Sezónna akumulácia tepla znižuje spotrebu energie

Pod pojmom sezónna akumulácia tepla si môžeme predstaviť sezónne uskladnenie tepelnej energie zo solárnych kolektorov v období s vyššou intenzitou slnečného žiarenia (letné obdobie) a minimálnou potrebou tepelnej energie na obdobie s vyššími nárokmi na tepelnú energiu počas obdobia s nízkou intenzitou slnečného žiarenia (zimné obdobie).

 Energetická bezpečnosť krajín sa zakladá na energetickej a ekonomickej situácii medzi jednotlivými krajinami, ale najdôležitejšou úlohou je zabezpečenie takých základných úloh, ako sú územná celistvosť, suverenita štátu, bezpečnosť obyvateľstva v každej situácii a podpora vedy a výskumu.

V 70. a 80. rokov 20. storočia sa svet dlho otriasal vo svetových energetických krízach, ktoré vznikli v dôsledku prudkého nárastu cien ropy a iných energetických surovín na svetových trhoch, čo prinieslo aj nárast cien za energiu. Vďaka týmto udalostiam sa hľadanie nových energetických možností a zaistenie energetickej bezpečnosti stalo prioritou mnohých štátov. Preto a takisto v dôsledku globalizácie a zvyšujúcich sa nárokov ľudstva na potrebu energie, sa začali hľadať nové technológie šetriace surovinové zdroje a energiu a vznikali nové úvahy o alternatívnych energetických zdrojoch prírodného charakteru, tzv. obnoviteľných zdrojov energie.

Za jeden z možných zdrojov energie sa pokladá slnečná energia, ktorej zdroj, slnko, má najväčší energetický potenciál spomedzi všetkých obnoviteľných zdrojov energie. Na zem vyžaruje za hodinu viac energie, než je jej celoročná spotreba, a pri dnešnej intenzite žiarenia tento proces potrvá ešte vyše 4 miliardy rokov. Preto ho právom považujú za nevyčerpateľný zdroj najčistejšej energie. Napriek tomu podiel solárnej energie v štruktúre celkovej spotreby je v súčasnosti veľmi malý. Hlavnou príčinou je, že rozdiel medzi obdobím s najväčšou dostupnosťou a obdobím s najväčšou potrebou je približne 6 mesiacov. Tento nedostatok sa dá odstrániť len sezónnou akumuláciou tepla.
 
Sezónna akumulácia tepla
Slnečná energia je základom takmer všetkých prírodných procesov vrátane ľudského života. Intenzívnejšie využívanie slnečnej energie je nevyhnutnou podmienkou zabezpečenia trvalo udržateľného zásobovania energiou, teda chrániť našu planétu a zdravie budúcich generácií.

V 80. rokoch minulého storočia sa začalo v severských krajín s výskumom využívania slnečnej energie počas celého roka. Najčastejším spôsobom využitia tepla z fototermálnej premeny v solárnych kolektoroch predstavuje príprava teplej vody. Najväčším spotrebiteľom tepelnej energie v našich klimatických podmienkach však predstavujú budovy, ktoré treba počas zimného obdobia vykurovať a v letnom období chladiť. V dôsledku tejto potreby sa z energetického hľadiska začalo uvažovať o využití slnečnej energie na zásobovanie budov teplom aj v zimnom období, keď potreba tepla je najväčšia, ale na strane druhej je intenzita slnečného žiarenia najnižšia, z hľadiska krytia tepelných strát budov takmer bezcenná. Riešenie na aspoň čiastočné odstránenie tohto problému našli prvýkrát v severských krajinách aplikáciou princípu sezónnej akumulácie tepla.

Samotné systémy so sezónnou akumuláciou tepla sa zakladajú na použití solárnych kolektorov s plochou niekoľko 100  až niekoľko 1 000 m² a veľkokapacitnej akumulačnej ná­drže (sezónneho zásobníka) s objemom niekoľko 100 až niekoľko 1 000 m³ akumulačnej látky. Množstvo zachytených solárnych ziskov závisí od mnohých faktorov, ako sú účinnosť solárnych kolektorov, spôsob obehu média, a najmä kvalitne navrhnuté a zrealizované tepelné zásobníky.

Pri procese sezónnej akumulácie tepla v letnom období, v období s maximálnym slnečným ziskom, sa sezónne zásobníky takzvane nabíjajú. Takto naakumulované teplo sa počas roka použije na prípravu teplej vody a v zimnom období na podporu vykurovania. V dôsledku spotreby tepla sa sezónny zásobník takzvane vybíja. Predpokladaný čas vybitia zásobníka je tri až štyri mesiace.
 
Sezónne zásobníky tepla
Úlohou zásobníkov tepla je akumulácia tepla, vyrovnávanie teplotných rozdielov a dosiahnutie čo najefektívnejšieho využitia zachytenej energie. Samotné rozhodnutie o tom, aký typ zásobníka zvoliť, v značnej miere závisí od miestnych podmienok, objemu zásobníka, ako aj od geologických a hydrogeologických podmienok v podloží danej lokality.

Pri vývoji novej generácie solárnych systémov so sezónnou akumuláciou tepla počítame s preferovaním teplovodných zásobníkov, lebo majú najväčšiu akumulačnú kapacitu. Pri akumulácii tepla v teplovodných zásobníkoch sa akumuluje citeľné teplo, ktorá je najvyužívanejším spôsobom akumulácie tepla. Najdôležitejšou vlastnosťou pracovnej látky je tepelná kapacita, ktorej hodnota by mala byť čo najväčšia a súčasne by náklady na pracovnú látku mali byť čo najnižšie. Najvhodnejším materiálom je voda, ktorej tepelná kapacita predstavuje hodnotu 4,187 kJ/(kg . K). Inými pracovnými látkami môžu byť kamenivo a iné pevné látky, ktoré však majú omnoho nižšiu tepelnú kapacitu. Výhodou týchto teplovodných zásobníkov je nízka cena, nevýhodou je veľký objem akumulátora a jeho pomerne rýchle vybíjanie.

Akumulácia môže prebiehať aj ako akumulácia latentného tepla, kde sa využíva fázová premena látok, pri ktorej sa menia niektoré vlastnosti. Najvhodnejšia je fázová premena medzi kvapalinou a pevnou látkou. Výhodou je konštantná teplota a menší objem, nevýhodou je vysoká cena pracovnej látky.

Najvhodnejším riešením pri výbere zásobníka tepla je použitie stratifikačného zásobníka, ktorý pracuje na podobnom princípe ako verejnosti dobre známe krátkodobé zásobníky tepla (bojlery). Tieto zásobníky využívajú princíp teplotnej stratifikácie, t. j. teplotného vrstvenia vody v zásobníku tepla, ktorá vzniká vplyvom rôznych hustôt rôznych teplôt vody (obr. 1 a 2). Maximálna teplota vody v zásobníku je 90 °C. Táto teplota sa však vplyvom neustáleho odoberania tepelnej energie mení, v dôsledku čoho sa zásobník postupne vybíja.

Obr. 1  Závislosť hustoty vody od teploty

Obr. 2  Teplotná stratifikácia vody v teplovodnom zásobníku

Za najdôležitejšiu vlastnosť sezónneho zásobníka sa považuje schopnosť udržať teplo čo najdlhšie a s čo najnižšími tepelnými stratami do okolia. Postupom času sa vyvinuli rôzne nové technológie a materiály používané na výstavbu sezónnych zásobníkov (tab.).

Sezónna akumulácia tepla a vykurovanie
Najväčší pokrok vo vykurovaní pomocou solárnej energie dosiahli v severných krajinách, kde sa na jednej strane obdobie zimy vyznačuje krátkym časom slnečného žiarenia, pričom slnko je veľmi nízko, a na druhej strane studenými klimatickými podmienkami a vysokou potrebou tepla. V týchto regiónoch sa na vykurovanie budov vynakladá značne vysoký podiel spotreby energie. V niektorých krajinách predstavuje tento podiel až 50 percent z celkovej spotreby energie. Vzhľadom na vysokú potrebu energie na vykurovanie a nízku intenzitu slnečného žiarenia sa solárne systémy s podporou vykurovania budov dostávajú do istých principiálnych ťažkostí. Práve tieto problémy však môžu pomôcť vyriešiť sezónne zásobníky tepla (dlhodobé zásobníky tepla).

Systémy s diaľkovým vykurovaním s využi­tím solárneho systému sa v zahraničí využívajú pri podpore vykurovania objektov s najmenej 100 bytovými jednotkami. V pilotných projektoch v Nemecku dosahuje podiel solárnej energie až 40 až 60 percent z celkovej potreby tepla na vykurovanie a prípravu teplej vody.
 
Záver
Jedným z cieľov výstavby sezónnych zásobníkov tepla je myšlienka trvalej udržateľnosti, ktorou by sa v značnej miere prispelo k zníženiu spotreby fosílnych palív. Nevýhodou systémov so sezónnou akumuláciou tepla sú však vysoké investičné náklady, ktoré zahŕňajú náklady na výstavbu zásobníka a kúpu solárnych kolektorov.

Potrebné sú však aj finančné prostriedky na samotný výskum v podloží, určenie hladiny a smeru prúdenia spodných vôd. Vzhľadom na vysoké náklady je momentálne téma sezónnej akumulácie na Slovensku nepravdepodobná.
 
TEXT: Ing. Emese Šiváková, doc. Ing. Ladislav Böszörményi, PhD.
FOTO: TUKE, Energetické centrum Bratislava

Ing. Emese Šiváková a doc. Ing. Ladislav Böszörményi, PhD., pôsobia v Ústave pozemného staviteľstva Stavebnej fakulty Technickej univerzite v Košiciach.
 
Tento príspevok vznikol vďaka podpore v rámci operačného programu Výskum a vývoj pre projekt Centrum výskumu účinnosti integrácie kombinovaných systémov obnoviteľných zdrojov energie,  kód ITMS: 26220220064, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Literatúra
1    Böszörményi, L. – Böszörményi, L.: Význam obnoviteľných zdrojov energie v zásobovaní budov teplom. www.tzbportal.sk, 2011.
2    Šiváková, E.: Integrácia tepelného čerpadla do solárnej sústavy so sezónnou akumuláciou tepla. Práca na vykonanie dizertačnej skúšky. Košice: TU, 2011.
3    Schmidt, T. – Mangold, D. – Müller-Steinhagen, H.: Seasonal thermal energy storage in Germany. Göteborg, 2003.
4    Vancák, I. – Tauš, P.: Sezónne uskladnenie solárneho tepla pre vzduchové vykurovacie systémy. In: Techcon, č. 8, 2004.
5    Schmidt, T. – Benner, M., Heideman, W. – Müller-
-Steinhagen, H.: Saisonale Wärmespeicher – aktuelle Speichertechnologien und Entwicklungen bei Heißwasser-Wärmespeichern). www.itw-uni-stuttgart.de.
6    Mangold, D. – Riegger, M. – Schmidt, T.: Solare Nahwärme und Langzeit-Wärmespeicher. München, 2007.
7    Šiváková, E.: Matematický opis teplotnej stratifikácie vody v zásobníku tepla. Košice: TU, 2012.
8    Šiváková, E.: Akumulácia tepla do podzemných zásobníkov. In: Poruchy a obnova obalových konštrukcií budov. Konferencia, Vysoké Tatry, Podbanské, 2012.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.