Виды и конструкции, назначение и применение аккумуляторов тепла. Система от «Isentropic». Рациональная аккумуляция тепла

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.

Общие сведения. Одной из ключевых проблем нетрадиционной, в первую очередь, солнечной энергетики является проблема теплового аккумулирования. Тепловые аккумуляторы эффективно используются также в комплексе с ветроэлектрическими агрегатами, фотобатареями и в традиционной энергетике для снятия пиковых нагрузок.

Тепловое аккумулирование - это физический или химический процесс, посредством которого происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии.

Тепловыми аккумуляторами (ТА) называют устройства, обеспечивающие протекание обратимых процессов накопления, хранения и отдачи тепловой энергии в соответствии с нуждами потребителя.

Аккумулирование тепла в различных энергосистемах ориентировано в первую очередь на отопление и горячее водоснабжение. Применение аккумуляторов тепла в водонатрева тельной системе позволяет приспосабливать ее к условиям спроса на горячую воду, изменяющегося в течение суток. Применение различных способов накопления тепловой энергии при использовании солнечных энергетических установок позволяет также преодолеть проблему, обусловленную суточной периодичностью и непостоянством поступления солнечной энергии. Даже в условиях безоблачного неба необходимое количество энергии при соответствующей температуре теплоносителя можно получить только на протяжении нескольких часов до и после полудня. Например, солнечные энергетические установки, предназначенные для отопления помещений, поддерживают температуру теплоносителя на уровне 60 °С лишь около трех часов в сутки. Поскольку в подобных системах периоды потребления и получения энергии не совпадают, накапливать ее необходимо в одни периоды суток, а использовать - в другие.

Практическое применение различных типов тепловых аккумуляторов связано в первую очередь с определением их оптимальных рабочих характеристик, с выбором недорогих и эффективных конструкционных материалов и теплоаккумулирующих сред.

Эффективность теплового аккумулятора при прочих равных условиях определяется массой и объемом теплоаккумулирующего материала (ТАМ), необходимого для обеспечения заданных параметров процесса.

Классификация тепловых аккумуляторов проводится в соответствии с несколькими главными признаками:

по природе аккумулирования:

• теплоемкостные (TEA),
• аккумуляторы с фазовым переходом (АФТ),
• термохимические аккумуляторы (ТХА);

по уровню рабочих температур:

• низкотемпературные (до 100 °С) ТА,
• среднетемпературные ТА (от 100 до 400 °С),
• высокотемпературные ТА (свыше 400 °С);

по продолжительности периода заряд-разряд ТА:

• краткосрочные (до 3-х суток),
• среднесрочные (до 1 месяца),
• межсезонные (до полугода).

Выбор и конструирование ТА проводится с учетом параметров энергосистемы и потребителя тепловой энергии. Как правило, в нетрадиционной энергетике используются краткосрочные или среднесрочные низкотемпературные теплоемкостные аккумуляторы и аккумуляторы с фазовым переходом.

При рассмотрении характеристик аккумулирующих и теплообменных сред, применяемых в тепловом аккумуляторе, можно выделить такие основные разновидности теплового аккумулирования:

• прямое аккумулирование тепловой энергии - аккумулирующим и теплообменным веществом является одна и та же среда; аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой, газообразной или двухфазной (жидкость + газ);
• косвенное аккумулирование - энергия аккумулируется посредством теплообмена (например, теплопроводностью через стенки резервуара) или в результате массообмена специальной теплообменной среды (в жидком, двухфазном или газообразном состоянии). Аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой или газообразной, процесс может протекать без фазового перехода или с фазовым переходом (твердое тело- твердое тело, твердое тело-жидкость, жидкость-пар);
• полупрямое аккумулирование - процесс проходит, как во втором случае, за исключением того, что аккумулирующая емкость теплообменной среды играет наиболее важную роль;
• сорбционное аккумулирование - в этом случае используется способность некоторых аккумулирующих сред абсорбировать газы с выделением или поглощением тепла при десорбции газа. Передача энергии может происходить непосредственно в форме тепла или с помощью газа.

Технические решения. Широкий спектр проблем при применении аккумуляторов тепла и большое разнообразие методов аккумулирования приводят к различным техническим решениям, причем для каждого конкретного случая внедрения ТА в энергетическую систему на основе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии необходимо проведение детальных исследований и расчетов. Аккумулирование тепла за счет теплоемкости наименее эффективно, низкая теплоемкость многих доступных теплоаккумулирующих материалов должна компенсироваться использованием больших объемов ТАМов, разряд аккумуляторов характеризуется переменной температурой. Эти аккумуляторы еще называются теплоемкостными (TEA), так как их работа основана на использовании теплоемкостных характеристик различных твердых и жидких веществ.

Аккумуляторы, использующие тепловые эффекты обратимых фазовых переходов (АФП), характеризуются более высокой плотностью теплового потока при малом объеме ТАМов и практически постоянной температурой разряда. Однако данный метод имеет свои недостатки: во-первых, стоимость ТАМов с фазовым переходом выше стоимости традиционных теплоемкостных материалов (камень, вода, гравий), во-вторых, теплообмен в АФП требует наличия развитой поверхности теплопередачи, что значительно увеличивает их стоимость. Поэтому при разработке ТА должна учитываться не только стоимость ТАМов, но и стоимость устройства АФП с учетом доступности аккумулирующих и конструкционных материалов.

Плотность энергии в аккумуляторах на основе обратимых химических реакций (так называемые термохимические аккумуляторы - ТХА) выше плотности энергии в АФП и значительно выше, чем в TEA. Принцип работы ТХА основан на аккумулировании энергии, которая поглощается и освобождается при разрыве и создании молекулярных связей в полностью обратимых химических реакциях. При создании ТХА существуют значительные затруднения, обусловленные небольшим количеством дешевых химических соединений, пригодных для ТХА, и выделением газов в процессе химических реакций.

Таким образом, на практике широко используют теплоемкостные аккумуляторы и аккумуляторы с фазовым переходом. Они рекомендуются как для промышленности с использованием значительных объемов, так и в индивидуальных хозяйствах и технологических процессах. Аккумуляторы ТХА могут быть рекомендованы лишь в определенных случаях с использованием безопасных технологий. Тепловое аккумулирование. Для создания эффективных тепловых аккумуляторов необходимо решить такие первоочередные задачи:

• внедрение теплоаккумулирующих материалов с высокими удельными энергетическими характеристиками, большим ресурсом работы и широким диапазоном рабочих температур;
• выбор конструкционных материалов с высокими теплотехническими и коррозионностойкими характеристиками;
• создание оптимальных конструкций ТА в зависимости от функционального назначения, источника энергии и нужд потребителей.

При выборе рабочих веществ для тепловых аккумуляторов необходимо учитывать энергетические и эксплуатационные характеристики, как источника энергии, так и самого аккумулятора. Основными рабочими характеристиками ТАМов являются: удельная энергия, рабочий диапазон температур, стабильность и безопасность в работе, низкая коррозионная агрессивность, недефицитность и невысокая стоимость. При использовании в качестве ТАМов гидратов солей обращают внимание на их способность присоединять и терять молекулу воды при нагреве и охлаждении.

В зависимости от ряда факторов тепловой аккумулятор может иметь постоянные или переменные показатели массы, объема и давления. Постоянная масса (dMaK = 0) - как правило, для случая косвенного аккумулирования, однако может быть таковой и при прямом аккумулировании, если перемешиваемая часть массы после охлаждения (разряд ТА) или нагрева (заряд ТА) полностью возвращается в аккумулятор. Переменная масса (dMaK ф 0) - всегда в случае прямого аккумулирования. Постоянный объем (dVaK = 0) - для случая аккумулирования в закрытых резервуарах. Переменный объем (dУлк ф 0) - для случая аккумулирования в условиях атмосферного давления или при помощи специального компрессионного оборудования.

Термохимическое аккумулирование тепла основано на ис­пользовании энергии связей обратимых химических реакций

химического аккумулирования Объемная плотность «Необходимый запасаемой энергии до и после разрядки, кг/кг 0,0482 ** 0,0023 * 0,0501 **

(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.

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.

Одной из важнейших особенностей энергетики в наши дни является всевозрастающая неравномерность потребления энергии. Это обстоятельство в сочетании с высокой стоимостью топлива заставляет энергетиков как в России, так и за рубежом искать новые возможности покрытия переменной части графиков электрических и тепловых нагрузок.

Д ля обеспечения кратковременного повышения нагрузок в энергосистеме можно использовать тепловое, пневматическое, гидравлическое, электромеханическое и другие виды аккумулирования энергии. Весьма успешным, например, оказался первый опыт применения подземного аккумулирования сжатого воздуха. Во многих странах в промышленных масштабах используются гидроаккумулирующие электростанции, потребляющие энергию ТЭС и АЭС в периоды низкой нагрузки в энергосистемах и вырабатывающие электроэнергию в часы пика нагрузки.

В области теплоснабжения также наблюдаются значительные суточные и сезонные колебания графика нагрузок, для покрытия которых все чаще применяют теплоаккумулирующие установки.

Теплоаккумулирующие установки

В качестве рабочих емкостей в установках для внутрисуточного сглаживания графика нагрузок используют в основном секционные резервуары, сварные баки, железобетонные наземные и подземные конструкции. Для покрытия сезонных колебаний нагрузки часто используют не только искусственные резервуары, но и отработанные шахты или разного рода естественные пустоты в водонепроницаемых грунтах.

Небольшие тепловые аккумуляторы, принимая на себя обеспечение тепловой нагрузки, позволяют на время суточных пиков электрической нагрузки отключать отопительные отборы пара на ТЭЦ. В отдельных случаях, при кратковременном увеличении тепловой нагрузки, аккумуляторы позволяют обойтись без пуска пиковой котельной и тем самым сэкономить органическое топливо.

Для аккумулирования теплоты можно использовать, любые нетоксичные вещества, имеющие достаточно высокую теплоемкость или высокую теплоту плавления при хорошей теплопроводности (например, соли, находящиеся в расплавленном или эвтектическом состоянии). Однако чаще всего для аккумулирования теплоты применяется вода.

Широкое внедрение установок для аккумулирования теплоты сдерживается высокой стоимостью этих установок.

Рациональная аккумуляция тепла

Были проведены экономические расчеты, которые показали, что максимальную удельную стоимость имеют теплоаккумуляторы в виде земляных бассейнов с теплоизоляцией. Несколько дешевле обходятся стальные баки-аккумуляторы, которые имеют, как правило, небольшой объем и поэтому чаще используются для внутрисуточного регулирования.

Для создания крупных теплоаккумуляторов, обеспечивающих сезонное регулирование, экономичнее применять искусственные подземные пустоты: их удельная стоимость при вместимости более 100 тыс. м3 существенно меньше, чем у стальных теплоаккумуляторов. Еще ниже удельная стоимость аккумулирования теплоты при использовании подземных водоносных горизонтов. Этот сравнительно новый метод аккумулирования представляется весьма перспективным, так как водоносные горизонты распространены довольно широко, они являются естественными образованиями, и поэтому практически единственным видом капитальных затрат при создании таких аккумуляторов будет стоимость бурения скважин для обеспечения доступа к горизонту. Важным достоинством этого метода является и то, что теплота в данном случае аккумулируется не только в объеме воды, но и в горной породе водоносного горизонта. Природный аккумулятор не изна-шивается, не требует технического обслуживания и ремонта, а срок его использования практически неограничен.

Во многих странах энергетики проявляют интерес к этой проблеме. В Швейцарии, например, при поддержке Международного энергетического агентства сооружен теплоаккумулятор с использованием водоносного горизонта, расположенного на глубине до 36 м. Кроме центральной скважины на глубине от 7 до 24 м, были смонтированы радиальные трубы, через которые осуществлялись нагнетание и отбор теплой воды. Схема предполагала возможность аккумулирования солнечной энергии или сбросной теплоты (температура воды от 30 до 100 °С). Потребителями аккумулированной энергии были системы отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха в жилых домах.

Первая закачка горячей воды состоялась еще в конце прошлого века в июле, а отбор теплой воды температурой 30-55 °С- в январе следующего года. В первом цикле эффективность этого аккумулятора составила 35 %, однако в следующих циклах удалось аккумулировать в водоносном горизонте примерно по 1290 Гкал (при мощности около 0,43Гкал/ч) и извлекать из него по 645 Гкал (при средней мощности 0,258 Гкал/ч).

Во Франции в те же годы были проведены экспериментальные исследования для оценки эффективности сезонного аккумулирования теплоты путем закачки воды температурой 100-180 °С в водоносный горизонт, располо-женный на глубине около 50 м. Особое внимание было уделено регистрации тепловых потерь, а также воздействию аккумуляции на окружающую среду. По итогам этого эксперимента были выбраны направления дальнейших исследований и возможные объемы внедрения.

Перспективы аккумулирования тепла в водоносных горизонтах

Перспективным направлением является сочетание аккумулирования теплоты в водоносных горизонтах с использованием тепловых насосов. Расчеты показывают, что такое сочетание значительно повышает эффективность систем обогрева (в зимнее время) и кондиционирования воздуха (в летнее время) (рис. 1).

Рис. 1. Аккумулирование теплоты в водоносных горизонтах с тепловыми насосами

При определенных климатических условиях аккумулирование теплоты в этом случае (рис. 2) может значительно повысить коэффициент преобразования энергии и сэкономить до 50 % первичной энергии, расходуемой на отопление и охлаждение жилых и производственных помещений.

Рис. 2. Тепловые насосы для систем аккумулирования теплоты в водоносных горизонтах

Большой интерес вызывает аккумулирование теплоты в водоносных горизонтах с использованием гелиоустановок. Понятно, что равномерность солнечной радиации в зависимости от времени суток, сезона или погодных условий требует применения резервной системы теплоснабжения или больших и дорогостоящих аккумуляторов теплоты. Немецкими специалистами на мюнхенском семинаре по проблемам аккумулирования тепловой энергии были приведены такие цифры: гелиотермическая установка без аккумулирования теплоты может в условиях ФРГ удовлетворить лишь 10 % потребностей обслуживаемых ею домов. При наличии плоского гелиоприемника (рис. 3) площадью 2000 м2 с тепловыми трубами в сочетании с центральным тепловым аккумулятором вместимостью 150 м3 можно было бы удовлетворить уже 25 % потребностей 250 односемейных коттеджей в теплоте. Для удовлетворения 70-90 % этих потребностей гелиотермическая установка должна быть дополнена сезонным теплоаккумулятором, соединенным с теплосетью. Использование водоносных горизонтов для этих целей позволит решить проблему с минимальными капитальными затратами.

Рис. 3. Гелиоприемник

Перспективными являются и такие области применения нового метода аккумулирования теплоты, как горячее водоснабжение, обогрев теплиц и т. д. При необходимости получения технологического пара в водоносных горизонтах можно аккумулировать горячую воду под давлением выше атмосферного, что позволит использовать ее в теплообменниках для получения пара.

Большой интерес во многих странах Европы вызывает система обогрева и охлаждения с использованием тепловых насосов. Основным устройством, предназначенным для отбора теплоты из водоносного горизонта или передачи ему тепловой энергии, является тепловой насос. Налажен серийный выпуск самых разнообразных тепловых насосов с отбором низкопотенциальной теплоты из воды производительностью от 1,75 до 7034 кВт, или от 0,5 до 2000 т (1 т охлаждения - единица холодопроизводительности, которая в Великобритании соответствует 13,9 МДж/ч (3,86 кВт), в США - 12,7 МДж/ч (3,53 кВт).

Варианты применения

Основные варианты предлагаемых теплонасосных установок показаны на (рис. 4). В жилых домах на одну семью можно применять небольшие автономные тепловые насосы. В более крупных зданиях может быть создана разветвленная система тепловых насосов, которые обслуживают или большое помещение, или небольшие отдельные комнаты. В высотном здании целесообразно установить центральный тепловой насос для обогрева и охлаждения любых помещений. В жилом или деловом районе города можно также смонтировать центральную теплонасосную установку для отопления и кондиционирования жилых домов, учреждений и предприятий. Тепловой насос повышает качество энергии, аккумулированной в подземных водах, и делает более эффективным ее использование.

Рис. 4. Аккумулирование теплоты в водоносном горизонте с использованием тепловых насосов: 1 - крупные центральные теплонасосные установки в многоэтажных зданиях; 2 - небольшие децентрализованные (внутрикомнатные) тепловые насосы в многоэтажных зданиях; 3 - небольшие отдельные тепловые насосы в индивидуальных жилых домах; 4 - холодная скважина; 5 - глубинный насос; 6 - движение фронта температур; 7 - горячая скважина; 8 - двухтрубная распределительная система

Краткое описание системы

Действие системы с применением тепловых насосов, которая рассмотрена ниже, основано на аккумулировании теплоты для улучшения характеристик отдельных теплонасосных установок. Система накапливает теплоту, выделяемую при кондиционировании воздуха, а затем использует ее для отопления. Следовательно, она служит источником тепловой энергии при обогреве и теплоприемником при охлаждении.

Аккумулирующая система большой емкости создана самой природой в водоносном горизонте. Доступ к этой системе обеспечивается с помощью двух скважин. Если необходим нагрев, теплую воду (27° С для основного варианта системы) извлекают из водоносной формации и повышают ее температуру до 49 °С. В процессе отдачи теплоты окружающему воздуху вода остывает до 16 °С и ее возвращают обратно в горизонт через вторую скважину. Температурный фронт движется по водоносной породе между обеими скважинами. Количество извлекаемой и нагнетаемой воды одинаково; чистый расход подземной воды равен нулю.

При использовании воды для охлаждения весь процесс протекает в обратном порядке. Холодную воду температурой 16 °С откачивают из водоносной формации, и она поглощает теплоту, в результате чего происходит кондиционирование воздуха. Теплая вода температурой 27 °С нагнетается обратно в горизонт. Как и при обогреве поме-щений, чистый расход воды равен нулю. В ходе этого процесса температурный фронт перемещается между скважинами в обратном направлении.

Теплонасосные установки и система аккумулирования тепловой энергии соединены между собой с помощью двухтрубной системы распределения воды. По одной линии поступает теплая вода, по другой - холодная. Если понадобится нагрев, теплонасосная установка отбирает воду из линии теплой воды, а после того, как вода отдала свою теплоту, сбрасывает ее в линию холодной воды. Обогрев и охлаждение могут происходить одновременно. Насосы, находящиеся в обеих скважинах, обеспечивают постоянное наполнение соответствующих магистральных трубопроводов теплой и холодной водой. Для аккумулирования используются местные водоносные горизонты, так что протяженность трубопроводов невелика. Теплоизоляция труб не нужна, поскольку они уложены в траншею, и их температура мало отличается от температуры грунта. Для уменьшения стоимости самих трубопроводов и их прокладки рекомендуется в большинстве случаев использовать трубы из поливинилхлорида (рис. 5). Стальные и чугунные трубы следует применять лишь при очень больших расходах, которые обычно имеют место при обслуживании крупных городских районов.

Рис. 5. Трубы из поливинилхлорида

Чтобы создать действенную аккумулирующую систему с использованием тепловых насосов, надо сделать эту систему коммунальной. Тогда стоимость сооружения двух скважин распределится между несколькими потребителями. По техническим соображениям система аккумулирования тепловой энергии должна иметь емкость выше минимально допустимой, чтобы гарантировались необходимые масштабы накопления энергии. Управление системой следует поручить местной организации, которая обеспечит разработку, сооружение, обслуживание системы и возьмет ее под свой контроль.

Теплонасосные установки могут быть самыми различными - от небольшого теплового насоса (для жилого дома на одну семью или для квартиры крупного здания) до больших центральных установок (для обслуживания многоэтажного здания). Для одновременного отопления и охлаждения помещений можно создать обмен горячей и холодной водой между установками, чтобы вода вообще не циркулировала через скважины и водоносный горизонт. Две скважины или группа спаренных скважин, система с водоносным горизонтом в качестве аккумулятора тепловой энергии и тепловые насосы, находящиеся на определенном участке коммунальной системы обогрева и охлаждения, образуют в совокупности так называемый модуль. Соединяя между собой модули, можно повысить надежность и увеличить размеры всей системы в целом; в результате этого сокращаются расходы на строительство и техническое обслуживание, можно также уменьшить количество людей, занимающихся эксплуатацией системы. Например, вышедший из строя насос можно будет исправить в любое удобное время, а не обязательно сразу, как только он вышел из строя, так как насос другого модуля сможет взять на себя дополнительную нагрузку. Модули можно подключать к системе поочередно в целях планомерного расширения сети теплонасосных установок, принадлежащих населению жилого массива.

Система работает не на дефицитных видах топлива, а на электроэнергии, поступающей с пылеугольных, мазутных, газовых ТЭС, а также с атомных и гидравлических станций. Тепловой насос с отбором низкопотенциальной теплоты из воды, работающий в абсорбционном цикле с нагревом генератора, можно включить в систему, если имеется источник сбросной теплоты.

Предлагаемую конструкцию можно использовать в любой системе отопления и охлаждения, расположенной на незначительном расстоянии от водоносного горизонта, если он обладает достаточно большой водоотдачей. Именно такие условия существуют на территории, составляющей 60 % континентальной части США, с населением, численность которого равна 75 % всего населения страны. Над водоносными формациями, пригодными для аккумулирования, находятся деловые и торговые центры, крупные жилые массивы. Чем выше плотность населения, тем выгоднее сооружать подобные системы. Везде, кроме юга Флориды и отдельных районов Калифорнии, где круглый год тепло, система позволит сэкономить значительные сред-ства на стоимости теплоносителей, особенно с учетом непрерывного удорожания энергии. Даже при современном уровне технологии такими системами могут быть в ближайшие годы охвачены 72 млн домашних хозяйств и 14,6 млн коммерческих предприятий в США.

В странах Западной Европы сложилась следующая ситуация: на 2015 г. в Бельгии эксплуатировалось примерно 1130 таких систем, в Нидерландах их количество увеличилось с 2000 в 2012 г. до 2500 в 2015 г.

Согласно данным Международного энергетического агентства (МЭА), стоимость монтажа систем аккумулирования теплоты в водоносном горизонте с использованием тепловых насосов в 2005 г. составляла от 200 до 1150 евро за 1 кВтт, при снижении ее к 2030 г. на 15 %. В отчете фирмы Terra Energy 2012 г. для большой системы (700 кВтт) было показано, что стоимость ее монтажа составляет 1179 евро за 1 кВтт, а динамический срок окупаемости - 7,5 лет.

Статья из журнала "Аква-Терм", № 3 /2016. Рубрика "Отопление и ГВС"