Techniczne aspekty magazynowania ciepła
W naszym blogu często piszemy o magazynach ciepła i chłodu. A czy zastanawialiście się nad tym, czym one właściwie są i jak działają? W tym wpisie wyjaśniamy, jak skonstruowane są magazyny ciepła i czy rzeczywiście jest to skuteczny, bezpieczny i trwały produkt.
O magazynowaniu energii od początku
Magazyny energii, jak nazwa wskazuje, służą do przechowywania energii – można ją przechowywać na wiele sposobów. Magazynowanie energii cieplnej (termicznej) jest jednym ze sposobów (obok magazynów energii mechanicznej, elektrycznej, chemicznej i elektrochemicznej).
Większość z nas zna zastosowanie magazynów energii elektrycznej (akumulatory, baterie litowo-jonowe) lub magazyny ciepła. Każde z nich mają swoje wady i zalety, i w zależności od sytuacji, dla każdego z nich można znaleźć zastosowanie.
O magazynach energii elektrycznej wiemy sporo, a o magazynowaniu ciepła? Niewielu z nas zdaje sobie sprawę, że magazynowanie ciepła ma szerokie zastosowanie zarówno w przemyśle, jak i w sektorze prywatnym. Dobrym tego przykładem jest zbiornik C.W.U. (bojler), znajdujący się w niezliczonej ilości budynków. Taki sposób magazynowania energii cieplnej należy do grupy magazynowania ciepła jawnego w cieczach. Jest to popularny sposób magazynowania energii cieplnej, ponieważ jest najmniej skomplikowany i jednocześnie najtańszy. Ale niestety do zgromadzenia dużej ilości energii konieczne jest dostarczenie dużej różnicy temperatur lub zastosowania magazynu o dużych gabarytach.
Magazynowanie termochemiczne
Innym rodzajem akumulowania energii cieplnej jest magazynowanie termochemiczne, gdzie do akumulacji i oddawania energii dochodzi na skutek przemian chemicznych. Niestety, na chwilę obecną, ta technologia jest rzadko spotykana i znajduje się na etapie rozwoju. Być może za kilka lat stanie się ona atrakcyjną alternatywą.
Ostatnim sposobem magazynowania energii cieplnej jest magazynowanie ciepła utajonego, do czego służą materiały zmiennofazowe (PCM – phase change materials ang.). Technologia ta jest droższa i mniej znana w stosunku do magazynów ciepła jawnego, ale ze względu na szereg zalet została mocno rozwinięta w ostatnich latach. Magazynowanie ciepła utajonego stosuje się zarówno w domach jednorodzinnych, jak i w przemyśle.
Działanie magazynu opartego na PCM
Materiały zmiennofazowe to substancje chemiczne, które mają zdolność do akumulowania dużych ilości energii cieplnej w procesie przemiany fazowej. Proces przekazywania energii do materiałów można podzielić na trzy etapy: podgrzewanie cieczy, przemiana fazowa oraz podgrzewanie ciała stałego. Magazynowanie energii odbywa się w procesie przemiany fazowej (topienia materiału) i ma miejsce w stałej temperaturze (wykres, pozioma linia – proces magazynowania). Rozładowanie magazynu odbywa się w analogiczny sposób, tylko materiał ulega w tym czasie scalaniu.
Zaletą materiałów zmiennofazowych jest i ich trwałość. Wysokiej klasy materiały posiadają certyfikat cyklowania, który gwarantuje jego pracę bez zmian przez okres minimum 10 000 cykli, co w realnym użytkowaniu w domu przekłada się na około 10 lat.
Budowa magazynu ciepła
Magazyny ciepła utajonego nie różnią się w znacznym stopniu od magazynów ciepła jawnego. Serce magazynu to zbiornik wypełniony PCM, w którym zanurzony jest wymiennik ciepła. Dodatkowo montowana jest izolacja cieplna, a całość chowana jest w obudowie.
Dodatkowo, producenci, coraz częściej wraz z magazynem dostarczają system zarządzania, który powinien współpracować z istniejącymi w budynku urządzeniami (źródło ciepła, fotowoltaika, sterownik ogrzewania). Gwarantuje to maksymalne zyski z instalacji magazynu ciepła.
Najważniejsze cechy magazynu
Magazyn energii powinien wyróżniać się szeregiem cech, dzięki którym jego użytkownie stanie się efektywne i korzystne. Podstawową kwestią jest jego pojemność, która nierozerwalnie łączy się z fizycznymi rozmiarami magazynu. Wpływ na to ma również gęstość magazynowania energii. Im jest ona większa, tym mniejszy może być magazyn przy zachowaniu takiej samej pojemności. Innym istotnym parametrem jest moc magazynu, która przekłada się na to jak szybko możemy zmagazynować lub odebrać ciepło.
Dodatkowo niezwykle istotnymi aspektami są: sprawność ładowania oraz sprawność magazynowania energii, które powinny być jak największe, a warunkują one straty energii występujące w magazynie.
Z punktu widzenia użytkownika i jego codziennego korzystania z magazynu bardzo ważna jest również bezobsługowość, bezpieczeństwo i trwałość urządzenia.
Autor: Enetech
Obrazy:Technical drawing photo created by mindandi – www.freepik.com
