Reklama

Vodní zásobníky pro dlouhodobou akumulaci tepla

16.6.2014

Ing. Martin Kny, ČVUT Praha, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, Ing. Miroslav Urban, Ph.D., ČVUT Praha, Fakulta stavební, katedra TZB

Recenzovaný

Článek popisuje konstrukci a obsahuje hodnocení parametrů zásobníků pro dlouhodobou akumulaci tepla, většinou ze slunečního záření. Hodnocení vychází z výsledků získaných na reálných systémech. Využití solárních systémů s dlouhodobou akumulací tepla pro budovy nabízí nové možnosti jak dále snižovat spotřebu energie z neobnovitelných zdrojů.

Reklama

1 Úvod

Velkoobjemové zásobníky pro kapaliny o vysokých teplotách se v průmyslu používají již mnoho desítek let. K využití zásobníků pro účely dlouhodobé akumulace tepla dochází až v posledních dvou desetiletích. Většinou slouží zásobníky k ukládání tepelné energie zachycené solárními termickými kolektory. Energie takto uložená do zásobníků v letním období zajišťuje v období zimním dodávku tepla pro obsluhované objekty. Tyto systémy, označované jako solární systémy s dlouhodobou akumulací tepla, nabízí nové možnosti jak dále snižovat spotřebu energie z neobnovitelných zdrojů.

Potřeba akumulovat tepelnou energii z letního do zimního období klade na konstrukci zásobníků velké požadavky. Důležité je zejména minimalizovat tepelné ztráty zásobníku a současně zachovat jejich nízkou cenu. Vysoké tepelné ztráty mohou významně snížit celkovou účinnost těchto systémů.

Pro dlouhodobou akumulaci tepla se mimo vodních zásobníků, které jsou předmětem tohoto článku, využívají také různé typy zemních zásobníků. Zásobníky využívající pro akumulaci tepla zemního podloží bývají nejčastěji tvořené soustavou zemních vrtů, které v podloží vymezí kompaktní tvar akumulačního prostoru. S ohledem na tepelné ztráty se zemní zásobníky navrhují na nižší maximální teploty (okolo 60 °C). U velkých systémů mohou tyto zásobníky dosahovat menších investičních nákladů. Pro jejich realizaci je však třeba vhodného podloží. Procento zastoupení vodních a zemních zásobníků je u velkých systémů zhruba vyrovnané.

2 Konstrukce teplovodních zásobníků

Zásobník by měl vykazovat co nejmenší tepelné ztráty, za předpokladu přiměřených nákladů na jeho vybudování. I přes snahy o jejich snížení, dosahují roční tepelné ztráty zásobníku u reálných systémů 20 až 50 % z celkové dodané energie solárním systémem. Ceny zásobníků za m³ se vzrůstajícím objemem klesají. U velkých zásobníků (objem cca 10 000 m³) dosahují cca 3000 Kč/m³, u malých (objem pod 400 m³) až 10 000 Kč/m³. V průběhu let bylo vyzkoušeno mnoho konstrukcí, optimální řešení však zatím nebylo nalezeno.

Vlastní nosná konstrukce zásobníků bývá realizována z oceli, případně železobetonu (monolitický, montovaný i předpjatý). Ocelové zásobníky menších objemů (cca do 300 m³) mohou být na stavbu dodávány kompletní, větší se montují na místě. Zásobníky velkých objemů bývají beztlaké, menší ocelové (do cca 300 m³) mohou být realizovány taktéž jako tlakové.

Hydroizolační funkci u zásobníků plní buď vlastní konstrukce zásobníku (ocel, vodostavebný beton) nebo jsou použity specielní hydroizolační vrstvy. Nejčastěji je tato vrstva tvořena nerezovým plechem. U nízkoteplotních zásobníků, kde se nepředpokládají dlouhodobě teploty nad 60 °C lze použít také hydroizolačních folií.

Z hlediska tepelných ztrát má rozhodující vliv konstrukce a materiál tepelněizolační vrstvy. Materiál pro tepelněizolační vrstvu musí mít malou tepelnou vodivost, která by navíc neměla být příliš závislá na okolních podmínkách (vysoká teplota a vlhkost, proudění vzduchu). Změřené parametry vybraných izolačních materiálů jsou patrné z Obr. 1 a 2. Dříve byla tepelněizolační vrstva tvořena nejčastěji izolací z minerálních vláken. V dnešní době se dává přednost různým materiálům na bázi pěnového skla. Pěnové sklo bývá granulované na různé frakce a používá se většinou v sypké formě. Nabízí se také použití různých lehčených kameniv (keramzit), perlitu a různých stříkaných izolací. U nízkoteplotních systémů lze využít také Polystyren (EPS či XPS).

Obr. 1: Závislost tepelné vodivosti vybraných izolačních materiálů na střední teplotě. Nejmenší teplotní závislost zde vykazuje pěnové sklo a PUR pěna [1].

Obr. 2: Závislost tepelné vodivosti minerální vlny na střední teplotě a vlhkosti. Při zvýšené vlhkosti je vzestup tepelné vodivosti rychlejší [1].

2.1 Příklady reálných zásobníků

V této kapitole budou stručně popsány 4 zásobníky a jejich systémy. Každý ze zásobníků představuje jiný typ konstrukce. Dva ze systémů jsou vybavené tepelným čerpadlem, které umožňuje vychlazení zásobníku až k cca 12 °C, a tím zvyšuje jeho tepelnou kapacitu. U všech systémů jsou solární kolektory umístěny na vlastních, teplem zásobovaných objektech. Parametry jednotlivých systémů a zásobníků získané z naměřených hodnot z provozu jsou zobrazeny v Tab. 1.

Friedrichshafen 1997 (SRN)

Systém zásobuje teplem nově postavený soubor bytových domů v Friedrichshafen. V první fázi projektu systém obsluhoval celkem 280 bytů o podlahové ploše cca 23 000 m². Hlavním zdrojem energie je zde plynová kotelna. Další parametry systému (platné do roku 2003):

Objem zásobníku 12 000 m³
Plocha solárních kolektorů 2 700 m²
Projektované solární pokrytí: 43 %

Obr. 3a: Vlevo pohled na zásobník během realizace. Pro tepelnou izolaci byly použity tuhé desky z minerálních vláken (MW). Vlastní konstrukce zásobníku je železobetonová monolitická, hydroizolační vrstvu tvoří nerezové plechy [3].

Obr. 3b: Konstrukce pláště zásobníku. Pro tepelnou izolaci byly použity tuhé desky z minerálních vláken (MW). Vlastní konstrukce zásobníku je železobetonová monolitická, hydroizolační vrstvu tvoří nerezové plechy [3].

Obr. 3: Vlevo pohled na zásobník během realizace, vpravo konstrukce pláště zásobníku. Pro tepelnou izolaci byly použity tuhé desky z minerálních vláken (MW). Vlastní konstrukce zásobníku je železobetonová monolitická, hydroizolační vrstvu tvoří nerezové plechy [3].

Hannover 2000 (SRN)

Systém zásobuje teplem nově postavený soubor bytových domů. Celkem je zde 106 bytů o podlahové ploše cca 7400 m². Hlavním zdrojem energie je místní systém CZT. Další parametry systému:

Objem zásobníku 2750 m³
Plocha solárních kolektorů 1470 m²
Projektované solární pokrytí: 39 %

Obr. 4a: Pohled na zásobník během realizace. Pro tepelnou izolaci byly použity vaky neplněné granulovaným pěnovým sklem. Konstrukce zásobníku je železobetonová z vodostavebného betonu (beton tvoří zároveň hydroizolační vrstvu) [3].

Obr. 4b: Konstrukce pláště zásobníku. Pro tepelnou izolaci byly použity vaky neplněné granulovaným pěnovým sklem. Konstrukce zásobníku je železobetonová z vodostavebného betonu (beton tvoří zároveň hydroizolační vrstvu) [3].

Obr. 4: Vlevo pohled na zásobník během realizace, vpravo konstrukce pláště zásobníku. Pro tepelnou izolaci byly použity vaky neplněné granulovaným pěnovým sklem. Konstrukce zásobníku je železobetonová z vodostavebného betonu (beton tvoří zároveň hydroizolační vrstvu) [3].

Mnichov 2007 (SRN)

Systém zásobuje teplem nově postavený soubor bytových domů. Celkem je zde 106 bytů o podlahové ploše cca 7400 m². Doplňkovým zdrojem energie je systém CZT. Další parametry systému:

Objem zásobníku 5 700 m³
Plocha solárních kolektorů 2761 m²
Projektované solární pokrytí: 55 %
Absorpční tepelné čerpadlo voda-voda (odběr tepla ze zásobníku až do cca 12 °C)

Obr. 5a: Pohled na zásobník během realizace. Pro tepelnou izolaci byl použit zásyp z granulovaného pěnového skla. Konstrukce zásobníku je železobetonová předepnutá prefabrikovaná, hydroizolace je z nerezových plechů [2].

Obr. 5b: Konstrukce pláště zásobníku. Pro tepelnou izolaci byl použit zásyp z granulovaného pěnového skla. Konstrukce zásobníku je železobetonová předepnutá prefabrikovaná, hydroizolace je z nerezových plechů [2].

Obr. 5: Vlevo pohled na zásobník během realizace, vpravo konstrukce pláště zásobníku. Pro tepelnou izolaci byl použit zásyp z granulovaného pěnového skla. Konstrukce zásobníku je železobetonová předepnutá prefabrikovaná, hydroizolace je z nerezových plechů [2].

Slatiňany 1996 (ČR)

Systém zásobuje teplem areál chráněných dílen Domova sociálních služeb ve Slatiňanech. Vytápěná plocha objektu je cca 1000 m². Další parametry systému:

Objem zásobníku 1080 m³
Plocha solárních kolektorů 148 m²
Projektované solární pokrytí: cca 80 %
Tepelné čerpadlo voda-voda (odběr tepla ze zásobníku až do cca 12 °C)

Obr.6a: Pohled na hotový zásobník. Pro tepelnou izolaci byly použity tuhé desky z minerálních vláken, které byly vkládány do nosného roštu. Kompletní konstrukce byla opláštěna trapézovými plechy. Vlastní zásobník je ocelový, smaltovaný, montovaný na místě [5].

Obr.6b: Konstrukce pláště zásobníku. Pro tepelnou izolaci byly použity tuhé desky z minerálních vláken, které byly vkládány do nosného roštu. Kompletní konstrukce byla opláštěna trapézovými plechy. Vlastní zásobník je ocelový, smaltovaný, montovaný na místě [5].

Obr.6: Vlevo pohled na hotový zásobník, vpravo konstrukce pláště zásobníku. Pro tepelnou izolaci byly použity tuhé desky z minerálních vláken, které byly vkládány do nosného roštu. Kompletní konstrukce byla opláštěna trapézovými plechy. Vlastní zásobník je ocelový, smaltovaný, montovaný na místě [5].

Tab. 1: Parametry představených zásobníků a jejich systémů [2] [3] [4] [5]. V případě naměřených hodnot se jedná
o průměry z více let.

¹⁾ Jedná se o hodnoty systému platné v letech 1997 až 2003.
²⁾ Účinnost akumulace tepla je poměr energii odebrané ze zásobníku k energii dodané.
³⁾ Ztráty zásobníku byly určeny z bilance dodané a odebrané energie.

Pokud se zaměříme na skutečné hodnoty tepelných ztrát zásobníků (viz Tab. 1) zjistíme, že jsou oproti projekčním předpokladům ve všech případech vyšší. Důvodů pro vysoké tepelné ztráty zásobníků a také jejich podcenění v projektu je více a lze je stručně shrnout do následujicích bodů:

S rostoucí teplotou roste tepelná vodivost izolačních materiálů. Při teplotách 70 °C a více již nelze tuto vlastnost zanedbat.
S rostoucí vlhkostí tepelné izolace roste tepelná vodivost izolačního materiálu. Tento stav se dále zhoršuje se vzrůstající teplotou. Problém s vlhkostí je zejména u podzemních zásobníků. Určení vlhkostních poměrů v souvrství pláště těchto zásobníků je poměrně obtížné.
Nutno uvažovat s proděním vzduchu v souvrství pláště. Izolace ne vždy těsně doléhá ke stěně zásobníku. Vlivem rozdílných teplot vzduchu v dutinách vzniká v souvrství pláště nežádoucí proudění.
V zásobnících dochází k určitým ztrátám vody. V netlakových zásobnících dochází k odparu z vodní hladiny. Skupenské teplo výparné vody tak zde tvoří další tepelnou ztrátu zásobníku. (odpar 1 m³ = 630 kWh). K dalším ztrátám vody může docházet v důsledku difuse vody přes plášť zásobníku a to zejména u zásobníků bez tradiční hydroizolační vrstvy. Příkladem může být zásobník v Hannoveru, kde roční ztráta vody (odpar + difuse) dosahuje cca 8 m³.
Technologická nekázeň při realizaci.

Většinu těchto bodů je při návrhu zásobníku obtížné přesně zohlednit a proto jsou skutečné tepelné ztráty zásobníků oproti předpokladům v projektu mnohem vyšší.

2.2 Možnosti snižování tepelných ztrát zásobníků

Při návrzích zásobníků by měly být zohledněny všechny výše jmenované faktory. Tepelněizolační plášť by měl těsně přiléhat k zásobníku, být kompaktní a bez dutin. Vlastní tepelná izolace by měla mít nízký součinitel prostupu tepla i v prostředí se zvýšenou vlhkostí a teplotou. Nutná je také dobrá technologická kázeň při realizaci V otázce tepelných izolací se nabízí použití nových materiálů a technologií. Příkladem může být:

Aerogel – porézní, velmi lehký (objemová hmotnost 3–5 kg/m³) materiál vyráběný z oxidu křemičitého. Má nízkou vodivost (λ = 0.014 W/m.K.). Materiál není odolný proti vodě, z toho důvodu nesmí jeho povrch přijít do styku s vodou, případně musí být opatřen ochrannou vrstvou.

Vakuová izolace – základem je pevná porézní struktura, ve které je vytvořen podtlak (vakuum). Pro udržení podtlaku musí být povrch opatřen vzduchotěsnou a mechanicky odolnou vrstvou. Tepelná vodivost materiálu je cca λ = 0,006 W/m.K.

Současným problémem aerogelu a vakuové izolace je jejich vysoká cena. I přes určitý pokles v posledních letech dosahují ceny pro oba materiály cca 3000 Kč/m² (20mm deska). Problémem je také to, že tyto izolace nejsou stlačitelné a nelze při jejich aplikaci upravovat jejich rozměry. Požadavek kompaktnosti obvodového pláště zásobníku tak není lehké splnit. Z tohoto pohledu jsou ve výhodě stříkané tepelné izolace, které stejně jako aerogel a vakuová izolace zatím u velkých zásobníků použity nebyly.

Vakuové zásobníky využívají ke snížení prostupu tepla stejného principu jako vakuová izolace. Jedná se v podstatě o dvouplášťový zásobník, kde v dutině mezi plášti je vytvořen podtlak. Převážná část tepla je poté sdílena pouze radiací. Radiaci je možní omezit vkládáním stínicích překážek do dutiny (problematické je ukotvení těchto přepážek v dutině tak, aby nevznikaly „tepelné mosty“). Případně je možné za účelem snížení radiace vyplnit dutinu porézním materiálem s vhodnou velikostí dutin (negativním důsledkem je zde vzrůst prostupu tepla vedením) [6].

Kromě uvedeného musí být konstrukce obou plášťů zásobníku dostatečně pevná, tak aby odolala působení vnějšího tlaku vzduchu (100 kPa).

Výrobců vakuových zásobníků pro dlouhodobou akumulaci tepla je velmi málo. V roce 2013 se na německém trhu objevil výrobce, který začal dodávat vakuové zásobníky o velikosti 5 až 100 m³ [7]. Jedná se o ocelové dvouplášťové zásobníky s dutinou vyplněnou materiálem na bázi perlitu (absolutní tlak v dutině 5 Pa). Změřený součinitel prostupu tepla stěn zásobníku dosahuje cca U = 0.05 W/m²K. pro teplotní rozdíl 80 K. Nevýhodou těchto zásobníku je vysoká cena, která se dle objemu pohybuje od 1200 do 3000 Eur/m³.

3 Závěr

Návrh optimální konstrukce zásobníku pro dlouhodobou akumulaci není jednoduchý. Zkušenosti z již realizovaných systémů ukazují, že skutečné tepelné ztráty zásobníků mohou být oproti předpokladům v projektu až trojnásobné a v důsledku tak mohou negativně ovlivnit účinnost celého systému. Důvodů pro tento stav je vždy více. Mezi hlavní patří nevhodná volby tepelněizolačního materiálu, případně jeho nevhodné zabudování a podcenění skutečných podmínek působících na tepelnou izolaci.

Další snížení tepelných ztrát zásobníků je možné za použití nových materiálů (například aerogel, vakuové izolace, stříkané izolace) při vyřešení problémů s jejich zabudováním do konstrukce zásobníku. Nové možnosti nabízí také použití vakuových zásobníků.

Vzhledem k vysokým finančním nákladům, nelze rychlé rozšíření nových materiálů očekávat. Vývoj v dohledné době bude pravděpodobně směřovat k optimalizaci současných typů zásobníků s ohledem na snižování jejich ceny.

Poděkování

Prezentované výsledky vznikly za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpl č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.

Literatura

[1] Ochs, F.; Stumpp H.: Bestimmung der feuchte und temperaturabhängigen Wärmeleitfähigkeit von Dämmstoffen, 14. Symposium Thermische Solarenergie, Kloster Banz, 12.–14. 5. 2004.
[2] Stimming, U.; Spliethoff, H.: Begleitforschung Solare Nahwärme am Ackermannbogen in München – SNAB, Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung, 2010.
[3] Ochs, F; Heidemann, W.: Langzeit – Wärmespeicher für solare unterstütze Nähwärmesysteme, 2. Internationale Speicherkonferenz Erneuerbarer Energien, Bonn, 19.–21. 11. 2007, [Online]. Dostupné na WWW: http://www.itw.uni-stuttgart.de.
[4] Bauer, D.; Marx, R.; Drück, H.: Solare Nahwärme im Bestand - Technologie und Perspektiven, 22. Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, 9.–10. 5. 2012, [Online]. Dostupné na WWW: http://www.itw.uni-stuttgart.de.
[5] Kny, M.; Urban, M.: Solar System with Long-term Heat Storage – Analysis and Optimisation, In Clima 2013 – 11^th REHVA World Congress & 8^th International Conference on IAQVEC – “Energy Efficient, Smart and Healthy Buildings”. Praha: Společnost pro techniku prostředí, červen 2013, ISBN 978-80-260-4001-9.
[6] Macháčková, A.; Kocich, R.: Sdílení tepla a proudění, Vysoká škola báňská, Technická universita Ostrava, Ostrava 2012, ISBN: 978-80-248-2576-2.
[7] Výrobce vakuových zásobníků: Hummelsberger Schlosserei GmbH, [Online]. Dostupné na WWW:
http://www.vakuum-pufferspeicher.de.

English Synopsis

Water tanks for long-term heat storage

This paper is focused on hot water tanks for long-term heat storage. Describes the design of the tanks and and their properties. The evaluation of tanks is based on the results of real systems. Tanks are mainly used for solar systems with long-term heat storage. The use of solar systems with long-term heat storage for building opens new possibilities for further savings of energy from non-renewable sources.