Alternatywne systemy ogrzewania

Alternatywne systemy ogrzewania

Powszechne stanie się wykorzystanie odnawialnych źródeł energii: fal morskich, wiatru, promieni słonecznych, ciepła ziemi. Teoretycznie, przy aktualnym stanie wiedzy, możemy zrezygnować z podłączania domu do sieci elektrycznej, gazowej czy wodociągowej, czerpiąc potrzebną nam energię z najbliższego otoczenia. Wiele rozwiązań umożliwiających samowystarczalność nie wyszło poza fazę obiektów prototypowych. Produkowane są już jednak urządzenia, które z powodzeniem można wykorzystywać w obiektach indywidualnych. Barierą w ich powszechniejszym zastosowaniu jest wysoka cena, która sprawia, że ich wykorzystanie staje się często po prostu nieopłacalne. Najwięcej rozwiązań dotyczy pozyskania darmowej energii albo jej odzyskiwania.

Energia ze słońca
Promieniowanie słoneczne niesie ogromne ilości energii (około 1000 kWh/m kw. powierzchni ziemi), którą próbuje się wykorzystać bezpośrednio do ogrzewania czy wytwarzania prądu. Sporą popularnością cieszą się kolektory słoneczne stosowane do podgrzewania ciepłej wody w domkach jednorodzinnych, niewielkich obiektach biurowych i przemysłowych. W naszym klimacie pozyskiwane w ten sposób ciepło może pokryć ok.80 proc. zapotrzebowania na energię potrzebną do tego celu. Kolektory najczęściej umieszcza się na dachu, a cały system współpracuje z tradycyjnymi źródłami ciepła, dogrzewającymi wodę w okresach dłuższego zachmurzenia, przy niskiej temperaturze zewnętrznej. Kolektory mogą również podgrzewać wodę w instalacjach centralnego ogrzewania, ale pełnią one wtedy jedynie funkcję wspomagającą w cieplejsze i słoneczne dni. Światło słoneczne można też bezpośrednio przetwarzać na prąd elektryczny za pomocą fotoogniw. Ze względu na niewielką sprawność tych elementów oraz wysoką ich cenę, w praktyce fotoogniwa w połączeniu z akumulatorem przechowującym energię elektryczną, wykorzystuje się do zasilania urządzeń sygnalizacyjnych, oświetlenia zwłaszcza tam, gdzie obiekt znajduje się daleko od linii elektrycznych (np. oświetlenie ogrodowe, znaki drogowe).

Kolektory słoneczne
Najczęściej używane są do przygotowywania ciepłej wody użytkowej, a przy wspomaganiu np. gazowych kotłów kondensacyjnych - również do ogrzewania pomieszczeń. Mogą też współpracować z pompą ciepła - pełnią wtedy funkcję dolnego źródła. Instalacje, w których jednocześnie współpracują ze sobą dwa systemy, nazywamy hybrydowymi. Do zbierania energii słonecznej, z promieniowania bezpośredniego w słoneczny dzień i rozproszonego w dzień pochmurny, wykorzystuje się płaskie lub rurowe kolektory słoneczne.
Płaski kolektor to aluminiowa lub miedziana płyta, do której przymocowana jest instalacja z systemem kanałów. Płyta zwana absorberem pochłania promieniowanie i zamienia je w ciepło, dzięki pokrywającej ją cienkiej, czarnej, matowej warstwie selektywnej (np. tlenek miedzi, tlenek i siarczek niklu, czerń chromowa i czerniona miedź). Ciepło przekazywane jest cieczy (zwykle to woda ze środkiem przeciwzamarzaniu) krążącej systemem kanałów zamocowanych na płycie absorbera. Izolację od spodu zapewnia płyta z pianki poliuretanowej lub innego materiału termoizolacyjnego, a od góry płyta ze szkła o podwyższonej odporności na uderzenia.
Nieco inną konstrukcję mają kolektory rurowe, w których elementy absorbujące promieniowanie wraz z przewodami z nośnikiem ciepła chronione są przed ucieczką ciepła rurami próżniowymi. Każdy taki kolektor składa się z kilkunastu pionowych rur. Pod nimi zainstalowane są wysoko refleksyjne zwierciadła dodatkowo skupiające promienie słoneczne na znajdujących się w próżniowych rurach  elementach absorbujących.
Kolektory najlepiej umieszczać na pochyłych dachach zwróconych jedną połacią w kierunku południowym. Optymalny kąt nachylenia dachu dla kolektora pracującego cały rok wynosi 45-55 st. Kolektory montuje się bezpośrednio na konstrukcji więźby lub na wspornikach. Instalacja nośnika ciepła jest układem zamkniętym o obiegu wymuszonym pompą, zabezpieczonym ciśnieniowym przeponowym naczyniem zbiorczym i zaworem bezpieczeństwa.
Aby dzisiaj wykorzystać system kolektorów słonecznych do przygotowania ciepłej wody użytkowej i wodnego centralnego ogrzewania, musimy wykorzystać dodatkowe źródło ciepła w postaci kotła gazowego. Głównym elementem systemu jest wodny zasobnik energii cieplnej włączony do instalacji c.o. Najczęściej stosowane są zasobniki dwustrefowe, których wysokość jest przynajmniej trzykrotnie większa od średnicy. Takie proporcje powodują rozwarstwienie temperatury wody na dwie strefy, dolną o niższej i górną o wyższej temperaturze. Nośnik ciepła z kolektora poprzez wymiennik podgrzewa wodę pobieraną z dolnej strefy zasobnika. Woda jest dodatkowo ogrzewana w kotle i powraca do zasobnika, zasilając w ciepło górną strefę (gdzie znajduje się wężownica wymiennika ciepła instalacji c.w.u.). Nieco niżej, bliżej środka zbiornika, znajduje się zasilanie niskotemperaturowej instalacji c.o. Dzięki kolektorom kocioł może mieć niewielką moc grzewczą, co wpływa na energooszczędność systemu. Metr kwadratowy kolektora w naszej szerokości geograficznej produkuje ok. 500 kWh energii w ciągu roku.

Złapać wiatr
Siłę wiatru napędzającą generatory elektryczne wykorzystuje się do wytwarzania energii przede wszystkim w rejonach nadmorskich, gdzie jego szybkość i częstotliwość występowania pozwala na w miarę równomierną produkcję energii.
Nawet stosunkowo niewielka siłownia wiatrowa może zaspokoić potrzeby energetyczne pojedynczego gospodarstwa, ale podstawowym problemem jest zmagazynowanie energii na czas bezwietrznej pogody. Pozyskaną energię elektryczną można co prawda dostarczać do sieci elektroenergetycznej, traktując ją jako swoisty magazyn, ale wymaga to zastosowania urządzeń synchronizacyjnych, co w indywidualnych siłowniach może być nieopłacalne. Siłownia wiatrowa składa się z silnika wiatrowego (śmigła), mechanicznej przekładni oraz generatora elektrycznego (niekiedy zastępowanego pompą wodną). Maszt o wysokości kilkunastu metrów posiada obrotową głowicę pozwalającą na ustawienie śmigła w kierunku wiatru. W profesjonalnych elektrowniach wiatrowych instaluje się wiele masztów tworzących tzw. fermy wiatrowe z komputerowym sterowaniem ich pracą.

Energia wiatru jest de facto odmianą energii słonecznej. Wiatr jako źródło energii został dostrzeżony stosunkowo wcześnie. Nic w tym dziwnego. W jeden wietrzny dzień można było wykonać więcej pracy dzięki wiatrakom niż przez tydzień ręcznie. Były one znane w starożytnych Chinach, Babilonii. W VIII wieku naszej ery powstały pierwsze wiatraki w Holandii. Jednak największe znaczenie miały one w XVI i XVII wieku. Po wynalezieniu maszyny parowej ich znaczenie zmalało, aby mogły przeżyć ponowny renesans pod koniec XX wieku. Ich liczba ciągle wzrasta a ich produkcja jest obecnie tak duża, że stanowią np. trzeci główny produkt eksportowy takich wiatrakowych potęg jak Dania. Ich liczba w tym kraju wynosi ok. 4000 sztuk. Wiatrak na zdjęciu obok służy do produkcji prądu. Mierzy 60 metrów a średnica jego rotora wynosi 44 metry. Jego moc to 660 kW. Jest to wiatrak stosunkowo dużej wielkości i mocy - największy dostępny na rynku ma moc 2 MW. Są oczywiście również i wiatraki zupełnie małe, do przydomowej produkcji prądu, na łódkę czy na działkę. Wszystkie jednak składają się z kilku niezastąpionych elementów: wieży, na której całość jest zamontowana, rotora / wirnika - składającego się na ogół z trzech łopat (spotykane są też rotory z dwoma lub czterema). Oprócz tego wewnątrz znajduje się generator (takie trochę większe dynamo), system hamulcowy, system przełożeń, instalacja odgromowa, oraz różnego typu instalacje meteorologiczne, kontrolne i sterujące. Nowoczesny wiatrak jest zupełnie zautomatyzowany co znacznie upraszcza jego obsługę. Oczywiście aby wiatrak działał potrzebny jest wiatr. Większość wiatraków zaczyna produkować prąd przy prędkości wiatru 3-5 m/s przy czym uzyskują optimum przy prędkości 15 - 20 m/s. Po przekroczeniu tych wartości wydajność znowu spada aż to zupełnego zatrzymania i odwrócenia wiatraka od wiatru gdy jego prędkość przekroczy bezpieczną granicę.
Prąd wyprodukowany za pomocą wiatraków można zmagazynować w akumulatorach (rozwiązanie zalecane w przypadku małych, przydomowych elektrowni) bądź sprzedać do sieci (przy czym dostawca energii wyprodukowanej w ten sposób ma pierwszeństwo nad innymi dostawcami a państwowy odbiorca musi przyjąć całą wyprodukowaną przez niego energię - to nie fikcja, tak mówi polskie prawo lub prawo energetyczne.

Pompy wiatrowe 
Ludzie od stuleci wykorzystywali siłę wiatru do pobierania wody. W ciągu ostatniego wieku tysiące pomp wiatrowych było używanych w takich krajach jak Australia lub Stany Zjednoczone, aby dostarczyć wodę do celów rolniczych. W niemałym stopniu przyczyniły się one do rozwoju i bogactwa obu tych krajów. Wiele dzisiejszych pomp wiatrowych wywodzi się z modeli wynalezionych około stu lat temu. Stara technika pompowania wody z pomocą siły wiatru, rozwinęła się bardzo w ciągu ostatnich dwudziestu lat, dzięki nowoczesnej technice. Obecnie używanych jest około miliona tego typu urządzeń w różnych zakątkach naszego globu. 

O ich sukcesie zadecydowały:
- wyjątkowo niskie koszty eksploatacji 
- wypróbowana, solidna i ekologiczna technologia 
- niski koszt początkowy w porównaniu z innymi urządzeniami tego typu.

Za pomocą pomp wiatrowych można pompować wodę z wszelkiego rodzaju zbiorników zwłaszcza:
- studni (w tym głębinowych)
- otwartych zbiorników wodnych (stawy, jeziora, baseny)
- rzek, potoków 
- morza (np. do produkcji soli)
Pompy wiatrowe mogą pompować wodę na znaczne odległości i wzniesienia. Wydajność pompy zależy od prędkości wiatru, odległości na jaką ma być pompowana woda oraz od wielkości wyniesienia.
Warunki lokalizacji pomp wiatrowych

Większość pomp wiatrowych dzięki swej konstrukcji działa przy minimalnej prędkości wiatru. Sprawia to, że działają praktycznie wszędzie. Aby potwierdzić czy w wybranym miejscu występuje dostateczny wiatr należy przeprowadzić badania jego prędkości za pomocą anemometru. Aby dodatkowo zabezpieczyć się na wypadek braku wiatru, pompy te instaluje się wraz z dużym zbiornikiem wody umieszczonym na wzgórzu (pod ziemią) lub nad powierzchnią gruntu na terenach nizinnych. Pojemność instalowanego zbiornika jest na ogół równa 3 dniowemu zużyciu. 

Pompy wiatrowe w Europie Zachodniej 
Przyczyny dla których stosuje się pompy wiatrowe w Europie są inne niż w krajach trzeciego świata. Są one głównie stosowane tam gdzie nie potrzebne jest użycie drogiej wody wodociągowej o jakości zdatnej do picia. Dzięki pompom wiatrowym można używać o wiele tańszą wodę z rzek i otwartych zbiorników wodnych (np. do użycia przemysłowego, do nawadniania pól, szklarni itp). Jest to ważne szczególnie w takim kraju jak Polska gdzie zasoby wody pitnej są zastraszająco niskie. 
Kolejnym przypadkiem stosowania pomp wiatrowych jest pompowanie wody pitnej na terenach wyjątkowo cennych przyrodniczo (np. Parków Narodowych, Krajobrazowych, Rezerwatów itp.), gdzie ważne jest stosowanie rozwiązań nie mających negatywnego wpływu na środowisko naturalne. Pompy wiatrowe stosuje się również gdy konieczne jest przepompowanie wody na znaczne odległości lub wysokości a koszty tradycyjnych rozwiązań są wyjątkowo wysokie. Inne zastosowania:
- gospodarstwa rybne
- gospodarstwa ogrodnicze
- gospodarstwa ekologiczne
- zakłady przetwórcze i małe fabryki
- oczyszczalnie ścieków
- górnictwo

Energia ziemi
Ziemia, nagrzewana promieniami słońca, podgrzewana od środka przez rozżarzone jądro, stanowi ogromny magazyn energii wykorzystywanej dotychczas w niewielkim stopniu. Spośród tzw. odnawialnych źródeł energii ciepło pozyskiwane z ziemi rokuje chyba największe nadzieje dla zastosowań indywidualnych. Zwłaszcza ciepło niskotemperaturowe pochodzące z wierzchnich warstw gruntu już dziś pozwala na efektywne ogrzewanie domu. Wymaga jednak znacznych wydatków inwestycyjnych. Instalacja taka wyposażona jest w pompę ciepła, sieć wymienników gruntowych musi korzystać z energii elektrycznej wytwarzanej w inny sposób, ale zysk energetyczny przekracza trzy czterokrotnie pobór prądu. W instalacjach profesjonalnych efektywność pozyskiwania ciepła może być większa, gdyż korzystanie z głębokich odwiertów zapewnia wysoką temperaturę czynnika zasilającego pompę ciepła. W rejonach występowania wód geotermalnych energia ziemi wykorzystywana jest wprost, bez konieczności kompresji ciepła. 

Własny gaz
Rozkład substancji organicznych w środowisku beztlenowym powoduje wydzielanie metanu - gazu o wysokiej kaloryczności, który można wykorzystać do spalania w kotłach.
Popularnie nazywany jest biogazem, ze względu na biochemiczny sposób powstawania. Surowcem do jego wytwarzania mogą być odpadki z gospodarstw domowych, odchody ludzkie i zwierzęce. Proces rozkładu przyspieszają specjalne szczepy bakterii dodawane do masy organicznej. Praktycznie instalacje pozwalające na pozyskanie biogazu zakładane są na składowiskach śmieci, przy dużych fermach hodowlanych. W przydomowych szambach nie będą funkcjonowały ze względu na niewielką ilość odpadów organicznych z dużą zawartością wody. Do efektywnego wytwarzania biogazu niezbędna jest dość wysoka temperatura (20 - 40 oC), która przy dużej masie poddawanej rozkładowi utrzymuje się sama. Opłacalność wytwarzania istotnie spada, jeśli materiał trzeba dodatkowo podgrzewać np. w niskiej temperaturze, przy nadmiernej wilgotności. Biogaz można gromadzić w zbiornikach pod ciśnieniem i opalać nim standardowe kotły, piece.

Kondensacyjne inaczej
Do nowoczesnych, konwencjonalnych systemów ogrzewania należy energooszczędny system wodnego ogrzewania niskotemperaturowego wykorzystujący kondensacyjne kotły gazowe. Kocioł ma zamkniętą komorę spalania, z której gazy spalinowe poprowadzone są przez dodatkowy wymiennik ciepła.  Przekazuje on ciepło powracającej z instalacji centralnego ogrzewania schłodzonej wodzie, wstępnie ją podgrzewając. Dzięki temu zmniejsza się ilość ciepła potrzebna do podgrzania wody do właściwej temperatury przez główny palnik. Gazy spalinowe, przekazując ciepło powracającej z instalacji wodzie, schładzają się poniżej punktu rosy, co powoduje kondensację pary wodnej. Schłodzone spaliny wyprowadzane są instalacją kominowo-zasilającą (rura w rurze) - jest to następny wymiennik ciepła. Spaliny wyprowadzane są środkowym przewodem. Zewnętrzny to przewód zasilający kocioł, w którym powietrze dzięki jeszcze ciepłym spalinom jest wstępnie podgrzewane, zanim trafia do zamkniętej komory spalania. To dodatkowo wpływa na zmniejszenie zużycia paliwa. Cały ten skomplikowany mechanizm pozwala na uzyskanie przez kocioł sprawności rzędu 104-109 %. 
Zmniejszenie zużycia paliwa niesie ze sobą jednak problem powstawania dużej ilości skroplin. Schłodzenie spalin powoduje zanik naturalnego ciągu kominowego i wykraplanie się dużych ilości agresywnego kondensatu już w samym kotle. Dlatego przewody odprowadzające i kotły muszą być wykonane z materiałów odpornych na korozję. Kotły z powodu dużych ilości powstającego kondensatu wymagają szczelnych połączeń kominowych. Ciąg w przewodzie zapewniają wentylatory lub dmuchawy umieszczone na wlocie spalin do komina. Duże ilości skroplin odprowadzane są specjalną instalacją. Zebrane mogą zostać zneutralizowane lub, co jeszcze jest dopuszczalne w Polsce dla kotłów o mocy do 200 kW, odprowadzone do kanalizacji. Kotły są niewielkie, wiszące i dwufunkcyjne. Doskonale współpracują z wodnym ogrzewaniem podłogowym wspomaganym niskotemperaturowymi grzejnikami konwektorowymi. Kotły te są dużo droższe od konwencjonalnych systemów, ale poniesione koszty zwracają się dzięki mniejszym opłatom za paliwo.

Pompy ciepła
Pompy wykorzystują zależność temperatury wrzenia od ciśnienia oraz związek między parowaniem i skraplaniem a poborem i oddawaniem ciepła. Doprowadzenie cieczy do parowania w niskiej temperaturze powoduje, że pobiera ona ciepło z otoczenia, np. z wody, gruntu, powietrza. Podczas sprężania powstałej pary wzrasta jej temperatura. Rozprężanie pary wywoła jej skroplenie i oddanie ciepła, które można wykorzystać np. do podgrzewania wody. Pompa ciepła jest zasilana z sieci elektrycznej, ale pobiera niewiele energii, produkując jej kilkakrotnie więcej. Wskaźnik efektywności, czyli stosunek mocy pobranej do mocy uzyskiwanej, wynosi od 4 do 7, co oznacza, że przy poborze mocy 1 kW uzyskuje się od 4 do 7 kW energii cieplnej. 
W przypadku gdy korzystamy z energii elektrycznej wytwarzanej w elektrowni wodnej, wiatrowej lub innej wykorzystującej odnawialne źródła, możemy mówić o całkowicie ekologicznym systemie ogrzewania.
Sama pompa ciepła nie jest duża (wielkością zbliżona jest do przeciętnego stojącego kotła na konwencjonalne paliwa). Jej głównymi elementami są: sprężarka, wymienniki płytowe, armatura chłodnicza (termostatyczny zawór rozprężny, zawór zwrotny, elektrozawór, wziernik cieczy i zawory serwisowe) oraz urządzenia pomocnicze (pompy obiegowe, zawory elektrostatyczne). Wszystkie znajdują się w obudowie izolowanej od otoczenia materiałem izolacyjnym. Pracę pompy reguluje panel sterowniczy. 
Ciepło ze źródeł o niskiej temperaturze odbierają kolektory. Dolne źródło powinno mieć stałą temperaturę w ciągu całego roku. Najtańszym rozwiązaniem (ale najmniej efektywnym) jest wkopanie instalacji kolektorowej (rury z tworzyw sztucznych śr. 40-50 mm) poziomo w gruncie poza strefą przemarzania (głębokość ok. 1,5-2 m). Powierzchnia, na której jest wkopany kolektor, powinna być dwukrotnie większa od powierzchni, jaką chcemy ogrzać. Droższą i efektywniejszą w działaniu oraz zajmującą mniejszą powierzchnię jest metoda umieszczenie kolektora pionowo, tak aby końcówki rur spoczywały na głębokości ok. 40 m. Taka instalacja zapewnia stałość temperatury nawet w czasie ostrej zimy. Rurowy kolektor można też umieścić w zbiornikach wodnych, kolektorach ścieków itp.
W instalacji wymiennika krąży w obiegu zamkniętym niezamarzająca ciecz, np. solanka o temperaturze niższej od temperatury dolnego źródła. Dolnym źródłem ciepła może być również woda ze studni głębinowej: przepływa ona między dwiema studniami.

Uwaga! 
Kierunek cyrkulacji wody pomiędzy studniami musi być zgodny z przepływem wód gruntowych. Pompy ciepła mogą być jedno obiegowe - zasilają tylko instalację ogrzewania o temperaturze wody do 55oC, lub dwu obiegowe - z drugim obiegiem wysokotemperaturowym do ogrzewania c.w.u. o temperaturze 70-80oC.

autor: System Gaz (2019)
© Copyright systemgaz.com.pl 2019
wszelkie prawa zastrzeżone, dystrybucja, kopiowanie bez zgody autora zabronione.