Съхранение на топлинна енергия в сгради

Значителна част от използваната енергия е предназначена за отопление и охлаждане на сградите. Стремежът към намаляване на енергийните разходи е приоритет. При по-малка нужда от енергия ще намалеят и вредните емисии. Така възниква идеята за съхранение на топлинната енергия, като целта е да се запазят топлината или студа от момента, в който са налични, за момента, в който ще са необходими.

Ако можем да складираме топлинна енергия, ще можем да редуцираме разхода на конвенционална електроенергия и да увеличим употребата на енергия от възобновяеми източници, да отместваме нуждата от енергия за отопление или охлаждане от пиковите часове към по-ненатоварените часове на нощта, да спомагаме за повишаване ефикасността на системите за отопление и охлаждане. Идеята за съхранение на топлинна енергия съществува отдавна. Първоначално използваните начини са били предназначени за временно решение, докато понастоящем се търсят технологии за постигане на траен климатизационен ефект и топлинен комфорт.

Съхранението на топлинна енергия става основно по две направления - пасивно и активно. При пасивното съхранение водеща е разликата между температурата на склада и температурата около него. Най-просто е да се осигури пасивното съхранение на топлинна енергия, като се използва термичната маса на сградата. При активното съхранение се използва помощта на помпи и вентилатори, и то се развива в три направления – в системата ОВиК (отопление, вентилация, климатизация), в самата сградна структура и в непосредствена близост със сградата (например използването на термосондажи).

Необходимо е обаче да се търсят нови начини за справяне с енергийното разхищение. Оказва се, че има разработени различни технологии за складиране на топлинна енергия, както и проучвания за съвместната работа на сградите и съхраняването на енергия за определен период.

Акумулатор за топлинна енергия
Най-разпространеният начин за активно съхранение на топлинна енергия в ОВиК-системата е използването на резервоари за топла вода. Затоплянето на водата може да стане със слънчева енергия, с газов бойлер, с електричество. Основната причина за масовото прилагане на този метод е голямата нужда от топла вода за битови нужди. Ако водата се топли в момента, в който има нужда от нея, това би довело до по-високи разходи за електроенергия и, което е по-лошо, до увеличаване вероятността от претоварване на електрическата мрежа в пиковите часове.

Много разпространен е и методът за складиране на топлинна енергия за директно използване в системите за сградна вентилация и климатизация. Макар че има примери за отопление на сградни обеми, основното използване е за охлаждане - складираната термична енергия е просто батерия (акумулатор) за сградната климатизация. Най-лесно ще си представим как работи една такава система, ако я разглеждаме като АТЕ (акумулатор за топлинна енергия). Използва се стандартно охлаждащо оборудване, допълнено от един контейнер за съхраняване на енергията, който позволява цялостно или частично отместване на сградните нужди от енергия за охлаждане към ненатоварените часове през нощта. През тези извън-пикови часове се произвежда лед, който се съхранява в контейнер – ледена банка. На следващия ден складираният лед се използва за охлаждане на обитателите на сградата. Естествено, използваното през нощта електричество за производството на лед е много по-евтино от дневното.

При системата за охлаждане можем да обособим четири етапа. Първи етап – с чилър, в ненатоварените нощни часове, се охлажда вода, която съдържа 25% етилен гликол или пропилен гликол. Този разтвор циркулира в топлообменника и контейнера – ледена банка, като замразява 95% от водата, която обхваща топлообменните тръби в контейнера. Тази вода не напуска контейнера.

По време на втория етап, ледът се образува равномерно, вътре в контейнера, чрез системата топлообменни тръби. За да не се повреди съоръжението, водата се замразява до такава степен, че да може бавно да се движи. За пълното зареждане на акумулатора-ледена банка, са необходими от 6 до 12часа. При третия етап, в пиковите часове през деня гликоловият разтвор циркулира през ледената банка и пренася съхранената енергия към сградата, за да подпомогне охлаждането, осъществявано от електрическия чилър. Студеният гликол се доставя с подходяща температура до топлообменника. На четвъртия етап вентилаторът обдухва студените тръби и приятна хладина достига до обитателите на помещенията. Хората се чувстват добре и комфортно, без да подозират, че ледената банка им е спестила част от разходите за охлаждане.

Изключително обещаваща е технологията с използване на термохимични вещества. При термохимичното съхранение на топлинна енергия (термохимична акумулация) се използват отдаването и поглъщането на топлина при определени обратими химични реакции. Схематично една такава обратима система може да се представи като съединение + топлина = компонент 1 + компонент 2. В процеса на зареждането на термохимичния акумулатор към химичното съединение се подава топлина, която го активира да реагира и да се раздели на две съставни части. Двата нови компонента се складират в стабилно състояние, в отделни контейнери, до момента, в който възникне нужда от тях. Когато сградата трябва да се затопли, акумулаторът се разрежда, като двата компонента се смесват, протича екзотермична реакция, при която се получава изходното съединение и се отделя топлина. Все още се правят сравнения между ефикасността на различните материали. Изпитват се модели с основен материал MgCl2, заради високия топлинен капацитет (показател, който характеризира топлоакумулиращите възможности на телата). Създаден е прототип, съдържащ MgCl2.6Н2О, който е тестван, използвайки влажен въздух за посредник при реакцията. Магнезиевият хлорид хексахидрат е силно хигроскопичен, реагира с влагата на въздуха, при което отделя топлина. За съжаление, изследванията показват циклична нестабилност в дълговременен аспект на този вид соли. Следващата стъпка е модел с друг активен материал – Зеолит, наречен така, понеже при нагряване кипи поради буйното отделяне на зеолитова вода (зео означава на гръцки кипя, а литос – камък). Минералът е познат още като Клиноптилолит - естествен минерал с невероятни физически качества, дължащи се на неговата специална кристална структура. Моделът се състои от два контейнера, всеки съдържащ зърна зеолит. Когато се подава студен и влажен въздух върху зеолита, се отделя топлина при адсорбцията на водни пари. Разработката на моделите за термохимично акумулиране продължава.

Съхранение на топлинна енергия в сградната структура
Активното съхранение в този случай става по два начина – чрез дистрибуция с въздух или чрез дистрибуция с вода. Стените, подовете или таваните на сградите се превръщат в активни, като в тях се вграждат кухини или тръби. В тях може да циркулират вода или въздух, които допринасят за зареждането/освобождаването на сградните елементи с термична енергия, като електрическата енергия също може да бъде използвана за затоплянето на флуидите. Най-познатото използване на тази технология (макар че понякога я разглеждат по-скоро като система за отопление, отколкото като система за съхранение на енергия) е подовото отопление, при което тръби с вода или електрически кабели са замонолитени в пода. Един добър пример, че подовото отопление наистина трябва да се разглежда като елемент от системата за активно съхранение на термична енергия, е случая на загряване на флуида със слънчева енергия. Загряването се извършва през деня, но истинската нужда от отопление е през нощта, и тогава затоплената подова конструкция, която е с висока термична маса, подпомага излъчването на топлина.

За целите на охлаждането се използват предварително заготвени стенни панели с вградени тръби за вода. Една специфична група елементи са междуетажните плочи с кухи канали, при които стоманобетонните плочи от носещата конструкция се използват и за пренасяне на въздуха от вентилацията, необходим за отопление или охлаждане на сградата. В този случай обаче е нужно много внимателно изследване, защото може да се окаже, че голямата термична маса, непосредствено интегрирана в системата, може да направи трудно и дори неефективно прилагането на вентилиране с променлив въздушен обем.

Относно технологиите за активно съхранение на термична енергия в непосредствена близост до сградите също непрекъснато се правят проучвания, подобрения и нови разработки. Тези системи изискват големи площи и обикновено се прилагат при селища от затворен тип с близко разположени сгради, където се използва локално отопление или охлаждане. Една от разновидностите на този вид съхранение се обуславя от наличието на подходящ подземен воден хоризонт. За ефективно използване е необходимо нуждите от енергия за отопление и охлаждане да са балансирани, и това става с едновременното използване на топли (съхраняващи топлина) и студени кладенци. Друг начин за термично съхранение са сондажите. Мнозина ги асоциират с все по-достъпните термопомпи за отопление, които черпят топлина от почвата. Всъщност, технологията за складиране на енергия изисква разпробиването на голям брой (стотици!) близко разположени сондажи, създаващи термичен склад в скалата. Този склад може да бъде зареждан с топлина през лятото, например чрез слънчеви колектори, и освобождаван, т.е.използван, през зимата, когато има нужда от отопление на сградите. За повишаване на полезното действие на тази система тя може да се комбинира и с използването на резервоар за вода.

Установено е, че за задоволяване нуждите на търговските, индустриалните, и дори на някои големи жилищни сгради се поддържа набор дейности, които променят, излъчват или редуват употребата на електричество с цел подобряване надеждността на електрическата мрежа и управление на разходите. При голямо търсене и висока цена на електрическата енергия управлението на поддръжката може да реши да намали осветлението или да осигури изключването му в зони, където не е необходимо, да повиши временно зададената за охлаждане температура с градус-два, без това да повлияе зле на обитателите, или дори да отложи ползването на някои уреди или дейности за по-късен момент. Всичко това намалява нуждата от електроенергия, както и вероятността от претоварване на електрическата мрежа. Благодарение на автоматизираното задоволяване на нуждите от електроенергия самата електрическа мрежа се превръща в „разумна”, в една мрежа от нов тип, където оператори, консуматори, производители на мощности и клиенти си кореспондират в реално време и отговарят на промените в наличието на мощности с помощта на софтуер, който наблюдава непрекъснато състоянието на мрежата. Резултатът е намаляване на вероятността от срив в системата, по-малки сметки за клиентите, и в дългосрочен план – намаляване на газови емисии, създаващи парниковия ефект, и повишаване на енергийната ефективност.

Ако мислим за сградите като за акумулатори на топлинна енергия, ще осъзнаем значението на интелигентната електрическа мрежа. Както батериите съхраняват енергията, така и сградите могат да запазват топлина (или студенина) в зависимост от тяхната термична маса. Ефектът на термичната маса е да смекчи колебанията на температурата в помещението. Като цяло, материалите с висока плътност (напр. тежък бетон) имат по-висока термична маса, отколкото тези с по-ниска плътност (дървен материал или мазилка). Управляващият поддръжката на сградата може да намали използването на енергия за отопление, вентилация или охлаждане за даден интервал от време, тъй като сградата е способна сама да поддържа своята температура за определен период. Този период зависи от нейната термична маса, от външната температура, а и от други фактори. Намаляването на енергийната нужда в даден момент дава на операторите на мрежата една възможност за по-добро управление, особено когато се касае за непостоянните доставки на електроенергия от възобновяемите източници.

Решения
При описаната по-горе система за съхранение на топлинна енергия с помощта на специален контейнер (резервоар) един от най-отговорните елементи е точно резервоарът. За нуждите на големите консуматори (университети, търговски обекти, заводи, медицински центрове и др.) е необходимо голямо съоръжение. Един от целесъобразните начини да бъде построен такъв резервоар е монолитното строителство с предварително напрегната армировка. DNTanks, американска фирма, изграждаща вече 30 години такъв тип конструкции, съчетава в изделията си стабилност, дълготрайност, водонепропускливост, оборудване със специални вътрешни дифузни системи, изолиране и дори естетика.

Много интересно решение предлага Cryogel Thermal Energy Storage. Енергията се „складира” в ледени топчета, замразявани през нощта, когато електроенергията е по-евтина. Ледът се образува в полиетиленови сфери с диаметър около 10cm, пълни с вода. Ледените топчета могат да бъдат поставени в почти всяка форма или размер на контейнера. На следващия ден или през следващите часове с пиково натоварване ледените топчета се топят и осигуряват охлаждане чрез топлообменен флуид на базата на гликол, като намаляват необходимата нужда от електричество в пиковия час. Именно тази гъвкавост позволява употребата им и в нови, и в съществуващи конструкции, дори в съоръжения, където са били съхранявани други материали. Изборът на резервоар се диктува от наличното пространство и от въображението.

Внимание заслужава и леденият акумулатор на EVAPCO Group – производител и доставчик на материали и съоръжения за охладителни системи. Може би един от най-добре разработените модели, този топлообменник се изработва от висококачествена стомана и след сглобяване изцяло се галванизира. Съоръжението е подходящо за големи системи за съхраняване на топлинна енергия с монолитни стоманобетонни резервоари. Предназначението на изделието е да осигурява лед в тръбите (термична енергия) през нощта и да съхранява тази енергия за по-късната є употреба за охлаждане през деня, когато тарифите на електроенергията са по-високи. Отделните набори от тръби, в които се образува ледът, са потопени под вода в резервоарите. Системата за съхранение на енергия работи по описания вече принцип и може да бъде използвана в болници, хотели, спортни зали, офисни сгради и мн.др.

Вариант, достъпен за еднофамилна къща, е разработен от Haase Energy Tank, Германия. Целта е да се осигури по-ниска стойност за отоплението и охлаждането на малката сграда. Съоръжението за съхранение на топлинна енергия се доставя на индивидуални компоненти и се сглобява на място. Резервоарът е с вътрешен топлообменник с тръби от висок клас неръждаема стомана. Вътрешните стени са фабрично заготвени от пластмаса, армирана с фибростъкло и с изолация от фибростъкло за задържане на топлината. Вътрешна PVC обвивка завършва резервоара. Тесни врати или стълби, които трябва да се преодолеят, за да се достигне мястото на сглобяване, не са голям проблем - съставните елементи са съобразени и като размери, и като тегло. Могат да се използват дори труднодостъпни пространства, а това увеличава ефикасността на инвестицията. При допълнително покритие с фибростъкло, устойчиво на ултравиолетови лъчи, енергийният склад може да бъде и навън, под открито небе. Складира се топлинна енергия от слънчеви системи, бойлери на твърдо гориво, на газ или нафта, термопомпи и др. Тази разработка може да се използва и за охлаждане. Системата на Haase Energy Tank, която пести между 40 ÷ 70% от цената на горивото, може да се използва и за големи сгради.

Впечатляваща е реализираната инсталация от Sunwell (Япония), наречена Sunwell Japan's Crystal Liquid Ice System, в Ritz Carlton Plaza – Осака. Режимите на работа са няколко – производство на лед, охлаждане, отопление, комбинирани дейности за оползотворяване на топлината. Височината на сградата е 181m, разгънатата застроена площ е 136 800m2. Инсталирани са 31 генератори на лед и 16 контейнера ледени банки, с необходимото допълнително оборудване, както и специален охладител. Резултатът е намаляване на консумираната енергия за помпи и климатизация с над 30% годишно.

Целта на всички тези търсения е една – да се научим да управляваме разумно нуждите си от отопление и охлаждане, като същевременно използваме възобновяемите енергийни източници, но с технологии и системи, осигуряващи съответствие между нужда и производство на електроенергия във всеки един момент. Овладяването на все нови и нови начини за съхранение на топлинната енергия е предмет на непрестанно наблюдение, изучаване и разработки. Нужно е внимателно диференциране на типовете сгради, технологиите на съхранение, конкретните нужди и оптималния избор. Еднофамилната къща поставя своите изисквания, не по-маловажни от изискванията на големия търговски център. Чака ни дълъг път, докато намерим верните решения, а и докато иновационните технологии станат масово достъпни, но само по този начин ще се радваме на безценната Природа.