Аккумулирование тепловой энергии (АТЭ) происходит благодаря широкому спектру технологий. В зависимости от конкретной технологии, оно дает возможность хранить и использовать избыточную тепловую энергию в течение нескольких часов, дней или даже нескольких месяцев в масштабах, характерных для использования отдельными пользователями, строительства (в том числе – крупномасштабного), использования в рамках округа, города или региона. Примеры использования – балансировка спроса на энергию между дневным и ночным временем, хранение летнего тепла для отопления зимой или зимнего холодного воздуха для кондиционирования воздуха. Среди средств хранения – емкости для хранения воды или льда, массы материнской почвы или коренная порода, связанная с теплообменниками с помощью буровых скважин, глубоколежащие водоносные горизонты, находящиеся между непроницаемыми слоями; мелкие ямы, заполненные гравием и водой и изолированные в верхней части; также средствами хранения могут быть эвтектические растворы и солевые грелки.
Другими источниками тепловой энергии для хранения могут быть тепло или холод, произведенный тепловыми насосами во внепиковые периоды производства дешевой электроэнергии, практика, известная как ограничение пика нагрузки; тепло от теплоэлектроцентралей; тепло, произведенное возобновляемыми источниками энергии, превышающими потребности электросетей, и бросовое тепло от промышленных процессов. Как сезонное, так и кратковременное хранение тепла считается важным средством для дешевого балансирования высокой доли разнообразных возобновляемых источников энергии и интеграции электроэнергетического и теплоэнергетического секторов в энергосистемах для достижения 100 % доли возобновляемой энергии.
Аккумулирование солнечной энергии
Самые активно применяемые системы солнечного отопления могут хранить энергию сроком от нескольких часов до нескольких дней. Однако, наблюдается рост числа мощностей, использующих сезонное аккумулирование тепловой энергии (САТЭ), что позволяет хранить солнечную энергию летом, чтобы использовать ее для отопления помещений в зимний период. Солнечное сообщество Дрэйк Лэнлинг из провинции Альберта в Канаде сейчас научилось использовать 97 % солнечной энергии круглый год, что является рекордом, ставшим возможным только благодаря использованию САТЭ.
Использование как скрытой, так и явной теплоты также возможно в высокотемпературных системах приема солнечной тепловой энергии. Различные эвтектические смеси металлов типа Алюминия и Кремния (AlSi12) предлагают высокую точку плавления для эффективного производства пара, в то время как глиноземные смеси на основе цемента предлагают хорошие свойства хранения тепла.
Технология расплава солей
Явная теплота расплава солей также используется для хранения солнечной энергии при высоких температурах. Расплавы солей могут применяться в качестве метода аккумулирования остаточной тепловой энергии. На данный момент это – коммерческая технология для хранения тепла, собранного гелиоконцентраторами (к примеру, с СЭС башенного типа или параболоцилиндров). Тепло позднее может быть преобразовано в перегретый пар для питания обычных паровых турбин и выработки электричества в плохую погоду или ночью. Это было продемонстрировано в 1995—1999 годах в рамках проекта «Solar Two». Оценки 2006 года предсказывали годовую эффективность в 99 %, ссылаясь на сравнение энергии, сохраненной в виде тепла перед преобразованием в электричество и преобразования тепла в электричество напрямую. Используются различные эвтектические смеси солей (к примеру, нитрат натрия, нитрат калия и нитрат кальция). Использование таких систем в качестве среды переноса тепла заметно в химической и металлургической промышленности.
Соль плавится при 131C (268F). Она хранится в жидком состоянии при 288C (550F) в изолированных «холодных» емкостях для хранения. Жидкая соль перекачивается через панели солнечного коллектора, где сфокусированное солнечное тепло нагревает ее до 566C (1 051F). Затем оно отправляется в горячую емкость для хранения. Сама изоляция емкости может использоваться для хранения тепловой энергии в течение недели. В случае потребности в электричестве, горячий расплав солей перекачивается в обычный парогенератор для производства перегретого пара и запуска стандартной турбогенераторной установки, используемой на любой угольной, нефтяной или атомной электростанции. Турбина мощностью в 100 МВт потребует емкость высотой в 9,1 м (30 футов) и диаметром 24 м (79 футов) для ее запуска в течение четырех часов по подобному принципу.
В разработке находится единый бак с разделительной плитой для сохранения и холодного, и горячего расплава солей. Гораздо более экономичным будет достижение на 100 % большего количества хранения энергии на единицу объема в сравнении со сдвоенными емкостями, так как емкость для хранения расплава солей достаточно дорога из-за сложной конструкции. Солевые грелки также используются для хранения энергии в расплавах солей.
Несколько параболоцилиндрических электростанций в Испании и «Solar Reserve» — разработчик солнечных электростанций башенного типа использует этот концепт для хранения тепловой энергии. Электростанция Солана в США может хранить в расплавах солей энергию, которая вырабатывается 6 часов. Летом 2013 года на электростанции «Gemasolar Thermosolar», работающей и как гелиоконцентратор, и как электростанция на расплавах солей в Испании, впервые удалось непрерывного производства электричества в течение 36 дней.
Накопление тепла в емкостях и пещерах в скалах
Паровой аккумулятор состоит из изолированного стального резервуара высокого давления, содержащего горячую воду и пар под давлением. В качестве метода для хранения тепла он используется для того, чтобы уравновешивать производства тепла изменчивыми или стабильными источниками при изменяющемся спросе на тепло. Паровые аккумуляторы могут стать действительно необходимыми для накопления энергии в проектах, связанных с тепловой солнечной энергией.
Крупные накопители широко применяются в Скандинавии для хранения тепла в течение нескольких дней, разделения производства тепла и энергия и помощи в удовлетворении пикового спроса. Исследовалось (и оказалось экономически выгодным) межсезонное аккумулирование тепла в пещерах.
Накопление тепла в горячей породе, бетоне, гальке и т.д.
Вода обладает одной из самых высоких теплоемкостей – 4,2 Дж/см3*К, тогда как бетон обладает лишь одной третью от этого значения. С другой стороны, бетон может нагреваться до гораздо более высоких температур – 1200C за счет, например, электронагрева и, таким образом, обладает гораздо большей общей емкостью. Следуя из примера далее, изолированный куб примерно 2,8 м в поперечнике может оказаться способным обеспечивать достаточный объем хранимого тепла для одного дома, чтобы удовлетворить 50 % потребности в отоплении. В принципе, это может быть использовано для хранения избыточной ветряной или фотоэлектрической тепловой энергии благодаря способности электронагрева к достижению высоких температур. На уровне округов международное внимание привлек проект «Виггенхаузен-Зюд» в немецком городе Фридрисхафене. Это – железобетонный теплоаккумулятор объемом в 12 000 м3 (420 000 куб.фт.), соединенный с комплексом солнечных коллекторов площадью 4 300 м2 (46 000 квадр. фт), наполовину обеспечивающих потребность в горячей воде и отоплении у 570 домов. Компания «Siemens» строит под Гамбургом хранилище тепла емкостью 36 МВТ*ч, состоящее из базальта, разогретого до 600C, и выработкой энергии в 1,5 МВт. Схожая система планируется для постройки в датском городе Сорё, где 41-58 % накопленного тепла емкостью в 18 МВт*ч будет передаваться для центрального теплоснабжения города, а 30-41 % — как электричество.
Технология сплава на границе растворимости
Сплавы на границе растворимости основаны на изменении фазы металла с целью хранения тепловой энергии.
Вместо того, чтобы перекачивать жидкий металл между емкостями, как в системе с расплавом солей, металл заключается в капсулу из другого металла, с которым не может сплавиться (не поддающийся смешению). В зависимости от выбора двух материалов (материал, меняющий фазу и материал капсулы), плотность хранения энергия может оставлять 0,2-2 МДж/л.
Рабочая среда, как правило – вода или пар, используется для передачи тепла к и от сплава на границе растворимости. Теплопроводность таких сплавов зачастую выше (до 400 Вт/м*К), чем у конкурирующих технологий, что означает более быструю возможную «загрузки» и «разгрузки» теплового хранилища. Технология еще не реализована для использования в промышленных масштабах.
Электротермические накопители
Электроаккумуляционные печи – обычное дело для европейских домов с регистрацией электропотребления с учетом времени суток (чаще всего использующие более дешевое электричество ночью). Они состоят из керамических кирпичей высокой плотности или феолитовых блоков, нагретых электричеством до высоких температур, которые могут иметь или не иметь хорошую изоляцию и контролируют высвобождение тепла через определенное число часов.
Технологии с использованием льда
Разрабатывается ряд технологий, где лед производится во внепиковые периоды и позднее используется для охлаждения. К примеру, кондиционирование воздуха может быть экономичнее за счет использования дешевого электричества ночью для заморозки воды и последующего использования холодильной мощности льда днем для уменьшения количества энергии, требуемой для поддержания кондиционирования воздуха. Аккумулирование тепловой энергии с применением льда использует высокую теплоту плавления воды. Исторически лед перевозили с гор в города, чтобы использовать его, как охладитель. Одна метрическая (= 1 м3) тонна воды может хранить 334 миллиона джоулей (Дж) или 317 000 Британских термических единиц (93 кВт*ч). Относительно небольшой накопитель может хранить достаточно льда, чтобы охлаждать крупное здание целый день или неделю.
Помимо применения льда для прямого охлаждения, он также используется в тепловых насосах, на которых работают системы отопления. В этих сферах изменения энергии фазы обеспечивают очень серьезный теплопроводный слой, близкий к нижнему порогу температур, при котором может работать тепловой насос, использующий теплоту воды. Это позволяет системе переносить серьезнейшие отопительные нагрузки и увеличивать промежуток времени, в течение которого элементы источников энергии могут возвращать тепло в систему.
Сверхпроводящий накопитель энергии
В этом процессе используется разжижение воздуха или азота, как способ хранения энергии.
Первая система накопления энергии при сверхнизких температурах, использующая жидкий воздух в качестве накопителя энергии, а низкопробное бросовое тепло – для запуска повторного теплового расширения воздуха, работает на электростанции в городе Слау (Великобритания) с 2010 года.
Технологии на основе горячего кремния
Твердый или расплавленный силикон предлагает гораздо более высокие температуры хранения, чем соли, а значит – и большие емкость и КПД. Он был исследован, как, возможно, гораздо более эффективная технология хранения энергии. Кремний способен хранить более 1 МВт*ч энергии на м3 при температуре в 1400C.
Накопление электричества после накачки теплом
В случае накопления электричества после накачки теплом (НЭПНТ) двухсторонняя теплонасосная система используется для сохранения энергии за счет разницы температур между двумя накопителями тепла.
Система от «Isentropic»
Система, которая была разработана ныне обанкротившейся британской фирмой «Isentropic», работала так, как указано ниже. Она включала в себя два изолированных контейнера, заполненных измельченной породой или гравием; нагретый сосуд, хранящий тепловую энергию при высокой температуре и давлении, и холодный сосуд, хранящий тепловую энергию при низкой температуре и давлении. Сосуды соединены трубами вверху и внизу, а вся система заполнена инертным газом аргоном.
Во время цикла зарядки система использует внепиковое электричество для работы в качестве теплового насоса. Аргон из верхней части холодного сосуда при температуре и давлении, сравнимыми с атмосферными, адиабатически сжимается до давления в 12 бар, нагреваясь до примерно 500C (900F). Сжатый газ перегоняется в верхнюю часть нагретого сосуда, где он просачивается сквозь гравий, передавая свое тепло породе и охлаждаясь до температуры окружающей среды. Охлажденный, но все еще находящийся под давлением, газ оседает на дне сосуда, где снова расширяется (опять же адиабатически) до 1 бара и температуры в -150C. Затем холодный газ проходит через холодный сосуд, где охлаждает породу, нагреваясь до своего изначального состояния.
Энергия снова превращается в электричество при обратном проведении цикла. Горячий газ из нагретого сосуда расширяется, чтобы запустить генератор, и затем отправляется в холодное хранилище. Охлажденный газ, поднявшийся со дна холодного сосуда, сжимается, нагревая газ до температуры окружающей среды. Затем газ направляется ко дну нагретого сосуда, чтобы снова подвергнуться нагреванию.
Процессы сжатия и расширения обеспечиваются специально разработанным поршневым компрессором, использующим скользящие клапаны. Дополнительное тепло, вырабатываемое в ходе недостатков процесса, уходит в окружающую среду через теплообменники во время цикла разрядки.
Разработчик заявляет, что КПД цикла в 72-80 % вполне реален. Это позволяет сравнивать его с накоплением энергии от ГАЭС, КПД которого составляет свыше 80 %.
Другая предлагаемая система использует турбины и способна работать с гораздо большими объемами энергии. Использование солевых грелок в качестве накопителя энергии позволит продвинуть исследования вперед.
Эндотермические и экзотермические химические реакции
Технология на основе гидратов солей
Примером экспериментальной технологии накопления энергии на основе энергии химических реакций является технология на основе гидратов солей. Система использует энергию реакции, создаваемой в случае гидратации или дегидратации солей. Это работает благодаря хранению тепла в резервуаре, содержащем 50 %-ный раствор гидроксида натрия. Тепло (к примеру, получаемое с солнечного коллектора) хранится за счет испарения воды в ходе эндотермической реакции. Когда воду добавляют вновь, в ходе экзотермической реакции при 50C (120F) высвобождается тепло. На данный момент системы работают с КПД в 60 %. Система особенно эффективна для сезонного накопления тепловой энергии, так как высушенная соль может храниться при комнатной температуре длительное время без потерь энергии. Контейнеры с обезвоженной солью даже могут перевозиться в различные места. Система обладает большей плотностью энергии, чем тепло, накопленное в воде, а ее мощность позволяет хранить энергию в течение нескольких месяцев или даже лет.
В 2013 году голландский разработчик технологий «TNO» представил результаты проекта «MERITS» по хранению тепла в контейнере с солью. Тепло, которое может доставляться с солнечного коллектора на плоскую крышу, выпаривает воду, содержащуюся в соли. Когда воду добавляют снова, тепло высвобождается практически без потерь энергии. Контейнер с несколькими кубометрами соли может хранить достаточно термохимической энергии, чтобы обогревать дом всю зиму. При температурном режиме, как в Нидерландах, среднее теплоустойчивое хозяйство потребует за зиму примерно 6,7 ГДж энергии. Чтобы сохранить столько энергии в воде (при разнице температур в 70C), потребовалось бы 23 м3 воды в изолированном резервуаре, что превышает возможности хранения большинства домов. С использованием технологии на основе гидрата солей с плотностью энергии около 1 ГДж/м3, достаточно было бы 4-8 м3.
По состоянию на 2016 год, исследователи из нескольких стран проводят эксперименты по определению наилучшего типа соли или смеси солей. Низкое давление внутри контейнера кажется наилучшим для передачи энергии. Особенно перспективными являются органические соли, так называемые «ионные жидкости». По сравнению с сорбентами на основе галида лития они вызывают гораздо меньше проблем в условиях ограниченных природных ресурсов, а в сравнении с большинством галидов и гидроксидом натрия – менее едки и не дают негативного воздействия через выбросы углекислого газа.
(2 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Если у вас в доме имеется котельная установка, работающая на твердом топливе, то вам должно быть известно, что она не способна функционировать долгое время без вмешательства человека. Это обусловлено необходимостью периодически загружать дрова в топку. Если этого вовремя не сделать, то система начнет остывать, а температура в комнатах будет понижаться.
Если отключится электроэнергия при разгоревшейся топке, то возникнет опасность закипания воды в рубашке оборудования, следствием чего станет ее разрушение. Данные проблемы можно решить методом установки теплоаккумулятора. Он выполняет еще и роль защиты установок из чугуна от растрескивания, когда происходит резкий перепад температуры сетевой воды.
Использование теплоаккумулятора в быту
Аккумулятор тепловой стал для многих современных систем отопления незаменимым устройством. С помощью данного дополнения можно обеспечить накапливание избытка энергии, вырабатываемой в котле и обычно расходуемой напрасно. Если рассматривать модели теплоаккумуляторов, то большинство из них имеют вид стального бака, который обладает несколькими верхними и нижними патрубками. К последним подключается источник тепла, тогда как к первым - потребители. Внутри находится жидкость, которую можно использовать для решения разных задач.
Аккумулятор тепловой используется в быту довольно часто. В основе его работы лежит внушительная теплоемкость воды. Функционирование данного прибора можно описать следующим образом. К верхней части бака подключается трубопровод котельного оборудования. В бак поступает горячий теплоноситель, который оказывается нагретым максимально.
Циркулирующий насос находится снизу. Он вбирает холодную воду и запускает по системе отопления, направляя в котел. Остывшая жидкость в течение короткого времени сменяется нагретой. Как только котел перестает работать, теплоноситель начинает остывать в трубах и трубопроводных магистралях. Вода попадает в бак, где начинает вытеснять горячий теплоноситель в трубы. Обогрев помещения будет продолжаться еще в течение некоторого времени по такому принципу.
Роль теплоаккумулятора
Аккумулятор тепловой в быту способен выполнять множество полезных функций, среди них:
- стабилизация температурного режима в доме;
- обеспечение помещений горячим водоснабжением;
- увеличение коэффициента полезного действия системы до максимально возможного;
- снижение денежных затрат на топливо;
- накапливание избыточной энергии от котла;
- объединение нескольких источников тепла в один контур;
- возможность разъединения источников тепла.
Что еще необходимо знать об особенностях использования в быту
На сегодняшний день известно несколько методик расчета объема резервуара. Как показывает опыт, на каждый киловатт мощности оборудования необходимо 25 л воды. Коэффициент полезного действия котла, который предусматривает необходимость наличия системы отопления с аккумулятором тепла, повышается до 84%. Пик горения нивелируется, за счёт этого энергоресурсы экономятся в объеме до 30%.
Аккумулятор тепловой обеспечивает сохранение температуры благодаря надежной теплоизоляции из вспененного полиуретана. Дополнительно предусмотрена возможность монтажа ТЭНов, которые позволяют при необходимости нагревать воду.
Когда нужен теплоаккумулятор
Аккумулирование тепла необходимо при большой потребности в водоснабжении. Этот случай распространяется на коттеджи, в которых проживает более 5 человек.
Аккумулирование тепла необходимо и в тех домах, где два санузла. Тепловой аккумулятор требуется и при использовании котлов на твердом топливе. Описываемые приборы сглаживают работу оборудования в часы высоких нагрузок, собирая излишки тепла и исключая закипание. С помощью подобного устройства можно увеличить время между закладками топлива.
Другие виды аккумуляторов тепла
Тепловой аккумулятор для автомобиля тоже может быть использован. Он представляет собой термос, который обеспечивает легкий запуск двигателя при низких температурах. Этот прибор накапливает и отдает тепло. Работает он автономно и почти не требует приложения дополнительной энергии. Принцип его работы заключается в том, что антифриз нагревается от работающего двигателя до 90°С, а если его поместить в тепловой аккумулятор, то он будет оставаться горячим ещё в течение двух суток.
Перед тем как запустить холодный двигатель, потребителю нужно будет включить электронасос, который закачает жидкость в двигатель. Уже через несколько минут мотор окажется прогретым, а значит, его можно будет подключить к автомобильной сигнализации.
Тепловой аккумулятор для ракет "Земля-Воздух" тоже был изобретён. Его производство было налажено, что удалось увеличить эффективность ПВО. Сегодня тепловые аккумуляторы, к сожалению, могут использоваться для создания заминированных машин, которые управляются дистанционно.
Изготовление теплоаккумулятора своими руками
Наиболее простую модель аккумулятора можно изготовить самостоятельно, при этом следует руководствоваться принципами работы термоса. За счёт стенок, которые не проводят тепло, жидкость долго будет оставаться горячей. Для работы следует подготовить:
- скотч;
- бетонную плиту;
- теплоизоляционный материал;
- медные трубки или ТЭНы.
Когда изготавливается при выборе бака необходимо учитывать желаемую емкость, она должна начинаться от 150 л. Можно подобрать любую металлическую бочку. Но если выбрать объём меньше упомянутого, то смысл теряется. Емкость подготавливается, изнутри удаляется пыль и мусор, участки, где начала образовываться коррозия, необходимо обработать соответствующим образом.
Методика проведения работ
На следующем этапе необходимо подготовить утеплитель, его нужно будет обернуть вокруг бочки. Он станет отвечать за сохранение тепла. Для самодельной конструкции отлично подходит минеральная вата. С внешней стороны ею окутывается бак, а после вся конструкция защищается скотчем. Дополнительно поверхность можно накрыть фольгированной пленкой или металлом.
Когда выполняется тепловой аккумулятор для отопления, важно обеспечить подогрев воды внутри, для этого обычно используется один из существующих способов. Это может быть установка электрических ТЭНов или змеевика, по которому будет пускаться вода. Первый вариант нельзя назвать безопасным, кроме того, он достаточно сложный в реализации, поэтому от него лучше отказаться. А вот змеевик вы можете выполнить из медной трубки, диаметр которой варьируется в пределах от 2 до 3 см.
Длина изделия может быть равна пределу от 8 до 15 мм. Из трубки собирается спираль, которую нужно поместить внутрь емкости. В данной модели аккумулятором выступит верхняя часть бочки. Снизу необходимо расположить еще один патрубок, который будет вводным. Через него станет поступать холодная вода. Патрубки следует дополнить кранами.
На этом можно считать, что простое устройство теплоаккумулятора готово к эксплуатации, но для начала необходимо решить вопрос, связанный с пожарной безопасностью. Такая установка должна располагаться на бетонной плите, ее по возможности отгораживают стенками.
Заключение
Тепловой аккумулятор для ракеты - это устройство, которое далеко от понимания обычного потребителя. А вот теплоаккумулятор для системы отопления вы вполне сможете подключить самостоятельно. Для этого транзитом через бак должен будет проходить обратный трубопровод, на концах которого предусмотрены выход и вход.
На первом этапе между собой следует соединить бак и обратку котла. Между ними располагается циркуляционный насос, он будет перегонять теплоноситель из бочки в отсекающий кран, отопительные приборы и расширительный бак. Со второй стороны устанавливается циркуляционный насос и отсекающий кран.
Тепловой аккумулятор – устройство, предназначенное для накопления тепловой энергии с целью ее использования в домах, зданиях, на промышленном производстве.
Тепловой аккумулятор или, как его иногда еще называют – буферная емкость – ни что иное, как обыкновенная бочка (круглая или квадратная). Но бочка эта не простая, а волшебная.
Она способна экономить ваши деньги и создавать комфортную температуру в доме. У самой простой модификации теплового аккумулятора два выхода вверху и два внизу. Что еще может быть проще? Про тепловой аккумулятор наслышаны многие, но когда и как его применить, сэкономив при этом на отоплении, знают далеко не все.
Когда выгодно выполнить монтаж теплового аккумулятора:
У вас стоит твердотопливный котел;
Вы отапливаетесь электричеством;
В помощь к отоплению добавлены солнечные коллекторы;
Есть возможность утилизировать тепло от агрегатов и машин.
Самый распространенный случай применения теплового аккумулятора, когда в качестве источника тепла используется твердотопливный котел. Тот, кто пользовался твердотопливным котлом для отопления своего дома знает, какого комфорта можно добиться с помощью подобной отопительной системы. Затопил – разделся, прогорел – оделся. По утрам в доме с таким источником тепла не хочется вылазить из-под одеяла. Регулировать процесс горения в твердотопливнос котле очень трудно.Топить нужно и при +10С, и при -40С. Горение и количество выделяемого тепла будет одинаковым, только вот этого самого тепла нужно совсем по-разному. Что же делать? О каком КПД может идти речь, когда при плюсовой температуре приходится открывать окна. Ни о каком комфорте и речи быть не может.
Схема монтажа твердотопливного котла с тепловым аккумулятором – идеальное решение для частного дома, когда хочется и уюта, и экономии. При подобной компановке вы растапливаете твердотопливный котел, нагреваете воду в тепловом аккумуляторе и получаете столько тепла, сколько вам нужно. При этом котел будет работать на максимальной мощности и с наибольшим КПД. Сколько тепла дадут дрова или уголь, столько и запасете.
Второй вариант. Монтаж теплового аккумулятора с электрокотлом. Данное решение сработает, если у вас имеется двухтарифный электросчетчик. Запасаем тепло по ночному тарифу, расходуем и днем, и ночью. Если вы решили применить такую систему обогрева, лучше поискать тепловой аккумулятор с возможностью установки электротена прямо в бочку. Электротен стоит дешевле электрического котла, да и материала для обвязки котла не потребуется. Минус работа по монтажу электрокотла. Представляете сколько можно сэкономить?
Третий вариант, когда имеется солнечный коллектор. Весь избыток тепла можно скидывать в тепловой аккумулятор. В демисезонье получается отличная экономия.
Расчет теплового аккумулятора
Формула расчета очень простая:
Q = mc(T2-T1), где:
Q - накопленная теплота;
m - масса воды в баке;
с - удельная теплоемкость теплоносителя в Дж/(кг*К), для воды равная 4200;
Т2 и Т1 - начальная и конечная температуры теплоносителя.
Допустим, у нас радиаторная система отопления. Радиаторы подобраны под температурный режим 70/50/20. Т.е. при опускании температуры в баке аккумулятора ниже 70С, мы начнем испытывать недостачу тепла, то есть попросту замерзать. Давайте расчитаем, когда это произойдет.
90 – это наши Т1
70 – это Т2
20 – температура в помещении. Она нам в расчете не понадобится.
Допустим, у нас тепловой аккумулятор на 1000 литров (1м3)
Считаем запас тепла.
Q =1000*4200*(90-70)=84 000 000 Дж или 84 000 кДж
1 кВт-ч = 3600 кДж
84000/3600=23,3 кВт тепла
Если теплопотери дома – 5 кВт в холодную пятидневку, то нам хватит запасенного тепла почти на 5 часов. Соответственно, если температура выше расчетной на холодную пятидневку, то теплового аккумулятора будет достаточно на более продолжительное время.
Подбор объема теплового аккумулятора зависит от ваших задач. Если необходимо сгладить температуру, ставим небольшой объем. Если требуется накопить тепло вечером, чтобы утром проснуться в теплом доме, нужен большой агрегат. Пусть стоит вторая задача. С 2300 до 0700 – должен быть запас тепла.
Предположим, что теплопотери – 6 кВт, а температурный режим системы отопления – 40/30/20. Теплоноситель в тепловом аккумуляторе может разогреться до 90С
Время запаса 8 часов. 6*8=48 кВт
M = Q /4200*(Т2-Т1)
48*3600=172800 кДж
V =172800/4200*50=0,822 м3
Тепловой аккумулятор от 800 до 1000 литров удовлетворит нашим требованиям.
Плюсы использования теплового аккумулятора в доме с утеплением
Если на вашем участке нет народного достояния – магистрального газа, впору задуматься о правильной системе отопления. Самое лучшее время, когда только готовится проект, а самое неподходящее – когда вы уже живете в доме и поняли, что отопление обходится очень дорого.
Идеальный дом для монтажа твердотопливного котла и теплового аккумулятора – это здание с хорошим утеплением и низкотемпературной системой отопления. Чем лучше утепление, тем меньше теплопотери и тем дольше ваш тепловой аккумулятор сможет поддерживать комфортное тепло.
Низкотемпературная система отопления. Выше мы привели пример с радиаторами, когда температурный режим составлял 90/70/20. При низкотемпературном режиме условия будут – 35/30/20. Почувствуйте разницу. В первом случае уже при понижении температуры ниже 90 градусов вы почувствуете недостачу тепла. В случае с низкотемпературной системой, можно спокойно спать до утра. Зачем быть голословным. Предлагаем просто посчитать выгоду.
Способ мы просчитали выше.
Вариант с низкотемпературной системой отопления
Q =1000*4200*(90-35)=231 000 000 Дж (231000 кДж)
231000/3600=64,2 кВт. Это почти в три раза больше при одинаковом объеме теплового аккумулятора. При теплопотерях – 5 кВт такого запаса хватит на всю ночь.
А теперь о финансах. Допустим, мы смонтировали тепловой аккумулятор с электрическими тенами. Запасаем по ночному тарифу. Мощность тенов – 10 кВт. 5 кВт уходит на текущий обогрев дома в ночное время, 5 кВт мы можем запасти на день. Ночной тариф с 23-00 до 07-00. 8 часов.
8*5=40 кВт. Т.е. днем мы будем пользоваться в течении 8-ми часов ночным тарифом.
С 1 го января 2015 года в Краснодарском крае дневной тариф составляет 3,85, ночной – 2,15.
Разница – 3,85-2,15=1,7 рубля
40*1,7=68 рублей. Сумма кажется маленькой, но не спешите. Выше мы давали ссылки на утепленный дом и неутепленный. Представим, что вами сделана ошибка – дом построен, вы уже прошли первый отопительный сезон и поняли, что отопление электричеством обходится очень дорого. Выше мы привели пример теплопотерь неутепленного дома. В примере теплопотери составляют 18891 ватт. Это в холодную пятидневку. Средняя за отопительный сезон будет ровно в 2 раза меньше и составит 9,5 кВт.
Следовательно, за отопительный сезон нам необходимо 24*149*9,5=33972 кВт
В рублях 16 часов, 2/3 (22648) по дневному тарифу, 1/3 (11324 кВт) по ночному.
22648*3,85=87195 руб
11324*3,85=24346 руб
Итого: 111541 руб. Цифра за тепло просто ужасающая. Такая сумма способна опустошить любой бюджет. Если же ночью запасти тепло, то можно сэкономить. 38502 рублей за отопительный сезон. Немалая экономия. Если у вас такие расходы, в пару к электрокотлу необходимо ставить твердотопливный котел или камин с водяной рубашкой. Есть время и желание – закинули дровишки, запасли тепло в тепловой аккумулятор, остальное добиваем электричеством.
В утепленном доме с тепловым аккумулятором стоимость отопительного сезона будет сопоставима с аналогичными неутепленными домами, в которых есть магистральный газ.
Наш выбор, когда нет магистрального газа, такой:
Хорошо утепленный дом;
Низкотемпературная система отопления;
Тепловой аккумулятор;
Твердотопливный котел иди водяной камин;
Электрокотел.
Тепловой аккумулятор - устройство для аккумулирования тепловой энергии основанное на использовании физического или химического процесса, связанного с поглощением и выделением теплоты. К основным из них относятся накопление-выделение внутренней энергии при нагреве-охлаждении твердых или жидких тел, фазовые переходы с поглощением-выделением скрытой теплоты, процесс сорбции -десорбции или обратимая химическая реакция, протекающая с выделением-поглощением тепла.
Аккумуляцией (аккумулированием) тепловой энергии или аккумуляцией теплоты называется процесс накопления тепловой энергии в период ее наибольшего поступления для последующего использования, когда в этом возникнет необходимость. Процесс накопления энергии называется зарядкой, процесс ее использования – разрядкой.
Классификация тепловых аккумуляторов
По типу процесса в аккумуляторах теплоты различают:
- тепловое аккумулирование энергии твердыми и жидкими телами за счет изменения температуры вещества - теплоёмкостная аккумуляция;
- тепловое аккумулирование энергии посредством использования теплоты фазового перехода;
- термохимическое аккумулирование тепловой энергии.
По временному фактору использования аккумуляторов теплоты различают:
- тепловые аккумуляторы краткосрочного (суточные) действия - цикла работы (зарядка/разрядка) не превышает продолжительности суток;
- тепловые аккумуляторы долгосрочного действия - продолжительность процесса зарядки и разрядки превышает продолжительность суток (может достигать недельного, месячного и годового периода).
Конструктивное различие между первыми и вторыми сказывается в первую очередь на их размерах, что связано с необходимостью аккумулирования разного количества теплоты. Кроме того, тепловые аккумуляторы долгосрочного действия необходимо хорошо теплоизолировать из-за необходимости длительного хранения запасенной теплоты.
По интервалу рабочих температур тепловые аккумуляторы можно разделить на 4 группы:
- для производства холода - Т < 20 °С
- низкотемпературные - 20 °С < Т < 200 °С
- среднетемпературные - 200 °С < Т < 500 °С
- высокотемпературные - Т > 500 °С
Наиболее широкое применение нашли низкотемпературные тепловые аккумуляторы, использование которых связано с системами жизнеобеспечения человека, экологически чистыми способами производства энергии и оптимизацией потребления энергии.
Использование тепловых аккумуляторов для производства холода связано с необходимостью хранения пищевых продуктов и медицинских тканей, в том числе в условиях транспортировки.
Средне- и высокотемпературные тепловые аккумуляторы пока не нашли широкого применения в промышленности. Применение среднетемпературных тепловые аккумуляторы связано в основном с энергетическими установками (например, солнечные электростанции) и системами утилизации тепла.
Высокотемпературными тепловые аккумуляторы могут найти применение в металлургии и энергетике.
Теплоёмкостная аккумуляция
Теплоёмкостная аккумуляция основана на способности веществ запасать энергию при нагревании. Вещества, используемые для накопления тепловой энергии, называются теплоаккумулирующими материалами. При этом количество аккумулированной энергии зависит от температуры, на которую нагревается теплоаккумулирующий материал, и его удельной теплоемкости. Этот способ является наиболее простым и давно применяется, например, при отоплении печами , которые выполняются достаточно массивными и накапливают во время нагрева тепло, которое затем постепенно расходуется на обогрев помещения. С точки зрения величины удельной теплоемкости, т.е. способности аккумулировать теплоту в расчете на 1 кг массы , одним из самых хороших является вода .
Тепловые аккумуляторы с использованием теплоты фазового перехода
В данном типе тепловых аккумуляторов аккумулирование тепловой энергии основанное на использовании обратимого процесса фазового перехода плавление-затвердевание. В этом случае в качестве теплоаккумулирующего материала используется фазоменяющий материал. Реализация этого способа оказывается более сложной, из-за необходимости усложнения конструкции. Однако в таких тепловых аккумуляторах на единицу объема запасается гораздо большее количество теплоты. При этом процесс зарядки и разрядки может быть осуществлен в узком температурном диапазоне, что оказывается очень важным при необходимости работы тепловых аккумуляторов в условиях небольших температурных напоров.
Некоторые применения тепловых аккумуляторов с использованием теплоты фазового перехода
Пленочная теплица с аккумулятором теплоты в грунте:
1 - теплица
2 - аккумулятор тепла
3, 4 - каналы
5, 6 - трубы
7 - вентилятор
Тепловой аккумулятор для автомобиля
В строительстве
Стеновые панели с использованием фазоменяющих материалов. Как правило, это смесь бетона с парафином или с включенными в него небольшими капсулами, содержащими фазоменяющий материал. Панели с фазоменяющими материалами используются в качестве ограждающих конструкций здания и поглощают излишнее тепло в дневное время, отдавая его в ночное, когда отсутствует поступление солнечной радиации. Резкие перепады между дневными и ночными температурами особенно характерны для климата пустынь и полупустынь. Эффективность их использования так же связана с тем, что в них сочетаются свойства тепловой защиты, термостабилизатора и собственно аккумуляции тепла. При этом конструкция системы аккумулирования оказывается предельно простой.
В сельском хозяйстве
В сельском хозяйстве тепловые аккумуляторы используются для обогрева теплиц в ночное время с использованием тепла накопленного в светлое время суток. Вентилятор осуществляет циркуляцию воздуха в теплице через тепловой аккумулятор. Избытки тепла в дневное время служат для зарядки теплового аккумулятора, а в ночное время тепловой аккумулятор разряжается и подогревает воздух в теплице.
В системах вентиляции
Применение тепловых аккумуляторов в системах вентиляции для сглаживания перепадов температур в дневное и ночное время. В дневное время происходит зарядка аккумулятора и охлаждение поступающего воздуха, а ночью его нагрев и, соответственно, разрядка теплового аккумулятора. Резкие перепады между дневными и ночными температурами особенно характерны для климата пустынь и полупустынь.
В системах электроотопления и электрического нагрева воды для горячего водоснабжения
Применение тепловых аккумуляторов для зарядки путем электронагрева в ночное время и использование теплоты в дневное позволяет значительно сократить расходы на электрическую энергию за счёт потребления электроэнергии в ночное время по более низкому тарифу.
В автомобильной промышлености
Применение тепловых аккумуляторов для облегчения пуска двигателя и обогрева салона автомобиля в холодное время. Теплота, запасается во время работы двигателя и может храниться в течение нескольких дней. Для этого тепловой аккумулятор помещается в сосуд Дьюара (термос), обеспечивающий наилучшую теплоизоляцию.
Впервые тепловой аккумулятор предложил канадский конструктор Оскар Шатц. Первые автотермосы появились в Канаде под брендом Centaur, эта компания функционирует и поныне. Среди отечественных разработчиков термосов лидерами можно назвать «Автоплюс МАДИ» и «АвтоТерм».
Термохимическое аккумулирование тепловой энергии
Способ термохимического аккумулирования тепловой энергии основан на использовании обратимых химических реакций. Он позволяет запасать тепловой энергии на единицу массы больше, чем в первых двух случаях, но сложен в реализации.
Термохимическое аккумулирование тепла основано на использовании энергии связей обратимых химических реакций
|
химического аккумулирования
|
(иногда определение термохимического аккумулирования включает также аккумулирование теплоты сорбции). Реакция может проходить в присутствии катализатора или без него. Продукты реакции должны быть разделены и храниться порознь.
В табл. 2.4 приведены некоторые реакции, предложенные для термохимического аккумулирования. Реакции зарядки протекают слева направо. Теплота реакции отнесена к 1 кг общей массы реагентов. Температура реакции представляет собой так называемую «обратимую температуру», соответствующую случаю, когда коэффициент реакции равен единице. Про-
дукты реакции газообразные. Если хотя бы один из продуктов реакции хранится в жидком состоянии, то плотность запасенной энергии может быть увеличена. Однако во время конденсации (зарядки) высвобождается теплота испарения, которая обычно не используется и снижает эффективность аккумулирования.
Для перспективных солнечных электростанций с газовыми турбинами было предложено использование диссоциации S03. Плотность запасаемой энергии в этом случае вполне приемлема, несмотря на высокие давления хранения кислорода. Характеристики дополнительно повышаются, если SO2, получаемый во время операции зарядки, закачивается в опорожненный сосуд для хранения S03 (аналогично рис. 2.9,6). Однако проблемы, связанные со сроком службы катализатора и конструкционных материалов, ждут своего решения.
Для аккумулирования и передачи тепла будущих высокотемпературных реакторов, охлаждаемых гелием, была предложена реакция между метаном и водяным паром . Эта реакция не очень перспективна, если иметь в виду лишь цели аккумулирования тепла, потому что продукты реакции газообразны, вследствие чего плотность запасаемой энергии низка.
Диссоциация NH4HSO4 обеспечивает очень высокую плотность запасаемой энергии, так как все продукты могут хра% ниться в жидком состоянии. Эта соль имеет низкую точку плавления (144°С); она сравнительно недорога, а продукты реакции NH3, S03 и Н20 легко разделяются, конденсируется, хранятся и испаряются. Хотя эта схема термохимического аккумулирования представляет интерес, ее разработка еще не завершена.