ze względu na wymagania temperaturowe dla prawidłowej jego pracy musi być wyposażona w zbiornik buforowy nawet o pojemności do 500 litrów, co zapewni długotrwałe utrzymywanie pożądanej temperatury grzewczej i ograniczenie czynności przy obsłudze kotła.
Zbiornik buforowy niekiedy warto zamontować również w instalacji z pompą ciepła. Dzięki niemu część nagrzanej wody przez pompę pracująca w czasie taryfy nocnej można będzie wykorzystać o innej porze bez konieczności jej załączania.
Trzeba jednak przeliczyć, do jakiej temperatury powinna nagrzewać się woda w zbiorniku buforowym.
Gdy będzie zbyt wysoka to zmniejszy się efektywność pozyskiwania energii przez pompę ciepła i korzyści z niższej ceny prądu nie pokryją straty wynikającej z obniżenia COP.
Magazynowanie ciepła w zbiornikach akumulacyjnych
Magazynowanie energii cieplnej w cyklu dobowym, a nawet dłuższym stosowane jest zwłaszcza przy instalacjach grzewczych wykorzystujących do zasilania energię elektryczną pobieraną z sieci jak i w własnej instalacji wiatrowej czy PV.
Przy zasilaniu sieciowym pozwala to na obniżenie rachunków za prąd, gdyż ideą akumulacji w takich instalacjach jest ograniczenie jej zasilania to godzin pozwalających na korzystanie z tańszej taryfy cenowej.
W typowych warunkach, godziny niższej taryfy to z reguły 22-6 oraz 13-15, co w ciągu doby umożliwia korzystanie przez 10 godzin z taniego prądu.
W tym okresie instalacja grzewcza powinna zapewnić bieżące funkcjonowanie jak i ładowanie ciepłem zbiornika na pozostały okres, co w praktyce wymaga pobrania ok. dwukrotnie większej ilości energii elektrycznej.
Z kolei do ilości magazynowanej energii trzeba dopasować wielkość zbiornika akumulacyjnego, co wymaga przeprowadzenia odpowiednik obliczeń.
Przede wszystkim istotne będzie poznanie jednostkowych strat ciepła z powierzchni ogrzewanej, co można ustalić korzystając np. ze zużycia energii w poprzednich okresach lub posłużyć się orientacyjnymi wskaźnikami.
Ponieważ ogrzewanie elektryczne funkcjonuje najczęściej w nowych, odpowiednio ocieplonych domach, jako wartość wyjściową można przyjąć jednostkowe straty ciepła na poziomie 1 W/m2 K (w odniesieniu do powierzchni pomieszczeń).
Kolejne ustalenia to różnica temperatur na zewnętrza i wewnątrz domu – średniosezonowa wynosi ok. 15 K, ale w okresach większych spadków temperatur przyjmuje się 25 K, a optymalnie będzie to 20 K czyli 20°C wewnątrz i 0°C na zewnątrz.
Jednostkowe straty obliczeniowe wyniosą więc 20 W/m2, czyli ok. 2 kW w domu o powierzchni 100 m2. Ilość potrzebnej energii zakumulowanej w zbiorniku na okres 12 h bez zasilania to dla takiego domu wyniesie ok. 24 KWh.
Przyjmując wcześniej wyliczoną akumulację ciepła 4,66 kWh dla zbiornika 100 litrowego, na potrzeby tego domu należy wybrać zbiornik o pojemności 500-600 litrów, a moc zainstalowanych grzałek to ok. 4 kW.
Oczywiście powyższe wyliczenia należy traktować jako orientacyjne, dostosowane do względnie stabilnych warunków pogodowych i dostatecznej ciepłochronności domu.
W przypadku wykorzystywania zbiornika akumulacyjnego przy zasilaniu z własnej instalacji OZE, jego wielkość musi również uwzględniać moc nominalną zainstalowanych źródeł prądu jak i efektywność ich działania zwłaszcza w najmniej korzystnych okresach zimy.
Trzeba też uwzględnić nierównomierności wytwarzania prądu, która może trwać nawet przez kilka czy kilkanaście dni.
Przyjmując średniomiesięczną efektywność pozyskiwania energii z PV, ilość wytwarzanej energii elektrycznej w tym czasie wyniesie ok. 200 kWh z instalacji PV o mocy 10 kWp co w rozbiciu na dni teoretycznie zapewnia dzienny dopływ energii na poziomie 6,7 kW, zatem tylko w niewielkim stopniu pokryje to potrzeby energetyczne dla przykładowego domu, choć przy dobrej pogodzie w niektóre dni można liczyć na pełne zasilanie ogrzewania przez kilka godzin.
Natomiast potencjalnych korzyści z zainstalowania zbiornika akumulacyjnego w instalacji grzewczej zasilanej z PV można spodziewać się w cieplejszych miesiącach, ale dobranie optymalnej wielkości zbiornika to zadanie trudne do racjonalnego wyliczenia.
Zasobniki w instalacji c.w.u.
W instalacjach ciepłej wody użytkowej zasilanych systemu centralnego ogrzewania instalowane są oddzielne zbiorniki nazywane zasobnikami.
Mogą współpracować praktycznie z dowolnym źródłem ciepła - kotłem gazowym, na paliwo stałe, pompą ciepła czy instalacją solarną - a ich wielkość dobierana jest do planowanej wydajności poboru c.w.u. i w domach jednorodzinnych instalowane są najczęściej zasobniki o pojemnościach 100-200 litrów.
W celu zapewnienia komfortowego korzystania z ciepłej wody oprócz dostatecznej pojemności zasobnika, trzeba również ocenić efektywność przekazywania ciepła przesyłanego z kotła.
W dokumentacji zasobnika powinna być podane wartości mocy wymiany ciepła dla określonych parametrów wody grzejnej i zmagazynowanej.
Przykładowo w zasobniku o pojemności 150 l przekazywana moc grzejna określona przez producenta to 12 kW, pod warunkiem zasilania z kotła wodą o temperaturze 70°C, a w zbiorniku utrzymywana będzie temperatura 50°C i przy zasilaniu z sieci wodociągowej wodą o temperaturze 10°C.
Wartości te odnoszą się do określonego przepływu po stronie grzejnej, który zależy od wydajności pompy obiegowej kotła.
Moc wymiany ciepła w zasobniku wpływa na stabilność temperatury c.w.u. zwłaszcza przy dłuższym i intensywnym jej czerpaniu, gdyż zbyt mała spowoduje odczuwalny, powolny jej spadek.
autor: Redakcja BudownicwaB2B
Opracowanie: Aleksander Rembisz
Zdjęcia: NIBE, Galmet, Ermet, OEM Energy
Komentarze