Аккумулятор тепла для системы отопления: Теплоаккумуляторы для отопления и ГВС все объемы

Тепловой аккумулятор для системы отопления: особенности конструкции, сфера применения

24 Марта 2022

Просмотров:  24887

Время чтения:  13 минут

Содержание

Особенности конструкции и функционирования

Расчет объема аккумулятора

Источники тепла

Когда оправдано применение

Принцип работы

Работа с разными видами отопительных систем

Правильная установка

Взаимодействие с котлами для отопления отопления

Коротко о главном

Каминные топки и тепловые баки могут брать тепло от специальных устройств – тепловых аккумуляторов. Альтернативное название – тепловые баки, буферные устройства. Теплоаккумулятор для отопления применяется в жилых домах для создания комфортного микроклимата для работы и отдыха людей. Может выполнять функции гидравлической развязки течения тепла избыточного уровня. Они балансируют работу тепловых источников и использование полученного тепла.

Тепловой бак в отопительной системе

Особенности конструкции и функционирования

Аккумулятор для отопления выгодно использовать при отключении подачи тепла в здание. Устройства состоят из емкости относительно малых габаритов с помещенным внутрь теплоносителем. В период функционирования работы котла или другого источника тепла температура антифриза или водного ресурса повышается.

Во время отключения центрального источника тепла аккумулятор начинает отдавать накопленное тепло в комнаты дома. Благодаря этому, в жилище всегда соблюдается комфортный микроклимат. Тепловой аккумулятор – сложное устройство, требующее тщательного расчета. Он состоит минимум из 4 патрубков, подключаемых к тепловому источнику, а также бака, стенки которого имеют надежную теплоизоляцию.

Конструкция

Оборудование обеспечивает экономии расходования ресурсов, при этом обеспечивая хозяев теплом в любое время года.

Экономия составляет более 30% энергии, призванной обогреть помещения. Это наблюдается при совместной работе с радиаторами отопительных котлов. Каждый тепловой аккумулятор должен быть сконструирован из надежных и долговечных материалов с учетом мировых стандартов. Благодаря этому, он будет работать долгие годы без потери качества. Положительными особенностями работы устройства являются следующие:

• снижение затрат на обслуживание носителей тепла;
  
• КПД отопительной системы существенно увеличивается;
  
• отсутствие возможности перегрева;
  
• снижение периодичности использования топлива для котла;
  
• настройка приемлемой температуры в каждом помещении дома;
  
• интеграция в разные бытовые системы (обеспечение горячей водой и оборудование с применением альтернативных видов топлива).
  

При эксплуатации теплоаккумулятора для отопления нужно обратить внимание, что агрегат запускается довольно долго из холодного состояния.

В непосредственной близи от котла все равно нужно держать запас топлива. Также по причине громоздкости изделия его довольно сложно устанавливать и транспортировать.

Конструкция теплового бака

Поэтому его монтаж крайне желательно проводить в отдельном хозяйственном помещении. Тепловой аккумулятор для отопления можно также смонтировать вручную самими хозяевами жилища. Это требует определенной квалификации и внимательности, однако вполне возможно для большинства потребителей.

Расчет объема аккумулятора

При выборе подобного оборудования нужно внимательно рассчитать требуемый уровень изоляции тепла стенок бака. В идеальном варианте эти элементы конструкции должны иметь максимально возможную толщину. Это обуславливает минимальную потерю тепловой энергии при простаивании или работе аккумулятора.

Тепловой аккумулятор, интегрированный с котлом на твердых видах топлива, должен быть рассчитан относительно технических параметров теплоносителя. Мощность аккумулятора рассчитывается по формуле Q = (C x M x ΔT), где:

• Q – мощность устройства;
  
• С — удельная теплоемкость теплоносителя;
  
• ΔT — разница значений температур между нижней и верхней частями аккумулятора.
  

Объем устройства должен рассчитываться с учетом соотношения того, что на 1 кВт мощности должна подбираться емкость, объемом в 25 литров. Работа оборудования будет оправдана с точки зрения соотношения затрат к полезной работе устройства.

Источники тепла

Положительные качества аккумуляторов тепловых заключаются в том, что они способны брать тепло от множества бытовых источников. Изделия устанавливаются в частных домах, коттеджах и подобных жилых постройках, где необходимо обеспечить для хозяев комфортное тепло в любое время года.

Горячее водоснабжение и теплый пол при работе теплового бака

Популярными источниками энергии тепла для таких баков являются следующие:

• топки каминов;
  
• насосные тепловые станции;
  
• коллекторы на солнечной энергии;
  
• котлы на угле, дровах и других видах твердого топлива.
  

Положительные качества такого хранения и передачи тепла люди оценили с экономической точки зрения. Описываемые изделия начали изготовлять с учетом растущего спроса. Расход топлива при использовании аккумуляторов уменьшается на 30%, а КПД увеличивается на 80%.

Когда оправдано применение

Устройство часто врезают в отопительную систему жилища. Это один из распространенных методов использования теплобака. Такие виды работ рекомендуется делать в таких случаях:

• большой показатель ежедневной потребности в системе снабжения горячей водой;
  
• потребность в уменьшении твердого топлива при использовании котла;
  
• необходимость снизить тарифы на электричество при применении котла на электричестве.
  

Эффективность применения описываемого оборудования с котлом электрическим оправдана при сниженном тарифе оплаты за электричество в ночное время (установлен счетчик двухтарифного типа). При этом, таймер котла программируется на включение питания ночью. Этот процесс нагревает емкость аккумулятора ночью, а днем бак прогревает помещение от полученной энергии.

Принцип работы

Как пример, применяется тепловой бак с контуром снабжения жилого здания горячей водой. Теплобак с теплоизоляцией, являющийся основным элементом устройства, может иметь сечение в виде круга или прямоугольника. Патрубки можно устанавливать на высоте, приемлемой для мастера. Представленные технические характеристики зависят от модели аккумулятора и производителя.

Тепловой бак с отопительной системой

Важно! Производительность оборудования во многом зависит от емкости бака. В популярных моделях емкость представленного элемента варьируется в пределах 200 л-3 м3. Функционирование бака аккумуляторного обусловлена высокой теплоемкостью водного ресурса или антифриза, которые нагреваются за счет котла.

Высокая температура жидкости сохраняется долгое время за счет толстого утеплительного слоя. Это сохраняет свойства отдачи тепла бака 1-2 суток после отключения устройства от источника тепла. Емкость, аккумулирующая тепло, состоит из таких элементов:

• корпус, выполненный из стали или пластика;
  
• кожух;
  
• элементы теплоизоляционные;
  
• теплообменник встроенный;
  
• если емкость выполнена из металла, присутствует магниевый анод;
  
• нагреватель электрический;
  
• набор патрубков, служащих для подключения контуров отопления и дополнительных агрегатов.
  

Это интересно! Теплоизоляционный слой может быть выполнен из разных материалов. Например, многие модели баков имеют теплоизоляцию, изготовленную из пенополиуретана.

Теплоаккумуляторы для систем отопления применяются в домах разной площади и этажности. Удобство использования такого оборудования в сочетании с преимуществами и удобством создает множество причин роста популярности этих устройств среди жилищ бытовых потребителей. Подключение к котлу осуществляется с помощью обратного трубопровода. Система комплектуется циркуляционным насосом, обеспечивающим нужный уровень циркуляции теплоносителя.

Работа с разными видами отопительных систем

Теплоаккумулятор для котлов отопления может применяться с разным оборудованием, обеспечивающий нужный уровень тепла внутри здания. Котел на дровах, угле и другом виде твердого топлива – самый распространенный вид оборудования, совместно с которыми применяются описываемые изделия.

Экономия с помощью теплового бака

Хозяевам приходится сталкиваться с разными трудностями. В первую очередь необходимо обеспечить место для хранения угля, дров или другого вида твердого топлива. Однако этот способ представляет наибольшую эффективность обеспечения хорошего тепла даже в самые лютые морозы.

Многие модели баков для отопления могут работать совместно с солнечными коллекторами. Такие элементы способны сэкономить хозяевам до 30% затрат на различного вида носители энергии. Несмотря на это, эффективность таких систем значительно уступает случаю с котлом на твердом топливе.

Поэтому коллекторы применяют в качестве вспомогательных элементов, тем более что в наших регионах ясная погода наблюдается не всегда. Коллекторов и теплового бака вполне хватает для обеспечения снабжения горячей водой. Они возмещают от 50% до 90% затрат.

Подключение теплового бака

Совместные системы теплоаккумулятора для открытой системы отопления с помощью котла на газе или твердом топливе – самые популярные и эффективные. Такие элементы обладают повышенной эффективностью, чем остальные, когда нужно запустить отопительную систему промерзшего дома. Правильно подключенный газовый агрегат будет постоянно обеспечивать хозяев горячей водой.

Благодаря особой конфигурации установки, отсутствует необходимость регулярно снабжать систему дровами или углем, как это необходимо для твердотопливных котлов. Достаточно просто обеспечить нужный приток газа в систему простым поворотом ручки на горелке. Такая система требует правильного подключения с помощью услуг квалифицированных мастеров.

Правильная установка

Кроме корпуса теплового аккумулятора для отопления процесс монтажа затрагивает установку систем управления и автоматики, опорный конструкций, а также систем насосов центробежного типа. В процессе установки понадобятся инструменты сантехника, насос циркуляции, изоляционные и уплотнительные материалы.

Емкость буферного назначения устанавливается с учетом поднятия воды, которая ранее была нагрета в верхние части корпуса теплового аккумулятора для отопления дома. Первым этапом работ по установке оборудования является выбор места, где будет работать устройство.

Буферная емкость теплового аккумулятора

По возможность бак устанавливают близко к отопительному котлу, к которому он будет подключен. Подключение оборудования на профессиональном уровне занимаются по средствам специальных соединений, укомплектованных соответствующими разъемов. Если оборудование выполнено из стали, нужно использовать муфты сгона, а если из полипропилена – применение специальных фитингов американок.

Благодаря этому, система будет работать стабильно, эффективно и безопасно. Оборудование при должном уходе и соблюдении правил эксплуатации способно прослужить долгие годы, обеспечивая хозяев комфортом и теплом независимо от погоды и времени года.

Это интересно! Тепловые аккумуляторы для отопления используются не только в жилых строениях, но и в теплицах. Они сохраняют энергию солнца в течение дня, которую затем отдают на благо растениям в холодное время.

Места соединения элементов нужно тщательно герметизировать пастой или паклей. Иногда используют фум-ленту, но прибегать к таким методам не рекомендуется, так как она не позволяет корректировать силу соединения при установке циркуляционных насосов. Емкость буфера можно установить своими руками. Емкость для аккумулирования тепла подключается в следующем порядке:

1. полный слив теплоносителя из всех коммуникационных элементов системы;
   
2. подключение предохранительных клапанов к одному из выводов аккумулятора;
   
3. установка шаровых кранов на патрубки изделия;
   
4. подключение циркуляционного насоса к нижнему выводу оборудования для подачи в котел охлажденной воды;
   
5. соединение напорного патрубка;
   
6. монтаж температурного датчика и блока управляющей автоматики, которые регулируются работой насосных систем для циркуляции, изменяя интенсивность его работы в зависимости от температуры теплоносителя;
   
7. монтаж входящей магистрали системы отопления к парному входу, расположенному в верху аккумулятора;
   
8. монтаж второго насоса для циркуляции на обратной подающей трубе, устройство нужно для обеспечения подачи носителя тепловой энергии к обогревающему контуру;
   
9. установка и настройка элементов автоматического управления второго насоса для циркуляции в зависимости от температурных показателе в каждой комнате дома;
   
10. если присутствует второй контур в составе конструкции теплового бака, осуществляется его присоединение к системе подачи горячей воды;
    
11. присоединение ТЭНа емкости буфера к электропитанию;
    
12. монтаж оборудования для защитного отключения всей системы и контур заземления.
    

Вся представленная система призвана сделать работу обогревающего устройства экономичной и надежной за счет оптимизации его работы. Накопительный бак можно приобрести в специализированных магазинах или также изготовить своими руками. В любом случае как закупкой изделия, так и его собственным изготовлением нужно заниматься с особой ответственностью. Важно приобретать товар в проверенных торговых точках с предоставлением нужных лицензий.

Пустая емкость аккумулятора

При изготовлении бака нужно ориентироваться на качественные материалы, предельную внимательность и аккуратность. Это позволяет на выходе получить качественное изделие, которое по своим характеристикам не будет уступают заводским устройствам.

Взаимодействие с котлами для отопления отопления

При использовании твердотопливного котла на дровах или угле бак должен работать на максимальной мощности, чтобы выдать высокий КПД Использование дров также доставляет неудобства, связанные с необходимостью загружать их ночью, если они были израсходованы ранее. Выходом из такой ситуации будет приобретения бака, который накапливает тепловую энергию, сгенерированную ранее. Она может использоваться для отопления после израсходования дров.

Положение вещей при использовании котла на электричестве противоположная. Это актуально при условии, что котел подключен к сети электроснабжения через многотарифный счетчик. Для экономии энергозатрат нужно максимальное количества энергии тепла получить в ночное время. В это время суток по счетчику проходит низкий тариф потребления электроэнергии.

Тепловые аккумуляторы и котлы отопления

В дневное время электричество используется с меньшей интенсивностью, а бак может быть отключен вовсе. В этом случае ночью тепловой аккумулятор максимально эффективен, что позволяет ему экономично снабжать горячей водой хозяев, которые могут пользоваться этим благом постоянно.

Важно! Для современной ситуации, чтобы работа теплового бака была максимально продуктивной, котел должен содержать полуторный запас выдаваемой мощности генерации тепловой энергии. В противном случае оборудование окажется неспособным подогревать поступающие водные ресурсы и накапливать излишки тепла.

В теплицах, где используется аккумулятор тепла, может возникать слишком много тепловой энергии. В этом случае ответственный персонал или хозяева раскрывают окна на проветривание. Чтобы эффективно накапливать энергию солнечного света для применения ее ночью, можно применить аккумулятор тепла в целях обогрева почвы.

Простейший тепловой бак в теплице

Изделие представляет собой рукав черного цвета, изготовленный из полимерного материала. Его нужно наполнить водой и разложить по грядкам. Вода в рукаве солнечным днем нагревается и передает тепловую энергию грунту в ночное время. Также внутрь теплицы можно поместить черные бочки, наполненные водой. Это также удерживает почву в теплом состоянии в ночное время.

Коротко о главном

Тепловой аккумулятор – устройство, позволяющее накапливать тепло от теплоносителя, полученное за определенное время, а затем отдавать его во благо хозяев. Само по себе устройство имеет довольно простую структуру и принцип работы. Роль теплоносителя могут играть котлы различного вида – на твердом топливе, электрический, а также коллекторы, работающие от солнечной энергии. При правильном выборе агрегата и его установке, оборудование работает экономично, чем и заслужило стремительно растущую популярность среди владельцев частных домов.

А что вы думаете о таком способе отопления дома? Оправдана ли эффективность? Расскажите в комментариях.

Автор

Марк Соловьев Специальность: Инженер

Все статьи

Поделиться

Поделиться

Тепловой аккумулятор для отопления: конструкция и виды

Твёрдое топливо – зачастую единственный вариант обеспечения тепла в доме для многих регионов в случае отсутствия доступа к природному газу. Использование жидкого топлива (дизельного или мазута) проблематично ввиду сложности устраиваемой системы отопления, в которую должны быть включены пожаробезопасные ёмкости и принудительно подающие к котлу топливо магистрали. У электроотопления тоже есть свои минусы. Поскольку электричество довольно дорогой вид энергии, в системе электроснабжения возможны перебои по различным причинам и вдобавок оно поставляется потребителю с ограничением по мощности, то твердотопливный котёл остаётся оптимальной альтернативой простой печи.

Содержание

• 1 Системы отопления на твёрдом топливе
• 2 Схема отопления с теплоаккумулятором
• 3 Принцип работы
• 4 Типы конструкций теплоаккумуляторов

Системы отопления на твёрдом топливе

У этого способа отопления тоже есть один существенный недостаток – строгая периодичность загрузки топлива по мере сгорания. В момент максимального разгорания топлива в котле образуется переизбыток тепла, который переводит к перегреву помещения. При потере же теплоотдачи прогоревшего угля или дров теплоноситель остывает и в системе отопления образуются температурные скачки, что не прибавляет комфортности жилищу, а иногда и приводит к авариям в случае разморозки трубопроводов системы.

Нивелировать данную проблему помогает установленный тепловой аккумулятор в системе отопления. Принцип его работы основан на использовании высокой теплоёмкости воды, служащей в отопительной системе теплоносителем, один литр которой при остывании на 1 С разогревает кубометр воздуха на 4 С. Внешне теплоаккумулятор для системы отопления выглядит как эффективно утеплённый снаружи вместительный резервуар, подключённый к источнику тепла и контурам системы отопления.

Схема отопления с теплоаккумулятором

Чтобы понять принцип работы теплоаккумулятора, необходимо понять схему отопления с ним. Элементарная система отопления с теплоаккумулятором представляет собой вертикально расположенный утеплённый бак, в который врезаны 4 патрубка, размещённых вертикально по два с противоположных сторон.

С каждой стороны один патрубок помещён в верхней части ёмкости (подающая магистраль), один – в нижней (обратная магистраль контура).

С одной стороны пара патрубков подключается к прямой и обратной магистралям твердотопливного котла, с другой – к соответствующим трубопроводам контура отопления. В обратные магистрали обоих контуров монтируются циркуляционные насосы для стабильного обращения теплоносителя в сети.

Принцип работы

После достижения стабильного горения топлива в котле циркуляционный насос начинает подавать в зону нагрева холодную воду из низа теплообменника, параллельно подавая в теплоаккумулятор для отопления дома разогретый теплоноситель через верхний патрубок. Активного перемешивания горячей и холодной воды в теплоаккумуляторе не происходит в виду значительной разницы в плотности жидкости при разных температурах. Таким образом бак после прогорания заложенного топлива будет заполнен разогретой до нужной температуры водой.

При качественном утеплении теплоаккумулятор в системе отопления может сохранять температуру теплоносителя на должном уровне в течение нескольких часов, а при высокой эффективности конструкции – нескольких дней.

После прогорания топлива в котле включается циркуляционный насос контура отопительной системы, обеспечивающий прокачку теплонесущей жидкости по трубопроводам и отопительным приборам сети. За счёт забора теплоносителя сверху и подачи остывшей жидкости снизу перемешивания слоёв разных температур не происходит и теплоаккумулятор равномерно отдаёт тепловую энергию в систему. А какой котел выбрать для частного дома можно узнать здесь.

Типы конструкций теплоаккумуляторов

Выше уже был рассмотрен внешний вид теплоаккумуляторов, он един для всех моделей, а вот внутренняя конструкция может различаться. Рассмотрим основные типы существующих приборов.

По эффективности работы и функциональному предназначению тепловые аккумуляторы делятся на следующие виды:

• С прямым подключением контуров (пустые). В этой самой элементарной конструкции отсутствуют любого вида теплообменники, и разделение горячей и холодной теплоносящей жидкости обеспечивается разностью её плотности. Техническая простота такого прибора позволяет изготовить самодельный теплоаккумулятор отопления, главное впоследствии не поскупиться на качественную теплоизоляцию.
• С внутренним теплообменником. По этой схеме возможно использование разных теплоносителей в контурах котла и отопительной системы, так как разделение жидкостей обеспечено стенками теплообменника.
• Со встроенным бойлером. В теплоаккумуляторах такого типа внутри основного бака помимо теплообменников размещают дополнительную ёмкость для нагрева воды в целях горячего водоснабжения дома.

Выбор теплоаккумулятора для системы отопления дома – ответственное мероприятие, к которому нужно отнестись с максимальной серьёзностью. От качества, функциональных возможностей и технических характеристик прибора зависит комфорт жилища и здоровье проживающих в нём людей.

Аккумулятор тепловой энергии может сыграть важную роль в обезуглероживании зданий — Центр новостей Berkeley Lab

Может ли резервуар со льдом или горячей водой быть аккумулятором? Да! Если батарея — это устройство для хранения энергии, то хранение горячей или холодной воды для питания системы отопления или кондиционирования воздуха в здании — это другой тип хранения энергии. Эта технология, известная как аккумулирование тепловой энергии, существует уже давно, но ее часто упускают из виду. Теперь ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) прилагают согласованные усилия, чтобы вывести накопление тепловой энергии на новый уровень.

Чтобы преодолеть некоторые ограничения традиционных накопителей тепловой энергии на водной основе, ученые лаборатории Беркли изучают разработку материалов и систем следующего поколения, которые будут использоваться в качестве теплоносителя или охлаждающей среды. Они также создают основу для анализа затрат, а также инструмент для сравнения экономии затрат. В серии статей, опубликованных в этом году, исследователи лаборатории Беркли сообщили о важных достижениях в каждой из этих областей.

«Обезуглероживание зданий, особенно для отопления, очень сложно», — сказал Рави Прашер, заместитель директора лаборатории энергетических технологий Berkeley Lab. «Но если вы храните энергию в форме конечного использования, то есть тепла, а не в форме энергоснабжения, то есть электричества, экономия затрат может быть очень убедительной. И теперь с разработанной нами структурой мы сможем сопоставить затраты на хранение тепловой энергии по сравнению с хранением электроэнергии, например, с литиевыми батареями, что до сих пор было невозможно».

В Соединенных Штатах на здания приходится 40% общего потребления энергии. Из них почти половина идет на тепловые нагрузки, которые включают в себя отопление и охлаждение помещений, а также нагрев и охлаждение воды. Другими словами, пятая часть всей производимой энергии идет на тепловые нагрузки в зданиях. Ожидается, что к 2050 году спрос на электроэнергию от тепловых нагрузок резко возрастет, поскольку природный газ будет постепенно сокращаться, а отопление все чаще будет осуществляться за счет электричества.

«Если мы используем аккумулирование тепловой энергии, в котором сырье более обильное для удовлетворения потребности в тепловых нагрузках, это частично снизит потребность в электрохимическом аккумулировании и высвободит батареи для использования там, где аккумулирование тепловой энергии не может быть использовано, — сказал Суманджит Каур, руководитель группы тепловой энергии Berkeley Lab.

Жизнеспособная и экономичная альтернатива батареям

По мере того, как наше общество продолжает электрифицироваться, потребность в батареях для хранения энергии, по прогнозам, будет огромной, достигнув, по оценкам, от 2 до 10 тераватт-часов (ТВтч) ежегодного производства батарей к 2030 году по сравнению с менее чем 0,5 ТВтч сегодня. Поскольку в обозримом будущем литий-ионные аккумуляторы станут доминирующей технологией хранения, ключевым ограничением является ограниченная доступность сырья, включая литий, кобальт и никель, которые являются основными компонентами современных литиевых аккумуляторов. Хотя лаборатория Беркли активно работает над устранением этого ограничения, также необходимы альтернативные формы хранения энергии.

«Сейчас литиевые батареи сталкиваются с огромным давлением с точки зрения поставок сырья, — сказал Прашер. «Мы считаем, что хранение тепловой энергии может быть жизнеспособной, устойчивой и рентабельной альтернативой другим формам хранения энергии».

Аккумуляторы тепловой энергии могут быть развернуты в различных масштабах, в том числе в отдельных зданиях — например, в вашем доме, офисе или на заводе — или на районном или региональном уровне. В то время как в наиболее распространенной форме тепловой энергии используются большие резервуары с горячей или холодной водой, существуют и другие типы так называемого аккумулирования явного тепла, например, использование песка или камней для хранения тепловой энергии. Однако эти подходы требуют большого пространства, что ограничивает их пригодность для проживания.

Из жидкого состояния в твердое и обратно

Чтобы обойти это ограничение, ученые разработали высокотехнологичные материалы для хранения тепловой энергии. Например, материалы с фазовым переходом поглощают и выделяют энергию при переходе между фазами, например, из жидкого в твердое и обратно.

Материалы с фазовым переходом имеют ряд потенциальных применений, включая терморегулирование батарей (чтобы они не перегревались или не переохлаждались), усовершенствованный текстиль (подумайте об одежде, которая может автоматически согревать или охлаждать вас, тем самым обеспечивая тепловой комфорт во время работы). снижение энергопотребления зданий) и сухое охлаждение электростанций (для экономии воды). В зданиях материалы с фазовым переходом могут быть добавлены к стенам, действуя как тепловая батарея для здания. Когда температура окружающей среды поднимается выше точки плавления материала, материал меняет фазу и поглощает тепло, тем самым охлаждая здание. И наоборот, когда температура падает ниже точки плавления, материал меняет фазу и выделяет тепло.

Однако одна проблема с материалами с фазовым переходом заключается в том, что они обычно работают только в одном диапазоне температур. Это означает, что для лета и зимы потребуются два разных материала, что увеличивает стоимость. Лаборатория Беркли решила решить эту проблему и добиться так называемой «динамической настраиваемости» температуры перехода.

Показаны два различных способа интеграции аккумулирования тепловой энергии в зданиях. Термическая батарея (питание от материала с фазовым переходом) может быть подключена к тепловому насосу здания или традиционной системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (слева), или материал с фазовым переходом может быть встроен внутрь стен. (Фото: лаборатория Беркли)

В исследовании, недавно опубликованном в Cell Reports Physical Science, исследователи первыми достигли динамической настраиваемости в материале с фазовым переходом. В их революционном методе используются ионы и уникальный материал с фазовым переходом, который сочетает в себе накопление тепловой энергии с накоплением электрической энергии, поэтому он может хранить и поставлять как тепло, так и электричество.

«Эта новая технология действительно уникальна, потому что она объединяет тепловую и электрическую энергию в одном устройстве», — сказал руководитель группы Applied Energy Materials Гао Лю, соавтор исследования. «Он функционирует как тепловая и электрическая батарея. Более того, эта возможность увеличивает потенциал накопления тепла благодаря возможности регулировать температуру плавления материала в зависимости от различных температур окружающей среды. Это значительно увеличит использование материалов с фазовым переходом».

Каур, также соавтор статьи, добавил: «В целом это помогает снизить стоимость хранения, поскольку теперь один и тот же материал можно использовать круглый год, а не только полгода».

В крупномасштабном строительстве эта комбинированная способность аккумулировать тепловую и электрическую энергию позволила бы материалу накапливать избыточную электроэнергию, вырабатываемую локальными солнечными или ветровыми установками, для удовлетворения как тепловых (нагрев и охлаждение), так и электрических потребностей.

Развитие фундаментальной науки о материалах с фазовым переходом

Еще одно исследование лаборатории Беркли, проведенное ранее в этом году, касалось проблемы переохлаждения, которое не является сверххолодным в некоторых материалах с фазовым переходом, потому что делает материал непредсказуемым, поскольку он не может каждый раз менять фазу при одной и той же температуре. Под руководством ассистента аспиранта лаборатории Беркли и аспиранта Калифорнийского университета в Беркли Дрю Лилли исследование, опубликованное в журнале Applied Energy, стало первой демонстрацией методологии количественного прогнозирования характеристик переохлаждения материала.

Третье исследование лаборатории Беркли, опубликованное в Applied Physics Letters в этом году, описывает способ развития понимания фазового перехода на атомном и молекулярном уровне, что имеет решающее значение для разработки новых материалов с фазовым переходом.

«До сих пор большинство фундаментальных исследований, связанных с физикой фазового перехода, носили вычислительный характер, но мы разработали простую методологию для прогнозирования плотности энергии материалов с фазовым переходом», — сказал Прашер. «Эти исследования являются важными шагами, которые открывают путь к более широкому использованию материалов с фазовым переходом».

Яблоки к яблокам

Четвертое исследование, только что опубликованное в журнале Energy & Environmental Science, разрабатывает структуру, которая позволит проводить прямое сравнение стоимости батарей и аккумулирования тепловой энергии, что было невозможно до сих пор.

«Это действительно хорошая платформа для сравнения — яблоки с яблоками — аккумуляторы и тепловые накопители, — сказал Каур. «Если бы кто-нибудь приходил ко мне и спрашивал: «Должен ли я установить Powerwall (система литиевых батарей Tesla для хранения солнечной энергии) или накопитель тепловой энергии», у меня не было возможности их сравнить. Эта структура дает людям возможность понять стоимость хранения на протяжении многих лет».

Структура, разработанная исследователями из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии и Окриджской национальной лаборатории, учитывает затраты на протяжении всего срока службы. Например, тепловые системы имеют более низкие капитальные затраты на установку, а срок службы тепловых систем обычно составляет от 15 до 20 лет, тогда как батареи обычно необходимо заменять через восемь лет.

Инструмент моделирования для развертывания аккумулирования тепловой энергии в системах отопления, вентиляции и кондиционирования зданий

Наконец, исследование с исследователями из Калифорнийского университета в Дэвисе и Калифорнийском университете в Беркли продемонстрировало технико-экономическую осуществимость развертывания систем ОВКВ с аккумулированием тепловой энергии на основе материалов с фазовым переходом. Сначала команда разработала имитационные модели и инструменты, необходимые для оценки экономии энергии, снижения пиковой нагрузки и стоимости такой системы. Инструмент, который будет доступен для общественности, позволит исследователям и строителям сравнивать экономику систем ОВКВ с накоплением тепловой энергии с полностью электрическими системами ОВКВ с электрохимическим накоплением и без него.

«Эти инструменты открывают беспрецедентную возможность изучить экономические аспекты реальных приложений систем отопления, вентиляции и кондиционирования, интегрированных в системы хранения тепловой энергии, — сказал руководитель проекта Berkeley Lab Спенсер Даттон. «Интеграция аккумулирования тепловой энергии позволяет нам значительно снизить мощность и, следовательно, стоимость теплового насоса, что является важным фактором снижения стоимости жизненного цикла».

Затем группа приступила к разработке «готового к эксплуатации» прототипа системы ОВКВ для небольших коммерческих зданий, в которой использовались как холодные, так и горячие тепловые батареи на основе материалов с фазовым переходом. Такая система отключает как охлаждение, так и отопление от электрической сети. Наконец, команда проводит полевые демонстрации в масштабах жилых домов, уделяя особое внимание электрификации домов и переносу нагрузки на отопление и горячее водоснабжение.

«Если подумать о том, как энергия потребляется во всем мире, люди думают, что она потребляется в виде электричества, но на самом деле в основном она потребляется в виде тепла», — сказал Ноэль Бахтян, исполнительный директор Центра хранения энергии Berkeley Lab. «Если вы хотите обезуглероживать мир, вам нужно обезуглероживать здания и промышленность. Это означает, что вам нужно обезуглероживать тепло. Существенную роль здесь может сыграть хранение тепловой энергии».

Исследование проводилось при поддержке Управления технологий зданий Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики.

# # #

Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, основанная в 1931 году на основе убеждения, что самые сложные научные задачи лучше всего решаются командами, и ее ученые были отмечены 14 Нобелевскими премиями.