Как самому сделать теплоаккумулятор: Теплоаккумулятор своими руками: размеры, материалы, утепление

чертежи, схема аккумулирующей емкость для отопления

В нынешние времена удорожания всех видов энергоносителей многих домовладельцев стал серьезно волновать вопрос их экономичного использования. Один из вариантов – это включение в схему отопления большой емкости с водой – теплового аккумулятора.
Но емкости заводского изготовления отличаются немалой стоимостью. В то же время некоторые домашние мастера – умельцы разобрались, как можно сделать теплоаккумулятор своими руками, что выйдет гораздо дешевле. Об этом опыте и будет рассказано в данной статье.

Немного о назначении и конструкции

Прежде чем давать рекомендации по изготовлению этого важного узла, вкратце определимся, для чего он нужен и рассмотрим его заводскую конструкцию. Итак, аккумулирующие емкости с водой применяются в случаях периодического отопления дома, а точнее:

• при работе электрического котла с многотарифным счетчиком, когда нагреватели могут экономно функционировать лишь в ночное время. Агрегат, работая на полную мощность, обогревает дом и накапливает тепловую энергию в баке с водой;
• накопление теплоты необходимо и для котлов на твердом топливе, которые наоборот, останавливаются в ночное или другое время, если некому заложить в топку новую порцию дров или угля;

Агрегаты заводского изготовления представляют собой бак круглой формы, заполненный водой. В нее погружены несколько змеевиков, в них циркулирует теплоноситель котлового и других контуров отопления. Конструкция достаточно сложна в производстве и оттого недешева, в этом можно убедиться, посмотрев чертежи теплоаккумулятора.

Если попытаться взять за основу подобное устройство, чтобы самостоятельно изготовить теплоаккумулятор, то в конечном счёте он обойдется ненамного дешевле заводского. Медные или нержавеющие трубки и работа по навивке из них змеевиков, герметизация вводов и утепление отнимут у вас массу времени и денежных средств. Для домовладельцев, желающих произвести сборку и установку самодельного накопителя тепла, есть более простое решение, описанное ниже.

Расчет объема накопительного бака

Данное решение заключается в том, что теплоаккумулятор, сделанный своими руками, представляет собой обычную утепленную емкость с двумя патрубками для присоединения к системе отопления. Суть заключается в том, что котел в процессе работы частично направляет тепловой носитель в накопительный бак, когда радиаторы в этом не нуждаются. После отключения источника тепла происходит обратный процесс: работа системы отопления поддерживается водой, поступающей из аккумулятора. Для этого нужно будет правильно выполнить обвязку накопительной емкости с теплогенератором.

Первым делом надо определить объем бака для аккумуляции тепловой энергии и произвести оценку возможности его размещения в котельной. Кроме того, изготовление теплоаккумуляторов для твердотопливных котлов необязательно начинать с нуля, есть различные варианты подбора готовых сосудов подходящей вместительности.

Мы предлагаем ориентировочно определить объем бака самым простым способом, основанным на законах физики. Для этого надо иметь такие исходные данные:

• тепловая мощность, потребная на обогрев дома;
• время, в течение которого источник тепла будет отключен и его место займет аккумулирующая емкость для отопления.

Способ расчета покажем на примере. Есть здание площадью 100 м2, где теплогенератор простаивает 5 часов в сутки. Укрупненно принимаем необходимую тепловую мощность в размере 10 кВт. Это значит, что каждый час аккумулятор должен отдавать в систему 10 кВт энергии, а на весь промежуток времени ее надо накопить 50 кВт. При этом вода в баке нагревается минимум до 90 ºС, а температура на подаче в системах отопления частных домов при стандартном режиме принимается равной 60 ºС. То есть, разность температур составляет 30 ºС, все эти данные мы подставляем в хорошо знакомую из курса физики формулу:

Q = cmΔt

Поскольку мы хотим узнать количество воды, что должен содержать тепловой аккумулятор, то формула принимает такой вид:

m = Q / c Δt, где:

• Q – общий расход тепловой энергии, в примере равен 50 кВт;
• с – удельная теплоемкость воды, составляет 4. 187 кДж / кг ºС или 0.0012 кВт / кг ºС;
• Δt– разность температур воды в баке и подающем трубопроводе, для нашего примера это 30 ºС.

m= 50 / 0.0012 х 30 = 1388 кг, что занимает ориентировочный объем 1.4 м3. Итак, тепловая батарея для твердотопливного котла емкостью 1.4 м3, наполненная водой, нагретой до 90 ºС, будет обеспечивать дом площадью 100 м2 теплоносителем с температурой 60 ºС в течении 5 часов. Потом температура воды упадет ниже 60 ºС, но еще какое-то время (3—5 часов) понадобится на полную «разрядку» аккумулятора и остывание помещений.

Важно! Для того чтобы тепловой аккумулятор, изготовленный своими руками, успевал полностью «зарядиться» во время работы котла, последний должен иметь не менее чем полуторный запас по мощности. Ведь отопителю надо одновременно обогревать дом и загружать накопительный бак горячей водой.

Рекомендации по изготовлению

Если требуется сделать аккумулирующую емкость с нуля, то лучше всего для этой цели использовать обычный листовой металл толщиной 2 мм. Варить бак можно и из нержавейки, но вовсе не обязательно, так как подобный материал обойдется очень дорого. Для удобства последующего утепления и простоты изготовления емкость лучше делать прямоугольной формы. Зная объем бака, легко рассчитать его габариты в соответствии с условиями его монтажа в котельной.

Совет. Если вы хотите обеспечить совместное функционирование накопительного сосуда и самотечной системы отопления, то нужно смастерить теплоаккумулятор открытого типа, то есть, обеспечить его сообщение с атмосферой через трубку в верхней части бака. Ставить его надо выше уровня радиаторов, для чего придется дополнительно сварить подставку из стальных труб или уголков.

В некоторых случаях нет смысла варить емкость с нуля, можно сделать водяной теплоаккумулятор из бочки. Хорошо подойдет железная бочка большой вместительности, в нее потребуется врезать два патрубка для присоединения к системе. Пластмассовые бочки применять рискованно из-за высокой температуры воды, разве что на маркировке изделия будет указана максимальная температура содержимого до 100 ºС.

Такое же предостережение мы даем тем домашним умельцам, что мастерят теплоаккумуляторы из еврокуба. Конечно, это очень удобный способ, но данная пластмассовая емкость рассчитана на максимальную температуру не более 70 ºС. Поэтому еврокуб подойдет в качестве накопительного бака, работающего с теплыми полами, где температура теплоносителя редко превышает 50 ºС, для радиаторных систем он не годится.

Чем утеплить теплоаккумулятор

Даже когда бак находится в теплом помещении, то разность температур между воздушной средой и теплоносителем слишком велика – от 50 до 70 ºС. Чтобы не терять тепло и не обогревать им топочную, надо обязательно выполнять утепление теплоаккумулятора. Проще всего это сделать с помощью пенопласта толщиной 100 мм и плотностью 25 кг/м3. Его легко клеить к металлическим стенкам и вырезать отверстия под патрубки.

Сгодится для утепления и минеральная вата той же толщины, хотя крепить ее несколько сложнее. Плотность материала – 135—145 кг/м3. Для круглых баков из бочек придется использовать рулонные утеплители типа ISOVER, тут придется изрядно повозиться с крепежом, особенно в нижней части емкости.

Ниже на видео показана установка и схема теплоаккумулятора с подключением его к котлу и отопительной системе:

Статья в тему: Как сделать отопление в частном доме – подробное руководство

Заключение

Использование накопительного бака позволяет экономить топливо при работе дровяных котлов и пользоваться выгодным ночным тарифом в случае с теплогенератором электрическим. В изготовлении бак не столь уж сложен, надо только иметь некоторые навыки.

Изготовление теплоаккумулятора своими руками — Недвижимость в Москве

Last Updated on 10.10.2017 by Sia

Водяной теплоаккумулятор – это специальный аппарат, который собирает лишнюю тепловую энергию с котла, простыми словами, накапливает тепло до определенного момента. Если дом перестает отапливаться обычным способом, бак-аккумулятор будет бесперебойно поставлять тепло. Стоимость подобного устройства очень высока: за объем 200 литров придется заплатить почти тысячу долларов, что уж говорить о более объемном оборудовании. Если в планы не входят большие растраты, то предлагаем сделать теплоаккумулятор самостоятельно.

Содержание

• Сфера применения теплоаккумулятора
• Виды теплоаккумуляторов
• Устройство теплоаккумулятора
• Как собрать теплоаккумулятор своими руками
• Этапы сборки теплоаккумулятора
• Теплоаккумулятор из баллонов
• Выводы

Сфера применения теплоаккумулятора

Некоторые думают, что тепловой аккумулятор не особо нужен в доме, ведь он работает редко. Однако, оборудование играет важную роль в отопительной системе и применяется в нескольких случаях.

Если дом обогревается печью, что имеет водяной контур, или котлом, топить которые нужно путем подкидывания дров и угля. Чтобы хозяин дома спокойно спал ночью и не бегал к печи для подкидывания топлива, начинает работать аккумулятор тепла.

Когда дом отапливается электрокотлом, то счет за электричество будет на немаленькую сумму. Все знают, что ночью тариф в два раза меньше, поэтому целесообразно днем использовать теплоаккумулятор.

Ну и, конечно же, при отключении основного источника отопления, например, в случае поломки, накопитель тепловой энергии будет очень кстати.

Виды теплоаккумуляторов

Существует несколько видов тепловых аккумуляторов.

Стандартная буферная емкость. Аккумулятор – это обычный металлический бак. Для того чтобы он дольше сохранял тепло, бак должен быть покрыт слоем утеплителя. Если конструкция не утеплена – сделать это можно своими руками.

Накопитель горячего водоснабжения. Чтобы бак-теплоаккумулятор грел воду, его нужно укомплектовать змеевиком. Змеевик служит проводником холодной воды из водопровода в бак, его размещают в верхней или нижней части конструкции либо, вообще, по всему периметру нагревателя. Напрямую пускать воду в бак не рекомендуется, так как на стенках аккумулятора образовываются отложения и распространяются бактерии.

Змеевик проводят не только от водопровода, но и от солнечных лучей так называемые солнечные коллекторы. Теплоноситель поступает в накопитель от специальных нагретых солнцем панелей, оставляет тепло в баке, и по змеевику опять возвращается к панелям, чтобы заново нагреться.

Водяной теплоаккумулятор с теплообменником. Как и змеевик, теплообменник

Теплоаккумуляторы

используют для ГВС. Благодаря высокой теплопроводности, гофрированная труба отлично подойдет для подключения к солнечным коллекторам. Теплообменник еще используют для системы теплых полов. Труба выдерживает давление до 10 атмосфер.

Конструкцию «бак в баке». Такой теплоаккумулятор называют полноценным бойлером внутри технологической емкости. Чтобы увеличить площадь теплообмена и способствовать очищению стенок бака от накипи, для изготовления конструкции используют ребристую нержавеющую сталь.

Устройство теплоаккумулятора

Основа накопителя – это обычный бак, снизу и сверху имеющий парубки, к которым крепится змеевик. Внизу бак соединяется с источником тепла, а вверху – с отопительной системой. Агрегат отличается высокой теплоемкостью воды. Аккумулятор работает по определенному принципу.

В боковых стенках бака есть две трубы. Одна является проводником холодной воды от водопровода, вторая нужна для теплового носителя, чтобы тот поступал в радиаторы отопления.

Верхний змеевик соединяют с трубой, через которую идет холодная вода, а нижний – с патрубком горячей воды.

Принцип работы

Горячая вода циркулирует через змеевик и нагревает жидкость, находящуюся в баке-теплоаккумуляторе. Если котел выключается, вода в трубах постепенно остывает, но циркуляция продолжается. Прохладная жидкость, поступающая в накопитель, начинает выталкивать имеющийся там горячий накопитель в систему отопления, за счет чего помещения продолжают обогреваться какое-то время, даже если котел выключен.

Чтобы теплоноситель двигался по трубе, нужно укомплектовать бак циркулярным насосом.

Как собрать теплоаккумулятор своими руками

Необязательно покупать теплоаккумулятор. Его можно сделать самостоятельно, сэкономив почти в два раза, а эффективность будет не хуже, чем у покупного. Самый простой цилиндрический теплоаккумулятор по принципу работы сходный с термосом. Его стенки сохраняют тепло воды долгое время, поэтому он отлично подойдет для отопления помещений. Перед началом сборки водяного теплоаккумулятора понадобится:

• Бак с минимальным объемом 200 литров, бак меньше не имеет смысла. Объем выбирать, основываясь на площадь, которая должна отапливаться.
• Материал, чтобы теплоизолировать конструкцию, например, возьмите минеральную вату.
• Фольгированная пленка.
• Клейкая лента.
• Змеевик трубки из меди для его изготовления.
• Для опалубки можно использовать бетонную плиту или доски, еще понадобиться бетон для заливки.

В качестве накопителя отлично подойдет железная бочка.

После того как запасетесь всеми необходимыми материалами, можно приступать к работе.

Схема теплоаккумулятора SWaG 800

Этапы сборки теплоаккумулятора

Для начала нужно подготовить бочку. Если она старая, то очистите ее от загрязнений и следов коррозии.

Берем теплоизоляционный материал и оборачиваем им внешние стенки бака, после чего закрепляем утеплитель с помощью скотча, обмотанного в несколько слоев. Для утепления отлично подойдет минеральная вата, а вот использование экструдированного пенополистирола не рекомендуется, из-за того, что под такой обшивкой в холодное время года могут поселиться мыши. К минеральной вате они равнодушны.

Чтобы окутать бочку, нужно взять фольгированную пленку и зафиксировать ее клейкой лентой. Самодельный теплоаккумулятор можно обшить листом металла.

Следующим шагом станет изготовление змеевика. Для этого понадобится медная трубка длиной 8–15 метров (длина зависит от объема бака) и диаметром 20–30 метров. Согните трубу в спираль и поместите внутрь бочки.

При соединении змеевика с котлом спираль будет нагреваться, соответственно, будет нагреваться и вода в накопителе.

Для движения воды нужно сделать патрубки, которые мы оснастим кранами. Краны нужны, чтобы при необходимости можно было быстро перекрыть циркуляцию воды.

Последний этап – это установка теплоаккумулятора. Бак устанавливают на бетонную основу. Можно использовать готовую плиту или же самим залить опалубку бетонным раствором.

Этот тип конструкции подходит для однокотловой системы отопления. Если котлов несколько, новичку будет сложно сделать правильный агрегат самостоятельно.

Теплоаккумулятор из баллонов

Если котельная слишком маленькая для установки объемных бочек, можно сделать цилиндрический теплоаккумулятор из баллонов от пропана. Такая конструкция имеет объем всего 100 литров, но для небольшого помещения вполне подойдет. Накопитель выполняет несколько функций:

• Разгрузка твердотопливного котла при перегреве путем накопления излишков теплоты, что обеспечивает безопасность котла.
• Нагрев воды для хозяйственных нужд.
• Баллон способен обеспечить обогрев дома на несколько часов, если котел будет отключен.

Для начала нужно подготовить материалы:

• баллоны из-под пропана 2 шт.;
• медная трубка, длиной 10 метров и диаметром 12 метров;
• штуцеры и гильзы для термометров;
• базальтовая вата в качестве утеплителя;
• металл, чтобы обшить конструкцию.

Если все необходимые материалы в наличии, можно приступать к изготовлению.

1. Открутить от баллонов вентили и отрезать крышки с помощью болгарки. Перед тем как отрезать крышку, наполнить баллон водой, чтобы остатки газа не взорвались.
2. Согнуть трубу в форму змеевика вокруг трубы нужного диаметра.
3. Сверлом сделать отверстия в баллоне для фиксаторов термометра.
4. Сварить два баллона, поставив их друг на друга.
5. Внутри получившейся конструкции нужно установить змеевик, а концы трубки выпустить через сделанные отверстия.
6. К сделанному баку нужно приделать дно и крышку: в дно баллона врезаем штуцер для сливного крана, а в крышку – для сброса воздуха.
7. Утеплить накопитель базальтовой ватой.
8. Обшить аккумулятор металлическим листом, закрепив его саморезами.

Такой теплоаккумулятор не оснащен циркуляционным насосом и подключается к котлу напрямую. Он стыкуется с котлом стальными трубами, диаметр которых 5 см.

Выводы

Изготавливать теплоаккумулятор своими руками довольно долгая и трудоемкая работа, но, если соблюдать все этапы сборки, то получится настоящий накопитель тепла, который пригодиться в вашей отопительной системе. Самое важное, что для изготовления теплоккумулятора понадобятся самые обычные материалы, такие как бочка или баллон, которые точно найдутся в гараже.

Видео: Теплоаккумулятор или буферная емкость

Поделиться с друзьями:

Рубрики

Cтатьи

• Новые
•  / 
• Популярные

[block]

Рубрики

[block]

Cтатьи

• Новые
•  / 
• Популярные

Рубрики

Cтатьи

• Новые
•  / 
• Популярные

Adblock
detector

Что такое песочная батарея? — Энергия полярной ночи

Какова структура вашего теплоаккумулятора?

Представляет собой изолированный силос со стальным корпусом, заполненным песком и теплообменными трубами. Кроме того, требуется оборудование за пределами хранилища, такое как компоненты автоматизации, клапаны, вентилятор и теплообменник или парогенератор.

Как вы нагреваете песок?

С электричеством из сети или местного производства, в обоих случаях из изменчивых источников, таких как ветер и солнце. Мы заряжаем его, когда доступна чистая и дешевая электроэнергия. Электрическая энергия передается в аккумулирующее тепло по воздушной трубе с замкнутым контуром. Воздух нагревается с помощью электрических резисторов и циркулирует в трубопроводе теплопередачи.

Насколько горячий песок?

Максимальная температура в теплоаккумуляторе Канкаанпяя составляет около 600 градусов Цельсия. Тем не менее, температура может быть даже выше в зависимости от потребностей клиента. На практике максимальная температура песчаного теплоаккумулятора ограничивается не свойствами аккумулирующей среды, а теплостойкостью материалов, используемых при строительстве и управлении накопителем.

Как получить тепло из теплоаккумулятора?

Теплоаккумулятор разгружается продувкой труб холодным воздухом. Он нагревается при прохождении через хранилище и может использоваться, например, для преобразования воды в технологический пар или для нагрева воды для централизованного теплоснабжения в теплообменнике воздух-вода.

Почему вы используете песок?

Многие твердые материалы, такие как песок, можно нагревать до температур, значительно превышающих точку кипения воды. Аккумуляторы тепла на основе песка могут хранить в несколько раз больше энергии, чем в резервуаре с водой аналогичного размера; это благодаря большому диапазону температур, допускаемому песком. Таким образом, он экономит место и позволяет универсально использовать его во многих промышленных приложениях.

Какой песок вы используете?

Аккумулятор тепла не очень чувствителен к размеру песка. Мы предпочитаем недорогие материалы высокой плотности, которые не являются дефицитными. Нашим теплоаккумулятором может быть чужая грязь. Мы предпочитаем использовать материалы, которые не подходят для строительной отрасли.

Имеет ли значение размер песка?

Немного, мы предпочитаем использовать те размеры зерна, которые не подходят для строительной отрасли.

Как изолируется теплоаккумулятор?

Аккумулятор изготовлен из стали и изолирован стандартными термостойкими изоляционными материалами. Изоляция находится вокруг теплоаккумулятора между внешним стальным слоем и внутренним.

Как долго песок остается горячим зимой?

При необходимости он может оставаться горячим в течение нескольких месяцев, но фактический вариант использования теплоаккумулятора в Канкаанпяя заключается в том, чтобы заряжать его циклами примерно в 2 недели. Аккумулятор тепла имеет наилучший диапазон использования, когда он заряжается и разряжается от 20 до 200 раз в год, в зависимости от применения.

Может ли он накапливать электричество?

Не как таковой, так как хранит энергию в виде тепла. Тепло может быть преобразовано обратно в электричество с помощью турбин, таких как ORC-турбина или паровая турбина. Это требует дополнительных инвестиций в турбинную технологию, а преобразование в электроэнергию сопряжено с неотъемлемыми потерями, что усложняет экономическую сторону.

Это новая технология?

Ну и да и нет. Идея нагревания песка для хранения энергии не нова. Наш способ делать вещи и коммерциализировать их в крупномасштабных приложениях.

Могу ли я купить у вас теплоаккумулятор для своего дома?

Нет. У нас пока нет товаров для индивидуальных домов.

Кто ваши клиенты?

Мы обслуживаем широкий спектр различных предприятий и отраслей. Например, энергетические компании, операторы жилых и коммерческих зданий, продукты питания и напитки, текстиль и одежда, химия и фармацевтика, производство металлов, целлюлозно-бумажная промышленность и другие отрасли.

Как наша компания может начать проект по аккумулированию тепла с помощью Polar Night Energy?

Свяжитесь с нашим менеджером по продажам продукции Матти Ульвиненом: отправьте электронное письмо по адресу matti. [email protected] или позвоните по телефону +358 40 838 5767. вирусный. Из-за большого количества запросов и сообщений наше время ответа может быть очень долгим. Мы ценим ваше терпение. Спасибо!)

Polar Night Energy разрабатывает систему хранения тепла на основе песка

Эта спонсируемая статья вам от COMSOL.

Когда мы пытаемся объективно изучать природу, нам часто напоминают о том, как природные силы влияют на нас лично. Мы можем сидеть за столом и рассматривать тепло в его различных формах, но мы можем отвлечься, если наши пальцы ног замерзнут! Когда мы включаем тепло в наших домах и на работе, мы должны сбалансировать нашу личную потребность в тепле с глобальным воздействием сжигания ископаемого топлива, такого как нефть, газ, уголь и биомасса. Антропогенное изменение климата ставит человечество перед проблемой: как мы можем согреться сейчас, пытаясь предотвратить перегрев нашего мира в будущем?

Это пугающий вопрос, на который пытается ответить стартап Polar Night Energy из маленькой и холодной Финляндии (рис. 1). В регионе, известном долгими темными зимними ночами, компания Polar Night Energy строит в городе Тампере систему, которая может обогревать здания за счет накопленной солнечной энергии — весь день, всю ночь и всю зиму. На этом кажущиеся противоречия не заканчиваются. В эпоху сложных чистых технологий, часто изготавливаемых из редких и дорогих материалов, система хранения и распределения тепла Polar Night Energy состоит из простых воздуховодов, насосов, клапанов и песка. Новая система демонстрирует потенциал для решения глобальных проблем терпеливо, вдумчиво и по-человечески.

Маленькая страна с большими потребностями в отоплении

Большие проблемы требуют больших решений, и, возможно, в 21 веке нет более серьезной проблемы, чем изменение климата. Чтобы решить эту проблему, многие правительства и организации инвестируют в новые технологии, чтобы помочь сократить использование ископаемого топлива. Эти инициативы в основном сосредоточены на производстве, распределении и хранении электроэнергии из возобновляемых источников.

«Когда вы спрашиваете людей о более чистой энергии, они думают об электричестве», — говорит Томми Эронен, генеральный директор Polar Night Energy. «Но мы также должны сократить выбросы от отопления». Из всех выбросов Финляндии, связанных с энергетикой, 82 процента приходятся на отопление жилых зданий (ссылка 1). «Мы хотим заменить все это, если у нас есть надежда на достижение наших глобальных климатических целей», — говорит Эронен.

Думай глобально, обогревай локально

Дух мантры «Думай глобально, действуй локально», связанной с 1960-ми годами, живет в команде новаторов Polar Night Energy. Их путешествие началось с вопроса, заданного его основателями Томми Эроненом и Маркку Юлоненом, когда они были однокурсниками в университете: «Возможно ли построить энергонезависимую и рентабельную коммуну хиппи для инженеров, использующих только солнечную энергию?» После выпуска проект под кодовым названием «Коммуна хиппи» стал называться Polar Night Energy, где Эронен стал генеральным директором, а Юленен — техническим директором.

То, что начиналось как беззаботный (но серьезный) студенческий проект, привело к созданию пилотной электростанции мощностью 3 МВтч/100 кВт в финском городе Тампере, которая начала работу зимой 2020–2021 годов. Система использует электричество для нагрева воздуха, который затем циркулирует через теплообменник, который нагревает воду и распределяет ее по нескольким зданиям в городском районе Хиеданранта (рис. 2).

Внутри системы резистивные нагревательные элементы с электрическим приводом нагревают воздух до температуры более 600°C. Горячий воздух циркулирует по сети труб внутри теплоаккумулятора, заполненного песком. Затем горячий воздух возвращается из резервуара в теплообменник, где он нагревает воду, которая затем циркулирует по системе отопления здания. Теплоаккумулирующая способность песка гарантирует, что даже когда резистивные элементы холодные, циркулирующий воздух все еще достаточно горячий, чтобы поддерживать температуру воды (и зданий).

«У нас есть только трубы, вентили, вентилятор и электрический нагревательный элемент. Здесь нет ничего особенного!» — смеется Эронен.

Батарея для обогрева, сделанная из песка

Известный инженер-химик Дональд Садоуэй сказал: «Если вы хотите сделать дешевую батарею, вы должны сделать ее из грязи». Система Polar Night Energy сталкивается с теми же основными проблемами, что и любая другая энергетическая инфраструктура. Он должен давать людям энергию тогда, когда она им нужна, там, где она им нужна, и по приемлемой цене. Это означает, что хранение и распределение энергии так же важно, как и ее производство. Существующая инфраструктура решает эти проблемы привычными способами. Для отопления на основе сжигания такие виды топлива, как нефть и газ, хранятся и перемещаются туда, где их можно сжечь. Электрическая сеть также поддерживает эффективное распределение электроэнергии и использует энергию, вырабатываемую возобновляемыми источниками энергии, такими как ветер и солнечная энергия. Однако прерывистый характер дневного света и сильные ветры являются серьезной проблемой. Аккумулирование энергии необходимо для поддержания стабильной выработки электроэнергии во время пиков и спадов возобновляемых источников энергии. Но даже с последними достижениями в области аккумуляторных технологий хранение электроэнергии остается относительно дорогим, особенно в масштабах, необходимых для отопления зданий. Что, если вместо хранения электричества «батарея» могла бы накапливать тепло?

Рис. 3. Маркку Юленен с репрезентативным образцом дешевого теплоаккумулятора Polar Night Energy.

Многие традиционные системы отопления уже накапливают и распределяют тепло, удерживая и циркулируя теплую воду. Эронен и Юленен признали преимущества водяного аккумулирования тепла, а также его недостатки. «Есть столько тепла, сколько вы можете добавить к воде, прежде чем она превратится в пар», — говорит Эронен. «Пар может эффективно распределять тепло, но он не очень экономичен для крупномасштабного хранения». Чтобы избежать недостатков хранения тепла в воде, вместо этого они обратились к песку — 42 метрических тонны! (Рисунок 3) После того, как солнце садится, накопленное в песке тепло постепенно высвобождается обратно в циркулирующий воздушный поток. Это сохраняет воздух достаточно горячим, чтобы поддерживать постоянную температуру воды, протекающей через радиаторы клиентов. Таким образом, песок позволяет солнечной энергии согревать людей даже в самые темные и холодные финские ночи. «Песок обеспечивает в четыре раза больше энергии, чем вода», — говорит Эронен. «Песок эффективен, нетоксичен, портативен и дешев!»

«Нам нужно прогнозное моделирование, чтобы ответить на как можно больше вопросов, прежде чем мы возьмемся за сборку всего этого оборудования — и всего этого песка!»
— Томми Эронен, генеральный директор Polar Night Energy.

Сложный анализ за простым решением

Экономическая эффективность является основой ценностного предложения Polar Night Energy. «Как только мы решили реализовать эту идею, мы пытались выяснить, как выглядят финансы, — говорит Эронен. В своем стремлении делать больше с меньшими затратами Polar Night Energy долгое время зависела от инструментов численного моделирования. Эронен и Илонен начали использовать программное обеспечение COMSOL Multiphysics еще будучи студентами, и оно остается неотъемлемой частью их процесса проектирования. Например, Эронен упоминает характеристики расширенной системы накопления тепла, которая будет обслуживать больше зданий в Тампере. Команда подсчитала, что для снабжения теплом района с населением 35 000 человек потребуется заполненный песком накопительный цилиндр высотой 25 метров и диаметром 40 метров. Как они пришли к этим размерам? «Приблизительное количество необходимого материала на самом деле легко рассчитать, потому что мы знаем, сколько тепла мы можем сохранить в кубическом метре песка», — объясняет Эронен. «Нам также нужно было определить пространство, необходимое для эффективной теплопередачи между песком и нашей системой циркуляции воздуха (рис. 4). Это гораздо сложнее сделать! Мы использовали COMSOL для моделирования и оценки различных вариантов конструкции».

Рис. 4. Томми Эронен (на переднем плане) и Илонен осматривают воздуховод теплоаккумулятора Polar Night Energy.

Программное обеспечение для мультифизического моделирования помогло разработать конструкцию теплообменника Polar Night Energy (рис. 5–6). Эронен говорит: «Мы построили конкретную модель, чтобы исследовать дизайнерскую идею: что, если мы создадим сверхгорячее ядро ​​​​из песка, окруженное нагревательными каналами по периметру?» Смоделировав поток жидкости и эффекты теплообмена в программном обеспечении COMSOL Multiphysics, команда Polar Night Energy смогла количественно оценить сравнительные преимущества и недостатки своей конструкции. «Моделирование подтвердило, что конструкция «горячего ядра» хорошо сохраняет тепло в течение очень длительного периода времени», — говорит Эронен. «Но для нашего предполагаемого рабочего цикла более целесообразно равномерно распределить каналы горячего воздуха по резервуару для хранения песка», — объясняет он.

Огромный масштаб системы накопления тепла Polar Night Energy на основе песка делает программное обеспечение для моделирования незаменимым. «Мы не можем построить полноразмерные прототипы, чтобы проверить все наши идеи. Нам нужно прогнозное моделирование, чтобы ответить на как можно больше вопросов, прежде чем мы приступим к сборке всего этого оборудования — и всего этого песка!» — говорит Эронен. «Для нас важно использовать эти чрезвычайно мощные инструменты».

Адаптация новых идей к существующей инфраструктуре

Отделив задачу хранения тепла от производства и распределения тепла, Polar Night Energy сделала свою систему более эффективной и адаптируемой. Существует большой потенциал для модернизации их заполненных песком систем хранения и передачи тепла в существующую инфраструктуру (рис. 7). Тампере, внутренний финский промышленный город с населением почти 250 000 человек, является идеальным полигоном для испытаний этой новой технологии. «В Тампере, как и во многих других европейских городах, уже есть система централизованного теплоснабжения, по которой вода циркулирует по всем кварталам, — говорит Эронен. «Это позволяет нам быстро переключать многие здания на возобновляемый источник тепла», — говорит он. Пилотная установка Polar Night Energy в Тампере также может получать электроэнергию из существующей электросети, а также электроэнергию, вырабатываемую новыми солнечными панелями. Надежное хранение тепла позволяет городу производить или покупать электроэнергию, когда это наиболее доступно, а затем распределять тепло, когда оно больше всего необходимо.

Рис. 7. Часть системы теплопередачи, установленной компанией Polar Night Energy в Тампере, Финляндия. Вертикальные трубы слева являются частью теплообменника, а резистивные нагревательные элементы справа обернуты белой изоляцией. Между этими компонентами находится радиальный вентилятор с циркуляцией воздуха.

Сегодня: Финляндия; Tomorrow: The World

С тех пор, как зимой 2020–2021 годов система Тампере начала работать, команда Polar Night Energy собирает данные для сравнения со своими моделями. «Наши симуляции оказались очень точными, что обнадеживает», — говорит Эронен. А пока команда Polar Night Energy продолжает развивать свои идеи локально , они также намерены действовать глобально . Та же самая технология, которая согревает долгими холодными ночами в Финляндии, может также обеспечить лучшие возможности управления энергопотреблением для остального мира.