Capacitate de înmagazinare

Capacitatea de înmagazinare depinde de volum și de tipul de înmagazinare. În principiu se remarcă două tipuri de rezervoare: cele chimice și cele termice.

• Rezervoarele chimice ne sunt familiare din viața de zi cu zi și sunt folosite pentru petrol, gaz sau benzină. Energia din aceste lichide există sub formă de energie lichidă și se eliberează prin ardere. De exemplu, un litru de benzină conține o energie de aproximativ 10 kWh. Din păcate, până în momentul de față nu s-a obținut transformarea eficientă a procesului chimic de eliberare a energiei. Acesta este motivul pentru care căldura se înmagazinează numai in rezervoare termice.
• Rezervoarele termice sunt împărțite și ele pe două categorii: există rezervoare pentru căldura latentă și rezervoare pentru căldura sensibilă. Atunci când căldura intră în rezervor, temperatura acestuia crește și invers. Raporturile sunt descrise de o formulă fizică simplă:

Q_sp = m ‘ c • (v2 — v_i)

Cantitatea de căldură înmagazinată Q_sp depinde de masa m și de capacitatea specifică c a volumului rezervorului de căldură, precum și de gradul de creștere a temperaturii (respectiv de gradul de scădere a temperaturii, atunci când căldura iese din rezervor), de la v₁ la v₂. Capacitatea specifică de căldură arată cantitatea de energie care este necesară pentru a atinge temperatura de 1°C a unei materii cu greutatea de 1 kg. Apa are de departe cea mai mare căldură specifică. Mai mult decât atât, pentru că apa nu este otrăvitoare, este disponibilă peste tot și este (încă) ieftină și poate fi folosită pentru multe utilizări, apa este folosită în tehnologia solară aproape fără excepție. În ceea ce privește utilizarea practică, apa mai are avantajul că instalatorii au deja o experiență vastă cu instalațiile de apă, iar componentele necesare se găsesc foarte ușor.

Capacitatea rezervoarelor de apă devine mai clară cu ajutorul unui simplu exemplu matematic. Dacă se ia un rezervor de 300 de litri, iar apa se încălzește la 60°C  (de la temperatura apei reci de 10°C la temperatura rezervorului de 70°C), se obține astfel o energie termică de

Q_sp = 300 1,16 60 = 20.880 Wh,

adică sunt necesari circa 20 kWh. Altfel spus, cantitatea de energie pe care o conține rezervorul este de. 20 kWh.Capacitatea maximă a acestui rezervor este limitată de temperaturile de funcționare, care variază între 10°C și maxim 100°C. Astfel rezultă în cazul rezervorului cu 300 kg un conținut energetic de maxim 30 kWh. În comparație: acesta corespunde conținutului energetic de aproximativ 3 I de benzină sau petrol sau a 3 m³ de gaz.

Dimensiunile rezervorului

Esențiale sunt în acest caz răspunsurile la întrebările:

• Câtă energie trebuie înmagazinată
• Cât de mare trebuie să fie rezervorul

În cazul instalațiilor pentru pregătirea apei calde, capacitatea de înmagazinare, respectiv volumul necesar de acumulare diferă în funcție de consumul sau necesarul zilnic de apă caldă. Trebuie să se ia în considerare și particularități comportamentale ale consumatorului (de exemplu în întreprinderile unde se lucrează pe schimburi, dimineață și seara se ating limitele maxime de consum).

De exemplu, o familie cu 4 membri are un necesar zilnic de apă caldă de cca. 10 kWh. Dacă necesarul de energie este cunoscut, atunci volumul rezervorului depinde de materia folosită pentru înmagazinarea de căldură, unde o însemnătate aparte nu o are capacitatea termică specifică ce se calculează în funcție, de masă, ci capacitatea termică volumetrică. Cu alte cuvinte, capacitatea de acumulare a unei materii în funcție de volum. În acest caz, apa se află, de departe, în fruntea listei.

Rezervorul luat ca exemplu cu o masă de 300 kg are un volum de 300 I (un cilindru cu un diametrul de aproximativ 50 cm și o înălțime de 1,50 m) și o capacitate maximă de înmagazinare de 30 kWh (95/10°C). Teoretic s-ar putea înmagazina necesarul de apă caldă pentru trei zile pentru o familie cu 4 membri. Practic acest lucru nu este posibil pentru că rezervorul are și el pierderi termice.

Volumul obișnuit pentru rezervoarele de locuințe variază intre 150 și 1000l.   Principiul de bază este acela că un rezervor trebuie să poată înmagazina o cantitate de căldură de 1,5-2 ori mai mare decât necesarul zilnic. Acesta este
motivul pentru care rezervoarele solare sunt semnificativ mai mari decât rezervoarele pentru apă caldă din cadrul instalațiilor de încălzire convenționale care pot acumula, pe lângă necesarul zilnic, căldura pentru încă o zi sau chiar mai puțin. Volumul acestora din urmă este însă suficient, deoarece combustibilul este oricând la dispoziție.

Rezervorul pentru căldura latentă

În cazul în care starea de agregare se schimbă (de exemplu, la trecerea din stare solidă    în stare lichidă sau din stare gazoasă), sunt necesare cantități de căldură relativ mari (se înmagazinează), respectiv se eliberează. Pentru transformarea gheții în apă la 0°C este nevoie de tot atâta energie cât pentru încălzirea apei la 80°C. Această energie termică este cunoscută sub denumirea de energie „latentă”, întrucât nu se schimbă temperatura pe toată durata topirii.

Din nefericire, cantitatea de energie care se dezvoltă atunci când apa îngheață la 0°C nu poate fi folosită în mod direct pentru încălzirea încăperilor din cauza temperaturilor joase.

Se inventează și cercetează materiale a căror transformare a stării de agregare să ducă la formarea unor temperaturi mai ridicate și mai ușor de cum ar fi parafina cu 20-90°C sau hidrații sărurilor cu 25-70°C. Avantajul rezervoarelor
pentru căldura latentă fată de rezervoarele obișnuite este reprezentat de o capacitate de înmagazinare semnificativ mai mare, precum și de faptul că nivelul temperaturilor la intrare și ieșire nu variază prea mult (din cauza schimbării stării de agregare).

În practică, din nefericire, acesta nu este un proces fără probleme. Unele materii își modifică unele proprietăți și își pierd capacitatea de înmagazinare ca urmare a răcirilor și încălzirilor repetate, altele prezintă probleme majore la schimbătorul de căldură. Deși se lucrează de ani buni la crearea unor rezervoare pentru căldura latentă, nu există încă pe piață niciun produs perfect, de încredere, potrivit pentru pregătirea apei calde menajere sau pentru încălzirea încăperilor.

Pierderile termice

Pierderile termice sunt inevitabile atunci când avem de-a face cu căldura sensibilă. Apar imediat după ce materialul care înmagazinează căldura atinge o temperatură mai mare decât cea a mediului înconjurător și cresc direct proporțional cu diferența de temperatură.

Pentru diminuarea pierderilor termice trebuie să se izoleze întreaga suprafață a rezervorului și să nu existe punți termice. Izolațiile trebuie să aibă a grosime de minim 10 cm și chiar și mai mult (chiar și 50 cm pentru înmagazinarea de sezon) și sunt indispensabile. Materialul izolant trebuie să aibă o conductivitate termică de 0,040 W/mK sau mai puțin. În acest sens, se recomandă utilizarea unor materiale izolante din fibră de cocos sau spumă moale PU.

Materialul izolant trebuie să se monteze pe peretele rezervorului. Pentru a evita punțile termice, nu trebuie să existe rosturi. Toate racordurile, în special racordul de evacuare a apei calde, trebuie foarte bine izolate pentru a se evita formarea punților termice și a pierderilor convective.

Pe cât de banale sună aceste indicații, pe atât de greu este să se pună în practică.

Deosebit de dificil este racordul pentru evacuarea apei calde, pentru că apa care se răcește în conductă intră înapoi în rezervor. La rezervoarele solare, conducta de evacuare a apei calde este orientată în jos sau în lateral (inclinată în jos). Problema izolatei se poate rezolva dacă se folosesc învelișuri termoizolatoare prefabricate, care să se potrivească exact dimensiunilor rezervorului. Nici partea laterală și nici racordurile de sub izolație nu sunt de neglijat în funcție de numărul și mărimea (suprafața) acestor punți termice, pierderile termice se pot dubla, oricât de bun ar fi rezervorul.

Chiar dacă nu se fac abateri de la instrucțiuni și reguli, nu se poate evita faptul că o parte din căldura înmagazinată se pierde prin suprafața rezervorului, ceea ce înseamnă că rezervorul se golește de la sine după un timp, chiar dacă apa nu este evacuată. Aceste pierderi sunt proporționale cu suprafața (mărimea și forma) rezervorului, precum și cu diferența de temperatură dintre rezervor și mediul înconjurător, și se pot calcula prin:

Wysp = Usp• Asp•(Vsp•VL)

Usp este coeficientul pentru pierderile termice ale rezervorului, analog valorii U a colectorului. In general, valoarea U • A a rezervorului este exprimată în W/K; aceasta reprezintă fluxul de căldură pe care rezervorul îl cedează mediului înconjurător în funcție de diferența de temperatură exprimată în °C. Rezervoarele solare obișnuite cu un volum cuprins între 250 și 500 l ating valori care pot varia între 1,5 și 3,5 W/K.

Pentru rezervorul ales de noi cu un volum de 300 I să presupunem că U • A = 2 W/K, temperatura medie de stagnare de 50°C, iar temperatura aerului unde este montat rezervorul         (în pivniță) de 15°C: diferența de temperatură este așadar de 35°C. Astfel, rezultă un flux al pierderilor termice de 2 W/K • 35 K = 70 W, comparabil cu al unui bec de 70 W. Spre deosebire de bec (și de colectorul solar), rezervorul de căldură este „pornit”, adică rezervorul pierde în fiecare zi 70 W 24 ore = 1.680 Wh. Rezultă că pierderile termice dintr-un an calendaristic cu 365 de zile sunt de peste 600 kWh. ln cazul  instalațiilor termice convenționale, aceste pierderi se egalează cu necesarul de combustibil și, deci, nu se iau 1n considerare; în cazul unei instalații solare, trebuie să se monteze, în exemplul ales de noi, un colector cu o suprafață de cca. 1,5 m² pentru a compensa aceste pierderi.

În cele mai nefericite cazuri, pierderile termice cauzate de margini și racorduri prost izolate, se pot dubla. Numai astfel ne putem da seama de importanta unui rezervor bine construit și bine termoizolat.

Stratificaţia termică

O instalație solară pentru apa menajeră trebuie să încălzească apa în general la temperaturi cuprinse între 45 și 55°C. Un rezervor pentru apa menajeră cu un volum de 300 I, umplut numai pe jumătate, poate oferi diferite temperaturi ale apei: un rezervor cu 150 I de apă cu temperatura de 60°C și 150 I de apă la 15°C are același conținut energetic cu un rezervor de 300 I de apă cu o temperatură de 35°C. În primul caz, consumatorul va fi mulțumit de temperatura apei și va foIosi cei 150 I de apă caIdă, în timp ce în cea de-al doilea caz, consumatorul se va vedea nevoit să încălzească apa din nou ulterior, convins fiind că temperaturile joase ale apei se datorează unei proaste funcționări a instalației solare.

În exemplul de mai sus, diferența constă din faptul că în rezervorul solar se creează straturi de temperatură. Apa rece este mai grea decât apa caldă. Stratificația termică din rezervor se creează, așadar de la sine. Pe lângă aceasta, apa are o conductivitate termică reIativ mică, care îngreunează schimbul termic dintre straturile cu temperaturi diferite. Astfel, stratificație termică se poate păstra pentru o perioadă mai lungă, atâta timp cât nu se amestecă cu o alta. În ceea ce privește rezervoarele convenționale, stratificațiile se amestecă între ele din cauza alimentării și evacuării necorespunzătoare cu apă, sau din cauza formei rezervorului și se vorbește despre rezervoare monovalente sau moduri de funcționare monovalente. În cazul rezervoarelor solare, acestea sunt construite în așa fel încât se obține o stratificație termică stabilă, unde în partea de sus se află apa caldă cu o temperatură de utilizare, iar în partea de jos se află apa rece. Aici este vorba despre un rezervor bivalent sau un mod bivalent de funcționare.

Alimentarea și evacuarea

Procesele din timpul alimentării și evacuării apei au un rol decisiv pentru stratificația termică. Alimentarea și evacuarea apei din rezervor are loc în mod indirect prin schimbătorul de căldură sau direct, adică are loc atunci când rezervorul este din nou alimentat cu apă sau atunci când apa este evacuată.

• Rezervoare cu alimentare și evacuare directă

Rezervoarele cu alimentare și evacuare directă sunt cele mai simple. Căldura pătrunde în rezervor din partea de sus sub formă de apă caldă, apa rece este evacuată prin partea de jos spre sursa de energie, de exemplu spre colectorul solar. Exact ca un piston, apa caldă se mișcă de sus în jos atunci când rezervorul este realimentat și de jos în sus când se evacuează apă. Pentru ca stratificația să rămână optimă apa caldă, respectiv cea rece care intră, trebuie să fie împinsă în poziție orizontală de apărători de tablă, iar procesul trebuie încetinit.

Rezervoarele cu alimentare și evacuare directă sunt simple și ieftine; colectorul solar este alimentat continuu cu apă rece și nu există pierderi termice. Cel mai mare dezavantaj al acestor rezervoare constă însă în faptul că circuitul solar și rezervorul nu se pot separa unui de celălalt. Din această cauză nu se poate monta în circuitul solar niciun fel de substanță anti-îngheț. Sistemul  trebuie golit în timpul iernii. Este potrivit numai pentru zonele climatice unde nu există pericol de îngheț.

• Rezervoare cu alimentare directă și evacuare indirectă

Aici, evacuarea are loc prin intermediul unui schimbător de căldură situat în partea caldă, de sus, a rezervorului. Prin răcirea apei la evacuare se formează în rezervor un curent de convecție orientat în jos (apa rece „cade”), ceea ce duce la amestecarea apei din rezervor. Avantajele acestui sistem constau din următoarele:

• rezervorul nu trebuie expus la presiunea relativ mare a rețelei de apă rece (4 până la 6 bari)
• volumul inițial al rezervorului pentru apa potabilă este limitat la cantitatea mică din schimbătorul de căldură, astfel încât riscurile apariției germenilor sunt reduse, în special a bacteriei legionella. Dezavantajul evacuării indirecte: la fiecare schimbător apar diferențe de temperatură care cauzează pierderi termice. În timp ce capacitatea din circuitul solar diferă (cca. 700 W/m2 din suprafața colectorului), consumatorul se așteaptă la capacități maxime. Pentru a asigura o alimentare continuă de10l/m (umplerea cu apă a căzii din baie) schimbătorul de căldură trebuie să aibă o capacitate de aproximativ 20kW. Pentru aceasta nu sunt necesare numai schimbătoare de căldură foarte eficiente (suprafețe mari de transformare), ci și apa din rezervor care intră in schimbătorul de căldură trebuie să fie cu 5 până la 100C mai caldă decât temperatura apei de evacuare.

Din cauza dezavantajelor alimentării directe, rezervoarele de acest tip nu sunt așa răspândite.

• Rezervoare cu alimentare indirectă și evacuare directă^.

Rezervoarele cu alimentare indirectă și evacuare directă sunt rezervoarele cel mai des utilizate pentru încălzirea solară a apei menajere din spațiul Europei Centrale. Prin împărțirea circuitului solar, acesta din urmă poate beneficia de un amestec de apă cu substanță antigel pentru ca rezervorul să poată fi folosit și pe timp de iarnă. Pe partea superioară a schimbătorului de căldură (intern) se formează la alimentarea rezervorului un curent de convecție orientat în sus. Acesta determină în cele din urmă amestecarea apei. Evacuarea, însă, are loc stratificat.

Rezervorul prezintă caracteristica avantajoasă a alimentării și evacuării directe, deși circuitul solar și cel al rezervorului sunt separate unul de celălalt  printr-un transformator extern. Trebuie, însă, să se ia în calcul pierderile termice suplimentare ale schimbătorului de căldură, cheltuielile suplimentare pentru racordarea țevilor și cheltuiala pentru o pompă suplimentară. De aceea, rezervoarele cu schimbător extern de căldură sunt folosite de obicei pentru instalațiile mai mari.

• Rezervoarele cu alimentare și evacuare indirectă

La rezervoarele cu alimentare și evacuare directă, apa intră și iese printr-un schimbător de căldură, ceea ce duce la apariția caracteristicilor deja amintite. Apa acumulată de circuitul solar este separată de cea din circuitul consumatorului, astfel încât să poată fi folosită pentru un al treilea circuit, de exemplu pentru circuitul de încălzire. Acest tip de rezervor se folosește în special la instalațiile solare complementare sistemului de încălzire.

Detalii ale construcției

Stratificația nu este influențată numai de tipul alimentării și al evacuării, ci și de următoarele detalii ale construcției:

• formele subțiri așezate vertical avantajează forța ascensională a apei calde în rezervor. La instalațiile convenționale de încălzire, rezervoarele de apă se montează de obicei orizontal pentru o bună amestecare a apei în cazul asanării instalaților vechi de încălzire trebuie atâta timp cât procesul nu este complet încheiat să se instaleze un rezervor vertical mai mare pentru pregătirea de apă caldă (cu posibilitatea de montare a unui schimbător pentru căldura solară). Între timp, pe lângă forma clasică cilindrică au intrat în fabricație rezervoare mai bine, pentru că intră mai ușor pe ușă
• apa rece care curge în jos: modul scurgerii împiedică amestecarea apei în rezervor.
• apa calda care se duce în sus: este valabil același principiu ca la exemplul de mai sus
• alimentare cu energie solară: la rezervoarele „clasice”, căldura solară pătrunde printr-un schim­bător intern de căldură (o conductă spiralată) în treimea inferioară a rezervorului. Căldura ajunge din acest schimbător de căldură în partea superioară a rezervorului datorită efectului de termosifon, astfel având loc amestecul. Între timp, aproape toți producători oferă rezervoare stratificate pentru a înmagazina direct apa caldă cu temperatura aferentă sau pentru a evita amestecul. Câștigul de energie este astfel cu 5% mai mare decât la alte tipuri de rezervoare. Este vorba de cele mai multe ori despre piese integrate în rezervor sub formă de conducte prin care apa caldă urcă atât de mult până când ajunge la un strat care are aceeași temperatură. Ca alternativă există rezervoarele cu două schimbătoare de căldură, unul pentru partea superioară a rezervorului, care are rolul de a înregistra atunci când instalația solară a aprovizionat rezervorul cu o cantitate suficientă de apă caldă și unul pentru partea inferioară, atunci când temperaturile sunt mai scăzute.

Atunci când alimentarea are loc prin intermediul unui schimbător extern de căldură, unii producători oferă rezervoare cu diferite înălțimi pentru o stratificare mai bună. Toate ordonările trebuie să fie în așa fel construite încât să permită trecerea înapoi către colector a unei cantități cât mai mare de apă răcită (din partea cea mai joasă a rezervorului). Aceasta are scopul de a asigura condiții optime de funcționare a instalației solare.

Siguranța rezervorului

La o cantitate crescută de radiații și la un consum redus de apă caldă (de exemplu în vacanță), temperatura din rezervor poate ajunge la valori nedorit de mari, în unele situații chiar la temperaturi periculoase. Se pot obține temperaturi în sistem care depășesc 100°C. Acestea pot duce nu numai la apariția riscului extrem de fierbere sau, la depășirea pragului de 60°C la erodări calcaroase puternice, ci și la formarea aburului rezervor, ceea ce ar acționa asupra ventilului de siguranță.

Există mai multe măsuri eficiente, deja puse în practica pentru a asigura o limitare automată a temperatura sub 95°C.