Odnawialne źródła energii ze względu na swoją specyfikę bardzo często nie są do dyspozycji w momencie zapotrzebowania na energię. Zasobniki energii termicznej stanowią w związku z tym istotny element nowoczesnych instalacji, który umożliwia zwiększenie udziału źródeł odnawialnych w bilansie energetycznym, a jednocześnie – zwiększenie efektywności konwencjonalnych systemów.

W zależności od tego, przez jaki okres/czas zasobnik energii ma zapewniać dostarczanie ciepła (magazyn sezonowy czy krótki bufor) oraz jaki zakres temperaturowy ma mieć akumulowane medium, stosowane są różne technologie akumulacji energii cieplnej. Obok powszechnie znanych wodnych zasobników ciepła jedno-, ewentualnie kilkudniowych, coraz częściej wykorzystuje się także zasobniki sezonowe, długoterminowe (wciąż sprawdzane w projektach pilotażowych), zwłaszcza duże, podziemne zasobniki wodne lub gruntowe. Jednocześnie trwają intensywne prace nad rozwojem technologii akumulacji chłodu na cele klimatyzacyjne – przy zastosowaniu alternatywnych rozwiązań, jak np. materiały zmiennofazowe PCM.

Akumulacja ciepła z instalacji solarnych

Zasobnik, jaki powszechnie jest stosowany w instalacjach domowych zasilanych przez kolektory słoneczne, przedstawia rysunek 1. Materiałem akumulującym ciepło jest w tym przypadku woda. Energia słoneczna przekazywana jest obiegiem kolektorów przez mieszaninę wody i glikolu i ostatecznie – do zbiornika – przez wymiennik ciepła. Ponieważ roczne zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania c.w.u. nie jest pokrywane całkowicie przez energię słoneczną, w górnej części zasobnika znajduje się grzałka elektryczna lub drugi wymiennik.

Parametry i budowa. W celu przedstawienia właściwości termodynamicznych takiego zasobnika wodnego, stosuje się parametry wyszczególnione na rysunku 1. I tak, całkowita pojemność cieplna zasobnika określa, jaką ilość ciepła na każdy 1 K różnicy temperatury między zasilaniem a powrotem w normalnych warunkach pracy może oddawać lub przyjmować zasobnik. Straty ciepła informują natomiast, jaka część energii tracona jest w transporcie od zasobnika do pomieszczenia na każdy 1 K różnicy temperatury między środowiskiem zewnętrznym a temperaturą wody. W relatywnie małych zasobnikach, jakie znane są z zastosowań w domach jednorodzinnych, straty ciepła w największym stopniu uzależnione są od występowania mostków cieplnych w takich miejscach jak podłączenia czy króćce pomiarowe. Dobrze zaizolowany termicznie zasobnik wyróżnia się nie tylko grubą warstwą izolacji z materiału o małej przewodności cieplnej, ale również brakiem mostków cieplnych. Ważnym parametrem opisującym w zakresie termodynamiki wymiennik obiegu solarnego jest zdolność do wymiany ciepła. Jest ona zależna od samego wymiennika, ale również od strumienia masowego płynącego w wymienniku oraz od różnicy temperatury medium w wymienniku i w zasobniku. Prawidłowo zwymiarowane wymienniki ciepła obiegu solarnego dla typowych warunków pracy wykazują na każdy 1 m2 powierzchni kolektora wartość zdolności do wymiany ciepła na poziomie od 60 do 80 W/K. Istotną cechą zasobników, oprócz zdolności wymiany ciepła dodatkowego obiegu grzewczego, jest także wysokość podłączenia króćca powrotnego. Wpływa to na bezpieczeństwo zasilania w ciepłą wodę: im niżej znajduje się ten krócieć, tym większa jest dyspozycyjność ciepłej wody. Analogicznie sytuacja przedstawia się przy zastosowaniu grzałki elektrycznej – ważna jest wysokość jej montażu, a nisko zamontowana grzałka zapewnia maksymalną ilość dyspozycyjnej ciepłej wody.

Gradient temperaturowy. Dobry, pionowy rozkład temperatury podczas poboru wody zapewnia, że zasobnik będzie dostarczał możliwie dużo ciepłej wody o stałej, wysokiej temperaturze. Aby zminimalizować mieszanie się wody, zimna woda wprowadzana do zasobnika powinna być „uspokajana“ laminaryzatorem lub blachą inercyjną. Rozwiązania są różne zależnie od producenta. Pionowy gradient temperaturowy przy poborze wody można dobrze scharakteryzować za pomocą tzw. współczynnika gradientu. Efektywność odbudowy pionowego gradientu temperaturowego przy braku poboru wyrażana jest przez efektywną pionową przewodność cieplną. Przyczyną zanikania gradientu temperaturowego w nieaktywnym zasobniku jest przewodność cieplna wody oraz ścian zasobnika, jak i występujące ruchy konwekcyjne.

Wielofunkcyjny zasobnik solarny. Gdy energia słoneczna ma być używana nie tylko do podgrzewania wody użytkowej, ale również do wspomagania instalacji grzewczej, wówczas stosuje się instalacje wielofunkcyjne. Instalacje te wyróżniają się rodzajem zastosowanego zasobnika oraz dodatkowymi funkcjami, które przejmuje ten zasobnik. Na rysunku 2 pokazano przykładowy schemat instalacji wielofunkcyjnej solarnej. Charakterystyka termodynamicznazasobników wielofunkcyjnych również opisywana jest wartościami podanymi na rysunku 1.

Ocena wodnego zasobnika. Przy ocenie wodnych zasobników przeznaczonych do instalacji solarnych stosuje się normę europejską PN EN 12977-3 [1]. Podczas badań termicznych takich urządzeń wyznaczane są współczynniki, które szczegółowo charakteryzują ich termodynamikę. Znajomość właściwości zasobnika, ewentualnie odpowiednich termodynamicznych współczynników, jest niezbędna, aby:

• porównać i ocenić różne dostępne zasobniki;
• do określonych warunków projektowych dobrać odpowiedni zasobnik;
• przeprowadzić termiczne badanie wydajności zasobnika instalacji solarnej na podstawie testowanych komponentów wg PN EN 12977-2.

Autor: Maciej Danielak

O sezonowej akumulacji ciepła i chłodu (zasobnikach wodno-gruntowych, sondzie gruntowej jako zasobnik ciepła, powietrznym akumulatorze kamiennym) oraz zasobnikach zmiennofazowych można przeczytać w dalszej części artykułu w trzecim numerze Polskiego Instalatora PI 3/16.