Ekologiczne systemy grzewcze Paradigma

Badania i Rozwój

Para technologiczna z kolektorów słonecznych

Promieniowanie słoneczne chłodzi budynek Uniwersytetu w Karlsruhe

Kto w upalne lato zmuszony był do długiego przebywania w  zamkniętych pomieszczeniach, nie wątpi w sens klimatyzacji pomieszczeń. To jednak proces nie tylko wątpliwy ekologicznie, ale i kosztowny. Dzięki współpracy korporacji Ritter http://duel.com.pl/ecoquent/para-technologiczna-z-kolektorow-slonecznych/  Energie- Umwelttechnik, firmy Ritter XL Solar oraz Uniwersytetu w Karlsruhe wraz z Fraunhofer-Institut (UMSICHT) w Oberhausen i firmy GEA Wiegand z Ettlinger podjęto i zrealizowano projekt pilotażowy neutralnej dla otoczenia klimatyzacji budynku przy pomocy kolektorów próżniowo-rurowych wytwarzających parę wodną, zasilającą generator chłodu (DSKM) (kod dofinansowania BMBF 033RI0908B). Instalacja jest jedynym takim rozwiązaniem w skali światowej. Kolektory zainstalowano na dachu Uniwersytetu w Karlsruhe. (więcej…)

Categories: Badania i Rozwój, Public, Solarne chłodzenie

Jaką pojemność powinny mieć bufory grzewcze w instalacjach solarnych?

W swoim artykule „Sens i Nonsens buforów solarnych” w SW&W 12/2012, Rolf Meissner, CEO w Ritter XL Solar, zdecydowanie opowiedział się za minimalizacją zbiorników buforowych w instalacjach solarnych, dowodząc, że z ekonomicznego i energetycznego punktu widzenia jest to korzystniejsze. Jako sensowne, określił on zbiorniki sezonowe dopiero od pojemności około 200.000 m³. Kierownik z firmy Solites, Dirk Mangfold skrytykował te opinie o zbiornikach sezonowych. Pilotażowa instalacja solarnej sieci cieplnej miałaby potwierdzać sprawność i efektywność. SW&W zaprosiło obu ekspertów na spotkanie w celu przedyskutowania tego tematu.

SWW_Rolf
dr Rolf Meissner

Od 20 lat pracuje w Grupie Ritter jako fizyk i konstruktor. Od roku 2012 jest Prezesem Zarządu Ritter XL Solar GmbH w Karlsbad – firmy, która projektuje i buduje wielkie instalacje solarne. Przy czym, chodzi tu o tzw. AquaSystem, to znaczy instalacje solarne z wysokowydajnymi kolektorami próżniowo-rurowymi CPC i czystą wodą jako medium ciepło-nośne.

SWW_Kirk
Dirk Mangold

Od roku 2005 jest kieruje Instytutem Solites w Stuttgart – instytut badawczy Fundacji Steinbeis. Solites oferuje doradztwo, badania i wdrożenie wielkich instalacji solarnych, sieci cieplnych, zbiorników sezonowych, wielofunkcyjnych zbiorników i koncepcji energetyki CO2-neutralnej. Mangod jest też Kierownikiem grupy badającej problematykę długoterminowych magazynów ciepła. Poza tym jest Członkiem Zarządu Niemieckiej Platformy Technologii Solarnych i wykładowcą na Uniwersytecie Stuttgart.

SW&W: Panie Meissner, raczej więcej kolektorów niż pojemności bufora? Czy to jest najlepsza droga do opłacalnego solarnego systemu ogrzewania?

Rolf Meissner: Tak. To kolektor zbiera energię i w ostatecznym rachunku zarabia pieniądze. Zbiornik jest rzeczywiście potrzebny, ale jednak kosztuje. Dlatego uważamy, że więcej uwagi należy poświęcić kolektorom. Technika magazynowania jest nie do zignorowania, to jasne. Tak jak z silnikiem i karoserią w samochodzie. Nie będzie użyteczny, jeśli zabraknie jednego z tych elementów.

SW&W: Przy małych zbiornikach zachodzi pytanie, jak można wykorzystać energię z kolektorów również w zimie?

Meissner: Nawet w przy pojemności 50-60 m3, jak to często jest w budynkach zaprojektowanych wg koncepcji Sonnenhaus, długoterminowe magazynowanie nie odgrywa wielkiej roli. Rzadko kiedy chodzi o magazynowanie dłużej niż przez tydzień. W gruncie rzeczy chodzi o przetrwanie chwilowej złej pogody. Można przedłużyć ogrzewanie do listopada. Ale to wszystko. Wiosną można uzyskać tyle, co nic. To samo dotyczy grudnia i stycznia. Tak więc, sezon niskich uzysków, pozostaje bez uzysków ciepła. Wg naszej opinii, całkowita korzyść z dużego zbiornika, kiedy porównamy ją z nakładami i uzyskami energii, jest nieproporcjonalnie mała.

SW&W: Panie Mangold, Pan pracuje nad dużymi zbiornikami ciepła. Czy duży zbiornik przynosi więcej korzyści, niż wiele małych?

Dirk Mangold: Tego nie da się tak prosto sformułować. Kiedy planujemy jakąś instalację solarną – zarówno małą, jak i dużą, bez różnicy, czy z dużym, czy małym udziałem Słońca w bilansie energetycznym, to bierze się pod uwagę wskaźnik Cena-Wydajność. Dla zbiorników sezonowych, z którymi w instalacji pilotażowej magazynujemy ciepło z lata do wiosny, wychodzi, że pojemność od 1000 m3 jest wyraźnie bardziej opłacalna niż wiele małych zbiorników – dzięki optymalizacji powierzchni kolektorów w stosunku do pojemności zbiornika. W opinii ekspertów, będziemy ich potrzebować po roku 2020, by móc zaspokoić zapotrzebowanie na energię cieplną. Ważne jest, by zbiorniki sezonowe budować już teraz, ponieważ rozwój techniki magazynowania trwa dość długo.

SW&W: Cel – 50% udziału Słońca w bilansie energetycznym nie zawsze jest osiągany w dotychczasowych projektach, chociaż przewidują zbiorniki sezonowe. W czym rzecz?

Mangold: Nie wszystkie projekty zakładały 50% udział, ale w zależności od wielkości i warunków mniejszy. Porównania należy robić zawsze w odniesieniu do celu, który przyjmowany był w symulacjach wstępnych. Okazało się jednak, że cel 50% słonecznego udziału mogliśmy osiągnąć – w Rostoku 2000, w Neckarsulm 2010.

SW&W: Panie Messner, czy w Państwa AquaSystemie 50% udział Słońca jest również celem? Czy może nie, skoro energia słoneczna po prostu jest bezpośrednio zużywana, wtedy, kiedy jest dostępna?

Meissner: Wielkość zbiornika w kontekście gospodarstwa domowego należy rozważać w powiązaniu ze zdolnością systemu do uzyskiwania wysokich temperatur i odporności na zjawisko stagnacji termicznej. Nowoczesna instalacja solarna potrafi na stanowisku badawczym dostarczać 500 – 700 kWh/m2 rocznie. Instalacje, o których mówił Dirk dostarczają oczywiście mniej, od 250 do 300 kWh/m2. Nasze instalacje do wspomagania ogrzewania dostarczają podobne ilości energii. Różnica polega na tym, że my więcej energii nie potrzebujemy i magazynować nie chcemy.

Przy dużych zbiornikach wiele ciepła jest tracone, nie przynosząc pożytku, bądź przez straty, bądź przez zbyt niską temperaturę w zasobniku. W końcowym wyniku, energetycznie wychodzi na to samo, ale koszty inwestycji są zupełnie inne. Możemy z użyciem 10 m2 kolektorów w pasywnym budynku o powierzchni 160 m2 przy sprzyjających warunkach pogodowych uzyskać co najmniej 50% udział energii słonecznej ze zbiornikiem 1000 litrów. Cała inwestycja jest ekonomicznie i gospodarczo jeszcze rozsądniejsza, kiedy rozważymy wykorzystanie szarej energii oraz wskaźniki amortyzacji energetycznej, nakładów pracy i ogólnych nakładów.

SW&W: Panie Mangold, czy wielkie zbiorniki pogarszają wskaźnik Cena-Wydajność?

Mangold: Im mniejszy jest udział w bilansie, który mógłbym pokryć energią słoneczną, tym większy jest jednostkowy uzysk kolektorów. Lecz nie bez znaczenia jest wielkość zapotrzebowania i technika wymiarowania pola kolektorów. To wszystko sprowadza się do pytania o efektywność. Pracujemy bez ograniczeń technologicznych. Czy można uzyskać 50% udział Słońca w rocznym zapotrzebowaniu na energię z małym zbiornikiem i dużym polem kolektorów, nie było przedmiotem badań projektów pilotażowych z sezonowymi zbiornikami ciepła. Jedynym kryterium był jak najniższy koszt osiągnięcia założonego udziału energii słonecznej w projektowanych i realizowanych systemach solarnych.

Meissner: Nie mam na myśli żadnych innych powierzchni kolektorów, niż te, które są w użyciu. Mówię, że: przy tej samej powierzchni kolektorów i znacznie mniejszym zbiorniku, ale z kolektorami o wysokiej wydajności i wodą, jako nośnikiem ciepła można uzyskać co najmniej taki sam stopień pokrycia energią słoneczną. To pokazują nasze doświadczenia z małymi instalacjami. Oczywiście, im mniejsza instalacja tym większą wagę ma problem zbiornika. Lecz dopiero przy wielkości co najmniej 100.000 m3, jak to się robi w Danii, można dojść do rzeczywiście korzystnych cenowo zbiorników sezonowych. W ich przypadku straty własne zbiornika są na tyle niewielkie, że można pominąć izolację.

Mangold: To jednak są dwa różne tematy: jedno, to domy jednorodzinne, drugie, to osiedla. Porównanie duńskich zbiorników sezonowych i naszych instalacji pilotażowych oceniam zupełnie inaczej. Pomiary, koszty budowy i inne fakty pokazują, że korzystniej jest zużyć kilowatogodzinę ze zbiornika w Monachium, o pojemności 5.700 m3, niż ze zbiornika 80.000m3 w Danii. Pytanie o wielkość samego zbiornika nie jest jedynym. Jest jeszcze pytanie o całkowitą efektywność. Dlatego sensownie jest włożyć trochę więcej pieniędzy w izolację zbiornika, by przyniósł więcej korzyści całemu systemowi.

„Albo system musi działać w nocy, by wytracić nadmiar ciepła albo być skazanym na straty ciepła samego zbiornika”

Meissner: 50% udział energii słonecznej w ogrzewaniu jest dzisiaj dostępny w nowym budownictwie z minimalnymi zbiornikami od 50 do 100 l/m2 kolektora bez problemu. Zbiorniki, o których mówiłeś osiągają wielkości od 300 do 500 litrów na m2 kolektora i więcej. Dobrą stroną tego jest ochrona przed stanem stagnacji termicznej. Wszędzie podejmowane są różne działania, ponieważ w lecie kolektory muszą wytracać energię. Albo działając nocami od maja do października, by wytracić ciepło ze zbiornika, albo są skazane na straty własne zbiornika. Gdyby systemy glikolowe stały się odporne na stan stagnacji, to automatycznie doszłoby do minimalizacji zbiorników.

Mangold: To trzeba zbadać w symulacji. W każdym razie, do tej pory jeszcze nie mogliśmy przedstawić 50% udziału energii słonecznej dla standardów, o których mówiłeś, tzn 50-100 l/m2 kolektorów. Także twierdzeniu, że dzisiejsza metodyka wymiarowania zbiorników wynika z problemów stagnacji, muszę zaprzeczyć. My prowadzimy symulacje wyłącznie pod kątem optymalizacji efektywności, by znaleźć najkorzystniejsze rozwiązanie dla inwestora. Co ciekawe, okazuje się, że korzystniejsze jest nie to rozwiązanie, przy którym kolektory długo są w stanie stagnacji, ale wcale lub przez niewiele godzin w roku. To jest pytanie o wielkość pola kolektorów i kosztów magazynowania ciepła. Im droższy jest zbiornik, tym bardziej opłacalne jest większe pole kolektorów, które mogłyby wejść w stan stagnacji.

SW&W: Chciałbym przejść do rynku. Ostatecznie obaj chcecie upowszechniać solarne systemy grzewcze do szerokiego stosowania. Panie Meissner, jak pomaga w tym wasza technologia z układami wypełnionymi wodą?

Meissner: Przede wszystkim: W Niemczech nie opłaca się montować kolektorów o wysokiej wydajności, ponieważ dotowana jest powierzchnia brutto. Nie opłaca się dobrze wykorzystywać powierzchni brutto, ponieważ faktycznie dofinansowana będzie wysokość przemnożona przez szerokość. Nie opłaca się również oszczędność na zbiorniku, ponieważ dotacja uzależniona jest od ustalonych minimalnych pojemności. Tak, szczególnie trudno jest w Niemczech dowieść efektywności takich rozwiązań jak AquaSystem. Praktycznie musimy bez dotacji lub z nieproporcjonalnie małymi dotacjami konkurować z systemami, które są zoptymalizowane dla tych kryteriów. Ekonomia zmienia się ale nie tylko przez cenę zakupu. Musimy pamiętać, że w budynkach wielorodzinnych zbiornik zajmuje cenną powierzchnię mieszkalną. Poza tym, powinniśmy brać pod uwagę „szarą” energię, która niezbędna jest do wyprodukowania elementów składowych, a więc amortyzacje energetyczną systemu. Droga z technologią o wysokiej wydajności i zbiornikami, które tylko tak duże są jak potrzeba, prowadzi do tańszych instalacji, ponieważ w praktyce prowadzi do niemal całkowitego wyeliminowania zbiornika. Energetyczna amortyzacja kolektora to mniej niż rok, a systemów ze zbiornikami poniżej 2 lat.

SW&W: Solarne sieci ciepłownicze to inny poziom inwestycji. Panie Mangold, dla kogo są one opłacalne?

Mangold: Na przykład dla miejskich dostawców energii cieplnej i elektrycznej, które przez najbliższe 30 lat chciałyby mieć przyszłościową technologię. Muszą one co prawda na początku ponieść wysokie koszty, ale za to przez cały okres eksploatacji będą wynagradzane niskimi kosztami eksploatacji. Otrzymują więc bezpieczeństwo inwestycyjne i uniezależniają się od wzrastających kosztów energii. Poza tym, z powodu przestawiania się na energie odnawialne, potrzebują pilnie wielkich magazynów energii cieplnej dla zaspokojenia szczytowego zapotrzebowania. Zainteresowanie różnymi rozwiązaniami magazynowania energii silnie wzrasta w branży energetycznej.

SW&W: Czy sukces będzie osiągnięty w oparciu o zbiorniki z wodą?

Mangold: To zależy od zastosowania. Chcąc magazynować ciepło sezonowo, trzeba zmierzyć się z trudnymi warunkami brzegowymi. Pojemność zbiornika będzie wykorzystana od jednego do dwóch razy w roku, przy tym powinien być bardzo korzystny cenowo. Długoterminowo będą więc stosowane dwa rodzaje mediów. Dla jednych zastosowań będzie to woda, która jest tania i ma dużą pojemność cieplną, a dla innych grunt. Dwie z czterech technologii, które rozwijamy wykorzystują grunt: sondy ziemne i warstwy wodonośne. Do zastosowań, w których pojemność zbiornika jest często wykorzystywana, a więc dzienne lub szczytowe zasobniki, służą zbiorniki oparte o przemiany fazowe lub termochemiczne.

SW&W: Panie Meissner, to samo pytanie inaczej sformułowane: czy wasza firma pracuje nad innymi koncepcjami zbiorników ciepła, czy skupiacie się nad minimalizacją ich pojemności?

Meissner: Poświęciłem całe swoje życie zawodowe zbiornikom. Doświadczenie mówi mi, że droga doskonalenia systemów solarnych przez doskonalenie zbiorników jest bardzo kamienista. Ekonomicznie nie satysfakcjonująca i często o bardzo skromnym końcowym wyniku. Ulepszanie kolektorów i systemu przeciwnie, pomogło nam milowymi krokami poprawić całą efektywność i opłacalność.

Wywiad przeprowadził Joachim Berner

Zakład

Uzyskać 50% udziału energii słonecznej na osiedlu domów nisko-energetycznych ze wskaźnikiem około 100litrów/m2 kolektora. Rolf Meissner jest przekonany, że można tego dokonać z AquaSystemem. Dirk Mangold przeciwnie. Symulacje takiego przedsięwzięcia jeszcze nie były wykonywane. Zakład stoi, brakuje jeszcze stawki, SW&W będzie przecinać.


Źródło: Artykuł w Sonne Wind & Warme

Autor: Joachim Berner

Tłumaczenie: duel

Categories: Badania i Rozwój, Bufory grzewcze

Osiedle domów pasywnych z lokalną siecią solarną

Dokładne planowanie, to połowa sukcesu

Żeby solarna energia cieplna w przyszłości odgrywała znaczącą rolę na rynku niemieckim, konieczne jest znacznie większe rozpowszechnienie lokalnych sieci ciepłowniczych niż obecnie. Korporacja Ritter i jej, wyspecjalizowana w solarnej technice grzewczej, firma PARADIGMA zbudowały osiedle dla 12 dwunastu rodzin, od początku dokładnie i kompleksowo traktując wszystkie znane problemy i ryzyka. Opracowano i z sukcesem wdrożono w życie projekt pełen innowacyjnych rozwiązań, wyznaczający nowe kierunki rozwoju w tej dziedzinie. Prawdopodobnie po raz pierwszy w historii dużych systemów solarnych, już po pierwszym roku korzyści przekroczyły najśmielsze oczekiwania projektantów.

Odnawialne Źródła Energii (OZE), stan i perspektywy

Odnawialne Źródła Energii (OZE) muszą do połowy stulecia osiągnąć znaczący udział w rynku energetycznym, tak by zapobiec ciągłemu deficytowi w bieżącym zaopatrzeniu i wyeliminować lub przynajmniej znacząco złagodzić skutki dotychczasowej polityki energetycznej, mianowicie negatywne zmiany klimatyczne, wyczerpywanie się zasobów kopalnych, ryzyko związane z techniką jądrową i globalną nierównością w dostępie do energii. Jak na razie niewielką, ale szybko rosnącą częścią tego rynku jest technika bezpośredniego wykorzystania energii słonecznej do ogrzewania. W tej dziedzinie, jakościowo Niemcy są na absolutnym szczycie, a ilościowo daleko z przodu. Aktualnie, niemiecka i europejska polityka energetyczna ma na celu podwoić wykorzystanie OZE do roku 2010. Przy tym, powierzchnia kolektorów słonecznych w Niemczech powinna się powiększyć dziesięciokrotnie. Jako instrumenty tej polityki można rozważyć na przykład:

  • konsekwentne stopniowe zaostrzanie przepisów budowlanych
  • wspieranie rozwoju i czasowe subwencjonowanie OZE
  • podatek „ekologiczny”
  • decyzja o odejściu od energetyki jądrowej

Badania ukazują problemy, które przy przestawieniu konwencjonalnych systemów grzewczych na OZE muszą być przezwyciężone. Do tego, niezbędna byłaby znacząca zmiana strukturalna, która nie została jeszcze dostrzeżona. Z badań (poniżej) wyraźnie wynika, jaką centralna rolę muszą odgrywać lokalne sieci ciepłownicze.

passivritter-pic3
Powierzchnia kolektorów słonecznych zainstalowanych w Europie w roku 2000
passivritter-pic2
Powierzchnia kolektorów słonecznych zainstalowanych na świecie w roku 1999
 
Zalety i wady dużych grzewczych instalacji solarnych

Najważniejszym obszarem zastosowań OZE powinien być rynek grzewczy. Duży udział OZE w obszarze grzewczym wymaga m.in. użycia dużych instalacji z lokalnymi sieciami ciepłowniczymi, dla których dzisiaj nie ma odpowiednich instrumentów wspierających. Na duże instalacje udziela się dotacji co najmniej o połowę mniejszych niż zwykle. Przyszłość rynku instalacji solarnych, to jednak instalacje duże. Mimo że, jak dotąd, rzadko kiedy udawało się dobrze wykorzystać wszystkie potencjalne zalety tkwiące w tej koncepcji. Niektóre z nich, to:

  • małe straty ciepła
  • korzystniejsze profile zapotrzebowania
  • niższe koszty jednostkowe urządzeń
  • niższe koszty jednostkowe wykonania i obsługi
  • niższe zużycie materiałów (izolacja, miedź, stal, itd.)
  • mniejsze jednostkowe zapotrzebowanie na powierzchnię (kolektory i technika w kotłowni)

Przyczynami tych zaległości, w porównaniu do małych instalacji domowych, są:

  • brak motywacji u inwestorów (żadne lub za małe wsparcie)
  • mały rynek z kosztownymi indywidualnymi rozwiązaniami
  • złe rozwiązania architektoniczne w starym budownictwie
  • hamująca hierarchia ważności u inwestorów i architektów w nowym budownictwie
  • niepewność projektantów i wykonawców
  • logistyka dużych inwestycji
Systemy solarnych lokalnych sieci ciepłowniczych

Znane doświadczenia z szeregiem zrealizowanych solarnych sieci cieplnych są co najmniej złe. Jest kilka podstawowych zasad, które muszą być przestrzegane, często jednak są niedoceniane:

  • warstwowe ładowanie i utrzymanie warstw ciepła w zbiornikach
  • nie przekraczanie krytycznych długości przewodów
  • minimalizacja ilości przewodów
  • minimalizacja przekroju przewodów
  • maksymalizacja izolacji przewodów
  • konsekwentna technika niskotemperaturowa

Zlekceważenie choćby jednej z powyższych zasad prowadzi do zburzenia całego systemu. Przy modernizacjach zdarzają się czasami ograniczenia, które po prostu muszą być zaakceptowane. I tak powstają projekty, które nie tylko pochłoną wiele środków, ale i w działaniu zawsze będą nieefektywne. Wyjaśnienie zasady „nie przekraczać krytycznych długości przewodów” zilustrujmy przykładem. Dla standardowych sieci ciepłowniczych, zawodowcy stosują zasadę, że na 1 kW w danej gałęzi sieci, można zaplanować maksymalnie 1 metr przewodów, przeciwnym razie straty własne rurociągu będą zbyt duże. Znaczenie ma także fakt, że energię solarną uzyskuje się okresowo i kumuluje czasem przy małym obciążeniu sieci, bezwarunkowo konieczne jest więc jej magazynowanie. To prowadzi do kolejnych problemów. Zawsze źle kończy się wykorzystywanie solarnych sieci lokalnych na osiedlach o małej gęstości zabudowy lub sieci „nieszczęśliwie” poprowadzonej. Wszystko to, dotyczy standardowych sieci lokalnych. Co rozumiemy pod pojęciem: standardowa sieć lokalna ? Standardowa sieć lokalna jest to sieć niskotemperaturowa np. 65/40 stopni C, która jedną centralna pompą obsługuje wszystkich odbiorców. Im więcej odbiorców, tym większe zapotrzebowanie i więcej ciepła godzinami krążącego w sieci. Poza tym, w praktyce oznacza to, że dysponowana moc grzewcza cały czas musi być na poziomie zbliżonym do maksymalnego. Krytyczny warunek długości przewodów (maksymalna długość przewodów <1mb / kW)może być przezwyciężony, tylko jeśli przezwycięży się problemy samej sieci.

Osiedle domów pasywnych w Centrum Biznesowym korporacji Ritter

Idea
passivritter-pic4

Alfret T. Ritter – inicjator budowy osiedla domów pasywnych. Wyróżniony tytułem Eko-Menadżera roku 1997 za działania proekologiczne, laureat nagrody Prognos-Preis 1998, Federalny Krzyż Zasługi 1999

Od roku 1994 Paradigma rozwija koncepcję dużych i średnich instalacji solarnych oraz niezbędnych komponentów, jak kolektory, zbiorniki, regulacja, ogrzewanie płaszczyznowe i źródła ciepła. Za sprawą zainicjowanego i sfinansowanego przez Alfreda Rittera osiedla domów pasywnych, Paradigma uzupełniła tę koncepcję o nowy typ lokalnej sieci cieplnej. Projektantom i budowniczym postawiono za cel wyeliminowanie wszystkich wyżej wymienionych, dobrze znanych słabych punktów i ryzyk.

Przedsięwzięcie rozpoczęto w roku 2000 i wiosną 2002 z powodzeniem ukończono.

Pierwsze wyniki działania

W projekcie zaplanowano określone uzyski ciepła (tabela 1).
Pierwsze domy oddano do użytku jesienią 2001, a ostatnie wiosną 2002

Na etapie budowy, w czasie pierwszej zimy domy były ciągle ogrzewane, brakowało jeszcze niektórych przeszkleń i drzwi. Przedłużone do lata testy wartości granicznych, prowadzono bez zwracania uwagi na straty ciepła. Pierwsze ostrożne oceny były możliwe od wiosny 2002. Oparto je na zużyciu pellet. Odczyty liczników ciepła z instalacji solarnej i z każdego domu zamieszczono w tabeli 2.

Całkiem subiektywnie autor tego artykułu, który zasiedlił we wrześniu jeden z budynpassivritter-pic6ków wraz ze swoją czteroosobową rodziną, może z zadowoleniem stwierdzić, że jego koszty ogrzewania w porównaniu do dotychczasowych przy podobnej powierzchni mieszkalnej, ogólnie były zredukowane do jednej piątej,

Profil zużycia energii był ustawiony na wysoki komfort. Pasywne osiedle przygotowano z myślą o osobach w średnim wieku i głównie z małymi dziećmi. Tym samym, zapotrzebowanie na ciepłą wodę jest bardzo wysokie. Poza tym, pralki i zmywarki są częściowo zasilane ciepłą wodą użytkową ze zbiorników warstwowych. Mimo to, zbiornik buforowy także w zimie nagrzewany był głównie kolektorami słonecznymi. Latem 2002 instalacja solarna, zgodnie z oczekiwaniami, była permanentnie „nie dociążona”.

Planowane przeciętne zapotrzebowanie energii 15 kWh/m2 rocznie (wg certyfikatów od 11 kWh do 17 kWh w zależności od położenia) zostało spełnione. Planowane zapotrzebowanie 79,8 MWh nie zostało osiągnięte. Z jednej strony, zużycie ciepłej wody w budynkach zasiedlonych było większe niż zakładano, z drugiej, zawsze był co najmniej jeden budynek nie zasiedlony. Straty energii utrzymały się na poziomie około 24,1 MWh. Uzysk solarny około 30,7 MWh, przy częściowym obciążeniu, był nieco niższy niż oczekiwane 35 MWh z pewnością również dlatego, że latem instalacja była wyłączona na około 3 tygodnie. Imponująco wygląda udział Słońca w przygotowaniu ciepłej wody i ogrzewaniu 38,7%, tylko dla cwu+straty 69,6%, a tylko ogrzewanie i straty 85,9%. Te wyniki są znakomite, mimo istniejącej jeszcze niepewności. Publikowane dane pokazują, że przewidywanie tylko 3% strat w sieci lokalnej jest jeszcze bardziej wiarygodne. Pomiary będą kontynuowane. Uzysk solarny będzie wzrastał, ponieważ wkrótce wszystkie 12 domów będzie w pełni zasiedlonych i niektóre subtelności w działaniu systemu mogą być zoptymalizowane dzięki elektronicznej regulacji, bez pogorszenia komfortu.

Tabela 1

Prognoza zapotrzebowania na ciepło dla 4 osób w domu pasywnym o powierzchni referencyjnej 155 m2
Planowane zużycie 1 dom 12 domów Udział %
Ciepła woda 580 kWh/osoba/rok 2320 kWh 27840 kWh 34,9 %
Ogrzewanie 15 kWh/m2/rok 2325 kWh 27900 kWh 34,9 %
Razem 4645 kWh 55740 kWh 69,8 %
Planowane straty 12 domów Udział %
Sieć lokalna 1545 kWh/r CWU + 658 kWh/r CO 2204 kWh 2,8 %
Centrala grzewcza 2,5 kW *(245cwu +120co)dni *24h=14700 kwh +7200kWh 21900 kWh 27,4 %
Razem zapotrzebowanie ciepła (zużycie + straty) 79844 kWh 100 %

Tabela 2

Zużycie energii wg pomiarów w okresie 25.03.2002 do 24.03.2003
Rzeczywiste zużycie 1 dom 12 domów Udział %
Paliwo 9,7 ton pellet 500 kWh/t 48540 kWh 61,3 %
Energia słoneczna Odczyt z licznika z dokładnością +-5% 30700 kWh 38,7 %
Zmierzone łączne zapotrzebowanie 79240 kWh 100,0 %
Energia słoneczna dla CWU   69,6 %
Energia słoneczna do CO   85,9 %
Planowane koszty ogrzewania dla 1 domu miesięcznie (0,035 euro/kWh pellet, 0,01 euro/kWh solar) 14 euro
Zmierzone zapotrzebowanie ciepła w jednym domu, 4 osoby (rodzina Meissner)
CO + CWU 4066 kWh    
Aktualne koszty miesięczne (CO+CWU) dla 1 domu miesięcznie (dom nr 4) 12,8 euro

passivritter-pic8 passivritter-pic7

 
Architektura

01_021_2005_RGB

Zaprojektowano 12 trzykondygnacyjnych, jednorodzinnych domów po około 170 m2 powierzchni mieszkalnej w pasywnej wersji, podzielonych na 3 bloki, po 4,3 i 5 w jednym rzędzie, częściowo z mieszkaniem dla trzeciego, najstarszego pokolenia. Zastosowane architektoniczne zasady są znane, prosto, ale skutecznie. Na wschód i zachód nie wychodzą żadne okna, od północy jest tylko tyle okien, by zapewnić wystarczające doświetlenie. Utrzymano mały stosunek powierzchni zewnętrznej bloków do powierzchni mieszkalnej. Od strony północnej najniższa kondygnacja wbudowana jest w naturalne zbocze. Izolację zewnętrzną wykonaną z segmentów dodatkowo pokryto pianą izolacyjną (I-sofloc, kDach=0,10 W/m2K, ksciana=0,107 W/m2K). Ściany zewnętrzne i stropy z betonu tworzą naturalne, chociaż pokryte drewnianymi podłogami i okładzinami, akumulatory ciepła. Wykończenie wewnętrzne wykonano w lekkiej zabudowie z naturalnego drewna i innych ekologicznych materiałów. Duże przestrzenie, otwarte centralne schody, szczeliny pod drzwiami wewnętrznymi gwarantują naturalną cyrkulację powietrza i uzupełniają wentylację mechaniczną. Od południa, domy mają okna trzy-szybowe o powierzchni około 50 m2 (Uv-Wert DIN o,6 W/m2K). Przed oknami rozciągają się balkony i sterowane elektrycznie rolety do ewentualnego zacieniania. Zawsze dostępna jest wystarczająca ilość światła. Na parterze od południa przewidziano tarasy. Dzięki przeszkleniu, przez cały rok przy słonecznej pogodzie dociera do wnętrza dużo ciepła. Nocą i przy złej pogodzie większe straty ciepła przez południowe okna muszą być zaakceptowane. Średni współczynnik strat z uwzględnieniem okien południowych wynosi tylko 0,3 W/m2K. Zapotrzebowanie na energię zaprojektowano na 11 do 17 kWh/m2a, w zależności od położenia domu, dopuszczalny ułamek energii pierwotnej zgodnie z normami WSVO 95 lub EnEV. W domu pasywnym nie ma żadnych mostków cieplnych ani innych zbędnych powietrznych. Suma wszystkich nieszczelności każdego domu nie przekracza wielkości karty bankomatowej (Blower-Door-Test: n50=0,27..0,45 h-1), to jest mniej więcej 1/10 „naturalnej wentylacji”. Mimo to, dzięki technice budowy, wilgotność powietrza jest przez cały rok przyjemnie niska. Ogrzewanie wnętrz odbywa się przez ogrzewanie ścienne z centralnej ściany, która obok klatki schodowej przenika przez wszystkie kondygnacje.

Technika domowa

Przygotowanie ciepłej wody użytkowej

si200Każdy dom jest wyposażony w warstwowy zbiornik Paradigma SI-201 o pojemności 200 litrów przeznaczony do przygotowania ciepłej wody użytkowej. To jeden ze sposobów znaczącego zmniejszenia zapotrzebowania na energię. Zbiorniki zorganizowane w kaskadach, ładowane są tylko w określonych momentach. Ładowanie odbywa się w energooszczędnym trybie Low-Flow z przepływem maksimum 8 litrów /min i trwa najwyżej 20 minut, a dla wszystkich domów razem około 1 godziny. Przez cały zwykły dzień obieg grzewczy pozostaje zimny lub całkiem wyłączony. Kiedy jakiś zbiornik nie jest doładowany, krążenie pozostaje wyłączone. Kiedy jakiś zbiornik poza okresem ładowania opróżni się, każdy mieszkaniec może uruchomić ładowanie indywidualnie. Temperatura powrotu z sieci w czasie ładowania zawsze pozostaje na poziomie 20 do 35 stopni, ponieważ wymiana ciepła w zbiorniku warstwowym odbywa się przeciwprądowo w zewnętrznym wymienniku płytowym. Pompy z automatyczną regulacją obrotów ładują zbiornik warstwowo z dokładnie ustalona temperaturą. W każdym domu ustawiana indywidualnie, zwykle między 45 a 52 stopnie. Przy czym, maksymalna temperatura zasilania nie przekracza 58 stopni C. Przekroje przewodów ciepłej wody są zaprojektowane możliwie najmniejsze, odpowiednio do przepływów. Cyrkulacja ciepłej wody może być włączona przyciskiem na krótko, z każdego miejsca poboru. Zwykłe systemy zaopatrzenia w ciepłą wodę użytkową unikają zdecentralizowanych zbiorników warstwowych i dlatego działają tylko źle. Przewody sieciowe są gorące bez przerwy, zarządzanie temperaturą powrotu często zawodzi, szczególnie przy znacznych zmianach poboru, jeszcze bardziej przy ciągle działającej cyrkulacji cwu. Sytuację pogarszają jeszcze długie przewody i ich duże przekroje.passivritter-pic13

System ogrzewania pomieszczeń

lagoJeżeli bezpośrednie promieniowanie słoneczne jest niewystarczające do ogrzewania, to uruchamia się system ogrzewania ściennego. System Paradigma Lago składa się z segmentów równolegle połączonych rurek miedzianych, zatynkowanych na centralnej ścianie mieszkania. Z około 12 m2 powierzchni grzewczej uzyskuje się gwarantowane 3-4 kW na każdy dom. Pojedyncze pomieszczenia od strony północnej wyposażone są dodatkowo w ogrzewanie ścienne w wersji Lago-Mont, czyli podobne konstrukcje z rurek miedzianych, jednak przysłonięte lekką zabudową z płyt gipsowych.

Niewielka pompa obiegowa, sterowana temperaturą pomieszczenia, zasila ogrzewanie ścienne bezpośrednio z lokalnej sieci cieplnej. Wielkość przepływu maksymalnie 4 litry/min. Maksymalna temperatura zasilania nie przekracza 40 stopni C, temperatura powrotu zwykle poniżej 35 stopni, najczęściej poniżej 30 stopni. W słoneczne dni, z racji formy architektonicznej oraz pasywnej konstrukcji budynku, nawet przy dość niskich temperaturach zewnętrznych poniżej zera, system grzewczy może być wyłączony.

Kotłownia

Bufor grzewczy o pojemności 5000 litrów (zapas energii 240-300 kWh ) w izolacji polistyrolowej o grubości 50-80 cm, kocioł na pellet Paradigma Pelleti 32 kW, elektroniczna, modułowa regulacja Paradigma MES i cała hydraulika z rozdzielaczami mieści się w piwnicy. Tuż obok mieści się również niewielki magazyn pellet w wersji Sacksilo.

Dla potrzeb centralnego ogrzewania, kocioł na pellet ogrzewa w buforze tylko górne 600 litrów wody do temperatury 60-65 stopni C, pod warunkiem, że wcześniej słońce nie ogrzało jej wystarczająco. Ten minimalny obszar gotowości magazynuje około 30 kWh. Pozostałe 4400 litrów bufora ogrzewane jest wyłącznie przez słońce. Kolektory zasilają bufor na dwóch różnych poziomach. Ciepło słoneczne dostarczane jest tak, że temperatura zasilania obiegu solarnego zawsze jest nieco wyższa od temperatury danego poziomu w buforze. Temperatura zasilania, dzięki regulacji obrotów pompy obiegowej, zawsze osiąga wymagany poziom, a system, najwyższą możliwą sprawność.

Lokalna sieć ciepłownicza

Wszystkie 12 domów uzyskuje energię cieplną z bufora za pośrednictwem sieci cieplnej, która posiada pewne cechy, wydatnie podnoszą sprawność w porównaniu do tradycyjnych, standardowych sieci cieplnych. Jej długość wynosi 100 metrów, a pojemność około 180 litrów. Długość jednostkowa, dla projektowanej mocy grzewczej 50 kW, wynosi około 2 m/kW.

schemat

System Lokalnej Sieci Paradigma

jest:

  1.  … pasywny. Nie ma żadnej centralnej pompy obiegowej. Każdy z 24 odbiorników pobiera indywidualnie z bufora tyle energii, ile potrzebuje. 12 niskotemperaturowych układów ogrzewania ściennego i 12 warstwowych zbiorników ciepłej wody wyposażono w energooszczędne pompy, które pracują tylko w krótkich chwilach zapotrzebowania na ciepło. Zbędne stało się przy tym dławienie pomp, jak to dzieje się w zwykłych układach hydraulicznych. W porównaniu do aktywnego systemu, gdzie pompa pracuje bez przerwy, zaoszczędzono około 75% energii elektrycznej. Przez uzależnienie przepływu dla każdego odbiornika od jego potrzeb, temperatury powrotu w granicach 35 stopni C są gwarantowane dla całego systemu.
  1. otwarty. Między zasilaniem i powrotem znajdują się tylko przyłącza do 24 odbiorników. Kiedy wszystkie są nieaktywne, nieaktywny jest również cały system sieciowy. Kiedy tylko jeden odbiornik na początku sieci zgłosi zapotrzebowanie na ciepło, cała reszt systemu pozostaje nieaktywna. Standardowe sieci natomiast, nawet bez odbioru zawsze mają uruchomione krążenie. Przy małym poborze trudno jest utrzymać poprawną temperaturę powrotu.
  2. chwilowy i samo rozładowujący się. Proces przygotowania ciepłej wody ograniczony jest do kilku godzin dziennie. Ogrzewanie działa tylko przez kilka miesięcy w roku i w przeważnie w okresach wyżowych jest całkowicie wyłączone. Po każdym okresowym uruchomieniu systemu, z racji warstwowego ładowania bufora i w zależności od odległości do odbiornika ciepła, w sieci pozostaje maksymalnie 90 litrów wody o temperaturze 55..60 stopni C i 90 litrów wody powrotnej o temperaturze 25..35 stopni C. To ciepło zostało by zmarnowane, gdyby obieg pozostał nie aktywne przez 2..3 godziny. Dlatego, kiedy ostatnia kaskada zbiorników warstwowych zostanie naładowana i nie przewiduje się w najbliższym czasie poboru energii, to za sprawą zaworu elektromagnetycznego i niewielkiej pompy cały zapas energii z rurociągu przywracany jest do bufora. Tylko przez ten krótki moment rozładowania sieci system nie spełnia warunku pasywności z punktu 1.
  3. Low-Flow lub Matched-Flow-System. Ponieważ wszystkie odbiorniki zaprojektowano na dużą różnicę między temperaturą zasilania a powrotu, (około 8 litrów/min przy 55/25 15/50 dla bufora i maksymalnie 4 litry/min przy 40/30 dla niskotemperaturowego ogrzewania ściennego) to przepływ w sieci zawsze jest mały i odpowiedni do oporów przepływu. Dzięki temu, przekroje przewodów mogą być zminimalizowane. Przekroje rur w większej odległości od bufora również mają mniejsze średnice niżby to wynikało z sumy przepływów. Optymalizacja takiej sieci nie byłaby możliwa bez odpowiedniego programu komputerowego, który uwzględnia wszystkie opory przepływu i charakterystyki pomp. Kaskady zbiorników warstwowych zostały tak dobrane, że dla każdej z nich cała sieć lokalna zawsze ma zbliżone wartości strat ciśnienia. W sezonie grzewczym możliwy jest priorytet dla ciepłej wody, tak że podczas krótkiego okresu ładowania zbiornika warstwowego pompa centralnego ogrzewania jest wyłączona. Ta opcja nie jest niezbędna, ale stanowi ważną rezerwę w systemie grzewczym.
  4. dwuczęściowy. Standardowe sieci lokalne składają się często z więcej niż dwóch przewodów. Trzeci lub czwarty przewód ma za zadanie kompensować wady systemu, jak silnie wahająca się temperatura zasilania lub powrotu lub dystrybuować dodatkowe media (wodę grzewczą, obieg solarny, woda pitna). Jednak każdy dodatkowy przewód tylko zaostrza i tak istniejące problemy ze stratami ciepła. Koncepcja Paradigmy dla dużych systemów – warstwowego ładowania i rozładowania, w połączeniu z pasywnym, otwartym i czasowym działaniem, wymaga tylko dwóch przewodów: zasilania i powrotu. Opierając się pokusie zaoszczędzenia przez zastosowanie tańszych rur z tworzyw sztucznych, cały system wykonano jako zamknięty, w technologii miedzianej, gwarantującej odporność na dyfuzje tlenu. Przewody z tworzyw sztucznych pozwalają na niewielką dyfuzję tlenu do obiegu, co jest przyczyną gromadzenia się szlamu w rurach, zmiany punktu pracy pomp obiegowych, zanieczyszczenia wymienników ciepła lub wręcz należy liczyć się z uszkodzeniami korozyjnymi bufora.
  5. warstwowo ładowany i rozładowany. Zasilanie obiegu sieciowego zawsze pobierane jest z tego poziomu bufora, który gwarantuje aktualnie potrzebną temperaturę. Ponieważ bufor co najmniej na samej górze jest znacznie cieplejszy niż, wymagana przez 4/5 dnia temperatura 40 stopni, to cenne słoneczne ciepło o temperaturze ponad 60 stopni jest zarezerwowane dla przygotowania ciepłej wody. Dodatkowo, zasilanie zawsze jest mieszane z wodą powrotną, tak by uzyskać właściwą żądaną temperaturę zasilania. Również po to, by nie była zbyt gorąca, kiedy bufor bliski jest zagotowania. Powrót kierowany jest na różne poziomy bufora. Dlatego dolne warstwy bufora są przepompowywane tylko wtedy, gdy temperatura powrotu jest mniejsza niż temperatura na poziomie przyłącza powrotu. Dzięki takiemu zarządzaniu zasilaniem i powrotem maksymalizuje się użyteczną pojemność bufora i minimalizuje straty na orurowaniu z powodu niepotrzebnie wysokich temperatur.
Regulacja
MES

Regulacja MES

Całym systemem zarządza mikrokomputerowa modułowa regulacja Paradigma MES. Prawie wszystkie pompy pracują z automatyczną regulacją obrotów, dbającą o utrzymanie żądanej temperatury zasilania. W samej kotłowni znajdują się moduły do sterowania obiegiem solarnym, kotłem na pellet, buforem i siecią lokalną. W każdym domu znajdują się moduły sterujące ładowaniem warstwowych zbiorników ciepłej wody. Wszystkie moduły komunikują się między sobą i palnikiem automatu kotła na pellet za pośrednictwem magistrali LON-bus. Wentylacja mechaniczna w każdym domu sterowana jest indywidualnie.

Instalacja solarna

W pobliżu kotłowni, na płaskim dachu zamontowano pole kolektorów próżniowo-rurowych CPC Star azzurro o powierzchni 56 m2 powierzchni czynnej, kąt nachylenia 45 stopni. Ta instalacja, wykonana w technologii Low-Flow, o maksymalnej mocy około 35 kW, ładuje bufor od góry jeśli może dostarczyć temperatur wymaganych do przygotowania ciepłej wody lub poniżej obszaru gotowości dla cwu, jeśli temperatura jest niższa. Rocznie może dostarczyć około 25.000 kWh energii.

Wentylacja

12_152_DN2001 12_153_DN2001Każdy pasywny dom wyposażony jest w wentylacje mechaniczną z odzyskiem ciepła. W sezonie grzewczym oszczędza to wiele energii. Nowo stawiane domy są tak szczelne, że wentylacja grawitacyjna nie daje żadnych gwarancji. Już w budynkach wykonanych wg WSVO95 wymagane normą DIN 1946 minimalne wymiany powietrza z zasady osiągane są od wiatru o sile 5 stopni. Wentylacja przez otwieranie okien jest niepraktyczna, dla optymalnego efektu należałoby co 2 godziny otwierać wszystkie okna na 5 minut. Przez niewłaściwą wentylację z domu nisko-energetycznego szybko zrobiłby się całkiem normalny budynek.

System Paradigma AirA pracuje z wysoką sprawnością dzięki wymiennikowi krzyżowemu. Pokoje są nawiewane świeżym powietrzem, a z łazienek i kuchni powietrze jest wywiewane. Tłumiki wyciszają ewentualne szumy. Ciepło z pomieszczeń odzyskiwane jest w krzyżowym wymienniku przeciw prądowym. Duży wymiennik gruntowy podgrzewa powietrze zimą i chłodzi latem. System dokładnych filtrów chroni wnętrza przed pyłami i owadami. System jest regulowany automatycznie , w oparciu o dane z czujników gazu i wilgotności, przez algorytmy Fuzzy-Logic. Użytkownik może wybrać w 8-stopniowej skali między maksymalną energooszczędnością, a maksymalnym komfortem.

Podsumowanie

Osiedle domów pasywnych w Centrum Biznesowym Ritter zostało zaprojektowane i wykonane kompleksowo. Głównym celem i ideą było osiągnięcie maksymalnej możliwej sprawności i efektywności energetycznej przez budownictwo pasywne i kompleksowe zastosowanie ekologicznej techniki firmy Paradigma. Dzięki temu, że firma również ma swoją siedzibę w pobliżu, to cała wiedza inżynierska była bezpośrednio dostępna nie tylko w biurze, ale i na budowie. Zarówno główny inwestor Pan Alfred Ritter, architekci, kierownicy budowlani, biuro projektowe utrzymywali bliskie kontakty z inżynierami odpowiedzialnymi za poszczególne produkty w Paradigmie, którzy wielokrotnie pomagali podejmować małe i duże decyzje przybliżające projekt do głównego celu. Pomijając kilka błędów w wykonaniu (niewielka nieszczelność w fundamentach pojedynczych domów), które z techniką grzewczą nie mają związku, projekt jest wzorcowo udany.
Sieć lokalna jest całkowicie innowacyjna i funkcjonuje wspaniale. Twórcy wierzą, że ta koncepcja będzie jeszcze często realizowana, by pomóc w rozwoju solarnych systemów grzewczych.

01_013_2006_RGB


Źródło: Artykuł w SANITÄR&HEIZUNGSTECHNIK   nr 7/2003

Autor: Dr Rolf Meissner, Ritter Energie und Umwettechnik, Karlsbad

Tłumaczenie: duel

Categories: Badania i Rozwój, Solarne sieci cieplne

Odporność na stagnację warunkiem efektywnego wykorzystanie energii słonecznej do ogrzewania

Kolektory słoneczne próżniowo-rurowe CPC z wodą jako nośnikiem ciepła dostarczają prawie niezależnie od pogody i pory roku temperatury 80-160 stopni C i są całkowicie uodpornione na problemy wynikające ze stanu stagnacji nawet w przypadku zaniku napięcia. Dlatego właśnie przy tej technologii pojemność zbiornika może być optymalizowana wg dostępnego miejsca, profilu poboru energii, opłacalności, a dzięki temu nawet w najsroższą zimę przy dobrej pogodzie może być w pełni naładowany energią. Tak więc, Paradigma AquaSystem ma predyspozycje do stosowania w ogrzewaniu z wysokim udziałem Słońca.

  1. Kolektory próżniowo-rurowe CPC

Podstawą tej techniki są tzw. naczynie Dewar’a lub rury Sydney. To są dwuścienne rury z bardzo niskim podciśnieniem w przestrzeni między rurami, dokładnie tak jak w zwykłym termosie (Obraz 1). Na podstawie wieloletnich doświadczeń z termosami od 1874 roku, wiadomo, że ich żywotność waha się od 20 do 50 lat. Na powierzchni wewnętrznej rury znajduje się wysoko selektywna powłoka absorbcyjna, która przy odpowiednim natężeniu promieniowania słonecznego może rozgrzać się do temperatury stagnacji około 350 stopni C. Kiedy kolektor nie jest w stanie stagnacji, ciepło może być odbierane i transportowane cienkimi rurkami miedzianymi lub stalowymi. Zwierciadło CPC (Compound Parabolic Concentrator) gwarantuje, że stosując możliwie najmniej rur można ponad 90% powierzchni brutto  aktywnie wykorzystywać do pozyskiwania energii. Ono pozwala przede wszystkim zaoszczędzić materiały, podnieść uzysk i zmniejszyć straty ciepła. Dzięki swojej specjalnej geometrii można wykorzystać niemal całe promieniowanie bezpośrednie i rozproszone (Obraz 2).

rura-devara
Obraz 1. Rury próżniowe
05_010_2003_RGB
Obraz 2. Zwierciadło paraboliczne CPC
Abrecht_bild3
Obraz 3a. Charakterystyka sprawności kolektorów w zależności od nasłonecznienia i różnicy między temperaturą kolektora a otoczenia
Obraz 3b. Charakterystyka w zależności od nachylenia i odchylenia od kierunku południowego

Charakterystyka kolektora (Obraz 3) pokazuje, że dla różnicy temperatury kolektora i otoczenia wynoszącej 100 K i natężeniu promieniowania 800 W/m2 model CPC Plasma ma jeszcze 60% sprawności, a przy 400 W/m2 prawie 50%. Żeby uzyskać różnicę temperatur 75 K ze sprawnością 40% wystarczy natężenie promieniowania 250 W/m2. Promieniowanie nie musi przy tym być ciągłe. Pod warstwą śniegu około 5 cm różnica temperatury może osiągnąć poziom 50 K. Przy ciśnieniu w instalacji co najmniej 7 bar można wodę w kolektorach CPC przegrzać do 160 stopni i stosować w różnych procesach technologicznych. Również generowanie pary nie jest problemem i jest stosowane w praktyce /1/. Szczególną zaletą cylindrycznych absorberów jest uniezależnienie od kąta padania promieni słonecznych. Praktycznie oznacza to, że każdego dnia przez wiele godzin można uzyskiwać dużą moc. Przy pomocy Kalkulatora Solar Keymark (SKOC) można uzyskiwać roczne symulacje dla stałych różnic temperatur kolektora i otoczenia. (Obraz 4). Kalkulator SKOC wychodzi z założenia, że ciepło słoneczne będzie całkowicie zużyte. Wszystkie straty, poza stratami samego kolektora, nie są brane pod uwagę.

Kiedy, głównie w okresie grzewczym, zbiornik powinien być ogrzewany do temperatury 95 stopni C, to realnie średnia temperatura kolektora powinna być na poziomie 80 stopni C. Symulacje z Kalkulatora SKOC pokazują, że maksymalne uzyski w Niemczech bardzo się różnią. Pokazują również, że pokrycie plazmowe w modelach CPC Plasma ma większy wpływ na roczny uzysk, niż wynika to z wykresu charakterystyk. Okazuje się, że potrzeba 2-3 razy większej powierzchni dobrych kolektorów płaskich niż CPC, by otrzymać podobny uzysk energii. Proste i „tanie” kolektory płaskie nie znajdują zastosowania w systemach ogrzewania. Ciekawe jednak jest to, że dobre kolektory płaskie, przy średniej temperaturze 80 stopni C, często mają dwukrotnie większe roczne uzyski energii, niż odpowiadające im pola fotowoltaiczne /2/. Kolektory CPC Plasma w porównaniu do fotowoltaiki, dostarczają co najmniej 4 razy więcej energii.

Abrecht_bild4
Obraz 4. Roczny uzysk energii solarnej w kWh/m2 powierzchni brutto w Würzburgu
(warunki pogodowe zbliżone do Katowic )
Abrecht_bild5
Obraz 5. Zbiornik wielofunkcyjny Aqua Expresso z instalacja solarną do przygotowania ciepłej wody i częściowego ogrzewania, jako typowy schemat dla domów jedno- i dwurodzinnych
  1. Woda grzewcza w kolektorze słonecznym

Do ogrzewania energią słoneczną potrzeba kolektorów przystosowanych do warunków zimowych. Przy dzisiejszym stanie techniki są to kolektory próżniowe. Przy czym, kolektory próżniowo-rurowe CPC są najwydajniejsze, najszerzej stosowane i od 15 lat potwierdzają swoją wartość pracując w najróżniejszych warunkach na całym świecie. Lecz charakterystyki płaskich kolektorów próżniowych również pokazują świetne osiągi w zimie. Wysoka moc w zimie, to jednak nie wszystko. Instalacja solarna do ogrzewania w zimie musi przede wszystkim być pewna i uodporniona na stan stagnacji w lecie, kiedy główna część ciepła odbierana jest przez przepływ medium ciepło-nośnego. Jak dotąd nie ma w pełni skutecznego sposobu na zabezpieczenie wysokowydajnych kolektorów przed skutkami stagnacji w instalacjach z płynem niezamarzającym. Dlatego właśnie w kolektorach powinna płynąć woda. Od roku 2004 funkcjonują na rynku systemy solarne z wodą jako medium do transportu ciepła, całkowicie odporne na problemy stagnacji. Co najmniej 50.000 o wielkości od kilku do kilku tysięcy metrów kwadratowych. W zimie, przede wszystkim w nocy, niewielka część energii potrzebna jest do ochrony przed zamarznięciem. Wg badań potwierdzonych certyfikatem ITW w 2003 roku, przy temperaturach około -25°C małe instalacje zużywają 2-4% rocznego uzysku na ochronę przed zamarznięciem. W roku 2007 wykonano dokładne pomiary na dużej instalacji firmy FESTO w Stuttgarcie o powierzchni około 1300 m², która potrzebowała niecałe 2%, a jak dotąd największa instalacja w Wels/Austria zużyła zimą tylko około 1% swojego uzysku na ochronę przed zamarznięciem. Woda w kolektorach jest nie tylko najodporniejsza, najłagodniejsza dla instalacji i trwała, ale pozwala też na wyeliminowanie wymiennika ciepła, armatury niezbędnej do gromadzenia i odzysku środków ochrony przed zamarzaniem oraz armatury odpowietrzającej. Zawsze wysoka temperatura kolektorów pozwala na eliminację zaworów przełączających, mieszaczy, innych wymienników na różnych poziomach temperatur w buforze, przede wszystkim jednak ma wpływ na wielkość zbiornika. Bo, kiedy także w zimie można zbiornik nagrzać do odpowiednio wysokiej temperatury, to może on być mniejszy i zajmować mniej miejsca. Zbiornik nagrzany do temperatury 50 stopni C, niezbędnej dla ogrzewania podłogowego, musi być przynajmniej 4-5 razy większy, niż ten ładowany w ciągu dnia do temperatury 95 stopni C. Warto też zauważyć, że bufor z temperaturą 50 stopni C nie pozwala na higieniczne przygotowanie ciepłej wody użytkowej. Instalacja solarna z kolektorami próżniowo-rurowymi CPC i wodą w obiegu jest podobnie łatwa w przyłączeniu jak dodatkowy kocioł. Na obrazie 5 przedstawiono standardowy schemat z odpornym na stagnację systemem solarnym, gdzie obok kolektorów CPC zastosowano specjalny, wielofunkcyjny najwyższej klasy zbiornik buforowy, sprawdzony w tysiącach aplikacji.

Rodzaj obiegu grzewczego może dowolny, jednak oczywiście, tym efektywniejszy jest bufor, im niższa temperatura zasilania obiegu. Dogrzewanie najlepiej jest oczywiście oprzeć na przyjaznym środowisku pellecie lub drewnie w kawałkach. Mały kocioł gazowy jest chyba najwygodniejszy w eksploatacji. Można też zastosować pompę ciepła, nie jest to jednak optymalne rozwiązanie w połączeniu z kolektorami słonecznymi. Często nie osiągają wymaganych temperatur i mieszają warstwy wody o różnej temperaturze w buforze, czym zmniejszają dostępną pojemność dla kolektorów i zmniejszają stopień pokrycia energią słoneczną. Poza tym, obciążają sieć energetyczną silnymi impulsami i mają najgorszy wpływ na bilans emisji CO2 spośród wszystkich współczesnych źródeł ciepła.

Abrecht_bild6
Obraz 6. Udział energii słonecznej w ogrzewaniu dla trzech budynków: pasywnego, niskoenergetycznego i konwencjonalnego dla 4 pojemności bufora i różnej wielkości pola kolektorów
  1. Oszczędność energii pierwotnej

Kiedy w ciągu dwóch mroźnych styczniowych dni główne źródło ciepła pozostałoby nieczynne przez jeden dzień, to oszczędność energii pierwotnej (w warunkach niemieckich) wyniosłaby około 50%. Jasno widać, że do tego potrzebny jest zapas energii, co najwyżej jednodniowy lub przynajmniej na pół dnia. Ta prosta formuła powinna być przedstawiona na początku, by pokazać, że mimo całej złożoności tej problematyki, można mówić o niej prosto i zrozumiale. Rzeczywiście, zapotrzebowanie na energię i potencjał możliwych oszczędności zależy od wielu czynników. Najważniejsze to konstrukcja budynku, położenie geograficzne, system ogrzewania, powierzchnia kolektorów i pojemność bufora. Położenie geograficzne, wg rysunku 5, może być w programie symulacyjnym dość dokładnie wybrane. Przy czym, przeliczenie wykonano dla domów: pasywnego, nisko-energetycznego i starszego, standardowego. Przyjęto 4 pojemności bufora w zależności od wielkości pola kolektorów, skierowanych na południe i ustawionych z nachyleniem 60 stopni. Wszystko to, dla domu jednorodzinnego o powierzchni mieszkalnej 160 m2, zlokalizowanego w Pforzheim. Nie przypadkowo wybrano tę miejscowość, ponieważ tam znajduje się praktycznie zrealizowana instalacja, która dla porównania przedstawiona będzie w dalszej części. Wyposażony w pole wysokowydajnych kolektorów o powierzchni 10 m2 i wielofunkcyjny zbiornik buforowy o pojemności 1100 litrów do pasywny osiągnął 60-procentowy udział energii słonecznej w ogrzewaniu, a dom standardowy (U=0,5) co najmniej 25%. Przy tej relatywnie małej powierzchni kolektorów nie da się z buforami o większej pojemności uzyskać dużo więcej energii. Wraz ze wzrastającą powierzchnią kolektorów, większe pojemności buforów pozwalają na większe uzyski roczne. Przy czym, procentowy udział energii słoneczne w ogrzewaniu rośnie znacznie szybciej ze wzrastającą powierzchnią kolektorów niż ze wzrostem pojemności bufora. Czterokrotne powiększenie pola kolektorów poprawiło dla domu pasywnego udział energii słonecznej z 33% (1100 litrów) na 50% (8800 litrów). Ośmiokrotne zwiększenie pojemności bufora tymczasem zmieniło udział z 2% (10 m2) do 15%(40m2). Lecz dom nisko-energetyczny, wyposażony w 20 m2 kolektorów również może osiągnąć 50% udział słońca w ogrzewaniu, jak również dom standardowy, tyle, że z polem o powierzchni 30 m2 i buforem około 4000 litrów. Wyniki zależą w dużej mierze od położenia geograficznego (obraz 7).

Abrecht_bild7
Obraz 7. Udział energii słonecznej w ogrzewaniu dla domu pasywnego ze zbiornikiem Aqua Expresso 1100 i polem kolektorów próżniowo-rurowych CPC 20 m2 dla różnych lokalizacji
  1. Wskazówki do projektowania

Powiększanie pola kolektorów jest znacznie efektywniejsze niż powiększanie bufora, jak pokazuje to obraz 6. Jeżeli dodatkowo ogrzewa się kotłem na biomasę, to bufor może być znacznie większy, przynajmniej 50 litrów dodatkowej pojemności na kW mocy kotła. Może być nawet dużo więcej, jeśli chciałoby się dla komfortu zmniejszyć częstotliwość rozpalania. Jednak magazynowanie ciepła dłużej niż 2-3 dni wymaga doskonalszej, a co za tym idzie, droższej izolacji termicznej zbiorników i dużo więcej miejsca. Ponieważ relatywnie małe zbiorniki obecnie dość dużo ciepła tracą, to efektywność i czas magazynowania ma swoje granice. Więcej niż 150 litrów pojemności dla instalacji solarnej na każdy jej metr kwadratowy nie jest celowe. Instalacje glikolowe wymagają znacznie większych pojemności bufora, ponieważ tam bufor w lecie pracuje jako ochrona przed stagnacją, dodatkowo wyposaża się je w elektrycznie zasilane systemy schładzania lub wymusza miesiącami całodobową pracę pomp z pełną mocą. Z technicznego punktu widzenia instalacja solarna może być dowolnej wielkości. Dla „normalnych domów” z przygotowaniem ciepłej wody i ogrzewaniem, z ekonomicznego punktu widzenia wystarczające jest minimum 30 litrów pojemności bufora na metr kwadratowy, ponieważ przy danej powierzchni kolektorów, koszty magazynowania rosną szybciej, niż korzyści z energii. Kiedy jest wystarczająco miejsca większe bufory są mile widziane. Dla potrzeb grzewczych w okresach przejściowych i w zimie optymalne nachylenie kolektorów wynosi 60-75 stopni, a ukierunkowanie na południe. Jednak nie jest to wymóg, ponieważ system jest bardzo tolerancyjny. Między 40 a 90 stopni odchylenia na wschód lub zachód jest dopuszczalne. Na terenach o dużych opadach śniegu sugerowane jest nachylenie 60 stopni i zapewnienie dostępu w celu odśnieżenia kolektorów. Również pionowe ściany z nachyleniem kolektorów 90 stopni są bardzo pomocne w podnoszeniu udziału energii słonecznej w ogrzewaniu.
Specjalny zbiornik buforowy Aqua EXPRESSO potrafi nawet w stanie zimnym bardzo szybko przygotować ciepłą wodę, niemal po kilku minutach nasłonecznienia, ładowany wysoką temperaturą. W przypadku większości zbiorników buforowych z funkcją przygotowania ciepłej wody jest to nie do pomyślenia i może trwać wiele godzin.

  1. Pewien niecodzienny przykład

Dom na obrazie 8 w Dietlingen niedaleko Pforzheim nie jest nowy, ale futurystyczny z długą historią. Zbudowany w 1994 roku, uzyskał Europejską Nagrodę Solarpreis. Sednem koncepcji była minimalizacja powierzchni zewnętrznej budynku przy jednoczesnej optymalizacji wielkości instalacji solarnej. Osiągnięto to przez uformowanie ściany zewnętrznej w kształcie części walca o kącie 212 stopni, skierowanej głównie na południe. Ściana północna, bez okien, niemal do połowy zagłębiona jest w niewielkim zboczu. Okna 3-szybowe drewniano-aluminiowe ze zintegrowanymi żaluzjami pozwalają na bezstopniową regulację doświetlenia(U=1,1W/m2K). Powierzchnie nie przeszklone mają współczynnik strat ciepła U=0,2 W/m2K. Chronione są izolacją transparentną (TWD) o powierzchni 90 m2, która jest częścią systemu grzewczego. Wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła (sprawność powyżej 80%) wraz z kilkoma grzejnikami zapewnia wymagane 20 W/m2 mocy grzewczej. Ciepło do systemu grzewczego dostarczane jest z pola kolektorów próżniowo-rurowych CPC o powierzchni 24 m2 i kotła kondensacyjnego 10 kW.

Do dyspozycji tego pola kolektorów postawiono zbiornik Aqua EXPRESSO o pojemności 840 litrów. W roku 2011 pomiary wykazały 5500 kWh/a uzysku energii słonecznej przy zaledwie 35 litrach pojemności bufora na m2 pola kolektorów, odpowiadającej 250 kWh/m2 powierzchni czynnej. Jakkolwiek instalacja w badanym roku przez 772 godziny była w stanie stagnacji.

Obraz 9 pokazuje dobitnie, że w grudniu i styczniu bez gazu (zielone) obejść się nie można, ale też tylko przez te dwa miesiące nie było stanów stagnacji (czerwone). Najczęściej instalacja solarna dostarczała (żółte) prawie całe potrzebne ciepło. Znaczne powiększanie bufora mogłoby wyeliminować to niewielkie zużycie gazu w marcu i październiku, jednak w grudniu i styczniu zmiana była niewielka.

Abrecht_bild9

Obraz 9. Bilans energii cieplnej za rok 2011

  1. Podsumowanie

Od 2010 roku ponad 750 podobnych budynków (EFH) została wyposażona w takie systemy grzewcze jak w Solarhaus Abrecht. Wszystkie przyczyniają się do znacznych oszczędności energii pierwotnej. Paradoksalnie jednak, co ósmy z nich nie kwalifikował się do dofinansowania BAFA z powodu zbyt małego bufora. To co dobre jest dla tak modernizowanych domów, jeszcze lepsze jest dla hoteli, wspólnot mieszkaniowych, domów opieki, itp. Przy tym, stosowane są te same elementy, metody, zasady: kolektory próżniowo-rurowe CPC, zwłaszcza najnowsze z plazmową powłoką, woda jako nośnik ciepła, specjalne zbiorniki buforowe Aqua EXPRESSO, które również wykorzystują ciepło stagnacji i mogą być łączone w kaskady z innymi buforami. Symulacje i praktyczne doświadczenia pokazują, że efektywne solarne ogrzewanie z kolektorami próżniowo-rurowymi i wodą w obiegu solarnym jest najprostsze, najwydajniejsze, najekologiczniejsze i najtańsze ze wszystkich możliwych.

Co więc jest w tym systemie najlepsze? Czy tylko kolektory? One przy „naprawdę niskotemperaturowych” zastosowaniach dają większy udział słońca „tylko” o 10%-20% niż dobre wielkopowierzchniowe kolektory płaskie. To nie brzmi spektakularnie. Można jednak sformułować to inaczej: żeby z innymi kolektorami uzyskać ten sam udział energii słonecznej, stosując taki sam mały zbiornik buforowy, trzeba zainstalować 2-4 razy więcej kolektorów /4/.
Czy może przewagą jest minimalizacja: mały zbiornik, brak płynu niezamarzającego, żadnych glikoli ? To też nie jest wystarczająca przewaga.

Kluczową cechą tego systemu jest całkowita odporność na problemy stagnacji. Ponieważ tylko w systemie odpornym na stagnacje można stosować niemal dowolnie małe zbiorniki, niemal dowolnie duże pola kolektorów. Trzeba jeszcze mocno podkreślić, że Aqua System jest w pełni odporny na stagnację nawet w przypadku zaniku napięcia.
Można więc śmiało zapytać, jakim celom służą obecne zasady dofinansowania BAFA:

  • do 40 m2 → 50 litrów bufora na m2 kolektora
  • bonus efektywnościowy: od 40 m2, 100 l/m2
  • bonus „buforowy” od 40 m2 i 10 m2, 250 l/m2

Projektując instalację pod kątem jej wydajności można mieć mieszane uczucia.

Solarhaus_Abrecht


Źródło: Artykuł Sanitär&HeizungsTechnik nr 4/2013

Autor: dr Rolf Meissner, CEO Ritter XL Solar

Tłumaczenie: duel


Literatura

/1/ R. Meissner, CPC-Vakuumrohren-Kollektoranlagen fur Prozeswarme bis 160 C, Erneubare Energien Austria 4-2012, S.16

/2/ Internetseite http://www.ibc-solar.de/?id=1771

/3/ B. Lerout, R. Meissner, Aqua Expresso: Neues Frischwassersystem – ein Meilenstein i Energieeffizienz und Warmwasserkomfort, FEE Heizungsjournal Spezial, 10/2009

/4/ H. Druck, H. Muller-Steinhagen:Innovative Speicherkonzepte fur Kombianlagen mit hohen solaren Deckungsanteilen, Tagungsband Solarthermisches Symposium Staffelstein 2003

Categories: Badania i Rozwój, Grzewczy system solarny

Sens i nonsensy zbiorników buforowych w instalacjach solarnych

Opanowanie problemów stagnacji termicznej jest warunkiem optymalnego doboru zbiornika buforowego

Wyobraź sobie życie gdzieś w tropikach, oparte głównie o zbiory łatwo psujących się owoców. Konserwacja jest nieznana lub zbyt kosztowna. Przez trzy czwarte roku zbiory wystarczają na połowę potrzeb, ale przez dwa miesiące owoców jest w nadmiarze. Dlatego tylko niemądrzy budowaliby duże magazyny. Zamiast tego jadłoby się do syta tak długo, jak to możliwe i zrobiło niewielkie rezerwy na miesiące niedostatku. Analogiczne przemyślenia powinny nasuwać się także przy rozważaniu wykorzystania ciepła słonecznego.

sinn_bild1
sinn_bild2

Obraz 1. Instalacja solarna do ogrzewania w zimie i chłodzenia latem w Esslingen (z lewej), Istanbuł (z prawej),
tylko 10 litrów na m² kolektorów, uzysk roczny ponad 500 kWh/m²

Potencjał energii słonecznej na całym świecie nie jest nawet w tysięcznej części wykorzystany. Mimo to, także w Niemczech pojawiają się pozornie niepodważalne zasady określające specyficzne minimalne pojemności zbiorników, niezbędne, by ciepło słoneczne sensownie wykorzystywać. Niestety niedostrzegane jest przy tym, że do 10%-go udziału energii słonecznej praktycznie prawie żaden zbiornik nie jest potrzebny (~10 litrów/m²). W Niemczech daje się uzyskać na przykład 500 kWh/m² w zakresie temperatur 70° do 90° C do bieżącego wykorzystania dla 40% udziału słońca w bilansie rocznym. Z jednostkową pojemnością w granicach 40 l/m² daje się ledwie połowę ciepła z całego słonecznego dnia przechować przez 24 godziny, by obsłużyć różne profile zapotrzebowania. Przy tym, dla potrzeb ciepłej wody i ogrzewania można dostarczyć do 50% energii. Również dla przemysłowych zastosowań z wyrównanym dziennym profilem zapotrzebowania można, przy rocznym uzysku jednostkowym około 350 kWh/m²  osiągnąć podobnie wysokie pokrycie bilansu energią słoneczną. Mniejsza wydajność bierze się przeważnie ze 115 dni wolnych od pracy.

sinn_bild3_RM

Dr Rolf Meissner

sinn_bild4_SA

Inż Stefan Abrecht

Jedyne warunki by energię słoneczną tak prosto zapewnić, to użycie kolektorów o wysokiej wydajności oraz system, który bezproblemowo poradzi sobie ze stanem stagnacji. Większe pojemności buforów potrzebne są dopiero dla większego niż 50% udziału słońca. Takie bufory muszą wykazać się wyjątkowo dobrą izolacja, w przeciwnym razie mijają się z celem. Takie zastosowania, z racji nieekonomiczności, mają w Niemczech jeszcze bardzo mały potencjał. Sezonowe magazynowanie, w przeciwieństwie do krótkoterminowego, jak dotąd było technicznie, ekonomicznie i ekologicznie gorsze. Niemal wszystkie zrealizowane projekty długoterminowego magazynowania ciepła nie osiągnęły 50% pokrycia energią słoneczną, co stawia pod znakiem zapytania ich racje bytu. Mimo to, szczególnie w Niemczech, zawsze poświęca się więcej środków na cele badawczo-rozwojowe związane z magazynowaniem ciepła słonecznego, niż na jego pozyskiwanie i dystrybucję. Tego, że szczególnie duże zbiorniki korzystają z prawa do bonusów za innowacyjność,  ze względu na ich nieefektywność trudno zrozumieć. Lecz dla zaangażowanych w magazynowanie energii słonecznej  zbyt duże pojemności zbiorników są od dawna wymaganym kryterium dla systemu dofinansowania i stąd problem. Tak więc, inwestorzy są niemal zmuszeni do nieefektywnego działania z powodu bezsensownych technicznie wymagań lub rezygnacji. Późniejsze niezadowolenie z dających się przewidzieć skutków trwale szkodzi rynkowi.

Z czego wynika ta luka między oczywistym powodem, a realiami, między teorią, a praktyką ? Autorzy ryzykują przypuszczenie, że często za magazyn energii uważane jest coś, co powinno pełnić funkcję ochrony przed przegrzaniem. Do tego wniosku doszli po uporaniu się z pytaniem, czy w ogóle możliwe i sensowne jest długoterminowe magazynowanie energii słonecznej. Artykuł ten przedstawia te rozważania w postaci prostych i zrozumiałych fizycznych i ekonomicznych formuł, przede wszystkim dla buforów wodnych, lecz krótko także dla sond ziemnych i wód gruntowych.

Wyścig między solarnym uzyskiem, a stratami ciepła

Obecnie najtańszym medium do magazynowania ciepła słonecznego dla temperatur do 120° C jest woda. Przemiana fazowa, adsorbcja oraz izolacja próżniowa nie będą tu rozważane, ponieważ są jeszcze nie dość sprawdzone i nie mają wystarczającego znaczenia na rynku.

Badane powinny być tylko zbiorniki wodne. Każdy zbiornik ma swoją pojemność, powierzchnię zewnętrzną, i kształt. Rozpatrując dalej dla uproszczenia tylko walec ze współczynnikiem wysokość/średnica równym 1,5  otrzymujemy równie prosta zależność między pojemnością Vs i powierzchnią zewnętrzną Ab

(1) Ab[m²] = 5,6 (Vs [m³])²⁄³

Wnętrze przechowuje ciepło, które ciągle stara się przeniknąć przez powierzchnie zewnętrzną z powrotem do atmosfery. Do zbiornika można doprowadzić tylko ograniczoną ilość ciepła zależną od powierzchni kolektora FK i czasu. Moc jednostkowa kolektora jest zależna od wielu czynników. Jako wzorcowy, powinien być wzięty przeciętny dzień z dobrym natężeniem promieniowania Qd = 3 kWh/m²d. Również roczny uzysk kolektora zależy od wielu czynników. Ta wartość również powinna być przyjęta na dobrym poziomie Qa= 500 kWh/m²a jako wzorcowa. Te i następne dane odnoszą się do powierzchni brutto kolektora i wskaźnikiem powierzchni czynnej do powierzchni brutto około 0,9.

Celem jest przechowanie ciepła przez określony czas ts przy zachowaniu pewnej minimalnej temperatury Tsol. Średnia temperatura powrotu Tr, maksymalna temperatura zbiornika Tmax i planowany czas magazynowania są podstawą do określenia pojemności zbiornika (Wykres 1). Żeby wyniki były zbliżone do realnych, przyjęto temperaturę powrotu Tr=40° C, a maksymalną temperaturę zbiornika Tmax=95° C.

    Qd*ts*FK
(2) Vs = ——————————–
    1,16[kWh/m²K]*(Tmax – Tr)

Z objętością zbiornika Vs związane są (1) także powierzchnia zewnętrzna Ab i średnica zbiornika DS = 2(Vs /Π /3)¹⁄³. Teraz dochodzi grubość izolacji di oraz rodzaj materiału. Potrzebna do oszacowania strat powierzchnia zewnętrzna zaizolowanego zbiornika może być wyliczona z powierzchni zbiornika As i grubości izolacji di:

(3) As = Ab (1+ 4 di/Ds)

Z powierzchni izolowanej As, grubości izolacji di, przewodności cieplnej materiału λ i średniej temperatury między zbiornikiem a otoczeniem ΔTv otrzymujemy moc strat Q’v z którą zbiornik stale traci ciepło. ΔTv powinna być przyjęta możliwie nisko do 40°K (np. 30°C/10°C lub 60°C/20°C). Takie ryczałtowe założenie wynika z faktu, że temperatura zbiornika nigdy nie jest jednorodna, a temperatura zewnętrzna najczęściej ograniczona jest do temperatury pomieszczenia lub gruntu.

    λ *As *ΔTv
(4) Q’v = —————————–
    di

Przewodność cieplna λ nie może łatwo sprecyzowana. Tylko przy małych zbiornikach stosuje się wysokiej jakości izolacje, jak EPS-, EPP-, Melamina lub poliuretan ze średnią wartością (dla średniej temperatury izolacji około 50°C) poniżej 0,045 W/mK . W praktyce dominują jednak poliuretanowe pianki z wartością 0,05..0,065 W/mK. Większe zbiorniki są najczęściej izolowane materiałami mineralnymi lub wełną szklaną z przewodnością 0,06..0,075 W/mK. Zbiorniki zagłębione w gruncie izolowane są spienionym szkłem lub granulatem szklanym. Tylko w stanie suchym mogą mieć przewodność cieplną nie mniej niż 0,1 W/mK, która po zawilgoceniu pogorszy się do 0,6 W/mK [1]. Ponieważ bufor rzadko bywa wyposażony w wysokiej jakości izolację, to do dalszych rozważań przyjęto wskaźnik przewodności cieplnej λ=0,08 W/mK. Do strat bufora zalicza się jeszcze straty przyłączy, rur i armatury. Ponieważ te straty mają tym większy wpływ, im mniejszy jest zbiornik, to uwzględniono pewną kompensację, tak by możliwe było przyjęcie przewodność λ=0,08 W/mK dla każdego zbiornika.

sinn_bild5

Wykres 1. Niezbędna pojemność bufora Vs [m³] w zależności od powierzchni brutto kolektorów i planowanego okresu magazynowania ciepła dla Qd= 3kWh/m²d, Tmax-Tr=55K (Vs[m³]=0,047*Fk[m²]*ts[d])

Wykres 2. Minimalna dodatkowa powierzchnia kolektorów w procentach niezbędna do kompensacji strat ciepła zbiornika w zależności od okresu magazynowania i grubości izolacji termicznej

Moc strat Qv prowadzi przez cały rok (8.760 godzin) do przewidywanych strat Qva. Aby te straty dobrze zilustrować, powinny być wyrażone jako powierzchnia kolektora fv, która służy tylko kompensacji strat (Wykres 2). Nie znaczy to, że pozostała część ciepła słonecznego może być wykorzystana, by to było możliwe, to temperatura zbiornika musi być wyższa od wymaganej temperatury zasilania. Wysokie temperatury zasilania tylko pogarszają każdy z przyjętych parametrów.

(5) fv = 8760 h Qv / Qd

Jakościowe wnioski z tego wykresu nie są nowością:

  • mały zbiornik potrzebuje doskonałej izolacji
  • im mniejsze pole kolektorów, tym większe straty jednostkowe
  • im dłuższy czas magazynowania, tym większe straty ciepła

Ilościowe wyniki są już zadziwiające:

  • tylko magazyny krótkoterminowe ze zwykłą izolacja mają akceptowalne straty w stosunku do uzysku solarnego
  • dla pól kolektorów do 15 m² jest jasne, że bufor znajduje uzasadnienie tylko w doskonałych warunkach, chyba że już jest w dyspozycji lub pełni kilka funkcji, jednak zawsze wskazane jest dodatkowe pole tylko do kompensacji strat
  • każda oszczędnościowa izolacja poniżej 15 cm prowadzi do nieakceptowalnych strat w skali roku
  • próba magazynowania ciepła ponad 10 dni z użyciem pól kolektorów poniżej 50 m² nie powiedzie się
  • przy sezonowym magazynowaniu i polach kolektorów około 2000m² wchodzą w rachubę tylko bardzo grube izolacje. Kiedy jednak izolacja choć trochę zwilgotnieje, to projekt upada, bo straty szybko zwielokrotniają się
  • jednakże, kiedy zbiornik jest niemal nieograniczonej wielkości (>200.000m³), to grubość i jakość izolacji odgrywa mniejszą rolę. Do tego wskazane są pola kolektorów od 50.000m² wzwyż. Na tym efekcie i na inteligentnej polityce energetycznej oparto sukces solarnych sieci ciepłowniczych lokalnych i rozległych w Danii. Przede wszystkim od takich wielkości zbiorniki sezonowe są ważną opcją na przyszłość ponieważ magazynowanie bez izolowania będzie tańsze, a 90% udział słońca stanie się całkiem możliwy.
  • Wraz z wydłużaniem czasu magazynowania jednostkowy uzysk energii zawsze będzie mniejszy. Tylko ponosząc ekstremalnie wysokie nakłady na izolacje można przeciwdziałać temu trendowi.
    Kiedy więc nie uzysk solarny rośnie, ale koszty, to po co dzisiaj głównie o długoterminowym magazynowaniu tyle się rozprawia?

Ważnym, szczególnym przypadkiem jest sezonowy zbiornik stanowiący część budynku. Powyższe rozważania go nie dotyczą. Tam rzeczywiście ciepło nie jest stracone, może w lecie jest trochę niekomfortowo.

Procesy technologiczne wspomagane energią słoneczną, do uzyskania wysokiego stopnia pokrycia energią słoneczną praktycznie nie potrzebują żadnego bufora. Maksymalny stopień pokrycia bez bufora może być najczęściej jeszcze optymalizowany, np. przez siedmiodniowy tydzień pracy, przez przesunięcie niektórych prac na drugą część dnia roboczego, przez uwzględnienie pogody i pór roku w planach produkcyjnych, itd. Magazynowanie energii może dodatkowo podnieść stopień pokrycia, ale podniesie również koszty, dlatego magazynując energię nie należy oczekiwać żadnej cudownej efektywności.

sinn_bild8 sinn_bild7

Obraz 2. Dwa domy pasywne XL-Solar ze wskaźnikiem 30 i 80 litrów bufora na m² powierzchni kolektorów i ponad 50% udziałem energii słonecznej w bilansie grzewczym i przygotowaniu ciepłej wody

Efektywność systemów

W literaturze można znaleźć różne źródła, wg których solarny uzysk wraz z wielkością zbiornika tylko rośnie [2]. Tak jednak nie może być, bo zamiast w nieskończenie wielkim zbiorniku, można ciepło słoneczne równie dobrze bez sukcesu wprowadzać do morza. Błąd bierze się z mylenia uzysku kolektorów i uzysku systemu.

Wielkie zbiorniki są szczególnie krytycznie postrzegane, kiedy poza energią solarną gromadzą energię z konwencjonalnych źródeł energii. Dzieje się tak zawsze, kiedy temperatura powrotna z obiegu grzewczego jest wyższa niż temperatura otoczenia bufora. Skutkiem tego, wraz z rosnącą wielkością, bufor staje się wielkim radiatorem dla głównego źródła energii. Nawet wtedy, kiedy chodzi tylko o ciepło niskotemperaturowe, pochodzi ono zawsze przynajmniej częściowo z głównego źródła energii.

Ponieważ solarny uzysk systemu (w przeciwieństwie do uzysku kolektora) musi być utożsamiany z oszczędnością energii konwencjonalnej, może on tylko tak długo rosnąć, jak długo energia konwencjonalna, gromadzona w buforze i przez jego zewnętrzną powierzchnię wytracana, większa jest niż tak samo uciekająca energia solarna. Tylko bufory z czystym, wyłącznie solarnym podgrzewaniem wstępnym nie gromadzą energii z paliw kopalnych z obiegu powrotnego. Czyste solarne wstępne podgrzewanie oznacza, że temperatura z obiegu powrotnego jest mniejsza niż temperatura w buforze. Przypomina to kwadraturę koła i jest rzadko praktykowane, na przykład tylko dla dwustopniowego przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Ponieważ wykorzystana może być tylko egzergetyczną część zgromadzonej energii solarnej (tylko ta część ciepła, która jest do dyspozycji z temperaturą co najmniej taką, jaka wymagana jest w danym procesie), zmniejszanej jeszcze wraz ze wzrostem bufora i czasu magazynowania, to także solarny uzysk systemu musi sam, bez ciepła z obiegu powrotnego, od określonej wielkości bufora zawrócić. Mianowicie od punktu w którym egzergetyczny uzysk kolektorów zrówna się ze stratami własnymi bufora. Nie dzieje się to przez cały rok, ale tylko na przykład przez miesiąc lub wręcz przez jeden tydzień, potwierdzając mocne uzależnienie maksymalnego solarnego uzysku systemu od pory roku i pogody. Mówiąc wprost, każdy bufor tylko przez krótki czas w lecie ma właściwą wielkość, przez pozostały czas jest znacznie za duży. To maximum zależne jest od wielu parametrów, jak temperatura powinna bufora, powierzchnia kolektorów, izolacja zbiornika, profil zapotrzebowania na energię itd. i dla zastosowań niskotemperaturowych może być bardzo spłaszczone. Lecz nigdy, wraz z rosnącą wielkością bufora, solarny uzysk systemu nie zbliży się do innej granicy niż zero, pomijając czyste solarne wstępne podgrzewanie. Taki wynik sugeruje się we wcześniejszych modelach [3].

Inną okolicznością która utrudnia lub przeszkadza w długoterminowym magazynowaniu ciepła jest wymieszanie ciepła. Aby bufor móc tylko częściowo naładować lub rozładować, potrzeba naturalnych warstw termicznych, które opierają się na malejącej stale wraz ze wzrostem temperatury od 4°C gęstości i słabej przewodności cieplnej wody. Z pewnym wysiłkiem udaje się jeszcze sprawić, że woda napływa do zbiornika i pobierana jest bez turbulencji (gorąca na górze, zimna na dole). Na krótki czas rzędu godzin warstwy temperaturowe pozostają bardzo stabilne. Jednak entropia zawsze ma swoją cenę. Przez termodyfuzje i przewodnictwo cieplne warstwy termiczne zacierają się i łączą coraz bardziej. Dodatkowo ciepło przenosi się ściankami zbiornika w dół. Przez wychłodzenie bufora od zewnątrz, warstwa wody przy samej ścianie opada powoli i wywołuje potężny, dążący ku górze centralny strumień. Taki termosyfon jest wprawdzie bardzo powolny, ale potężny, przypominający Golfstrom. W zależności od wielkości bufora, po jednym dniu, tygodniu, lub miesiącu warstwy temperaturowe zostają zniwelowane i większość wartościowej egzergii przetworzy się w energię bezużyteczną.

Można próbować pozostałą energię przy pomocy pompy ciepła przetworzyć z formy zbyt zimnej wody w egzergię. Jednak tu dochodzimy do sedna problemu unikania strat w gruncie rzeczy już poniesionych i może być rozumiane jako droga naprawa. Działa to więc jak zwykłe ogrzewanie. Próba zmniejszenie entropii w zbiorniku przy pomocy kosztownej energii pierwotnej lub energii elektrycznej, przeciwdziałając ochłodzeniu z powodu wymieszania warstw lub poprawieniu zbyt niskich temperatur kolektorów. Przy tym nie może być zignorowane, że także to gorsze, dzięki pompie ciepła znów uszlachetnione ciepło będzie pobierane ze zbiornika i że niegdyś było to wartościowe ciepło słoneczne lub przeniesiona przez obieg powrotny energia pierwotna. W całym bilansie można to porównać do przyłączenia dodatkowego kotła lub grzejnika elektrycznego. Kiedy, mimo centralnego ogrzewania, mieszkanie nie jest dość ciepłe, wtedy poza prądem elektrycznym nie wchodzi do bilansu żadne ciepło z zewnątrz.

sinn_bild9

Wykres 3. Proporcjonalne oszczędności energii i absolutne oszczędności gazu/oleju dla różnych wielkości bufora w zależności od powierzchni kolektorów dla domu w Würzburgu

 

sinn_bild10

Wykres 4. Maksymalny jednostkowy uzysk roczny Qas [kWh/m²] dla różnych okresów magazynowania ts i grubości izolacji termicznej di

Rachunek kosztów

Wiadomo [2], że uzysk solarny najpierw bardzo szybko rośnie wraz ze zwiększaniem bufora, a już od jednostkowej pojemności 10 litrów/m2 powierzchni kolektora wzrost jest powolniejszy. Dziesięciokrotne zwiększenie bufora przynosi tylko o sześć procent większy stopień pokrycia dla 0,3m² kolektora na 50 litrów ciepłej wody zużytej dziennie względnie także tylko 12% przy pięciokrotnym powiększeniu powierzchni kolektorów (1,5 m²/ 50 litrów). Stukrotne powiększenie zbiornika, jak to byłoby w przypadku zbiornika sezonowego niczego więcej nie przyniesie, a (jak wykazano w poprzednim punkcie) raczej mniej. Dotyczy to zwykłych standardowych przypadków. Kiedy jednak całe ciepło solarne będzie zawsze zużywane na bieżąco, staje się jasne, że każdy zbiornik jest nadmiarem. Dostępne są dobre przykłady [4, 5]. Wykres 3 pokazuje dobitnie zależność między polem kolektorów, typem kolektorów, wielkością bufora i oszczędności energii na przykładzie standardowego domu jednorodzinnego w Würzburgu. Te i podobne obliczenia są znane od dawna [6,7].

Oczywiście powiększanie powierzchni kolektorów prowadzi prawie zawsze do wyraźnie większych oszczędności energii, niż powiększanie zbiorników. Kolektory próżniowo-rurowe, które bez trudu uzyskują wysokie temperatury, wykorzystują dysponowaną pojemność bufora najlepiej i osiągają wysokie oszczędności energii ze znacznie mniejszymi powierzchniami niż kolektory płaskie, których sprawność jest bardzo dobra tylko przy ładnej pogodzie i stosunkowo niskich różnicach temperatur otoczenia i kolektora.

Koszty rosną w przybliżeniu liniowo wraz z wielkością bufora. Realny koszt kompletnej instalacji solarnej bez bufora, to średnio 500€/m2. Jeżeli, nie poddając się w wyścigu między solarnym uzyskiem, a stratami ciepła, znacznie lepiej zaizoluje się większy bufor do długoterminowego magazynowania, to jeden m³ zainstalowanego bufora kosztuje w przybliżeniu tyle co m² kolektorów. Staje się więc jasne, że magazynowanie musi podnosić koszt energii. W tym miejscu należy wrócić do rozważań nad Wykresem 1. Z pozostałej powierzchni kolektorów, która nie jest przeznaczona do kompensacji strat ciepła, wynika jednostkowy możliwy roczny uzysk systemu Qas (Wykres 4).

(6) Qas = Qa (1-fv)

Według powyższego, akceptowalna cena jednostkowa ciepła solarnego możliwa jest tylko w przypadku bardzo dużych pól kolektorów i/lub dla krótkich okresów magazynowania. Dla sezonowych buforów akceptowalna cena możliwa jest tylko dla ekstremalnie dużych instalacji solarnych, jak widać to w Danii. To jednak jest głównie efektem mądrej polityki wobec cen energii. Przez relatywnie wysokie opodatkowanie cennej energii pierwotnej stworzono mechanizmy, dzięki którym użytkownicy o lata wcześniej niż wynikałoby to z cen na rynku światowym, zmuszeni są do działania.

Sondy ziemne i wody gruntowe

Magazyn energii w postaci sond wykorzystuje grunt do głębokości 20-100 metrów jako medium do przechowywania ciepła. Do tego służą wielkopowierzchniowe wymienniki ciepła umieszczone w wielu otworach. Magazyn oparty na wodach gruntowych wykorzystuje naturalnie występujące warstwy wodonośne. Ponieważ woda bliska powierzchni zarezerwowana jest dla celów spożywczych, to raczej wykorzystuje się warstwy bliżej głębokości 100 m. Ciepło dostarcza się rurami do magazynu i przez odwrócenie kierunku przepływu pobiera do użytku. Przy tych formach podziemnego magazynowania nie ma żadnej dokładnie określonej granicy magazynu w postaci warstwy izolującej od otoczenia. Dlatego część użyteczna energii z magazynu jest o wiele mniejsza niż ze zbiorników wodnych izolowanych. Przy czym, od początku wiadomo, że te magazyny znajdą sensowne zastosowanie tylko:

  • w połączeniu z bardzo tanimi źródłami ciepła odpadowego
  • dla niskich temperatur w porównaniu z naturalna temperaturą gruntu
  • dla bardzo dużych magazynów.

Magazyny oparte na wodach gruntowych i wysokiej temperaturze są opłacalne tylko przy wyjątkowo dużych pojemnościach, minimum 100.000m³ [8].

Chociaż ciepło słoneczne jeszcze nie uchodzi za tanie ciepło odpadowe, ale sondy ziemne bywają też zasilane z kolektorów. W przypadku najlepszych instalacji stopień wykorzystania energii słonecznej wynosi (= sprawność kolektorów * sprawność magazynowania): 1 rok: 0,029%, 2.rok:6%, 3.rok: 9%, 4.rok:10%, 5.rok:10% [9]. Z jednej kWh na końcu mamy więc do dyspozycji 1/10. Około 5 lat potrzebuje magazyn na ustabilizowanie swojej temperatury. Około 14% zużytego ciepła jest niezbędna dodatkowo jako energia elektryczna głównie dla pomp. Wg wskaźnika sprawności wytwarzania energii elektrycznej np. 0,35 odpowiada to około 40% względnie 0,04kW (na kW nasłonecznienia) zastosowanej (lub niezaoszczędzonej ) konwencjonalnej energii cieplnej. Uwzględniając to jeszcze przy sprawności solarnej, wtedy spada do poziomu 6%. To jest mniej niż połowa sprawności zwykłej fotowoltaiki. Temperatura w magazynie utrzymuje się w ciągu roku na poziomie około 50%. Na rentowność tych instalacji tej klasy instalacji nie ma co liczyć. Aby wyżej sformułowane wymagania wobec zbiorników sezonowych spełnić, taka instalacja musiała by być 25 razy większa.

Podsumowanie

Do długoterminowego magazynowania ciepła w wodzie sensowne są zbiorniki o pojemności od 200.000m³ i pola kolektorów powyżej 50.000m², ponieważ przede wszystkim straty własne bufora są stopniowo zanikające. W przypadku izolowanych zbiorników gruntowych obok wysokich kosztów występują nie oszacowane ryzyka. Kiedy izolacja jest tylko przeciętna lub całkiem uszkodzona, na przykład z powodu przecieków zbiornika lub infiltracji z gruntu lub wód powierzchniowych grozi niemal kompletną stratą.

Zbiorniki sezonowe z gruntowymi zbiornikami betonowymi również nie są trwałe. Podczas gdy przy zwykłych instalacjach solarnych możliwy jest czas energetycznej amortyzacji w granicach 2 lat, to przy zbiornikach betonowych w bilansie należy uwzględnić bardzo kosztowne prace ziemne, betoniarskie, transportowe.

Solarne pokrycie może wzrosnąć dla krótkoterminowego magazynowania do połowy miesiąca w przypadku dużych pól kolektorów od około 100 m², jeśli zaakceptuje się wydatnie dłuższy okres amortyzacji. W kombinacji z krótkoterminowymi magazynami, 1 do 5 dni, można w większości nisko i średnio temperaturowych zastosowaniach szacunkowo co najmniej 50% energii kopalnej zastąpić. Jak dotąd możliwe to jest tylko z wodą jako nośnikiem ciepła w obiegu solarnym, dlatego, że unika się wszystkich problemów ze stagnacją temperaturową.

Nie jeden wielki bufor planowany jest nie tylko do magazynowania, w przeciwnym razie próbowano by maksymalnie wykorzystać pojemność bufora zawsze ze znacznie większymi temperaturami niż wymagane w obiegu grzewczym. Zamiast tego wielkie zbiorniki ładowane są zaledwie do temperatur wymaganych. Dopiero kiedy cały zbiornik osiągnie temperaturę wymaganą rozpoczyna się magazynowanie. Łatwo zauważyć, że ten sposób jest całkiem lub bardzo niegospodarny z powodu ogromnych strat ciepła. Dlatego można wielkie zbiorniki uważać także za ochronę przed przegrzewaniem kolektorów. Opanowanie stagnacji jest warunkiem, by móc optymalizować wielkość bufora z punktu widzenia uzysku i kosztów inwestycji. Przy tym świadomie rezygnując z letniego nadmiaru lub weekendowej części uzysku, ale unikając stagnacji. Do około 20m² powierzchni kolektorów każda próba magazynowania dłużej niż 1 dzień, z powodu strat ciepła prowadzi do niepowodzenia. Zanim wysokie wskaźniki pokrycia i sprawności magazynowania będą osiągnięte, muszą być rozwiązane problemy pełnego składowania w lecie. Ale do tego dostępne są już gotowe do zastosowania systemy[10]. Nowe perspektywy minimalizacji buforów przy wysokim stopniu pokrycia energią solarną otwierają się tym bardziej, im tańsza i efektywniejsza jest możliwość solarnego chłodzenia. Ponieważ połączenie chłodzenia i grzania pozwala wreszcie na zniwelowanie czasowej luki między maksymalną dostawą energii słonecznej, a zapotrzebowaniem na ogrzewanie [5]. W przyszłości przewiduje się również produkcje energii elektrycznej z ciepła nadmiarowego, wtedy mimo małych buforów także przy całkiem indywidualnych i niekorzystnych profilach zużycia ciepła zawsze można by osiągnąć wysoki stopień pokrycia i sprawności,

Potencjał energii słonecznej w żadnym kraju jeszcze nie został wykorzystany nawet w tysięcznej części. Techniczne opanowanie stagnacji sprawia, że w zastosowaniach z pokryciem do około 10% nie jest wymagany żaden lub co najwyżej krótkoterminowy bufor. Tylko po mniej więcej stukrotnym powiększeniu obecnych powierzchni kolektorów przyjdzie właściwa pora na długotrwałe magazynowanie ciepła słonecznego. Podobnie jak to czynione jest z sukcesem w Danii.


Źródło: FEE Heizungsjournal-Special nr 9/2012

Autor: Dr Rolf Meissner, Inż. Stefan Abrecht

Tłumaczenie: duel


Literatura

[1] Krei, O. (2005), Untersuchung der feuchte- und temperaturabhangigen Warmeleitfahigkeit von Dammstoffen, Studienarbeit Nr 2005-3, ITW der UNI Stuttgart

[2] Remmers, K.H. (1999), Grossse Solaranlagen, Solarpraxis, S. 55 ff, ISBN3-901626-16-6

[3] Streicher, W.(1996), Teilsolare Raumheizung, Auslegung und hydraulische Integration, Arbeitsgemeinschaft Erneubare Energie, 8200 Gleisdorf, Postfach 142, ISBN 3-90-1426-06-3(vergriffen)

[4]Meissner, R, Energetisch spektakular: Panorama Sauna Holzweiler, SHT 12/2008(S.76)

[5] Meissner, R, SHT 4/2008(S.54), Einfach ist besser, die grósste Vakuumrohrenkollektoranlage steht in Deutschland

[6] H.Druck, W.Heidemann, H.Muller-Steinhagen: Potenziale innovativer Speichertechnologien fur solare Kombianlagen, Univwersitat Stuttgart, Institut fur Thermodynamik und Warmetechnik(2004)

[7] h.Druck, h.Muller-Steinhagen: Innovative Speicherkonzepte fur Kombianlagen mit hohen solaren Deckungsanteilen, Tagungsband Solarthermisches Symposium Staffelstein 2003

[8] http://www.thema-energie.de/energie-im=ueberblick/technik/speicher-netze/energiekonzept-spreebogen/aquiferspeicher-am-beispiel-rechts-tag.html oder BINE projektinfo 09/03

[9]Sibbit, B., McClenehan D., Djebbar, R., Thornton, J., Wong, B., Carriere, J. And Kokko, J. (2011), Measured and simulated performance of a high solar fraction district heating system with seasonal storage

[10] Abrecht, S., Griesshaber, W., Kettner, C., Meissner, R, Wo sich Spreu und Weizen trennen, Teil 1-3, Heizungs Journal 6/2008, 7-8/2008 und 9/2008

Categories: Badania i Rozwój, Bufory grzewcze

Porównanie kolektorów, czyli jak oddzielić ziarno od plew. Część 1

Przy wyższych temperaturach pracy uzyski kolektorów z izolacją próżniową są znacznie wyższe od uzysków kolektorów z konwencjonalną izolacją termiczną. W warunkach przeciętnego nasłonecznienia (np. 450 W/m² w Würzburg) przy różnicy temperatury kolektora i otoczenia około 25K lepsze kolektory płaskie byłyby lepsze od kolektorów próżniowo-rurowych ustawionych w cieniu. Przy różnicy temperatur od około 40K najprostsze kolektory próżniowo-rurowe zostawiają w tyle każdy kolektor płaski w bezpośrednim porównaniu mocy.

Od 2006 roku Paradigma buduje duże instalacje solarne (SGA) z wykorzystaniem kolektorów próżniowo-rurowych, które podobnie jak zwykły kocioł grzewczy pracują na wodzie i równie prosto i bezpośrednio podłączane są do instalacji grzewczej. Do chwili obecnej powstało wiele instalacji, między innymi w Esslingen-Berkheim niedaleko Stuttgartu w firmie FESTO AG o powierzchni 1330 m². W chwili uruchomienia była to największa na świecie instalacja kolektorów próżniowo-rurowych, która w zimie służy do ogrzewania, a w lecie zasila również największy na świecie agregat adsorbcyjny do chłodzenia 27.000 m³ powierzchni biurowej. Potwierdziło się, że do takich procesów technologicznych  nadają się tylko kolektory próżniowo-rurowe o wysokiej wydajności. Instalację SGA w FESTO Solarserver prezentuje jako „Instalację miesiąca„ w maju 2008.

Krótka historia rozwoju techniki solarnej

Przed końcem roku 1990 konwencjonalna technika solarna znalazła się w ślepej uliczce. Nauczono się, że zwykłe kolektory nie nadają się do wielu systemów grzewczych i procesów technologicznych. Potrzeba kolektorów o znacznie mniejszych stratach ciepła. Było też również jasne, że wyższe temperatury pracy i konwencjonalne środki ochrony przed zamarzaniem nie będą współdziałać, jeśli nie zapobiegnie się stanom stagnacji termicznej.

Od tego czasu rozwijano różne sposoby stabilizacji nośników ciepła. Magazynowanie ciepła w gigantycznych wodnych buforach i sezonowych magazynach ciepła otrzymywały wielkie dofinansowania, a technika wielofunkcyjnych magazynów prowadziła do różnorodności nie do opanowania, projekty zbiorników coraz częściej spotykało niepowodzenie. Również kolektory płaskie próbowano poprawiać w laboratoriach, jakkolwiek za sprawą walki konkurencyjnej na ceny, przeciętne kolektory współczesne potrafią być gorsze niż te stare. Wszystkie te drogi, dobrze wspierane naukowo i finansowo, znalazły swoje odbicie w aktualnym programie motywacyjnym (MAP).

Od roku 1997 Paradigma obrała zupełnie inną drogę i skierowała swoja uwagę na technikę próżniowo-rurową, znaną jako rura Dewara lub po prostu termos. Rury zostały nieco udoskonalone, wbudowane w kolektory własnej produkcji oraz wyposażone w precyzyjne, własnej konstrukcji lustro CPC. Z takim próżniowo-rurowym systemem osiągnięto minimalne straty ciepła, ale również maksymalny komfort montażu na budowie. Od 2003 roku Paradigma konsekwentnie stosuje w tzw AquaSystemie wyłącznie wodę jako medium do transportu ciepła i chroni instalację przed zamrożeniem pobierając niewielkie ilości niskotemperaturowego ciepła ze zbiornika lub sieci cieplnej. Ze względu na niskie straty własne kolektorów, to do ochrony wystarcza zaledwie 2 do 4% energii gromadzonej w ciągu całego roku. Przy czym jest ona z nawiązką kompensowana przez korzyści wynikające z właściwości fizycznych wody oraz egzegetycznych korzyści z wysokotemperaturowego zasilania. Ta koncepcja jest sprawdzona w działaniu kilkudziesięciu tysięcy instalacji. W porównaniu do tradycyjnych systemów solarnych AquaSystem oferuje wiele korzyści:

  • instalacja solarna pracuje jako drugi kocioł z dowolnie ustawianymi temperaturami
  • wymiennik ciepła i płyn niezamarzający są zbędne, oznacza to mniejsze koszty
  • nie istnieje żaden problem z przegrzewaniem się kolektorów. Temperatury zasilania do 130° C są całkiem możliwe. Instalacja może bez żadnych złych konsekwencji pozostawać w stanie stagnacji. Możliwe jest więc stosowanie mniejszych i sprawniejszych zbiorników.
  • Warstwowe ładowanie zbiornika i mniejsze wymagania co do pojemności zbiornika sprawiają, że ciepło jest dostępne bardzo szybko
  • ilość energii elektrycznej potrzebna do pracy pomp jest w przybliżeniu o połowę mniejsza niż w systemie konwencjonalnym
  • obszerna kontrola stanu systemu wykrywa i melduje o błędach oraz dba o optymalne warunki pracy
Pierwsze wyniki pracy instalacji w FESTO

Na początek ilustracja stanu z dnia 18 grudnia 2007. Chociaż przez cały dzień temperatura nie przekraczała -5°C, temperatura wymagana z łatwością osiągnęła poziom 70°C i energia 1,5 MWh zgromadziła się w zbiorniku. Jak na najkrótszy i zimny dzień to całkiem dobry wynik, szczególnie, że w zimie panują znaczne zacienienia, jak widać na wykresie.

festo10

24 lutego panowały lepsze warunki . Zbiornik został naładowany energią 4,3MWh z temperaturą ponad 80°C. To ponad 3,2 kWh/m2 powierzchni brutto. Jak na luty, to też wyśmienity wynik.

Ciekawe, czy płaskie kolektory, w przynajmniej jeden ładny sierpniowy dzień dały by taki wynik..

festo11

Charakterystyki kolektorów

Najpierw trzeba wyjaśnić często spotykany w mediach błąd dotyczący warunków badania uzysku kolektorów. Problem leży w częstym prezentowaniu charakterystyk kolektorów dla egzotycznych warunków pracy np. 800 W/m². To jest możliwe na stanowisku badawczym w Würzburgu przy ustawieniu kolektora dokładnie na południe i nachyleniu pod kątem 45° przez 11% czasu promieniowania słonecznego, a dokładniej przez około 159 godzin w roku. Dobrze dobrane pole kolektorów i tak wiele z tych godzin spędzi w stanie stagnacji. Natomiast więcej niż 13% promieniowania słonecznego pada z natężeniem mniejszym niż 200 W/m². Średnie natężenie promieniowania w Würzburg wynosi około 397 W/m². Okres promieniowania poniżej 100 W/m² w tym bilansie jest pominięty, ponieważ dla kolektorów płaskich jest całkowicie bezużyteczny, a dla próżniowo-rurowych maksymalnie 5% tylko mogłoby być ujęte w bilansie. Bez tej korekty średnia roczna byłaby jeszcze niżej.

wykres01wykres02

Dla pewności, że parametry kolektorów opierają się na tych samych warunkach pomiaru i tym samym są porównywalne, zastosowano warunki z SolarKeymark. Porównano poniższe kolektory:

Lp Kolektor η0 a1 [W/m²K] a2 [W/m²K] Apertura/brutto
1 CPC-VRK, przepływ pośredni, register stalowy 0,644 0,749 0,0050 0,9165
2 VRK Heatpipe 0,730 1,260 0,0041 0,7477
3 VRK, przepływ bezpośredni 0,775 1,740 0,0038 0,7477
4 Płaski wielkopowierzchniowy,
selektywny absorber
0,745 3,260 0,0185 0,9271
5 Podwójnie szklony płaski
selektywny absorber
0,793 2,920 0,1310 0,9183
6 Przeciętny płaski
selektywny absorber
0,722 4,170 0,0107 0,9283

Dane w SolarKeymark odniesione są do powierzchni apertury. Poniższy wykres sporządzono w oparciu o przeliczenie na powierzchnię brutto, ponieważ tylko ta jest dofinansowana, porównywalna i na jej podstawie ocenia się dostępną powierzchnię dachu.

kennlinie01

Charakterystyki opracowane dla natężenia promieniowania 450 W/m² ukazują, że w wymaganych warunkach, najpóźniej przy 40 K różnicy temperatury kolektora i otoczenia wszystkie trzy kolektory rurowe przewyższają kolektory płaskie. Kolektory próżniowo-rurowe CPC mają większą moc od przeciętnych kolektorów płaskich już przy różnicy temperatur 15K , a od bardzo dobrych przy 25K. Przy czym te płaskie kolektory są bardzo dobrymi reprezentantami swojego gatunku. Kolektor nr 5 jest niewątpliwie jednym z najlepszych i powinien reprezentować aktualne graniczne możliwości kolektorów płaskich.

Koniecznie należy też krytycznie spojrzeć na warunki badania kolektorów. Wg normy DIN EN 12975 wszystkie badanie przeprowadzane są z wodą, jako nośnikiem ciepła., a uzyskane wyniki bez żadnej korekty publikowane są mimo, że w rzeczywistości niemal wszyscy producenci stosują w obiegu solarnym medium, które np. przy 40°C ma mniejszą pojemność cieplną o 12% , 3,8 razy większą lepkość, 38% mniejszą przewodność cieplną i jedną czwartą liczby Reynoldsa (przez co kolektory przeważnie muszą pracować w niekorzystnych warunkach z laminarnym przepływem ), mniejszym o 25% współczynnikiem sprawności przekazywania ciepła i 42% (przy turbulentnym) do 385% (przy laminarnym) większym spadku ciśnienia niż w przypadku wody. Dla niższych temperatur te różnice będą jeszcze wyraźniejsze na korzyść wody. Dopóki producenci nie będą stosować wody w obiegach solarnych, dopóty będą musieli godzić się z gorszą pozycją z technicznego punktu widzenia.

Może jednak warto po raz kolejny, odpowiedzieć sobie na pytanie, co warte są wyniki pomiarów bez poprawki na parametry nośnika ciepła. Wtedy nawet Fundacja Warentest nie zechce dłużej pojednawczo pisać: „…doszliśmy do przekonania, że różnice są marginalne …”. Każdy może sam całkiem szybko wyobrazić sobie, jak „marginalne” faktycznie są te różnice. Kiedy weźmiemy dowolny wymiennik płytowy z odpowiednim dla niego programem do projektowania przygotowanym przez producenta (np. SWEP, Alfa Lavall, Gea WTT i inni) i rzetelnie przeliczymy dla przypadku wymiany woda-woda i woda-płyn niezamarzający, to okazuje się jednoznacznie, że potrzeba 3 razy więcej płyt, aby uzyskać te same parametry wymiany przechodząc od przepływu turbulentnego do laminarnego. Dokładnie te same zależności obowiązują w kolektorach. W kolektorach z płynem niezamarzającym najczęściej przepływ jest laminarny, a w kolektorach z woda najczęściej turbulentny. Niemal wszystkie programy do symulacji pracy instalacji solarnej ignorują te różnice całkowicie. Prawdopodobnie w tym należy upatrywać przyczyny prawie regularnych odchyleń do obiecywanych rocznych uzysków w przypadku instalacji z płynami niezamarzającymi, które można prześledzić w literaturze o wielkich systemach solarnych.

Wynik obliczeń całkiem bez wymiennika, jak to jest w AquaSystemie, nigdy nie będzie zawyżony.

Faktycznie w najbardziej znanych programach symulacyjnych nie można całkowicie odłączyć wymiennika ciepła.

Dynamiczne roczne porównanie

W tej części będzie wykazane, że przyszłość solarnego wspomagania procesów technologicznych leży w technice próżniowo-rurowej. W tym celu przebadano zachowanie trzech kolektorów rurowych i trzech płaskich w zastosowaniu podobnym jak w projekcie FESTO. Przyjęto dwa obiegi grzewcze, z tego jeden dla ciepła technologicznego z wymagana temperaturą 90°C, oraz ogrzewanie z temperaturą wymagana w zakresie 45°C – 70°C w okresie grzewczym.

schemat01Przyjęto pole o powierzchni 250 m2 brutto skierowaną na południe z nachyleniem 40°. Bufor ma tylko 4,5m³ i straty własne 8W/K. Pole kolektorów składa się z 12 ciągów po 20,8 m² w serii. Każdy ciąg rozchodzi się na lewo lub prawo od głównych przewodów. Główny rurociąg o średnicy DN50 i długości 20 m leży na zewnątrz, a pozostałe 50 m wewnątrz budynku.

Pole zostało przyjęte jednakowe dla wszystkich kolektorów, chociaż w przypadku niektórych wiązało się to z komplikacjami, np. niektóre nie posiadają rury powrotnej, a heat-pipy nie mogą być łączone w pola o powierzchni większej niż 6 m². Ciśnienie robocze i wysokość statyczna pozwalała na załadunek bufora do 103°C. Dla zapewnienia porównywalności wyposażono wszystkie kolektory w zestaw przyłączeniowy firmy Paradigma ze zintegrowanym czujnikiem temperatury. Wszystkie kolektory próżniowo-rurowe napełniono wodą, a do sterowania użyto regulacji SystaSolarAqua. Kolektory płaskie napełniono mieszanka glikol-woda i sterowano regulacją SystaSolar (z regulacją obrotów). W obiegu kolektorów płaskich zamontowano wymiennik płytowy i założono różnicę temperatury ΔT=5K. Wielkość przepływu jednostkowego ustalono na 0,35 l/m² powierzchni apertury. Chociaż większość systemów ma wyraźnie większe opory przepływu i wymaga mocniejszych pomp, dla uproszczenia porównań nie badano zużycia energii elektrycznej, ale tylko czas pracy pomp.

Obieg grzewczy 1. Temperatura zasilania minimum 90°C to znaczy bufor będzie rozładowywany dopiero kiedy temperatura na czujniku umieszczonym najwyżej osiągnie 90°C. Temperatura powrotu wynosi 70°C. Zasilanie przebiega od poniedziałku do piątku w godzinach 8:00 do 17:00 z przepływem 10.000 kg na godzinę. Roczne zapotrzebowanie na energię wynosi 145 MWh.

Obieg grzewczy 2. W przypadku ogrzewania pomieszczeń, ze względu na wymagane temperatury 70°C/50°C przyjęto układ podnoszenia temperatury powrotu. Oznacza to że bufor będzie rozładowywany jak tylko na najwyższym czujniku temperatury pojawi się temperatura co najmniej o 5K  wyższa od temperatury powrotnej z instalacji. Nie ma żadnego dodatkowego ogrzewania bufora, roczne zapotrzebowanie na energię 165 MWh. W przypadku AquaSystemu pompa włącza się na krótko kiedy na dole zbiornika temperatura spadnie poniżej 10°C i wyłącza kiedy przekroczy 15°C. Dane pogodowe przyjęto dla Würzburg z promieniowaniem na poziomie kolektorów 1214 kWh rocznie. Od dawna sprawdzony model przedstawiono w programie COLSIM. Obliczenia przeprowadzono dla odstępów 5 sekundowych.

Parametry Próżniowo-rurowe VRK Płaskie FK
Lp Nazwa CPC-VRK, pośredni przepływ
stalowy register
VRK Heatpipe VRK bezpośredni przepływ Wielko-
powierzchniowy płaski
Podwójnie szklony
selektywny absorber
Przeciętny płaski
selektywny absorber
1 Uzysk energii 104,6 MWh
100%
85% 81% 53% 55% 37%
4 Energia zmagazynowana w buforze 98,9 MWh
100%
84% 81% 39% 52% 33%
7 Pobór z bufora
90/70
58,3 MWh
100%
78% 75% 28% 45% 22%
8 Pobór z bufora łącznie 89,7 MWh
100%
80% 76% 40% 46% 34%
9 Dni stagnacji temperaturowej 39
100%
92% 87% 36% 49% 28%
10 Czas pracy pompy 768 h
100%
184% 178% 209% 266% 248%

Okazuje się, że w takim zastosowaniu kolektory płaskie nie powinny być używane, ponieważ nawet najlepsze z nich mimo niskotemperaturowego zastosowania w zimie nie osiągnęły nawet 50% uzysku kolektorów próżniowo-rurowych. Przeciętnie kolektory płaskie dochodziły do jednej trzeciej uzysku referencyjnego mimo 2,5 raza dłuższej pracy pomp.

Większy zbiornik, czy więcej kolektorów – co jest efektywniejsze?

wykres03Do magazynowania ciepła słonecznego w FESTO służy, obok bardzo małego bufora o pojemności 17 m³ (co odpowiada 10 litrom na m²), przede wszystkim sieć lokalna. Dla instalacji referencyjnej nr 1 rozważano pojemności bufora od 4,5 m³ do 30 m³ to znaczy od 18 l/m² do 120 l/m².

Wyniki tej symulacji byłyby zbliżone także do warunków w FESTO, kiedy powiększono by bufor z 17 m³ do 34 m³, 57 m³ lub 114 m³. Dla procesu technologicznego powiększanie zbiornika niewiele by dało. Ponieważ bufor z powodu wysokiej temperatury powrotu (tu 70° C) w lecie nie jest wystarczająco opróżniany, potrzeba by absurdalnie wielkiego zbiornika, by dni bez obciążenia (w tym przypadku weekendy) przetrwać. O wiele ważniejsza jest zdolność szybkiego pokrycia zapotrzebowania, kiedy się ono pojawia.

Te wyniki nie są całkiem nowe. Już na 14 Sympozjum w Staffelstein Instytut ITW Stuttgart przedstawił wyniki symulacji dla różnych różnych wielkości buforów i powierzchni kolektorów, z których wynikało, ze także dla klasycznego przygotowania ciepłej wody i wspomagania ogrzewania kolektory próżniowo-rurowe zarówno ze znacznie mniejszym zbiornikiem jak i ze znacznie mniejszą powierzchnią potrafią osiągnąć te sam stopień pokrycia energią solarną fsav, co kolektory płaskie. Symulacja opierała się o następujące założenia: EFH wg EnEV w Würzburg z powierzchnią mieszkalną 128 m², ukierunkowanie na południe, nachylenie 45°, zapotrzebowanie na energię grzewczą 71 kWh/m²*a, regulacja pogodowa, temperatury obiegu grzewczego 50°C/30°C, dzienne zużycie ciepłej wody przy 45°C, sprawność kotła 85%, roczne zapotrzebowanie na energię 14900 kWh. Parametr fsav określa ile energii konwencjonalnej może być zaoszczędzonej dzięki instalacji solarnej.

Typ Pojemność bufora [m3] Powierzchnia kolektorów [m2] Pojemność jednostkowa [l/m2] fsav [%] Cena ciepła 2004 [EUR/kWh]
FK 1 100 10 50 0,69
VRK 1 35 29 50 0,38
FK 10 35 286 50 1,27
VRK 10 22 455 50 1,33
FK 30 28 1071 50 1,12
VRK 30 18 1667 50 1,13
FK 100 100 1000 93 1,32
VRK 30 100 300 94 1,05

We współpracy z buforem 1m3 pole kolektorów próżniowo-rurowych o powierzchni 35 m2 działa podobnie jak 100 m2 kolektorów płaskich. W przypadku bufora 30 m3, pole próżniowo-rurowe o powierzchni 100m2 działa lepiej niż pole kolektorów płaskich o tej samej powierzchni ale z buforem 100m3.

Końcowe uwagi do Programu dofinansowania MAP

Ponieważ powyższy przykład dla ciepła technologicznego kwalifikuje się jako wspomaganie ogrzewania, to bufor powinien mieć pojemność co najmniej 100 litrów/m2 kolektora lub co najmniej 25 m3 pojemności, by cała instalacja mogła być zaliczona do „innowacyjnych” i wg ostatniej wersji Programu otrzymać jakąś dotację. Uzysk kolektorów wzrósłby o około 15%, koszty instalacji wzrosłyby szacunkowo o 1/3, pomijając, że dla takiej przewymiarowanego bufora w ogóle nie ma miejsca. To jest dobry i typowy przykład, jak prawodawca w dobrej wierze może „przeregulować” i energooszczędne oraz gospodarczo sensowne rozwiązania eliminować.

Jeszcze trudniejsze do zrozumienia jest dofinansowanie kolektorów na podstawie ich powierzchni brutto. Jak pokazują charakterystyki z symulacji, dla ciepła technologicznego w FESTO potrzeba by dwukrotnie większej powierzchni słabszych kolektorów rurowych niż próżniowo-rurowych CPC, a kolektorów płaskich wielokrotnie więcej. Wg zasad programu dotacji MAP większe zapotrzebowanie na powierzchnię brutto z racji mniejszej wydajności będzie hojnie obdarowane państwową dotacją. Krótko mówiąc: im gorszy kolektor, tym większe otrzyma dofinansowanie na swoją moc. To jest krótkowzroczna i szkodliwa dla innowacyjności polityka, szczególnie że pomija kryterium efektywności, które wg zaleceń EU jest niezbędne przy dofinansowaniach.

Nie sposób nie zauważyć, że z powodu tych zasad rynek opanowywany jest przez najtańsze kolektory nawet w cenach niższych od wielkości dofinansowania. Należy to powstrzymać nie tylko z powodu marnotrawstwa pieniędzy podatników, ale i bezmyślnego marnowania potencjału solarnego. Tak jak dzisiaj prowadzi się dyskusje np. o niezbędnej powierzchni do produkcji biopaliw, tak w przyszłości będziemy musieli targować się o każdy metr kwadratowy powierzchni dachów.

Źródło: Artykuł w Heizungs Journal nr 6/2008

Autorzy

abrechtStefan Abrecht – inżynier budowy maszyn, od ponad 20 lat projektował wszystkie płaskie i próżniowo-rurowe kolektory w Paradigmie ma niekwestionowany wpływ niemal na wszystkie kolektory RitterSolar.

 

kettnerChristine Kettner – jako fizyk zajmuje się kwantową teorią pola, a w szczególności matematyczną symulacją złożonych systemów. Od 8 lat wykorzystuje swoją specjalistyczna wiedzę w Paradigmie do rozwoju i optymalizacji systemów solarnych i grzewczych.

 

meissnerRolf Meissner – fizyk, od ponad 20 lat zajmujący się magazynowaniem energii cieplnej. Od 1990 roku w Paradigmie współtwórca komponentów systemu solarnego takich jak regulacja, zbiorniki. W roku 2006 ugruntował obszar „Wielkich Solarnych Systemów Grzewczych i Ciepła Technologicznego”

Tłumaczenie: duel

Categories: Badania i Rozwój, Kolektory sloneczne

Solarne wspomaganie sieci cieplnej w Wels

12 maja 2011 uruchomiono na dachu Hali Targów w Wels/Austria instalację solarną o powierzchni około 3.400 m² (moc 2 MW), zasilającą miejską sieć cieplną. W tym czasie była to największa instalacja kolektorów  próżniowo-rurowych na świecie. W lecie, przy mniejszych obciążeniach sieci, może czasowo pokrywać co najmniej 50% zapotrzebowania na ciepło. Instalację zamówił miejski zakład energetyczny, a wykonała firma MEA Solar Gmbh. Projekt wykonała i system dostarczyła firma Ritter XL Solar.

Wymagania i warunki inwestora

wels-halaRegion Wels jest bardzo dobrze przygotowany do wdrażania energii ze źródeł odnawialnych. Realizowane projekty budowlane, działające w regionie firmy, instytuty badawcze oraz targi energetyczne stanowią solidny fundament dla wizytówki regionu. Na tym fundamencie będzie teraz możliwa budowa niezależności miasta Wels od paliw kopalnych.

Politechnika Wels będzie wyposażona w innowacyjny, energooszczędny system chłodzenia, fotowoltaikę i grzewczy system solarny. Kościół Św. Franciszka będzie pierwszym kościołem wzniesionym w technice pasywnej i zasilanym w stu procentach energią ze źródeł odnawialnych. Wszystkie nowe budowy w Wels muszą być projektowane wg zasad budynków pasywnych. Nowa hala Targów w Wels była wzniesiona jako pasywna i już w projekcie przewidziano duże pole kolektorów na dachu.

Wymagania wobec tej instalacji sformułowano bardzo jasno i prosto:

  • możliwie najwyższe solarne pokrycie potrzeb w lecie
  • montaż na dachu nowej hali z dużą wolną przestrzenią dla kolektorów
  • maksymalne wykorzystanie dachu w celu maksymalizacji uzysku energii
  • żadnych przejść przez połać dachową dla celów montażowych
  • minimalizacja niezbędnej powierzchni w węźle cieplnym
  • ładowanie energii do przewodu zasilającego sieci cieplnej
  • finansowanie w systemie kontraktowym, co oznacza dbałość o maksymalne uzyski

napkollektor_wels

Warunki i wymagania z punktu widzenia projektantów

W instalacji sieci cieplnej nic nie może być zmienione, a instalacja solarna musi być w pełni podporządkowana jej wymaganiom. Instalacja solarna musi być w każdych warunkach bezpieczna, na przykład przy zaniku napięcia, kiedy sieć musi być wyłączona z powodu niezapowiedzianych prac serwisowych lub awarii pomp. Ponieważ w tym przypadku chodziło o instalację solarną, w której płynie czysta woda bez środków ochrony przed zamarzaniem, a technika ta nie była jeszcze zbyt rozpowszechniona, to cały projekt był dużym wyzwaniem.

Na początku opracowano plan maksymalnego wykorzystania dachu. Zastrzeżenia konstruktorów co do statyki, ścieżki do usuwania śniegu i wymagane odstępy od krawędzi zredukowały planowaną wcześniej powierzchnię kolektorów o około 20%. Odbywające się targi nie mogły być zakłócone. Dlatego też niektóre prace można było prowadzić tylko w przerwach targowych, a wszystkie widoczne i słyszalne ślady montażu musiały być ukryte na czas wystawy. Miało to wpływ na wydłużenie czasu montażu.

Wyzwania i rozwiązania

wels-ruryPrzestrzeń dla techniki takiej jak pompy, zawory, naczynia rozszerzalne została ograniczona do 50 m² w jednym pomieszczeniu. Dlatego od początku nie brano pod uwagę bufora cieplnego ani automatycznych stacji utrzymania ciśnienia. Sama sieć jest najlepszym buforem solarnym. Rozszerzanie się wody z obiegu solarnego odbywa się w ramach sieci cieplnej. Tylko w bardzo szczególnych przypadkach do akcji włączane są trzy naczynia przeponowe po 500 litrów każde.

Ponieważ w obiegu solarnym płynie tylko czysta woda, to można było przyjąć przekroje rur i armatury o jeden wymiar mniejsze niż należałoby w przypadku płynu niezamarzającego. Ciśnienie w przewodach powrotnych sieci Wels w zimie może spadać poniżej wymaganego minimalnego ciśnienia statycznego, wynikającego z wysokości dachu. Przy tym, możliwe w obiegu solarnym wysokie ciśnienie i temperatury wrzenia wymuszają zastosowanie wymiennika ciepła, chociaż po obu stronach płynie ta sama woda. I tu ujawniła się przewaga techniki wodnej. W przypadku płynów niezamarzających wymiennik musiałby być co najmniej trzy razy większy.

Przez cały rok wymagane są temperatury zasilania co najmniej 85°C, w zimie sugerowane do 115°C. By móc osiągnąć wymagane uzyski, wybór padł na kolektory próżniowo-rurowe CPC, które w tym zakresie temperatur mają znacząco wyższe moce niż jakakolwiek inna technika solarna.

Dach nowej hali targowej nie jest skierowany dokładnie na południe, ale około 45° na południowy zachód. Poza tym zawsze około 10% jest zacienione konstrukcja nośną hali oraz innymi częściami budynku. Również w tym przypadku ujawnia się przewaga techniki CPC-VRK, ponieważ ma najmniejszą utratę mocy przy odchyleniu od kierunku południowego i przesunięcia słońca od południa.

Między poziomami dwóch dachów hali jest różnica około 10 metrów. W celu uniknięcia cyrkulacji grawitacyjnej między polami kolektorów, podzielono je na dwa niezależne pola. Jedno na wysokości 15 metrów o powierzchni 3.000 m² i drugie na wysokości 25 metrów o powierzchni 400 m². W zimie różnica ciśnień w sieci może dochodzić do 9 bar. Spadek ciśnienia w obiegu solarnym wynosi około 1,5 bara. Stąd niezbędne jest sprzęgło hydrauliczne, które w czasie dwóch i pół minuty może być napełnione i opróżnione. Do zasilania sieci energią słoneczną ze sprzęgła włączane są dwie szeregowe pompy. Do osiągnięcia różnicy 5 bar wystarcza jedna pompa z wydajnością 65 m³/h, przy wyższych ciśnieniach niezbędna jest współpraca drugiej pompy. Do zasilania pomp i zaworów obiegu solarnego zużywane jest tylko około 6,5 MWh energii elektrycznej (0,5%). Do sieci trafia jednak dodatkowe 20 MWh z tytułu różnicy ciśnień. Chociaż dokładnie ta sama energia pomp będzie zmagazynowana w sieci, kiedy instalacja solarna zasili sieć.

Zabronione jest zapowietrzenie sieci lub utrata wody sieciowej, cała woda kierowana ponownie do sieci musi być odgazowana. Dlatego pole kolektorów po napełnieniu i w trakcie eksploatacji zawsze jest automatycznie odgazowywane. Napełnianie wodą sieciową i uruchomienie jest tak proste, że może je wykonać jedna osoba w ciągu jednej do dwóch godzin. Przy tym, w całej instalacji jest tylko jeden punkt odgazowania, to jest sprzęgło hydrauliczne. Pole kolektorów jest wolne od odpowietrzników, spustów, regulatorów przepływu i tym podobnej armatury. To ważne dla żywotności instalacji, optymalnych warunków działania, ochrony przed zamarzaniem i wygody obsługi.wels-kolektor

Instalacja solarna musi być odporna na stan stagnacji temperaturowej również przy zaniku napięcia. Tak została zaprojektowana, że przy wystąpieniu wrzenia, woda jest bardzo szybko z kolektorów wypychana, a następnie w zależności od warunków standardowo pobierana z sieci lub zastępczo z naczyń przeponowych. Przeprowadzone uruchomienie w południe, przy bezchmurnym niebie wykazało, że ten proces odbywa się całkiem automatycznie, bez energii zewnętrznej, w ciągu zaledwie kilku minut. Instalacja napełnia się ponownie sama i pracuje dalej, tak jak poprzednio. W przypadku konieczności wyłączenia sieci cieplnej na czas obsługi serwisowej, pole kolektorów przechodzi w stan stagnacji temperaturowej, woda przejmowana jest przez pomocniczy zbiornik, z którego później jest automatycznie przepompowywana z powrotem. Pole kolektorów może być uruchomione w stanie “gorącym”, kiedy w kolektorach jest para o temperaturze ponad 300°C. Instalacja musi być odporna na zamarzanie również w przypadku zaniku napięcia. W normalnym trybie będzie przepompowana niewielka ilość ciepła by utrzymać w polu kolektorów dodatnią temperaturę. Do tego potrzeba około 50 MWh energii (około 3% uzysku solarnego). W przypadku zaniku napięcia o ochronę przed zamarzaniem dba system podtrzymania zasilania elektrycznego. System podtrzymania zasilania musi zapewnić mniej niż 100 Wat mocy, by przejąć zasilanie pomp na wypadek zaniku napięcia sieciowego.

Koszty i rentowność

Łączne koszty instalacji solarnej wyniosły około 2 milionów euro. Inwestycja była dofinansowana przez KPC Kommunalkredit Public Consulting oraz Land Oberösterreich w około 30%. Prawie połowa kosztów to kolektory wraz z konstrukcją wsporczą, przyłącza, regulacja i czujniki, jak również całkowite projektowanie. Pozostała część kosztów to konstrukcja nośna pod kolektorami, rury, kompensatory, pompy, zawory, naczynia przeponowe, sprzęgło hydrauliczne, izolacja termiczna obiegu solarnego oraz cały elektryczny i hydrauliczny montaż. Mimo odchylenia kolektorów od kierunku południowego i całorocznego częściowego zacienienia przez konstrukcję nośną hali i sąsiedni budynek, oczekuje się co rocznego uzysku energii cieplnej nie mniej niż 1.500 MWh. Przez 20 lat eksploatacji da to prawie 30 GWh w cenie poniżej 43 euro za MWh (bez uwzględnienia inflacji). Spodziewany wzrost kosztów gazu ziemnego również będzie miał pozytywny wpływ na koszty energii solarnej.

Ponieważ znaczącą część kosztów poniesiono na czyste badania  i rozwój w ramach tego wielkiego projektu, a dodatkowe koszty poniesiono za sprawą kompleksowych wymagań wynikających z montażu na dachu hali targowej, to koszty energii solarnej mogły by być znacząco poniżej podanej wyżej wartości.

Podsumowanie

Instalacja do solarnego zasilania sieci cieplnej w Wels pod wieloma względami jest wzorcowa. Na świecie nie ma większej instalacji z kolektorami próżniowo-rurowymi i spełniającej wszystkie wymagania wynikające z miejsca montażu i parametrów zasilania sieci cieplnej. W przyszłości na bazie tych doświadczeń mogą być budowane kolejne instalacje podobnej wielkości. Wielkie systemy solarne oferują optymalne techniczne i ekonomiczne warunki zasilania systemów odbierających całą pozyskaną energię cieplną.

Źródło: Solarunterstützung_der_Fernwärme_Wels__E_EA_2012

Autorzy: dr Kurt Leeb MEA,  dr Rolf Meissner Ritter XL Solar

Tłumaczenie: duel

Categories: Badania i Rozwój, Duże instalacje solarne, Solarne sieci cieplne

Sieci lokalne: “Zimna sieć” w Dollnstein

W gminie Dollnstein, leżącej na terenie Parku Natury Altmühltal w Bawarii, od 2014 roku działa “Zimna Sieć” zasilająca kilkadziesiąt gospodarstw domowych w energię cieplną. Od czasu jej uruchomienia telefony w zarządzie gminy nie przestają dzwonić. Wielu komunalnych decydentów do spraw energii chce wiedzieć: co to jest “zimna sieć ciepłownicza”, jakie daje korzyści i “jak to się robi”? Ja również miałam okazję zapytać Thomasa Kernera, prezesa Energie Dollnstein. (więcej…)

Categories: Badania i Rozwój, Duże instalacje solarne, Solarne sieci cieplne