- Jak wykorzystać tańszą energię elektryczną?
- Jakie materiały są wykorzystywane do magazynowania energii?
- Jak działa akumulacja ciepła?
- Jak są zbudowane i jak działają piece akumulacyjne?
Jak wykorzystać tańszą energię elektryczną?
Połączony system krajowych linii elektroenergetycznych jest zasilany z różnych elektrowni, a aktualne zapotrzebowanie na energię elektryczną wymaga regulacji wytwarzanej mocy, co nie wpływa korzystnie na efektywność wytwarzania prądu. Przy mniejszym popycie niektóre generatory muszą pracować „na luzie”, co powoduje niepotrzebne zużycie paliwa do napędu turbin.
Dlatego dystrybutorzy i wytwórcy energii elektrycznej wprowadzili niższe taryfy cenowe za energię nocną czy weekendową, co pozwala mniejszym kosztem zgromadzić ją w postaci wytworzonego z prądu ciepła, które wykorzystamy o innej porze dnia. Taryfa nocna najczęściej obejmuje pobór prądu w godzinach 22-6 oraz 13-15, a także całodobowo w soboty, niedziele i święta.
Podstawowym urządzeniem do akumulacji ciepła są piece akumulacyjne, pracujące z rozładowywaniem statycznym lub dynamicznym, a w mniejszym zakresie wodne zbiorniki akumulacyjne wykorzystywane do zasilania instalacji centralnego ogrzewania. Choć w każdym z tych rozwiązań energia elektryczna jest przekształcana w energię cieplną w taki sam sposób - za pomocą grzałek - to ich walory użytkowe są różne.
Piece z rozładowaniem statycznym praktycznie nie pozwalają na regulację przekazywanego ciepła, a jedynym sposobem na dostosowanie mocy grzejnej jest ustalenie stopnia naładowania, co jest bardzo zawodne. Znacznie skuteczniejszą regulację zapewniają piece z rozładowaniem dynamicznym, gdy dzięki nawiewowi powietrza grzejnego można zmieniać moc ogrzewania w szerokich granicach.
Również wykorzystanie zbiorników akumulacyjnych zapewnia komfortową regulację ogrzewania, choć utworzenie takiego systemu będzie uzasadnione, gdy włączamy go do istniejącej już wodnej instalacji centralnego ogrzewania i dysponujemy miejscem do wstawienia bardzo dużego zbiornika.
Jakie materiały są wykorzystywane do magazynowania energii?
Zdolność do magazynowania energii cieplnej w materiale, wykorzystanym jako akumulator ciepła, zależy od jego własności fizycznych oraz możliwej do utrzymania temperatury w stanie nagrzanym. Bazowy parametr decydujący o zdolności przechowywania energii cieplnej to ciepło właściwe wybranego materiału z tym, że ze względów użytkowych istotne jest odniesienie go do masy lub objętości.
W porównaniu do innych materiałów najwyższe masowe ciepło właściwe osiąga zwykła woda - to aż 4,19 kJ/kg K, jednak jest dość „lekka” (ok. 1 kg/dm3), zatem przy zmagazynowaniu odpowiednio dużej ilości ciepła zajmie też znaczną objętość.
Dodatkowo nie można nagrzać jej zbyt mocno - bezciśnieniowo najwyżej do 100°C - a możliwa do uzyskania akumulacja masowa nie będzie większa niż 0,07 kWh/kg i taka sama w odniesieniu do objętości.
W przypadku domowych urządzeń akumulujących energię cieplną powszechnie wykorzystywane są „magazyny” z materiałów ceramicznych i skalnych (szamotu, magnezytu, oliwinu) lub metali (żeliwa). Mimo znacznie niższego ciepła właściwego są znacznie cięższe od wody, a przy tym mogą być nagrzewane do bardzo wysokiej temperatury rzędu 500-550°C. W efekcie umożliwiają uzyskanie wysokiej zdolności akumulującej energię cieplną na poziome 0,13-0,15 kWh/kg masowo i 0,2-0,45 kWh/dm3 objętościowo.
Jak działa akumulacja ciepła?
Proces akumulacji ciepła w urządzeniach wykorzystywanych do ogrzewania pomieszczeń przebiega w trzech etapach - ładowania, przechowania i rozładowania. Ładowanie energii cieplnej to nic innego jak podgrzewanie materiału akumulacyjnego, a przy wykorzystaniu prądu elektrycznego do tego celu służą wbudowane wysokotemperaturowe grzałki z zasilaniem jedno - lub trójfazowym.
Stopień naładowania jest kontrolowany przez wyłącznik termiczny lub w rozbudowanych układach sterowania przez programowalny układ elektroniczny i powinien by dostosowany do przewidywanego zapotrzebowania na ciepło w okresie pomiędzy kolejnymi cyklami ładowania. Oczywiście w trakcie ładowania następuje również ogrzewanie pomieszczeń, zatem moc grzejna urządzenia musi uwzględniać energię potrzebną na zaspokojenie aktualnych potrzeb cieplnych i konieczność jej zmagazynowania.
Przechowywanie energii cieplnej powinno przebiegać z minimalnymi, niekontrolowanymi stratami ciepła, co w praktyce uzależnione jest od efektywności działania izolacji termicznej. Okres magazynowania energii cieplnej w takich urządzeniach zamyka się z reguły w ciągu jednej doby, ale z różnym stopniem naładowania wynikającym z użytecznego wykorzystania ciepła i nieuniknionych strat postojowych. W najprostszych urządzeniach akumulacyjnych ten etap pokrywa się również z cyklem rozładowania, przy czym ze względu na najwyższą temperaturę wsadu na początku tego cyklu uzyskuje się najwyższą moc przekazywanej energii.
Rozładowanie energii cieplnej to etap przekazywania ciepła, który może przebiegać samorzutnie ze zmniejszającą się temperaturą i mocą grzejną w miarę rozładowywania się energii cieplnej lub w sposób regulowany, dostosowany do aktualnych potrzeb cieplnych. Po zakończeniu tego cyklu w urządzeniu powinna pozostawać jeszcze użytkowa energia szczątkowa, co zapewni płynność przekazywania energii po rozpoczęciu kolejnego cyklu ładowania. W skrajnie niekorzystnych warunkach (np. przy bardzo niskiej temperaturze zewnętrznej) może zaistnieć potrzeba krótkotrwałego dogrzania pomieszczenia z innych źródeł, gdy pod koniec cyklu rozładowania zgromadzona energia nie wystarczy do utrzymania pożądanej temperatury.
Budowa i działanie pieców akumulacyjnych
Piece akumulacyjne, które mogą pracować w trybie rozładowania statycznego, to w praktyce zamknięty w obudowie wkład akumulacyjny z kształtowych cegieł szamotowych i umieszczonej w nich grzałki. Emisja ciepła następuje przez promieniowanie z powierzchni obudowy, a moc grzejna zależy od aktualnej temperatury powierzchni i jest praktycznie nieregulowana. Ten typ pieca nadaje się raczej do pomieszczeń podrzędnych, gdzie nie jest wymagany komfort temperaturowy, np. w garażu czy pomieszczeniu gospodarczym.
Znacznie lepsze warunki przebywania w pomieszczeniu zapewni użytkowanie pieca z rozładowaniem dynamicznym, który umożliwia nie tylko skuteczną regulację mocy grzejnej, ale również zaprogramowanie stopnia naładowania.
Choć rdzeń akumulacyjny składa się z podobnych elementów, jak w piecu statycznym, to dodatkowe elementy decydują o efektywności jego pracy. Przekazywanie ciepła do pomieszczenia odbywa się bowiem w postaci nadmuchu ciepłego powietrza, przy czym regulacja mocy odbywa się na dwóch poziomach - poprzez dostosowanie prędkości obrotowej wentylatora oraz stopnia uchylenia przysłony w kanale opływającym rdzeń akumulacyjny.
Dzięki temu następuje zmieszanie strumieni powietrza i uzyskanie bezpiecznej temperatury nawiewu - rdzeń nagrzewa się bowiem do temperatury ponad 400°C. Oprócz sterowanego nawiewu piec emituje ciepło w formie promieniowania, ale w ten sposób przekazywane jest tylko ok. 10% zgromadzonej energii.
Ze względu na godziny obowiązywania taryfy nocnej o łącznej długości 10 godzin, czas ten powinien wystarczyć na naładowanie pieca do odpowiedniego poziomu, zatem moc grzałki powinna być ok. dwukrotnie większa niż nominalne zapotrzebowanie cieplne pomieszczenia. W praktyce nie zawsze będzie to konieczne, jeśli zapewnimy możliwość awaryjnego dogrzewania, np. termowentylatorem lub dodatkową, wbudowaną w piecu grzałką o działaniu bezpośrednim.
Pod względem energetycznym dostępne są piece w szerokim zakresie mocy przyłączeniowej od 2-6 kW, zatem jeden piec powinien wystarczyć do ogrzania nawet bardzo dużego pomieszczenia o przeciętnym zapotrzebowaniu energetycznym. Oprócz standardowych pieców stojących są dostępne też modele przystosowane do zawieszenia na ścianie, a także przeznaczone do wstawienia pod niskimi parapetami podokiennymi.
Ze względu na znaczny ciężar takiego pieca z wkładem magnezytowym - od 100 do 400 kg (zależnie od mocy), trzeba sprawdzić nośność podłoża, np. na stropie pod adaptowanym poddaszem. Podstawową regulację pieca zapewnia termostat sterujący ciepłem i intensywnością nawiewu, co pozwala na utrzymywanie zadanej temperatury w pomieszczeniu. Może również zawierać programator zmieniający nastawienie w ciągu dnia czy tygodnia, a dodatkowy czujnik temperatury zewnętrznej umożliwia regulację stopnia naładowania w zależności od przewidywanego zapotrzebowania na ciepło.
Autor: Redakcja BudujemyDom
Opracowanie: Martyna Nowak-Ciupa
Zdjęcie otwierające: Brunner
Dodaj komentarz