INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA

Transkrypt

1 Tomasz Mania, Joanna Kawa INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Monografia pod redakcją Adama MrozińskIEGO ISBN: Wydawnictwo współfinansowane ze środków funduszy norweskich oraz środków krajowych

2 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Wydawnictwo współfinansowane ze środków funduszy norweskich oraz środków krajowych 1

3 2 Tomasz Mania, Joanna Kawa

4 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Monografia pod redakcją Adama MrozińskIEGO Wydawnictwo współfinansowane ze środków funduszy norweskich oraz środków krajowych 3

5 Tomasz Mania, Joanna Kawa Autorzy: Mgr inż. Tomasz Mania Mgr Joanna Kawa Recenzent - Prof. dr hab. inż. Janusz Badur Redaktor - Dr inż. Adam Mroziński ISBN: Projekt i opracowanie graficzne, skład, łamanie, druk i oprawa: Grafpol Agnieszka Blicharz-Krupińska ul. Czarnieckiego Wrocław tel fax Wydawnictwo współfinansowane ze środków funduszy norweskich oraz środków krajowych Bydgoszcz

6 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Spis treści I. Magazynowanie energii ciepła w gruncie Wprowadzenie Magazynowanie energii cieplnej w zbiornikach typu TTES Magazynowanie energii cieplnej w zbiornikach typu PTES Magazynowanie energii cieplnej w zbiornikach typu BTES Magazynowanie energii cieplnej w zbiornikach typu ATES Magazynowanie energii cieplnej w zbiornikach typu CTES II. Studia przypadku zastosowanie systemów magazynowania ciepła i chłodu w budynkach Budynek z pionowymi magazynami energii cieplnej typu VTTES - kampus Denki University Tokio Senju (Japonia) System magazynowania energii ciepła z układem pompy ciepła zasilany energią słoneczną - projekt EINSTEIN - Szpital w Ząbkach Osiedle budynków jednorodzinnych w Kanadzie Okotoks w Drake Landing Solar Pilotażowa instalacja gruntowego pionowego wymiennika ciepła typu glikol-woda na Wydziale Inżynierii Mechanicznej UTP w Bydgoszczy Podsumowanie Literatura do rozdziałów I i II III. Certyfikacja instalatorów OZE Wprowadzenie Prawo Energetyczne Certyfikacja instalatorów OZE Certyfikat instalatora

7 Tomasz Mania, Joanna Kawa 4. Instalator OZE Rejestr certyfikowanych instalatorów OZE Komitet Odwoławczy Literatura do rozdziału III

8 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Mgr Joanna Kawa prawnik, absolwentka Wydziału Prawa Uniwersytetu Gdańskiego i doktorantka na tym Wydziale, oraz menadżer zarządzania projektami badawczo-rozwojowymi jednostek naukowych, oraz Doradca Finansowy z uprawnieniami nadanymi przez KNF. Obecnie powołana przez Ministra Piechocińskiego na podstawie ustawy Prawo Energetyczne na członka organu ustawowego - Komitetu Odwoławczego w sprawie certyfikacji i akredytacji instalatorów OZE. Zawodowo związana z Polskim Stowarzyszeniem Pomp Ciepła oraz spółkami z obszaru OZE gdzie pełni funkcje Prezesa oraz członka Zarządu zajmując się szeroko rozumianymi technologiami OZE oraz szkoleniami związanymi z OZE oraz popularyzacją postaw prosumenckich w społeczeństwie. W swoim dorobku naukowym posiada wiele publikacji z zakresu prawa energetycznego, europejskiego oraz OZE. Dydaktykę prowadzi w ramach Studiów Podyplomowych z zakresu OZE na Uniwersytecie Technologiczno Przyrodniczym w Bydgoszczy. Mgr inż. Tomasz Mania pracownik naukowo-dydaktyczny Uniwersytetu Technologiczno - Przyrodniczego w Bydgoszczy, doktorant (PG /IMP PAN), absolwent Wydziału Oceanotechniki i Okrętownictwa Politechniki Gdańskiej. Menadżer zarządzania projektami badawczo-rozwojowymi jednostek naukowych, Prezes Zarządu Polskiego Stowarzyszenia Pomp Ciepła od 20 lat czynny w zawodowo (Budownictwo i Energetyka OZE). Współautor wielu koncepcje i projektów oraz wdrożeń takich jak: Centrum Badawcze PAN - Konwersja Energii i Źródła Odnawialne (współautor koncepcji budowlano-instalacyjnej), Molo Sopot Budynek Kubaturowy, Akwarium Gdyńskie, SKŻ Sopot Hestia, Muzeum w Biskupinie, Narodowe Centrum Żeglarstwa w Gdańsku, Szkoła Podstawowa w Cedrach Wielkich i w Cedrach Małych, Centrum Hewelianum, Muzeum Wraków w Tczewie, Remiza Strażacka w Purdzie, Dom Uphagena w Gdańsku, Centrum Kultury w Chojnicach, Budynek NOT w Gdańsku, Instytut Sztuki Wyspa w Gdańsku i wiele innych. Pomysłodawca i realizator unikalnych w skali kraju studiów podyplomowych z pomp ciepła i magazynowania energii ciepła na UTP w Bydgoszczy współfinansowanych z Funduszy Norweskich. Zawodowo związany również z Polskim Stowarzyszeniem Pomp Ciepła (członek założyciel) od 2002 roku do dnia dzisiejszego. W swoim dorobku naukowym posiada około 40 publikacji z zakresu pomp ciepła, magazynowania energii, budownictwa ekoenergetycznego i efektywności energetycznej. Dydaktykę prowadzi w ramach Studiów Podyplomowych z zakresu OZE na Uniwersytecie Technologiczno Przyrodniczym w Bydgoszczy (pracownik naukowy - asystent), Sopockiej Szkole Wyższej kierunek Architektura i Urbanistyka oraz w IMP PAN w Gdańsk z zakresu OZE w praktyce. 7

9 Tomasz Mania, Joanna Kawa Motto,,Nie sztuką jest wytworzyć energię, sztuką jest sposób na jej zmagazynowania co pozwoli w przyszłości ograniczyć znacząco koszty eksploatacji budynków. Tomasz Mania Polskie Stowarzyszenie Pomp Ciepła 8

10 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA I. Magazynowanie energii ciepła w gruncie 9

11 Tomasz Mania, Joanna Kawa 1. Wprowadzenie Potrzeby energetyczne społeczeństwa stale rosną szczególnie w dużych aglomeracjach miejskich, podczas gdy zasoby paliw kopalnych, które są produktem energetycznym dla większości krajowych systemów energetycznych i ciepłowniczych są na wyczerpaniu. Z roku na rok widzimy że cena paliw tradycyjnych (gaz, ropa, węgiel) nieodwracalnie będzie rosła [1]. Zaawansowane technologie krótkoterminowego jak i długoterminowego magazynowania energii cieplnej mogą przyczynić się do znacznego ograniczenia problemów środowiskowych (efekt zmniejszenia emisji CO 2 ) jak i zwiększenie wydajności systemów grzewczych oraz chłodniczych. Najprostszym rozwiązaniem zwiększającym efektywność energetyczną instalacji grzewczych jak i chłodniczych jest zastosowanie Magazynów Energii Cieplnej (MEC). MEC jest zdefiniowany jako czasowe magazynowanie energii termicznej w postaci gorącego jak i zimnego czynnika do późniejszego wykorzystania. Istotną rolę w procesie magazynowaniu energii cieplnej odgrywa zależność wykorzystania technologii odnawialnych źródeł energii. Tworzenie hybrydowych systemów magazynowania energii wspomaganych systemami OZE ma na celu optymalne wykorzystanie potencjału wydajnościowego systemów grzewczych oraz zminimalizowanie niedoborów energii z jednoczesnym przechowywaniem nadmiaru ciepła w celu późniejszego wykorzystania w okresach szczytowych. Technologie MEC są wskazane dla bilansowania równowagi między popytem i podażą na rynku energii cieplnej. Zatem możemy stwierdzić, iż MEC odgrywa ważną rolę w zwiększania efektywności energetycznej poszczególnych rodzajów energii odnawialnej w miksie energetycznym w skali mikro jak i makro. [1]. Wybór systemu MEC dla konkretnego zastosowania zależy od wielu czynników, w tym od czasu trwania składowania, ekonomii, podaży i wykorzystania wymogów temperatury, pojemności, strat ciepła i dostępności miejsca [1]. Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej w skrócie (SMEC) to układy przeznaczone do gromadzenia nadmiaru energii słonecznej lub odpadowej w okresie letnim i przechowywanie jej z docelowym zastosowaniem w okresie zimy oraz okresach przejściowych. Magazyny energii cieplnej jak i chłodu wymagają dużych pojemności i prawidłowe ich funkcjonowanie uzależnione są od wielu parametrów technicznych. Mimo, to technologia inżynierii magazynowania energii jest ciągle udoskonalana i modyfikowana w celu znalezienia optymalnych rozwiązań. Dobrze zaprojektowane systemy SMEC zwiększają początkowe koszty inwestycyjne ale znacząco obniżają w okresie eksploatacji koszty utrzymania, wytwarzania energii ciepła i chłodu co sprowadza się do poprawy efektywności energetycznej układów ciepłowniczych. Najbardziej opłacalnymi projektami SMEC są projekty uwzględniające całoroczny cykliczny proces (ładowania i rozładowywania) nadwyżek energetycznych w połączeniu z hybrydowymi układami wytwarzania energii [2, 3]. Im większy system tym efektywność energetyczna jak i cena GJ energii cieplnej staje się bardziej opłacalna dla klienta końcowego. Największym problemem w racjonalnym zagospodarowaniu wyprodukowanej energii jest zmienne w czasie zapotrzebowanie na nią. Z powodu tej niestałości poboru energii nieodzowne stało się jej akumulowanie. Energię możemy gromadzić w postaci mechanicznej, elektrycznej, chemicznej lub w formie ciepła. Do gromadzenia energii mechanicznej (kinematycznej) wykorzystuje się np. elektrownie szczytowo-pompowe a także bardziej alternatywne metody jak komory sprężonego powietrza oraz koła zamachowe. Energię elektryczną gromadzi się dzięki wykorzystaniu ogniw galwanicznych, akumulatorów oraz magazynowaniu produktów powstałych 10

12 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA z elektrolizy wody. Najprostszym sposobem zgromadzenia energii termicznej jest wykorzystanie pojemności cieplnej różnorodnych materiałów. Zasadniczo rozróżniamy dwa sposoby magazynowania energii cieplnej: - jawny - związany z przyrostem temperatury materiału akumulującego ciepło; - utajony - związany ze zmianą stanu skupienia materiału akumulującego ciepło przy stałej temperaturze [4]. Rysunek 1.1 przedstawia metody gromadzenia energii cieplnej. Rys Schematyczny podział sposobów akumulacji ciepła [18] Ciepło można magazynować krótkoterminowo np. w celu wykorzystania, jako ciepłej wody użytkowej, lub do ogrzewania pomieszczeń, bądź długoterminowo, jako sezonowy magazyn ciepła. W obu przypadkach, jako czynnik gromadzący energię najczęściej wykorzystuje się wodę, ma to uzasadnienie ekonomiczne [6]. Jednym ze sposobów magazynowania energii cieplnej w ilości mającej znaczenie gospodarcze są akumulatory gruntowe. Światowe badania i wykonane instalacje demonstracyjne wskazują na potencjalność odzyskania nawet do 85 % energii w czasokresie rocznym. Niezależnie od możliwości zastosowania sezonowego magazynowania w systemach wykorzystujących energię odnawialną, bardzo ważnym kierunkiem zastosowań jest skorzystanie 11

13 Tomasz Mania, Joanna Kawa z energii odpadowej powstającej w niektórych procesach technologicznych. W takich przypadkach możliwe jest wykorzystanie akumulatora energii w cyklach dostosowanych do charakteru procesu produkcyjnego [16]. W większości klimatów jest różnica czasu pomiędzy podażą a popytem na energię cieplną w tym z OZE (Rys. 1.2), to niedopasowanie można rozwiązać poprzez magazynowanie energii. Istnieje kilka koncepcji, dla krótkoterminowego i długoterminowego przechowywania ciepła oraz aplikacji jak można wykorzystywać grunt do podziemnego magazynowania energii cieplnej (UTES - Underground Thermal Energy Storage), w zależności od geologicznych, hydro-geologicznych oraz innych warunków lokalnych. Metody magazynowania ciepła można podzielić (Tabela 1) ze względu na czas akumulacji na: - krótkoterminowe - STTS (ang. Short Term Thermal Storage) zbiorniki pośrednie, bojler elektryczn; - długoterminowe - STES (ang. Seasonal Thermal Energy Storage) w gruncie, w zbiornikach, w stawach słonecznych. Kolejnym sposobem klasyfikacji systemów składowania ciepła może być rodzaj ośrodka magazynującego: - w warstwach wodonośnych - ATES (ang. Aquifer Thermal Energy Storage); - w gruncie (otworowo) - BTES (ang. Borehole Thermal Energy Storage); - w naturalnych i sztucznych jamach podziemnych, kawernach, wyrobiskach pokopalnianych wypełnionych wodą - CTES (ang. Cavity Thermal Energy Storage). 12

14 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Rys Wykres zapotrzebowania na ciepło w ciągu roku [13] 13

15 Tomasz Mania, Joanna Kawa Tabela 1.1. Systematyka metod sezonowego magazynowania energii cieplnej Na rysunku 1.3 przedstawiono schematycznie opcje różnych możliwości magazynowania energii ciepła w gruncie, potraktowanych jako przyszłość systemu energetycznego. Saving oszczędność New technology nowa technologia Local condition warunki lokalne Storage magazynowanie Rys Różne opcje magazynowania energii cieplnej w gruncie [10] 14

16 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA W systemie podziemnego magazynowania energii cieplnej (UTES) można przechowywać duże ilości niskotemperaturowego ciepła do ogrzewania i chłodzenia, a także do podgrzewania i wstępnego schładzania. Podziemny magazyn może w trakcie rozładowania dostarczyć energii w całości lub części do ogrzewania lub chłodzenia np. budynków. Dodatkowo można zastosować pompę ciepła w instalacji, aby poprawić efektywność działania układu i zwiększyć możliwości zastosowania systemu. Energia cieplna, którą można gromadzić w magazynie może pochodzić z instalacji solarnej a także z tzw. ciepła odpadowego, które powstaje np. w procesach produkcyjnych. Wtedy efekt ze składowania ciepła będzie dużo większy (nawet i dwukrotnie) i zasadniczo bardziej ekonomiczny. System UTES obejmuje zarówno magazynowanie energii cieplnej w warstwie wodonośnej (ATES) jak i magazynowanie poprzez otwory wywiercone w gruncie (BTES) [2]. Są to dwie najbardziej korzystne opcje składowania ciepła. Projekty te zostały już wprowadzone w systemach komercyjnych na rynku energii w wielu krajach. Inną opcją jest użycie podziemnych jam skalnych, kawern (CTES), ale koncepcja ta jest rzadko stosowana jak dotąd komercyjnie [10]. W monografii omówiono zastosowanie podziemnego magazynowania energii cieplnej (UTES), skupiając się na sezonowym akumulowaniu ciepła (STES), wynika to bezpośrednio z przyjętego celu w tym studium. Sezonowe gruntowe zbiorniki energii cieplnej umożliwiają składowanie pod ziemią nadmiaru powstającego w okresie letnim ciepła a w dalszej kolejności jego odzyskanie i spożytkowanie do ogrzewania zimą. Dzięki temu efektywność wykorzystania promieniowania słonecznego, które dla elektrowni solarnej stanowi od ok. 7% do maksymalnie 35% przy zastosowaniu sezonowego magazynu ciepła w gruncie może osiągnąć blisko 100% [14]. Systemy magazynowania energii cieplnej można podzielić według: - celu magazynowanie (przeznaczenia) - ogrzewanie, chłodzenie albo ogrzewanie i chłodzenie łącznie; - temperatury magazynowania - niska < 40 50oC i wysoka > 50oC; - systemu magazynowania - ATES, BTES, CTES, DTES, Pit/Tank (zbiornik); - zastosowaniu zgromadzonego ciepła (aplikacje) - budownictwo mieszkalne, przeznaczenie komercyjne lub przemysłowe. Ilość nakładu energii do SMEC (Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej) zależy od masy materiału (czynnika), jego zdolność magazynowania ciepła, jak również od różnicy temperatur między czynnika roboczego na początku jak i na końcu procesu przekazywania ciepła i może być wyrażona równaniem wymiany ciepła w postaci Q: gdzie: m - oznacza całkowitą masę magazynowanego czynnika, c p - pojemność cieplna czynnika, T 1 - początkowa temperatura czynnika, T 2 - końcowa temperatura czynnika ΔT - jest różnicą temperatur czynnika. (1) 15

17 Tomasz Mania, Joanna Kawa Jeżeli temperatura czynnika jest zbyt mała, aby uwzględnić zmianę c p, równanie (1) może być zapisane jako: Q = m * c pś * T = m * c pś * (T 2 T 1 ) (2) gdzie: c pś - to średnia pojemność cieplna od temperatury T 1 i T 2 [4, 5]. Wysoka stabilność termiczna zapewnia niższe zużycie czynnika gromadzącego ciepło nawet po 1000 cyklach pracy tego typu magazynów. Z powyższej definicji jak i równań (1) i (2), można wywnioskować, że najbardziej optymalnym materiałem (czynnikiem roboczym) w SMEC są materiały posiadające następujące cechy: - wysoka pojemność cieplna, - wysoka stabilność energetyczna (przechowywanej energii cieplnej), - wysoka stabilność chemiczna (w przypadku wody), - niski koszt eksploatacyjny, - neutralność pod względem oddziaływania na środowisko. Transport ciepła w gruncie może być opisany równaniem różniczkowym nieustalonego przewodzenia ciepła czyli równaniem Fouriera Kirchhoffa (3). (3) Gdzie: ρ g gęstość gruntu [kg/m 3 ], c g ciepło właściwe gruntu [J/(kg K)], λ x, y, z = λ współczynnik przewodzenia ciepła gruntu [W/(m K)], Przepływ płynu roboczego U-rurce - równania ruchu płynu rzeczywistego, zwane równaniami Naviera Stokesa (4), (4) - równanie ciągłości przepływu (5), (5) 16

18 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA - równanie wymiany ciepła dla przepływu płynu (6), (6) gdzie: v x, v y, v z składowe wektora prędkości przepływu [m/s], T=T(x,y,z,t) temperatura [K], ρ w gęstość czynnika [kg/m3], μ lepkość dynamiczna czynnika [Pa s], c w ciepło właściwe czynnika [J/(kg K)], g x, y, z składowa przyspieszenia ziemskiego [m/s 2 ], λ w współczynnika przewodzenia ciepła czynnika [W/(m K)]. Podsumowując wcześniejsze rozważania, możemy wyróżnić pięć rodzajów podstawowych rozwiązań w technologii sezonowego magazynowania energii cieplnej (SMEC): - Magazynowanie energii cieplnej w zbiornikach typu TTES (ang. Tank Thermal Energy Storage), - Magazynowanie energii cieplnej w zbiornikach typu PTES (ang. Pit Thermal Energy Storage), - Magazynowanie energii cieplnej w zbiornikach typu BTES (ang. Borehol Thermal Energy Storage), - Magazynowanie energii cieplnej w zbiornikach typu ATES (ang. Aquifer Thermal Energy Storage), - Magazynowanie energii cieplnej w zbiornikach typu CTES (ang. Cavity Thermal Energy Storage), W dalszej części monografii zostanie przeprowadzona analiza poszczególnych rodzajów sezonowych magazynów energii ze szczególnym uwzględnieniem magazynów typu BTES wraz z przykładami ich zastosowań. 2. Magazynowanie energii cieplnej w zbiornikach typu TTES Magazyny typu TTES (ang. Tank Thermal Energy Storage) jest rozwiązaniem konstrukcyjnym o tradycyjnych kołowym kształcie. Zbiornik zbudowany od podstaw, najczęściej o konstrukcji żelbetowej lub stalowej, izolowany termicznie zamknięty od góry szczelną powłoką z doprowadzeniem i odprowadzeniem czynnika grzewczego. W końcowej fazie cały magazyn typu TTES jest pokryty warstwą gruntu w celu zabezpieczenie poszczególnych warstw zbiornika. 17

19 Tomasz Mania, Joanna Kawa Rys Przekrój ogólny konstrukcyjny magazynu energii typu TTES z widoczną warstwą izolacyjną wokół zbiornika. Wydajność tego typu zbiorników określona jest na poziomie od 60 do 80 kwh/m 3 [4] Rys Przekrój magazynu energii typu TTES z szczegółami konstrukcyjnymi warstw zbiornika [4] 18

20 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Rys Przykład poszczególnych faz przy budowie zbiornika typu TTES (Tank Thermal Energy Storage) w Monachium 2007 roku o pojemności 5700 m 3 [5] Rys Zbiornik typu TTES (Tank Thermal Energy Storage) fazy ładowania (recharge cycle) oraz faza rozładowywania (discharge cycle) z widoczną cienką warstwą,,termoklina, w której zachodzą gwałtowane zmiany temperaturowe. Cienka warstwa oddzielająca medium robocze o różnych temperaturach [9]. 19

21 Tomasz Mania, Joanna Kawa Rys Wykres rozwarstwienia (tzw. stratyfikacji termicznej) ciepła w zbiorniku typu TTES. Powyższa relacja opiera się na związku miedzy gęstością a temperaturą czynnika roboczego [9] 3. Magazynowanie energii cieplnej w zbiornikach typu PTES Magazyny typu PTES (ang. Pit Thermal Energy Storage) jest rozwiązaniem konstrukcyjnym o dowolnym kształcie geometrycznym. Zbiorniki tego typu buduje się wykonując wykop techniczny izolowany i przykrywają go szczelnie powłoką izolacyjną demontowalną, z doprowadzeniem i odprowadzeniem czynnika grzewczego jak w przypadku zbiorników TTES. Rozwiązanie typu PTES nie wymaga szczególnych warunków geotechnicznych jest ekonomiczne i proste do wykonania. Rys Przekrój ogólny konstrukcyjny magazynu energii typu PTES (Pit Thermal Energy Storage) z widoczną warstwą izolacyjną wokół zbiornika. Wydajność tego typu zbiorników określona jest na poziomie od 30 do 80 kwh/m 3 [4] 20

22 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Rys Budowa zbiornika o pojemności m 3 typu PTES (Pit Thermal Energy Storage) z widocznym systemem ładowania i rozładowywania zbiornika miejscowość Dronninglund Dania [9] 21

23 Tomasz Mania, Joanna Kawa Rys Schemat układu hybrydowego wytwarzania ciepła i chłodu, połączenie zbiornika typu PTES (Pit Thermal Energy Storage), absorpcyjnej pompy ciepła ( mocy cieplnej 3,0 MW i mocy chłodniczej 2,1 MW) i układu kolektorów słonecznych m2 całość uzupełnia układ CHP oraz kotły na bio olej miejscowość Dronninglund Dania [9] 22

24 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA 4. Magazynowanie energii cieplnej w zbiornikach typu BTES Magazyn typu BTES (ang. Borehol Thermal Energy Storage) jest specyficzną odmianą magazynów energii. Elementem magazynującym energię cieplną jest grunt. Energia cieplna lub energia chłodu przekazywana jest do gruntu za pomocą sond pionowych (gruntowy pionowy wymiennik ciepła). Sondy pionowe połączone są ze sobą w sposób szeregowy lub równoległy w celu uzyskania równomiernego efektu ładowania lub rozładowywania magazynu [7][8]. Rys Magazynu energii typu BTES (Borehol Thermal Energy Storage) z układem połączeń między poszczególnymi pionowymi sondami [6] Rys Przekrój magazynu energii typu BTES (Borehol Thermal Energy Storage) z szczegółami konstrukcyjnymi pionowego wymiennika ciepła. Przykład rozwiązań konstrukcyjnych sond pionowych w trzech układ: układ pojedynczej U-rury, układ koncentryczny,,rura w rurze, układ podwójnej U-rury [11] 23

25 Tomasz Mania, Joanna Kawa Rys Przykład poszczególnych faz budowy zbiornika typu BTES (Borehol Thermal Energy Storage) w Neckarslum Niemcy, projekt instalacji [11] Rys Przykład poszczególnych faz budowy zbiornika typu BTES (Borehol Thermal Energy Storage) w Neckarslum Niemcy, projekt instalacji [11] 24

26 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Rys Konstrukcja magazynu ciepła typu BTES (Borehol Thermal Energy Storage) w Okotoks Kanada [10] Na rysunku 4.6 przedstawiono konstrukcję magazynu ciepła typu BTES (Borehol Thermal Energy Storage) w Okotoks w Kanadzie. Sondy pionowe rozmieszczone są bardzo blisko siebie w celu lepszego rozkładu temperatury. Magazyn ładowany jest od środka w kierunku zewnętrznych warstw. W celu utrzymania stabilnej temperatury wierzchnia warstwa jest izolowana termicznie zaś w środku stosuje się metodę stratyfikacji energii od najniższej (powłoka zewnętrzna do najwyższej środek magazynu BTES. Rys Konstrukcja magazynu ciepła typu BTES w Okotoks Kanada [10] 25

27 Tomasz Mania, Joanna Kawa Rys Wykres zmian temperaturowych magazyny ciepła typu BTES (Borehol Thermal Energy Storage) w Okotoks Kanada [10] Istotnym elementem obliczeniowym w projektowaniu i doborze magazynów energii typu BTES jest wykonaniem symulacji numerycznym metoda elementów skończonych. Symulacja numeryczna pozwala z dużą dokładnością określić pola temperatur, gradienty przepływu ciepła, zwizualizować w siatce trójwymiarowej zachowanie się pola temperatur jaki przepływów w danym okresie czasu. Istotnym elementem w parametryzacji magazynów energii jest określenie warunków brzegowych i wprowadzenie parametrów związanych z przepływem wody w warstwach gruntu. Przepływy woda w gruncie w magazynowaniu energii są zjawiskiem niekorzystnym, gdyż zgromadzone ciepło o niskiej egzergii jest rozpraszane co powoduje niekontrolowane upływy ciepła. W gruncie występują zjawiska wymiany ciepła w postaci konwekcji oraz przewodzenia ciepła co uwidacznia poniższy rysunek [10]. 26

28 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Rys Symulacja numeryczna gruntowych magazynów energii metodą elementów skończonych FEM (ang. Finite Element Method) lub metodą obliczeniową mechaniki płynów CFD (ang. Computational Fluid Dynamics) jest jedną z najbardziej efektywnych metod określenia możliwości termicznych magazynów energetycznych ciepła i chłodu. Po lewej stronie symulacja numeryczna magazynu energii i rozkład temperatury tylko z przewodzeniem oraz przewodzenie z konwekcją. Efekt konwekcji oraz przepływu jednokierunkowego wody w gruncie powoduje nierównomierne rozciągnięcie pola temperatur [11] 27

29 Tomasz Mania, Joanna Kawa Rys Innowacyjne rozwiązanie łączące dwa typy rozwiązań sondę pionowej typy BTES z wykorzystaniem możliwości magazynowania energii z złożu z czynnikiem roboczym (glikolem) powstała sonda akumulacyjna geokoax jako alternatywa dla głębokich odwiertów. Wydajność testowa sondy przy przepływie czynnika roboczego na poziomie 0,5 l/s z wynosi około 100 W/m bieżący odwiertu [12] Inną odmiana magazynu energii typu BTES jest magazyn oparty o żelbetowe pale energetyczne będące trójfunkcyjnym elementem konstrukcji budynku. Prostota rozwiązania jak i możliwości energetyczne wykorzystania tego typu układów powodują iż pale energetyczne (ang. energy pile) idealnie wpisują się w zagadnienia zwiększające efektywność energetyczną systemów budowlanych. W Polsce tego typu systemy magazynowania energii w obecnych rozwiązaniach są w ogóle nie stosowane [8]. Rys Przekrój magazynu energii typu BTES w odmianie konstrukcyjnej z zastosowaniem pala energetycznego montowanego w systemie posadowienia budynku [8] 28

30 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA W tym układzie, części U-rurki jest rozmieszczona wokół powierzchni odwiertu w miejscu fundamentów betonowych pali żelbetowych, jak pokazano na Rys. 18. Wymiennik gruntowy jest zwykle wykonane z polietylenu sieciowanego o wysokiej jakości. Rury polietylenowe gruntowego wymiennika ciepła są bardzo stabilne pod względem chemicznym, a także odporne na wysokie wahania temperatur. Średnice wymiennika w postaci U-rurki zawierają się w przedziale 3/4 lub 1 cala (27 lub 34 mm) średnicy roboczej wymiennika. Typowe średnice pala energetycznego żelbetowego zawierają się od 1500 do 4000 mm. Połączenie systemu grzewczo-chłodzącego z konstrukcja żelbetową otwiera nowe możliwości projektowania tzw. fundamentów aktywnych przy zachowaniu podstawowego wymogu jakim jest fundamentowanie konstrukcji budowlanej. Wymienniki gruntowe w układzie U-rurki są instalowane do prętów zbrojeniowych. W tym konkretnym przypadku biurowca w Japonii wydajność otworu pala energetycznego waha się w granicach około 180W/m bieżącego konstrukcji. Przy głębokości 30 m wydajność magazynowa pala wynosi około 5,4 kw zgromadzonej energii. W tym konkretnym rozwiązaniu chłód zgromadzony w palach energetycznych w okresie letnim służy do chłodzenia przez system klimatyzacyjny budynku, zaś zimą przy pomocy pompy ciepła można odbierać ciepło niskotemperaturowe i efektywnie oddawać do pomieszczeń [8]. Rys Przekrój magazynu energii typu BTES w odmianie konstrukcyjnej z zastosowaniem pala energetycznego montowanego w systemie posadowienia budynku wraz z opomiarowaniem. Widoczne na zdjęciach powyżej czujniki temperatury i wilgotności w celu określenia leja temperaturowego pala energetycznego. Wszystkie czujniki są wyprowadzone na zewnątrz pala i podłączone do systemu monitorowania [12] 29

31 Tomasz Mania, Joanna Kawa Rys Różne typy konfiguracyjne pali energetycznych - pojedyncza, podwójna, potrójna-u rura [12] W konstrukcjach pali energetycznych istnieją pewne ograniczenia dotyczące temperatury płynu roboczego krążącego w rurach. Podczas pracy latem, gdy ciepło jest pompowane do konstrukcji pala, temperatura czynnika roboczego musi być utrzymywana poniżej 40ºC (wymagania SIA, 2005) zaś w sezonie zimowym, gdy ciepło jest usuwane z pala jak również ochładza się warstwa grunt wokoło pala energetycznego, temperatura nie powinna spaść poniżej 0ºC (Brandl, 2006). Jednakże, najnowsze badania polowe pali energetycznych pokazały, że spadek temperatury płynu roboczego poniżej 0ºC nie wpływa negatywnie na otaczający grunt (Loveridge, 2012). Rys Przykład zastosowania płyt fundamentowych, ścian szczelinowych, pali energetycznych oraz mikropali energetycznych tzw. termopali jako aktywnych magazynów ciepła i chłodu. Rozwiązania tego typu stwarzając nowe możliwości konstruowania budynków a także zagospodarowania ciepła odpadowego jak i odzysku ciepła o niskiej entalpii materiały firmy TITAN POLSKA [13] 30

32 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Rys Mikropale geotermalne w zastosowaniu konstrukcyjnych. Tabela wydajności typowej podwójnej U-rurki, pala TITAN stal 460 oraz TITAN Aluminium wykonanych przy pomocy testu TRT (ang. Thermal Response Test) materiały firmy TITAN POLSKA [13] Na rysunku 4.15 przedstawiono wykres nierównomierności obciążenia magazynu energii typu pale energetyczne. Rys Wykres spadku temperatury przepływającego płynu roboczego w magazynie typu pale energetyczne w okresie 15 lat eksploatacji w dużej instalacji centralnego ogrzewania [12] 31

33 Tomasz Mania, Joanna Kawa Na rysunku 4.16 przedstawiono wykres zbilansowanego ładowania magazynu energii typu pale energetyczne. Rys Wykres pokazujący (pole zakreślone) wydzielony obszar będący w równowadze w procesie ładowania magazynów energii przy zastosowaniu pomp ciepła [12] 5. Magazynowanie energii cieplnej w zbiornikach typu ATES Magazyny typu ATES (ang. Aquifer Thermal Energy Storage) jest rozwiązaniem konstrukcyjnym wykorzystującym naturalne lub sztuczne warstwy wodonośne. Wykonanie tego typu zbiorników musi być poprzedzone szczegółowymi badaniami hydrogeologicznymi, które mają za zadanie wyeliminować zagrożenie w postaci zakłócenia przepływów w warstwach wodonośnych. Systemy tego typu wykorzystują naturalne możliwości temperaturowe warstw wodonośnych i są czynnikiem podnoszących efektywność systemów grzewczych jak i chłodzących. Należy też wziąć pod uwagę skład chemicznych takich złóż, gdyż wysoka zawartość związku soli lub wysoki stopień zawartości żelaza w wodzie może doprowadzić w krótkim okresie czasu do uszkodzenia instalacji. W tym celu należy zastosować wymienniki ciepła oraz rurociągi przesyłowe z materiałów kompozytowych lub ze stali nierdzewnej tytanowej lub molibdenowej [8]. 32

34 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Rys Magazynu energii typu ATES (ang. Aquifer Thermal Energy Storage) z układem połączeń między warstwami wodonośnymi Rys Przykład budowy zbiornika typu ATES (Aquifer Thermal Energy Storage) na warstwie wodonośnej w Lotnisko Arlanda w Sztokholmie [12] System magazynowania energii ciepła i chłodu typu ATES na lotnisku Arlanda koło Sztokholmu składa się z 11 studni, z przepływem wody na poziomie 720 m3/h. Pojemność cieplna wynosi około 10 MWh/rok (objętość 3 mln m3). Analiza projektowa pokazała oszczędności energii na poziomie 4 GWh/rok energii elektrycznej i 10 GWh/rok ciepła. Dodatkowo magazyn żwirowo-wodny lotniska w Arlandzie spowodował ograniczenie emisji SOx i NOx oraz CO2. Rozwiązanie tego typu również wykorzystywane jest do topienia warstwy śniegu i lodu na obszarze technicznym lotniska. 33

35 Tomasz Mania, Joanna Kawa Rys Przekrój magazynu energii typu ATES z pokazanym rozwarstwieniem temperaturowym oraz systemem równoważenia sezonowych wahań temperatury SWECO na lotnisku Arlandzie [12]. Podsumowanie ekonomiczne magazynów energii typu ATES lotniska ARLANDA Zaoszczędzona energia: - energia cieplna 25 GWh/rok - energia chłodu 5 GWh/rok - energia elektryczna - 4 GWh/rok - koszt operacyjny < 1Euro /kwh - redukcja emisji CO ton/rok - koszty inwestycji 5 mln euro - okres zwrotu inwestycji 5 lat!!! Rys Przykład budowy zbiornika typu ATES (Aquifer Thermal Energy Storage) dwu stopniowy (chłodu i ciepła) na warstwach wodonośnych w Berlinie (Parlament) Niemcy [12] 34

36 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA 6. Magazynowanie energii cieplnej w zbiornikach typu CTES Magazyny typu CTES (ang. Cavity Thermal Energy Storage) jest rozwiązaniem konstrukcyjnym wykorzystującym istniejące podziemne wyrobiska. W ten sposób można zagospodarować do celów grzewczych istniejące ale nie eksploatowane kawerny, w których z powodzeniem można przechowywać czynnik grzewczy dla istniejących systemów ciepłowniczych. Przystosowanie techniczne czyli uszczelnienie kawerny jest największym problemem w tego typu systemach. Rys Magazynu energii typu CTES (Cavity Thermal Energy Storage) z układem połączeń stanowiącymi naturalne korytarze, przez które doprowadzane jak i odprowadzane jest energia cieplna. Pojemność magazynu to około m 3 [8] Rys Przykład budowy zbiornika typu CTES (Cavity Thermal Energy Storage) na warstwie wodonośnej w miejscowości Lyckebo projekt w Uppsala - Szwecja 1982 rok [8] 35

37 Tomasz Mania, Joanna Kawa System magazynowania energii typu CTES (Rys. 6.2) przeznaczony jest do obsługi w energię ciepła około 550 budynków jednorodzinnych. Magazyn ten realizuje funkcje ogrzewania pomieszczeń oraz zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową, całość dodatkowo wspomagana jest energią z instalacji kolektorów słonecznych o powierzchni 4320 m2. Woda grzewcza transportowana jest do komór zbiornika magazynowego oraz eksploatowana przez system dwóch teleskopowych rurociągów, co zapewnia jej optymalny rozkład temperaturowy tzn. stratyfikację pola temperatury w poszczególnych warstwach roboczych na poziomie od 90 0 C do 40 0 C poczynając od warstwy górnej i przechodząc do warstwy dolnej. 36

38 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA II. Studia przypadku zastosowanie systemów magazynowania ciepła i chłodu w budynkach 37

39 Tomasz Mania, Joanna Kawa 7. Budynek z pionowymi magazynami energii cieplnej typu VTTES - kampus Denki University Tokio Senju (Japonia) Rys Budynek kampus Denki University Tokio Senju (Japonia) jako pierwszy na świecie układ magazynowania energii z pionowo ustawionymi zbiornikami w budynku. Vertical Tank Thermal Energy Storage (Fot: Toshiharu Kitajima) [26] Budowa i zastosowanie innowacyjnego systemu VTTES (ang. Vertical Tank Thermal Energy Storage) przyczynia się do poprawy efektywności energetycznej budynków i obiektów i pozwala zrównoważyć obciążenia cieplne lub chłodnicze budynku. Obciążenie energetyczne układu klimatyzacji w obiektach jest największe między godziną l3 a 17 po południu w okresie letnim, brak rozwiązań z magazynowanie energii powoduje wzrost zapotrzebowania na moc elektryczną do urządzeń chłodniczych szczególnie jeżeli chłodzenie pozyskiwane jest z energii elektrycznej. Opracowanie skutecznej metody magazynowanie energii cieplnej (chłodu) dla wspomagania systemów klimatyzacji w tym konkretnym obiekcie pozwoli na ograniczenie szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną zasilających układy chłodzenia i wymiernie przełoży się na koszty eksploatacji. Medium roboczym w układzie magazynów energii typu VTTES jest woda, ale można w tego typu zbiornikach akumulować lód lub materiały zmiennowofazowe typu PCM (ang. Phase Change Materials). Produkowanie czynnika o wskazanych parametrach temperaturowych odbywa się w okresie nocnym jak i w okresach gdzie budynek nie wykazuje nadmiernego zapotrzebowania na ciepło i chłód. Przy dynamicznie zmieniających sie warunkach pogodowych szczególnie w okresie letnim jak i w okresach przejściowych, rozwiązanie magazynu energii typu VTTES powoduje optymalne rozłożenie obciążenia termicznego budynku i możliwość magazynowania nadwyżek. 38

40 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Podziemny magazyn energii typu PTES Pionowy układ magazynów energii woda jako medium robocze Rys Budynek kamapus Denki University Tokio Senju (Japonia) jako pierwszy na świecie układ magazynowania energii z pionowo ustawionymi zbiornikami typu VTTES (ang. Vertical Tank Thermal Energy Storage) w budynku w porównaniu z tradycyjnym układem PTES. (Fot: Toshiharu Kitajima) [26] Możliwości technologii do magazynowania energii typu STES Najbardziej rozpowszechniony systemem magazynowania energii ciepła jak i chłodu są różnego rodzaju konstrukcje zbiorników akumulacyjnych podziemnych lub naziemnych określanych jako STES (ang. seasonal thermal energy storage) czyli sezonowy zbiornik magazynowania energii. Budowa STES wiąże się z pozyskaniem pod jego budowę terenu, wybraniu ziemi po konstrukcję oraz wymaga likwidacji urobku, wywiezienia go z placu budowy co jest dodatkowym kosztem wykonania inwestycji. Z drugiej strony magazynowanie energii w postaci wolnostojących magazynów energii typu STES nie wpływa na proces budowy samego obiektu i są elementem niezależnej instalacji jak również mogą podlegać w okresie 39

41 Tomasz Mania, Joanna Kawa eksploatacji rozbudowie. W celu zwiększenia zdolności akumulacyjnych systemu do magazynowania energii cieplnej typu VTTES konstrukcje zbiorników muszą być wyższe, co z kolei wymaga większej powierzchni, i prowadzi do problemów z uzyskaniem odpowiedniej przestrzeni technicznej w budynku (zbiornik akumulacyjny nie może być wolnostojący). Wolnostojące zbiorniki akumulacyjne o płaskiej konstrukcji dna zintegrowane z budynkiem maja uzasadnienie budowania przy inwestycjach gdzie mamy dostępność terenu oraz możliwości zagłębienia w gruncie. Z kolei w mocno zurbanizowanych terenach miejskich, gdzie jest problem z wygospodarowaniem dodatkowych przestrzeni na systemy akumulacji energii, idealnym rozwiązaniem wydaje się system pionowych sezonowym magazynów energii. Rozwiązanie tego typu łączy w sobie zalety systemu STES poprzez połączenie zbiorników między sobą przez co uzyskujemy skumulowaną objętość roboczą i nie potrzebujemy przestrzeni na posadowienie zbiorników. Pierwsze tego typu rozwiązanie typu VTTES na świecie zastosowano w kampusie uniwersyteckim w Senju Tokyo Denki University. Zalety związane z systemem pionowych zbiornikach magazynowania energii typu VTTES System pionowych akumulatorów energii ciepła i chłodu typu VTTES niesie za sobą szereg zalet. Przede wszystkim podstawową zaletą jest skrócenie czasu budowy i praktycznie nie ograniczone możliwości wykorzystania VTTES. Od systemów do akumulacji ciepła i chłodu po wykorzystanie jako dodatkowe zbiorniki wodne w czasie pożarów. Prefabrykacja i przygotowanie zbiorników magazynu VTTES poza obszarem budowy dodatkowo wpływa na optymalizację samego procesu montażu. Poszczególne fazy przy budowie tradycyjnych zbiorników do magazynowania energii typu STES Wykonanie wykopu - Transport urobku - Utylizacja nadmiaru gruntu Rozwiązanie tego typu powoduje większe koszty środowiskowe oraz energetyczne Rys Proces budowy tradycyjnych zbiorników do magazynowania energii typu VTTES [26] 40

42 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Korzyści wynikające ze stosowania technologii VTTES Pierwszą zaletą zastosowania technologii pionowych magazynów energii jest : zmniejszenie objętości wykopu redukcji miejscu i czas budowy redukcja usuwania nadmiaru gruntu redukcja kosztów, i ochrona środowiska naturalnego. Przy budowie magazynu energii typy VTTES następuje znaczna redukcja kosztów związanych z pracami ziemnymi jak i usunięciem zbędnego urobku. Również koszty degradacji środowiska naturalnego są ograniczone do zera. Kolejnym kosztem są prace związane wykonaniem hydroizolacji oraz izolacji termicznej zbiorników co w rzeczywistości stanowi znaczące koszty inwestycyjne. Produkcja zbiorników w fabryce Dostawa i montaż na placu budowy Rys Proces produkcji zbiorników pionowego magazynu energii wraz z transportem na plac budowy i montażem [26] Drugą zaletą zastosowania technologii pionowych magazynów energii : Wysoka jakość zbiorników akumulacyjnych Prefabrykacja poza terenem budowy Ograniczenie czasu budowy i montażu Optymalizacja kosztów procesu produkcji Pionowe zbiorniki typu VTTES, są produkowane bezpośrednio w fabryce co powoduje, iż proces ich produkcji nie wpływa bezpośrednio na harmonogram budowy obiektu. Kompletny zbiornik z nałożoną warstwą izolacji zewnętrznej jak i wewnętrznej jest następnie przewieziony na plac budowy, gdzie następuje faza montażu w gotowych przestrzeniach technologicznych budynku - szachtach. Systemowe podejście do produkcji jaki montażu skraca bezpośrednio koszty pracy i tym samym redukuje czas montażu. 41

43 Tomasz Mania, Joanna Kawa Rys Schemat porównawczy dwóch rozwiązań technicznych do magazynowania energii. Po prawej stronie system centralny z układem pomp obiegowych obsługujących cały system zadawania ciepła i chłodu typu TTES lub PTES. Po lewej stronie układ zdecentralizowany oparty o pionowe zbiorniki do magazynowania energii typu VTTES [26] Trzecią zaletą zastosowania technologii pionowych magazynów energii : Układ rozproszone z małymi pompami obiegowymi Redukcja mocy elektrycznej Istotnym elementem a zarazem kolejna zaletą magazynów energii typu VTTES jest decentralizacja układu zasilania dystrybucji czynnika roboczego. W układzie typy VTTES redystrybucja czynnika odbywa się przez zastosowanie pojedynczych pompy obiegowych zamontowanych do każdego elementu instalacji. Pionowe usytuowanie zbiorników pozwala również wykorzystać ciśnienie hydrostatyczne panujące w układzie jako dodatkowy element wspomagający dystrybucje czynnika. Z kolei przy systemie STES ze zbiornikami umieszczonymi pod budynkiem musimy zaprojektować instalację i dobrać pompy obiegowe o takiej mocy aby pokonała opory przepływu instalacji i przepompowały czynnik roboczy na poszczególne kondygnacje. Centralny układ pomp obiegowych w układzie magazynów typu STES lub TTES przy awarii systemu powoduje wyłączenie obiektu z prawidłowego eksploatacji. 42

44 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Rys Schemat budynku z pionowymi zbiornikami do magazynowania energii (lewa strona) oraz budynek z układem zasilania w media ciepła i chłód (prawa strona) [26] Czwartą zaletą zastosowania technologii pionowych magazynów energii : Zaopatrzenie budynku w wodę bytową do celów sanitarnych z wykorzystaniem wody opadowej wykorzystanie wody opadowej do celów sanitarnych np: spłukiwania toalet lub celów technologicznych Używanie wody jako medium w instalacji przeciwpożarowej. W okresie katastrof lub pożarów na dużą skalę, awarii energetyczne czy uszkodzenia sieci wodociągowych gdzie mogą wystąpić problemy z ciągłością dostawa wody do budynku. Zbiorniki pionowe systemu VTTES pozwalają wykorzystać zgromadzoną wodę do spłukiwania toalet oraz jako źródło wody do celów technologicznych np: instalacja gaszenia pożaru. Rozwiązanie jest o tyle korzystne że w momencie braku zasilania elektrycznego do pomp obiegowych, wysokość słupa wody (ciśnienie hydrostatyczny) może być wykorzystane jako pompa grawitacyjna,, i wykorzystywana do celów technologicznych. 43

45 Tomasz Mania, Joanna Kawa Rys Analiza numeryczna rozkładu temperatury w czasie CFD (ang. Computational Fluid Dynamics) w zbiornikach do magazynowania energii typu VTTES [26] Piątą zaletą zastosowania technologii pionowych magazynów energii : Kształt pojedynczego elementu w postaci pionowego cylindrycznego zbiornika pozwala optymalnie kształtować rozwarstwienie temperaturowe medium roboczego (wody) bez obawy powstawania tzw. martwych stref temperaturowych. Cała objętość robocza jest optymalnie wykorzystywana. Przeprowadzone analizy CFD (ang. Computational Fluid Dynamics) pokazuje zmianę rozkładu temperatury w zbiorniku przy parametrach zasilania wodą o temperaturze 8 0 C przy powolnym podwyższaniu do temperatury 15 0 C. Uwarstwienie jest równomierne i nie wprowadza zakłóceń termicznych. Specjalnie ukształtowany prostownik w górnej części zbiornika ukierunkowuje równomiernie strumień ciepła co umożliwia tworzenie się kontrolowanego uwarstwienia. Poszczególne fazy budowy i montażu pionowych zbiorników do magazynowania energii: Pojedynczy pionowe zbiorniki VTTES zainstalowane w Denki Uniwersytetu w Tokio zostały wykonane w fabryce a następnie jako gotowe elementy przetransportowane na plac budowy. 44

46 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Rys Widok stalowego zbiornika systemu VTTES do magazynowania energii bez izolacji. Widoczne króćce przyłączeniowe oraz systemy montażowe (Fot: Toshiharu Kitajima) [26] Rys Wykonanie pokrycia epoksydowego na zewnętrznej stalowej powłoce zbiornika, w celu zabezpieczenia antykorozyjnego. (Fot: Toshiharu Kitajima) [26] 45

47 Tomasz Mania, Joanna Kawa Rys Wykonanie pokrycia epoksydowego na wewnętrznej stalowej powłoce zbiornika, w celu zabezpieczenia antykorozyjnego. (Fot: Toshiharu Kitajima) [26] Rys Wykonanie pokrycia izolacyjnego powłoki zewnętrznej zbiornika stalowego. Izolacja zbiornika jest najistotniejszym elementem pozwalającym optymalnie ograniczyć straty energii przez ściany magazynu. (Fot: Toshiharu Kitajima) [26] 46

48 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Rys W kolejnym etapie zbiornik magazynu energii jest pokrywany płaszczem zewnętrznym z blachy stalowej zabezpieczonej antykorozyjne. Zabezpieczenie stalowym płaszczem zewnętrznym i uszczelnienie króćców zewnętrznych ma zabezpieczyć izolację zbiornika. (Fot: Archi zdjęcie Toshiharu Kitajima) [26] Rys Faza załadunku i transport na plac budowy. (Fot: Toshiharu Kitajima) [26] 47

49 Tomasz Mania, Joanna Kawa Rys Proces montażu pionowego magazynu energii typu VTTES w budynku. Faza montażu pojedynczego elementu w szachcie technicznym. (Fot:Toshiharu Kitajima) [26] Budynek z pionowymi magazynami energii cieplnej - instalacja układu Zbiorniki systemu VTTES są umieszczone w układzie pionowym połączone między sobą odcinkami rur co pozwala równomiernie rozłożyć obciążenie energetycznego w układzie. Etykieta informacyjna układu magazynowania energii w budynku Rys Umiejscowienie zbiornika w szachcie technicznych w centralnych punkcie budynku pozwala zoptymalizować drogi rozdziału ciepła i chłodu. Rozmieszczenie magazynów energii typu VTTES ma również istotny wpływ na pracę całego systemu. (Fot: Toshiharu Kitajima) [26] 48

50 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA Rys Etykieta informacyjna układu magazynowania energii przedstawia schemat połączeń 5 zbiorników o łącznej pojemności 218,1 m3. Pokazowy system do magazynowania energii ma promować tego typu rozwiązania w budownictwie mieszkalnym, biurowym, przemysłowym w Japonii (Fot: Toshiharu Kitajima) [26] Rys Zbiorniki pionowe VTTES zainstalowany w szachcie technicznym budynku (Fot: Toshiharu Kitajima) [26] 49

51 Tomasz Mania, Joanna Kawa Rys Widok z dołu konstrukcja wsporcza systemu zbiorników VTTES. (Fot: Toshiharu Kitajima) [26] 8. System magazynowania energii ciepła z układem pompy ciepła zasilany energią słoneczną - projekt EINSTEIN - Szpital w Ząbkach Projekt EINSTEIN został wygenerowany w celu sprawdzenia możliwości magazynowania energii ciepła w warunkach Polskich. Technologie zaprojektowane i wykorzystywane w projekcie pozwalają magazynować energię cieplną pozyskiwaną ze źródeł odnawialnych i przetwarzać ją z wysoką wydajnością przy pomocy pompy ciepła do celów grzewczych. Sezonowy magazyn ciepła (ang. STTES Seasonal Tank Thermal Energy Storage) został wybudowany w Ząbkach, jako innowacyjne rozwiązanie, zrealizowane w ramach współfinansowanego przez Komisję Europejską projektu EINSTEIN (numer grantu z Siódmego Programu Ramowego Komisji Europejskiej umowa nr ). Medium magazynującym energię ciepła jest woda zgromadzona w zbiorniku stalowym izolowanym o pojemności roboczej 800 m3. Za jej podgrzewanie odpowiedzialna jest instalacja kolektorów słonecznych o łącznej powierzchni roboczej 150 m2 (65 kolektorów płaskich). Tym co odróżnia sezonowy magazyn ciepła w Ząbkach od tego typu magazynów ciepła pilotażowych funkcjonujących w Europie jest jego połączenie ze sprężarkową pompą ciepła (Rys. 8.1). Zastosowanie innowacyjnego rozwiązania w postaci sprężarkowej elektrycznej pompy ciepła jednoczynnikowej umożliwiło podniesienie efektywności energetycznej całego układu. Z uwagi na wykorzystanie odnawialnych źródeł energii (płaskie kolektory słoneczne + pompa ciepła) i zbiornik magazynujący energię STTES system grzewczy w szpitalu charakteryzuje się bardzo niskim nakładem energii pierwotnej do zasilania systemu pompy ciepła i systemu pomp obiegowych systemu solarnego. W długoterminowym sezonowym magazynowaniu ciepła, tkwi duży potencjał energetyczny jaki egzergetyczny pod względem przekształcania wysokotemperaturowej energii na średnio i niskotemperaturową. Wiele istniejących obiektów zabytkowych jak i nie podlega- 50

52 INŻYNIERIA INSTALACJI MAGAZYNOWANIA ENERGII CIEPŁA jących ochronnie konserwatorskiej mogło by uzyskać statut budynków nisko energetycznych (duży stopień redukcja energii pierwotnej do zasilania budynków). W omawianym systemie grzewczym szpitala zastosowano prototypową układ pompy ciepła wyprodukowaną przez polskiego producenta pomp ciepła zgodnie z projektem opracowanym przez University of Ulster. Pompa ciepła o mocy grzewczej Q grzew. = 120 kw (moc chłodnicza Q chł = 90 kw) została złożona z dostępnych na rynku podzespołów. Rys Schemat instalacji pompy ciepła z magazynem energii typu STTES w Ząbkach [27] 51

53 Tomasz Mania, Joanna Kawa Głównym powodem wybranej technologii była konieczność dostosowania parametrów pracy do istniejącej wysokotemperaturowej instalacji odbiorczej w szpitalu, gdyż nie było możliwości jej modernizacji. W instalacji z pompą ciepła nie można było zastosować żadnego ze stosowanych powszechnie czynników chłodniczych, ze względu na stosunkowo wysoką temperaturę dolnego źródła (Magazyn energii typu STTES). Zastosowano czynnik chłodniczy R245fa, którego właściwości powodują, że temperatura wody w zbiorniku musi osiągać co najmniej 35 C. Zgromadzona woda w zbiorniku STTES podgrzewana jest przez instalację kolektorów słonecznych i tłoczona jest ze zbiornika do pompy ciepła, która z dolnego źródła o temperaturze 35-55ºC, przekazuje wodę o temperaturze zasilania C. Taki rozkład temperatur powoduje że pompa ciepła może pracować z sezonowym współczynnikiem efektywności SCOP na poziomie zbliżonym do wartości 5. Oznacza to że dostarczając jedną jednostkę energii elektrycznej do napędu sprężarki otrzymujemy 5 jednostek ciepła do instalacji. Jeśli temperatura zładu wody w STTES przekroczy 55 C, woda kierowana jest bezpośrednio do węzła ciepła w szpitalu w celu bezpośredniego wykorzystania. W zakresie temperatur C pracuje pompa ciepła. Dalsze obniżenie temperatury wody powoduje wyłączenie systemu, wówczas automatycznie załącza się kocioł gazowy. Szacuje się, że STTES w połączeniu z pompą ciepła może pokryć nawet 60% zapotrzebowania obiektu na cele grzewcze. Zastosowane połączenie powoduje, że aż 80% ciepła wyprodukowanego przez pompę ciepła pochodzi z OZE. W skali roku z odnawialnych źródeł energii pochodzi aż 50% ciepła wykorzystywanego w budynku szpitala. Parametry zbiornika STTES wraz z izolacją wynosi 14 m, a wysokość 8 m. Grubość izolacji to około 700 mm płaszcza z wełny mineralnej. Dno zbiornika oddzielone jest od gruntu warstwą szkła piankowego, eliminującego straty ciepła do gruntu. Głównym i jedynym układem pozyskiwania czystej energii jest układ płaskich kolektorów słonecznych o łącznej powierzchni ponad 150 m², energia cieplna pozyskiwana jest z natury, w sposób bezemisyjny. Zbiornik jest w stanie zgromadzić w przeciągu okresu wiosenno-letniego około 167,6 GJ (46 559,28 kwh) energii. Dla porównania czteroosobowe gospodarstwo domowe w Polsce zużywa rocznie od 10 GJ (2778 kwh) do 30 GJ (8334 kwh) energii na cele c.o. i c.w.u. i jest to w dużej mierze uzależnione od wielu czynników technicznych budynków. W sumie system magazynowania energii STTES jest w stanie zgromadzić energię potrzebną do całorocznego zapotrzebowania energetycznego dla 16 lub 6 czteroosobowych gospodarstw domowych. Cała instalacja wyposażona jest w rozbudowany system monitoringu, który pozwoli na pełną i wnikliwą analizę sprawności energetycznej instalacji. 52