Darmowa energia słoneczna zalewa nas w nadmiarze. Niestety 3/4 z tego przypada na półrocze letnie. Nasza cywilizacja nie rozwinęła na razie zaawansowanych metod długotrwałego magazynowania dużych ilości ciepła. Ale może wcale nie potrzebujemy technologii NASA, może wystarczy odpowiednio duży zbiornik z wodą?

Czy sezonowy magazyn ciepła zasilany energią słoneczną (może w jakiejś kombinacji z pompą ciepła) miałby sens – techniczny i ekonomiczny – w zwykłym polskim domu? Przeliczymy, zobaczymy.

Woda – dobra i tania

Magazynować ciepło można w wielu różnych substancjach na różne sposoby:

• w cieple właściwym – podgrzewając substancję o x stopni;
• w cieple utajonym (przemiany fazowej) – podgrzewając substancję aż do zmiany stanu skupienia, zwykle: ciało stałe -> ciecz, co dla niektórych substancji pochłania szczególnie duże ilości energii;
• w jakichś reakcjach chemicznych.

Możliwości jest trochę, lecz wszystko raczej kiepskie w porównaniu do jakichkolwiek paliw – inaczej nikt by się nie bawił w kopanie czarnych kamieni ani ścinanie drzew na opał.

W warunkach domowych, gdzie chcielibyśmy rozwiązanie tanie, bezpieczne i proste – pospolita woda sprawdza się najlepiej. Jest prawie darmowa, powszechnie dostępna, ma bardzo duże ciepło właściwe i jeszcze większe ciepło przemiany fazowej lód <-> woda (niestety w 0°C, ale i z tego można zrobić użytek).

Następnym w kolejce ciekawym kandydatem mogłaby być parafina. Niestety przede wszystkim słono kosztuje – jakieś kilka tysięcy złotych za tonę a tych ton zawsze będzie potrzebne min. kilka.

Symulacja różnych scenariuszy z udziałem magazynu ciepła

Przetestowałem na sucho kilka wariantów wspomagania ogrzewania domu za pomocą wodnego magazynu ciepła:

• ogrzewanie domu wyłącznie z magazynu ciepła ładowanego kolektorami słonecznymi
• ogrzewanie domu przy współpracy magazynu ciepła i taniej powietrznej pompy ciepła
• ogrzewanie domu gruntową pompą ciepła z magazynem ciepła w roli dolnego źródła
• magazyn ciepła bez kolektorów słonecznych, zasilany wyłącznie powietrzną pompą ciepła

Naskrobałem na szybkości programik w PeHaPie (mało kto się w tym połapie #pdk), który dla zadanych parametrów budynku i magazynu ciepła oraz na podstawie historycznych danych pogodowych godzina po godzinie obliczał, jak zachowa się taka instalacja na przestrzeni roku – ile energii pozyska, ile zużyje prądu, ile to będzie kosztowało. Sprawdzone zostały różne kombinacje:

• wielkości instalacji solarnej
• wielkości magazynu ciepła
• mocy pompy ciepła
• polityki ładowania i rozładowania magazynu ciepła.

Dane pogodowe (temperatura, nasłonecznienie, wiatr) o rozdzielczości godzinowej pozyskane z solcast.com dla Wrocławia za lata 2020-21, sezon grzewczy 2020/21.

Pozostałe założenia:

• Roczne zużycie ciepła 10 000 kWh – co odpowiada ok. 120-250 mkw. powierzchni ogrzewanej, zależnie od jakości docieplenia. Niemało.
• Pompy ciepła pracują na prądzie w taryfie G12w, zużywanym w stosunku 70% w godzinach tanich / 30% w godzinach drogich co daje średnio ~0,55zł/kWh. Prąd tani to 0,4zł/kWh. Prąd drogi to 0,85zł/kWh.
• Kolektory słoneczne w każdym scenariuszu mają 20m². Co oznacza np. 10-12 kolektorów płaskich. Na lato to o wiele za dużo, trzeba by większość zasłonić. Na zimę to to świetne źródło energii choć słońca jest mało i słabe. Mniejsza powierzchnia kolektorów jest możliwa, ale kosztem większego zbiornika – lub deficytu energii w magazynie.
• Bufor grzany w zakresie 30-90°C. Zatem stan zupełnego rozładowania oznacza że cały zbiornika ma nadal 30 st.C.

W symulacji pominąłem trochę mniej istotnych detali jak np. postojowe straty ciepła z magazynu. Nie odwzorowałem też perfekcyjnie charakterystyki efektywności pompy ciepła oraz kolektorów słonecznych zależnie od temperatur pracy. Mimo to myślę, że ująłem najistotniejsze sprawy, więc wyniki i wnioski mają pewną wartość poznawczą.

Wariant odniesienia #0: sama tania pompa ciepła

Żeby mieć punkt odniesienia zobaczmy, ile kosztowałoby wyprodukowanie 10 tys. kWh z użyciem zwykłej taniej powietrznej pompy ciepła bez żadnego wspomagania.

Tania powietrzna pompa ciepła jest dobra, bo jest tania – można coś działającego wyrwać już za ok. 10 tys. zł czyli dwa-trzy razy taniej niż średnia półka.

Takie urządzenie najefektywniej grzeje od +5 st. za oknem wzwyż. Niżej zaczyna się oblodzenie wymiennika, z którym tanie sprzęty radzą sobie raczej gorzej niż lepiej, przez co ich efektywność znacząco spada w niskich temperaturach.

• SCOP według danych katalogowych (model 11kW) przyłożonych do warunków pogodowych wyszedł mi 2,8 zakładając że max. 45°C będzie potrzebne.
• Zatem zużycie prądu: ~3 600kWh rocznie,
• co daje koszt: ~2000zł.

Możliwe, że połączenie powietrznej pompy ciepła z magazynem ciepła pozwoli zniwelować jej ułomności a uzyskać jakieś korzyści.

Wariant #1: tania powietrzna pompa ciepła + niewielki magazyn ciepła – 10m³

Już taki niewielki magazyn ciepła (10m³ to ok. 700kWh) pozwala używać pompy ciepła prawie wyłącznie w godzinach taniego prądu taryfy G12w. W godzinach drogiego prądu ciepło pobierane jest w całości z magazynu – pompa nie pracuje.

Korzystnie jest w tym wariancie przewymiarować pompę ciepła o 50-100%.

Poniżej wykres z symulacji: zużycie ciepła / produkcja ciepła z kolektorów słonecznych / stan naładowania magazynu ciepła (zielona kreska, skala po prawej).

• Symulacja startuje z początkiem czerwca 2020. Naładowanie magazynu trwa raptem kilka dni.
• Okres ogrzewania domu został ustalony nieco sztucznie na okrągłe pół roku: październik-marzec. Wiadomo, że grzeje się i wcześniej, i później, ale to już są okresy cieplejsze i bardziej słoneczne, więc wiele do sprawy nie wnoszą.
• Ciepło z magazynu jest pomału pobierane, część stale dorzucają kolektory.
• Wreszcie w lutym magazyn się opróżnia i zalicza lekki deficyt. Pompa ciepła pracuje już tylko na prądzie sieciowym. Jest to krótki okres i niewielki deficyt – rachunek nie ucierpiał istotnie.
• Marzec to już dłuższy dzień, więcej słońca – magazyn ciepła błyskawicznie się ładuje.

• Zużycie prądu: 2400 kWh (1200 kWh mniej niż w wariancie odniesienia),
• Koszt prądu: ~1000zł (1000zł mniej).
• SCOP 4,1.

Całkiem niezłe efekty. Jakim kosztem? To sobie spróbujemy oszacować nieco później.

Ogólnie wydaje się, że koszt wszystkich elementów tego systemu nie powinien przekraczać kosztu średniopółkowej powietrznej pompy ciepła – zapewniając istotnie niższe rachunki.

Wariant #2: tania powietrzna pompa ciepła + większy magazyn ciepła – 20m³

To samo, ale z większym magazynem ciepła – 20m³ to ok. 1400 kWh.

Teraz pompa nie tylko w całości pracuje na tanim prądzie, ale jest możliwość zgromadzenia nadwyżek, które potem w styczniu-lutym pozwolą uniknąć uruchamiania pompy ciepła w okresie najzimniejszym, gdy wykazuje ona najgorszą efektywność.

Pierwotnie myślałem, że magazyn ciepła pozwoli w większym stopniu wyręczyć pompę ciepła od pracy w niższych temperaturach (poniżej +5°C), gdzie ma słabą sprawność. Szybko jednak spostrzegłem, że:

• takich cieplejszych dni w sezonie grzewczym jest stanowczo za mało
• największe korzyści daje uciułanie zapasów ciepła na styczeń-luty.

• Zużycie prądu: 1900kWh (1600kWh mniej),
• Koszt: 780zł (1300zł mniej),
• SCOP 5,2 <- to już jest poziom dobrych pomp gruntowych

Wariant #3: samodzielny pełnowymiarowy magazyn ciepła – 80m³

Całe pozyskane ciepło pochodzi ze słońca. Nie ma pompy ciepła. Rachunek za ogrzewanie wynosi 0zł (no dobra, jakieś grosze – prąd potrzebny do napędu pomp, sterowników).

Poniższy wykres przedstawia wynik symulacji ogrzewania budynku o rocznym zapotrzebowaniu na ciepło 10 tys. kWh za pomocą wyłącznie 20m² kolektorów słonecznych i magazynu ciepła o pojemności 80m³.Co się dzieje na tym wykresie?

• Symulacja zaczyna się 1. czerwca 2020. Nagrzanie 80 ton wody do ok. 90 st. C (4800kWh, prawa oś Y) zajmie raptem cały czerwiec.
• Lipiec-sierpień-wrzesień – nic się nie dzieje, magazyn pełny, kolektory nie grzeją. W praktyce oczywiście magazyn ciepła miałby jakieś straty do otoczenia a kolektory słoneczne na lato trzeba by zasłonić (w całości lub od wcześniej w części, by ew. nagrzewanie magazynu wydłużyć).
• W październiku zaczyna się grzanie budynku. Ciepło z magazynu jest pomału konsumowane, przy wspomaganiu kolektorów słonecznych. Słońca jest mało, ale taka połać kolektorów nawet wtedy potrafi wygenerować istotne ilości ciepła (właśnie po to tyle jest potrzebne, żeby w zimowym półroczu było sensowne wspomaganie).
• Magazyn ciepła osiąga minimum naładowania w połowie lutego. Potem słońce zaczyna pracować i magazyn szybko odbudowuje zapasy.
• Grzanie budynku zostało zakończone z końcem marca, żeby symulacja trwała ładne okrągłe 6 miesięcy – gdzie realnie wiadomo że sezon grzewczy potrafi się ciągnąć do maja, ale to już jest czas raczej słoneczny, mimo wszystko cieplejszy i z długim dniem, więc magazyn będzie miał dodatni bilans.

Rzeczywisty przykład czegoś podobnego ze Szwajcarii:

200-letni dom o rocznym zapotrzebowaniu na ciepło 28 tys. kWh (zmniejszone o połowę po modernizacji) wyposażony jest w magazyn ciepła o pojemności 36m³ ładowany instalacją kolektorów słonecznych o powierzchni 55m² oraz fotowoltaikę o mocy 7,5kWp. Pokrywa to 90% zapotrzebowania na ciepło, resztę dobija pompa ciepła. W sumie budynek sam pokrywa 94% swojego zapotrzebowania na ciepło i prąd.

Wariant #4: gruntowa pompa ciepła z magazynem ciepła w roli dolnego źródła

Powyższe warianty opierały się na magazynowaniu ciepła w cieple właściwym wody. Sprawdźmy jeszcze, jakie możliwości daje ciepło przemiany fazowej woda <-> lód.

Zamrożenie 1kg wody uwalnia 10 RAZY WIĘCEJ ciepła niż schłodzenie 1kg wody o 1 stopnień. Magazyn ciepła w lodzie może zatem być 10 razy pojemniejszy niż magazyn ciepła w gorącej wodzie. Jest tylko jeden drobny problem: ta energia jest dostępna w 0°C, dlatego dla jej spożytkowania niezbędna jest pompa ciepła, tym razem gruntowa.

COP gruntowej pompy ciepła w temp. dolnego źródła 0°C, grzejącej wodę nawet do 45°C to wciąż jakieś 4.0. Zatem dla wyprodukowania 10 000 kWh trzeba zużyć max. 2500 kWh prądu oraz 7500 kWh ciepła z dolnego źródła. Aby zapewnić na zimę taką ilość ciepła potrzeba:

• 20m² kolektorów słonecznych (jak w każdym wyżej rozpatrywanym wariancie)
• oraz magazynu ciepła o pojemności 20m³, co przy max. temp. wody ok. 50°C pozwala zgromadzić do 3000kWh ciepła.

Zbiornik mógłby być trochę mniejszy gdyby go nieco bardziej podgrzać.

Zużycie prądu: 2500kWh
Koszt: ok. 1300zł

Całość niby się spina, ale czy to miałoby jakiś sens? Wątpię:

• Nie ma tu jak oszczędzić prądu lub choćby przenieść zużycia w tańsze godziny. Magazyn ciepła jest tutaj niskotemperaturowy – większość energii wydobywamy w 0°C. W innych wariantach można było grzać dom bezpośrednio z magazynu.
• Gruntowa pompa ciepła jest droga – najtańsze nowe urządzenia kosztują ponad 20 tysięcy zł.
• Koszt instalacji solarnej oraz zbiornika niekoniecznie będzie niższy niż koszt wykonania normalnego dolnego źródła w gruncie.

Jest to budowanie protezy normalnego dolnego źródła w gruncie, co może mieć pewne zalety. Np. zajmie znacznie mniej miejsca niż gruntowy wymiennik poziomy (a dodatkowo da się to miejsce wykorzystać, np. nad zbiornikiem postawić szopę a na niej zamontować kolektory słoneczne) a pewnie będzie tańsze i prostsze w wykonaniu niż odwierty pionowe.

Tym niemniej w porównaniu do alternatyw z udziałem powietrznej pompy ciepła atrakcyjność tego wariantu jest pod znakiem zapytania.

Wariant #5: magazyn ciepła grzany wyłącznie pompą ciepła, bez kolektorów

A może dałoby się magazyn ciepła zasilać wyłącznie pompą ciepła, bez (nietaniej przecież) instalacji solarnej? Latem efektywność pompy ciepła jest znakomita – jeśli podzielić cenę taniego prądu przez 5-6 to może miałoby to sens?

Sprawdzam. Trochę testów różnych podejść do ładowania magazynu i da się wykręcić 35% oszczędności względem wariantu odniesienia.

• Zużycie prądu: 3380kWh
• Koszt: 1380zł
• SCOP: 3,0 <- nie powala, ale jednak jest tanio, bo cały prąd idzie w tanich godzinach

Ładowanie magazynu ciepła odbywa się początkowo tylko w najcieplejsze dni lata. Potem też w miarę możliwości wykorzystywane są najlepsze momenty danego miesiąca.

Niestety jest duży minus tej opcji:

Pompa ciepła zazwyczaj wyprodukuje wodę o temperaturze max. 55°C a i to odbywa się już z kiepską sprawnością. To oznacza, że zbiornik magazynujący ciepło musi być dużo większy – w tym przypadku dla zgromadzenia 1500kWh ciepła potrzeba aż 50m³ wody, podczas gdy we wcześniejszych wariantach wystarczało ok. 20m³.

To oczywiście nie wszystko

Nie wyczerpałem tutaj puli możliwych rozwiązań. Skupiłem się głównie na czerpaniu ciepła z otoczenia jak najniższym kosztem.

Nie ma przeszkód, aby wspomagać magazyn ciepła np. za pomocą kotła na drewno. Szczególnie gdy kotłownia i komin już istnieją. Bo gdyby budować je specjalnie na ten cel – byłoby to w sumie droższe niż tania pompa ciepła + ew. rachunki za prąd w okresie, gdy magazyn ciepła by nie nastarczał.

Zbiornik na sezonowy magazyn ciepła

Wszystko fajnie, ale czy to jest realne? Skąd wziąć takie wielkie baniaki? Pewnie tanie nie są?

To jest pewne zaskoczenie – wcale nie jest tak trudno i drogo. Różne branże oferują szeroki wybór zbiorników z różnych materiałów, o różnych kształtach i pojemnościach.

Bodaj najtańsze są betonowe szamba. Pojemności do 20m³ kosztują śmieszne kilka tysięcy. W celu uzyskania większych pojemności zawsze można zestawić dwa lub więcej mniejszych zbiorników.

Zbiorniki stalowe lub z tworzywa i o większych pojemnościach są znacznie droższe – ale w porównaniu do średniej półki powietrznych pomp ciepła to wcale nie jest fortuna a zbiornik z pewnością przeżyje wiele pomp.

Różne są kształty zbiorników. Ten ze zdjęcia otwierającego ten wpis choć wydaje się wielki to ma zaledwie 10m³ pojemności. Jest długi a wąski i tak też zazwyczaj są zbudowane zbiorniki stalowe.

Najlepsze miejsca na instalację zbiornika magazynującego ciepło to kolejno:

• pod budynkiem
• w budynku lub chociaż w przyległej szopie
• obok budynku pod ziemią.

Dwie pierwsze opcje są dobre, bo straty ciepła z magazynu będą dogrzewać dom. W istniejącym budynku w grę wchodzi raczej tylko opcja trzecia. Za lokalizacją w ziemi przemawia głównie oszczędność miejsca na powierzchni.

Instalacja solarna

Wymagana wielkość instalacji kolektorów słonecznych zależy od rozmiaru magazynu ciepła:

• mniejszy magazyn ciepła będzie wymagał większej instalacji solarnej, aby miał niezbędne zasilanie w ciągu zimy.
• większy magazyn ciepła obejdzie się ze znacznie mniejsza instalacją solarną, bo zapasy ciepła z lata wystarczą na dłużej.

Kolektory słoneczne, które mają produkować jak najwięcej ciepła zimą, montuje się inaczej niż takie do grzania wody kranowej głównie latem – raczej trzeba szukać ściany niż dachu. Na zdjęciu poniżej jest świetny przykład instalacji solarnej przeznaczonej do zasilania magazynu ciepła zimą:

• jest wielka – 18 kolektorów – choć i budynek niemały
• kolektory są zamontowane prawie pionowo – dzięki czemu mają lepsze osiągi jesienią-zimą-wiosną a jednocześnie ogranicza to problem ich przegrzewania latem
• wygląda, że ktoś celowo postawił tę przybudówkę, aby zyskać dobre miejsce na instalację solarną.

Próba oszacowania kosztów całości

• Koszt zbiornika – zależy, ok. kilku tys. zł
• Koszt kolektorów słonecznych – zależy od powierzchni, ok. 500zł/m² czyli te 20m² którymi się posługiwałem to może być ~10 tys. zł a to same kolektory, trzeba jeszcze całą resztę osprzętu; podrożało odkąd ostatnio kupowałem kolektory 4-5 lat temu
• Koszt wykopania dołu pod zbiornik 10-20m³ – ok. 1000zł.
• Izolacja zbiornika – pewnie kilkaset złotych
• Koszt wody do zbiornika – max. jakieś 10zł/m³ jeśli z wodociągu.

Straty ciepła

Dla prostoty pominąłem w symulacji straty ciepła. Warto by się jednak zorientować, jakie to mogą być wielkości.

Skorzystałem z metod stosowanych w obliczeniach strat ciepła budynków, aby sprawdzić, ile energii będzie tracił naziemny oraz podziemny magazyn ciepła – zbiornik betonowy o objętości 10m³ (wymiary 3x3m i wys. 1,2m) zaizolowany styropianem 20cm.

Okazało się, że

• zbiornik naziemny traci ~550W czyli ~13kWh na dobę
• zbiornik podziemny – kilkanaście procent więcej, ale obawiam się, że nadużyłem tutaj uproszczonej metody z nieco innej bajki.

Pierwotnie wydawało mi się (aż nie sprawdzałem), że strata w gruncie będzie mniejsza niż na powietrzu, więc założyłem, że zbiornik jest w gruncie i tak też na schematach powyżej rysowałem. Tymczasem to wcale nie musi być prawda. Owszem, grunt średnio jest cieplejszy od powietrza, ale ma większą przewodność cieplną. Tym bardziej, gdy jest ciężki albo woda gruntowa jest wysoko.

W każdym razie w profesjonalnych zastosowaniach buduje się zarówno podziemne jak i naziemne magazyny ciepła a dobrze zaizolować zbiornik trzeba tak czy inaczej.

Pojemność cieplna tego zbiornika to ok. 700kWh. Zatem dobowa strata postojowa wedle powyższego będzie stanowić w najgorszym razie, przy maksymalnym nagrzaniu (90°C) poniżej 2% pojemności cieplnej.

Izolacja magazynu ciepła

Styropian to jest pierwsze co mi na myśl przyszło w temacie izolacji cieplnej zbiornika, szczególnie prostopadłościennego.

Oczywiście technika zna rozmaite rozwiązania, np.

• izolacja natryskowa z piany PUR
• perlit
• izolacja próżniowa (w zbiornikach na skroplone gazy – niestety okrutnie drogich, bo to zbiorniki ciśnieniowe).

Im lepszą mielibyśmy izolację, tym mniejszy mógłby być magazyn ciepła. Ale jak zwykle wszystkim rządzi cena – jeżeli za świetną izolację trzeba by zapłacić kosmiczne pieniądze, to lepiej mieć izolację gorszą, choć znacznie tańszą a różnicę nadrobić większym zbiornikiem.

Podsumowanie

W czasach rosnących cen paliw, energii i urządzeń do ogrzewania chałupy magazyn ciepła zasilany energią słoneczną zaczyna wyglądać coraz sensowniej, szczególnie dla tych, którzy mieliby ku temu warunki a zarazem chcą, potrafią i mają możliwości coś zrobić samodzielnie, bo komercyjnie chyba nikt jeszcze czegoś takiego nie oferuje w Polsce (lub jest to totalna nisza).

Plusy dodatnie

• ogrzewanie najbardziej ekologiczne
• i najtańsze jak się da – z gwarancją taniości na lata
• bezobsługowe
• proste technologicznie elementy składowe, wiele można zrobić samemu (np. kolektory, co znacząco obniżyłoby koszty)
• długoletnia żywotność większości elementów

Plusy ujemne

• potrzebne sporo miejsca na zbiornik oraz kolektory słoneczne
• dość duży jednorazowy wydatek

To, co tutaj przedstawiłem, to jest zaledwie szybki rekonesans w obszernym temacie. Jest tu wieel wyzwań, ale i wiele możliwości. Fizycznych parametrów wody nie zmienimy, ale możemy mocno optymalizować zarządzanie ładowaniem i rozładowaniem magazynu ciepła – np. w oparciu o dane meteo z poprzednich lat i prognozę pogody – dzięki czemu rozmiary, koszty budowy i pracy całego systemu można by jeszcze znacząco przyciąć.