Možnost akumulace energie ve formě tepla a chladu do akumulačních panelů

Příspěvek popisuje využití akumulace energie ve formě tepla a chladu pomocí specifického zařízení termálního panelu složeného z PCM (phase-change materiál). Akumulace tepla je možná s využitím termálního panelu napojeného na solární tepelné kolektory, které slouží k ohřevu vody v trubkovém výměníku uloženém uvnitř termálního panelu. Jako zdroj energie pro ohřev vody bylo využito solárních kolektorů a také tepelného čerpadla.

Jednou z nevýhod moderních lehkých konstrukcí je nedostatek tepelné hmoty, což může v létě vést k přehřívání, či problémům s udržením tepla v zimě. Tento problém je možné řešit využitím akumulace tepla, kterou lze definovat jako dočasné uložení tepelné energie. Zjednodušeně jde o nahromadění tepla v určitém tělese, konkrétně ve stavební konstrukci, kde při poklesu teploty v okolním prostoru dochází k předávání tepla do místnosti. Při plánování budov lze minimalizovat použití chladicích zařízení, nebo dokonce se jim vyhnout úplně, a to především díky dobrým akumulačním vlastnostem konstrukčních materiálů.

Teplo lze akumulovat prostřednictvím citelného tepla, kde je důležitým parametrem měrná tepelná kapacita. Dále lze teplo akumulovat prostřednictvím latentního tepla, zde závislost souvisí s množstvím tepla skupenské přeměny daného materiálu. Specifickou metodou jsou PCM materiály, které kombinují jak teplo citelné, tak teplo latentní.
Stěžejním parametrem akumulace citelného tepla je měrná tepelná kapacita, která předurčuje možné množství tepelné energie, které je materiál schopen pojmout v závislosti na změně teploty akumulačního média. Výhodou tohoto procesu je schopnost téměř úplné návratnosti během procesu vybíjení a nabíjení, a tedy i s neomezenou životností těchto cyklů.

    (1)
V případě akumulace latentního tepla dochází ke stavu, kdy latentní teplo je právě to, které se spotřebovává nebo uvolňuje během změny skupenství daného materiálu. Tato změna probíhá za téměř konstantní teploty a právě během ní dochází k možnosti materiálu akumulovat velké množství energie, avšak může docházet k nepatrné objemové změně. Výsledné množství akumulované energie je dáno změnou entalpie. Určuje se tedy z hodnoty entalpie během procesu tání, v pevném stavu a v kapalném stavu.

     (2)
Obr. 1 znázorňuje princip akumulace energie ve formě tepla a chladu u PCM materiálů.

V podstatě lze všechny materiály chápat jako PCM. Nicméně, požadované charakteristiky pro efektivní a předvídatelné ukládání tepelné energie vylučuje velké množství materiálů. Vhodnými PCM materiály pro oblast domácností jsou parafiny, příp. hydráty solí. PCM materiály, založené na bázi parafínového vosku se směsí polymeru ethylenu, využívají molekulární zapouzdření, jež je dáno vysokou koncentrací polymerní sloučeniny materiálu.

Molekuly jsou navrženy tak, že spojení jednotlivých molekul vosku vytváří homogenní směs. Takto vytvořená struktura představuje vysoce odolný materiál v širokém provozním teplotním rozsahu 0 až 40 °C, a to s možností materiál řezat či vrtat bez jakéhokoliv úniku materiálu během změny skupenství. [2]

Dnešní klasické chladicí systémy se používají k chlazení místností, aby zajistily, že pokoje se ochladí na příjemnou teplotu ve všech klimatických podmínkách okolního prostředí. Tyto systémy jsou účinné, nicméně mohou mít i vyšší energetickou účinnost v případě, kdy využijí přirozených teplotních rozdílů mezi dnem a nocí pro účely chlazení. Zde se uplatňují PCM materiály, jež slouží k omezení nadměrných výchylek teploty pomocí ukládání přebytečného tepla během dne a jeho uvolněním v noci.

PCM materiály mohou být použity s využitím přirozeného zdroje tepla a chladu, například solární energie pro vytápění v průběhu večera nebo noci, příp. použití nočního chladu pro chlazení během dne. Dále lze PCM použít s umělými zdroji tepla nebo chladu. Kromě toho jsou i různé možnosti použití PCM.

V budovách mohou být umístěny ve stavebních prvcích, jako jsou stěny nebo stropy, nebo mohou být uspořádány do samostatných zásobníků tepla nebo chladu. V budovách jsou PCM materiály nejčastěji využívány jako pasivní systémy. V chladírenských nebo tepelných úložištích slouží jako systémy aktivní, kde je teplo získáno z externích zdrojů tepla, je ukládáno mimo budovu a jeho dodání je na vyžádání. Zajímavou možností je zkoumaná a měřená technologie založená na aktivním systému v kombinaci s obnovitelnými zdroji energie. [3]

Technologie

Technologie aktivního systému pro ohřev a chlazení s akumulací tepla nebo chladu, na níž jsou prováděna měření, je umístěna v laboratoři na Fakultě aplikované informatiky Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně. Základem aktivního systému jsou dva akumulační panely o rozměrech 1,25 x 0,083 x 2,07 m, které jsou složeny ze 6 vrstev termálních panelů DuPont Energain.

Mezi druhou a třetí vrstvou těchto panelů se nachází tepelný výměník napojený na zásobníky teplé a studené vody, příp. na okruh termoelektrických článků. Systém je v daném složení možno využívat jak pro ohřev, tak i pro chlazení PCM panelů. Mezi vrstvami akumulačního panelu jsou dále umístěny tři elektrické topné fólie.

Hmotu termálních panelů tvoří směs polymeru ethylenu a organického PCM parafínového vosku. Při teplotě pod 18 °C zůstává parafín v pevném skupenství. Jakmile teplota panelu vzroste, začne se parafín zkapalňovat a absorbovat teplo až do 515 kJ•m^-2 při 18 až 24 °C. Průměrný bod tání je 22 °C, což odpovídá standardním teplotním podmínkám v domácnosti. Tepelná kapacita akumulační hmoty je udávána výrobcem na 70 kJ•kg^-1 a více. [4]

Na obr. 2 je znázorněno schéma hydraulického zapojení celého systému, který využívá různé zdroje tepla, včetně využití obnovitelných zdrojů energie. Systém je primárně napájen
z distribuční sítě 230 VAC a současně jej lze napájet také z fotovoltaických panelů, které získanou elektrickou energii pomocí měniče dodávají do elektrické sítě.

Pro daný systém je využito 11,25 m² polykrystalických fotovoltaických panelů, přičemž účinnost fotovoltaického celku byla v dřívějších měřeních stanovena na 11 až 13 %. Technologie je dále vybavena termoelektrickými články, které mohou být také napájeny fotovoltaickými panely, příp. elektrickou energií z distribuční sítě. Ohřev zásobníku teplé vody je možné provádět pomocí solárních kolektorů, příp. pomocí tepelného čerpadla vzduch/voda. Dané tepelné čerpadlo je také využíváno pro vychlazování zásobníku se studenou vodou. [6]

Provoz technologie

Technologie systému pro akumulaci tepla nebo chladu lze provozovat v několika režimech, podle aktuálních požadavků. Systém lze z nejširšího hlediska provozovat jako standardní pasivní systém, který akumuluje teplo nebo chlad, což zmenšuje teplotní špičky a udržuje tak stabilnější průběh teplot v kontrolované místnosti během dne a noci.

Při provozu v aktivním režimu je možné teplotní parametry místnosti v omezených rozmezích ovlivnit, pomocí akumulace tepla či chladu dodaného z externích zdrojů, příp. odvedení akumulované energie. V následujících bodech textu jsou popsány základní režimy aktivního provozu.

Ohřev termálních panelů pomocí topných fólií
Elektrické topné fólie jsou instalovány mezi jednotlivé vrstvy panelu a jsou rozděleny do tří sekcí, kde každá disponuje výkonem 600 W. Spínání jednotlivých sekcí je závislé na teplotě panelu, příp. i na výkonu fotovoltaických článků. [5]

Ohřev termálních panelů ze zásobníku teplé vody
Složený termální panel je opatřen trubkovým výměníkem pro předávání tepla z hydraulické části technologie, kde je jako teplonosná látka využita voda. Teplá voda v zásobníku může být ohřívána jakoukoli jinou instalovanou technologií, která je k dispozici. Pro danou instalaci je možné použít tepelné čerpadlo, solární kolektory i elektrokotel.

Chlazení termálních panelů ze zásobníku studené vody
Podobně jako u zásobníku s teplou vodou je technologie opatřena zásobníkem se studenou vodou. Vodu v zásobníku lze chladit pomocí chladicího režimu tepelného čerpadla.

Chlazení termálních panelů pomocí termoelektrických článků
Peltierovy články jsou použity pro režim chlazení, přičemž jsou schopny dosáhnout nízkých teplot, avšak je nutné zajistit chlazení druhé strany těchto článků, jelikož produkují velké množství odpadního tepla. Pro instalovaný systém je využit hydraulický okruh pro odvod chladu z článků do termálních panelů a okruh pro odvod odpadního tepla z peltierových článků. Teplotu termálních panelů lze regulovat pomocí počtu zapnutých termoelektrických článků. Počet zapnutých článků je rovněž závislý na množství dodávané energie
z fotovoltaických panelů. [5]

Odebírání tepla, příp. chladu z termálních panelů
Systém lze také používat bez aktivního chlazení či ohřevu, příp. lze akumulovanou energii v panelech odevzdat do zásobníku s teplou, příp. studenou vodou.

Měření

Cílem měření bylo zjistit průběh teplot v režimu ohřevu i chlazení. Měřeny byly různé parametry v rámci celé technologie, nejdůležitější bylo měření teplot uvnitř panelů, teplo jejich povrchů, průtok teplonosného média a jeho teploty na vstupu a výstupu z výměníku uvnitř panelů. Dále byla měřena teplota ve sledované místnosti a teplota vnějšího prostředí pomocí vlastní meteorologické stanice umístěné na střeše budovy fakulty.

Povrch jednoho panelu je natřen matnou černou barvou, která zvyšuje emisivitu povrchu, a tím také součinitel přestupu tepla. V předchozím výzkumu byl průměrný součinitel přestupu tepla pro neupravený povrch stanoven na hodnotu 4,1 Wm^-2K^-1 a na hodnotu 8,29 Wm^-2K^-1 pro panel s povrchovou úpravou. Dalším důležitým parametrem je také časová konstanta, jež činí 6,8 hodin pro neupravený povrch a 5,5 hodiny pro povrch upravený. Jeden samostatný PCM panel DuPont Energain má časovou konstantu rovnu 75 minutám. [7]

Z měřených parametrů technologie, které zahrnují průtoky a vstupní a výstupní teploty teplonosného média, bylo možné zjistit množství tepla, příp. výkon, který byl předáván nebo odebírán akumulačním panelům pomocí tepelného výměníku. Teplo a aktuální předávaný výkon lze stanovit pomocí rovnice (1) a rovnice následující.

     (4)

Výsledky měření

Měření ohřevu PCM materiálů bylo již mnohokrát zkoumáno, dalším specifickým využitím je použití akumulačních materiálů formou chladicího prvku. Důležitým parametrem samotné akumulace materiálu je měrná tepelná kapacita. V oblasti nízkých teplot 10 až 21 °C dosahuje u tohoto PCM materiálu hodnoty kolem 6800 J.kg^-1.K^-1. U chladicích zařízení je hlavním omezujícím faktorem riziko kondenzace vodní páry. Je tak nutné zajistit teplotu přívodní vody do chladicího zařízení takovou, aby teploty povrchu byly minimálně o 1 K vyšší, než je teplota rosného bodu proudícího vzduchu v místnosti.

V následujícím obrázku 4 jsou zobrazeny výsledky měření samostatného PCM materiálu, který byl vychlazen v šokové komoře na teplotu 9 °C a následně byl umístěn do místnosti s teplotou vzduchu 23,5 °C. Jednalo se o zkušební vzorek materiálu o rozměrech 0,5 x 0,5 m tloušťky 5 mm. Z grafu je patrné chování tohoto materiálu, a to především z hlediska doby, za kterou materiál dosáhl teploty okolí. Tento materiál tak představuje atypickou možnost využití v chladicích zařízeních s teplotním rozsahem pod oblastí změny skupenství, a to především díky svým dobrým parametrům.

Na instalované technologii byla provedena tři různá měření. První měření představovalo použití technologie v aktivním režimu ohřevu (Obr. 5). Následující měření znázorňovalo standardní pasivní režim provozu (Obr. 6). Poslední měření se zaměřilo na aktivní režim chlazení (Obr. 7). Pro přípravu teplé a studené vody v zásobnících bylo využito solárních kolektorů a tepelného čerpadla.

Režim aktivního ohřevu (Obr. 5), zobrazuje průběh ohřevu akumulačních panelů, přičemž je možné pozorovat nejdříve pomalejší růst povrchové teploty, později také rychlý nárůst teploty. Tento jev nastal ve chvíli, kdy se už přestává akumulovat latentní teplo, ale materiál absorbuje pouze teplo citelné. Akumulační panely byly schopny navýšit teplotu vzduchu v místnosti a udržovat ji i během následné chladnější noci. Energie dodaná do panelů byla 1,9 kWh. V pasivním režimu, kdy nejsou v provozu jiné aktivní části systému, byly akumulační panely schopny udržovat stabilní průběh teploty vzduchu v místnosti (Obr. 6).

U aktivního režimu chlazení, viz Obr. 7, je možné sledovat průběh teplot akumulačních panelů a teploty vzduchu v místnosti. Je možné vidět, že vliv úpravy povrchu panelů je znatelný. Změna povrchové teploty neupraveného panelu z 21,2 °C na 17,7 °C a změna pro upravený povrch z 22,4 °C na 19,8 °C trvala téměř shodně cca 9 hodin. Při tomto chlazení byla z akumulačních panelů odebrána celková energie o hodnotě 3,7 kWh. Odebírání tepelné energie z místnosti, tj. zpětný ohřev akumulačních panelů, trvalo cca 24 hodin.

Závěr

Článek se zabýval možností využití PCM akumulačních materiálů v aktivním režimu provozu s možností využití různých zdrojů energie ve formě tepla nebo chladu. Pasivní systémy jsou použitelné především k eliminaci teplotních špiček. Instalovaná technologie umožňuje, na rozdíl od pasivních systémů, také omezené změny tepelných parametrů prostředí sledované místnosti. Problematickým faktorem akumulačních panelů je zejména nízký energetický tok, což vychází z nízkého součinitele prostupu tepla. Nicméně i tak je možné daný aktivní systém využívat pro dosažení lepších hodnot tepelné pohody v místnosti. V dalších fázích výzkumu je možné zvýšit prostup energie pomocí nucené konvekce.

Příspěvek odzněl v rámci Konference Alternativní zdroje energie 2016 v Kroměříži.

Literatura
[1]    SUTTERLIN, William. A brief comparison of ice packs, salts, paraffins and vegetable-derived phase change materials. In: PureTemp [online]. Plymount: PureTemp, 2014 [cit. 2016-04-13]. Dostupné z: http://www.puretemp.com/stories/a-brief-comparison-of-ice-packs-salts-paraffins-and-vegetable-derived-phase-change-materials
[2]    SÁNCHEZ, Luz, Paula SÁNCHEZ, Antonio DE LUCAS, Manuel CARMONA a Juan F. RODRÍGUEZ. Microencapsulation of PCMs with a polystyrene shell. Colloid and Polymer Science [online]. 2007, 285(12), 1377-1385 [cit. 2016-05-13]. DOI: 10.1007/s00396-007-1696-7. ISSN 0303-402x. Dostupné z: http://link.springer.com/10.1007/s00396-007-1696-7
[3]    PASUPATHY, A., R. VELRAJ a R. V. SEENIRAJ. Phase change material-based building architecture for thermal management in residential and commercial establishments. Renewable and Sustainable Energy Reviews [online]. 2008, 12(1), 39-64 [cit. 2016-04-16]. DOI: 10.1016/j.rser.2006.05.010. ISSN 13640321. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1364032106000724
[4]    Energain® PCM Tepelně akumulační materiál. In: DuPontTM Energain® – A thermal mass solution that’s ready to make its mark [online]. 2007 [cit. 2016-04-25]. Dostupné z: http://www2.dupont.com/Energain/en_GB/index.html
[5]    HABROVANSKÝ, Tomáš. Řízení a monitorování vytápěcího a chladicího zařízení v laboratoři řídicích systému budov. Zlín, 2008. Dostupné také z: http://dspace.k.utb.cz/handle/10563/ 6910. Diplomová práce. FAI UTB ve Zlíně.
[6]    CHROBÁK, Pavel, Stanislav SEHNÁLEK a Martin ZÁLEŠÁK. Verification options of the effectiveness for photovoltaic panels. In: Electrorevue [online]. Brno: International Society for Science and Engineering, o.s., 2014, s. 7 [cit. 2016-04-10]. ISSN 1213-1539. Dostupné z: http://elektrorevue.cz/cz/clanky/energetika–vykonova-elektronika–elektrotechnologie/0/moznosti-overeni-ucinnosti-fotovoltaickych-panelu–verification-options-of-the-effectiveness-for-photovoltaic-panels-/
[7]    KOLÁČEK, Martin a Martin ZÁLEŠÁK. The parameters of the Thermal panel based on a Phase Change Materials. In: International Journal of Materials. International Journal of Materials. Volume 3, 2016. Pp: 7-12. ISSN 2313-0555

TEXT: Jan Skovajsa, Martin Koláček, Martin Zálešák
OBRÁZKY: Autoři
Autoři pracují v Ústavu automatizace a řídicí techniky, Fakulta aplikované informatiky, UTB ve Zlíně.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 04/2016.