Аккумулятор тепловой: виды и использование в быту.

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.

Имеет определенную величину, и зависит от и .

С той или иной точностью, зная все перечисленные параметры, мы можем рассчитать ожидаемую производительность любого типа солнечного коллектора за произвольный период времени (кВт·ч за единицу времени). При этом, чем дольше расчетный период времени, тем более точны расчеты производительности .

Таким образом, располагая значением суммарного годового , можно относительно точно рассчитать прогнозируемую годовую производительность коллектора. Однако практически невозможно рассчитать такой прогноз на отдельные дни в году или часы. Это и отличает гелиосистемы от других генераторов теплоты (котлы, тепловые насосы и т.д.).

Выработка тепла не совпадает с графиком потребления

Одной из особенностей работы гелиосистемы для бытового сектора является то, что солнечные коллекторы генерируют тепло на протяжении всего светового дня, в отличии от котла, который за короткий промежуток времени может обеспечить потребителя тепловой энергией. Из-за этого время выработки тепловой энергии и потребление не совпадают. Это видно на графике.

График выработки и потребления тепловой энергии при применении солнечных коллекторов

Данные особенности показывают, что для оптимальной работы гелиосистемы необходимо аккумулировать тепловую энергию . Для этих целей, как правило, используют . Их объем должен быть достаточным для хранения полученной солнечной энергии за день. В данном случае мы говорим о суточном аккумулировании тепловой энергии.

Для аккумулирования тепловой энергии чаще всего используют воду

Вода - общедоступный и эффективный теплоноситель, имеющий высокие показатели теплопроводности c = 4,187 (кДж/кг·К) или с = 1,1163 (Вт·ч/кг·К) второе значение чаще используется в расчетах отопительной техники. Расчеты теплоаккумулирующей емкости совпадают как для систем ГВС так и отопительных систем.

Кроме суточного аккумулирования тепловой энергии, можно реализовать аккумулирование тепла на более длительный период времени. Такие системы называют системами с сезонным аккумулированием тепловой энергии. Для реализации таких объектов баки аккумуляторы должны иметь значительные объемы, что бы за летный период накопить тепло, которое будет потребляться за отапливаемый период.

Не всегда объем бака аккумулятора имеет решающее значение . Определяющим параметром служит теплоемкость. Для воды теплоемкость ограничена теплофизическими свойствами. При атмосферном давлении мы можем нагреть воду до 95°С, поэтому при условии, что конечное значение температуры воды после использования теплоты будет 45°С, мы можем получить не более 60 Вт/кг (w=1,1163·(95-45))=58,15 Вт/кг).

Альтернативные способы хранения тепла

Иногда для целей повышения теплоемкости аккумулятора используют другие виды аккумулируемых сред (бетон, галька, металл и т.д.). При равном объеме данные вещества обладают меньшей удельной теплопроводностью, однако их можно нагревать до более высоких температур, что в свою очередь увеличивает теплоемкость аккумулятора. При нагревании на очень высокие температуры можно достичь значения теплоемкости до 400 Вт/кг.

Однако для использования с гелиосистемами температура нагрева аккумулятора тепла ограничена максимальной температурой нагрева солнечных коллекторов. Так же хранение аккумулирующей среды с высокой температурой увеличивает тепловые потери, поэтому, как правило, аккумулятор заряжается до сравнительно невысоких температур (до 95°С) и используется с низко потенциальной системой отопления (теплые полы, фанкойлы).

Эффективно может аккумулироваться и теплота плавления некоторых материалов. Для таких аккумуляторов тепла используют парафин, каустическую соду, и т.д. При фазовом переходе во время плавления значение теплоемкости рассчитывается так:

W = m , где

• W - аккумулированная энергия Дж;
• m - масса аккумулирующего вещества кг;
• ct - удельная теплоемкость в твердом состоянии Дж / (кг·K);
• cs - удельная теплоемкость в жидком состоянии Дж / (кг· K);
• C - теплота плавления Дж/кг;
• ϑ1 - начальная температура °С;
• ϑs - температура плавления °С;
• ϑ2 - температура нагрева °С;

Алтайский государственный технический университет

им. И. И. Ползунова

Заочный факультет

по дисциплине Нетрадиционные источники энергии.

тема: Аккумулирование тепла

Проверил: В.В. Чертищев

Барнаул 2007

Введение

Глава 1. Физические основы для создания теплового аккумулятора

Глава 2. Жидкостные тепловые аккумуляторы

Глава 3. Тепловые аккумуляторы с твёрдым теплоаккумулирующим материалом.

Глава 4. Аккумуляторы тепла, основанные на фазовых переходах.

Глава 5. Конструкция ТА фазового перехода.

Введение

Сейчас во всем мире идет повсеместная экономия сырьевых ресурсов. Ученые многих стран пытаются решить эту проблему различными методами, в том числе и с помощью применения альтернативных источников энергии. К ним можно отнести такие виды, как использование водных ресурсов малых рек, морских волн, гейзеров и даже отходов производства и бытового мусора.

Но возникает проблема сохранения полученной энергии. Например, тепловую энергию, полученную в солнечной водонагревательной установке, можно сохранить в тепловом аккумуляторе, и использовать в темное время суток.

Тепловые аккумуляторы известны человечеству с глубокой древности. Это и горячая зола, куда наши предки закапывали продукты для их тепловой обработки, и горячие камни, которые накаливали на огне. Утюг, который нагревают на огне, а затем гладят им,- тепловой аккумулятор. Накаленные камни, которые мы поливаем водой (квасом, пивом) в парилках,- тоже аккумулятор тепла. Термобигуди, которые кипятят в воде, а затем с их помощью делают прическу,- тоже тепловые аккумуляторы, причем достаточно совершенные, основанные на аккумулировании плавлением.

Итак, каждое тело, нагретое выше температуры окружающей среды, можно считать аккумулятором тепла. Это тело способно, охлаждаясь, производить работу, а, следовательно, обладает энергией.

Глава 1.Физические основы для создания теплового аккумулятора

Аккумулятором тепла называется устройство (или совокупность устройств), обеспечивающее обратимые процессы накопления, хранения и выработки тепловой энергии в соответствии с требованиями потребителя.

Процессы аккумулирования тепла происходят путем изменения физических параметров теплоаккумулирующего материала и за счет использования энергии связи атомов и молекул веществ.

Исходя из первого закона термодинамики для незамкнутой системы постоянного химического состава характеристики аккумуляторов тепла зависят от изменения массы, объема, давления, энтальпии и внутренней энергии материала, а также различных их комбинаций.

В зависимости от технической реализации используется прямее аккумулирование тепла, когда аккумулирующий материал является одновременно и теплоносителем, косвенное аккумулирование - при различных теплоаккумулирующих и теплопередающих средах, а также различные виды симбиоза названных случаев.

Изменение энтальпии теплоаккумулирующего материала (ТАМ) может происходить как с изменением его температуры, так и без такового - в процессе фазовых превращений (например, твердое - твердое, твердое - жидкое, жидкое - пар).

Тепловые аккумуляторы реализуют, как правило, несколько элементарных процессов.

На современном этапе развития науки и техники существует возможность реализации практически любого известного принципа аккумуляции тепла. Целесообразность использования каждого принципа определяется наличием положительного эффекта, в первую очередь, экономического, достижение которого возможно при минимальной стоимости аккумулятора. Она определяется при прочих равных условиях массой и объемом теплоаккумулирующего материала, необходимого для обеспечения заданных параметров процесса.

В реальном процессе аккумулирования тепла плотность запасаемой энергии оказывается существенно ниже теоретического значения вследствие потерь тепла, выравнивания поля температур, потерь при заряде и разряде. Отношение реального и теоретического значений плотности запасаемой энергии и определяет эффективность теплового аккумулятора.

Одним из важнейших показателей, определяющих возможность и целесообразность аккумулирования тепла, является способность выделять энергию в количествах, необходимых потребителю. При прямом аккумулировании тепла это достигается практически всегда. Показатели таких аккумуляторов слабо зависят от вырабатываемой мощности, которая определяется расходом ТАМ и ограничивается только конструктивными и прочностными требованиями.

При косвенном аккумулировании повышение вырабатываемой мощности увеличивает градиент температур и ТАМ, что приводит либо к увеличению поверхности теплообмена, либо к неполному использованию запаса тепла. В любом случае это снижает эффективность аккумулирования.

Глава 2. Жидкостные тепловые аккумуляторы

К числу наиболее простых и надежных устройств аккумулирования тепла, несомненно, относятся жидкостные ТА, что связано с совмещением функций теплоаккумулирующего материала теплоносителя. Вследствие этого аккумуляторы такого типа особенно широко применяются для бытовых целей, в схемах различных электростанций (АЭС, АТЭЦ, солнечные и др.). В настоящее время применяются несколько основных конструктивных исполнений жидкостных ТА. Двухкорпусной ТА характеризуется раздельным хранением горячего и холодного ТАМ. В процессе зарядки один корпус заполняется горячим ТАМ, а другой – опорожняется. При работе горячий ТАМ подается потребителю и, отработав, попадает в корпус холодного ТАМ. Основным достоинством такого исполнения ТА является изотермичность каждого из корпусов и, как следствие, отсутствие в них термических напряжений и потерь, энергии на нагрев - охлаждение. Очевидно также, что объем корпусов используется нерационально и почти вдвое превышает объем ТАМ. Такое принципиальное решение целесообразно при большой разнице температур горячего и

холодного ТАМ, особенно в случаях использования солевых ТАМ и жидких металлов.

Рис. 2. Основные типы жидкостных аккумуляторов тепла (магистрали показаны в режиме разряда): а - двухконтурный; б - многокорпусный; в - вытеснительный; с - со скользящей температурой ТАМ; 1 - горячий ТАМ; 2 - холодный ТАМ; 3– потребитель; 4 - единый корпус; 5 - уровень жидкости; 6 - промежуточный теплоноситель.

С целью более рационального использования объема аккумулятора предложен многокорпусный вариант, в котором используется несколько корпусов с горячим ТАМ и один пустой (холодный). По мере разрядки заполняется сначала этот корпус, а затем освобождающиеся горячие по мере их опорожнения. Это приводит к появлению термических напряжений и потерь на нагрев во всех корпусах, кроме одного.

Наиболее рационально используется объем теплового аккумулятора в случае применения единого корпуса, заполненного в начале процесса горячим ТАМ.

В процессе работы горячий ТАМ забирается из верхней части ТА, а отработанный холодный ТАМ подается в нижнюю часть ТА. Такой тип жидкостного аккумулятора называется вытеснительным. Вследствие разности плотностей горячей и холодной жидкостей может обеспечиваться малое перемешивание жидкости (эффект «термоклина»), эффективность использования вытеснительных ТА снижается вследствие потерь тепла на перемешивание и теплопроводности между объемами горячего и холодного ТАМ, нагрев корпусов и т. п.

Тепловые аккумуляторы такого типа применяются для жидкостей, имеющих большой коэффициент линейного расширения.

При особых свойствах ТАМ или нецелесообразности для потребителя использования ТАМ в качестве теплоносителя применяются тепловые аккумуляторы со скользящей температурой (рис. 2, г ).

В этом случае промежуточный теплообменник может размещаться как в корпусе ТА, так и вне его. В процессе заряда происходит нагрев ТА с использованием либо промежуточного теплоносителя, либо электроэнергии, а в процессе остывания производится отвод тепла в промежуточном теплообменнике. Одним из характерных примеров такого ТА является «солнечный пруд», в котором отбор ТАМ нежелателен вследствие разрушения обратного градиента солености воды.

Конструктивное исполнение жидкостного теплового аккумулятора во многом определяется свойствами теплоаккумулирующего материала. В настоящее время наиболее широко применяются вода и водные растворы солей, высокотемпературные органические и кремнийорганические теплоносители, расплавы солей и металлов.

В диапазоне рабочих температур 0...100 о С вода является лучшим жидким ТАМ как по комплексу теплофизических свойств, так и по экономическим показателям. Дальнейшее повышение рабочей температуры воды связано с существенным ростом давления, что усложняет проектирование корпуса, повышает его стоимость. С целью обеспечения низких рабочих давлений ТАМ используются различные высокотемпературные теплоносители. При этом возникают проблемы подбора конструкционных материалов теплового аккумулятора и системы в целом, применения специальных устройств, предотвращающих отвердение ТАМ на всех режимах эксплуатации, герметизации ТА и ряд других.

Кроме этого, использование наиболее распространенного вытеснительного типа ТА связано с комплексом конструктивных и эксплуатационных мероприятий, обеспечивающих минимальные потери энергии.

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"

Аккумулирование тепла в любой водонагревательной системе позволяет приспособить ее к условиям изменяющегося на протяжении суток спроса на горячую воду. Применение различных средств для накопления энергии при использовании солнечных энергетических установок позволяет также преодолеть и другую трудность, связанную с непостоянством интенсивности солнечной энергии в течение суток. Как мы уже видели, даже в условиях безоблачного неба приемлемое количество энергии при подходящей температуре жидкости можно получать лишь в течение нескольких часов до и после полудня. Более высокие температуры требуются лишь на короткие промежутки времени. Например, солнечные энергетические установки, предназначенные для отопления зданий, поддерживают температуру теплоносителя на уровне 60° С лишь около трех часов в сутки. Поскольку в подобных системах периоды потребления и получения энергии не совпадают, то очевидно, что ее нужно накапливать в течение суток, чтобы затем отбирать при подходящей температуре.

В развитых странах с похожим на английский климатом в зимнее время средний ежесуточный расход энергии на горячее водоснабжение и отопление жилых домов оценивается в 15 и 150 кВт-ч соответственно. Ежедневные затраты энергии на горячее водоснабжение крупных больниц в странах тропического пояса составляют несколько МВт-ч. Если для накопления энергии используется вода, подогретая, скажем, на 10 К, то при ее удельной теплоемкости 1,2 Вт-ч/(кг-К), малой скорости расхода в ждлом здании и без учета потерь для получения в течение суток необходимого количества энергии требуется около 14 тыс. л воды, а занимаемый ею объем составляет 14 м2. Эта цифра выглядит более или менее реальной, но применительно к больнице она достигает 200 тыс. л; а соответствующее сооружение технически осуществить чрезвычайно трудно.

С подобной трудностью сталкиваются при разработке бытовых ночных электронагревателей, получивших сейчас в Англии широкое распространение. В таких нагревателях, потребляющих сравнительно малую мощность, электрические элементы разогревают специальный материал, который хорошо удерживает тепло. Запасенная таким образом энергия затем постепенно расходуется, поддерживая температуру помещения в определенных пределах. При этом материал настолько перегревается, что обычно для теплоизоляции в нагревательных элементах используют огнеупорный кирпич. В результате подобные нагреватели оказываются весьма громоздкими.

При использовании солнечных коллекторов энергия накапливается либо в подземных резервуарах с водой, либо в заполненных камнями отсеках. Второй вариант предпочтительнее для воздухонагревательных систем, где воздух нагревается, проходя между камнями. Если предположить, что камни имеют одинаковый размер и сферическую форму, то пустоты между ними составляют около трети общего объема отсека. Это обеспечивает большую поверхность контакта нагреваемого воздуха и хорошие условия для теплообмена. Основным недостатком подобных систем является их низкая теплоемкость (в четыре раза.меньше теплоемкости воды).

В рассмотренных устройствах тепловая энергия накапливается за счет повышения кинетической и потенциальной энергии молекул среды. Значительно большая энергия расходуется при фазовых переходах, то есть в процессе разрушения упорядоченной структуры, например при плавлении или парообразовании. В таком случае входная энергия преимущественно тратится на повышение потенциальной энергии молекул, обусловленное увеличением расстояния между ними. В одной из разновидностей солнечного нагревателя в качестве такого накапливающего тепло вещества используется парафин, температура плавления которого равна примерно 55° С, а скрытая теплота плавления составляет около 40 Вт-ч/кг. При охлаждении парафина мы вновь получаем эту энергию, но при более удобной температуре. В подобном устройстве для накопления 150 кВт-ч тепловой энергии объем резервуара не превышает 4 м3. В качестве теплоносителей применяются также гидраты некоторых солей. Например, глауберова соль Na2S04-10H20 плавится при температуре около 32 °С, при этом на разрушение кристаллической структуры затрачивается приблизительно 67 Вт-ч/кг. При охлаждении ее до той же температуры накопленная энергия высвобождается. Процесс "плавления - затвердевания соли можно повторить многократно, однако установлено, что если расплав соли не перемешивать, то возникает перераспределение концентрации, затрудняющее рекристаллизацию соли. Благодаря постояным поискам и исследованиям удалось найти и другие вещества с большой скрытой теплотой плавления, в которых обратимые фазовые переходы осуществляются при температуре 40-60° С. К сожалению, многие из них непригодны из-за высокой стоимости, взрывоопасно- сти, токсичности, коррозионной активности и т. д.