Udvikling af langtidsvarmelager til solvarmeanlæg i enfamilieshus

Transkript

1 Udvikling af langtidsvarmelager til solvarmeanlæg i enfamilieshus Mark Dannemand Postdoc. Danmarks Tekniske Universitet Institut for byggeri og Anlæg Brovej Bygning Kgs. Lyngby Phone: markd@byg.dtu.dk

2 Energiforsyning Source: Source: Drivhusgasser Ressourcer Luftforurening Klimaforandringer Vedvarende Fornybar Ren Bæredygtigt 2

3 Energi varme/strøm 80 % Energistatistik 2015, Energistyrelsen. 3

4 Hvad er problemet så? 4 Spredt/sporadisk Daglig variation Sæson udsving Energilagring

5 Energilagring Strøm eller Varme Elektrisk lagring Livscyklus! Termodynamisk vandalisme? Kompakt effektiv varmelager Faseskiftmaterialer PCM Varmelagring Vand Varme til varme Kontinuertligt varmetab 5

6 6 Faseskiftmaterialer (PCM)

7 Natriumacetat trihydrat Materialedata: Smeltepunkt: 58 C Smeltevarme: 265 kj/kg Specifik varme cp(væske): 3,1 kj/kgk Specifik varme cp(fast): 2,2 kj/kgk Densitet: kg/m 3 7 Billigt Sikkert Underafkøler

8 En ide Heat pack håndvarmer Kog i 10 minutter Put i tasken gå en tur Bøj metal disk varm hænderne Kan vi lave en stor nok til at opvarme et hus? 8

9 Princip for langtidsvarmelagring: Stabil underafkøling Minimum temperatur for stabil underafkøling ~80 C I alle dele af lager Forbliver i flydende tilstand under smeltepunktet E charge Smeltevarme lagret Lagrings periode i flere måneder Smeltevarme frigivet Når størkningen startes 9

10 Materialeoptimering Natriumacetat trihydrat NaCH 3 COO 3H 2 O 60% Natriumacetat + 40% H 2 O Ekstra vand princip 55% natriumacetat + 45% H 2 0 Underafkølet NAT Underafkølet NAT + H 2 O Tilsætningsstoffer Fortykkelsesmiddel Grafit Underafkølet NAT + CMC Underafkølet NAT + CMC + Grafit 10

11 11 Forsøgsfaciliteter

12 12..r ~)> '1)> X ~o *Q qn.. v~ 0~ (l~ /?. 7<:>/ ~h (c,r~. /(\ ~(l - /0' e> ~ r~lc$)l T~ ~ Heat content [kj/kg].-.- i- I-' t'-' N N N O'\ -:I 00 \0 0,_. N W Småskala forsøg Varmeindhold </9, 0(7 ttt~

13 Starte krystallisering Den første krystal > Størkningen gror fra den første krystal NaCH 3 COO. 3H 2 O

14 Varmebehov. 7 dage uden sol Rumvarme Q = 500 W Varmt vand: 100 liter per dag a 40 C Kold vand temperature 10 C 2 tons underafkølet natriumacetat trihydrat

15 System design varmtvandsbeholder PCM storage Space heating auxiliary Radiator

16 Test stand T o Beregninger Effekt: T s Varmetabskoefficient (steady state): T amb Varmeindhold: Varmeoverføringsevne: T i 16

17 Lagertank design - Sandwich Lukket PCM kammer Simplet PCM kommer Intern og ekstern ekspansionsbeholder intet opbygning af tryk Varmeveksler på overfalde, top og bund Dimension: 240 x 120 cm Kammer højde: 5 cm NAT med extra vand : 200 kg NAT med CMC: 220 kg 17

18 Storage unit design - Sandwich TOP MANIFOLD TOP UD 14 Parallelle kanaler TOP IND TOP MANIFOLD 18

19 Test forløb Indløb temp. Flow rate Periode Opladning 92 C 21 l/min 8-20 timer Afladning 25 C 4 l/min 8 timer Stabil underafkøling Omgivelserne - Dage-måneder Aktivering-afladning 25 C 4 l/min 6-8 timer Varmetabskoefficient i stabil periode: 8 W/K E oplade, H20 = 26 kwh E under, H20 = 10 kwh E oplade, CMC = 30 kwh E under, CMC = 13 kwh 19

20 Cylinder enhed 150 cm Rustfrit stål/ Aluminium finner 116 kg NAT mix inkl. 6% ekstra vand 116 kg NAT mix inkl. 0.5% Xanthan gummi og 5% grafit pulver 20

21 Varmeoverføringsevne, opladning NAT med ekstra vand vs. NAT med tilsætningsstoffer Storage medium Start temp. T start Max temp. T max Flow rate Vሶ Varme element ሶ Q / T in Varmeindhold E storage Opladningstid t SAT + ekstra vand (SATH2O) 19 C 85 C 7.3 l/min ~ 6 kw / 87 C 46 MJ 308 min SAT + additives (SATXC) 23 C 91 C 7.4 l/min ~ 6 kw / 95 C 50 MJ 376 min 21

22 Afladning af smeltevarme effekt og temperaturer Lager medium Start temp. T super Indløb temp. T i Flow rate Vሶ Afladt varme E Storage SAT + ekstra vand (SATH2O) 19 C C 5.7 l/min 17 MJ SAT + additives (SATXC) 25 C C 5.7 l/min 25 MJ 22

23 Prototype - konklusioner Princippet om at udnytte stabil underafkøling til langtidslagring af varme virker. Varmeoverføringsevne reduceres når fortykkelsesmidler er tilsat. Varme frigivet fra NAT med ekstra vand reduceres over gentagende opvarmning og afkøling pga. faseseparation Varme frigivet fra krystalliseringen af NAT med fortykkelsesmiddel er stabilt over gentagende opvarmning og afkøling selv i en høj tank. Støre varmeindhold, afladningseffekt og temperatur opnås fra NAT blandinger med fortykkelsesmiddel frem for ekstra vand. 23

24 Demonstrationsanlæg Location: Solar heating test facility of Technical University of Denmark

25 Demonstrations system T4e PC I *Tv ' ' lduocontioisystun l H..tB T4 T7 TIO -r. Jiu=nn,J T5 TB ~æ,hsat *F7 b-ug,,a,møl Dom,mic Hot Waur (DHW) Salrlager 3 S:zltlagør 1 Salrlagør l

26 Demonstrationsanlæg 4 dages opladning med solenergi Passiv afladning til omgivelsernes temperatur 1 spontan krystallisation 3 stabile moduler aktiveret

27 Demonstrationsanlæg - konklusion Stabil underafkøling kan opnås ved at smelte NAT blandinger med varme fra solfangere

28 Videre udvikling Reducere pris billigere tank materiale, design, produktion Identificere attraktive løsninger til energisystemet Solvarmesystemer med lavpriselektricitet Varmepumpesystemer Forbedret driftsbetingelser, øget COP Forskydning af elforbrug ift. varmebehov

29 Udvikling af langtidsvarmelager til solvarmeanlæg i enfamilieshus Mark Dannemand Postdoc. Danmarks Tekniske Universitet Institut for byggeri og Anlæg Brovej Bygning Kgs. Lyngby Phone: markd@byg.dtu.dk