Простейший теплоаккумулятор: Как работает теплоаккумулятор? Устройство, принцип работы

Содержание

Теплоаккумулятор. Нюансы в проектировании и эксплуатации

техническое задание на изготовление ТА емкостью 1000л

1. За счёт разницы плотностей теплоносителя в разных точках ТА имеет смысл подавать и забирать горячий теплоноситель из верхней части теплоаккумулятора, а обратные магистрали сводить в нижнюю или среднюю часть теплоаккумулятора.

При равных расходах между ТТ-котлом и потребителями теплоноситель проходит через теплоаккумулятор, не нагревая его объем. Поэтому при правильном подключении потребители получают тепло практически сразу при растопке ТТ-котла, несмотря на то, что в центральной части буфера теплоноситель остается холодным. Активный нагрев объема теплоносителя в буфере начинается, когда насос(ы) С.О. выключены, либо трехходовой клапан после ТА ограничивает расход из ТА.

2. Подключение высокотемпературных источников тепла (на примере ТТ-котла) – Подающая магистраль ТТ котла подключается к верхнему патрубку ТА, обратная магистраль к нижнему патрубку ТА. Если ТА будет стоять в близи ТТ котла – имеет смысл подумать об естественной циркуляции и предусмотреть патрубки ≥2 дюймов. Если планируется принудительная циркуляция, то обычно достаточно 1″(зависит от расчётного расхода теплоносителя)

3. Подключение низкотемпературных источников тепла. Солнечный коллектор – через теплообменник в нижней трети теплоаккумулятора – для обеспечения положительного температурного напора большую часть времени. Подача теплового насоса, если он является основным источником тепловой энергии, подключается в верхней части ТА, обратка — в нижней.

4. Подключение любых потребителей С.О. – забор подающего теплоносителя из верхней части ТА через трехходовой смесительный клапан, возврат обратной магистрали в нижнюю часть ТА.

Подключение подающей линии внутрипольного отопления в средней части ТА – заблуждение, не работает по озвученным выше причинам.

Приборы КИП

Необходимо предусмотреть патрубки ½»вн для установки гильз под термометры и датчики температуры теплоносителя.

Одну (но лучше две) гильзу под датчик температуры в оси верхних патрубков.

Одна гильза под датчик температуры в оси нижних патрубков.

Патрубки под аналоговые термометры в верхней части(не обязательно), в нижней части (не обязательно), в 1/3 и 2/3 высоты буфера.

Дополнительно можно предусмотреть муфту под установку блока или блоков ТЭН. На рынке проще всего найти блоки ТЭНов с наружной резьбой 2 ½», в противном случае всегда можно использовать футорку для меньших резьб.

Если ТА заводского исполнения, то, как правило, кол-во патрубков ограничено и расположены они в одной плоскости сверху вниз. В таком случае в нижний патрубок подключаются обратные линии источников тепла, выше – обратная магистраль системы отопления (если среди потребителей есть радиаторы или бойлер ГВС), в верхний патрубок через тройник подключаются высокотемпературный источник и подающая линия системы отопления. Средние патрубки используются для подключения подающих линий низкотемпературных источников тепла.

Расчет теплоаккумулятора для твердотопливного котла

Как я делал расчет теплоаккумулятора для твердотопливного котла

13 февраля 2015

Предыстория

Так получилось, что некоторое время назад я приобрёл частный дом на некотором «удалении от цивилизации». Удалённость от цивилизации определяется главным образом тем, что газ там отсутствует в принципе. А разрешённая мощность электрического подключения не предоставляет технической возможности отапливать дом электричеством. Единственным реальным источником тепла в зимнее время является использование твёрдого топлива. Другими словами, дом был оборудован печкой, которую прежний хозяин топил дровами и углём.

Если кто-то имеет опыт использования печки, то ему не нужно объяснять, что это занятие требует постоянного контроля. Даже в не слишком холодную погоду невозможно заложить в печку дрова один раз и «забыть» про неё. Если положить слишком много дров, то в доме станет жарко. А после прогорания топлива, дом всё-равно быстро остынет. Волей-неволей, для поддержания комфортной температуры нужно постоянно подкладывать дрова понемногу. А в сильные морозы печь нельзя оставить без присмотра даже на 3-4 часа. Если не хочешь проснуться утром в холодном помещении, будь добр хотя бы один раз за ночь к печке подойти…

Разумеется у меня желания работать кочегаром не было. И поэтому я сразу же стал думать о более удобном способе отопления. Конечно, при невозможности использования газа или электричества, таким способом могла стать только современная система отопления на твёрдом топливе, состоящая из твердотопливного котла, теплоаккумулятора и простейшей автоматики для включения и выключения рециркуляционного насоса.

Чем современный котёл лучше обычной печки? Он занимает намного меньше места, в него можно заложить больше топлива, он обеспечивает лучшее сгорание этого топлива при максимальной загрузке, и теоретически с его помощью можно большую часть тепла оставить в доме, а не выпустить в трубу. Но в отличие от печки, твердотопливный котёл практически не возможно использовать без теплоаккумулятора. Я так подробно об этом пишу, потому что знаю множество людей, которые пытались отапливать дом такими котлами, подключая их напрямую к трубам отопления. Ничего хорошего у них не получилось.

Что же такое теплоаккумулятор или, как его ещё называют, буферная емкость? В простейшем случае это просто большая бочка с водой, стенки которой имеют хорошую теплоизоляцию. Котёл за два-три часа своей работы нагревает воду в этой бочке. А потом эта горячая вода циркулирует по системе отопления до тех пор, пока не остынет. По мере остывания, котёл нужно разжигать снова. Простейший теплоаккумулятор легко сделает любой сварщик. Но я, после непродолжительных раздумий, от этой идеи отказался и купил готовый. Поскольку живу я в Украине, то обратился в компанию «Теплобак» и ни разу не пожалел: здесь аккумулирующие баки делают профессионально и очень качественно.

В зависимости от объёма теплоаккумулятора, мощности котла и того, сколько тепла нужно дому, котёл приходится топить не постоянно, а один-два раза в сутки, или даже раз в двое-трое суток.

Как рассчитать объём теплоаккумулятора

При желании в интернете легко найти методики расчёта объёма теплоаккумулятора, но меня ни одна из них не устроила.

Некоторые «специалисты» рекомендуют умножать максимальную мощность имеющегося котла в киловаттах на какой-то коэффициент, причём этот коэффициент на разных сайтах отличается в два раза и более — от 25 до 50. По моему — бред полный. Просто потому, что полученный результат не имеет никакого отношения ни к вашему конкретному дому, ни к вашим пожеланиям как часто вам хочется топить котёл.

Нормальная методика учитывает все факторы: и климат в вашей местности, и теплоизоляцию дома, и ваши представления о комфорте. По-хорошему, этот расчёт также нужно будет провести много раз для разных температурных режимов, и выбрать максимальный объём теплоаккумулятора. И, кстати, мощность котла в правильной методике получается в результате расчётов, а не по принципу «какой был, такой и поставили». Но всё это достаточно сложно, и подходит скорее для котельных, а не для частного домовладения.

Я поступил гораздо проще. Я делал расчет теплоаккумулятора для твердотопливного котла следующим образом.

Надо оценить количества тепла, которое требуется дому за сутки. Это самая сложная и ответственная часть работы. Опять таки можно углубиться в расчёты (в учебниках для строительных вузов можно найти все необходимые методики). Но,если есть возможность, то проще и надёжнее провести непосредственное измерение — просто протопив дом в холодную погоду и измерив количество использованного топлива. Мой дом сравнительно небольшой — немного меньше 100 кв. м, и довольно теплый. Поэтому у меня получилось, что при температуре на улице около 0 градусов, для поддержания комфортной температуры требуется с солидным запасом 50 кВт*ч, для — 10 градусов — 100 кВт*ч, для — 20 градусов — 150 кВт*ч.

Выбрать котёл очень просто. Самые распространённые котлы имеют мощность порядка 25 кВт и с одной максимальной загрузки дают эту мощность порядка 3 часов. Следовательно одна растопка даёт порядка 75 кВт*ч тепла. Для нулевой температуры, таким образом, даже одной полной загрузки мне будет многовато. А для -20 градусов вполне достаточно будет топить 2 раза в сутки. Меня этот вариант вполне устроил.
Теперь собственно объём теплоаккумулятора. Теплоёмкость воды 4,2 кДж на литр на градус. максимальная тепмература в теплоаккумуляторе — 95 градусов, комфортная температура воды в системе отопления — 55 градусов. То есть, 40 градусов разницы. Другими словами, 1 литр воды в теплоаккумуляторе может накопить 168 кДж тепла, или 46 Вт*ч. А 1000 литров, соответственно — 46 кВт*ч. Отсюда следует, что для того, чтобы сохранить тепло от одной полной загрузки котла мне нужен теплоаккумулятор на 1500 литров. Это всё с запасом. На самом деле, требуется немного меньше, но после изучения цен на буферные ёмкости я решил этим пренебречь.

Этот расчёт означает, что в сильные морозы мне приходится топить котёл два раза в сутки, а в очень сильные — и три раза. Причём делать это нужно равномерно в течение суток: утром и вечером или утром, в начале вечера и перед сном. А когда больших морозов нет, я топлю котёл всего один раз — в любое время суток.

Конечно, если поставить теплоаккумулятор ещё больший по объёму, то можно сделать свою жизнь ещё комфортнее. Но тут уже приходится сталкиваться и с тем, что для большой бочки нужно много места.

Как выбрать и подключить теплоаккумулятор для котла

Котельные установки на твердом топливе не могут работать долгое время без вмешательства человека, который должен периодически загружать в топку дрова. Если этого не сделать, система начнет остывать, температура в доме будет понижаться. В случае отключения электроэнергии при полностью разгоревшейся топке появляется опасность вскипания теплоносителя в рубашке агрегата и последующее ее разрушение. Все эти проблемы можно решить, установив теплоаккумулятор для котлов отопления. Он также сможет выполнять функцию защиты чугунных установок от растрескивания при резком перепаде температур сетевой воды.

Обвязка твердотопливного котла с теплоаккумулятором

Расчет буферной емкости для котла

Роль аккумулятора тепла в общей схеме отопления следующая: в процессе работы котла в штатном режиме накапливать тепловую энергию, а после затухания топки отдавать ее радиаторам в течение определенного промежутка времени. Конструктивно теплоаккумулятор для твердотопливного котла представляет собой утепленную емкость для воды расчетной вместительности. Она может устанавливаться как в помещении топочной, так и в отдельной комнате дома. Ставить такой бак на улице не имеет смысла, так как вода в нем будет остывать гораздо быстрее, чем внутри здания.

Подключение теплоаккумулятора к твердотопливному котлу

Учитывая наличие свободного места в доме, расчет теплоаккумулятора для твердотопливного котла на практике производится так:

вместительность бака принимается из соотношения 25—50 л воды на 1 кВт мощности, необходимой для обогрева дома. Для более точного расчета буферной емкости для котла предполагается, что вода в баке нагреется во время работы котельной установки до 90 ⁰С, а после отключения последней отдаст тепло и остынет до 50 ⁰С. Для разницы температур в 40 ⁰С значения отдаваемого тепла при различных объемах бака представлены в таблице.

Таблица значений отдаваемого тепла при различных объемах бака

Объем тепловогоаккумулятора, м 3

Даже если в здании есть место для установки большой емкости, это не всегда имеет смысл. Следует помнить, что большое количество воды потребуется нагреть, тогда мощность самого котла должна быть изначально в 2 раза больше, чем нужно для обогрева жилища. Слишком маленький бак не будет выполнять своих функций, так как не сможет накопить достаточное количество тепла.

Простая схема включения с подмешиванием

Аккумулирующее устройство может включаться в систему по разным схемам. Простейшая обвязка твердотопливного котла с теплоаккумулятором пригодна для работы с гравитационными системами подачи теплоносителя и будет действовать при отключении электричества. Для этого бак надо установить выше радиаторов отопления. Схема включает в себя циркуляционный насос, термостатический трехходовой клапан и обратный клапан. В начале цикла разогрева вода, побуждаемая насосом, проходит по подающему трубопроводу от источника тепла через трехходовой клапан на отопительные приборы. Это продолжается до тех пор, пока температура подачи не достигнет определенного значения, например, 60 ⁰С.

Теплоаккумулятор для котлов отопления

При этой температуре клапан начинает подмешивать в систему холодную воду из нижнего патрубка бака, соблюдая на выходе установленную температуру 60 ⁰С. Через верхний патрубок, напрямую соединенный с котлом, в бак начнет поступать нагретая вода, аккумулятор начнет заряжаться. При полном сгорании дров в топке температура в подающей трубе начнет понижаться. Когда она станет меньше 60 ⁰С, термостат будет постепенно перекрывать подачу от источника тепла и открывать поток воды из бака. Тот, в свою очередь, будет постепенно наполняться холодной водой из котла и в конце цикла трехходовой клапан вернется в первоначальное положение.

Обратный клапан, включенный параллельно трехходовому термостату, включается в работу при остановке циркуляционного насоса. Тогда котел с теплоаккумулятором станут работать напрямую, теплоноситель пойдет к приборам отопления напрямую из емкости, которая будет пополняться водой от источника тепла. Термостат в этом случае не принимает участия в работе схемы.

Схема с гидравлическим разделением

Другая, более сложная схема подключения, подразумевает бесперебойную подачу электроэнергии. Если это обеспечить невозможно, то надо предусмотреть присоединение к сети через бесперебойный источник питания. Другой вариант – использование дизельных или бензиновых электростанций. В предыдущем случае подключение теплоаккумулятора к твердотопливному котлу было независимым, то есть, система могла работать отдельно от бака. В данной схеме аккумулятор выполняет роль буферной емкости (гидравлического разделителя). В первичный контур, по которому циркулирует вода при розжиге котла, встроен специальный блок подмешивания (LADDOMAT).

Подключение теплоаккумулятора к твердотопливному котлу

циркуляционный насос;
трехходовой термостатический клапан;
обратный клапан;
грязевик;
шаровые краны;
приборы контроля температуры.

Отличия от предыдущей схемы – все устройства собраны в один блок, и теплоноситель идет в бак, а не в систему отопления. Принцип работы помешивающего узла остается неизменным. Такая обвязка котла твердотопливного с теплоаккумулятором позволяет подключить на выходе из емкости сколько угодно ветвей отопления. Например, для питания радиаторов и напольной или воздушной системы отопления. При этом каждая ветвь имеет собственный циркуляционный насос. Все контуры разделены гидравлически, излишнее тепло от источника аккумулируется в баке и используется при необходимости.

Преимущества и недостатки

Система отопления с теплоаккумулятором, в которой источником тепла служит твердотопливная установка, имеет массу достоинств:

Повышение комфортных условий в доме, поскольку после сгорания топлива система отопления продолжает обогревать дом горячей водой из бака. Не нужно вставать среди ночи и загружать порцию дров в топку.
Наличие емкости защищает от закипания и разрушения водяную рубашку котла. Если внезапно отключили электричество или термостатические головки, установленные на радиаторах, перекрыли теплоноситель по причине достижения нужной температуры, то источник тепла будет нагревать воду в баке. За это время может возобновиться подача электричества или будет запущен дизель-генератор.
Исключена подача холодной воды из обратного трубопровода в раскаленный чугунный теплообменник после внезапного включения циркуляционного насоса.
Теплоаккумуляторы могут использоваться как гидравлические разделители в системе отопления (гидрострелки). Это делает работу всех ветвей схемы независимыми, что дает дополнительную экономию тепловой энергии.

Более высокая стоимость монтажа всей системы и требования к размещению оборудования – это единственные недостатки применения аккумулирующих емкостей. Однако за этими вложениями и неудобствами последуют минимальные эксплуатационные затраты в долгосрочной перспективе.

Как подключить теплоаккумулятор к твердотопливному котлу своими руками?

Сейчас многие владельцы частных домов, которые живут вдалеке от центральной магистрали отопления, переходят на твердотопливные котлы. Но эти устройства имеют существенный недостаток – для поддержания в помещении нужной температуры их нужно растапливать дважды за сутки, иначе можно остаться без тепла. Чтобы этого не случилось, в домашнюю систему отопления вводят еще один узел – теплоаккумулятор для твердотопливного котла. Его еще называют накопителем из-за способности удерживать тепло.

Особенности конструкции теплоаккумулятора

Устройство представляет собой цилиндрическую емкость, выполненную из нержавейки или черной стали. Габариты емкости зависят от его объема, который варьируется от нескольких сотен до десятков тысяч литров. Из-за больших объемов такое устройство сложно разместить в уже имеющейся котельной, поэтому нередко приходится ее достраивать. Существуют модели как с заводской теплоизоляцией, так емкости без неё.

При монтаже теплоаккумулятора нужно учитывать, что толщина утеплителя составляет 10 см. После него сверху на бак надевается кожаный кожух. Внутри емкости находится теплоноситель, который при сгорании топлива в котле быстро нагревается и долго сохраняет тепло за счет слоя утеплителя. После остановки работы котла накопитель отдает свое тепло в помещение, обогревая его. По этой причине растапливать котел будет необходимо не так часто, как раньше.

По своему устройству емкости теплоаккумулятора бывают:

с расположенным внутри бойлером. Такая конструкция создана для обеспечения жилья горячей водой из автономного источника;
с одним или двумя теплообменниками;
пустыми (без теплоносителя).

Для подключения накопителя к котлу и системе отопления дома предусмотрены резьбовые отверстия.

Принцип работы накопителя

Благодаря налаженной работе всей топливной системы, и в частности, теплоаккумулятора для твердотопливного котла, в жилье поддерживается постоянная температура за счет высокого КПД устройства и рационального использования тепла. Взаимодействие всей системы происходит в следующей последовательности:

Подача в котел холодной воды. После начала работы циркуляционного насоса, расположенного между котлом и накопителем, холодная жидкость из последнего устройства передается в верхнюю часть котла, и горячая вода начинает занимать освободившееся пространство.
Подача горячей воды в отопительную систему . После включения насоса, установленного между накопителем и радиатором, он нагнетает горячую воду в трубы отопления, а холодный теплоноситель начинает поступать вниз накопительного бака. После достижения в помещении нужной температуры термостат отключает работу накопителя.
Передача аккумулирующей энергии. Она осуществляется даже после сгорания в топке всех дров. Накопитель будет передавать тепло до тех пор, пока весь его бак не заполнится холодной водой.

Теплоаккумулятор для котлов отопления может отапливать помещение своими силами даже сутки. На продолжительность его работы будет влиять объем емкости, количество радиаторов, продолжительность труб между ними и температура на улице. Продлить его работу помогут встроенные в него змеевики – ТЭНы, подогревающие жидкость.

Расчет теплоаккумулятора для твердотопливного котла

Это устройство имеет довольно внушительные размеры, поэтому его лучше вносить в первоначальный проект отопления. Существует несколько методик расчета его бака. Приведем самые простые из них:

Буферная емкость выбирается из среднего соотношения 30–50 л воды на 1 кВт мощности котельной установки.

Принять за исходную величину площадь отапливаемого помещения. Зная квадратуру отапливаемого помещения, следует умножить ее на 4 и получить объем бака. Например, нагреть домик в 50 м2 способен накопитель в 200 литров.

Не стоит брать бак слишком большого объема. В этом случае нужно нагреть много воды, а котел может не справиться с поставленной задачей. Его мощность первоначально выбиралась исходя из расчета, что она больше в два раза нужной, а в случае использования габаритной емкости потребуется приобрести котельную установку еще с большим запасом мощности.

При выборе накопительной емкости кроме расчетов следует учитывать еще один показатель: если теплопотребление в пиковые часы сильно отличается от среднечасового, и они занимают продолжительное время, то бак нужно покупать с большим объемом, чем получился при расчетах.

Схема подключения теплоаккумулятора к твердотопливному котлу

Подключение осуществляется в упрощенном виде, и может быть выполнено своими руками. Буферная емкость располагается параллельно отопительному устройству, а трубы закольцовывают ее, поэтому такая схема известна еще как обвязка твердотопливного котла с теплоаккумулятором.

В подключении участвуют:

трехходовой клапан;
циркуляционный насос, расположенный на обратной магистрали между котлом и накопителем;
змеевик для нагрева воды;
теплоаккумулятор для котла отопления в виде большого бака, наполненного горячей и холодной водой;
трехходовой кран;
циркуляционный насос, находящийся между накопителем и радиатором;
котел;
отопительный прибор.

Подключение теплоаккумулятора к твердотопливному котлу осуществляется через патрубки. Более точную информацию о завязке всех приборов отопительной системы можно понять, изучив пошаговую инструкцию.

Инструкция и видео по подключению теплоаккумулятора к твердотопливному котлу

Пошаговая инструкция по подключению агрегата:

Вначале устанавливается котел по стандартной схеме. На трубах, идущих от него к накопителю, обязательно нужно установить группу безопасности и трехходовой клапан. Последний защищает котельную установку от конденсата. Если в котле ручная загрузка, то температура воды в обратной магистрали будет не ниже 55 0С, а для его аналога гидролизного типа она лежит в пределах от 65 до 75 0С. Под этот показатель подбирается соответствующий клапан. Перед ним устанавливается циркуляционный насос, нагнетающий горячий теплоноситель в буферный бак.
В систему подключается теплоаккумулятор.
На верхней трубе устанавливается трехходовой смесительный кран.
Подключается насос. Для его подсоединения в систему нужно дополнительно установить на верхней части накопителя обычный релейный термостат, который имеет погружную гильзу.
После него необходимо предусмотреть два обратных клапана: лепестковый вид будет расположен на горячей трубе, а пружинный на обратке. Они необходимы для введения в систему газового котла.

Установка, работающая на газу, признана выполнять две функции: она выступает альтернативным источником тепла, а также компенсирует долгий нагрев отопительной системы котлом, уменьшая его от 4 часов до получаса. Газовая установка дает в систему воду, нагретую до 40 0С, а котел нагнетает ее до 600С. Когда такая вода продвигается по системе, в газовом устройстве происходит автоматическое отключение. В случае если в системе температура станет меньше 400С, газовый котел снова включится и начнет обогревать жилье.

В предложенном ролике продемонстрировано, как правильно подсоединить накопитель с котлом на твердом топливе и его аналогом на газу.

Сегодня накопители для топливной системы очень популярны. Они эффективны и экономны. С ними можно оттянуть закладку топлива в котел на сутки, а при продумывании всех деталей системы и на более долгий срок. Подключение теплоаккумулятора к твердотопливному котлу можно выполнить самому или обратившись за помощью к специалистам. Запуск отопления лучше производить в их присутствии, чтобы они правильно отреагировали при возникновении неполадок.

Источники: http://www.sovets.ru/housewife/flat/otoplenie/11111.htm, http://cotlix.com/teploakkumulyator-dlya-kotlov-otopleniya-rekomendacii-po-vyboru, http://ksportal.ru/804-podklyuchit-teploakkumulyator-k-tverdotoplivnomu-kotlu.html

Теплоаккумулятор для котлов отопления — назначение, расчет и монтаж

Отсутствие возможности использовать в качестве источника энергии для обогрева жилья относительно недорогой природный газ вынуждает хозяев домов искать другие приемлемые решения. Так, в регионах, где нет особых проблем с заготовкой или приобретением дров, на помощь приходят твёрдотопливные котлы. Случается и так, что единственной альтернативой становится электрическая энергия. Кроме того, все активнее используются новые технологии, позволяющие направлять на нужды отопления энергию солнечного излучения.

Теплоаккумулятор для котлов отопления

Все эти подходы не лишены существенных недостатков. Так, к ним можно отнести неравномерность, выраженную периодичность поступления тепловой энергии. В случае с электрическим котлом основным негативным фактором будет высокая стоимость потребленной энергии. Очевидно, что существенно поднять экономичность системы отопления, улучшить эффективность, равномерность ее работы, максимально упростить эксплуатационные операции помогло бы включение в общую схему специального прибора, который стал бы накапливать невостребованную в текущий момент тепловую энергию и отдавать ее по мере необходимости. Именно такую функцию выполняет теплоаккумулятор для котлов отопления.

Основное предназначение теплоаккумулятора системы отопления

Простейшая система отопления с твердотопливным котлом обладает выраженной цикличностью работы. После загрузки дров и их розжига, котел постепенно выходит на максимальную мощность, активно передавая тепловую энергию в контуры отопления. Но по мере прогорания загрузки теплоотдача начинает постепенно снижаться, и теплоноситель, разносимый по радиаторам, остывает.

Работа обычного твердотопливного котла характеризуется выраженным чередованием пиков и «провалов» в выработке тепловой энергии

Получается, что в период пиковой выработки тепла оно может остаться невостребованным, так как настроенная, оснащенная термостатическим регулированием система отопления лишнего не возьмет. Но в период догорания топлива и, тем более, простоя котла тепловой энергии будет явно недоставать. В итоге часть топливного потенциала расходуется просто впустую, но при этом хозяевам приходится достаточно часто заниматься загрузкой дров.

В определенной степени остроту этой проблемы можно снизить установкой котла длительного горения, но полностью снять – не получается. Несовпадение пиков выработки тепла и его потребления может оставаться достаточно существенным.

В случае с электрокотлом на первый план выступает высокая стоимость потребляемой энергии, что заставляет хозяев задуматься о максимальном использовании оборудования в периоды действия льготных ночных тарифов и минимизации потребления в дневные часы.

Выгоды использования дифференцированной тарификации электроэнергии
При грамотном подходе к потреблению электроэнергии льготные тарифы могут принести весьма ощутимую экономию средств. Об этом подробно рассказано в специальной публикации портала, посвященной двухтарифным электросчетчикам.

Напрашивается очевидное решение – накапливать тепловую энергию ночью, чтобы достичь минимального потребления ее днем.

Еще ярче выражена периодичность выработки тепловой энергии в случае использования солнечных коллекторов. Здесь прослеживается зависимость не только от времени суток (ночью поступление вообще нулевое).

Работа солнечного коллектора очень зависима и от времени суток, и от погоды

Не поддаются никакому сравнению пики нагрева в яркий солнечный день или в пасмурную погоду. Понятно, что напрямую ставить свою систему отопления в зависимость от текущих «капризов» природы – никак нельзя, но и пренебрегать столь мощным дополнительным источником энергии также не хочется. Очевидно, что требуется какое-то буферное устройство.

Эти три примера, при всей их разноплановости, объединяет одно общее обстоятельство – явное несовпадения пиков выработки тепловой энергии с рациональным равномерным ее использованием на нужды отопления. Для устранения этого дисбаланса и служит специальный прибор, называемый теплоаккумулятором (тепловым накопителем, буферной емкостью).

Цены на теплоаккумуляторы Hajdu

~~теплоаккумулятор Hajdu~~

Принцип его действия основан на высокой теплоемкости воды. Если значительный ее объем в период пикового поступления тепловой энергии разогреть до необходимого уровня, то в течение определенного периода можно для нужд отопления использовать этот накопленный энергетический потенциал. Для примера, если сравнивать теплофизические показатели, то всего один литр воды при остывании на 1°С способен разогреть кубометр воздуха на целых 4 °С.

Тепловой аккумулятор всегда представляет собой объемный резервуар с эффективной внешней термоизоляцией, подключенный к контуру (контурам) источника тепла и контурам отопления. Простейшую схему лучше рассмотреть на примере:

Наглядная демонстрация принципа работы простейшего теплового аккумулятора

Самый простой по конструкции теплоаккумулятор (ТА) – это вертикально расположенный объемный бак, в который с двух противоположный сторон врезаны четыре патрубка. С одной стороны он подключён к контуру твердотопливного котла (КТТ), а с другой – к разведенному по дому контуру отопления.

После загрузки и розжига котла циркуляционный насос (Nк) этого контура начинает прокачивать теплоноситель (воду) через теплообменник. Из нижней части ТА в котел поступает остывшая вода, а в верхнюю прибывает разогретая в котле. Из-за существенной разницы плотности остывшей и горячей воды ее активного перемешивания в баке не будет – в процессе горения топливной закладки будет происходить постепенное заполнение ТА горячим теплоносителем. В итоге, при правильном расчете параметров, после полного прогорания заложенного горючего, емкость будет заполнена горячей водой, разогретой до расчетного уровня. Вся потенциальная энергия топлива (за вычетом, конечно, неизбежных потерь, отраженных в КПД котла), преобразована в тепловую, которая накоплена в ТА. Качественная термоизоляций позволяет сохранять температуру в баке в течение многих часов, а иногда даже – и дней.

Вторая стадия – котел не работает, но функционирует система отопления. С помощью собственного циркуляционного насоса контура отопления происходит прокачка теплоносителя по трубам и радиаторам. Забор производится сверху, из «горячей» зоны. Интенсивного самостоятельного перемешивания опять же не наблюдается – по уже упомянутой причине, и в трубу подачи поступает горячая вода, снизу возвращается охлажденная, и бак постепенно отдает свой нагрев в направлении снизу вверх.

На практике, в процессе топки котла отбор теплоносителя в систему отопления, как правило, не прекращается, и ТА будет накапливать лишь избыточную энергию, которая в текущий момент остается невостребованной. Но при правильном расчете параметров буферной емкости, ни один киловатт тепловой энергии не должен пропасть даром, и к концу цикла топки котла ТА должен быть в максимальной мере «заряжен».

Понятно, что цикличность работы подобной системы с установленным электрическим котлом будет завязана на льготные ночные тарифы. Таймер блока управления включит и выключит питание в установленный срок вечером и утром, а в течение дня контуры отопления будут питаться только (или преимущественно) из теплоаккумулятора.

Конструктивные особенности и основные схемы подключения различных теплоаккумуляторов

Итак, теплоаккумулятор всегда представляет собой объемный резервуар вертикального цилиндрического исполнения, имеющий высокоэффективную термоизоляцию и снабженный патрубками для подключения контуров генерации тепла и его потребления. А вот внутренняя конструкция может различаться. Рассмотрим основные типы существующих моделей.

Основные типы конструкций теплоаккумуляторов Теплоаккумулятор с прямым подключением контуров выработки и потребления тепловой энергии

1 – Самый простой тип конструкции ТА. Подразумевается прямое подключение и источников тепла, и контуров потребления. Такие буферные емкости используются в следующих случаях:

Если в котле и во всех контурах отопления применяется одинаковый теплоноситель.
Если максимально допустимое давление теплоносителя в контурах отопления не превышает аналогичный показатель котла и самого ГА.

В том случае, когда требование выполнить невозможно, подключение контуров отопления может производиться через дополнительные внешние теплообменники

Если температуры в трубе подачи на выходе их котла не превышает допустимой температуры в контурах отопления.

Впрочем, это требование также может быть обойдено при установке на контуры, требующие более низкого температурного напора, смесительных узлов с трёхходовыми кранами.

Теплоаккумулятор со встроенным теплообменником

2 – Теплоаккумулятор снабжен внутренним теплообменником, расположенным в нижней части емкости. Теплообменник обычно представляет собой спираль, свитую из стальной нержавеющей трубы, обычной или гофрированной. Таких теплообменников может быть несколько.

Подобный тип ТА применяется в следующих случаях:

Если показатели давления и достигаемой температуры теплоносителя в контуре источника тепла существенно превосходят допустимые значения для контуров потребления и для самой буферной емкости.
Если есть необходимость подключения нескольких источников тепла (по бивалентному принципу). Например, на помощь котлу приходят гелиосистема (солнечный коллектор) или геотермальный тепловой насос. При этом чем меньше температурный напор источника тепла, тем ниже должен в ТА размещаться его теплообменник.
Если в контурах источника тепла и потребления используется различный тип теплоносителя.

В отличие от первый схемы, такому ТА свойственно активное перемешивание теплоносителя в емкости – нагрев происходит в нижней ее части, и менее плотная горячая вода стремится вверх.

На схеме по центру ГА показан магниевый анод. За счет более низкого электропотенциала он «оттягивает» на себя ионы тяжелых солей, не допуская зарастания накипью внутренних стенок бака. Подлежит периодической замене.

Теплоаккумулятор со встроенным проточным теплообменником горячего водоснабжения

3 – Теплоаккумулятор дополнен проточным контуром горячего водоснабжения. Вход холодной воды осуществляется снизу, подача до точки горячего водоразбора, соответственно, снизу. Большая часть теплообменника расположена в верхней части ТА.

Такая схема считается оптимальной для условий, когда потребление горячей воды отличается достаточной стабильностью и равномерностью, без выраженных пиковых нагрузок. Естественно, теплообменник должен быть исполнен из металла, отвечающего нормам пищевого водопотребления.

В остальном же схема схода с первой, с прямым подключением контуров генерации тепла и его потребления.

Теплоаккумулятор со встроенным баком горячего водоснабжения

4 – Внутри теплоаккумулятора размещен бак для создания запаса горячей воды для бытового потребления. По сути, такая схема напоминает встроенный бойлер косвенного нагрева.

Применение подобной конструкции в полной мере оправдано в случаях, когда пик выработки тепловой энергии котлом не совпадает с пиком потребления горячей воды. Иными словами, когда сложившийся в доме бытовой уклад предполагает массовое, но довольно непродолжительное расходование горячей воды.

Все перечисленные схемы могут варьироваться в различных комбинациях – выбор конкретной модели зависит от сложности создаваемой системы отопления, количества и типа источников тела и контуров потребления. Обратите внимание, в большинстве теплоаккумуляторов предусмотрено множество выходных патрубков, разнесенных по вертикали.

Разнесенные по вертикали патрубки подключения контуров позволяют оптимально использовать образующийся в теплоаккумуляторе температурный градиент

Дело в том, что при любой схеме внутри буферной емкости так или иначе образуется температурный градиент (разница в температурном напоре по высоте). Появляется возможность подключения контуров системы отопления, требующих различных температурных режимов. Это существенно облегчает окончательное термостатическое регулирование теплообменных приборов (радиаторов или «теплых полов»), с минимальными ненужными потерями энергии и снижением нагрузки на регулирующие устройства.

Типовые схемы подключения теплоаккумуляторов

Теперь можно рассмотреть основные схемы установки теплоаккумуляторов в систему отопления.

Иллюстрация	Краткое описание схемы
	Температурный режим и давление одинаковы в котле и в контурах отопления. Требования к теплоносителю совпадают. На выходе из котла и в ТА поддерживается постоянная температура. На приборах теплообмена регулировка ограничивается только количественным изменением проходящего через них теплоносителя.
	Подключение в самому теплоаккумулятору, в принципе, повторяет первую схему, но регулировка режимов работы теплообменных приборов осуществляется по качественном принципу – с изменением температуры теплоносителя. Для этого в схему включены термостатические узлы смешения, например, трехходовые клапаны. Такая схема позволяет наиболее рационально использовать накопленный теплоаккумулятором потенциал, то есть его «заряда» хватит на более продолжительное время.
	Такая схема, с циркуляцией теплоносителя в малом контуре котла через встроенный теплообменник, применяется, когда давление в этом контуре превышает допустимое в приборах отопления или в самой буферной емкости. Второй вариант – в котле и в контурах отопления применены разные теплоносители.
	Исходные условия аналогичны схеме №3, но применен внешний теплообменник. Возможные причины такого подхода: — площади теплообмена встроенного «змеевика» недостаточно для поддержания требуемой температуры в телоаккумуляторе. – ранее уже был приобретён ТА без внутреннего теплобменника, а модернизация системы отопления потребовала именно такого подхода.
	Схема с организацией проточного обеспечения горячей водой через встроенный спиралевидный теплообменник. Рассчитана на равномерное потребление горячей воды, без пиковых нагрузок.
	Такая схема, с использованием теплоаккумулятора со встроенным баком, рассчитана на пиковое потребление горячей воды, но не отличающееся высокой положительностью. После расходования созданного запаса и, соответственно, заполнения ёмкости холодной водой, нагрев до требуемой температуры может занять достаточно много времени.
	Бивалентная схема, позволяющая задействовать в системе отопления дополнительный источник тепловой энергии. В данном случае упрощенно показан вариант с подключением солнечного коллектора. Этот контур подключается к теплообменнику в нижней части теплоаккумулятора. Обычно подобная система рассчитывается таким образом, что основным источником является именно солнечный коллектор, а котел включается по мере необходимости, для догрева, при недостаточности энергии от основного. Солнечный коллектор, конечно, не догма – на его месте может быть и второй котел.
	Схема, которую можно назвать мультивалентной. В данном случае показано применение трех источников тепловой энергии. В роли высокотемпературного выступает котел, который, опять же, может играть лишь вспомогательную роль в общей схеме нагрева. Солнечный коллектор – по аналогии с предыдущей схемой. Кроме того, используется еще один низкотемпературный источник, который, вместе с тем отличается стабильностью и независимостью от погоды и времени суток – геотермальный тепловой насос. Чем меньше температурный напор из подключенного источника энергии, тем ниже место его подключения к теплоаккумулятору.

Безусловно, схемы даны в очень упрощенном виде. А на деле подключение теплоаккумулятора в сложные, разветвленные системы, с различными контурами отопления, да еще и получающие нагрев от источников различной мощности и температуры, требуют высокопрофессионального проектирования с инженерными теплотехническими расчетами, с применением множества дополнительных регулировочных устройств.

Один из примеров – показан на рисунке:

Пример системы с несколькими источниками тепла и различными контурами отопления и ГВС

1 – твёрдотопливный котёл.

2 – электрический котел, включающийся лишь по мере необходимости и только в период действия льготного тарифа.

3 – специальный блок подмешивания в контуре высокотемпературного котла.

4 – гелио-станция, солнечный коллектор, который в погожие дни может выполнять роль основного источника тепловой энергии.

5 – теплоаккумулятор, к которому сходятся все контуры генерации тепла и его потребления.

6 – высокотемпературный контур отопления с радиаторами, с регулировкой режимов по количественному принципу – только и использованием запорной арматуры.

7 – низкотемпературный контур отопления – «теплый пол», в котором обязательно предусматривается качественное регулирование температуры нагрева теплоносителя.

8 – проточный контур горячего водоснабжения, снабженный собственным смесительным узлом для качественного регулирования температуры бытовой горячей воды.

Кроме всего перечисленного, в теплоаккумулятор могут быть встроены собственные электрические нагреватели – ТЭНы. Иногда бывает выгодно поддерживать с их помощью заданную температуру, не прибегая, например, лишний раз к неплановой растопке твердотопливного котла.

Дополнительный ТЭН, оснащенный собственной термостатической системой

Специальные дополнительные ТЭНы можно приобрести отдельно – их монтажная резьба обычно адаптирована к гнездам подключения, имеющимся на многих моделях тепловых аккумуляторов. Естественно, подключение электричество подогрева потребует установки дополнительного термостатического блока, который обеспечит включение ТЭНов только при падении температуры в ТА ниже установленного пользователем уровня. Некоторые нагреватели уже оснащены встроенным терморегулятором подобного типа.

Цены на теплоаккумуляторы S-Tank

~~Теплоаккумулятор S-Tank~~

Видео: Рекомендации специалиста по созданию системы отопления с твердотопливным котлом и теплоаккумулятором

Что необходимо учитывать при выборе теплоаккумулятора

Безусловно, подбор теплоаккумулятора рекомендуется проводить еще на стадии проектирования системы отопления дома, руководствуясь расчетными данными специалистов. Тем не менее, обстоятельства бывают разными, и знать основные критерии оценки такого прибора – все же нужно.

На первом месте всегда будет стоять вместительность этой буферной емкости. Эта величина рассчитывается в соответствии с параметрами создаваемой системы, мощностью котла, необходимого количества энергии для нужд отопления, горячего водоснабжения. Одним словом, ёмкость должна быть таковой, чтобы обеспечить накопление всего избыточного на данный момент тепла, не допуская его потерь. О некоторых правилах расчета емкости будет рассказано ниже.
От емкости, естественно, напрямую зависят габариты изделия и его масса. Эти параметры также являются определяющими – далеко не всегда и не везде получается разместить в выделенном помещении теплоаккумулятор необходимого объема, так что вопрос должен продумываться заранее. Случается, что баки большого объёма (свыше 500 литров) не проходят в стандартные дверные проемы (800 мм). При оценке массы ТА она должна учитываться вместе во всем объемом воды полностью заполненного прибора.
Следующий параметр – максимально допустимое давление в создаваемой или уже функционирующей системе отопления. Аналогичный показатель ТА должен быть, во всяком случае, не ниже. Это будет зависеть от толщины стенок, типа материала изготовления, и даже формы емкости. Так, в буферных емкостях, рассчитанных на давление свыше 4 атмосфер (бар) обычно верхняя и нижняя крышки имеют сферическую (тороидальную) конфигурацию.

Теплоаккумулятор из нержавеющей стали, с крышками тороидальной формы, заключенный в термоизоляционный кожух.

Материал изготовления емкости. Баки из углеродистой стали, с антикоррозийным покрытием стоят дешевле. Емкости из нержавейки, безусловно, дороже, но и гарантийный срок их эксплуатации тоже значительно выше.
Наличие дополнительных встроенных теплообменников для контуров отопления или горячего водоснабжения. Об их предназначении уже упоминалось выше – выбираются модели в зависимости от общей сложности системы отопления.
Наличие дополнительных опций – возможности встраивания ТЭНов, установки контрольно-измерительных приборов, устройств обеспечения безопасности – предохранительных клапанов, воздухоотводчиков и т.п.
Обязательно оценивается толщина и качество внешней термоизоляции корпуса ТА, чтобы не пришлось заниматься этим вопросом самостоятельно. Чем лучше изолирован бак, тем естественно, дольше будет в нем храниться «тепловой заряд».

Особенности монтажа тепловых аккумуляторов

Установка теплового аккумулятора подразумевает соблюдение определенных правил:

Все подключаемые контуры должны подсоединяться резьбовыми муфтами или фланцами. Сварных соединений не допускается.
Подключаемые трубы не должны оказывать на патрубки ТА никакой статической нагрузки.
Рекомендуется на всех подключаемых к ТА трубах установить запорную арматуру.
На всех используемых входах и выходах устанавливаются приборы визуального контроля температуры (термометры).
В нижней точке ТА или на трубе в непосредственной близости от него должен стоять дренажный вентиль.
На всех трубах входа в теплоаккумулятор устанавливаются фильтры механической очистки воды – «грязевики».
Во многих моделях сверху предусмотрен патрубок для подсоединения автоматического воздухоотводчика. Если такового нет, то воздухоотводчик обязательно устанавливается на самом верхнем выходном патрубке.
В непосредственной близости от теплоаккумулятора предусматривается установка манометра и предохранительного клапана.
Вносить какие бы то ни было самостоятельные изменения в конструкцию теплоаккумулятора, не оговоренные производителем – категорически запрещается.
Установка ТА должна проводиться только в отапливаемом помещении, исключающем вероятность замерзания жидкости.
Заполненный водой резервуар может иметь весьма значительную массу. Площадка род него должна быть способна выдержать столь высокую нагрузку. Нередко для этих целей приходится подливать специальный фундамент.
Как бы ни устанавливался теплоаккумулятор, при этом должен обеспечиваться свободный поход к ревизионному люку.

Проведение простейших расчетов параметров теплоаккумулятора

Как уже упоминалось выше, всесторонний расчет системы отопления с несколькими контурами выработки и потребления тепловой энергии – это задача, посильная только специалистам, так как приходится учитывать очень много разносторонних факторов. Но определённые вычисления можно провести и собственными силами.

Например, в доме установлен твердотопливный котел. Известна его мощность, вырабатываемая при полной топливной загрузке. Экспериментальным путем определено время сгорания полной закладки дров. Планируется приобретение теплоаккумулятора, и необходимо определить, какой объем потребуется, чтобы гарантированно полезно использовать все выработанное котлом тепло.

За основу возьмем известную формулу:

W = m × с × Δt

W — количество тепла необходимое, чтобы нагреть массу жидкости (m) с известной теплоемкостью (с) на определенное количество градусов (Δt).

Отсюда несложно вычислить массу:

m = W / (с × Δt)

Не помешает принять в расчет КПД котла (k), так как потери энергии так или иначе неизбежны.

W = k × m × с × Δt, или

m = W / (k × с × Δt)

Теперь разбираемся с каждым из значений:

m – искомая масса воды, из которой, зная плотность, несложно будет определить и объем. Не будет большой ошибкой посчитать из расчета 1000 кг = 1 м³.
W – избыточное количество тепла, вырабатываемое в период топки котла.

Его можно определить, как разницу значений энергии, выработанной за время сгорания топливной закладки и затраченной в тот же период на отопление дома.

Максимальная мощность котла обычно известна – это паспортная величина, рассчитанная на оптимальные воды твёрдого топлива. Она показывает количество тепловой энергии вырабатываемой котлом в единицу времени, например, 20 кВт.

Любой хозяин всегда довольно точно знает, в течение какого времени у него прогорает топливная закладка. Допустим, это будет 2,5 часа.

Далее, необходимо знать, какое количество энергии в это время может быть израсходовано на отопление дома. Одним словом, необходимо значение потребности конкретного здания в тепловой энергии для обеспечения комфортных условий проживания.

Такой расчет, если значение необходимой мощности неизвестно, можно произвести самостоятельно – для этого есть удобный алгоритм, приведенный в специальной публикации нашего портала.

Как самостоятельно провести тепловой расчет для собственного дома?
Информация о количестве необходимой тепловой энергии для отопления дома бывает достаточно часто востребована – при выборе оборудования, расстановке радиаторов, при проведении утеплительных работ. С алгоритмом расчета, включающим удобный калькулятор, читатель может познакомится, открыв по ссылке публикацию, посвященную требованиям к установке газовых котлов.

Например, для отопления дома требуется 8,5 кВт энергии в час. Значит, за 2,5 часа сгорания топливной закладки будет получено:

20 × 2,5 = 50 кВт

За этот же период будет потрачено:

8,5 × 2,5 = 21,5 кВт

Избыточное тепло, которое необходимо сохранить в теплоаккумуляторе:

W = 50 – 21,5 = 28,5 кВт

k – КПД котельной установки. Обычно указывается в паспорте изделия в процентах (например, 80%) или десятичной дробью (0,8).
с – теплоемкость воды. Это – табличная величина, которая равна 4,19 кДж/кг×°С или 1,164 Вт×ч/кг×°С или 1,16 кВт/м³×°С.
Δt – разница температур, на которую необходимо подогреть воду. Ее можно определить для своей системы опытным путем, промерив значения на трубе подачи и обратки при работе системы на максимальной мощности.

Допустим, что это значение равно

Δt = 85 – 60 = 35 °С

Итак, все значения известны, и осталось лишь подставить их в формулу:

m = 28500 / (0,8 × 1,164 × 35) = 874,45 кг.

Таким образом, чтобы полностью сохранить все выработанное котлом тепло при его работе на полной мощности потребуется 875 кг воды, то есть емкость примерно в 0,875 м³.

Такой же подход можно применить и в случае, если рассчитывается объем теплоаккумулятора, подключённого к электрическому котлу. Единственная разница – для расчета принимается не время топки, а временной интервал льготного тарифа, например, с 23.00 до 6.00 = 7 часов. Чтобы «унифицировать» эту величину, ее можно назвать, например, «период активности котла».

Чтобы упростить читателю задачу, ниже размещен специальный калькулятор, который позволит быстро рассчитать рекомендуемый объем теплового аккумулятора для имеющегося (планируемого к установке) котла.

Калькулятор расчета необходимого объема теплоаккумулятора

Перейти к расчётам

Полученное значение округляется в большую сторону и становится ориентиром при подборе оптимальной модели теплоаккумулятора. Они в специальных магазинах представлены в различном объемном исполнении.

Достоинства и недостатки включения в систему отопления теплоаккумулятора

Итак, подводя итоги публикации, вкратце сформулируем «плюсы» и «минусы» применения теплоаккумуляторов.

К достоинствам можно смело отнести следующее:

Достигается экономия энергоресурсов, особенно в приложении к твёрдому топливу – выработанное тепло используется в максимальной мере. Возрастает КПД котла и всей системы отопления в целом.
Котлы и другие элементы системы отопления получают надежную защиту от перегрева.
Сводится до возможного минимума необходимость вмешательства в работу системы, сокращается количество загрузок твёрдого топлива.
Вся система работает более плавно и легко поддается контролю и точным регулировкам. Обеспечивается стабильный установленный нагрев во всех помещениях дома.
Появляется возможность подключения альтернативных источников энергии. При грамотном подходе это дает нешуточную экономию денежных средств. Например, в дневное время основная нагрузка ложится на гелио-станцию, ночью, пока действует льготный тариф, «эстафету» перехватывает тепловой насос, а возможную недостачу компенсирует компактный газовый котел.
Установкой теплового аккумулятора одновременно можно решить и проблему горячего водоснабжения своего жилья.

Недостатков немного, но о них тоже следует упомянуть:

Установка будет иметь какой-то смысл, если мощность котла или иных источников тепла существенно, как минимум вдвое, превышает расчетные значения потребной тепловой энергии для отопления жилья.
Система с теплоаккумулятором всегда обладает очень высокой инерционностью, то есть от момента пуска д выхода в расчетный режим работы может пройти немало времени. Нет смысла применять ее в с системах отопления, где требуется быстрый нагрев помещений, например, в загородных домах, которые посещаются хозяевами зимой лишь время от времени.
Оборудование, как правило, очень громоздкое, что создает немало проблем при его транспортировке, разгрузке, заносе в помещения и монтаже. Так как обязательным условием является установка ТА в непосредственной близости к котлу, для котельной потребуется весьма немалая площадь.
Тепловые аккумуляторы относятся к категории дорогостоящих покупок – их цена вполне сопоставима, а нередко даже превосходит стоимость котлов. Правда, высока вероятность того, что затраты быстро окупятся экономией на энергоресурсах.

Правда, последний из перечисленных недостатков подвигает народных умельцев к разработке и монтажу собственных моделей теплоаккумуляторов.

Сложно ли изготовить теплоаккумулятор самостоятельно?
Наверное, российскому самодеятельному мастеру – все по плечу! Для примера — технологические рекомендации по самостоятельному изготовлению теплового аккумулятора приведены в специальной публикации нашего портала.

Видео: преимущества системы отопления со встроенным теплоаккумулятором

Теплоаккумулятор своими руками — принцип действия, материалы для изготовления

Одним из рекомендуемых элементов системы отопления частного дома является не сложный прибор – теплоаккумулятор. Принцип действия его основан на частичном отборе тепловой энергии и ее хранении в течение достаточно длительного периода времени (до нескольких суток). Об изготовлении данного прибора своими руками и пойдет речь в нашей статье.

Основу конструкции теплоаккумулятора составляет прямоугольный корпус. Изготовить его можно из любых доступных материалов. Наиболее удобным для изготовления приспособления остаются деревянные материалы, как натуральные, так и искусственные. Непосредственно перед началом проектирования схемы теплоаккумулятора следует определиться с желаемым объемом ванны теплонакопителя и ее параметрами. В зависимости от места установки приспособления корпус может быть выполнен более высоким или более приземистым. Для сохранения объемных параметров необходимо будет внести определенные корректировки в размеры дна корпуса и боковых стенок.

Процесс сборки корпуса теплоаккумулятора

Для работы приготовьте следующие материалы:

рейка хвойных или лиственных пород сечением 30х60 – 18 м.п.;
ориентриованно-стружечные плиты – 16-18 м2;
утеплитель листовой – 16-18 м2;
Кроме перечисленного выше понадобятся следующие инструменты:
ножовка столярная или электролобзик;
шуруповерт;
нож для раскроя утеплителя.

Подготовив все необходимое можно приступать к работе. Обращаем ваше внимание на то, что для достижения максимального эффекта от использования теплоаккумулятора необходимо значительно снизить его теплопотери. Для этого рекомендуем изготавливать стенки корпуса с внутренними пустотами. Соответственно раскрой листовых материалов и брусков осуществляем исходя из рассчитанного нами объема корпуса, его параметров, которые могут быть ограничены размерами помещения, в котором предполагается установка теплоаккумулятора (например, подвал или котельная), а так же строения стенок.

Дно и каждая боковина представляют собой слоеную конструкцию, имеющую реечное ячеистое наполнение и обшивку плоскими листами с двух сторон.

Соединение внутренних реек можно выполнить вполдерева, изготовив в местах стыковки пазы, ширина которых равна толщине реек, а глубина – половине ширины. Крайние бруски лучше взять более массивные, так как на них будет приходиться основная часть нагрузки.

На изготовленный донный блок производим монтаж боковых стенок.

Для сборки можно использовать как мебельные конфирматы, так и обыкновенные оцинкованные саморезы. Оптимального результата удастся добиться при использовании двух видов крепежей. При этом прямоугольность корпуса достаточно легко можно обеспечить применением уголков в местах стыковки стенок корпуса.

Древесина сама по себе хоть и обладает достаточно низкой теплопроводностью, но не способна обеспечить необходимые теплоизоляционные свойства корпуса теплоаккумулятора. Обязательным элементом «начинки» стенок дна и крышки является листовой теплоизолятор.

Теплоизоляция корпуса прибора

При сборке корпусных деталей в промежутки между внутренними рейками и листами обшивки заложите куски любого доступного теплоизоляционного материала, подогнанные максимально плотно.

Возможно изготовление упрощенного варианта корпуса, при котором первоначально изготавливается прямоугольная емкость, которая впоследствии оклеивается листами плотной теплоизоляции.

Еще одним обязательным требованием, предъявляемым к корпусу приспособления, является его полная гидроизоляция, так как роль основного теплоносителя выполняет вода. Достичь этого поможет использование прочной синтетической пленки или прорезиненной ткани, приклеиваемой к внутренней поверхности. В дополнение перед ее настилом следует промазать все стыковочные швы герметиком, и проверить внутреннюю поверхность на наличие острых выступающих элементов.

Первое испытание самодельного теплоаккумулятора.

Далее следует провести испытание на герметичность. Можно оставить наполненную емкость на сутки и более, контролируя отсутствие течи.

Изготовление и установка теплообменников согласно требуемой схеме

Вторым обязательным элементом теплоаккумулятора является простейший прибор, позволяющий осуществить передачу избыточного тепла от теплоносителя к аккумулирующему веществу. Речь идет о теплообменнике, технологии самостоятельного изготовления которого мы коснулись в одной из наших предыдущих статей. Основу конструкции составляет медная труба. Выбор именного этого металла связан с его оптимальными теплопроводными свойствами и доступностью.

Прежде всего, для оптимизации использования внутреннего объема приспособления, необходимо придать трубкам спиральную форму. Пластичность меди позволяет изгибать ее без опасения разрушения.

Выполнять гибку труб удобно с использованием простейшего приспособления, изготовленного на основе катушки от электропровода или двух плоских круглых деталей равного диаметра.

Изготовьте необходимое количество трубчатых спиралей. Во избежание прямой теплопередачи между витками необходимо выполнить их изоляцию друг от друга. Это удобно осуществить с помощью специальных пластиковых вставок, которые так же несложно изготовить своими руками.

Так же из медных труб выполните внутреннюю разводку теплоаккумулятора для подсоединения теплообменников.

Количество спиралей должно быть оптимальным и занимать все пространство корпуса.

После установки всех приборов и повторной проверки герметичности корпуса теплоаккумулятора его можно смело подсоединять к системе отопления дома.

Напоследок следует сказать, что системы отопления дома и нагрева теплоносителя являются закрытыми, то есть жидкость из них никогда не попадет в жидкость, находящуюся в нашем теплоаккумуляторе.

Уважаемые читатели, если у вас остались вопросы, задавайте их, используя форму ниже. Мы будем рады общению с вами 😉

Рекомендуем другие статьи по теме

принцип работы и подключение своими руками

Источник: http://electrotherm.ru/teploakkumulyatory

Принцип работы теплоаккумулятора без теплообменника

Это самый недорогой и простой по устройству аккумулятор тепла. Подсоединяется к котлу, а потом от него выполняют разводку к обогревательным элементам.

Источник: http://prouteplenie.com/otoplenie/teploakkumulyator-dlya-kotlov-otopleniya-printsip-raboty-i-raschet

Достоинства и недостатки отопления с теплоаккумулятором

Плюсами таких систем являются:

Снижение затрат на энергоносители.
Увеличение КПД отопительной системы.
Отсутствие перегрева.
Снижение количества (периодичности) загрузки твердого топлива в котел.
Тонкая настройка температурного режима в помещениях.
Возможность модернизации (совмещение с системой подачи горячей воды, использование альтернативных источников энергии вместо топлива).

При всех достоинствах отопительное оборудование такого типа имеет и недостатки:

Мощность установленного котла позволяет отапливать площадь, вдвое больше, чем требуется (запас мощности).
Система долго запускается из холодного состояния до вхождения в нормальный рабочий режим.
Ввиду громоздкости оборудования и большого числа комплектующих усложняется транспортировка, размещение и монтаж.
Сохраняется необходимость топливного склада в непосредственной близости от котельной.
Стоимость оборудования и отсутствие быстрой окупаемости затрат, особенно при замене котла.

Последний недостаток успешно решается, если смонтировать теплоаккумулятор своими руками.

Типы отопительных систем с теплоаккумулятором и разным количеством змеевиков

Змеевик играет роль теплообменника, то есть жидкости различных систем не смешиваются между собой, а передача тепла происходит через стенки этой спирали. Изготавливается из меди или нержавеющей стали. Иногда используется черный металл что бы удешевить конструкцию.

Различают четыре основных типа систем:

Без змеевика. Вместо него может быть вмонтирован дополнительный бак меньшего диаметра, подключенный к малому контуру. Передача тепла происходит благодаря физическим свойствам, при котором она поднимается вверх, а холодный теплоноситель опускается в нижнюю часть емкости. Такая система является самой простой и работает только с одним потребителем, например системой отопления и одним источником. Это может быть как твердотопливный котел так и солнечный коллектор. Особенности – минимальная себестоимость, простота монтажа.

С одним змеевиком. Спираль находится внутри основного бака, по ней циркулирует теплоноситель от источника. Энергия передается в накопительную емкость откуда и циркулирует далее к потребителю. Особенности такой системы является не смешивание различных теплоносителей. Это может быть важно если они имеют различные химические составы.

Система может работать и в обратном порядке, через змеевик может бить запитана система отопления или ГВС.

С двумя змеевиками. Дополнительный малый контур теплообменника запитан в систему, подключенную к альтернативному источнику энергии. Эта система позволяет использовать более широкий спект оборудования для нагрева теплоносителя.

С тремя спиралями. Предполагается, что в единый отопительный комплекс входит котел на твердом топливе и два альтернативных источника, например, солнечная и геотермальная батареи. Максимальная экономия твердого топлива. Котел может использоваться как дополнительный (резервный).

С дополнительным баком. Существуют системы, в которых включен еще один контур с теплообменником для того, чтобы горячая вода в кране появлялась сразу же после запуска котла, не дожидаясь выхода в оптимальный режим обогрева. Однако в таких системах, запас горячей води ограничен, по его истечению дальнейший прогрев будет проходить медленнее чем через змеевик.

Применение различных типов систем

Отопительные системы, в состав которых входят только твердотопливные котлы применяются, как правило, для обогрева частных домов. Необходимость сооружать угольный (дровяной) склад доставляет неудобство, но такой конфигурации достаточно для отопления в самые суровые морозы.

Системы отопления, в которые включен солнечные коллекторы позволяют экономить до 30% затрат на энергоносители, но не заменить твердотопливный котел. Поэтому ее используют как вспомогательную, тем более что солнце светит не всегда. А вот для того, чтобы дома всегда была вода, мощности достаточно (замещает на 50-90%).

Совмещенные конфигурации предполагают применение газового и твердотопливного котлов. Это удобно при запуске системы в промерзшем здании. Если газовый агрегат подключить к системе горячего водоснабжения, то вода будет всегда. При этом не нужно подбрасывать дрова, достаточно нажать пусковую кнопку газовой горелки. а основную задачу по нагреву води возьмет на себя твердотопливный котел.

Источник: http://vremya-stroiki.net/teploakkumulyator-dlya-kotlov-otopleniya-princip-raboty/

Принцип работы теплоаккумулятора с одним или несколькими змеевиками

Эта современная модель получила широкое применение благодаря своей высокоэффективной работе. Змеевик, расположенный сверху отбирает энергию, а нижний прогревает сам буфер.

Источник: http://prouteplenie.com/otoplenie/teploakkumulyator-dlya-kotlov-otopleniya-printsip-raboty-i-raschet

Схемы подключения

Полная схема подключения ТА для системы отопления

Простейшая схема подключения предполагает наличие контурного кольца прогрева котла. Это даст возможность сократить время разогрева основного контура. Термостат не позволит прогонят через теплоаккумулятор холодный теплоноситель (воду или гликоль), пока температура не установится на требуемом уровне.

Как только это произойдет, теплоноситель распределяется в двух направлениях:

Прогрев ТА.
Прогрев основного бака.

В последнем случае предполагается перемешивание с теплоносителем и перенаправление в бак. Благодаря тому увеличивается КПД и сокращается время прогрева основного контура. Такое подключение дает возможность работать системе автономно (при выключенном насосе).

Отдельный контур сообщает ТА и радиаторы. Чтобы исключит необходимость контролировать работу отопительной системы, в ее состав вводится два байпаса:

Содержит шаровый клапан, который перекрывается при выключенном насосе. В работу включается обратный клапан.
Если насос остановлен, а шаровый клапан вышел из строя, прокачка теплоносителя производится по второму (резервному) байпасу.

Схему можно упростить, исключив обратный клапан. Это делают, мотивируя тем, что он характеризуется высоким сопротивлением потока. Прибегая к такому шагу нужно помнить, что в случае прекращения подачи электроэнергии придется вручную открывать шаровый клапан.

Более сложная система с использованием альтернативного источника энергии и контура горячего водоснабжения

Если отключения возможны, в систему включают альтернативный источник питания или бесперебойник. Это потребует дополнительных затрат. Целесообразность покупки данного оборудования проявляется после подсчета стоимости труб, фитингов, насоса и клапанов, которые могут прийти в негодность. В результате приобретение ИБП (источник бесперебойного питания) не кажется слишком дорогим удовольствием.

Подробный видео обзор системы

Источник: http://vremya-stroiki.net/teploakkumulyator-dlya-kotlov-otopleniya-princip-raboty/

Принцип работы теплоаккумулятора с внутренним бойлером

Эта модель не просто накапливает и рационально распределяет тепло, но и обеспечивает дом горячей водой в ванной и кухне.

Замечательно встраивается в открытую и закрытую системы отопления, без малейших потерь функциональности. Часто работает в паре с твердротоплевными и электрическими котлами, а также с солнечными коллекторами.

Солнечный коллектор работает от энергии солнца, которая бесплатна, экономя топливо. Единственное, на что придется потратиться, так это на оборудование.

Роль теплоаккумулятора для гелеосистемы очень важна, поскольку в вечернее время и ночью энергия практически не вырабатывается.

Конечно, гелеосистемы в климатических условиях многих регионов страны не способны полностью обеспечить тепловой энергией дом, но являются серьезным подспорьем в экономии.

Источник: http://prouteplenie.com/otoplenie/teploakkumulyator-dlya-kotlov-otopleniya-printsip-raboty-i-raschet

Твердотопливный котел отопления и теплоаккумулятор

Очень часто теплоаккумуляторы используют именно для сохранения выделяемого тепла котлом отопления. Связано это с тем, что котел за период сгорания топлива выделяет тепло не всегда одинаково, чтобы сбалансировать обогревательный процесс, сделать его наиболее ровным в смысле температурного режима в доме используют теплоаккумулыторы или как их еще называют буферные баки.

Рядом с теплоаккумулятором устанавливаются приборы контроля давления и температуры в системе отопления, оборудуется устойчивое основание под буферный бак и котел.

В работе теплоаккумуляторов имеются свои минусы: дом слишком долго прогревается при первичном запуске системы, высокая стоимость, требует высокой мощности котла.

Цены на теплоаккумуляторы для отопления достаточно высокие, поэтому многие предпочитают делать эти устройства самостоятельно.

Сделать простейший теплоаккумулятор для отопления своими руками можно из бочки, изготовленной из нержавейки.

Изготовить бочку можно из пары листов нержавейки. Чтобы вода в бочке нагревалась, нужна медная трубка с диаметром 3 сантиметра и длиной около 14 метров.

Трубку сгибают и помещают внутрь бака. К низу бочки подводят холодную воду, а сверху отводят горячую. Оба отвода оснащаются кранами контроля подачи воды.

Следующий шаг – проверка бочки на герметичность, если все в порядке и течи нет, бочку можно утеплять.

Утепление проходит в пару этапов – сначала ее красят термоустойчивой краской, а затем оборачивают базальтовой ватой, поверх которой оборачивают бак фольгой.

Самодельный бак, также как и производственный оборудуют датчиками температуры и давления.

Самодельный бак выйдет в разы легче и дешевле, если не верите, посмотрите фото теплоаккумуляторов для отопления. Габариты производственных баков впечатляют.

Источник: http://prouteplenie.com/otoplenie/teploakkumulyator-dlya-kotlov-otopleniya-printsip-raboty-i-raschet

Расчет объема теплонакопителя

Слишком малый объем неэффективен, большой нецелесообразен с точки зрения затрат и потери полезной площади помещения. Точный расчет выполнить невозможно ввиду отсутствия информации о теплопотери здания, особенно, если оно находится в стадии проектирования.

Однако есть возможность рассчитать максимально приближенно. В качестве исходных данных служит мощность котла и суммарная площадь всех отапливаемых помещений. Расчеты производятся следующим образом:

Мощность нагревателя в киловаттах находится в прямой зависимости с площадью. 1КВт способен обогреть 10 м2. Если дом 120 м2, то котел должен выдавать 12 КВт. Необходимо заложить запас, чтобы оборудование не работало на предельной нагрузке (средний коэффициент – 1,5). Получается, нужно устанавливать котел 18 КВт.
Пренебрегая объемом жидкости в трубах и радиаторах, принимается, что каждый киловатт мощности расходуется на разогрев 25 л. теплоносителя в теплоакуумуляторе. Перемножив две величины, получаем 450 л. Эта величина не предельная, ведь на прошлом шаге был заложен запас мощности 50%.

Заложенного запаса хватит на самую холодную зиму. Оборудование будет работать не на пределе возможности, а значит, прослужит долго.

Расчет по формуле

Существует множество сложных математических формул, позволяющих произвести вычисления

Самая простая формула выглядит так: m = Q / 1.163 х Δt,

Где:

Q – расчетное количество тепловой энергии, которую мы можем накопить. Это разница вырабатываемой мощности котла и необходимой нам для отопления;
m – масса воды в резервуаре, кг. Ее мы хотим вычислить;
Δt – разница между начальной и конечной температурами теплоносителя, °С;
1.163 кВт/кг – удельная теплоемкость воды.

Источник: http://vremya-stroiki.net/teploakkumulyator-dlya-kotlov-otopleniya-princip-raboty/

Изготовление твердотопливного котла своими руками

Твердотопливный котел для частного дома чисто теоретически можно изготовить самостоятельно. Для этого необходимо взять большую 300-мм трубу, от которой отрезается метровый кусок. Из стального листа нужно вырезать дно по диаметру трубы и приварить элементы. Ножками котла могут выступить 10-сантиметровые швеллеры.

Изготавливая твердотопливный котел для частного дома, вы должны будете выполнить распределитель воздуха в виде окружности из листа стали. Ее диаметр должен быть меньше, чем труба на 20 мм. В нижнюю часть круга необходимо приварить крыльчатку из уголка. Размер его полки должен составить 50 мм. Для этого подойдет и швеллер с такими же размерами. В центральную верхнюю часть распределителя следует приварить 60-миллиметровую трубу, которая должна располагаться выше котла. В середине диска распределителя проделывается отверстие по трубе, чтобы образовался сквозной тоннель. Он необходим для подачи воздуха.

К верхней части трубы приделывается заслонка, которая будет обеспечивать регулировку подачи воздуха. Если перед вами встал вопрос о том, как сделать твердотопливный котел, то вы должны ознакомиться с технологией. Следующий этап указывает на необходимость выполнения нижней части оборудования, где будет располагаться дверь в зольник. Сверху прорезаются отверстия. В этом месте приваривается труба на 100 мм. Вначале она будет идти под некоторым углом в сторону. Затем вверх на 40 см, а после строго вертикально. Через перекрытие проход дымохода должен быть защищен по правилам противопожарной безопасности.

Завершение изготовления котла сопровождается работой над верхней крышкой. В ее центральной части должно располагаться отверстие для трубы распределителя. Прилегание к стенке оборудования должно быть плотным. Попадание воздуха здесь исключено.

Изготовив твердотопливный котел длительного горения на дровах, вы должны будете разжечь его в первый раз. Для этого снимают крышку, поднимают регулятор, а оборудование заполняют доверху. Топливо обливают горючей жидкостью. Внутрь бросают горящую лучину через трубу регулятора. Как только топливо разгорится, поток воздуха необходимо будет снизить до минимума, чтобы дрова начали тлеть. Как только произойдет возгорание газа, котел запустится.

Источник: http://1-teplodom.ru/teploakkumulator-dla-kotlov-otoplenia-kak-podobrat-nakopitelnyj-bak-dla-tverdotoplivnogo-kotla-rascet-bufernoj-emkosti-ustanovka-v-vodanuu-sistemu/

Преимущества использования на предприятиях

Использование теплоаккумулятора на предприятии, позволяет задействовать невостребованные источники тепловой энергии для нужд отопления помещений. Среди таких источников: техническая горячая вода от технологических процессов, тепловая энергия, вырабатываемая в процессе работы систем кондиционирования и охлаждения и т.д.

Применение теплоаккумулятора в системах с электрическим котлом позволяет использовать двухтарифную систему расчета стоимости электроэнергии.

В этом случае электрический котел работает по льготному тарифу в ночное время, а теплоаккумулятор для отопления накапливает тепловую энергию, возвращая ее в систему уже в рабочее время, когда электроэнергия значительно дороже.

Если вы хотите купить теплоаккумулятор для котлов отопления российского производства Electrotherm, обратитесь к нашим консультантам или напишите на адрес [email protected].

Теплоаккумулятор для котлов отопления, принцип работы и расчет

Где применяется аккумулятор тепла и как он устроен

Накопитель тепловой энергии — это не что иное, как утепленный железный бак с патрубками для подключения магистралей водяного отопления. Буферная емкость выполняет 2 функции: накапливает избытки теплоты и обогревает дом в периоды, когда котел бездействует. Теплоаккумулятор замещает отопительный агрегат в 2 случаях:

При обогреве жилища печью с водяным контуром либо котлом, сжигающим твердое топливо. Накопительная емкость работает для отопления ночью, после прогорания дров или угля. Благодаря этому домовладелец спокойно отдыхает, а не бегает в котельную. Это комфортно.
Когда источником тепла служит электрокотел, а учет потребления электричества ведется многотарифным счетчиком. Энергия по ночному тарифу обходится вдвое дешевле, поэтому днем работу системы отопления полностью обеспечивает тепловой аккумулятор. Это экономично.

Слева на фото – буферный резервуар 400 литров фирмы Drazice, справа – электрокотел Kospel в комплекте с накопителем горячей воды

Важный момент. Бак — аккумулятор горячей воды повышает эффективность твердотопливного котла. Ведь максимальный КПД теплогенератора достигается при интенсивном горении, которое невозможно постоянно поддерживать без буферной емкости, поглощающей излишки теплоты. Чем эффективнее сжигаются дрова, тем меньше их расход. Это касается и газового котла, чей КПД снижается в режимах слабого горения.

Аккумуляторный бак, заполненный теплоносителем, действует по простому принципу. Пока обогревом помещений занимается теплогенератор, вода в емкости нагревается до максимальной температуры 80—90 °С (теплоаккумулятор заряжается). После отключения котла к радиаторам начинает подаваться горячий теплоноситель из накопительного бака, обеспечивающего отопление дома в течение определенного времени (тепловая батарея разряжается). Длительность работы зависит от объема резервуара и температуры воздуха на улице.

Как устроен аккумулятор тепла заводского изготовления

Простейшая аккумулирующая емкость для воды заводского изготовления, показанная на схеме, состоит из таких элементов:

основной резервуар цилиндрической формы, сделанный из углеродистой либо нержавеющей стали;
теплоизоляционный слой толщиной 50—100 мм в зависимости от применяемого утеплителя;
внешняя обшивка – тонкий окрашенный металл или полимерный чехол;
присоединительные штуцера, врезанные в основную емкость;
погружные гильзы для установки термометра и манометра.

Примечание. Более дорогие модели аккумуляторов тепла для систем отопления дополнительно снабжаются змеевиками для ГВС и подогрева от солнечных коллекторов. Другая полезная опция – встроенный в верхнюю зону бака блок электрических ТЭНов.

Принцип работы теплоаккумулятора без теплообменника

Принцип работы теплоаккумулятора с одним или несколькими змеевиками

Принцип работы теплоаккумулятора с внутренним бойлером

Конечно, гелеосистемы в климатических условиях многих регионов страны не способны полностью обеспечить тепловой энергией дом, но являются серьезным подспорьем в экономии.

Твердотопливный котел отопления и теплоаккумулятор

Следующий шаг – проверка бочки на герметичность, если все в порядке и течи нет, бочку можно утеплять.

Утепление проходит в пару этапов – сначала ее красят термоустойчивой краской, а затем оборачивают базальтовой ватой, поверх которой оборачивают бак фольгой.

Самодельный бак, также как и производственный оборудуют датчиками температуры и давления.

Как сделать теплоаккумулятор своими руками

Такой вопрос возникает когда человек узнает цену на такое оборудование, в зависимости от количества змеевиков и материала изготовления, она колеблется в пределах 400-1500 уе. Что не всем по карману.

Схема устройства

ТА представляет собой цилиндрическую емкость или прямоугольной формы, изготовленную из металла. Размеры определяет требуемый объем, полученный в результате расчетов, приведенных ранее. Толщина стенки 2-3 мм.

Лист раскраивается при помощи плазмореза, болгарки, гильотины или сварочного аппарата. Сшивается он также при помощи сварки. Максимальное качество шва обеспечивает газовая сварка, но и инверторной можно получить желаемый результат. В любом случаи качество сварных швов необходимо будет проверить под давлением до 4 атмосфер. Торцевые стенки цилиндра закрываются плоскими металлическими кругами той же толщины.

Сталь или нержавка

Сегодня на рынке можно приобрести такие емкости как с черной стали так и с нержавеющей. Производители же утверждают что стоит брать только последний вариант так как он не подвержен коррозии, но и стоит в 2-2.5 раза дороже. Что же выбрать? На самом деле, есть нет денег на нержавку смело берите черный металл. Толщины 3 мм хватит на многие годы, так как эта емкость постоянно заполнена водой, содержащегося в ней кислорода недостаточно для образования коррозии.

Единственная проблема, это когда сливается вода, определенное время внутри сохраняется сырость. Но, запаса толщины металла достаточно чтобы это не было проблемой. Из моей практики: теплоаккумуляторы эксплуатируются уже около 10 лет, никаких проблем с коррозией при ревизии не обнаруживалось.

В качестве теплообменника выступает изогнутая гладкая или гофрированная труба. Покупка магниевого анода избавит от опасности быстрого покрытия конструкции коррозией.

Пример чертежа

Необходимо заблаговременно изготовить чертеж и отметить входное и выходное отверстия для врезки теплообменника и еще два подключения к главному контуру. Входное сверху, выходное внизу. В стенки врезаются штуцеры. Дополнительных два отверстия с патрубками нужно сделать в днище и верхней крышке. Одно для слива теплоносителя, второе для воздухоотводчика (избавит от переизбытка давления внутри бака).

Чтобы емкость, особенно если форма не цилиндрическая, после заполнения не раздуло, по периметру, на расстоянии 320-380 мм друг от друга устанавливаются ребра жесткости (снаружи бака). Их изготавливают из металлической полосы толщиной 3 мм. Внутри каждое кольцо стягивается двумя диаметральными усилителями стенок, перпендикулярными друг другу. То же самое делают с торцевыми стенками (усилитель соединяет центры окружностей).

Вся конструкция сваривается. Для установки потребуются опоры. Они будут прилажены к днищу. В этих местах снаружи бака прилаживают дополнительные ребра жесткости из такой же полосы, чтобы под массой ТА днище не деформировалось. На штуцеры нарезается резьба (если соединение с трубами планируется выполнить при помощи муфт). Это можно сделать до их установки на ТА.

Как альтернативу применяют сварное соединение контура. Это неудобно с точки зрения обслуживания. В случае выхода ТА из строя придется резать трубы. Муфту можно раскрутить, а после ремонта смонтировать все заново. Если в качестве змеевика используют сплавы цветных металлов, понадобится аргоновая сварка.

Когда система предполагает использование нескольких спиралей теплообменника, их устанавливают одна внутри другой. То есть диаметр первой меньше диаметра второй. Возможна конструкция с расположением друг над другом, если такое позволяет высота потолков в помещении.

Материалом для бака может служить углеродистая сталь с антикоррозийным покрытием, нанесенным гальваническим методом. Это дешевле, нежели сделать бак из нержавейки. Но последняя прослужит дольше. Единственное уязвимое место – сварочные швы. Их лучше обработать. Естественно, сварочный аппарат должен иметь возможность варить нержавеющую сталь.

В качестве дополнительного оборудования можно врезать электрический ТЭН. Включая его вы сократите время запуска и прогрева системы. Контрольно-измерительные приборы тоже не будут лишними (термометр, контроллер уровня теплоносителя и т.д.). В качестве устройств, обеспечивающих безопасность работы теплоаккумулятора, применяют предохранительный выпускной воздушный клапан. Такая система надежна, долговечна и неприхотлива.

Изготовление змеевика

Для изготовления этого элемента используется медная трубка 20-30 мм диаметром. Форма должна быть цилиндрическая, поскольку всегда являются слабым местом в системах с постоянно циркулирующей водой.

Что бы сделать такую спиральную конструкцию можно использовать простейшее приспособление в виде деревянно-фанерного каркаса, на который наматывается трубка.

С обеих краев трубки нужно приварить или припаять штуцеры с резьбой для дальнейшего подключения их в систему. Для спайки лучше всего использовать мягкий припой.

Проверка герметичности

Теперь необходимо проверить нашу конструкцию на протекание, причем сделать это необходимо под давлением. Во первых система отопления работает в пределах 0.8-3.5 атмосферы, во вторых давление может скакать достаточно резко при быстром прогреве системы и на это необходимо сделать определенный напуск. давления 4 Бар будет достаточно.

Наполняем резервуар водой максимально как только позволяет конструкция. Далее можно применить компрессор или даже автомобильный насос и накачать им необходимое давление. Подсоединить его можно через одно из технологических отверстий, о которых я писал выше.

Оставить в таком состоянии емкость на некоторое время и проверить не проявляется ли вода или сырость на швах.Если такая проблема возникла ее необходимо исправлять.

Как сделать теплоаккумулятор для твердотопливного котла из бочки

Предварительно необходимо рассчитать объем требуемой ёмкости и сделать чертёж. На чертеже нужно изобразить стандартную бочку, в которую входит два трубопровода. Один из них транспортирует теплоноситель от теплообменника котла, а второй переправляет горячую воду к радиаторам отопления. Остаётся лишь посчитать габариты бочки, точнее, её объём. Зная объём, легко определить диаметр и высоту по справочным данным.

Если вам необходимо вычислить объём ёмкости, зная высоту и один из следующих параметров: радиус, диаметр или площадь основания, то удобнее всего воспользоваться калькулятором, производящим расчёт в режиме онлайн.

Начнём расчёт. Предположим, наш тепловой генератор на твёрдом топливе полностью бездействует ночью на протяжении 4 часов (после остывания), а площадь нашего небольшого дачного дома 30 кв. м. Следовательно, бочка должна отдавать в час примерно одну десятую площади — 3 кВт. Итого, 12 кВт за ночь. При этом разницу температур бочки и отопления примем максимум 40 градусов (скажем, если в ёмкости вода нагрета до 90, то в радиаторах — хотя бы до 50).

Согласно школьному курсу физики, m=Q/Ct, где

Q — вся тепловая энергия, у нас это 12 кВт,
С — удельная теплоёмкость агента, то есть воды, равная 0,0012 кВт/кг х гр. Цельсия,
t — разница температур.

Получаем по этой формуле: m = 12/0,0012х40 = 250 кг. Таким образом, можно принять объем воды равный 250 литров. Выходит, в качестве теплоаккумулятора для твердотопливного котла при заданных условиях нам подойдёт металлическая бочка на 250 литров. Примерные размеры такой бочки — 600х900 мм. То есть диаметр равен 0,6 м., а высота (длина) — 0,9 м.

Что нужно взять

Для процесса изготовления нашего теплоаккумулятора необходимо заготовить следующие материалы и инструменты.

Обычная металлическая бочка, её можно купить в магазине,
сварочный аппарат с маской и электродами,
электроинструмент типа «болгарки» и диски шлифовальные и отрезные, дрель и свёрла, коронка по металлу.
два стандартных стальных патрубка для отопления, каждый с резьбой на конце, обычно на 3/4 дюйма,
минвата.

Начать процедуру лучше при участии помощника. Кроме того, должен быть уже готов чертёж.

Чертёж теплоаккумулятора

Пошаговое изготовление своими руками

Предварительно бочку тщательно зачищают изнутри. Это нужно для исключения постоянного загрязнения теплоносителя ржавчиной и окалиной. Зачистку можно сделать с помощью болгарки и шлифовальных кругов.
Зачищенные изнутри бочки
Далее, необходимо просверлить два отверстия — входное и выходное, под диаметр патрубков подачи. Для этого сначала применяют дрель со сверлом по металлу, а затем лучше использовать коронку.
Далее, внутрь полученных отверстий тщательно вваривают патрубки для входа и выхода теплоносителя, то есть, прогретой воды. На этих патрубках должна быть нарезана резьба на концах, которые не приваривают. Позже посредством этой резьбы будут прикручиваться шаровые краны для врезки в общую систему отопления.
После этого очень добросовестно приваривают верхнюю крышку. Все сварные швы должны получиться герметичными во избежание протечек.
Наконец, утепляют теплоаккумулятор снаружи минватой, для этого оборачивают бочку пластами минваты, после чего тщательно стягивают эти пласты, обернувшие бочку, кольцами из металлической крепёжной ленты.
Нам остаётся вмонтировать узел в систему посредством шаровых кранов. Теплоаккумулятор должен располагаться сразу после котла, причём по уровню — выше радиаторов, чтобы тепловой агент хорошо их пополнял из нашей ёмкости.

Это важно знать! Нельзя использовать пластиковую бочку. Она не способна выдержать рабочую температуру теплового агента, достигающую 90 градусов Цельсия. Стенки такой бочки во время работы в системе просто начнут плавиться. Исключение могут составить пластиковые ёмкости, на которых указана производителем максимальная температура содержимого выше 90 градусов. Но в этом случае ещё нужно решить, как приделать патрубки.

Ещё несколько замечаний

Вот мы и сделали простой теплоаккумулятор для небольшой системы отопления. Как итог — ещё несколько важных замечаний. Для нашего примера необходимый объём бочки получился 250 литров. Однако когда дом большой, может понадобиться накопитель гораздо большего размера. В таком случае лучше будет сварить кубический короб. К тому же, его легче утеплить специальными материалами.

Некоторые умельцы используют для такого варианта стандартный, так называемый европейский, куб объёмом 1000 литров. Он продаётся во многих магазинах. Но здесь нужно помнить, что он пластиковый. Как правило, максимальная температура воды, которую выдерживает «еврокуб», равна 70 градусам по Цельсию, если в маркировке не указано иное. Так что использовать данную ёмкость в системе отопления просто опасно.

И ещё об утеплителе. Пенопласт — это идеальный вариант для кубического короба из металла. Дело в том, что данный утеплитель легко клеить к стенкам. Минвата больше подойдёт для обычной бочки, но нужно будет придумывать, как её закреплять, ведь описанный нами метод с металлическими кольцами не обязателен к применению.

Бюджетный аккумулирующий бак из баллонов

Тем домовладельцам, у кого площадь котельной сильно ограничена, мы предлагаем сделать цилиндрический теплоаккумулятор из баллонов от пропана.

Самодельный накопитель тепла в паре с ТТ-котлом

Конструкция на 100 л, разработанная другим нашим мастером — экспертом Виталием Дашко, призвана выполнять 3 функции:

разгружать твердотопливный котел при перегреве, воспринимая излишки теплоты;
нагревать воду для хозяйственных нужд;
обеспечивать обогрев дома в течение 1—2 часов в случае затухания ТТ-котла.

Примечание. Длительность автономной работы теплоаккумулятора невелика из-за малого объема. Зато он поместится в любое помещение топочной и сможет отводить тепло от котла после отключения электричества, поскольку присоединен напрямую, без насоса.

Так выглядит без облицовки резервуар, сделанный из баллонов

Для сборки накопительного бака вам потребуется:

2 стандартных баллона из-под пропана;
не менее 10 м медной трубки Ø12 мм либо нержавеющей гофры такого же диаметра;
штуцеры и гильзы для термометров;
утеплитель – базальтовая вата;
крашеный металл для обшивки.

От баллонов нужно открутить вентили и отрезать крышки болгаркой, наполнив их водой во избежание взрыва остатков газа. Медную трубку аккуратно изгибаем в змеевик вокруг другой трубы подходящего диаметра. Дальше действуем так:

Пользуясь представленным чертежом, просверлите отверстия в будущем теплоаккумуляторе под патрубки и гильзы для термометров.
Закрепите сваркой внутри баллонов несколько металлических скоб для монтажа теплообменника ГВС.
Поставьте баллоны один на другой и сварите между собой.
Установите внутрь получившегося бака змеевик, выпустив концы трубки через отверстия. Для уплотнения этих мест используйте сальниковую набивку.
Приделайте дно и крышку.
В крышку врежьте штуцер для сброса воздуха, в дно – патрубок сливного крана.
Приварите кронштейны для крепления обшивки. Сделайте их разной длины, чтобы готовое изделие имело прямоугольную форму. Сгибать облицовку полукругом будет неудобно, да и выйдет не эстетично.
Сделайте утепление резервуара и прикрутите обшивку саморезами.

Стыковка бака с ТТ-котлом без циркуляционного насоса

Особенность конструкции данного теплоаккумулятора заключается в том, что он соединяется с твердотопливным котлом напрямую, без циркуляционного насоса. Поэтому для стыковки применяются стальные трубы Ø50 мм, проложенные с уклоном, теплоноситель циркулирует самотеком. Для подачи воды к радиаторам отопления после буферной емкости устанавливается насос + трехходовой смесительный клапан.

Модернизация теплоаккумулятора

Ранее была описана классическая конструкция теплоаккумулятора, однако есть несколько элементарных хитростей, с помощью которых можно сделать работу данного устройства более эффективной и экономичной:

Снизу можно разместить еще один теплообменник, функционирование которого будет базироваться на использование солнечных коллекторов . Этот вариант подойдет для пользователей, которые предпочитают экологически чистую энергию;
Если система отопления обладает несколькими контурами работы, то лучше всего разделить бочку внутри на несколько секций. Это позволит в дальнейшем сохранять температуру на весьма приемлемом уровне в течение максимально долгого времени;
Если позволяют финансовые средства, то в качестве утеплителя можно взять пенополиуретан. Этот материал стоит намного дороже, однако он удерживает тепло значительно лучше. Вода будет сохранять температуру в течение очень долгого времени;
Можно установить сразу несколько патрубков, которые позволят сделать систему отопления более сложной, оборудовать ее сразу несколькими контурами;
Разрешается установить дополнительный теплообменник вместе с основным. Вода, разогревающаяся в нем, будет использоваться для разного рода бытовых нужд – это достаточно удобно.

Как подключить

На начальном этапе следует установить котел согласно схеме. На трубу, которая будет идти к накопителю, нужно будет поставить специальную группу безопасности и трехходовой клапан, чтобы не допустить возникновения конденсата. В дальнейшем к системе следует подключить теплоаккумулятор, а к трубе, выходящей из него, нужно будет присоединить трехходовой смесительный кран.

Теплоаккумулятор не обойдется без установки циркуляционного насоса, который должен быть оснащен релейным термостатом с погружной гильзой. Также следует устанавливать два обратных клапана.

Заключение

На многих интернет-ресурсах встречается утверждение, что изготовить теплоаккумулятор своими руками – плевое дело. Если вы изучите наш материал, то поймете, что подобные высказывания далеки от реальности, на самом деле вопрос довольно сложный и серьезный. Нельзя просто взять бочку и приладить ее к твердотопливному котлу. Отсюда совет: хорошенько продумайте все нюансы, прежде чем приступать к работе. А без квалификации сварщика за буферную емкость не стоит и браться, лучше ее заказать в специализированной мастерской.

Видео: полезная информация об агрегате

Источники

https://otivent.com/teploakkumuljator-svoimi-rukami
https://otopleniehouse.ru/teploakkumulyator-dlya-otopleniya/
https://vremya-stroiki.net/teploakkumulyator-dlya-kotlov-otopleniya-princip-raboty/
https://aqua-rmnt.com/otoplenie/samodelnyj-teploakkumulyator.html
https://housetronic.ru/otoplenie/element/teploakkumuliator.html

Гравий в качестве аккумулятора солнечного тепла . / ППУ XXI ВЕК – Напыление ППУ

Обычно в качестве аккумулятора солнечного тепла используют воду. Однако теплоаккумулирующими материалами могут служить гравий, щебень, кирпич, бетон и другие материалы. Обычно гравий в качестве теплоаккумулятора используют в солнечных отопительных системах с воздушными солнечными коллекторами.

Такие теплоаккумуляторы широко применяются в США в системах, в которых комбинируют несколько методов аккумулирования тепла.

Для аккумулирования одинакового количества теплоты гравий потребует в 2,5 раза большего объема, поэтому основным недостатком гравийного теплоаккумулятора являются лишь его большие размеры, а достоинством — возможность размещения непосредственно под полом помещения.

Если рационально использовать подпольное пространство, то можно найти достаточно места для размещения гравийного теплоаккумулятора и обеспечить эффективный обогрев помещения через пол. В этом случае может возникать значительное сопротивление воздушному потоку, поэтому необходимо в каждом конкретном случае использовать какое-либо устройство, обеспечивающее равномерную циркуляцию воздуха.

Рис. 1. Общий вид гравийного теплоаккумулятора:

1 — крышка; 2 — бункер; 3 — бетонный блок; 3 — теплоизоляция; 4 — сетка; 5 - гравий (галька).

Обычно сопротивление воздушному потоку в гравийном теплоаккумуляторе определяется расчетным путем. Чтобы в солнечном доме, имеющем под полом слой гравия толщиной 30 см, аккумулировать 200 МДж тепла и удерживать это тепло при температуре 20°C. необходима площадь пола не более 20 м².

Этого тепла будет достаточно для отопления помещений 1-го этажа: гостиной, столовой и спальни. Диаметр используемых частиц гравия (гальки) обычно 4…8 см.

Если бы удалось подобрать частицы гравия одного диаметра, то независимо от их размера получаемый тепловой эффект был бы на 50% больше и не было бы помех при циркуляции воздуха. Нельзя смешивать мелкий и крупный гравий.

Гравийные аккумуляторы могут использоваться и летом в системе кондиционирования. Однако при этом существует опасность заиндевения гравия. Если к расположенному под полом гравийному теплоаккумулятору подвести систему труб с циркулирующей водой и устроить простейший бак-накопитель горячей воды, то зимой, когда наблюдается максимальное потребление горячей воды, эта система может служить для предварительного подогрева воды в системе солнечного горячего водоснабжения.

Монтаж таких устройств позволяет повысить суммарный коэффициент использования солнечного излучения в системах солнечного горячего водоснабжения и сократить размеры солнечного теплоаккумуляторов.

Простой метод проектирования систем хранения тепловой энергии — Campos ‐ Celador — 2020 — Хранение энергии

1 ВВЕДЕНИЕ

Прерывистость — это ключевая особенность интеграции большинства возобновляемых и высокоэффективных технологий для удовлетворения энергетических потребностей нашего общества 1, особенно с учетом экологических проблем, с которыми мы сталкиваемся в настоящее время. В случае систем тепловой энергии эта перемежаемость возникает из-за расхождения в количестве энергии и временном распределении доступности ресурсов и тепловых потребностей, например, отопления помещений и / или потребности в горячей воде для бытовых нужд.Таким образом, доступность солнечной энергии в солнечных тепловых системах обычно не соответствует тем периодам, когда возникают тепловые потребности, в то время как когенерационные системы представляют рабочие стратегии, которые обычно не соответствуют тепловым требованиям. В этих случаях накопление тепловой энергии (TES) имеет важное значение для эффективной работы таких технологий, поскольку позволяет сочетать предложение и спрос на энергию2, 3 и 4

В настоящее время доступно несколько технологий TES, которые обычно классифицируются с учетом физических механизмов, участвующих в процессе аккумулирования тепла, то есть явной теплоты, скрытой теплоты и термохимических TES.5 Явная теплота TES (SHTES) основана на накоплении или высвобождении энергии, которое происходит, когда определенное вещество меняет свою температуру при одной и той же начальной и конечной химической структуре. Это наиболее традиционный метод TES, который заключается в нагревании или охлаждении определенного количества материала, обычно воды. Накопленная таким образом энергия прямо пропорциональна массе носителя, его теплоемкости и изменению температуры во время процесса хранения. Практические примеры — системы хранения горячей воды и твердые системы хранения, такие как гранит, керамика и т. Д.У разумных систем TES есть два недостатка: типичные низкие значения теплоемкости материалов и тот факт, что необходимо иметь заметные изменения температуры системы, чтобы получить достаточную теплоемкость. Скрытая теплота TES, или LHTES, основана на разнице внутренней энергии, связанной с каждым из состояний в процессе фазового перехода. Наиболее подходящим фазовым переходом для накопления энергии в бытовых применениях является переход от твердой фазы к жидкой (плавление и затвердевание) из-за относительно высокой скрытой теплоты и малых изменений объема.Материалы, используемые для скрытого TES, обычно известны как материалы с фазовым переходом (PCM). Наконец, термохимический TES или TCTES накапливает энергию посредством эндотермических химических реакций, эта энергия может быть восстановлена в любое время, включив обратную экзотермическую реакцию. Это позволяет использовать широкий диапазон температур и увеличить плотность накопленной энергии. Однако из-за низкой скорости процессов теплообмена и сложности поиска подходящих химических реакций для его широкого использования; эта технология все еще находится в стадии разработки.

Учитывая характер физического контакта между жидким теплоносителем (HTF) и средой хранения, системы TES делятся на TES с прямым и непрямым контактом.6 Таким образом, системы TES с прямым контактом — это те, в которых HTF находится на в то же время носитель информации, то есть тот, который выполняет эффект накопления тепла. Этот тип систем TES обычно соответствует системам SHTES, использующим жидкость в качестве HTF, обычно воду, что является принципом работы резервуаров TES для горячей воды.С другой стороны, в системах TES с непрямым контактом HTF и накопительный материал являются разными средами; они могут быть отделены друг от друга контейнером или, альтернативно, могут находиться в прямом контакте с HTF. Это обычно имеет место с системами LHTES и TCTES, но также и с SHTES, если носитель данных находится на другой стадии, чем HTF. Работа системы TES с прямым и непрямым контактом заметно различается, в частности, в части теплообмена во время процесса зарядки и разрядки.В то время как в системах TES с прямым контактом теплообмен в основном зависит от массы HTF, протекающей через него, в системах TES с непрямым контактом процесс зависит от скорости теплопередачи через стенки контейнера. Это не только зависит от механизмов теплопередачи, но и сильно меняется во времени.

Учитывая широкий спектр тепловых приложений, подходящих для интеграции TES, и спектр доступных технологий TES, важно разработать методы, позволяющие получить конструкции TES, отвечающие потребностям этих тепловых приложений.В этом контексте в литературе можно найти два основных подхода: (а) сосредоточены на простой оптимизации тепловых характеристик ТЭС и (б) на основе оптимизации конструкции ТЭС и ее работы для максимизации эффективности установки, где он интегрирован.

Что касается первой группы, Pirasaci et al. Представили простую модель конструкции аккумуляторов скрытой теплоты, а количество капсул было минимизировано для повышения эффективности системы TES.7 Аналогичным образом, Денг и др. Оценили характеристики плавления для горизонтальной установки LHTES с различным расположением ребер, рекомендуя конкретное расположение ребер для максимального плавления.8 В соответствии с этим, Рауль и др. Коррелировали характеристики теплопередачи одной капсулы PCM и хранилища Это привело к максимальной эффективности 75,69% при минимальной температуре HTF на выходе9, а Курния и др. повысили эффективность теплопередачи системы LHTES за счет размещения нескольких PCM.10 Метин и др. Анализируют влияние температуры и скорости на входе HTF и материала капсулы на производительность блока TES со скрытой теплотой.11

С другой стороны, исследования из второй группы обычно основываются на методах оптимизации, которые минимизируют один или несколько рабочих параметров анализируемой установки. Таким образом, Хюбнер и др. Определили с помощью параметрического моделирования оптимальную геометрию поперечного сечения для системы LHTES с оребрением, интегрированной с паровой турбиной.12 Другие использовали потенциал более сложных инструментов оптимизации, например Линь и др., Который использовал генетический алгоритм для оптимизации конструкции и работы системы LHTES в солнечно-воздушной системе13, и Оро и др., Которые использовали TRNSYS и GenOpt для оптимизации система TES, интегрированная в центр обработки данных14. Юксель и др., оценивая производительность системы генерации нескольких поколений на основе солнечной башни, определяют те факторы, которые максимизируют выгоды от интеграции системы TES.15 Хотя эти подходы учитывают общую производительность приложения, они требуют глубоких знаний о процессе и полагаются на сложное моделирование, которое требует много времени.

Пытаясь заполнить пробел между двумя подходами, в этой статье представлен общий упрощенный метод проектирования для разумных и скрытых систем TES, адаптирующий тепловые характеристики системы к потребностям теплового применения. Основная цель состоит в том, чтобы разработать набор методов, который направляет, от определения технологии TES и требований и ограничений для тепловой установки, к определению геометрии конкретной системы TES. Этот метод основан на наборе шагов, которые связывают эксплуатационные и технологические ограничения для определения конструкции.Охватываются системы TES с прямым и непрямым контактом, что позволяет применять метод к любой ощутимой или скрытой технологии TES. Теплопередача через контейнер в случае систем TES с непрямым контактом включается путем определения конструкции системы с учетом времени зарядки или разрядки, доступного для процесса. Обычно это включается в определение числа Фурье процесса зарядки / разрядки как функции геометрии системы, как это было представлено авторами в предыдущей работе.16 Число Фурье — безразмерное число, характеризующее теплопроводность в переходных условиях. Это обычно называется безразмерным временем и дает информацию о времени, необходимом для выполнения процесса, зарядки или разрядки в случае систем TES. Что касается его безразмерного характера, его можно использовать для калибровки, поскольку он не зависит от масштаба системы TES. Этот метод применяется при проектировании как резервуара для горячей воды, так и пластинчатой системы LHTES, чтобы уравновесить излишек тепла и потребность в применении микрокогенерации в жилых помещениях.Представленная методология требует в качестве входных данных двух температур (высокого и низкого уровня температуры), так как системы TCTES требуют более двух температур для определения своей производительности, представленная здесь методология должна быть изменена, чтобы быть пригодной для такого типа систем.

Насколько известно авторам, ни одно другое исследование в литературе не предлагает такой простой в применении метод проектирования, который можно было бы использовать в качестве практического правила для проектирования систем TES на начальных этапах проекта. .Это, несомненно, сокращает время проектирования, устанавливая первое приближение проекта, которое в последнее время можно было оптимизировать с помощью любого из двух подходов, представленных в обзоре литературы.

Остальная часть статьи состоит из трех разделов, а именно: Раздел 2 представляет методологию, охватывающую рассмотрение систем TES как с прямым, так и с косвенным контактом. Эта методология полностью применима к тематическому исследованию, состоящему из жилой микрокогенерационной установки.Рассмотрены две системы TES, номинально резервуар для хранения горячей воды (TES прямого контакта) и пластинчатый LHTES (TES непрямого контакта), что позволяет разработать требуемую конструкцию для каждой из них. Наконец, основной вклад в эту статью и будущие исследования суммирован в Разделе 4.

2 МЕТОДОЛОГИЯ

Предлагаемая методология проектирования TES заключается в связывании потребностей в хранении для конкретного приложения, страдающего прерывистостью, с тепловыми характеристиками конкретной системы TES, чтобы получить проект TES, отвечающий таким потребностям.Для этого процесс проектирования разделен на четыре этапа:

Шаг 1. Характеристика термического процесса.
Шаг 2. Технические характеристики TES.
Шаг 3. Характеристика технологии TES.
Шаг 4. Определение конструкции ТЭС.

Эти шаги взаимосвязаны, чтобы получить проект TES из основных входных данных проектировщика, как графически изображено на Рисунке 1.Эти шаги описаны в следующих подразделах, что позволяет применять метод к любому тепловому приложению и технологии TES.

Схема, представляющая методологию проектирования систем хранения тепловой энергии (TES)

2.1 Шаг 1: Характеристика процесса

Тепловые процессы управляют рядом возобновляемых и невозобновляемых ресурсов: преобразовывая, транспортируя и распределяя их для удовлетворения определенных потребностей.Несколько тепловых процессов могут быть подходящими для интеграции систем TES для уменьшения использования невозобновляемой первичной энергии, в основном за счет привязки по времени производства тепла и спроса. В любой момент количество энергии, как произведенной, так и потребляемой, характеризуется верхней и нижней рабочей температурой и массовым расходом HTF.

Несмотря на то, что эти переменные меняются со временем, как правило, во многих случаях некоторые номинальные проектные параметры представляют собой нормальную работу процесса, в то время как мгновенные значения представляют собой колебания вокруг этих номинальных переменных.Исходя из этого предположения, эти номинальные параметры, то есть номинальная верхняя температура ( T _до), номинальная нижняя температура ( T _low) и номинальный массовый расход () характеризуют любое исследуемое приложение. Эти три параметра вместе с теплофизическими свойствами HTF будут ограничивать технологию TES и, следовательно, являются важными исходными данными для методологии проектирования TES.

2.2 Шаг 2: Технические характеристики системы TES

Из анализа доступности ресурсов и кривых тепловой нагрузки теплового процесса можно выделить некоторые важные проектные параметры для системы TES.Ожидается, что кривые доступности ресурсов и теплового спроса меняются от сезона к сезону или даже изо дня в день. Для целей проектирования необходима одна пара кривых доступности ресурсов и тепловой нагрузки. Это могут быть те номинальные условия, которые представляют собой среднее поведение процесса, или, альтернативно, пиковые условия, которые представляют наиболее сложные условия для системы TES. Выбор этой пары кривых зависит от цели, которую преследует разработчик, интегрируя TES, и это предположение следует тщательно использовать для расчета потенциальных выгод от интеграции TES.

Чтобы проиллюстрировать это, на рисунке 2 изображена общая пара кривых доступности и спроса на ресурсы. Хотя обычно эти кривые не имеют прямоугольной формы, рекомендуется дискретизировать их таким образом с помощью постоянной тепловой мощности, которая представляет такое же количество тепловой энергии. Учитывая, что тепловые потери в суточных циклах низкие, они не учитываются при проектировании; тем не менее, они могут быть включены с применением коэффициента к потребностям сброса.

Пример кривых доступности ресурсов и спроса

Три конструктивных параметра или спецификации для системы TES: доступность времени для зарядки или время зарядки ( t ^c), доступность времени для времени разрядки или разрядки ( t ^d) и емкость памяти (Cap). В примере на Рисунке 2 можно заметить, что есть 8 часов для выполнения процесса зарядки, 5 часов для разряда и максимальное количество сохраняемой энергии будет 350 кВтч (70 кВт в течение 5 часов).Эти спецификации неявно содержат желаемую мощность зарядки или разрядки, которую можно получить, соотнося энергоемкость со временем доступности, в результате чего, в примере, 43,75 кВт для зарядки (время хранения составляет 8 часов на Рисунке 2) и 70 кВт для разрядки. По нему определяется процесс ограничения, то есть мощность разряда 70 кВт обеспечивает 43,75 кВт, необходимые для зарядки. Из рисунка 2 видно, что с 13:00 до 16:00 потребность полностью удовлетворяется за счет ресурса, но в любом случае мощности достаточно для поддержания мощности хранилища.Кроме того, следует учитывать, что некоторые технологии TES обеспечивают очень разные скорости обмена энергией для зарядки и разрядки, как это имеет место в некоторых конструкциях LHTES.

Помимо вышеупомянутого проектного параметра, некоторые связанные параметры, связанные с интеграцией TES в термический процесс, должны рассматриваться как объем ( В, , _{, макс.}) или ограничения по площади ( A, _{, макс.}). Эти ограничения на доступность места ограничивают возможности хранения.

2.3 Шаг 3: Характеристика технологии TES

Каждая технология TES представляет собой определенное поведение, которое следует должным образом охарактеризовать, чтобы получить проект, соответствующий спецификации, полученной на этапе 2, при ограничениях, наложенных на этапе 1: емкость накопителя и мощность зарядки / разрядки. В связи с этим и в соответствии с классификацией, представленной в разделе 1, технологии TES делятся на два семейства: TES прямого контакта, где HTF одновременно является носителем информации, или TES непрямого контакта, где HTF и носитель данных обмениваются теплом. через емкость или теплообменник.Каждое из этих двух семейств представляет собой определенный процесс теплообмена, который следует рассматривать отдельно.

2.3.1 Системы прямого контакта TES

TES прямого контакта, как правило, исключает технологии SHTES, где HTF, в то же время, является материалом, который выполняет эффект накопления. Наиболее распространенным примером этого типа являются резервуары для горячей воды, в которых HTF содержится внутри, и посредством стратификации горячая вода остается несмешанной с холодной водой.В данном случае емкость хранения — это тепловая емкость объема воды в резервуаре. При работе между верхней и нижней номинальной температурой емкость хранения определяется объемом резервуара, который, поскольку эти резервуары имеют цилиндрическую форму, означает сочетание радиуса и высоты; пытаясь максимизировать последнее в пользу стратификации. (1) Поскольку HTF и носитель одинаковы, время зарядки и разрядки совпадает со временем, необходимым для заполнения или опорожнения объема резервуара.Однако это время обычно следует умножать на поправочный коэффициент ( f _нс ≥ 1), чтобы включить эффекты смешивания, которые не позволяют поддерживать номинальную температуру, T _вверх и T _low на протяжении всего процесса. (2)

Время зарядки и разрядки можно преобразовать в мощность зарядки и разрядки, разделив на них емкость TES.

2.3.2 Системы непрямого контакта TES

Технологии непрямого контакта TES представляют собой контейнер или теплообменник, разделяющий HTF и среду хранения. Явные, скрытые и термохимические ТЭС являются кандидатами на использование непрямых ТЭС, и их основная характеристика заключается в том, что, в отличие от ТЭС с прямым контактом, теплопередача основана не на массообмене между HTF и средой хранения, а, вместо этого, на механизмах теплопередачи между ними. . Следовательно, геометрия и теплофизические свойства задействованных компонентов определяют скорость теплопередачи во время процессов зарядки и разрядки.

Емкость TES косвенной технологии TES может быть в целом определена эффективной энтальпией для носителя данных плюс, если необходимо, дополнительным термином, включающим ощутимый эффект TES остальных компонентов, участвующих в процессе теплопередачи: (3) где м, — масса, — среднее изменение энтальпии, c, — удельная теплоемкость, а T — рабочие температуры. Время, необходимое для хранения или выделения этого количества тепла, строго зависит от конструкции и обычно определяется теоретическими моделями или экспериментальными испытаниями.Впоследствии они могут быть сформулированы в зависимости от различных условий эксплуатации или конструктивных характеристик. (4) (5)

Как теоретически, так и экспериментально, количество оценок, необходимых для полной характеристики любой технологии непрямого TES в зависимости от конструкции и рабочих параметров, обычно невозможно. В ответ на это в литературе есть несколько подходов, которые преодолевают эту проблему, предлагая безразмерный подход к рассматриваемой проблеме, который вводит безразмерное время, число Фурье.Учитывая завершенный процесс зарядки или разрядки, Фурье можно представить как функцию нескольких безразмерных чисел. В частности, считается, что число Фурье, соответствующее завершенному процессу, считается завершенным, когда, например, было передано 95% тепла. Число Фурье обычно зависит от теплофизических параметров системы и условий эксплуатации, то есть числа Стефана, числа Био и нескольких безразмерных температур. В соответствии с этим несколько авторов представили корреляции для оценки заряда и разряда Фурье, как это можно найти в ссылках 17-21.

2.4 Шаг 4: Определение конструкции ТЭС

После определения требований и спецификаций как TES, так и термического процесса, можно получить конкретную конструкцию TES, необходимую для их удовлетворения. Для верхней и нижней температуры, а также теплофизических свойств носителя информации, количество материала, необходимое для достижения определенной теплоемкости, может быть получено из уравнения (1) или (3).

Что касается TES прямого контакта, полученное таким образом количество носителя информации будет содержаться в резервуаре.Тепловая мощность, которая может сохраняться или выделяться системой STES, зависит от массового расхода теплоносителя, протекающего через нее, который можно регулировать, воздействуя на этот массовый расход. Таким образом, тепловая мощность в некотором роде связана с производительностью насоса; хотя потенциальная отрицательная обратная связь может возникнуть из-за поправочного коэффициента без расслоения ( f _нс), поскольку более высокие скорости потока обычно действуют против эффекта расслоения, уменьшая значение f _нс.

В качестве альтернативы, в случае непрямых систем TES, контейнер играет двоякую роль: (а) содержит количество носителей информации и (б) действует как теплообменник между носителями данных и HTF. Следовательно, конструкция контейнерных систем непрямого TES тесно связана с тепловой мощностью в процессе хранения и выпуска, то есть с временем, необходимым для зарядки и разрядки. Основываясь на процессе ограничения, конкретная геометрия контейнера может быть получена для соответствия заданному времени (или мощности) зарядки по уравнению (4) или (5).

Ограничения на доступность площади или объема ( A _макс. или V _макс.) могут действовать, сокращая возможности для конструкций TES или, в некоторых случаях, оставляя некоторые из спецификаций TES неудовлетворенными, например, если требуется объем для носителя информации превышает В _макс. Это потребует обновления спецификаций TES, как показано стрелкой влево на Рисунке 1.

3 ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР

В этом разделе методология, представленная в Разделе 2, применяется к применению бытовой микрокогенерации с учетом как прямых, так и косвенных технологий TES, в частности, резервуара для хранения горячей воды (SHTES прямого контакта) и пластинчатой системы TES со скрытой теплотой. (непрямого контакта ЛГТЭС) соответственно.

3.1 Шаг 1: Характеристика процесса

Процесс состоит из внутренней микрокогенерационной системы, обеспечивающей тепловые потребности одного многоэтажного дома. Блок микрокогенерации имеет электрическую мощность 10 кВт и тепловую мощность 27 кВт _т. В установившемся режиме устройство нагревает охлаждающую воду (HTF) от 50 ° C ( T _low) до 65 ° C ( T _до) при номинальном массовом расходе 25.84 л / мин ().

Микро-ТЭЦ работает с полной нагрузкой, отдавая приоритет производству электроэнергии, чтобы максимизировать доходы от производства в период пикового спроса. Это подразумевает несоответствие между производством тепла и спросом на тепло, которое следует другой тенденции, чем электричество, что оправдывает интеграцию системы TES в процесс. Это несоответствие является частью технических характеристик системы TES, представленных в следующем подразделе.

3.2 Шаг 2: Технические характеристики системы TES

Как было обосновано ранее, контрольный день выбран для разработки системы TES. В этом случае он представляет собой типичный дневной профиль и представлен на рисунке 3. Как указано, выбор надлежащего контрольного дня имеет решающее значение для пригодности полученного проекта TES. Здесь снова не учитывались тепловые потери.

Справочные кривые доступности ресурсов и спроса для приложений микрокогенерации в домашних условиях

Потенциал хранения и выпуска отмечен серыми и черными линиями соответственно.Замечено, что часть потребности в тепле уходит из этого потенциала из-за низкой тепловой мощности в ночное время. Включение этого потенциала приведет к снижению потребности в мощности разряда, что может повлиять на более высокие потребности в тепле в вечернее время. Следует отметить, что здесь проектировщик играет ключевую роль, чтобы избежать эффектов, которые могут привести к избыточным мощностям, которые связаны с тем фактом, что средняя тепловая мощность учитывается для проектных целей, то есть Cap / t ^c или колпачок / т ^d.

Как показано на Рисунке 3, ограничивающим процессом является разрядка, требующая эффективной мощности 104 кВтч за период 7 часов ( t ^d), что приводит к средней мощности разрядки 14,9 кВт. Это требования, предъявляемые тепловым процессом, которому должна соответствовать система TES, учитывая, что ни область ( A, _макс.), ни ограничение объема ( V _макс) не накладываются на приложение.

3.3 Шаг 3: Характеристика технологии TES

Две рассматриваемые системы TES кратко описаны в этом разделе вместе с их тепловыми характеристиками, которые будут использоваться для окончательного проектирования TES.

3.3.1 TES с прямым контактом: Бак для горячей воды

Баки для горячей воды являются наиболее распространенным решением TES и широко используются в бытовых и промышленных тепловых процессах.Эти системы представляют собой пару впускных и выпускных соединений (если не больше), чтобы избежать смешивания во время процесса зарядки или разрядки и максимально поддерживать эффект расслоения. Вертикальные резервуары для горячей воды имеют более высокий уровень стратификации, и для этого используются специальные внутренние конструкции, такие как перегородки или специальные коллекторы, 22 что позволяет получить значения f _ns около 0,8.

В широком ассортименте представлены коммерческие резервуары для горячей воды цилиндрической формы объемом до 2000 л.Для более высокой емкости резервуары для горячей воды могут быть заказаны для строительства специальных, что обычно характерно для больших резервуаров для горячей воды, обычно используемых в качестве сезонных систем TES, которые имеют объемы в несколько тысяч кубических метров23. Для расчетов: 4.183 кДж / кг ° C и 997 кг / м ³ считались, соответственно, удельной теплоемкостью и плотностью. Непрямого контакта TES: Парафиновый теплообменник с плоской пластиной.

Ранее представленная плоская парафиновая система LHTES используется в качестве эталона для характеристики систем TES непрямого контакта.24, 25 Парафин RT60 от Rubitherm был выбран в качестве ПКМ, теплофизические свойства которого приведены в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1. Теплофизические свойства RT60 (ПКМ) и алюминия (тара)

Материал	ρ (кг / м ³)	к (Вт / м · К)	мкм (кг / м с)	Температура ликвидуса / солидуса (° C)	c (кДж / кг · К)	Энтальпия фазового перехода (кДж / кг)	(кДж / кг)
RT60	770 (80 ° С)	0.2	0,0285	59/51	2	137,71	167,71
Алюминий	2700	205	–	–	0.897	–	–

Сокращение: PCM, материал с фазовым переходом.

Система LHTES основана на алюминиевых пластинах, как показано на рисунке 4A.ПКМ заключен внутри полых пластин, которые должны быть полностью герметичными. Пластины расположены вверх, как показано на рисунке, и HTF течет параллельно наибольшим сторонам пластин ( yz плоскость на рисунке 4B), обмениваясь теплом с этой поверхностью пластины.

A, схематическое изображение системы аккумулирования скрытой тепловой энергии (LHTES), состоящей из 14 параллельно расположенных пластин.Справа изображена деталь одной пластины. B, эскиз, показывающий параллельные пластины, при этом половина пластины и половина канала теплоносителя (HTF) выделены желтым цветом

Параллельное расположение пластин с узкими каналами между пластинами образует каналы, через которые протекает HTF. Пластины можно собирать также в стопки, которые образуют систему LHTES. Эти стопки можно размещать последовательно и / или параллельно. Следовательно, нет необходимости использовать пластины большего размера, когда требуется большой объем хранения, а также нет необходимости обеспечивать большое количество последовательно соединенных пластин: несколько стопок могут быть размещены параллельно, штабелями или любой комбинацией того и другого.Оптимальное расстояние между пластинами в 2 мм было определено путем оптимизации перепада давления теплоносителя, протекающего по каналам24. Принимая во внимание эту типологию, конструкцию системы LHTES можно резюмировать путем выбора четырех конструктивных переменных: толщина пластины ( e _PCM), высота пластин ( Z ), количество пластин в серии ( n _s) и количество параллельно включенных пластин ( n _p).

Авторы разработали упрощенную корреляцию, подходящую для надежного расчета времени разрядки в зависимости от толщины пластины, свойств PCM и рабочих ограничений приложения.16 Таким образом, прямой расчет максимальной толщины пластины, способной обеспечить желаемый тепловой разряд при разрядке. мощность может быть выполнена. (6) где α — коэффициент диффузии материала, e _PCM — толщина носителя информации, Bi — число Био системы хранения, Ste — число Стефана проблемы фазового перехода и Ψ и Ψ _pc — это двумерная безразмерная температура, которая охватывает расчетные условия эксплуатации и интервал фазового перехода.Последние определяются следующим образом: (7) (8) где T _s и T _l — это, соответственно, температуры солидуса и ликвидуса, а T _HTF — температура на входе в HTF.

После того, как толщина листа ( e _pcm) получена из уравнения (6), необходимо определить высоту листа.Из-за одномерного характера проблемы теплопередачи через пластины высота пластин не была включена в качестве конструктивной переменной, поскольку предполагалось, что она не окажет значительного влияния на скорость разряда. Поскольку будут использоваться промышленные полые профили, для каждой толщины доступны только определенные значения высоты. Соответственно, чтобы минимизировать трудозатраты на изготовление, необходимо использовать максимальную доступную высоту для выбранной толщины листа. Для данного случая была выбрана максимальная высота имеющихся в продаже профилей, а именно: 120 мм ( Z ) при толщине алюминия 4 мм ( e _al).

Количество параллельно включенных пластин ( n _p) рассчитывается с учетом ограничения ламинарного режима, которое, согласно литературным данным, 26, как предполагается, представляет максимальное значение Re из 2300, что на в то же время ограничивает количество пластин3, как представлено уравнением (7). Однако следует избегать большого количества параллельно установленных пластин, так как это приведет к низкой скорости, что увеличивает риск застоя HTF.В этом исследовании в качестве конструктивного ограничения рассматривается максимальная ширина всей системы в 1 м. (9) где ρ _HTF — плотность HTF, — средний обмен энергией, μ _HTF, если динамическая вязкость, и h — коэффициент конвекции между HTF и носителем. Количество пластин в серии ( n _s) затем получается с учетом емкости хранилища ( Q ), которая является вводимой проектировщиком номинальной длиной системы ( l ).Емкость системы LHTES получается путем адаптации уравнения (3) к специфике системы LHTES на основе пластин. В этом расчете не учитывалось теплоемкость контейнера. Из этого выражения можно найти количество пластин в серии, что привело к конструкции LHTES. (10)

3.4 Шаг 4: Определение конструкции TES

В этом разделе представлены результирующие конструкции для системы ШТЭС прямого контакта и системы ЛГТЭС непрямого контакта.

3.4.1 Прямой контакт: бак с горячей водой

Применяя методологию проектирования для систем TES с прямым контактом и применяя конкретные характеристики резервуаров для горячей воды, определяется конкретный размер резервуара для горячей воды, необходимый для рассматриваемого приложения микрокогенерации. Таким образом, для выбранного примера требуется резервуар для горячей воды объемом 5,97 м ³, работающий при температуре от 50 ° C до 65 ° C. Поскольку коммерческие резервуары обычно имеют максимальный объем воды 2 м. ³, окончательная конструкция будет состоять из трех резервуаров такого размера.

3.4.2 Непрямой контакт: парафиновый теплообменник с плоской пластиной

Применяя методологию проектирования систем TES с непрямым контактом и применяя специфические характеристики системы LHTES на основе пластин, можно получить ее конкретный размер и конфигурацию. Его результирующие характеристики приведены в таблице 2, в результате чего общий объем составляет 2,96 м ³ (1125 × 988 × 2400 мм ³). Результирующий размер одного модуля представлен на Рисунке 5, где 18 из них будут подключены последовательно и собраны вместе, чтобы завершить всю систему LHTES.

ТАБЛИЦА 2. Результирующий дизайн пластинчатой системы ЛГТЭС

Толщина листа (мм)	Высота пластины (мм)	Длина плиты (мм)	Ширина канала (мм)	Последовательные тарелки	Параллельные пластины
53	120	1125	2	18	20

Сокращенное обозначение: ЛХТЭС, накопитель скрытой тепловой энергии.

Схематическое изображение одного из 18 модулей, которые соединены последовательно и образуют результирующую пластинчатую систему накопления скрытой тепловой энергии (LHTES)

4 ВЫВОДЫ

Системы

TES обычно разрабатываются в соответствии с процессом нейтральной максимизации, пытаясь показать наилучшую производительность, не обращая внимания на конкретный характер процесса, в который они будут интегрированы.Обычно это происходит с коммерческими продуктами, которые имеют фиксированные характеристики, но не работают, когда продукты являются модульными и должны быть специально разработаны для конкретных условий эксплуатации. В этих случаях характеристика процесса должна быть основным ограничением для получения простейшего проекта, отвечающего его фактическим потребностям в хранении с точки зрения емкости и мощности.

В этом контексте в этой статье представлен общий простой метод проектирования TES, подходящий для разумных и скрытых систем, представляющих прямой и косвенный контакт между HTF и носителем данных.Метод требует очень базовой информации об энергии и времени, которая определяет критический процесс и на ее основе определяет конкретную конструкцию, которая удовлетворяет этим требованиям. Это довольно просто в случае систем TES с прямым контактом, но требует большего количества промежуточных шагов при работе с системами TES с непрямым контактом. В то время как первый не имеет ограничения мощности, так как он напрямую связан со скоростью потока, протекающего через него, последний представляет мощность теплопередачи, регулируемую механизмами теплопередачи между HTF и носителем.Они зависят от времени, но обычно определяются парой средних значений мощности для зарядки и разрядки соответственно. Учитывая требования к емкости накопителя энергии, проблема приводит к тому, что для зарядки и разрядки требуется среднее время. Рекомендуется связать эти времена с конфигурацией TES, используя безразмерное время, то есть число Фурье. Текущий метод действителен только для разумных и скрытых систем TES, но он может быть изменен для охвата технологий TCTES.Это может означать включение температуры (ей) окружающей среды в качестве расчетных данных.

Предлагаемая методология была проиллюстрирована на примере системы когенерации. Две системы, TES с прямым и непрямым контактом, разработаны с учетом требований предприятия. Системы TES с прямым контактом состояли из системы хранения горячей воды, а система TES с непрямым контактом состояла из системы LHTES на основе пластин, ранее разработанной авторами.Как уже говорилось, определение Фурье как функции конфигурации системы LHTES было доступно в литературе, которая необходима для применения представленной здесь методологии.

Исходя из применения предложенной методики, три резервуара по 2 м ³ каждый (всего 6 м ³) необходимы для решения ШТЭС прямого контакта, а призматическая система 2,96 м ³ необходима для система непрямого контакта LHTES. Следует учитывать, что эту простую методологию следует использовать как практическое правило для определения отправных точек.Более подробный анализ, который учитывает динамическое поведение взаимодействия между приложением и системами TES, должен быть рассмотрен для оценки потенциала систем TES с более высокой степенью точности.

Методология обеспечивает быстрое проектирование любой разумной или скрытой системы TES на основе ограниченного набора входных данных о TES и характеристиках установки. Хотя сделано несколько предположений, полученную конфигурацию TES можно использовать в качестве отправной точки для дальнейшей оптимизации более сложными методами.В ближайшем будущем авторы изучают возможность адаптации его к системам TCTES.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы хотели бы поблагодарить Fundación Ramón Areces за финансирование, полученное для проекта «Скрытое накопление тепловой энергии с помощью эвтектических смесей на основе мочевины», и Министерство экономики и конкурентоспособности Испании за финансирование, полученное для проекта «На основе полиола. системы скрытых ТЭС с контролируемым разрядом (Sweet-TES) »по артикулу RTI2018-099557-B-C22 (MCIU / AEI / FEDER, UE).

Накопитель солнечной энергии для дома, фермы и малого бизнеса: предложения по выбору и использованию материалов и оборудования для аккумулирования тепла

Университет Пердью

Совместная служба поддержки

West Lafayette, IN 47907

Стив Экхофф и Мартин Окос

Содержание


Вступление

Типы материалов, используемых для хранения солнечного тепла

Преимущества и недостатки различных материалов для хранения

Как материалы с фазовым переходом работают в солнечном аккумуляторе

Размер и тип горных пород, наиболее подходящих для хранения тепла

Тип используемого теплоносителя

Определение размера вашего складского помещения

Расположение вашего хранилища

Важность конфигурации хранилища (форма)

Уменьшение необходимого объема хранения

Предложения при покупке коммерческого накопителя тепла

Связанные публикации

Никому не нужно определять для рядового гражданина термин «энергия». хруст ».Наши ежемесячные счета за топливо и коммунальные услуги — постоянное напоминание о том, что стоимость уровня жизни Америки. А «эксперты» предупреждают, что кризис здесь, чтобы остаться.

Из альтернатив традиционным формам энергии одна получить самое серьезное внимание — по крайней мере, для дома, фермы и небольших Потребности бизнеса в отоплении — это солнечная энергия. Сегодня много новых домов проектируются и строятся для размещения солнечного отопления системы. Различные типы переносных коллекторов и солнечного отопления пакеты конверсии легко доступны на розничном рынке.

К сожалению, слишком многие перспективные пользователи солнечной энергии тоже мало информации о некоторых аспектах строительства или переоборудования к солнечной системе отопления. Одна область неадекватной или дезинформации в особенным (и дорогостоящим из-за того, что допускаются ошибки) является хранение собранная энергия. Таким образом, цель данной публикации — ответить на несколько основных вопросов о правильном выборе и использовании устройства хранения тепла.

В публикацию включены обсуждения различных аккумуляторов тепла. материалы и средства массовой информации, и как выбрать «правильный»; размер, расположение и форма запоминающего устройства; и предложения по покупкам для такого устройства.Включены два рабочих листа (с примерами) — один для определение того, сколько тепла вам может понадобиться, а другой для выяснения того, насколько вы сможете сократить расходы за счет правильного изоляция. Перечисленные в конце этой публикации доступны Purdue Extension публикации, посвященные смежным аспектам солнечного отопления и энергосбережение.

Какие материалы используются для хранения солнечного тепла и есть ли «лучший» один?

Ряд материалов будет работать как носитель в доме, на ферме или системы солнечного отопления для малого бизнеса; но только три обычно рекомендуется в это время — камень, вода (или водно-антифризные смеси) и химическое вещество с фазовым переходом, называемое глауберовской солью.Эти материалы, наиболее последовательно соответствующие критериям выбора носитель информации, а именно способность (1) передавать тепло своему точки приложения при желаемой температуре, и (2) сделать это дешево, исходя не столько из стоимости материала, сколько из стоимости самого общая система и ее обслуживание.

Таким образом, не существует одного «лучшего» теплоаккумулирующего материала; а скорее каждый из трех имеет характеристики, которые могут сделать его наиболее желанным при определенных условиях.

Каковы преимущества и недостатки каждого материала для хранения, и при каких условиях его можно будет использовать?

Скалы

В качестве материала для хранения камни дешевы и легко доступны, имеют хорошие характеристики теплопередачи с воздухом (теплоносителем) при низкие скорости и действуют как собственный теплообменник. Главный недостатками являются их высокое соотношение объема на единицу хранения по сравнению с вода и материалы с фазовым переходом (что означает больший запас тепла области), а также трудности с конденсацией воды и микробиологическим деятельность.Если точка росы поступающего в хранилище воздуха выше температуры породы, влага в воздухе конденсируется на камни. Влага и тепло в горном дне могут привести к возникновению микробов. рост.

Каменное хранилище — самая надежная из трех систем хранения. из-за своей простоты. После того, как система установлена, обслуживание минимален, и некоторые вещи могут снизить производительность хранилища.

Воздушные солнечные коллекторы обычно используются с каменными хранилищами. устройств.Поскольку воздухосборники дешевле и не требуют обслуживания чем жидкостные коллекторы, система, использующая каменные накопители и воздушные солнечные коллекторы кажется наиболее логичным вариантом для отопления жилых домов. Тем не мение, другие обстоятельства, такие как наличие дешевых материалов, ограниченное коллектор или место для хранения или несовместимость с существующим система отопления, может диктовать использование воды или фазового перехода устройство хранения материала. Помните, однако, что окончательный решающим фактором должны быть начальные затраты и затраты на обслуживание система.

Обсуждается тип и размер горных пород, которые лучше всего хранят тепло. потом.

Вода

Вода в качестве материала для хранения имеет преимущества в том, что она недорогая. и легко доступны, имеют отличную теплопередачу характеристики и совместимость с существующей горячей водой системы. К его основным недостаткам можно отнести трудности с системой. коррозия и утечки, а также более дорогие строительные расходы.

Благодаря хорошему соотношению теплоемкости к объему (в пять раз больше породы) и больший КПД жидкостных солнечных коллекторов, Системы сбора и хранения жидкостей могут быть очень практичными: (1) где доступно тщательное техническое обслуживание (например, в многоквартирных домах или промышленных зданий), (2) где конечным использованием является горячая вода (например, как в молочном сарае или на предприятии пищевой промышленности), или (3) где система хранения воды может быть напрямую соединена с существующим отоплением система как в жилом водонагревателе плинтус отопления.

Вместо камня можно также рассмотреть систему хранения воды. хранение в ситуациях, когда пространство ограничено. Бак для воды может легко закапывать под землю для экономии места.

Материалы с фазовым переходом (PCM)

Глауберова соль вещества с фазовым переходом из-за низкого содержания объема на каждую хранимую БТЕ, требует только 1/8 пространства камней и 2/5 пространство воды для сопоставимого хранения тепла (см. рисунок 1).Это также поглощает и отдает большую часть тепла при постоянном температура. Недостатки глауберовской соли, по крайней мере, на данный момент, его стоимость относительно камня и воды, а также различные технические проблемы (например, проблемы с упаковкой из-за плохой термической проводимость и ее коррозионный характер). Такие проблемы нужно устраняется до того, как можно будет гарантировать надежность PCM.

Рисунок 1. Сравнительные объемы для одинакового количества аккумуляторов тепла. с использованием трех разных материалов для хранения.

Материалы с фазовым переходом чаще всего используются в ситуациях, когда существуют ограничения по пространству. Часто стоимость дополнительного места в новый дом для каменного хранилища будет больше, чем добавленная стоимость о покупке ПКМ, такого как глауберова соль. Эти материалы также очень желательно, если ставка делается на поддержание постоянного температура. Жилые помещения, отапливаемые PCM, часто более комфортны, так как температура воздуха в хранилище более равномерная, пока разрядка.

Как материалы с фазовым переходом работают в солнечном аккумуляторе?

PCM — это химические вещества, которые претерпевают твердое-жидкое переход при температурах в пределах желаемого диапазона нагрева целей. В процессе перехода материал поглощает энергию поскольку он переходит из твердого состояния в жидкость и высвобождает энергию по мере продвижения обратно в твердое состояние. Что делает PCM желательным для хранения тепла, так это его способность удерживать одновременно очень разное количество энергии температура.

Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим фазовые изменения, которые происходят с водой. Если вода помещается в морозильную камеру, тепло отводится из нее хладагент, пока он не станет льдом. Если затем лед помещается в жидкость при комнатной температуре, она тает, поскольку поглощает энергию из этого окружающая жидкость. Количество поглощенного тепла составляет около 143 БТЕ на фунт, что означает, что фунт льда может охладить фунт воды от От 175 ° F до 32 ° F, в то время как само по себе только меняет форму (т.е., от льда при 32 ° до воды при 32 °).

В настоящее время изучаются потенциальные теплоаккумулирующие материалы на минимум дюжина химических соединений, которые изменяют фазу при температуре в пределах полезного диапазона для отопления помещений. Однако на данный момент продается только глауберова соль (декагидрат сульфата натрия) коммерчески. Соль Глаубера меняет фазы при 90 ° F и имеет 108 БТЕ на фунт «скрытого тепла» (количество поглощенного или выделенного тепла во время смены фазы).Из-за высокой скрытой теплоты глауберова соль требует меньшего объема хранения, чем камень или вода; что могло означает более низкую стоимость складских помещений и больше полезного пространства в доме чтобы компенсировать относительно высокую стоимость материала.

У ПКМ есть некоторые химические свойства, которые могут вызывать проблемы при нагревании. хранение и передача; но большинство из них были преодолены или преодолеваются. Один что PCM имеют тенденцию к переохлаждению при отводе тепла. Это означает, что, вместо того, чтобы отдавать скрытую теплоту при температуре фазового перехода, солевые PCM могут оставаться в жидком состоянии до тех пор, пока они не упадут, возможно, до 15-30 ° ниже этой температуры.Для борьбы с этим сверхохлаждением »по Глауберу соль, около 3 процентов химического вещества, декагидрат тетрабората натрия, добавляется, чтобы вызвать фазовый переход при надлежащей температуре.

Еще одна проблема с солевыми ПКМ — это неконгруэнтное плавление, что происходит, когда соль частично нерастворима в воде кристаллизация. В случае глауберовской соли при ее плавлении температуре около 15 процентов сульфата натрия остается в нерастворимая безводная форма.Будучи вдвое более плотным, чем насыщенный раствор, безводный осаждается и не перекристаллизовывается при тепло отводится. Чтобы предотвратить это, используется загуститель, чтобы сохранить водный раствор в суспензии, пока он не сможет преобразоваться в кристалл структура при отводе тепла.

Способность аккумулировать тепло снизится со 108 до примерно 60 БТЕ на фунт по мере оседания безводного. В настоящее время лучшее загущение Используемым агентом является аттапульгитовая глина, которая при добавлении к глауберовской соль в количестве 7-10 процентов, препятствует оседанию безводный и не разлагается со временем.

Примечание : Остерегайтесь смесей, содержащих целлюлозу, крахмал, опилки, силикагель, диоксид кремния и т. д. Эти типы загустителей хорошо подходят для некоторое время, но в конечном итоге либо гидролизуются солью, либо разлагается бактериями и становится неэффективным. Имея дело с уважаемая компания должна устранить некоторые из этих опасений. Не позволяйте продавец продаст вам «секретный» загуститель; если бы это было хорошо он был бы запатентован, и не было бы необходимости в секретах.)

Если в качестве материала для хранения используется камень, какой размер и тип лучше всего подойдут?

Хотя размер выбранной породы будет определяться в первую очередь стоимость, как правило, чем больше размер, тем лучше для хранения целей. Основная причина в том, что требуется меньше энергии, чтобы заставить теплопередача воздуха через большие камни, чем через маленькие. Горные породы менее дюйма в диаметре обычно слишком малы; тогда как еще более 4-6 дюймов в диаметре слишком велики из-за недостаточного площадь поверхности теплопередачи.

Собирая камень для хранения, ищите округлое поле. камни диаметром от 4 до 6 дюймов. При коммерческой покупке у каменный карьер, самый крупный из имеющихся, вероятно, «септический» гравий », диаметр которого составляет 1–3 дюйма. Но не переусердствуйте. озабочен размером; соглашайтесь на 2-дюймовый септический гравий, если у вас есть платить больше за камень большего размера. Если есть, старый кирпич дома хороший материал для хранения при штабелировании для обеспечения циркуляции воздуха.

Вероятно, более важным, чем размер камня, является его однородность. Если слишком много вариаций, более мелкие камни заполнят пустоты между более крупными камнями, тем самым увеличивая мощность воздуходувки требование. Кроме того, избегайте камней, которые имеют тенденцию к масштабированию и чешуйки, например известняк. Образовавшаяся «пыль» улавливается воздух, передающий тепло, и либо засоряет фильтры печи, либо, если печь обходится, выдувается прямо в зону нагрева.

Поскольку воздух необходимо продувать через каменное дно, необходимо знать необходимое количество энергии. В общем, чем быстрее поток воздуха и / или чем меньше размер камня, тем больше потребляемая мощность.

Например, скорость воздуха 50 футов в минуту через 10-футовый слой 1-дюймовой породы имеет перепад давления около 1 дюйма. вода (статическое давление). Снижение скорости до 30 футов в минуту сократит падение давления до 1/2 дюйма водяного столба.Падение давления по всей системе (т. е. коллектор, платформа для хранения и воздуховоды) должно быть не более 3-4 дюймов водяного столба (статическое давление).

Перед заполнением хранилища рассмотрите возможность мытья или проверки. из «штрафов», которые в противном случае могли бы заполнить пустоты. Каменное хранилище должен позволять отвод скопившейся влаги. Также, рассмотреть способы предотвращения роста плесени и бактерий, одним из которых является поддержание высокой температуры хранения даже в периоды малой нагрузки.

Какой тип теплоносителя мне следует использовать?

Средствами переноса, наиболее часто используемыми в системах солнечного отопления, являются: воздушные, водяные и водо-антифризные смеси. Какой из них вы должны использовать вполне может быть продиктовано типом выбранного материала для хранения. Для Например, для хранения горных пород в качестве среды передачи требуется воздух; вода или хранилища воды-антифриза используют ту же жидкость для передачи тепла; PCM хранилище. с другой стороны, использовал бы воздух или жидкость, в зависимости от типа теплообменника.

Многие из первых домов, построенных на солнечной энергии, использовали водные коллекторы. с накоплением воды из-за преимуществ повышенной эффективности и уменьшенного размера. Однако в настоящее время солнечные системы отопления, использующие воздух в качестве средства переноса рекомендуется для домашнего использования. Один причина — меньшая вероятность повреждения; неисправная система передачи воздуха почти не вызовет проблем, связанных с протекающей или замерзшей водой. система будет. Кроме того, воздуховоды и воздуховоды обычно дешевле и требуют меньшего обслуживания.До более надежной и «отказоустойчивой» жидкости. системы разрабатываются, воздух, вероятно, по-прежнему будет рекомендован теплоноситель для домашнего солнечного отопления.

Насколько большим должен быть мой солнечный накопитель тепла?

Необходимый объем хранилища зависит от четырех факторов: (1) нагрев потребность отапливаемой площади, (2) дня резерва хранения желаемый, (3) температурный диапазон, в котором сохраняется тепло, и (4) тип используемого материала для хранения.Ниже приводится краткое обсуждение каждого коэффициент и рабочий лист I (с примером) для расчета необходимого тепла емкость хранилища с использованием различных материалов для хранения.

Потребность в обогреве — это количество тепла, необходимое для поддержания желаемого температура в доме или другом здании. Это равно сумме тепла, которое конструкция теряет в окружающую среду через стены и кровля за счет теплопроводности и конвекции. Эта потеря тепла может быть оценивается по простым уравнениям, найденным в большинстве тепловых переводные книги (см. Связанные публикации на стр. 9) или часто газ и Представители теплотехнической компании примут такие решения, как услуга.

Запас хранения — это количество тепла, необходимое, если энергия не может быть собираются в течение заданного количества дней. Хотя и весьма изменчивый, сумма резерва, обычно планируемая для солнечного отопления дома при настоящее время составляет от 3 до 5 дней.

Температурный диапазон, в котором сохраняется тепло — разница между максимальной температурой полки для хранения при заполнении и минимальная температура, для которой должен быть теплоноситель обогрев.В домах, отапливаемых солнечными батареями, максимальная температура «кровати», вероятно, будет ниже. быть 130-150 ° F, в зависимости от используемого коллектора; тогда как минимум температура передачи составляет около 75-80 ° F, если предположить, что желаемая комната температура 70 ° F. Таким образом. хороший показатель «температурный диапазон» до использование в расчетах объема хранилища будет 50 ° F (130 ° — 80 °) (Имеется тенденция к максимально возможному сохранению тепла. температура для минимизации размера хранилища; но как температура от коллектора повышается, КПД падает).

Теплоаккумуляторы отличаются определенными характеристиками, которые также необходимо учитывать при определении емкости хранилища. В таблице 1 перечислены насыпная плотность, удельная теплоемкость (теплоемкость) и скрытая теплота три распространенных материала для хранения солнечного тепла — камень, вода и глауберовский поваренная соль. На рисунке 1 показан сравнительный объем каждого материала для такое же количество аккумулированного тепла, на основе примера на Рабочем листе I.

Таблица 1.Характеристики теплоаккумулятора трех обычных видов солнечного тепла Материалы для хранения.

  Накопительный материал Насыпная плотность Удельная теплоемкость Скрытая теплота 
-------------------------------------------------- --------------------------
Камень 100 фунтов / куб. Фут. 0,2 БТЕ / фунт ° F ---------------

Вода 62,4 фунта / куб. Фут. 1 БТЕ / фунт ° F ---------------

Глауберова соль 56 фунтов / куб. Фут. 0,5 БТЕ / фунт.° F 108 БТЕ / фунт. при 90 ° F
(фазовый переход (включая нагрев ниже 90 ° F
температура, 90 ° F) теплообменник) 0,8 БТЕ / фунт ° F
                                         выше 90 ° F
-------------------------------------------------- ---------------------------

Рабочий лист 1. Расчет необходимого объема накопления солнечного тепла

Пример: предположим, что вашему дому требуется отопление (расчетное количество тепла потери) 15000 БТЕ в час, и вы хотите, чтобы ваша солнечная система отопления иметь 3-дневный резерв хранения.Каким будет ваше необходимое хранилище емкость с использованием камня, воды или глауберовской соли в качестве материала для хранения?

                                                                                       Наш Ваш
                      Ситуация с позициями и расчетами


1. Требуемый объем при использовании ROCK в качестве носителя.

   а. Потребность в отоплении здания: Расчетные потери тепла (см. Обсуждение выше).= 15 000 БТЕ / час ___________

   б. Часов в день: 24. = 24 часа в сутки ___________

   c. Желаемый резерв хранения: в среднем 3-5 дней (см. Обсуждение выше). = 3 дня ___________

   d. Общее необходимое тепло: Шаг 1.a (15000 БТЕ / час) x Шаг 1.b (24 часа / день) x Шаг 1.c
      (3 дня). = 1 080 000 БТЕ ___________

   е.Объемная плотность материала для хранения: Из Таблицы 1. = 100 фунтов / куб.фут ___________

   f. Удельная теплоемкость аккумулирующего материала: Из таблицы 1. = 0,2 БТЕ / фунт ° F ___________

   грамм. Температурный диапазон, в котором сохраняется тепло: в среднем 50-75 ° F (см.
      обсуждение выше). = 50 ° F -----------

   час Нагрев на кубический фут материала для хранения: Шаг 1.e (100 фунтов / куб.фут) x Шаг 1.f.
      (0,2 БТЕ / фунт ° F) x Шаг 1.g (50 ° F). = 1000 БТЕ / куб. Фут ___________

   я. Требуемый объем хранилища с использованием камня: Шаг 1.d (1 080 000 БТЕ) ÷ Шаг 1.h
      (1000 БТЕ / куб. Фут). = 1080 куб. Футов ____________

2. Требуемый объем при использовании ВОДЫ в качестве носителя информации.

   а. Общее необходимое количество тепла: то же, что и в шагах с 1.a по 1.d. = 1 080 000 куб. Футов ___________

   б. Объемная плотность материала для хранения: Из Таблицы 1.= 62,4 фунта / куб. Фут ___________

   c. Удельная теплоемкость аккумулирующего материала: Из Таблицы 1. = 1 БТЕ / фунт ° F ___________

   d. Температурный диапазон, в котором сохраняется тепло: То же, что и в шаге 1.g. = 50 ° F ___________

   е. Тепло на куб. футов материала для хранения: Шаг 2.b (62,4 фунта / куб. фут) x Шаг 2.c
(1 БТЕ / фунт ° F) x Шаг 2.d (50 ° F). = 3120 БТЕ / куб. Фут __________

   f. Требуемый объем хранения с использованием воды: Шаг 2.a (1 080 000 БТЕ) ÷ Шаг 2. e
      (3120 БТЕ / куб. Фут.). = 346 куб. Футов ___________

3. Требуемый объем при использовании СОЛИ ГЛАУБЕРА в качестве носителя информации.

   а. Общее необходимое количество тепла: то же, что и в шагах с 1.a по 1.d. = 1 080 000 БТЕ ___________

   б. Объемная плотность материала для хранения: Из Таблицы 1. = 56 фунтов / куб.фут ___________

   c Скрытая теплота аккумулирующего материала: из таблицы 1.= 108 БТЕ / фунт ___________

   d. Удельная теплоемкость аккумулирующего материала: Из таблицы 1.

                            * Температура выше фазового перехода = 0,8 БТЕ / фунт ° F ___________
                            ** Температура ниже фазового перехода = 0,5 БТЕ / фунт ° F ___________

   е. Разница температур между фазовым переходом (90 ° F) и хранением
      максимум (130 ° F) и минимум (80 ° F): см. обсуждение температурного диапазона
      выше.* Разница температур выше фазового перехода = 40 ° F ___________
                                    ** Разница температур ниже фазового перехода = 10 ° F ___________

  f. Нагрев на фунт материала для хранения: Шаг 3.c + (Шаг 3.d * x Шаг 3.e *) + (Шаг 3.d **
     x Шаг 3.e **). Пример: 108 БТЕ / фунт. + (0,8 БТЕ / фунт ° F x 40 ° F) + (0,5 БТЕ / фунт ° F x
     10F) = 108 БТЕ / фунт.+ 32 БТЕ / фунт. + 5 БТЕ / фунт. = 145 БТЕ / фунт ___________

  грамм. Нагрев на куб. футов материала для хранения: Шаг 3.b (56 фунтов / куб. фут) x
     Шаг 3.f (145 БТЕ / фунт). = 8120 БТЕ / куб. Фут ___________

  час Требуемый объем хранилища с использованием глауберовской соли: Шаг 3.a (1 080 000 БТЕ) ÷
     Шаг 3.g (8120 БТЕ / куб. Фут.). = 133 куб. Футов ___________

Где должен быть мой солнечный накопитель тепла?

Как правило, для отопления жилых помещений содержится в самом доме.Так как это тяжело. самый лучший расположение в подвале или на нижнем уровне — и на бетоне. нет деревянные опорные элементы. Внутреннее хранилище должно иметь некоторая изоляция, особенно если хранилище заряжается во время лето. Тем не менее, это не обязательно должно быть так сильно изолировано, как на открытом воздухе. хранение, так как тепловые потери идут непосредственно на отопление дома.

Хранилище также может быть расположено снаружи дома либо в на земле или в неотапливаемом здании.при условии, что он хорошо изолирован. Сухой, хорошо дренированная почва действует как подходящая изоляция в хранилище похоронен снаружи; подземное хранилище также обеспечивает более удобную жизнь место в доме.

Важна ли форма теплонакопителя?

Важность конфигурации хранилища зависит от используемый материал для хранения. Хранилища жидкостей обычно хранятся в одиночный большой танк. Использование нескольких резервуаров меньшего размера позволит максимизация температуры в меньшем объеме, вместо того, чтобы нагрейте весь объем одного резервуара.Однако из-за стоимости нескольких резервуаров и связанных с ними проблем с клапанами, а также потому, что значительная вертикальная температурная стратификация в воде бак, рекомендуемая процедура — использовать один бак и взлетать вода вверху, где она наиболее теплая.

Эффективность склада очень зависит от конфигурация. Основная проблема при проектировании хранилища горных пород заключается в минимизации падения давления в воздушном потоке через хранилище.В как правило, чем короче расстояние, которое должен пройти воздух, и тем ниже расход воздуха, тем меньше будет перепад давления.

Минимальная длина, необходимая для адекватной теплопередачи внутри накопление зависит от расхода воздуха, коэффициента теплопередачи воздуха к рок, и площадь поперечного сечения. В нормальных условиях эксплуатации эта минимальная длина довольно мала. Следовательно, чем короче хранилище может быть (в пределах разумного), чем ниже эксплуатационные Стоимость.Как правило, скорость воздушного потока 20-30 футов в минуту невысока. желательно. Площадь хранения можно приблизительно определить, разделив общий расход воздуха из коллектора (в кубических расходах в минуту) от скорость (в футах в минуту).

Хотя воздух можно продувать через пласт в горизонтальном направлении, эффективная система предназначена для вертикального воздушного потока. Горячий воздух из коллектора выдувается сверху, а холодный воздух возвращается обратно к коллектору снизу.Когда требуется тепло для нагрева в комнате воздушный поток меняется на противоположный.

Может ли дополнительная изоляция уменьшить требуемый объем хранения (и стоимость)?

Поскольку потребность здания в отоплении определяет количество солнечной энергии. тепло, которое необходимо собирать и хранить, снижение этого требования приведет к также уменьшите площадь коллектора и емкость хранилища нужный. Обычно самый дешевый способ уменьшить теплопотери — это правильная изоляция. Фактически, деньги, сэкономленные за счет меньшего объема хранилища площадь, складские материалы и площадь коллектора зачастую больше, чем окупается дополнительная изоляция.

Насколько добавление изоляции может снизить стоимость система солнечного отопления зависит от ряда факторов, таких как структурная прочность здания, существующий уровень теплоизоляции, тепло материал для хранения и т. д. Но можно сэкономить важно, как показывает пример на Рабочем листе II. Используйте рабочий лист для определения требований к отоплению и последующему сбору-хранению объем системы и стоимость при текущем уровне изоляции, а затем на «должных» уровнях.Как правило, хранилище следует изолировать от значение R-11, если в отапливаемой зоне, и R-30, если в неотапливаемой зоне. площадь.

На что следует обращать внимание или о чем спрашивать при покупке коммерческого отопления? накопитель?

Если прогнозируемый строительный «бум», связанный с солнечной энергией, действительно становится реальностью, наверняка возникнут какие-то однодневки компании, которые попытаются воспользоваться «незнанием потребителей» относительно систем хранения солнечного тепла и материалов.Защищать себя из этих фирм, а также иметь основу для мудрых варианты, следуйте этой предложенной процедуре:

1. Остерегайтесь систем «черного ящика». Знайте, что в системе и как он действует.

2. Если вы не знакомы с компанией, проверьте ее через Better Бизнес-бюро или аналогичная организация.

3. Свяжитесь с кем-нибудь, у кого уже есть один из устройства хранения данных; они могут многое рассказать о типе выступления ожидать.Будьте очень осторожны, если продавец не может или не даст вам клиенты, чтобы связаться.

4. Получите письменные претензии компании перед покупкой система. Также получите их, чтобы гарантировать заданный уровень производительности и замените все неисправные детали.

5. Попросите показать проектные расчеты системы и ознакомьтесь с ними. использование имеющихся справочных материалов или получение помощи от вашего округа Дополнительный офис.

6. Если система требует использования теплоаккумулирующего материала, например рок, рассчитайте его стоимость, если бы вы купили его сами.Это будет дать вам представление о количестве трудозатрат и рекламных затрат, связанных с в сделке.

7. Если система требует предварительно упакованных PCM. попросить посмотреть данные компании, подтверждающие заявления о тепловой мощности, скрытой теплоте и ожидаемый срок полезного использования. Помните, что заявления о том, сколько раз Материал для хранения ПКМ не так важен, как количество тепло поглощается и выделяется в каждом цикле. Если безводная соль держится оседая, эффективность хранилища со временем снижается, но PCM по-прежнему будет циклически (на уровне 60 БТЕ на фунт вместо 108 БТЕ).

Публикации по теме

Единичные копии следующих публикаций Purdue Extension доступны вопросы солнечного отопления и энергосбережения жителям Индианы из их окружного офиса или написав в Центр распространения СМИ, 301 South Second Street, Лафайет, Индиана, 47901–1232.

Солнечное отопление для дома, фермы и малого бизнеса (AE-88)

Рабочий лист II. Определение эффекта дополнительной изоляции

Пример: типичный квадратный двухэтажный дом.с площадью поверхности крыши 1267 квадратных футов и площадь стены 2400 квадратных футов должны быть солнечное отопление. В настоящее время он имеет только 6 дюймов изоляции. стекловолокно (значение проводимости 0,053 БТЕ / час- ° F-кв.фут. в крыше и 1 дюйм древесноволокнистой плиты (значение проводимости 0,33 БТЕ / час- ° F-кв. фут) в стены. Внутренняя температура будет поддерживаться на уровне 70 ° F: ожидается внешняя низкая температура составляет 10 ° F. Должен ли владелец оформить воздух коллектор и глауберова система хранения соли для дома потребность в отоплении.или стоит добавить еще 6 дюймов изоляция в крыше и 3 1/2 дюйма в стенах?


                                                                                Наш Ваш
           Ситуация с позициями и расчетами

1.Требования к отоплению здания с существующей изоляцией.

   а. Разница между внутренней и внешней температурой: из примера выше
        (70 ° F - 10 ° F).= 60 ° F _____________

   б. Площади кровли и стен; Из примера выше.
* Корневая площадь = 1267 кв.футов _____________
** площадь стен = 2400 кв. футов _____________

   c. Значение проводимости для данного типа и толщины изоляции:
      Обратитесь к дилеру строительных материалов. (Пример: крыша, 6 дюймов.
      стекловолокно; стена, ДВП толщиной 1 дюйм).
                                                        * Утеплитель крыши =.053 БТЕ / ч
° F-кв.фут _____________
                                                        ** Изоляция стен = 0,33 БТЕ / ч.
° F-кв.фут _____________

   d. Потери тепла через крышу: Шаг 1.a (60 ° F) x Шаг 1.b * (1267 кв. Футов)
      x Шаг 1.c * (0,053 - БТЕ / ч- ° F-кв.фут). = 4029 БТЕ / час ______________

   е. Потери тепла от стен: Шаг 1.a (60 ° F) x Шаг 1.b * (2400 квадратных футов) x
      Шаг 1.c ** (0,33 БТЕ / ч.- ° F-кв.фут). = 47 520 БТЕ / час ______________

  е. Общая текущая потребность в тепле: Шаг 1.d (4029 БТЕ / час) + Шаг 1.e
    (47 520 БТЕ / час). = 51 549 БТЕ / час ______________

2. количество и стоимость складских материалов для удовлетворения текущих потребностей в отоплении.

  а. Часов в день: 24. = 24 часа в сутки _____________

  б. Желаемый запас аккумулирования тепла: Сред. 3-5 дней. = 3 дня _____________

  c.Теплоемкость накопительного материала: для глауберовской соли,
     см. Рабочий лист I, Шаг 3.f

  d. Стоимость единицы складского материала: уточняйте у поставщика. = 0,25 доллара США / фунт _____________
 
  е. Общий необходимый для хранения материал: (Шаг 1.f x Шаг 2.a x Шаг 2.b) ÷ Шаг 2.c.
     Пример: (51549 БТЕ / час x 24 часа в день x 3 дня) ÷ 145 БТЕ / фунт.
     = 3,711,526 БТЕ ÷ 145 БТЕ / фунт. = 25 597 фунтов _____________

  е. Общая стоимость необходимых складских материалов: Шаг 2.е. (25 597 фунтов) x Шаг 2.d
    (0,25 доллара США за фунт). = 6399 долларов США ______________

3. Размер и стоимость коллектора для удовлетворения текущих потребностей в отоплении.

   а. Желаемая способность к накоплению потребности в отоплении: в среднем 2 дня. = 2 дня ______________

   б. Уровень радиации для коллектора: уточните у поставщика. = 1000 БТЕ / кв.фут ______________

   c. Стоимость коллектора за квадратный фут: уточняйте у поставщика.= $ 1,00 / кв.фут ______________

   d. Общая необходимая площадь коллектора: (Шаг 1.f x Шаг 2.a x Шаг 3.a) ÷ Шаг 3.b.
      Пример: (51549 БТЕ / час x 24 ч / день x 2 дня) ÷ 1000 БТЕ / кв.фут
      = 2,474,352 БТЕ ÷ 1000 БТЕ / кв. Фут. = 2474 кв. Фута ______________

   е. Общая стоимость коллектора: Шаг 3.d (2474 кв. Фута) x
       Шаг 3.c (1,00 долл. / Кв. Фут). = 2474 доллара США ______________

4.Потребность в отоплении здания с дополнительной изоляцией

  а. Текущее значение проводимости + дополнительная изоляция: Шаг 1.c + добавлено
     изоляция. (Пример: крыша 6 из стекловолокна + пенополистирол 6 дюймов; стена 1 дюйм.
     ДВП + 3-1 / 2 дюйма, пенополистирол
                                               * Изоляция корня = 0,026 БТЕ / ч- ______________
° F-кв.фут
** Изоляция стен = 0,071 БТЕ / ч- ______________
° F-кв.футов
                           
  б. Потери тепла через крышу: Шаг 1.a (60 ° F. X Шаг 1.b * (1267 кв. Футов)
     x Шаг 4.a * (0,026 БТЕ / ч- ° F-кв.фут) = 1977 БТЕ / ч ______________

  c. Потери тепла от стен: Шаг 1.a (60 ° F) x Шаг 1.b ** (2400 кв. Футов)
     x Шаг 4.a ** (0,071 БТЕ / ч) - ° F-кв.фут). = 10224 БТЕ / час ______________

  d. Общая потребность в отоплении с дополнительной изоляцией: Шаг 4.b (1977 БТЕ / час) +
      Шаг 4.c (10224 БТЕ / час) = 12 201 БТЕ / час _____________

5. Количество и стоимость складского материала для обеспечения «дополнительной изоляции».
  потребность в отоплении

  а. Общий необходимый для хранения материал: (Шаг 4.d x Шаг 2.a x Шаг 2.b) ÷ Шаг 2.c
     Пример: (12 201 БТЕ / час x 24 часа в день x 3 дня ÷ 145 БТЕ / кв.фут =
     878 472 БТЕ ÷ 145 БТЕ / фунт = 6058 фунтов _____________

  б. Общая стоимость необходимых складских материалов:
     Шаг 5.a (6058 фунтов) x Шаг 2.d (0,25 доллара США / фунт) = 1515 долларов США _____________

6. Размер и стоимость коллектора с учетом «дополнительной теплоизоляции» отопления.
  требование

  а. Общая необходимая площадь коллектора: (Шаг 4.d x Шаг 2.a x Шаг 3.a) ÷ Шаг 3.b.
     Пример: (12 201 БТЕ / час x 24 часа / день x 2 дня) - 1000 БТЕ / кв. Фут. знак равно
     585648 БТЕ ÷ 1000 БТЕ / кв. Фут. = 586 кв. Футов ______________

  б. Общая стоимость коллектора:
       Шаг 6.а. (586 кв. Футов) x Шаг 3.c (1,00 долл. США / кв. Фут). = 586 долларов США ______________

7. Экономия затрат на тепловую систему за счет добавления теплоизоляции.

  а. Удельная стоимость изоляции: уточняйте у поставщика. Пример: 6 дюймов и 3-1 / 2 дюйма.
    коврики.
* 6 дюймов коврики = $ 0,20 / кв.фут ______________
** 3-1 / 2 дюйма = 0,12 доллара США / кв.фут ______________
                                            
  б. Стоимость дополнительной изоляции: (Шаг 1.b * x Шаг 7.a *) + (Шаг 1.b ** x Шаг 7.а **).
     Пример: (1267 кв. Футов x 0,20 $ / кв. Фут) + (2400 кв. Футов x 0,12 $ / кв. Фут)
     = 253 + 288 долларов. = 541 доллар США ______________

  c. Общая стоимость тепловой системы с существующей изоляцией: Шаг 2.f (6399 долларов США) + Шаг 3.e
    (2474 доллара США). = 8823 долл. США ______________

  d. Общая стоимость тепловой системы с дополнительной изоляцией: Шаг 5.b (1515 долларов США) + Шаг 6.b
      (586 долларов США) + Шаг 7.b (541 доллар США). = 2642 доллара США ______________

  е.«Экономия» за счет изоляции: Шаг 7.c (8873 $) -
       Шаг 7.d (2642 доллара США). = 6231 доллар США ______________

Новое 9/78

Кооперативная консультативная работа в сельском хозяйстве и домохозяйстве, состояние Индиана, Университет Пердью и Министерство сельского хозяйства США. Сотрудничество; Х.А. Уодсворт, директор, West Lafayette, IN. Выдается в исполнение актов 8 мая и 30 июня 1914 г.Кооператив Служба распространения знаний Университета Пердью — это позитивное действие / равное возможность учреждения.

Границы | Новая концепция термохимического длительного хранения: баланс потребности в возобновляемой электроэнергии и тепле в зданиях

Особенности

— Предложение новой концепции сезонного хранения для строительного сектора

— Объединение электроэнергетики и теплоэнергетики и энергоэффективного долгосрочного хранения

— Анализ интеграции в здание и оценка эффективности хранения

Введение

Энергетические потребности жилых домов составляют огромную долю в общемировом потреблении энергии.Например, в Европейском союзе (ЕС) на строительный сектор приходится 40% конечного потребления энергии и 36% общих выбросов CO ₂, связанных с энергией (EU, 2010; Krese et al., 2018). Даже в такой высокоразвитой стране, как Германия, на строительный сектор приходилось 35,3% конечного потребления энергии в 2016 году. Производство этой энергии из различных источников вызвало 215 мегатонн CO ₂, что составляет 28,2% от общего годового объема. выбросы CO ₂ в Германии (BMWi, 2018).Чтобы понять причины этих огромных выбросов, вызванных строительным сектором, необходимо более внимательно изучить фактическую конечную потребность в энергии в здании. На рисунке 1 показано конечное потребление энергии в жилых домах в Германии. 65,9% требуется для отопления помещений и еще 18,1% для производства горячей воды. Таким образом, в общей сложности более 80% конечной потребности в энергии составляет тепловая энергия при относительно низком температурном уровне. Спрос на электроэнергию для освещения и других приборов составляет всего 11.8%.

Рисунок 1 . Конечное потребление энергии в жилых зданиях в Германии, 2016 г., млн т н.э. и (процентная доля). График основан на данных из базы данных ODYSEE MURE (2015).

Подробный анализ характеристик европейских зданий также приводит к выводу, что в странах Северной Европы около 80% конечного спроса на энергию требуется для отопления помещений и горячего водоснабжения (Economidou et al., 2011). И не только то, что потребность зданий в тепле составляет наибольшую долю, она также (в целом) в основном обеспечивается за счет сжигания ископаемого топлива.В ЕС 50% тепловой энергии в зданиях поступает за счет газа, а еще 25% — из нефти и угля (ODYSSEE-MURE, nd; Тенденции и политика в области энергоэффективности в домашнем хозяйстве и третичном секторе Тенденции и политика в области энергоэффективности в домашнем хозяйстве и третичном секторе). секторов анализ на основе, nd; ODYSEE MURE Database, 2015). Цифры за 2016 год для Германии аналогичны, показывая более 80% доли ископаемого топлива (Lopez et al., 2018) и очень низкую подачу тепла из возобновляемых источников (13,5%), которое в основном может быть направлено на сжигание биомассы, включая древесные гранулы ( Bundesumweltamt, 2019).

С другой стороны, производство электроэнергии из возобновляемых источников, в частности фотоэлектрических (PV) систем и ветряных электростанций, значительно увеличилось за последние годы, в результате чего доля в электроэнергетическом секторе составила 37,8% (Bundesumweltamt, 2019). Соответственно, общая установленная мощность фотоэлектрических систем в Германии составляет 46 ГВт _{, пиковая} на конец 2018 года. Глобальная тенденция аналогична, когда было зарегистрировано огромное увеличение установленной мощности, в частности солнечных фотоэлектрических систем (REN 21, 2019).

Из приведенных цифр становится ясно, что интеграция возобновляемых систем отопления игнорировалась в последние десятилетия, в то время как установка фотоэлектрических систем поддерживалась значительным снижением затрат и дополнительными политическими стимулами в различных странах. Тем не менее, это приводит к нынешней ситуации, когда основной конечный спрос зданий на энергию по-прежнему требует в основном ископаемого топлива, а производство электроэнергии из возобновляемых источников намного превышает потребность здания в электроэнергии.Это несоответствие спроса и предложения даже усиливается из-за очень большой сезонной разницы между ними. В то время как фотоэлектрические системы обычно работают в дневное время в течение летних месяцев, наибольшая потребность в тепле приходится на зимние месяцы. Таким образом, простой концепции мощности для обогрева без подходящего решения для сезонного хранения недостаточно для увеличения использования фотоэлектрической энергии для системы отопления. Следовательно, обычно только 30% электроэнергии, производимой солнечными фотоэлектрическими системами на крыше, потребляется в самом здании.Из-за перепроизводства большинство фотоэлектрических установок подключено к сети (IEA, 2013).

Как следствие, возникают большие перетоки электроэнергии между домохозяйствами и сетью, что создает проблемы для управления сетью и приводит к экономическим потерям для конечного пользователя (Vieira et al., 2017). Поскольку стоимость электроэнергии собственного производства в настоящее время ниже розничной цены на электроэнергию в некоторых странах (IEA, 2013), собственное потребление оказывается наиболее выгодным вариантом для владельца системы.Взяв оба аспекта вместе, владельцы систем хотят увеличить собственное потребление фотоэлектрической энергии, в то время как закупка ископаемого топлива для удовлетворения спроса на тепло должна быть сокращена. Решением этой проблемы может быть технология долгосрочного хранения, способная обеспечить сезонную смену избыточного производства электроэнергии и потребности здания в тепле. Однако ни одна из существующих технологий сезонного хранения не устраняет это несоответствие между спросом и предложением в достаточной степени.

Причины, по которым до сих пор не существует удовлетворительно сезонной системы накопления энергии, кроются в, как правило, очень высоких технологических и экономических требованиях к такой системе.Требуемая емкость для обогрева помещения очень велика. В зависимости от климатической зоны, размера и изоляции здания требуется от 1 500 до 10 000 кВтч _{тепловой энергии} в год (база данных ODYSEE MURE, 2015). Одновременно система хранения подвергается только одному циклу в год, то есть всего 20 циклов за предполагаемый срок службы. Принимая во внимание, что вложения в систему хранения обычно амортизируются стоимостью энергии, поставляемой в каждом цикле разгрузки, становится ясно, что сезонная система хранения позволяет только очень низкую стоимость из расчета на 1 кВтч тепловой энергии.Это также причина того, что хранилища электроэнергии, даже если будет достигнуто прогнозируемое в настоящее время будущее снижение затрат до 175 долларов США / кВтч (Schmidt O. et al., 2017), не будут экономически применимы для сезонного хранения. Помимо этих и без того сложных экономических ограничений, возникает дополнительная технологическая проблема, поскольку энергия должна сохраняться в течение периода от 2 до 6 месяцев. В этих условиях очевидно, что потери энергии в системах хранения с течением времени должны быть минимальными. Чтобы справиться с этими сложными граничными условиями, существует лишь несколько технологий или концепций для сезонного хранения тепла, которые находятся на разных стадиях разработки.В основном это солнечные тепловые коллекторы в сочетании с различными традиционными системами аккумулирования тепла, газа и тепловых насосов.

Децентрализованные системы солнечных тепловых коллекторов, включая систему хранения горячей воды, легко доступны на рынке, и они имеют более высокую тепловую эффективность от солнечной до низкой температуры, чем системы отопления на основе электричества. Однако в странах с холодным климатом системы обычно покрывают только до 35% от общей потребности здания в тепле. Из-за потерь тепла длительное хранение с горячей водой, как правило, нецелесообразно для небольших систем (например,г., дом на одну семью). Централизованные крупномасштабные сезонные системы хранения воды возможны благодаря лучшему соотношению объема к площади поверхности. Как правило, они покрывают до 50% потребности в тепле (Bauer et al., 2010), при этом возможны более высокие доли солнечной энергии. Несколько проектов с различными типами крупномасштабных сезонных хранилищ в настоящее время находятся в эксплуатации или строятся и подробно описаны в обзорной статье Xu et al. (2014). Хотя технология является многообещающей при некоторых обстоятельствах, например, при строительстве новых жилых районов, также очевидно, что она вряд ли применима для модернизации существующих зданий в густонаселенных районах.

Использование возобновляемых источников энергии для производства синтетического топлива или газов (например, водорода) является одним из многообещающих вариантов долгосрочного хранения энергии (Gerbert et al., 2018). Добытый газ можно легко децентрализованно хранить в небольших резервуарах под давлением, централизованно в уже существующих газовых кавернах или даже в газовой сети. Кроме того, хранение богатых энергией газов в принципе не имеет потерь, поэтому возможны бесконечно длительные периоды хранения с высвобождением энергии во время потребности.Для применения в строительстве синтетический газ просто заменит ископаемое топливо в традиционной котельной системе. Несмотря на то, что этот подход звучит многообещающе, поскольку большая часть уже существующей инфраструктуры может быть использована в дальнейшем, текущие недостатки технологии преобразования энергии в газ заключаются в довольно низкой эффективности всей технологической цепочки в сочетании с необходимостью использования капиталоемких устройств. Следовательно, этот технологический путь в настоящее время считается наиболее дорогостоящим способом избежать выбросов CO ₂ за счет замены ископаемого топлива в секторе отопления (Gerbert et al., 2018).

Системы тепловых насосов доступны на рынке и способны объединять электричество с отопительным сектором. Хотя такая система помогает увеличить собственное потребление фотоэлектрической продукции, все еще существует большое несоответствие между поставкой электроэнергии и спросом на тепло. Очевидно, что зимой, когда возникает наибольшая тепловая нагрузка, от фотоэлектрической системы доступно очень мало электроэнергии. Даже в сочетании с накопителями горячей воды общее собственное потребление увеличивается только до 40% произведенной электроэнергии, в то время как 60% по-прежнему передается в сеть (Williams et al., 2012). Таким образом, текущие исследуемые комбинации тепловых накопителей и тепловых насосов не позволяют добиться желаемого сезонного изменения в достаточной степени. Тот же недостаток относится и к другим концепциям преобразования энергии в тепло, когда электрическая энергия просто преобразуется в тепловую и хранится в разумных или скрытых резервуарах для хранения. Сезонный сдвиг может быть реализован только в централизованных крупномасштабных резервуарах для хранения, но потери тепла препятствуют децентрализованному сезонному хранению.

Термохимические системы хранения в целом перспективны для сезонного хранения.Два различных атрибута высокой плотности энергии и принцип хранения без потерь предопределяют эти материалы для задач длительного хранения. Поэтому эта тема широко исследуется, но технологический уровень систем остается низким. Термохимические хранилища можно различать по механизму принципа хранения, который представляет собой химическую реакцию или процесс сорбции. В частности, сорбционные материалы, а также некоторые химические реакции гидратов солей были исследованы для применения в системах сезонного хранения.Scapino et al. недавно резюмировал различные материалы, а также состояние их технологий в обзорной статье (Scapino et al., 2017a). В ходе анализа затрат, проведенного той же группой, они пришли к выводу, что основными недостатками систем, помимо технологических проблем при разработке реактора, являются затраты на материалы для хранения. Цены на киловатт-час хранимой тепловой энергии все еще слишком высоки, чтобы позволить экономичную работу системы сезонного хранения (Scapino et al., 2017b).

Чтобы преодолеть представленные недостатки обсуждаемых технологий долгосрочного хранения в зданиях, в этой статье представлена новая технологическая концепция децентрализованной системы долгосрочного хранения.Концепция основана на термохимической реакции, которая заряжается электрической энергией и доставляет тепловую энергию во время фазы разряда. Таким образом, система учитывает фактический необходимый переход от избыточной электроэнергии летом к потребности в тепле зимой. Этот реакционный материал имеет два основных преимущества по сравнению с проанализированными до сих пор термохимическими материалами для сезонного хранения. Во-первых, стоимость реакционного материала ниже в 7-8 раз, а во-вторых, реакция разряда может быть проведена с жидкой водой вместо водяного пара, что улучшает процедуру разгрузки технически и энергетически.В этом документе впервые излагается концептуальная схема процесса этой новой технологии хранения, включая подробное предложение термохимического реактора. На основе потоков энергии и общей ситуации спроса в здании выводятся теоретическая достижимая эффективность, плотности хранения, а также требуемые размеры хранилищ для систем.

Новая концепция сезонного хранения в зданиях

Термохимический складской материал

Как обсуждалось во введении, некоторые термохимические материалы, в основном солевые гидраты и цеолиты, исследуются на предмет сезонного хранения.В настоящее время почти для всех систем материальные затраты по-прежнему являются одним из основных препятствий на пути к выходу на рынок. Напротив, гидроксиды металлов практически не рассматривались для применения в зданиях. Одна из причин этого может заключаться в том, что обычно требуются более высокие температуры реакции, превышающие 200 ° C, что препятствует зарядке этих систем неконцентрирующими солнечными тепловыми коллекторами. Тем не менее, некоторые гидроксиды металлов имеют многообещающие характеристики для сезонного хранения и, согласно нашей новой концепции; процедура зарядки осуществляется от электричества, что позволяет легко повысить температуру зарядки.Таким образом, концепция сезонного хранения, представленная в этой работе, основана на термохимической реакции гидроксида кальция (Ca (OH) ₂). Ca (OH) ₂ разлагается под действием энергии при температуре выше 450 ° C на оксид кальция (CaO) и водяной пар в соответствии со следующим уравнением реакции:

Идея сохранения энергии с помощью реакционной системы была предложена уже несколько десятилетий назад (Ervin, 1977). Если имеется избыточная энергия (например, из возобновляемых источников), выполняется дегидратация гидроксида до оксида (фаза зарядки).Освободившийся водяной пар можно легко отделить от твердого вещества путем конденсации. Энергия сохраняется в течение бесконечного времени в виде химического потенциала оксида кальция. Когда требуется энергия, водяной пар или жидкая вода снова вступают в контакт с оксидом кальция, и начинается экзотермическая обратная реакция, высвобождая энергию (фаза разряда).

Реакционная система представляет особый интерес для целей накопления энергии, поскольку она предлагает несколько преимуществ.Во-первых, этот материал доступен в изобилии по всему миру, а производство извести входит в число крупнейших химических производств в мире. В 2011 году во всем мире было произведено 330 миллионов тонн извести (USGS, 2011). Таким образом, сырье обычно доступно по низкой цене, в настоящее время около 100 евро за тонну. Вместе с теоретической плотностью энергии материала ~ 370 кВтч / т (Afflerbach et al., 2017) система предлагает очень дешевую емкость хранения энергии в размере 0,27 евро / кВтч. Еще одним преимуществом является обратимость реакции, которая была экспериментально продемонстрирована до более чем 1000 циклов (Rosemary et al., 1979) и быстрой кинетики реакции (Schaube et al., 2012). Взяв эти аспекты вместе и добавив, что сам принцип термохимического хранения, как правило, не имеет потерь, материал идеально соответствует всем необходимым критериям для экономичной системы сезонного хранения. Однако применение материала для сезонного хранения в зданиях еще не рассматривалось. Поэтому мы разработали технологическую концепцию децентрализованного долгосрочного хранения энергии в зданиях, которая связывает местное производство электроэнергии с местным спросом на тепловую энергию на основе большого количества реагентов CaO и воды.

Концептуальный проект системы сезонного хранения

На рис. 2 показана концептуальная схема процесса системы хранения. Система состоит из одного контейнера для хранения материала, системы транспортировки материала, термохимического реактора и резервуара для хранения горячей воды. Базовая операционная стратегия для зарядки: если подача электроэнергии от возобновляемых источников энергии (например, солнечных панелей на крыше или даже от сети по низкой цене) превышает потребность дома в электроэнергии, начинается операция зарядки накопителя.Гидроксид кальция переносится из емкости для хранения в реакторную установку. Реактор нагревают электрически до температуры выше 450 ° C, чтобы провести дегидратацию гидроксида кальция. Во время обезвоживания водяной пар освобождается от твердого материала. Исходя из нашего собственного опыта работы с реакторами лабораторного масштаба, мы можем утверждать, что сетка тонкого фильтра с размером пор 5 мкм в достаточной степени отделяет частицы хранящегося материала от реакционного газа (Cosquillo Mejía et al., 2020). Таким образом, выпущенный пар представляет собой чистую незагрязненную воду.Пар сначала охлаждается в подогревателе до 100 ° C, а затем конденсируется в теплообменнике (HEX1, рис. 2) до 40–60 ° C. Температура конденсации определяет давление водяного пара в реакторе и, следовательно, температуру реакции. Даже при конденсации при 60 ° C соответствующее давление пара составляет 200 мбар, а соответствующая равновесная температура реакции составляет 430 ° C. Таким образом можно контролировать температуру загрузки в реакторе 450 ° C. Расстояние 20 Кельвина до температуры равновесия является разумным для достижения достаточно быстрой кинетики реакции.Кроме того, принцип действия позволяет полезную интеграцию тепловой энергии, в основном тепла конденсации пара, которое обязательно происходит во время процесса зарядки для зарядки бака с горячей водой здания. После того, как энергия, содержащаяся в воде, будет извлечена, охлажденную воду можно легко слить в раковину.

Рисунок 2 . Концептуальный дизайн процесса для децентрализованной сезонной системы термохимического хранения на основе реакционного материала гидроксида кальция.

Явная энергия пара и горячего аккумулирующего материала обменивается в подогревателе для нагрева Ca (OH) ₂ перед его поступлением в реактор. Обратите внимание, что мы предлагаем полунепрерывный периодический процесс, таким образом, происходит обмен явным теплом материала при обмене партиями материала после завершения реакции. Подогреватель может быть выполнен в виде твердотельного теплообменника. Во время реакции явное тепло пара будет передано следующей партии материала для хранения холода в подогревателе.После завершения реакции на короткое время подают поток азота, передающий явное тепло материала в реакторе свежей загрузке Ca (OH) ₂ в подогревателе.

Фаза хранения начинается с транспортировки CaO. В контейнере CaO может храниться при комнатной температуре в течение бесконечного времени без потери энергетического содержания своего химического потенциала. Чтобы свести к минимуму требуемый объем и инвестиционные затраты на контейнер для длительного хранения, мы предлагаем использовать только один контейнер для обоих материальных состояний CaO и Ca (OH) _2. В технической реализации объем, доступный для каждого материала, можно регулировать с помощью подвижной стенки или гибкой пленки внутри контейнера.

Идея заключается в том, что процедура зарядки выполняется каждый раз, когда имеется избыток электроэнергии. Например, летом каждый день производится CaO, и, таким образом, количество энергии, затрачиваемой на долгосрочное хранение, постоянно увеличивается в течение этого периода. Этот принцип работы позволяет реактору потреблять небольшую мощность для зарядки около 5–10 кВт, но в конце периода зарядки большое количество тепловой энергии сохраняется и используется для обогрева.

Стратегия разряда зимой сравнима с зарядкой: только если потребность здания в тепле не может быть удовлетворена за счет имеющихся возобновляемых источников энергии, система долгосрочного хранения переходит в режим разряда. Теперь для процедуры выгрузки CaO транспортируется из контейнера в реактор. В реактор к порошку оксида кальция добавляют жидкую воду, которую можно брать из-под крана. Немедленно начинается экзотермическая обратная реакция с выделением тепла при ~ 100 ° C.Через второй водяной контур выделяющееся тепло экзотермической реакции передается в резервуар для горячей воды, который, в свою очередь, поставляет тепловую энергию в здание. Ca (OH) ₂ транспортируется обратно в контейнер и остается там до тех пор, пока не появится избыток возобновляемой электроэнергии для начала зарядки материала.

Разработка реактора

Как уже упоминалось, сезонная система хранения должна быть чрезвычайно дешевой, чтобы амортизировать общее количество циклов с малым числом циклов.Для представленного концепта стоимость складского материала даже для больших емкостей практически ничтожна. Таким образом, реактор вызывает основные капиталовложения. Поэтому мы стремились разработать компактную конструкцию реактора с высокой удельной мощностью. Для достижения этих целей были сделаны допущения, основанные на определении тепловой мощности реактора уравнением Q˙ = k * A * ΔT. Требуемая поверхность теплообмена (A) обычно оказывает наибольшее влияние на стоимость реактора, поэтому ее следует минимизировать.С этой точки зрения увеличение либо коэффициента теплопередачи (k), либо разности температур (ΔT), либо того и другого, приведет к уменьшению требуемой поверхности теплообмена. Увеличение разницы температур кажется самым простым способом, но для химических реакций требуемая температура реакции ограничивает эту меру. Например, для дегидратации Ca (OH) ₂ требуется минимальная температура 450 ° C (Schmidt M. et al., 2017) при атмосферном давлении, чтобы обеспечить достаточно быструю реакцию.Это означает, что если максимальная температура источника тепла составляет 600 ° C, разница температур составляет 150 К. Дальнейшее повышение температуры источника тепла приведет к более высоким требованиям к стальным сплавам реактора, что, в свою очередь, значительно увеличивает затраты. Как следствие, удельную мощность можно увеличить только за счет улучшенного коэффициента теплопередачи k.

Хорошо известно, что в неподвижных слоях с косвенным нагревом коэффициент теплопередачи обычно определяется низкой теплопроводностью реакционного материала 0.1 Вт / мК. Реакторы с псевдоожиженным слоем обещают гораздо больший коэффициент теплопередачи. Однако псевдоожижение материала также требует больших объемных потоков газа, что снижает энергоэффективность процесса хранения. Кроме того, требуются дополнительные устройства для отделения псевдоожижающего газа от частиц, что делает эту концепцию более осуществимой для промышленных приложений, чем небольшие децентрализованные системы в зданиях. Одним из заключительных критериев проектирования было то, что система должна работать с базовым промышленным содержанием Ca (OH) ₂.Материал промышленного класса обычно представляет собой очень мелкий порошок со средним диаметром частиц 5 мкм. Реактор, который может работать с порошком Ca (OH) ₂ / CaO, имеет то преимущество, что не требуется никаких модификаций материала, таких как гранулирование или добавление добавок, улучшающих текучесть. Таким образом, материал остается в своей естественной форме, и при таком подходе сохраняется внутреннее преимущество доступности в больших масштабах при низкой стоимости.

На основании этих соображений мы разработали новую концепцию реактора с целью достижения очень высокого коэффициента теплопередачи, но с минимальным увеличением сложности реактора.Основной подход заключался в механическом перемешивании порошкового материала в реакторе. Это должно изменить доминирующий механизм теплопередачи с теплопроводности через неподвижный слой частиц на теплопередачу, в которой преобладает контакт между отдельными частицами и поверхностью теплообмена. Дополнительным ограничением нашей системы является то, что одна и та же поверхность теплообмена должна использоваться для процедуры электрического заряда, а также для процедуры теплового разряда, опять же, чтобы минимизировать сложность и необходимые поверхности для теплообмена.

На рис. 3 показан окончательный вариант разработанного реактора. Основная идея заключалась в том, чтобы адаптировать концепцию смесителя с лемехами плуга, известную по процессам смешения в химической промышленности, для создания компактного термохимического реактора-накопителя энергии. Складывающийся материал через входной фланец беспрепятственно попадает в реакционную камеру. Здесь лапы плуга вращаются с регулируемой скоростью, создавая так называемый псевдоожиженный слой с механической поддержкой. Таким образом, частицы интенсивно перемешиваются, и каждая частица сразу же вступает в прямой контакт с поверхностью теплообмена (окружающей оболочкой).Кожух представляет собой теплообменник с двойными стенками (см. Рис. 3), поскольку он выполняет две разные функции. Для процесса зарядки внешняя оболочка нагревается до 600 ° C с помощью электрических нагревательных проводов, обеспечивающих необходимую энергию для реакции дегидратации.

Рисунок 3 . Термохимический реактор-накопитель для электрической зарядки и термического разряда с жидкой водой.

Для отвода технологической жидкости вода впрыскивается через форсунку, расположенную во входном фланце материала.Мелкая струя воды вместе с вращающимися лемехами плуга помогает равномерно распределить воду в реакционной камере. Обратите внимание, что процесс выпуска жидкой воды отличается от хорошо опубликованных исследований реакции с определенным парциальным давлением пара. CaO также вступает в реакцию с водой в жидком состоянии, и использование пара не обязательно. Тем не менее, может случиться так, что из-за выделения тепла некоторые капли воды испаряются, создавая в реакторе туман, похожий на атмосферу.Максимальное количество воды, которое может быть поглощено CaO, добавляется, таким образом, после завершения реакции в реакторе снова присутствует только мелкий порошок Ca (OH) ₂. Тепло, выделяющееся при экзотермической реакции, поглощается потоком теплоносителя, который можно регулировать внутри оболочки реактора. Регулируя впрыск воды для реакции и объемный расход теплоносителя, можно контролировать температуру в реакторе. Этот новый принцип работы разряда будет экспериментально проанализирован с точки зрения управляемости технологической температуры в предстоящих работах с этим реактором.

Выход материала расположен в нижней части реактора и оборудован скользящим затвором. Замок сдвигается вниз, когда материал полностью прореагировал, и система вакуумной транспортировки удаляет материал из реакционной камеры. Вакуумные конвейеры могут легко обрабатывать мелкие частицы порошка и имеют низкие энергетические затраты. Необходимая дополнительная энергия для конвейера зависит от транспортной длины и обычно находится в диапазоне 1–3% от энергосодержания транспортируемого материала.

Реактор имеет внешний диаметр 0,35 м и длину 0,3 м. Поверхность теплообмена внутренней оболочки составляет 0,26 м ², а объем ~ 20 л. Согласно литературным данным, в слоях с механическим псевдоожиженным слоем могут быть достигнуты коэффициенты теплопередачи 300 Вт / м ² К. С учетом разницы температур в 150 K поверхность теплообмена 0,22 м. ² потребуется для тепловой мощности 10 кВт, что является целевой мощностью, необходимой для дома на одну семью.Из этих размеров становится ясно, что реактор компактен и по объему легко поместится в существующие технические помещения в здании. Однако, если теоретически будет достигнута плотность мощности, все еще необходимо будет доказать экспериментально, что в настоящее время находится в стадии подготовки.

Энергетический баланс и теоретическая эффективность

Чтобы оценить возможную эффективность системы, необходимо более внимательно изучить потоки массы и энергии во время процесса. На рисунке 4 показаны потоки энергии во время процедуры зарядки.Стрелки с левой стороны представляют собой удельное количество энергии, необходимое для нагрева Ca (OH) ₂ от 20 до 500 ° C (47,3 кДж / моль _{Ca (OH) 2}) и энтальпию реакции [ 104,4 кДж / моль _{Ca (OH) 2}]. В правой части представлены потоки энергии из реактора. Синяя стрелка символизирует водяной пар, покидающий реактор. Пар содержит явное тепло (18,1 кДж / моль _h3O) для охлаждения с 500 до 100 ° C. Большая часть, 40,6 кДж / моль _h3O, представляет собой энтальпию конденсации, которая выделяется во время конденсации при постоянной температуре.Горячий CaO, выходящий из реактора, содержит 87 кДж / моль _CaO, из которых 22 кДж / моль _CaO представляет собой физическую теплоту охлаждения от 500 до 20 ° C, а 65 кДж / моль _CaO сохраняется в качестве химического вещества. потенциал оксида кальция.

Рисунок 4 . Энергия перетекает во время дегидратации Ca (OH) ₂ в CaO и водяной пар.

Представленный энергетический баланс показывает, что во время процедуры зарядки возникают потоки энергии трех различных видов: явная теплота массовых потоков, теплота конденсации пара и химический потенциал CaO.Только химический потенциал может храниться сезонно, а явная и скрытая тепловая энергия должна быть напрямую интегрирована для достижения разумной эффективности хранения.

Для удовлетворения этого требования, как показано на Рисунке 4, часть явного тепла водяного пара и СаО (вместе 40,1 кДж / моль) непосредственно рекуперируется для предварительного нагрева гидроксида. Для нагрева гидроксида от 20 до 500 ° C требуется 47,3 кДж / моль _{Ca (OH) 2}. Таким образом, рекуперация снижает требуемую энергию для нагрева гидроксида до 7.2 кДж / моль _{Ca (OH) 2} (сравните рисунок 4). Добавляя энтальпию реакции 104,4 кДж / моль _{Ca (OH) 2}, общая энергия, подводимая электрически, составляет 111,6 кДж / моль _{Ca (OH) 2}. Оставшиеся 46,6 кДж / моль _h3O явная и скрытая теплота водяного пара может быть использована для производства горячей воды для бытовых нужд (сравните Рисунок 2), которая также необходима в летнее время. И, наконец, 65 кДж / моль _CaO отправлены на длительное хранение. Если теперь связать потоки выходной энергии с вложенной энергией 111.6 кДж / моль _{Ca (OH) 2}, предполагая идеальную рекуперацию, цифры показывают, что ~ 42% электрической энергии преобразуется в тепловую энергию (явную и скрытую) и ~ 58% в химический потенциал. Или выраженная в количествах энергии, система преобразует 1 кВтч доступной электроэнергии в 0,42 кВтч непосредственно используемой тепловой энергии и 0,58 кВтч сезонно накопленной энергии. Пока что это идеальный вариант без учета потерь на преобразование и теплообмен. Тем не менее, соотношение определяет важнейшую характеристику системы хранения, поскольку значения фиксированы и определяются свойствами задействованных реагентов.Значения описывают собственный максимум, которого можно достичь с помощью реакционной системы, и два потока энергии, полученные в процессе зарядки, можно описать следующими уравнениями:

Общая эффективность хранения, включая потери в теплообменнике

Для этого первого анализа потенциала разумно пренебречь эффективностью преобразования входящей электрической энергии в тепловую энергию, поскольку эффективность преобразования электрических нагревателей потенциально близка к 100%.Химическая энергия, запасенная в CaO ( q _{долгосрочное хранение}) при температуре окружающей среды, также не теряет со временем. Предварительные исследования реакции показали, что кинетика реакции при температуре выше 450 ° C является быстрой и не ограничивает процесс зарядки.

Потери энергии, которые будут играть значительную роль в реальной системе, — это потери из-за теплообмена и интеграции явного и скрытого тепловых потоков во время процесса зарядки.Один теплообменник (HEX1, рис. 2) требуется для непосредственной интеграции тепла конденсации для производства горячей воды. Чтобы учесть эти потери, уравнение 1 необходимо умножить на коэффициент эффективности теплообмена (η _{HEX 1}). Полезная тепловая энергия системы аккумулирования — это сумма энергии, сохраненной при долгосрочном хранении, плюс энергия, непосредственно используемая для производства горячей воды для бытового потребления во время операции зарядки. С учетом КПД теплообменника его можно отнести к:

Теплообмен также требуется для рекуперации явного тепла реагентов ( q _{рекуперация} = 40.1 кДж / моль , выход из реактора) для предварительного нагрева Ca (OH) ₂ ( q _{для предварительного нагрева} = 47,7 кДж / моль _{Ca ( OH) ) 2}, вход в реактор). Количество рекуперируемой энергии будет снижено из-за эффективности теплообменника для рекуперации (η _{рекуператор}). Разница между рекуперированной энергией и энергией, необходимой для предварительного нагрева, а также энтальпия реакции обеспечивается электрическими нагревателями.Таким образом, ввод электроэнергии в систему определяется как:

Для теплообменников предполагается КПД 95% (η _{рекуперация} = η _{HEX 1} = 0,95). Теоретическая общая эффективность системы хранения теперь может быть рассчитана путем соотнесения полезной выходной тепловой энергии с требуемой потребляемой электрической энергией, таким образом, как частное по уравнениям 3 и 4:

Может быть достигнута общая эффективность системы хранения 96%. Понятно, что это скорее идеализированное максимальное значение, реальная эффективность должна быть подтверждена экспериментально и предположительно ниже. В частности, эффективность теплообменника 95% — это скорее верхний предел, но недавнее исследование показало, что если теплообменник специально разработан для применения, эффективность регенерации может быть достигнута 95% (Костюков и др., 2019). Более того, реальная эффективность теплообменников и реактора еще не известна, и цель этого первого теоретического анализа — определить теоретический потенциал системы.Также был выявлен фундаментальный принцип работы, который следует применять в моделях для более детального моделирования систем. Значение эффективности служит отправной точкой для оценки качества лабораторной системы, которую мы в настоящее время вводим в эксплуатацию.

Помимо этого, анализ выявляет эффект, который оказывает серьезное влияние на эффективность системы хранения в реальном приложении: вопрос, какая часть тепловой энергии, возникающей во время фазы зарядки, действительно может быть напрямую использована в здании.Влияние на эффективность анализируется более подробно в тематическом исследовании в главе 2.4, с учетом основных предположений относительно потребности здания в тепле.

Плотность хранения

Из баланса энергии, выполненного в предыдущем разделе, было подсчитано, что 65 кДж / моль сохраняются при длительном хранении. Можно предположить, что эту часть энергии можно полностью использовать для отопления помещений в зимнее время. Это связано с тем, что он хранится без тепловых потерь и будет высвобождаться только тогда, когда в здании есть потребность в тепле.Кроме того, поскольку реакция запускается жидкой водой из-под крана, во время операции слива не требуется дополнительной тепловой энергии. Значение из энергетического баланса может быть подтверждено путем расчета теоретической энтальпии обратной реакции по стандартным энтальпиям образования из задействованных реагентов (энтальпии образования и ссылки, приведенные в таблице 1):

Таким образом, это значение также фиксируется задействованными реагентами и определяет плотность хранения части долгосрочного хранения, которая также может быть связана с массой CaO следующим образом:

Гравиметрическая плотность энергии связана с CaO и экзотермической реакцией с жидкой водой. По этому значению может быть определена масса, необходимая для определенного количества тепловой энергии при длительном хранении. Однако для определения необходимого объема системы хранения объемная плотность энергии является определяющим фактором. Объемная плотность энергии должна быть связана с Ca (OH) ₂, потому что гидроксидный материал имеет более низкую плотность. И ясно, что после фазы зимнего слива весь оксид превращается в гидроксид, который должен поместиться в емкость для хранения.Кроме того, для определения объемной плотности энергии важно учитывать объемную плотность гидроксида. Основная масса несжатого порошкового материала имеет очень высокую пористость 0,75, что приводит к насыпной плотности ~ 540 кг / м ³. Незначительное сжатие порошкового материала перед хранением может снизить пористость до 0,6, что приведет к более высокой насыпной плотности 880 кг / м ³. Таким образом, объемная плотность энергии может быть рассчитана в возможном диапазоне в соответствии с достижимой объемной плотностью на этапе хранения:

С помощью рассчитанной плотности энергии можно оценить требуемый объем резервуара для хранения в зависимости от потребности здания в тепле (в зимний период).

Таблица 1 . Характерные значения реакционной системы.

Расчетный проект системы для применения в односемейных домах

Режимы работы

Как уже обсуждалось, интеграция тепловой энергии, выделяющейся в процессе зарядки, оказывает серьезное влияние на эффективность системы хранения. Поэтому сейчас мы обсудим различные стратегии работы системы с учетом некоторых основных граничных условий для потребности здания в горячей воде и тепле помещений.

Первая операционная стратегия заключается в том, что система аккумулирования заряжается только до тех пор, пока тепловая энергия, выделяемая во время процесса зарядки, требуется для ежедневного производства горячей воды для бытового потребления. Потребность в горячей воде ( Q _{горячей воды, ежедневно}) постоянна каждый день в году и в основном зависит от количества людей в здании. Исходя из этого предположения, напрямую используемую тепловую энергию в день (кВтч) можно установить равной дневной потребности в горячей воде:

Используя уравнение 6 и уравнение 2 в уравнении 5, эффективность можно описать как:

Если система должна работать с максимально возможным КПД 96% (теперь это называется номинальным режимом работы с ε _{номинальным} = 0,96), максимальное количество электроэнергии, которое может быть включено в систему хранения каждый день, может быть уменьшено. рассчитывается путем транспонирования уравнения 7 в:

Расчет показывает, что для номинального режима работы максимальное дневное количество электроэнергии ограничено 2.В 63 раза превышает суточную потребность здания в горячей воде. Обратите внимание, что потери из-за теплообменников (η _{HEX 1} и η _{, рекуперация}), как описано в разделе «Материал для термохимического хранения», учитываются в этом уравнении, устанавливая номинальное значение ε = 0,96.

Исходя из предела ежедневного ввода электроэнергии, максимальная емкость накопителя энергии, которая заряжается в долгосрочное хранилище в день ( C _{долгосрочная зарядка, ежедневная}), ограничена и может быть рассчитана путем применения Уравнение 2:

Вторая стратегия работы заключается в том, что заряд накопителя продолжается до тех пор, пока имеется избыток электроэнергии, даже если потребность в горячей воде для бытового потребления уже удовлетворена. Это означает, что избыточная тепловая энергия во время процесса зарядки должна отводиться в окружающую среду. Следовательно, часть энергии теряется, и общая эффективность хранения снижается. Согласованность можно увидеть в уравнении 8. Когда ежедневная потребность в горячей воде постоянна, но электрическая энергия увеличивается до значения, превышающего номинальное количество электрической энергии (или, другими словами, более 2.В 63 раза больше суточной потребности в горячей воде), общая эффективность хранения снижается. Однако, даже несмотря на то, что общий КПД снижается, рабочий режим позволяет интегрировать больше электроэнергии и, таким образом, также позволяет заряжать большую емкость тепловой энергии в долгосрочное хранилище. Чтобы лучше понять влияние этих режимов работы, мы приводим конкретные цифры для различных сценариев энергопотребления здания.

Проектирование системы, связанное с потреблением энергии в зданиях — пример из практики

Практический пример основан на упрощенных предположениях относительно спроса на здания.Однако цифры дают первое представление о возможностях системы. Согласно исследованию Fuentes et al. суточную потребность в горячей воде для бытового потребления для домохозяйства из 3 человек можно оценить примерно в 10 кВтч / день (Fuentes et al., 2018). Применяя это значение в Уравнении 8 и Уравнении 9, можно рассчитать максимальную дневную энергию заряда, а также максимальную тепловую энергию, передаваемую в долгосрочное хранилище.

На рис. 5 показано количество энергии для различных режимов работы.Для номинального режима работы электрическая энергия, которая может быть заряжена в системе хранения, должна быть ограничена до 26,3 кВтч, чтобы поддерживать максимально возможный КПД 96%. Количество энергии соответствует 2,6 часа полной нагрузки фотоэлектрической установки _пик мощностью 10 кВт. Для систем _пик мощностью 10 кВт требуется ~ 80 м поверхности крыши ², и они представляют собой разумный размер для установок в Германии. Количество тепловой энергии, передаваемой в долгосрочное хранилище, ограничено 15.25 кВтч в день. Одновременно 10 кВт-ч тепловой энергии, которая возникает в процессе зарядки, используется для производства горячей воды. Еще 1,05 кВтч представляют собой тепловые потери из-за теплообмена.

Рисунок 5 . Ежедневные объемы энергии для потерь, производства горячей воды и зарядки для длительного хранения для различных количеств общей использованной электроэнергии для зарядки.

Для второго режима работы предполагается, что для зарядки накопителя расходуется в 1,5 и 2 раза больше электроэнергии, чем в номинальном режиме работы.Таким образом, для зарядки накопителя используется в общей сложности 39,45 и 52,6 кВтч электроэнергии, что соответствует 4 и 5,3 часам полной нагрузки фотоэлектрической системы (сравните Рисунок 5). Как уже упоминалось, это означает, что зарядка продолжается, даже если потребность здания в горячей воде уже удовлетворена, а избыточная тепловая энергия должна отводиться в окружающую среду. Эффект от этого режима работы можно увидеть, сравнив различные доли энергии на Рисунке 5. Хотя потребность в горячей воде остается постоянной и составляет 10 кВтч в день для каждого случая, общее количество энергии, заряженной при долгосрочном хранении, увеличивается с увеличением ввод электроэнергии, но его доля остается на уровне 58%.Как упоминалось ранее, это внутренняя ценность из-за природы реагентов. Оставшаяся разница между энергией для длительного хранения и количеством для производства горячей воды — это потери энергии. Потери на рисунке представляют собой сумму потерь теплообменника и избыточной тепловой энергии, которую необходимо отвести в окружающую среду. Видно, что с увеличением часов работы доля этих потерь увеличивается и, следовательно, эффективность системы хранения падает до 0,83 и 0.77 для типичных примеров работы.

Для расчета общей энергоемкости, заряженной в долгосрочное хранилище в течение всего летнего периода, значения суточной энергии, заряженной в долгосрочное хранилище, приведенные на Рисунке 5, можно умножить на количество дней зарядки. Для номинального режима работы общая заряженная емкость хранилища будет составлять от 1525 до 2745 кВт · ч, если предположить, что необходимая возобновляемая электроэнергия доступна в течение от 100 до 180 дней в течение лета.Для второго режима работы суточное количество энергии в длительном хранении увеличивается до 22,88 или 30,51 кВтч при КПД 83 или 77%. Соответственно, общая начисленная тепловая энергия составит 4 118–5 491 кВт · ч после 180 дней зарядки. Из значений становится очевидной общая характеристика системы хранения. Если необходимо поддерживать высокую эффективность хранения, заряженная емкость при длительном хранении ограничена и зависит от потребности в энергии для горячей воды. В хранилище можно заряжать большее количество энергии, но только ценой более низкой эффективности хранилища.

Влияние на возможности системы хранения

Согласно энергетическим нормам для новых зданий в Германии, потребность в тепле для зданий, построенных после 2009 года, должна находиться в диапазоне 15 кВтч / м ² a (стандарт пассивного дома) и 90 кВтч / м ² a . В то время как средняя потребность в тепле для новых домов в 2015 году составляла 44 кВтч / м 2 ² a (База данных ODYSEE MURE, 2015). Предполагая, что площадь жилого помещения составляет 100 м ², годовая потребность в тепле будет составлять от 1500 кВтч для пассивного стандартного дома до 4 400 кВтч для среднего современного здания.Связав потребность в тепле в помещении с нашей расчетной накопленной тепловой энергией для различных сценариев, мы можем увидеть в целом хорошую согласованность. Несмотря на то, что система работала с максимальной эффективностью 96% и всего за 100 доступных дней зарядки, накопленной емкости было бы достаточно, чтобы покрыть все потребности помещения в тепле самого энергоэффективного здания. При эксплуатации системы с более низким КПД (77%) и при условии 180 дней зарядки накопленной мощности будет примерно достаточно для покрытия потребности в тепле среднего современного здания.Принимая во внимание плотность энергии для сжатого порошка, рассчитанную в 2.3, требуемые объемы хранения варьируются от ‘7 до 25,5 м ³ для анализируемых случаев.

В дополнение к материалу для хранения также требуется вода для проведения экзотермической обратной реакции. Основываясь на молярных массах, приведенных в таблице 1, количество воды, необходимое на 1 кВт · ч тепловой энергии, можно рассчитать как ~ 1 кг _воды / кВт · ч. Следовательно, для расчетной емкости накопителя энергии необходимое количество воды для всего периода нагрева соответствует до 1,525–5,491 кг _вода или ~ 1.5–5,5 м ³. Для сравнения, годовое водопотребление на одного человека в среднем составляет 46,3 млн. ³. Цифры показывают, что количество воды, необходимое для реакции, можно набрать из-под крана, так как это увеличит общее потребление воды домохозяйством из четырех человек всего на 3%. Забор воды из-под крана также имеет то преимущество, что воду, которая высвобождается во время процедуры зарядки, не следует хранить и ее можно сливать в бытовую раковину.

Одним важным моментом, которым пренебрегли в этой первой оценке, является влияние непостоянства доступной возобновляемой энергии на эффективность системы.В общем, система будет способна быстро реагировать на колебания мощности, регулируя массовый расход (ввод) реагентов в проектном диапазоне мощности реактора (например, 1–10 кВт). Важно только, чтобы во время зарядки больше не возникало периодов действительно нулевой электрической мощности, поскольку это привело бы к полному охлаждению всей системы. Чем чаще необходимо нагревать реактор по сравнению с часами работы, тем больше потери из-за фазы нагрева (массы стали реактора) могут повлиять на общий КПД.Следовательно, для оценки этого воздействия требуется подробный анализ системного моделирования, например, с почасовым (или даже более высоким) разрешением, с учетом имеющихся погодных данных. Кроме того, в настоящее время изучается, как алгоритмы прогнозирующего управления на основе прогноза погоды помогут спланировать работу реактора на следующий день и, таким образом, минимизировать эти потери.

Подводя итоги оценок, становится ясно, что эффективность, а также требуемый объем хранилища в целом не могут быть указаны.Требуется подробное ежегодное моделирование, в котором учитываются потребности зданий в тепле и наличие возобновляемой электроэнергии с почасовым разрешением. Подобные симуляции в настоящее время продолжаются и позволят сделать более надежные прогнозы конструкции системы хранения. Также ясно, что в идеале система хранения, а также фотоэлектрическая установка должны иметь размер в зависимости друг от друга, применяя экономическую оптимизацию. Однако представленные соображения показывают, что система способна обеспечить преобразование и сезонное хранение возобновляемой электроэнергии в тепло с потенциально высокой эффективностью хранения и при приемлемых размерах хранилища.

Для экспериментальной проверки разработанных многообещающих теоретических характеристик системы хранения и демонстрации технологической реализуемости концепции была разработана полнофункциональная пилотная установка, которая в настоящее время введена в эксплуатацию в нашем институте.

Выводы

В этом документе представлена разработка новой концепции, которая объединяет секторы электроэнергии и тепла с помощью экономичной и энергоэффективной системы долгосрочного хранения. Концепция основана на термохимической реакции гидроксида кальция с оксидом кальция и водяным паром, который никогда не рассматривался как сезонное хранилище для зданий.В отличие от ранее представленных концепций сезонного хранения для зарядки системы хранения используется не солнечная тепловая энергия, а возобновляемая электроэнергия. Несмотря на то, что солнечные тепловые коллекторы имеют более высокий КПД от солнечной до низкотемпературной тепловой энергии, чем системы отопления, основанные на солнечной электроэнергии, этот подход имеет многообещающие преимущества. Принцип, основанный на электричестве, в целом допускает более высокие температуры реакции и, следовательно, более высокие плотности энергии реактивных материалов. Более того, в нашей концепции реакция разряда может быть выполнена с жидкой водой, которая напрямую заменяет приготовление водяного пара для реакции разряда в зимнее время — внутренняя потеря энергии для всех ранее описанных сезонных термохимических систем хранения.Последнее упомянутое также различные источники возобновляемых источников энергии, например периоды перепроизводства ветряных электростанций, могут быть уравновешены системой хранения, обеспечивая столь необходимую стабилизацию сети.

Общий энергетический баланс процесса зарядки выявил важную характеристику термохимической системы хранения: максимум 58% потребляемой электроэнергии преобразуется в химический потенциал и может храниться сезонно. Оставшиеся 42% подводимой энергии преобразуются в явную и скрытую тепловую энергию реагентов, и их необходимо использовать непосредственно во время периода зарядки.Полученные уравнения служат основой для более подробного ежегодного моделирования работы системы хранения в зданиях.

Принимая во внимание общую характеристику концепции хранения, были определены и проанализированы два различных общих принципа работы. В первом режиме работы зарядка осуществляется только до тех пор, пока отработанное тепло может использоваться для удовлетворения потребности здания в горячей воде. В этом режиме работы система хранения может работать с максимальной эффективностью ~ 96%, но доступная в хранилище энергоемкость после периода зарядки ограничена.Тем не менее, результаты, основанные на упрощенных предположениях о характеристиках спроса и предложения в зданиях, показали, что потенциально может храниться 1 525 кВт тепловой энергии, чего будет достаточно для покрытия значительной части потребности в тепле в энергоэффективных современных односемейных зданиях. Представленный принцип работы в целом нов, поскольку заряд накопителя адаптирован к потребностям здания в тепле в летнее время. В отличие от этого, рассмотренные до сих пор сезонные системы хранения всегда заряжаются избыточной солнечной тепловой энергией только после того, как потребность здания в тепле уже удовлетворена.Таким образом, предлагаемый принцип имеет то преимущество, что все тепловые потоки, как во время зарядки, так и во время разрядки, эффективно интегрируются для удовлетворения потребности здания в энергии. Это одна из причин, по которой для сезонной системы хранения может быть достигнута сравнительно очень высокая эффективность хранения тепла.

Второй рабочий режим позволяет продолжать процесс зарядки, пока имеется избыток электроэнергии, даже если избыток тепловой энергии необходимо отводить в окружающую среду. Эта операция позволит спроектировать фотоэлектрическую систему и систему хранения в соответствии с тем, что накопленная тепловая энергия после периода зарядки достаточна для покрытия всей потребности в тепле в зимнее время.Таким образом, система будет способна обеспечить 100% автаркическое покрытие потребности в тепле в течение всего года, но это возможно только ценой более низкой общей эффективности накопления.

Можно резюмировать, что термохимическая реакционная система Ca (OH) 2 является подходящим материалом для хранения сезонной энергии, потому что она очень дешевая, широко доступна, химический потенциал сохраняется без потерь и предлагает плотность хранения 132 –215 кВтч / м ³. Результаты этого исследования показывают, что концепция хранилища способна обеспечить благоприятный сезонный переход от возобновляемой электроэнергии к спросу на тепло зимой, что представляет собой фактическую ситуацию спроса и предложения в здании.Более того, система может помочь снизить нагрузку на местные электрические сети и увеличить долю возобновляемых источников энергии в секторе отопления, тем самым уменьшив выбросы CO ₂. Предстоящие работы будут включать экспериментальную проверку производительности системы хранения на пилотной установке, которая в настоящее время работает в нашем институте. Кроме того, необходимы более подробные моделирование применения системы хранения в жилых домах, чтобы подтвердить ее потенциал для различных сценариев использования.

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без излишних оговорок любому квалифицированному исследователю.

Авторские взносы

MS: основные опытно-конструкторские работы и доработка рукописи. ML: партнер по обсуждению научного содержания. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Afflerbach, S., Kappes, M., Gipperich, A., Trettin, R., and Krumm, W. (2017). Полупроницаемая инкапсуляция гидроксида кальция для термохимических аккумуляторов тепла. Солнечная энергия 148, 1–11. DOI: 10.1016 / j.solener.2017.03.074

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Барин И. (1995). Термохимические данные чистых веществ . Вайнхайм: Wiley-VCH Verlag GmbH.

Google Scholar

Бауэр, Д., Маркс, Р., Нусбикер-Люкс, Дж., Охс, Ф., Хайдеманн, В., и Мюллер-Штайнхаген, Х. (2010). Немецкие центральные солнечные отопительные установки с сезонным накоплением тепла. Солнечная энергия 84, 612–623. DOI: 10.1016 / j.solener.2009.05.013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bundesumweltamt (2019). Erneuerbare Energien в Германии. Daten zur Entwicklung im Jahr 2018.

Коскильо Мехиа, А., Аффлербах, С., Линдер, М., и Шмидт, М. (2020). Экспериментальный анализ инкапсулированных гранул CaO / Ca (OH) 2 в качестве термохимического хранилища в новом реакторе с подвижным слоем. Заявл. Therm. Eng 169: 114961. DOI: 10.1016 / j.applthermaleng.2020.114961

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Economidou, M., Atanasiu, B., Despret, C., Maio, J., Nolte, I., Rapf, O., et al. (2011). Европейские здания под микроскопом. Страновой обзор энергетических показателей зданий . BPIE.

Google Scholar

Эрвин Г. (1977). Накопление солнечного тепла с помощью химических реакций. J. Химия твердого тела .22, 51–61. DOI: 10.1016 / 0022-4596 (77) -8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Fuentes, E., Arce, L., and Salom, J. (2018). Обзор профилей потребления горячей воды для применения в системах и анализе энергоэффективности зданий. Обновить. Поддерживать. Энергия Ред. . 81, 1530–1547. DOI: 10.1016 / j.rser.2017.05.229

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Герберт, П., Херхольд, П., Бурхардт, Дж., Шенбергер, С., Рехенмахер, Ф., Киршнер А. и др. (2018). Klimapfade für Deutschland . BCG.

Костюков А.В., Косач Л.А., Горновский А.С. (2019). «Микротурбина с теплообменником с коэффициентом регенерации 95%», Труды 4-й Международной конференции по промышленному проектированию (Cham: Springer), 2229–2235.

Google Scholar

Крезе, Г., Кожель, Р., Бутала, В., и Стритих, У. (2018) Термохимическое сезонное накопление солнечной энергии для отопления и охлаждения зданий. Энергетическая сборка . 164, 239–53. DOI: 10.1016 / j.enbuild.2017.12.057

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лопес, Э., Шломанн, Б., Рейтер, М., и Эйххаммер, В. (2018). Тенденции и политика в области энергоэффективности в Германии — анализ на основе баз данных ODYSSEE и MURE . Институт системных и инновационных исследований им. Фраунгофера ISI.

Google Scholar

ODYSSEE-MURE. Отраслевой профиль — Домохозяйства 2015 .

Розмарин, Дж.К., Бауэрле Г. Л. и Спрингер Т. Х. (1979). Накопление солнечной энергии с использованием обратимой гидратации-дегидратации CaO-Ca (OH) 2. J. Energy 3, 321–322.

Google Scholar

Скапино, Л., Зондаг, Х. А., Ван Баел, Дж., Дирикен, Дж., И Риндт, К. С. М. (2017a). Сорбционное накопление тепла для долгосрочных низкотемпературных применений: обзор достижений в масштабе материала и прототипа. Заявл. Энергия 190, 920–948. DOI: 10.1016 / j.apenergy.2016.12.148

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Скапино, Л., Зондаг, Х.А., Ван Баел, Дж., Дирикен, Дж., И Риндт, К. С. М. (2017b). Сравнение плотности энергии и стоимости накопительной емкости концептуальных твердотельных и жидкостных сорбционных сезонных систем накопления тепла для низкотемпературного отопления помещений. Обновить. Поддерживать. Энергия Ред. . 76, 1314–1331. DOI: 10.1016 / j.rser.2017.03.101

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шаубе Ф., Кох Л., Вернер А. и Мюллер-Штайнхаген Х. (2012). Термодинамическое и кинетическое исследование дегидратации и регидратации Ca (OH) 2 при высоких парциальных давлениях h3O для термохимического хранения тепла. Thermochim. Acta 538, 9–20. DOI: 10.1016 / j.tca.2012.03.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шмидт М., Гутьеррес А. и Линдер М. (2017). Термохимический накопитель энергии с CaO / Ca (OH) 2 — экспериментальное исследование термической способности при низких давлениях пара в лабораторном реакторе. Заявл. Энергия 188, 672–681. DOI: 10.1016 / j.apenergy.2016.11.023

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шмидт, О., Хоукс, А., Гамбхир А., Стаффелл И. (2017). Будущая стоимость хранения электроэнергии, основанная на оценках опыта. Nat. Энергия 2: 17110. DOI: 10.1038 / nenergy.2017.110

CrossRef Полный текст

Виейра, Ф. М., Моура, П. С., и де Алмейда, А. Т. (2017). Система накопления энергии для собственного потребления фотоэлектрической энергии в жилых домах с нулевым потреблением энергии. Обновить. Энергия 103, 308–320. DOI: 10.1016 / j.renene.2016.11.048

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уильямс, К.Дж. К., Биндер, Дж. О., Келм, Т. (2012). «Управление спросом с помощью тепловых насосов, аккумуляторов тепла и аккумуляторов для увеличения местного потребления и совместимости фотоэлектрических систем с сетью», — в IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe (Berlin: IEEE), 1–6.

Google Scholar

Сюй Дж., Ван Р. З. и Ли Ю. (2014). Обзор доступных технологий сезонного хранения тепловой энергии. Солнечная энергия 103, 610–638. DOI: 10.1016 / j.solener.2013.06.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Накопитель тепловой энергии с новым решением, предназначенным для снижения нагрузки на сеть — ScienceDaily

Ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) разработали простой способ лучше оценить потенциал новых материалов для хранения или выделения тепла по запросу в вашем доме , офис или другое здание таким образом, чтобы более эффективно управлять использованием энергии в здании.

Их работа, представленная в Nature Energy , предлагает новый метод проектирования, который может сделать процесс отопления и охлаждения зданий более управляемым, менее дорогим, более эффективным и более подготовленным для гибкого управления энергией из возобновляемых источников энергии, что не всегда доставлять энергию тогда, когда она больше всего нужна.

Статья «Возможности скорости и графики Рагона для накопления тепловой энергии с фазовым изменением» была написана Джейсоном Вудсом из NREL вместе с соавторами Эллисон Махви, Анураг Гойал, Эриком Козубалом, Уэйлом Одукомайя и Родериком Джексоном. В документе описывается новый способ оптимизации устройств хранения тепла, который отражает идею, использованную для аккумуляторов, помогая информировать о том, какие новые материалы для аккумулирования тепла необходимы для зданий и как устройства должны быть спроектированы с использованием этих материалов.

Накопление тепловой энергии позволяет зданиям функционировать как огромная батарея, сохраняя тепловую энергию в новых материалах до тех пор, пока ее можно будет использовать позже.Один из примеров — тепловой насос. В то время как электричество изначально необходимо для создания и хранения тепла, тепло используется позже без использования дополнительной электроэнергии.

В другом примере некоторые материалы обладают способностью изменять фазы, например лед, который может переходить из твердого состояния в жидкое. По мере таяния льда он поглощает энергию и охлаждает рабочую жидкость, которую затем можно использовать для охлаждения помещения. Поскольку фазовый переход происходит при почти постоянной температуре, полезная энергия может обеспечиваться или храниться в течение более длительного периода при постоянной температуре.Накопление тепловой энергии обычно очень энергоэффективно «туда и обратно».

Авторы обнаружили, что график Рагона, часто используемый для характеристики аккумуляторов, также хорошо работает для описания потенциальной эффективности различных кандидатов в устройства хранения тепла. График Рагона показывает компромисс между тем, сколько энергии устройство может хранить и его мощностью разряда, или тем, как быстро устройство может выделять энергию. Этот основополагающий подход упрощает сравнение различных материалов, аккумулирующих тепло, или усовершенствований устройств.Он служит отправной точкой для определения целей и является полезным инструментом проектирования для разработки новых материалов и устройств для аккумулирования тепла, которые могут служить в качестве новых альтернативных вариантов аккумулирования энергии.

«Эта структура Ragone обеспечивает рентабельную разработку материалов и устройств для аккумулирования тепла в зависимости от требований к мощности и энергии конкретного приложения», — сказал Джейсон Вудс, старший инженер-исследователь NREL и ведущий автор недавно опубликованной статьи.

Махви, научный сотрудник NREL, сказал, что еще одним преимуществом является использование технологий, которые могут уменьшить отключение электроэнергии в сети. «Большая часть пикового спроса на электроэнергию — особенно летом, когда вы можете увидеть отключения электроэнергии — обусловлена кондиционированием воздуха. Если вы можете перенести этот спрос на другое время дня, вы можете помочь снизить нагрузку на сеть, сохранив сеть работоспособна, но также обеспечивает комфорт людям в помещении «.

«Системы аккумулирования тепловой энергии должны стать более гибкими и адаптируемыми с добавлением производства электроэнергии на месте, зарядки электромобилей и сочетания аккумуляторов тепла с батареями», — сказал Вудс.«Часть этой гибкости требует более высокой мощности, но эта более высокая мощность достигается за счет стоимости доступной энергии, как подчеркивается в данной публикации».

Способ использования накопителя тепловой энергии влияет на его производительность. Ученым необходимо рассмотреть вопросы о том, как лучше всего использовать накопленную энергию для обеспечения комфорта жильцов здания или для различных приложений, таких как поддержание безопасного температурного режима электронного оборудования.

«Какой из них лучше всего подходит для меня и моего приложения, будет зависеть от требований.«Сколько мне нужно хранить и как быстро мне нужно его разряжать?» — сказал Махви. «Эта структура позволит нам оптимизировать системы аккумулирования тепла от материала до масштаба компонентов, чтобы увеличить удельную мощность, сохраняя при этом доступ к такому количеству доступной мощности, насколько это возможно. Это приведет к созданию более эффективных устройств, которые можно будет использовать в широком диапазоне приложений ».

Исследователи разработали компьютерную модель, чтобы понять различные компромиссы в конструкции этих устройств хранения тепла, в том числе те, которые требуют высокой мощности (быстрое высвобождение энергии) и малой мощности (медленное высвобождение энергии).Они также построили прототип устройства для аккумулирования тепла с фазовым переходом, иллюстрирующий этот компромисс между мощностью и энергией на практике.

Управление строительных технологий Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США финансировало это исследование.

Основы всасывающих аккумуляторов в домашних тепловых насосах

Первоначально опубликовано 10 декабря 2013 г.

Для поиска и устранения неисправностей в компонентах системы теплового насоса вы должны сначала понять их.Поскольку большая часть Северной Америки перешла в отопительный сезон, сейчас самое время рассмотреть компонент, обычно встречающийся в бытовых тепловых насосных системах: всасывающий аккумулятор.

Что такое всасывающий аккумулятор?

Накопители на всасывании являются важными компонентами тепловых насосов типа воздух-воздух и воздух-вода.

Что делает всасывающий аккумулятор?

Воздушные тепловые насосы должны поддерживать тонкий баланс и надлежащий контроль жидкого хладагента в условиях низкого нагрева окружающей среды, чтобы обеспечить охлаждение компрессора и избежать чрезмерного обратного перетока хладагента.Если жидкий хладагент может протечь через систему и вернуться в компрессор без испарения, это может вызвать повреждение компрессора. В зависимости от типа компрессора это повреждение может варьироваться от закупорки жидкости, потери масла (в компрессоре) или вымывания подшипника.

Для защиты от обратного потока в системах, уязвимых к повреждению жидким хладагентом, таких как тепловые насосы, функция аккумулятора заключается в улавливании жидкого хладагента до того, как он достигнет компрессора.Когда требуется разморозка змеевика, компрессор подвергается внезапным скачкам жидкости, которые могут создать экстремальные напряжения в системе. Аккумулятор может действовать как приемник во время циклов нагрева и оттаивания, когда дисбаланс системы или перезарядка в полевых условиях может привести к чрезмерному содержанию жидкого хладагента в системе.

Аккумулятор может накапливать хладагент до тех пор, пока он не понадобится, и подавать его обратно в компрессор с приемлемой скоростью. Основные движения хладагента происходят в начале и в конце цикла размораживания, и хотя останавливать это движение не обязательно или даже нежелательно, важно контролировать скорость, с которой жидкий хладагент возвращается в компрессор.Наряду с правильным дозированием гидроаккумулятор может эффективно поддерживать температуру картера или нижней части кожуха в приемлемых пределах. Правильно спроектированный всасывающий аккумулятор может обеспечить отличную защиту от обеих потенциальных опасностей.

Аккумулятор какого типа или размера следует использовать?

Этот компонент должен располагаться на линии всасывания компрессора между испарителем и компрессором. Он должен иметь достаточно большой объем / емкость, чтобы удерживать максимальное количество жидкости, которая может вернуться в него, и иметь условия для положительного возврата масла в компрессор.

Фактическая удерживающая способность хладагента, необходимая для данного аккумулятора, определяется требованиями конкретного применения, и аккумулятор следует выбирать так, чтобы он удерживал максимальное ожидаемое обратное вытекание жидкости. Типичные аккумуляторы, изготовленные для кондиционирования воздуха или коммерческого использования, имеют отверстия для возврата масла размером от 0,0625 до 0,125 дюйма в диаметре. Меньшее отверстие, несомненно, более уязвимо для ограничений со стороны частиц припоя или других посторонних материалов в системе, поэтому было бы целесообразно установить входной экран, особенно в системах с трубопроводами, устанавливаемыми в полевых условиях.Также следует позаботиться о том, чтобы припой и флюс не попали в аккумулятор, поскольку чрезмерное количество посторонних материалов может закупорить измерительное отверстие, эффективно задерживая компрессорное масло в аккумуляторе.

Обратите внимание, что вход хладагента смещен от верха J-трубки. Когда хладагент и масло входят в емкость, происходит разделение по скоростям, и хладагент расширяется из-за окружающей температуры, создавая источник тепла. В этот момент поступающее масло (вместе с любым жидким хладагентом) отделяется от парообразного хладагента и падает на дно.Пар хладагента движется по J-трубке, поскольку компрессор вызывает перепад давления между входом и выходом аккумулятора. Когда хладагент проходит через J-образную трубку, это вызывает эффект Вентури через отверстие, втягивая масло со дна резервуара. Парообразный хладагент переносит масло обратно в компрессор с контролируемой скоростью.

Читать дальше: Руководство подрядчика по ремонту или замене поврежденных наводнением систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха

Высокопроизводительный, легкий и простой в изготовлении теплообменник

Обзор

Исследователи из Лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА разработали усовершенствованный теплообменник, который решает проблемы, обычно связанные с системами на основе металлов.В отличие от типичных металлических теплообменников, которые страдают от высокого теплового расширения и высокой плотности, инновация JPL предлагает несколько улучшенных свойств. Его легкая конструкция с высоким тепловым потоком обеспечивает низкий коэффициент теплового расширения (CTE) & # 8212; и, следовательно, низкие характеристики расширения & # 8212; и снижает падение давления во время теплопередачи. Конструкция может работать с высокотемпературными газами (до 650 ° C). Эта технология прошла успешные предварительные испытания. Разработанная для рекуперации энергии выхлопных газов самолетов, система отвечает требованиям высокотемпературных термоэлектрических генераторов с высокой удельной мощностью и других систем рекуперации энергии для промышленного, автомобильного, военного и космического применения.

Технология

Исследователи из JPL разработали, построили и протестировали инновационный теплообменник, который обеспечивает пониженное тепловое расширение, повышенную конструктивную прочность, низкий перепад давления и улучшенные тепловые характеристики при одновременном снижении веса, присущего типичным теплообменникам. Это нововведение принесет пользу коммерческим термоэлектрическим генераторам, самолетам и промышленным предприятиям (т.е., стекольная, сталелитейная, нефтехимическая, цементная, алюминиевая) промышленности за счет улучшения управления энергопотреблением / эффективности, снижения выбросов углекислого газа и увеличения срока службы системы за счет снижения нагрузки от теплового расширения. Эта проблема Для систем термоэлектрических генераторов требуются высокоэффективные теплообменники с горячей и холодной стороны, чтобы обеспечить перепад температур, необходимый для передачи тепловой энергии, при выдерживании температур до 650 ° C. Поскольку теплообменники на горячей стороне должны иметь высокий тепловой поток, они часто изготавливаются из металлов, таких как нержавеющая сталь или Inconel & # 174; сплавы.Хотя эти материалы могут работать при высоких температурах, противостоять коррозии и химически стабильны, у них также есть несколько недостатков: (1) их более низкая теплопроводность отрицательно влияет на их тепловые характеристики. (2) Их более высокое тепловое расширение приводит к напряжениям, которые нарушают структурную целостность системы. (3) Их высокая масса / объем снижает удельную мощность генераторных систем, в которые они интегрированы. В результате их трудно интегрировать в жизнеспособные системы рекуперации энергии.Они также делают системы ненадежными, недолговечными и подверженными сбоям, вызванным тепловым и структурным расширением. Решение Исследователи JPL решили заменить металл в традиционных теплообменниках графитом, который обеспечивает улучшенное соотношение проводимости и плотности в тепловых приложениях, а также низкий коэффициент теплового расширения. Кроме того, они использовали конструкцию с мини-каналами для дальнейшего повышения тепловых характеристик. Сочетание более современных материалов с инновационным тепловым дизайном привело к значительному повышению производительности.Например, вариант теплообменника JPL объемом 200 см3 и весом 128 г успешно отводил 1100 Вт от выхлопных газов при температуре почти 550 ° C с тепловым потоком примерно 20 Вт / см2 и перепадом давления всего 0,066 фунта на квадратный дюйм. Технология JPL сочетает в себе легкий и высокопрочный графитовый материал с конструкцией мини-канала, которая обеспечивает высокие тепловые характеристики. Дальнейшая разработка и тестирование продолжаются. Inconel — зарегистрированная торговая марка Special Materials Corporation.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Теплоаккумулятор. Нюансы в проектировании и эксплуатации

Расчет теплоаккумулятора для твердотопливного котла

Как я делал расчет теплоаккумулятора для твердотопливного котла

Предыстория

Как рассчитать объём теплоаккумулятора

Как выбрать и подключить теплоаккумулятор для котла

Расчет буферной емкости для котла

Таблица значений отдаваемого тепла при различных объемах бака

Рекомендации по выбору

Простая схема включения с подмешиванием

Схема с гидравлическим разделением

Преимущества и недостатки

Рекомендуем:

Как подключить теплоаккумулятор к твердотопливному котлу своими руками?

Особенности конструкции теплоаккумулятора

Принцип работы накопителя

Расчет теплоаккумулятора для твердотопливного котла

Схема подключения теплоаккумулятора к твердотопливному котлу

Инструкция и видео по подключению теплоаккумулятора к твердотопливному котлу

Теплоаккумулятор для котлов отопления — назначение, расчет и монтаж

Цены на теплоаккумуляторы Hajdu

Цены на теплоаккумуляторы S-Tank

Теплоаккумулятор своими руками — принцип действия, материалы для изготовления

Процесс сборки корпуса теплоаккумулятора

Теплоизоляция корпуса прибора

Изготовление и установка теплообменников согласно требуемой схеме

принцип работы и подключение своими руками

Принцип работы теплоаккумулятора без теплообменника

Достоинства и недостатки отопления с теплоаккумулятором

Типы отопительных систем с теплоаккумулятором и разным количеством змеевиков

Применение различных типов систем

Принцип работы теплоаккумулятора с одним или несколькими змеевиками

Схемы подключения

Подробный видео обзор системы

Принцип работы теплоаккумулятора с внутренним бойлером

Твердотопливный котел отопления и теплоаккумулятор

Расчет объема теплонакопителя

Расчет по формуле

Изготовление твердотопливного котла своими руками

Преимущества использования на предприятиях

Теплоаккумулятор для котлов отопления, принцип работы и расчет

Где применяется аккумулятор тепла и как он устроен

Принцип работы теплоаккумулятора без теплообменника

Принцип работы теплоаккумулятора с одним или несколькими змеевиками

Принцип работы теплоаккумулятора с внутренним бойлером

Твердотопливный котел отопления и теплоаккумулятор

Как сделать теплоаккумулятор своими руками

Сталь или нержавка

Изготовление змеевика

Проверка герметичности

Как сделать теплоаккумулятор для твердотопливного котла из бочки

Что нужно взять

Пошаговое изготовление своими руками

Ещё несколько замечаний

Бюджетный аккумулирующий бак из баллонов

Модернизация теплоаккумулятора

Как подключить

Заключение

Видео: полезная информация об агрегате

Гравий в качестве аккумулятора солнечного тепла . / ППУ XXI ВЕК – Напыление ППУ

Простой метод проектирования систем хранения тепловой энергии — Campos ‐ Celador — 2020 — Хранение энергии

1 ВВЕДЕНИЕ

2 МЕТОДОЛОГИЯ

2.1 Шаг 1: Характеристика процесса

2.2 Шаг 2: Технические характеристики системы TES

2.3 Шаг 3: Характеристика технологии TES

2.3.1 Системы прямого контакта TES

2.3.2 Системы непрямого контакта TES

2.4 Шаг 4: Определение конструкции ТЭС

3 ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР

3.1 Шаг 1: Характеристика процесса

3.2 Шаг 2: Технические характеристики системы TES

3.3 Шаг 3: Характеристика технологии TES

3.3.1 TES с прямым контактом: Бак для горячей воды

3.4 Шаг 4: Определение конструкции TES

3.4.1 Прямой контакт: бак с горячей водой

3.4.2 Непрямой контакт: парафиновый теплообменник с плоской пластиной

4 ВЫВОДЫ

БЛАГОДАРНОСТИ

Накопитель солнечной энергии для дома, фермы и малого бизнеса: предложения по выбору и использованию материалов и оборудования для аккумулирования тепла