Akumulace tepelné energie - fyzikální principy

Úvod
    V České republice se zhruba 1/3 energie spotřebovává ve formě nízkopotenciálního tepla k pokrytí tepelných ztrát budov (vytápění a větrání) a na ohřev teplé užitkové vody (TUV). Srovnatelná situace je i v jiných státech s obdobným klimatem jak v Evropské unii tak v USA [2], [3]. Vedle přednostního snižování tepelné propustnosti stavebních konstrukcí je akumulace tepla jednou z cest snižování energetické náročnosti budov. Akumulace tepla umožňuje přenést energii v čase (v protikladu k přenosu v prostoru) z období relativního přebytku do období relativního nedostatku (den-noc, léto-zima). Akumulaci tepla lze využít i k chlazení staveb, v tomto případě se používá termín akumulace chladu.
    Ideální akumulátor má malý objem, nízkou cenu a malé ztráty energie. Výhodné je, lze-li k akumulaci tepla využít stavební konstrukce, což využívají stavby s masivní nosnou konstrukcí a tepelnou izolací na vnějším povrchu. Jinou možností je akumulace v okolí stavby, což využívají tepelná čerpadla nebo zemní kolektory.

Způsoby akumulace tepelné energie
K akumulaci energie můžeme využít libovolný vratný nebo cyklický proces, při němž vzrůstá vnitřní energie systému. Podle využívaného fyzikálně chemického principu můžeme rozdělit akumulaci tepelné energie do několika typů:

akumulace citelného tepla akumulace latentního tepla absorpce vodní páry jiné fyzikálně chemické procesy

Akumulace citelného tepla
Ohřev pracovní látky je nejjednodušší způsob akumulace tepla. Využívá měrné teplo pracovní látky. Protože princip je snadno pochopitelný, byl tento způsob akumulace historicky první, který byl využíván. Vhodná pracovní látka má mít velkou tepelnou kapacitu a nízkou cenu. Těmto požadavkům nejlépe odpovídá voda. Známý je elektrický zásobníkový ohřívač teplé vody (bojler) nebo zásobník solárního kolektoru. Voda má ze všech látek největší měrnou tepelnou kapacitu 4,2 kJ/(kg.K).
    V menší míře se používá kamenivo nebo jiná pevná látka. Jejich výhodou je především vyšší rozsah provozních teplot a jednodušší konstrukce akumulátoru, mají však výrazně nižší tepelnou kapacitu, pouze 0,8 až 1,0 kJ/(kg.K). Na rozdíl od zásobníků s vodou systém nemůže být poškozen mrazem. Klasické pece na pečení chleba, akumulační kamna nebo kachlová kamna využívají akumulaci tepla v pevných látkách.

Výhody akumulace citelného tepla jsou obvykle - nízká cena pracovní látky a nízké nároky na know-how. Hlavní nevýhodou je značný objem akumulátoru a skutečnost, že využitelná teplota v průběhu vybíjení klesá. V případě zmíněné chlebové pece bylo řešením, že se nejdříve upekl chleba, potom v chladnější peci buchty a zbytkovým teplem se vysušilo palivo pro příští cyklus.
    Akumulace citelného tepla ve stavebních konstrukcích je zohledněna i v ČSN 73 0540-2:2002. Požadavky na prostup tepla konstrukcemi jsou přísnější u lehčích staveb bez akumulačních hmot [8]. K akumulaci citelného tepla lze s výhodou využít podloží stavby. Řešení je použitelné, pokud hladina spodní vody je v dostatečné hloubce. V opačném případě může proudění spodní vody akumulované teplo odvádět mimo akumulační prostor.

Akumulace latentního tepla
Akumulace latentního tepla využívá entalpii fázové změny pracovní látky. V čistých chemických látkách jsou možné tři druhy fázových změn: tání/tuhnutí, výpar/kondenzace a sublimace/resublimace. Ke skladování velkého množství páry by bylo potřeba objemné zařízení odolávající velkým tlakům. Z toho důvodu je využitelný pouze fázový přechod mezi tuhou látkou a kapalinou.

Výhodou oproti akumulaci citelného tepla je konstantní teplota a často i menší objem. Pracovní teplotu akumulátoru lze určit vhodnou volbou pracovní látky. Jistou nevýhodou je vyšší cena pracovní látky ve srovnání s akumulací citelného tepla. V praxi se ukazuje, že chemicky čisté látky se snadno znečistí, což ovlivní teplotu fázové změny, obvykle dojde k rozšíření rozsahu teplot.

Používají se látky, které tají při požadované teplotě. Kromě chemicky čistých látek (např. síran sodný Na₂SO₄ × 10H₂O, jehož entalpie tání je 243 kJ/kg při teplotě kolem 30°C) se používají i směsi (například parafin), u nichž lze v závislosti na složení dosáhnout požadované teploty fázové změny. Chemicky čisté látky tají při konstantní teplotě. Naproti tomu směsi tají v širším rozsahu teplot, viz obrázek.

Akumulátory postavené na tomto principu byly navrženy a odzkoušeny již v polovině minulého století v experimentálních nízkoenergetických stavbách [5]. V současnosti jsou stavební materiály s náplní, využívající fázovou změnu pracovní látky (CPM), předmětem intenzivního vývoje [6].

Absorpce vzdušné vlhkosti
Vzduch v obytných stavbách obsahuje při 20°C a 50% relativní vlhkosti asi 8,6 g/m³ vodní páry. Výparná entalpie vody při pokojové teplotě je přibližně 2500 kJ/kg. Absorpcí veškeré vlhkosti z odvětrávaného vzduchu lze získat energii 21,6 kJ/m³ vzduchu, neboli ohřát stejné množství vzduchu o 18,5 K. Obvykle nelze vzduch zcela vysušit, zisk energie je potom nižší.

Sorpce vodní páry v hygroskopických látkách
Rovnovážná vlhkost hygroskopických materiálů kolísá v závislosti na relativní vlhkosti okolního vzduchu. Při vzrůstu vlhkosti vzduchu dochází k sorpci vlhkosti v materiálu, při poklesu vlhkosti vzduchu dochází k desorpci vlhkosti z materiálu. Voda přitom přechází z plynného skupenství do vázaného stavu i při vyšší teplotě než je teplota rosného bodu. Pojem sorpce se používá k souhrnnému označení absorpce, adsorpce a chemisorpce, z hlediska tepelné techniky nemá rozlišování význam. K akumulaci se využívá bilance tepla při sorpci/desorpci vlhkosti v pracovní látce. Rozdíl oproti jiným způsobům akumulace tepla je v tom, že sorpce nezávisí přímo na teplotě, ale na relativní vlhkosti okolního vzduchu. Může tedy probíhat při konstantní teplotě, to se využívá při vybíjení akumulátoru. Při nabíjení se snižuje relativní vlhkost vzduchu na potřebnou hodnotu jeho ohřevem na vyšší teplotu.

Výhodou sorpce vodní páry je, že teplota pracovní látky v průběhu skladování může být na rozdíl od předchozích dvou způsobů akumulace libovolná. S výjimkou vychladnutí náplně jsou ztráty tepla v této fázi nulové. Nevýhodou je vyšší nabíjecí teplota než u předchozího typu, v některých případech i velmi nízká teplota při vybíjení. Během fáze skladování je třeba zabránit přístupu vlhkosti k pracovní látce.

Představy o hygroskopicky vázané vodě se různí, podle některých autorů je kapalná, podle jiných může mít charakter tuhé fáze, podle toho se potom mění odhad energie uvolněné při sorpci vlhkosti. Minimální odhad je roven výparné entalpii vody. Představitelem látek z této skupiny je kromě známého silikagelu i jíl, který je hlavní součástí jílovitých zemin a nepálených cihel. Hygroskopické jsou však všechny stavební materiály s výjimkou skla, polévané keramiky, hutných plastů a kovů.

Chemická absorpce vodní páry
Podobně jako v předchozím případě se využívá výparná entalpie vlhkosti obsažené v pracovní látce. Některé z látek, které obsahují ve své krystalové struktuře chemicky vázanou vodu, ji při zvýšení teploty uvolňují. Při poklesu teploty vodu zpětně absorbují (např.: CaCl₂ CaCl₂ × 2H₂O CaCl₂ × 6H₂O). Proces akumulace závisí kromě teploty i na tlaku páry. Předpokládá se, že by tyto akumulátory měly mít malý objem ve srovnání s ostatními typy. Podobně jako u předchozího způsobu akumulační schopnost nezávisí na teplotě v době mezi nabíjením a vybíjením akumulátoru, tepelné ztráty jsou pouze chladnutím náplně, případně neřízeným přístupem vlhkosti.

Hlavní nevýhodou je vysoká teplota, jíž je třeba k nabití akumulátoru (přesněji velký rozdíl mezi nabíjecí a vybíjecí teplotou), proto nejsou vhodné pro spolupráci s plochými kapalinovými kolektory. Chemická absorpce vodní páry se využívá v absorpčních tepelných čerpadlech, ve kterých je chladivem voda. Jako absorbentu se používá nejčastěji bromid lithný (LiBr) a zmíněný chlorid vápenatý (CaCl₂). V případě tepelných čerpadel je však pracovní okruh oddělen od okolí, takže je zabráněno chemickým změnám pracovních látek.

Akumulátory tepla založené na chemické absorpci vodní páry jsou ve stadiu experimentů. Použití některých velmi levných látek např. sádrovce navrhovaných v [1] se ukázalo nemožným. Pravděpodobně je třeba, aby při zvýšení teploty pracovní látka tála a vytvářel se roztok v krystalové vodě. Při praktickém využití se vyskytuje řada neznámých, především nejistota v otázce dlouhodobé stability vlastností náplně při styku s větracím vzduchem a chemickými látkami v něm obsaženými. Není prověřena rychlost absorpce vodní páry ze vzduchu a uvolňování tepla zejména ve stavu blízkém stavu nasycení krystalové struktury vodou. Vzhledem k velkému množství vlhkosti, vázanému na jednotku pracovní látky, mohou působit problémy změny objemu náplně v průběhu pracovního cyklu.

Při nabíjení akumulátorů na principu chemické absorpce vlhkosti se uvolňuje pára o vysoké teplotě (odpovídá nabíjecí teplotě), kterou lze s výhodou použít např. k ohřevu teplé užitkové vody. Takto je možno sekundárně využít množství tepla srovnatelné s množstvím tepla akumulovaného v zásobníku. Tím, že teplo je využito dvakrát, lze snížit celkovou spotřebu energie (paradoxně může být spotřeba energie nižší než využitelné teplo - podobně jako u tepelných čerpadel, ze kterých tento princip vychází).

Jiné způsoby akumulace tepla
Existuje řada dalších procesů, jichž lze využít k akumulaci tepelné energie, například změna entalpie při změně krystalové modifikace chemické látky. Jejich využití k akumulaci energie pro vytápění budov je však omezené na speciální případy.

Použité zdroje
[1] BECHNÍK Bronislav. Porovnání akumulátorů tepelné energie, in: Sborník 3. odborný seminář doktorského studia. Brno: VUT, 2001. strany 5 až 8. ISSN 1212-9275
[2] DLESEK, Vladislav. Energetická náročnost pozemních staveb. Praha: ČVUT, 1991. 238 stran.
[3] HUMM, Othmar. Nízkoenergetické domy. Praha: Grada, 1999. 353 stran. ISBN 80-7169-657-9
[4] JULÁK, Alois, ŠTULÍK, Karel, VOHLÍDAL, Jiří. Chemické a analytické tabulky. Praha: Grada, 1999. 647 stran. ISBN 80-7169-855-5
[5] CIHELKA, Jaromír. Sluneční vytápěcí systémy. Praha: SNTL, 1984
[6] KALOUSEK, Miloš, HIRŠ, Jiří. Simulation of the summer indoor thermal comfort by using wallboard with phase change material, In: Prodeedings of International conference EUROSUN 2002. Italy: Bologna, 2002, 6 p.
[7] BACKSTROM Matts. Technika chlazení. Praha: SNTL, 1959.

Internetové zdroje
[8] ŠÁLA, Jiří. TZB-2002: Součinitel prostupu tepla (výpis z revidované ČSN 73 0540-2:2002). TZB-info [online], citováno 13.5.2003.