Zpět

Využitie materiálov s fázovou premenou vo vodných zásobníkoch tepla

Azda najvážnejším problémom ľudstva v 21. storočí je udržateľnosť rozvoja. Využívať prírodné zdroje len v takej miere, v akej budú môcť ich využívať aj budúce generácie je bezpochyby vznešený cieľ. Vzhľadom na vyčerpateľnosť prírodných zdrojov Zeme a na zvyšovanie spotreby rastúcim počtom ľudí však z hľadiska dlhodobej perspektívy je skôr fikcia než reálna perspektíva.

Publikováno: 29.07.2009
Rubrika:
Autor: (red)

V súvislosti s tým zvláštne postavenie má zásobovanie energiou. Kým značná časť materiálnych produktov sa dá recyklovať, energetické suroviny po úplnom vyčerpaní ich exergie sú pre nás navždy stratené. Preto svetové zásoby fosílnych palív sa vyčerpajú v historicky krátkom čase aj pri ich najšetrnejšom využívaní (zásoby ropy a zemného plynu pravdepodobne už v tomto storočí). Napriek tomu teoreticky je možné dosiahnuť trvalú udržateľnosť zásobovania energiou, lebo Slnko ešte miliardy rokov bude vyžarovať na Zem za hodinu viac energie než je celková ročná spotreba Zeme.

Ťažko riešiteľným problémom je však nízka energetická hustota. Preto trvalo udržateľné zásobovanie energiou sa stane definitívne realitou pravdepodobne až po vytvorení „Slnka v malom“ v zemských podmienkach, presnejšie po vyriešení problémov súvisiacich s komerčným využívaním termojadrovej reakcie na tento účel. Ak sa to vôbec podarí v tomto storočí, tak len tesne pred jeho koncom. Nič iné nám teda neostáva než využívať fosílne zdroje energie čo najracionálnejšie, To znamená aj ich nahradenie obnoviteľnými zdrojmi všade tam, kde je to technicky možné a ekonomicky prijateľné.

Obnoviteľné zdroje predstavujú formy solárnej energie a ich dostupnosť je silne ovplyvnená meniacimi sa poveternostnými podmienkami. Preto efektívnosť využívania obnoviteľných zdrojov v rozhodujúcej miere závisí od dokonalosti akumulácie energie, ktoré z nich môžeme získať.

Akumuláciu solárnej energie, a to dokonca dlhodobú, elegantne vyriešila príroda procesom fotosyntézy, v ktorom sa vytvára biomasa. Energetickým využívaním biomasy je možné pri zásobovaní budov teplom fosílne palivá teoreticky úplne nahradiť, lebo prostredníctvom fotosyntézy sa akumuluje asi desaťnásobok celkovej svetovej spotreby energie.

Z rôznych dôvodov však možno na tento účel využiť len jej veľmi malú časť. Napriek tomu v budúcnosti môže mať dominantné postavenie pri udržateľnom zásobovaní teplom hlavne nízkoenergetických a pasívnych domov. Vzhľadom na rastúce požiadavky na environmentálnu čistotu technológií výroby tepla by však mala byť kombinovaná s priamym využívaním energie slnečného žiarenia pomocou solárnych kolektorov a/alebo nepriamym využívaním tejto energie akumulovanej v prírodzenom pevnom, kvapalnom alebo plynnom prostredí pomocou tepelného čerpadla.

Taký systém zásobovania teplom možno považovať za kvázi plnosolárne. Efektívnosť využívania týchto foriem solárnej energie ako nevyčerpateľného zdroja „najčistejšej“ energie vzhľadom na ich premenlivú dostupnosť (hlavne žiarivej energie) v rozhodujúcej miere závisí od technológií využívaných na akumuláciu získaného solárneho tepla.

FUNKCIA ZÁSOBNÍKA TEPLA V SOLÁRNYCH SYSTÉMOCH
Solárna energia sa v súčasnosti najčastejšie využíva na prípravu teplej vody. Mnohí užívatelia si príliš uvedomujú, že Slnko za teplo účty neposiela a spotrebúvajú neprimerane veľa teplej vody. Môžu ich však nepríjemne prekvapiť účty od vodárenskej spoločnosti. Iní zase úzkostlivo šetria vodou a spotrebúvajú aj pri prebytku slnečného žiarenia neprimerane málo teplej vody, ktorá preto ostane dlho v zásobníku, cez steny ktorej sa tak stráca veľa tepla.

V budúcnosti v kvázi plnosolárnych systémoch zásobovania teplom preto bude zrejme dominovať kombinované využívanie solárnej energie na prípravu teplej vody a na vykurovanie. Ako je zrejmé aj zo spomínaného obrázku zásobník tepla v týchto systémoch plní funkciu akéhosi energetického manažéra. Na jednej strane sa nabíja teplom zo solárnych kolektorov a z hlavného zdroja tepla, na druhej strane zásobuje spotrebiče tepla.

Hlavným zdrojom tepla pritom môže byť kotol na pevné biopalivo (palivové drevo, drevené pelety, brikety prípadne štiepky alebo tepelné čerpadlo. Pre zásobovanie teplom nízkoenergetických a pasívnych domov môžu byť zmysluplne aplikovateľné aj krby, hlavne tzv. krbokotly, ktoré pomocou teplovodného výmenníka je možné integrovať aj do klasického teplovodného vykurovacieho systému pri jeho obnove namiesto bežného kotla. Tak krby, ktoré sú stále viac obľúbené skôr ako veľmi estetické doplnky k vybaveniu domácností, môžu plniť súčasne aj funkciu hlavného zdroja tepla. Na rozdiel od tradičných kotlov umiestnených spravidla v suteréne sú situované v obývaných miestnostiach, v ktorých môžu vytvárať
veľmi príjemné, romantické prostredie.

Spotrebiče tepla môžu byť klasické konvekčné vykurovacie telesá, veľkoplošné sálavé vykurovanie, fan coily alebo výmenníky na prípravu teplej vody. Teplo ušetrené znížením spotreby teplej vody sa využije na podporu vykurovania pri nižších vonkajších teplotách.

FYZIKÁLNO-CHEMICKÉ PRINCÍPY AKUMULÁCIE TEPLA
Na akumuláciu solárneho tepla sa využívajú hlavne nasledovné tri fyzikálno-chemické princípy:

  • Akumulácia citeľného tepla je najjednoduchší a v súčasnosti najrozšírenejší spôsob akumulácie solárneho tepla. Je založená na ohrievaní pracovnej látky s veľkou tepelnou kapacitou. Najčastejšie je to voda, ktorá má najväčšiu tepelnú kapacitu zo všetkých materiálov používaných na tento účel. Pri nabíjaní akumulátora sa ohrieva pracovná látka prostredníctvom teplonosnej látky cirkulujúcej v solárnom okruhu (solárna kvapalina) bez fázovej premeny a množstvo akumulovaného tepla sa dá vyjadriť vzťahom:
    kde:
    m – hmotnosť pracovnej látky (kg),
    C – tepelná kapacita pracovnej látky (J/kg),
    c – špecifická tepelná kapacita (J/kg.K),
    r – hustota pracovnej látky (kg/m3),
    V – objem zásobníka (m3),
    1 t – počiatočná teplota (°C),
    2 t – konečná teplota pracovnej látky (°C).

    Pri vybíjaní je toto teplo odvedené vykurovacou vodou k spotrebičom.
     

  • Na rozdiel od akumulácie citeľného tepla pri akumulácii latentného tepla pracovná látka prechádza v teplotnom intervale využívania fázovou premenou. Pri nabíjaní akumulátora je to spravidla izobarickoizotermické tavenie, pri ktorom pracovná látka prijíma latentné teplo a pri vybíjaní izobaricko-izotermické tuhnutie, pri ktorom je toto teplo odvedené k spotrebičom. Materiály využívané na tento účel sú známe z anglickej odbornej literatúry ako PCM (Phase Change Materials). Napriek tomu, že hovoríme o akumulácii latentného tepla, celkové akumulované množstvo tepla je dané súčtom citeľného tepla prijatého pri ohrievaní na teplotu tavenia, zo samotného latentného tepla a citeľného tepla prijatého pri ohrievaní nad teplotou tavenia:

    kde:
    PCM l – latentné teplo PCM.
     
  • Sorpcia alebo chemicko-tepelné reakcie umožňujú tiež akumuláciu tepla. Hlavným princípom je reakcia typu: AB + teplo ↔ A+B; vplyvom privedeného tepla zlúčenina AB sa rozpadne na zložky A a B, ktoré môžu byť skladované oddelene; pri zlúčení A a B na AB sa uvoľní teplo a využije sa na napájanie spotrebičov. Tepelná kapacita akumulácie je reakčné teplo, alebo voľná energia reakcie.

PRACOVNÉ LÁTKY VYUŽÍVANÉ PRE AKUMULÁCIU TEPLA
Kľúčový význam pre efektívnu akumuláciu má voľba pracovnej látky, ktorá má vyhovovať rôznym požiadavkám.

Najdôležitejšou vlastnosťou je akumulačná schopnosť látky, ktorá je daná hodnotou špecifickej tepelnej kapacity.

Z látok využívaných na akumuláciu citeľného tepla najväčšiu akumulačnú schopnosť má voda, ktorá je zároveň aj najlacnejšia a najdostupnejšia. Táto skutočnosť v určitej miere limituje uplatnenie ostatných pracovných látok. Pre zásobovanie teplovodných vykurovacích systémov vodné akumulátory v súčasnosti prakticky nemajú konkurenciu.

Vývoj nízkoenergetickej výstavby bude mať za následok zvyšovanie podielu teplovzdušných vykurovacích systémov, v ktorých na akumuláciu tepla môžu byť výhodnejšie tuhé látky, napr. zemina, štrk, betón a rôzne iné stavebné materiály. Pri vhodných úpravách je možné využiť na akumuláciu tepla priamo niektoré stavebné konštrukcie.

Medzi najznámejšie z PCM patria Glauberova soľ, parafín a nátriumthiosulfát. Podľa veľkosti špecifickej tepelnej kapacity špecifického skupenského tepla je z nich najvýhodnejšia Glauberova soľ (1,79 kJ/kg.K, resp. 243 kJ/kg). Tá však má nevýhodu relatívne nízkej teploty tavenia (32 °C). Z hľadiska teploty tavenia sú parafín a nátriumthiosulfát veľmi vhodné (54 °C, resp. 50 °C). V rámci výskumu a vývoja materiálov s fázovou premenou sú skúšané aj rôzne iné materiály. Na obr. 1. sú porovnané akumulačné schopnosti najčastejšie používaných PCM s akumuláciou do citeľného tepla vody a kameniva.


Obr. 1 Porovnanie akumulácie latentného a citeľného tepla

Tepelno-chemické akumulačné materiály majú najvyššiu akumulačnú kapacitu zo všetkých akumulačných médií.

Niektoré materiály môžu mať porovnateľnú hustotu ako biomasa. Pevný silikagel má akumulačnú kapacitu 4 krát väčšiu než voda. Využívanie chemických reakcií pre akumuláciu tepla je predmetom intenzívneho výskumu a vývoja podporovaného medzinárodnou energetickou agentúrou (IEA). Táto technológia je zvládnutá zatiaľ len v laboratórnych podmienkach. Najväčším problémom, ktorý bude nutné vyriešiť je vysoká nákladovosť v porovnaní s inými technológiami akumulácie, hlavne s vodnými akumulátormi.

VODNÉ AKUMULÁTORY A PERSPEKTÍVY ICH ZDOKONAĽOVANIA
Akumulačná schopnosť vody je daná fyzikálnymi vlastnosťami, ktoré ovplyvniť nevieme. Možnosti znižovania tepelných strát prechodom do okolia sú tiež obmedzené hospodárnou hrúbkou izolácie. Zdokonaľovanie konštrukčného prevedenia vodného akumulátora je však stále aktuálne. V prípade krátkodobej akumulácie sa to môže týkať najmä optimalizácie nabíjania a vybíjania akumulátora pri využívaní teplotného vrstvenia vody, jeho integrácie do systému kvázi plnosolárneho zásobovania a inteligentného riadenia jeho prevádzky tak, aby optimálne plnil úlohu energetického manažéra systému. Význam teplotného vrstvenia je zrejmé z jednoduchého porovnania dvoch zásobníkov s rovnakým objemom. Prvý má v celom objeme rovnakú teplotu 30 °C, druhý v hornej polovici vodu o teplote 50 °C a v dolnej polovici o teplote 10 °C.

V obidvoch zásobníkoch je akumulované rovnaké množstvo tepla, napriek tomu prvý zásobník je z hľadiska využitia bezcenný, kým druhý možno využiť pri zásobovaní teplom.
Napriek tomu, že voda má veľmi dobrú akumulačnú schopnosť v mnohých aplikáciach vychádzajú vodné akumulátory príliš objemné a ich realizácia je investične náročná. Táto skutočnosť limituje možnosti sezónnej akumulácie tepla v železobetónových akumulátoroch v systémoch centralizovaného zásobovania teplom podľa princípu ilustrovaného na obr. 2.


Obr. 2 Princíp sezónnej akumulácie solárneho tepla podľa demonštračného projektu Fridrichshafen-Wiggenhausen

Hlavné parametre (veľkosť kolektorového poľa, objem zásobníka a merné náklady zásobníka) niektorých systémov realizovaných na základe koncepcie podľa obr. 2 v Nemecku sú nasledovné:

Hannover: 1350 m2, 2750 m3, 240 €/m3
Hamburg: 3000 m2, 4500 m3, 205 €/m3
München: 2900 m2, 5700 m3, 1600 €/m3
Fridrichshafen: 5600 m2, 12000 m3, 120 €/m3

Podľa týchto parametrov merné náklady zásobníka so zväčšovaním objemu pomerne výrazne klesajú. Napriek tomu ekonomická efektívnosť takých systémov aj v dôsledku vysokej nákladovosti sezónnej akumulácie tepla je pre potenciálnych investorov dosť demotivujúca. Také riešenia v súčasnosti bez finančnej podpory zo strany energetickej politiky nie sú konkurencieschopné.

Hľadanie možností zvyšovania akumulačnej kapacity vodných zásobníkov tepla, pri ktorých úspora nákladov v dôsledku zmenšenia potrebného objemu je väčšia než zvýšenie nákladov spôsobeného používaním drahšíeho akumulačného materiálu je obľúbenou témou intenzívneho výskumu v mnohých výskumno-vývojových inštitúciach.

Tak pri sezónnej ako aj pri krátkodobej akumulácii solárneho tepla výhradnú akumuláciu do citeľného tepla vody je možné kombinovať s akumuláciou do latentného tepla. Podľa druhu a množstva použitého PCM je možné dosiahnuť výrazné zvýšenie akumulačnej schopnosti. Podľa dostupných informácií väčší pokrok sa dosiahol pri využívaní PCM materiálov vo vodných zásobníkoch pre krátkodobú akumuláciu tepla. Veľký význam pritom má aj správne situovanie PCM v teplotne zvrstvenom zásobníku. Vo zvrstvenom zásobníku pre krátkodobú akumuláciu môže byť výhodná kombinácia dvoch rôznych PCM s rôznymi teplotami tavenia podľa princípu znázorneného na obr. 3.

Medzi aktuálne trendy vývoja vodných zásobníkov patrí aj integrovanie tepelného zdroja do zásobníka, čo umožňuje minimalizovať tepelné straty. Princíp integrovania plynového horáka do vodného zásobníka je zrejmý z obr. 3. Úspešne bola zvládnutá aj integrácia kotla na biopelety rakúskou firmou SOLARFOCUS.


Obr. 3 Princíp integrovania PCM modulov a plynového horáka do zvrstveného vodného zásobníka

Možnosti využívania PCM na akumuláciu solárneho tepla sú predmetom intenzívneho výskumu mnohých významných vedecko-výskumných inštitúcií.

Na vlastnosti PCM sú kladené vysoké nároky, hlavne:
Možnosti využívania PCM na akumuláciu solárneho tepla sú predmetom intenzívneho výskumu mnohých významných vedecko-výskumných inštitúcií.

Na vlastnosti PCM sú kladené vysoké nároky, hlavne:

  • teplota fázovej premeny v intervale pracovných teplôt,
  • veľké skupenské teplo,
  • veľká špecifická tepelná kapacita, tepelná vodivosť a hustota,
  • nehorľavosť, nevýbušnosť a nejedovatosť,
  • bez korozívneho účinku,
  • nízka cena.

Ideálny PCM, ktorý v maximálnej miere vyhovuje všetkým požiadavkám, pochopiteľne neexistuje. V praxi musíme sa vždy uspokojiť určitým vyhovujúcim kompromisom.

V laboratórnych podmienkach je skúšaná celá škála PCM, ktoré možno rozdeliť do dvoch veľkých skupín:

  • anorganické,
  • organické.

Najdôležitejšie vlastnosti pre vybrané anorganické PCM sú uvedené v tab. 1. a pre organické v tab. 2.

Ideálny PCM, ktorý v maximálnej miere vyhovuje všetkým požiadavkám, pochopiteľne neexistuje. V praxi musíme sa vždy uspokojiť určitým vyhovujúcim kompromisom.

V laboratórnych podmienkach je skúšaná celá škála PCM, ktoré možno rozdeliť do dvoch veľkých skupín:

  • anorganické,
  • organické.

Najdôležitejšie vlastnosti pre vybrané anorganické PCM sú uvedené v tab. 1. a pre organické v tab. 2.

Chemická značka
PCM
Teplota tavenia
(°C)
Skupenské teplo
(kJ/kg)
Skupenské teplo
(kJ/kg)
KF.4H2O 18,5 231 1455
Mn(NO3)2.6H2O 25,8 125,9 1795
CaCl2.6H2O 29,7 190,8 1802
Na2S2O3..5H2O 48 209,2 1600
Na(CH3COO).3H2O 58 264 1450
NaOH 64,3 227,6 1690
45% CaNO3).6H2O+55%Zn(NO3)2.6H2O 25 130 1930
58,7%Mg(NO3).6H2O+41,3%MgCl2.6H2O 59 132 1630

Tab. 1 Vlastnosti vybraných anorganických PCM (hustota sa vzťahuje na pevné skupenstvo)

Chemická značka
PCM
Teplota tavenia
(°C)
Skupenské teplo
(kJ/kg)
Skupenské teplo
(kJ/kg)

 

Polyglykol E600

22 127,2 1232
Parafin C13-C24 22-24 189 900
Parafin C18 28 244 814
Parafin C20-C33 48-50 189 912
Parafin C22-C45 58-60 189 920
Parafin wax 64 173,6 916
Polyglycol E6000 66 190 1212

Tab. 2 Vlastnosti vybraných organických PCM (hustota sa vzťahuje na pevné skupenstvo)

Hrubú predstavu o možnom prínose PCM pre zvýšenie akumulačnej schopnosti môžeme získať na základe jednoduchého príkladu. Uvažujme zásobník tepla objemu 1000 l, v ktorom sú tri vrstvy vody:

  • horná vrstva objemu 400 l a teploty 70 °C,
  • stredná vrstva objemu 400 l a teploty 50 °C,
  • spodná vrstva objemu 200 l a teploty 30 °C.

Za predpokladu, že počiatočná teplota vody je 20 °C, potom podľa vzťahu (1) v zásobníku je akumulované 142, 8 MJ tepla. Ak nahradíme polovicu vody v hornej vrstve polyglykolom E6000 a polovicu vody v strednej vrstve parafinom C22-C42. Akumulované teplo bude podľa vzťahov (1) a (2) 207,66 MJ, čo predstavuje zvýšenie asi o 45 %.

Napriek tomu, že s využívaním PCM sa podľa súčasného trendu počíta hlavne pri krátkodobej akumulácii, možno, že efektívnejšia by bola ich aplikácia pre zvýšenie akumulačnej kapacity sezónnych zásobníkov tepla. Vo väčších objemoch akumulačnej látky sezónnych zásobníkov tepelné procesy pri nabíjaní a vybíjaní prebiehajú pomalšie a preto najväčší nedostatok PCM, ich zlá tepelná vodivosť, sa neprejaví tak výrazne ako pri krátkodobej akumulácii. Okrem toho používanie väčšieho množstva PCM má za následok menšie merné náklady.

ZÁVER
Požiadavka udržateľného rozvoja v oblasti zásobovania budov teplom môže byť splnená len znížením potreby na akési racionálne minimum a pri uspokojovaní tejto potreby využívať prírodné zdroje čo najracionálnejšie. To znamená aj potrebu nahradzovania fosílnych palív obnoviteľnými zdrojmi všade, kde je to technicky možné a ekonomicky únosné. Vďaka zlepšovaniu tepelnotechnických vlastností budov sa môžu rozšíriť systémy kvázi plnosolárneho zásobovania, hlavne na báze kombinácie energie slnečného žiarenia a biomasy.

Efektívnosť týchto systémov v rozhodujúcej miere ovplyvňuje zásobník tepla. Výsledky výskumu a vývoja technológií akumulácie tepla zrejme v budúcnosti umožnia výrazne zvýšiť akumulačnú schopnosť zásobníkov využívaných v súčasnosti. Využívanie fázovej premeny niektorých látok pri akumulácii môže sa rozšíriť v pomerne krátkom čase. Väčší efekt však sľubuje využívanie chemických reakcií. Vývoj takých technológií ale bude časovo náročnejší.

Publikácia vznikla v súvislosti s riešením výskumného projektu VEGA 1 / 3234 / 06.

Literatura
[1] PŘÍJMENÍ, Jméno. Název publikace. Místo vydání : Vydavatelství. Rok vydání. Počet stran. ISBN.
[2] ČSN 016910 Úprava písemností psaných strojem. Praha : Vydavatelství ÚNM. 1986. 28 s.
[3] ČSN ISO 690 (01 0197) Dokumentace. Bibliografické citace. Obsah, forma a struktura. Praha : Český normalizační institut, 1996. 31 s.
[4] ČSN ISO 690-2 (01 0197) Informace a dokumentace. Bibliografické citace – Část 2 : Elektronické dokumenty nebo jejich části. Praha : Český normalizační institut, 2000. 24 s.
[5] Excerpts from Draft International Standard ISO 690-2 [online]. Ottawa : ISO (International Organization for Standardization), 1997 [cit. 1997-07-02]. Dostupný z: http://www.nlc-bnc.ca/iso/tc46sc9/standard/690-2e.htm
[6] http://homen.vsb.cz/~kod31/vyuka/pokyny.html
[7] http://info.sks.cz/users/ku/MTI/popis.htm
[8] http://knihovna.vsb.cz/kursy/citace/23.html
[9] http://www.collectionscanada.ca/iso/tc46sc9/standard/690-1e.htm#9

Recenzoval
Zuzana Vranayová, doc. Ing., PhD. Technická univerzita v Košiciach, Stavebná fakulta, Ústav budov a prostredia, Vysokoškolská 4, 042 00 Košice, zuzana.vranayova@tuke.sk.
Recenzi i můžete přečíst ZDE.

Tento článek byl publikován také na JUNIORSTAVU 2009.