Trendy v solární tepelné technice (V) - Zásobníky tepla

ÚVOD

Zásobník tepla je srdcem solární soustavy. Pokud je jeho akumulační kapacita špatně navržena, buď vzhledem k potřebě tepla v objektu, nebo vzhledem k ploše kolektorů, projeví se to výrazně na konečných parametrech solární soustavy (solární podíl, měrné zisky). Trendem v oblasti zásobníků tepla je snaha řídit proces "nabíjení" zásobníku a tím zvýšit využitelnost solárních zisků v okruhu spotřeby tepla (zvýšit exergii), a dále zmenšit zastavěný objem použitím látek s vysokou hustotou akumulace (látky se změnou skupenství).

ZÁSOBNÍKY TEPLA S TEPLOTNÍ STRATIFIKACÍ

Mezi nejběžnější a nejpoužívanější zásobníky tepla v solární technice patří vodní zásobníky (kapalinové solární soustavy), případně v daleko menší míře štěrkové (vzduchové solární soustavy), obojí využívající citelného tepla. V oblasti vodních zásobníků (tlakové, netlakové) se v poslední době začínají i na tuzemském trhu objevovat tzv. stratifikační zásobníky, využívané především ve velkých solárních soustavách v kombinaci s nízkým průtokem teplonosné látky kolektory (low-flow).

Teplotní stratifikací (vrstvení) se rozumí vrstvení objemu zásobníku podle teploty řízeným ukládáním tepla do vrstev o stejné nebo podobné teplotě. Princip je zjednodušeně znázorněn na obr. 1.

Obr. 1 - Princip teplotní stratifikace v zásobníku
solární soustavy

Pokud je ze solárních kolektorů k dispozici tepelná energie o vysoké teplotě odpovídající teplotě v horní vrstvě zásobníku, ukládá se teplo do této vrstvy (viz obr. 1 vlevo). Pokud je k dispozici teplota nižší (např. vlivem klimatických podmínek), ukládá se teplo do odpovídající chladnější vrstvy (viz obr. 1 vpravo). Výsledkem je takové rozvrstvení zásobníku, kde v horní části je teplota výrazně vyšší než ve spodní části. Kvalitní stratifikační zásobníky, oproti běžným bez vrstvení, umožňují dodávat teplo o požadované teplotě (bez potřeby dohřevu) do okruhu spotřeby již během náběhu akumulačního zásobníku, což samozřejmě zvyšuje solární podíl solární soustavy. Navíc spodní část zásobníku zůstává chladná až do úplného nabití a na vstupu do solárních kolektorů se udržuje během nabíjení zásobníku nízká teplota, což zaručuje vysokou účinnost. Použití stratifikačního zásobníku je zásadně výhodné u soustav s nízkým průtokem (low-flow), u kterých je možné na výstupu z kolektoru docílit vysokých teplot, při zachování nízkých teplot na vstupu.

Teplotní stratifikace objemu zásobníku může probíhat do určité míry přirozeně volným prouděním, např. u vysokých a štíhlých zásobníků, nebo zejména řízeně při použití tzv. stratifikačních vestaveb. Na obr. 2 jsou uvedeny různé typy řízení stratifikace. První způsob (vlevo) je řízení stratifikace ovládanými ventily na základě porovnávání teploty v dané vrstvě zásobníku a teploty přiváděné teplonosné látky. Přívodní potrubí s ventily do zásobníku je nutné dimenzovat s ohledem na nízkou vstupní rychlost a konstrukčně řešit tak, aby přiváděný proud nenarušil teplotní rozvrstvení objemu zásobníku. Jednodušším způsobem bez nároku na regulaci a elektrickou energii jsou samočinné trubkové vestavby, které pracují na základě rozdílu hustot mezi přiváděnou teplonosnou látkou z výměníku a vrstvami akumulačního zásobníku. Teplonosná látka o hustotě ρ (kg/m³) je přiváděna vždy pod vrstvu, která má nižší hustotu. Trubkové vestavby (uprostřed) jsou levné prvky, zpravidla z plastového PVC potrubí. Odbočky jsou často vybaveny velmi lehkými plovoucími zpětnými klapkami, které zabraňují znehodnocení teploty přiváděné teplonosné látky přisáváním z dolní chladnější části zásobníku. Speciální talířové vestavby (vpravo) mají toto vyřešeno vlastní konstrukcí (přirozená-gravitační zpětná klapka). U trubkových vestaveb je důležité udržet nízkou rychlost v přiváděcím potrubí pod 0,1 m/s, aby nebylo teplotní rozvrstvení narušeno účinkem kinetické energie proudu.

Obr. 2 - Různé typy řízené stratifikace

ZÁSOBNÍKY TEPLA SE ZMĚNOU SKUPENSTVÍ

Změna skupenství (fáze) pevná látka - kapalina (tání, tuhnutí) je provázená uvolněním, resp. jímáním, skupenského tepla tání, někdy nazývaného též latentní teplo tání nebo vázané teplo. Akumulace tepla s využitím změny skupenství látek poskytuje mnohem větší akumulační kapacitu oproti akumulaci citelného tepla při stejném teplotním rozdílu Δ T (viz obr. 3). Změna skupenství kapalina - plyn (vypařování, srážení) není prakticky vhodná pro akumulaci energie vzhledem k velké změně objemu akumulační látky s tím spojené.

Látky vhodné pro akumulaci tepla se změnou skupenství (Phase Change Materials - PCM) by se měly vyznačovat především vysokou hodnotou skupenského tepla tání l_t (kJ/kg), vysokou tepelnou vodivostí λ (W/m.K) a bodem tání T_t (°C) ležícím ve vhodném rozsahu pro danou aplikaci (u solárních soustav 35 až 70 °C, nejčastěji 40 až 50 °C). Z hlediska praktického použití by PCM měly být chemicky stálé, levné, netoxické a nekorozivní. Důležitá je také stabilita vlastností při dlouhodobém cyklickém použití a omezení jevů jako přechlazování akumulační látky, vylučování fáze, atd. Posledních 40 let byly vyvíjeny a zkoumány látky především na bázi hydratovaných solí, parafinových vosků, mastných kyselin a eutektik organických a anorganických látek.

Komerční (technické) parafinové vosky jsou levné s průměrnou hodnotou skupenského tepla tání (l_t ~ 200 kJ/kg nebo 150 MJ/m³) a velkým rozsahem teplot tání (od 30 do 70 °C, nejběžnější parafiny mají teploty tání T_t = 44, 53, 64 °C). Vyznačují se chemickou netečností, minimálním přechlazováním, bez vylučování fáze. Nicméně, mají nízkou tepelnou vodivost (λ ~ 0,2 W/m.K) a je nutné je kombinovat s kovovými matricemi, lamelami a výplňovými strukturami pro zvýšení vodivosti.

Vhodnými kandidáty pro zásobníky se změnou skupenství jsou mastné kyseliny (kaprinová, laurová, palmitová, stearová) a jejich binární směsi. Teplota tání kyselin leží v rozsahu od 30 do 65 °C, skupenské teplo tání se pohybuje od 150 do 180 kJ/kg.

Hydratované soli jsou výraznými látkami z hlediska jejich vysoké hodnoty skupenského tepla tání v objemovém vyjádření (l_t ~ 350 MJ/m³), relativně vysoké tepelné vodivosti (λ ~ 0,5 W/m.K) a nízké ceny srovnatelné s parafiny. Nejznámější je Glauberova sůl (Na₂SO₄ . H₂O s poměrem 44 % Na₂SO₄ a 56 % H₂O) s teplotou tání 32,4 °C a skupenským teplem tání 254 kJ/kg (377 MJ/m³), která je jedním z nejlevnějších materiálů pro akumulaci se změnou skupenství. Použití solí je však omezeno vzhledem k problémům s vylučováním fáze a s přechlazováním, dlouhodobě se také snižuje jejich akumulační hustota. Tyto překážky lze překonat zatím pouze za cenu snížení tepelně-akumulačních parametrů vlastní látky.

Obr. 3 - Porovnání akumulační kapacity zásobníku citelného tepla
(vodní) a zásobníku tepla se změnou skupenství (PCM zásobník)

Použití zásobníků tepla se změnou skupenství v solárních aplikacích má několik výhod. První z nich je již zmíněná vysoká akumulační schopnost při malých rozdílech teplot, což vede ke snížení potřebného objemu zásobníku a úspoře prostoru ve strojovnách. Druhou podstatnou výhodou je využití přebytků ve špičkách příkonu sluneční energie a eliminace podmínek tzv. chodu naprázdno (stagnace). Na obr. 4 je znázorněn průběh nabíjení solárního zásobníku během letního slunného dne v případě, že během předchozího dne nebyl zásobník zcela vybit (nižší odběr) nebo byl z pohotovostních důvodů udržován např. dodatkovým zdrojem tepla na teplotě 40 °C. Solární vodní zásobník dosahuje limitní teploty pro zásobník 85 °C již zhruba okolo slunečního poledne a po zbytek dne nejsou solární zisky z kolektoru odebírány (stagnace, maření zisků v kolektoru). U solárního zásobníku s látkou procházející změnou skupenství při T_t = 50 °C dochází k akumulaci skupenského tepla během tavení objemu zásobníku, a dále (zhruba od 12h) pokračuje akumulace citelného tepla (v závislosti na měrné tepelné kapacitě látky v kapalném skupenství). Ke stagnačním podmínkám během dne vůbec nedojde, solární zisky jsou akumulovány v zásobníku tepla. Akumulované teplo v zásobníku je nyní možné využít pro běžný odběr např. TUV při teplotě 50 °C cca 2 dny bez slunečního záření. To vede k vyššímu solárnímu podílu solárních soustav a k omezení provozně nepříznivých jevů doprovázejících stagnaci.

Obr. 4 - Průběh teplot při nabíjení vodního zásobníku a zásobníku se změnou
skupenství v solární soustavě

LITERATURA

[1] Kramoliš, P.: Zásobníky tepla

[2] Farid, M.M., a kol.: A review on phase change energy storage: materials and applications, Energy Conversion and Management, 45 (2004), pp. 1597-1615. Elsevier Ltd.