dla grzania i chłodzenia

ENERGIA
Magazynowanie energii słonecznej
dla grzania i chłodzenia
Energii słonecznej mamy pod dostatkiem wtedy, gdy zwykle nie jest potrzebna, a brakuje jej, kiedy
zapotrzebowanie na ciepło wzrasta. Problem tej sezonowej dostępności można już uznać za częściowo
rozwiązany – w lecie, kiedy słońce grzeje najmocniej, potrzebny jest chłód, który wytworzyć można
przy pomocy intensywnego promieniowania. Czy podobne rozwiązanie można znaleźć również
dla ogrzewania zimą?
Ogrzewanie
Gdyby sporządzić listę tematów, którymi
zajmują się obecnie naukowcy i konstruktorzy,
sporo miejsca zajęłaby na niej fotowoltaika,
czyli wytwarzanie energii elektrycznej z energii
promieniowania słonecznego, oraz poszukiwanie jak najlepszego i najtańszego sposobu magazynowania ciepła słonecznego. Skuteczne
metody gromadzenia energii elektrycznej są już
od dawna znane, a celem konstruktorów są
coraz wydajniejsze i mniejsze akumulatory. Jeśli uda się to osiągnąć, wykorzystanie słońca
do ogrzewania będzie bardzo proste – grzałki
elektryczne mają bardzo wysoką sprawność
i łatwo można z nich korzystać.
A co z ciepłem wytwarzanym w kolektorach
słonecznych? Do dyspozycji mamy obecnie
zasobniki wodne, magazyny dwufazowe czy
grunt jako pojemnościowy magazyn ciepła
dostarczanego bezpośrednio z kolektorów
słonecznych, a pobieranego przez kolektory
poziome lub pionowe związane z instalacją
domową przez pompę ciepła.
Jedna z firm opracowała ostatnio nową
konstrukcję modułowego wodnego zasobnika
Rys. 1. Montowanie zasobnika modułowego. Na
rysunku widać trzy moduły – jeden z nich został
specjalnie odsunięty, aby można było pokazać
zasadę montażu (1). Płyta końcowa prostokątna
(9) stanowi wykończenie zasobnika i stabilizuje
go na podłożu. Płyta końcowa z jednym
modułem połączona jest z kolejnym modułem
za pomocą rurek (10), które odpowiadają też za
połączenie hydrauliczne z instalacją (ładowanie
i rozładowanie zasobnika) (17)
Rys. Consolar
rynekinstalacyjny.pl
ciepła (rys. 1). Moduł podstawowy stanowi
zbiornik o przekroju eliptycznym o pojemności
1300 l i szerokości zaledwie 70 cm. Z takich elementów można budować zasobniki
o dużej pojemności, jednak bez konieczności
wykonywania w budynku wielkich otworów
montażowych służących wprowadzeniu zbiornika do wnętrza.
energii cieplnej, którą można wykorzystać
w chłodziarkach absorpcyjnych. Mają one
podobną zasadę działania i konstrukcję jak
absorpcyjne pompy ciepła (rys. 2). W tych
ostatnich za zwiększenie potencjału ciepła
niskotemperaturowego odpowiadają właściwości roztworów, najczęściej dwuskładnikowych, które mają wyższe temperatury
Rys. 2. Schemat technologiczny jednostopniowej chłodziarki absorpcyjnej [7]
Innym zasobnikiem może być sieć ciepłownicza – w zimie dostarczająca energię
do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody,
a latem wykorzystywana w bardzo małym
stopniu w stosunku do możliwości transportu
energii – tylko do przygotowywania ciepłej
wody użytkowej. Energia ze słońca pozyskiwana za pomocą kolektorów słonecznych
w okresie największego nasłonecznienia
może być wprowadzona do sieci ciepłowniczej i używana zarówno do zasilania węzłów
przygotowujących ciepłą wodę, jak i do
urządzeń klimatyzacyjnych wytwarzających
chłód. Problemem jest jednak odpowiednie
gospodarowanie tak pozyskiwaną energią
cieplną i sterowanie.
wrzenia niż czyste rozpuszczalniki. Napędowa
moc cieplna Qw doprowadzana do warnika,
a uzyskiwana np. ze spalania gazu lub z sieci
cieplnej, wywołuje proces desorpcji czynnika
roboczego z roztworu (np. amoniaku z jego
wodnego roztworu lub wody z roztworu bromku litu). Para czynnika roboczego dopływa
do skraplacza, gdzie w procesie skraplania
oddawana jest moc cieplna Q. Skroplony
czynnik roboczy zostaje zdławiony w zaworze
rozprężnym i dopływa do parownika, po czym
odparowując, pobiera ciepło z dolnego źródła
(efekt chłodzenia). Absorpcyjne urządzenia
chłodnicze można zatem wykorzystać zarówno
do grzania (pompa ciepła), jak i chłodzenia
(klimatyzacja).
Chłodzenie
Instalacje zintegrowane
Do wytworzenia chłodu potrzebujemy energii niezbędnej do napędu silników sprężarek
(silników elektrycznych lub gazowych) albo
Projektanci instalacji od dawna próbują
połączyć różne instalacje tak, by ograniczyć
pobieranie energii z zewnątrz, a zgromadzo-
styczeń/luty 2013
57
ENERGIA
Fot. 1. Rozdzielacz Zortström
Fot. Zortea
kolektor
G
55\30°C
W
kolektor
W
F
3-stopniowy
rozdzielacz
A
elektrociepłownia
króćce
gwintowane
D
i kończy w samym rozdzielaczu, który można
nazwać punktem zerowym (hydrauliczny punkt
zero), gdyż wyrównują się w nim ciśnienia
poszczególnych obiegów. W omawianym
przykładzie zasobnikami są zbiorniki wodne,
w których magazynowany jest nadmiar ciepła.
Zastosowano tu trzystopniowy rozdzielacz
łączący instalację solarną z ogrzewaniem budynku i przygotowaniem ciepłej wody, siecią
cieplną oraz zbiornikami buforowymi. Układ
czujek temperatury i sterowania pompami pozwala na kierowanie ciepła tam, gdzie jest ono
aktualnie potrzebne. Jeżeli system jest bardziej
rozbudowany, możliwe jest zastosowanie nawet pięciostopniowego rozdzielacza (rys. 4),
włączając do układu np. rezerwowe źródło
ciepła, którym może być kocioł na paliwo
stałe, gazowy lub olejowy. Powstaje instalacja,
w skład której wchodzą ściśle współpracujące
ze sobą urządzenia, np. kolektory słoneczne
z absorpcyjną pompą ciepła.
Jak to wykorzystać w praktyce? Od czerwca 2011 r. w niemieckim Marburgu działa
instalacja badawczo-rozwojowa o nazwie
„elektrownia słoneczna 3U” [6]. Celem badań
jest stworzenie samowystarczalnej instalacji
zaopatrującej pomieszczenia biurowe i mieszkalne w potrzebną energię. Pierwsze wyniki są
bardzo zachęcające – już teraz „elektrownia”
produkuje rocznie 35 MWh energii elektrycznej, 240 MWh ciepła i 110 MWh chłodu.
W całości pokrywa to zapotrzebowanie biura
o powierzchni ponad 3000 m2 oraz pomiesz-
1-stopniowy
króćce
gwintowane
2-stopniowy
D
ną wykorzystywać raz do grzania, a innym
razem do chłodzenia. Problemem jest takie
zbilansowanie potrzeb, żeby raz dostarczona
do budynku energia, prawie jak w perpetuum mobile, nigdy już tego obiektu nie
opuszczała.
Austriacka firma opracowała konstrukcję
specjalnego sprzęgła hydraulicznego – rozdzielacza Zortström (fot. 1). Na schemacie
przykładowej instalacji pokazano, gdzie ciepło
powstaje i dokąd jest kierowane w zależności
od potrzeb (rys. 3). Wszystko zaczyna się
3-stopniowy
4-stopniowy
5-stopniowy
Rys. 4. Schematy budowy rozdzielacza Zortström
w zależności od jego wersji
Rys. Zortea
czenia serwerowni (ok. 50 m2). Firma pracuje
obecnie nad uruchomieniem następnych elektrowni tego typu.
W instalacji zastosowano różne technologie
pozwalające na możliwie efektywne wykorzystanie energii słonecznej i magazynowanie jej
nadmiaru. Do produkcji energii elektrycznej
służą moduły fotowoltaiczne o mocy 45 kW,
a powstały prąd dostarczany jest także do
sieci energetycznej. Energię słoneczną pobierają kolektory próżniowe o mocy 320 kW,
a schładzanie powietrza w lecie zapewniają
trzy chłodziarki adsorpcyjne, po 9 kW mocy
chłodniczej każda. Do magazynowania ciepła
zainstalowano zbiornik buforowy o pojemności
300 000 l, a do gromadzenia wody chłodniczej
zbiornik o pojemności 20 000 l. Obydwa zostały wyposażone w izolację termiczną wysokiej
klasy. Jak twierdzą konstruktorzy instalacji,
niemieckie słońce wystarcza do pokrycia
całkowitego zapotrzebowania budynku na
prąd, ciepło i chłód.
Jerzy Kosieradzki
B
rozwinięcie
wymiennik
ciepła
Literatura
C
nacz. zbiorcze
D
E
zbiorniki buforowe
Rys. 3. Przykładowa instalacja z rozdzielaczem Zortström
58
styczeń/luty 2013
Rys. Zortea
1. www.consolar.de.
2. www.zortea.at.
3. Kosieradzki J., Magazynowanie energii słonecznej – nowe
systemy, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2010.
4. Lewandowski W.M., Meler P., Magazynowanie energii
cieplnej w gaczu parafinowym, „Rynek Instalacyjny”
nr 4 i 5/2010.
5. Chodura J., Magazynowanie energii w dużych instalacjach
solarnych, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2011.
6. www.3usolar.de.
7. Rubik M., Pompy ciepła, Wyd. Ośrodek Informacji
„Technika instalacyjna w budownictwie”, Warszawa
1999.
rynekinstalacyjny.pl