Wspomaganie zasilania instalacji c.w.u. i niskotemperaturowych systemów grzewczych (1). Ukryty kolektor

zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Świadomość konieczności wykorzystania odnawialnych źródeł energii do zasilania systemów ogrzewania i ciepłej wody użytkowej w budynkach jest coraz bardziej powszechna. Nie przekłada się ona jednak na znaczące zwiększenie zastosowania technologii wykorzystujących odnawialne źródła energii w budynkach nowo projektowanych i poddawanych termomodernizacji. Czynników wpływających na ograniczenie zastosowania nowoczesnych technologii i rozwiązań jest wiele, między innymi techniczne (ograniczona wydajność) i ekonomiczne (wysoki koszt początkowy i utrzymania).

Ważnym elementem systemów dostarczających energię ze źródeł odnawialnych do budynków są kolektory słoneczne. Urządzenia tego typu osiągnęły już bardzo wysoką wydajność, a są przy tym stosunkowo tanie. Nadal jednak barierą w ich powszechnym wykorzystaniu są zbyt wysokie koszty początkowe i utrzymania. Poza czynnikami natury ekonomicznej szerokie wykorzystanie kolektorów słonecznych ogranicza ich negatywny wpływ na estetykę budynków [1].

W artykule zostanie przedstawiony bardzo tani, ukryty kolektor słoneczny (UKS), który może zostać wykorzystany do wspomagania zasilania systemów ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) oraz nisko-temperaturowych systemów ogrzewania. UKS charakteryzuje się niską wydajnością, ale może być stosowany na całej powierzchni dachu budynku, nie wpływając na jego estetykę. Ukryte w konstrukcji dachu budynku kolektory słoneczne są już stosowane w praktyce [2], ale w literaturze brak wyników badań ich wydajności i parametrów pracy.

Zysk z promieniowania
Analizując źródła zapotrzebowania na energię w budynkach (bez klimatyzacji), można wyodrębnić dwa podstawowe źródła strat: ogrzewanie (z uwzględnieniem podgrzania powietrza wentylacyjnego) i podgrzewanie ciepłej wody użytkowej. Ich udział w zapotrzebowaniu budynku na energię zwykle przekracza 80%. Z punktu widzenia możliwości pozyskania i wykorzystania energii odnawialnej oba źródła zapotrzebowania na energię różnią się zasadniczo. Zapotrzebowanie na energię do podgrzania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) występuje przez cały rok i głównie w czasie dnia. Zapotrzebowanie na energię do ogrzewania występuje wyłącznie w okresie tzw. sezonu grzewczego, co w zależności od warunków klimatycznych, odpowiada w Polsce okresowi od października do kwietnia. Okres ten może ulegać zmianom związanym z bieżącymi warunkami klimatycznymi i preferencjami użytkowników budynków. Powyższe różnice prowadzą do zupełnie różnych strategii pozyskiwania i dostarczania energii ze źródeł odnawialnych.

Najbardziej dostępnym odnawialnym źródłem energii jest promieniowanie słoneczne. Nawet w strefie klimatycznej, w której znajduje się Polska, ilość energii słonecznej padającej na powierzchnię ziemi znacznie przekracza aktualne, całkowite zapotrzebowanie na energię. Jednak obecnie wykorzystuje się tylko nieznaczną część dostępnej energii słonecznej.

Rozważając dwa źródła zapotrzebowania na energię (ogrzewanie i c.w.u.), lokalne systemy dostarczające energię odnawialną można podzielić funkcjonalnie na trzy główne komponenty: komponent pozyskujący energię, komponent przechowujący energię oraz komponent ekstrahujący energię z magazynu i dystrybuujący energię wewnątrz budynku. W konkretnym rozwiązaniu nie wszystkie komponenty muszą wystąpić, mogą pełnić tylko część funkcji lub być uzupełnione dodatkowymi elementami (funkcjami).

Głównym problemem związanym z wykorzystaniem energii słonecznej jest jej przechowywanie. Skala problemu jest różna w zależności od źródła zapotrzebowania na energię. W przypadku systemów podgrzewania ciepłej wody użytkowej istnieją rozwiązania umożliwiające krótkookresowe (kilka lub kilkanaście godzin) przechowywanie energii, co wystarcza na pokrycie znacznie zmniejszonego zapotrzebowania na energię w nocy, kiedy energia słoneczna jest niedostępna. Do tego celu używa się zwykle materiałów fazowo zmiennych lub wody. Takie rozwiązania nie sprawdzają się w okresie zimowym i muszą być wspomagane systemami zasilanymi z tradycyjnych (nieodnawialnych) źródeł energii. Całkowita roczna wydajność systemów c.w.u. zasilanych energią słoneczną może przekroczyć nawet 60%, co jest bardzo dobrym wynikiem.

Przechowywanie energii na potrzeby systemów ogrzewania jest poważniejszym problemem i znacznie większym wyzwaniem dla badaczy i inżynierów. Trudność związana jest nie tyle z możliwą do zgromadzenia ilością energii, co z temperaturą źródła (magazynu energii). Najczęściej stosowanymi mediami przenoszącymi energię z magazynu, poprzez system dystrybucji do urządzeń konwertujących energię na użyteczne ciepło do ogrzewania powietrza wewnątrz pomieszczeń, są woda i powietrze (rzadziej). Wydajność procesu transportu energii z magazynu do medium przenoszącego energię w systemie dystrybucji zależy od kilku czynników. W praktyce decyduje przede wszystkim różnica temperatur pomiędzy temperaturą magazynu a temperaturą operacyjną (wymaganą przez system dystrybucji) medium przenoszącego energię. Im większa różnica temperatur, tym większa wydajność. Należy przy tym zauważyć, że temperatura magazynu musi być wyższa od temperatury operacyjnej medium przenoszącego energię, a nie od jego bieżącej temperatury rzeczywistej. W zależności od zastosowanego systemu ogrzewania temperatura operacyjna medium przenoszącego energię może wynosić około 22°C dla ogrzewania powietrznego, 30°C dla ogrzewania powierzchniowego (podłogowego, ściennego), 45-55°C dla ogrzewania radiatorowego. Wartości temperatur operacyjnych mogą się różnić w zależności od konkretnego rozwiązania technicznego.

W związku z powyższym najniższa temperatura magazynu energii, w przeciągu całego sezonu grzewczego, musi być bardzo wysoka i bez względu na rodzaj systemu grzewczego nie może być niższa niż 35°C, a może sięgać nawet 60°C. Biorąc pod uwagę fakt, że napełnianie magazynu energią słoneczną możliwe jest głównie w okresie pomiędzy majem a wrześniem, utrzymanie tak wysokich temperatur magazynu energii w sezonie grzewczym jest bardzo trudne i wymaga budowy specjalnych, kosztownych konstrukcji, które ograniczają do minimum straty ciepła z magazynu. W takich konstrukcjach do gromadzenia energii wykorzystuje się materiały o dużej wartości ciepła właściwego (przy stałym ciśnieniu), głównie grunt lub wodę. Specjalne konstrukcje magazynów przeznaczonych do długookresowego przechowywania energii są drogie i mają zastosowanie głównie w systemach zasilania obszarowego.

Nowe pomysły
W ostatnich kilku latach pojawiły się nowe rozwiązania systemów ogrzewania, które mogą być zasilane energią ze źródeł o bardzo niskiej temperaturze, wynoszącej około 25°C, np. [3]. W tym samym okresie czasu nastąpiło znaczące zmniejszenie średniej wartości strat ciepła przez przegrody nieprzezroczyste i przezroczyste budynków nowo projektowanych i termomodernizowanych, co zmniejszyło zauważalnie zapotrzebowanie budynków na energię. Wymagana, minimalna temperatura źródła ciepła, wynosząca 25°C, w połączeniu ze zmniejszonym zapotrzebowaniem budynku na energię, pozwala wykorzystać grunt pod budynkiem do długookresowego magazynowania energii. Magazyny energii o tak niskiej temperaturze mogą być również wykorzystywane do wstępnego podgrzewu, np. powietrza wentylacyjnego, powietrza w systemach ogrzewania powietrznego.

Niskie wartości wymaganych parametrów cieplnych bardzo niskotemperaturowych magazynów energii pozwalają na zastosowanie do pozyskiwania energii słonecznej znacznie bardziej ekonomicznych, ale o mniejszej wydajności, kolektorów słonecznych, np. ukrytych kolektorów słonecznych.

dr hab. inż. Marek Krzaczek

Literatura:
1. Chan, Saffa B., Riffat, Jie Zhu, “Review of passive solar heating and cooling technologies”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) 781-789.
2. Ciepły dach systemu Isomax.
3. M. Krzaczek, Z. Kowalczuk, “Thermal Barrier as a technique of indirect heating and cooling for residential buildings”, Energy and Buildings, 43, 823-837, 2011.

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij