Технологии сезонного накопления тепловой энергии (СНТЭ)

Сезонное накопление тепловой энергии (СНТЭ) – способ накопление тепла или холода в период длительностью до нескольких месяцев. Тепловая энергия может накапливаться в любой период, когда она доступна, и использоваться в любой период, когда в ней есть потребность, к примеру – в другой сезон.

Технологии СНТЭ

Тепло с солнечных коллекторов или бросовое тепло с оборудования для кондиционирования воздуха может собираться в случае потребности как в жаркие месяцы, так и в зимние месяцы для отопления помещений. Бросовое тепло после процессов производства может схожим образом накапливаться и использоваться спустя время. Так же естественный холод или холодный воздух могут храниться для кондиционирования воздуха в летнее время.

Хранилища для СНТЭ могут служить в качестве системы централизованного теплоснабжения, так же как и отдельные здания и комплексы. Среди используемых для отопления сезонных накопителей, пиковые годовые температуры, в основном, находятся в диапазоне 27-80C (81-180F), а разница температур, появляющаяся в накопителе в течение года, может составлять несколько десятков градусов.

Некоторые системы используют тепловой насос с целью помочь зарядить и разрядить накопитель во время части или полного цикла. Для охлаждающих комплексов часто используются только циркуляционные насосы.

Менее распространенное название для данного класса технологий – межсезонное накопление тепловой энергии.

Среди примеров центрального отопления – солнечное сообщество Дрэйк Лэндинг, где открытое хранение энергии обеспечивает 97 % от годового потребления без учета тепловых насосов, и датский пруд-накопитель с добавочным напряжением.

Существует несколько типов технологий СНТЭ, охватывающих различные типы сооружений от отдельных небольших сооружений до коммунальных сетей централизованного отопления. В основном, с изменением размеров растет КПД и падает стоимость строительства.

Накопление тепловой энергии под землей

НТЭЗ — накопление тепловой энергии под землей, где средой хранения могут быть геологические пласты между землей или песком и твердой коренной породой, или водоносными горизонтами.

Среди технологий НТЭЗ находятся:

  • НТЭВГ (накопление тепловой энергии в водоносном горизонте). Накопитель для НТЭВГ состоит из пары, как правило – двух и более источников в глубоком водоносном горизонте, который содержится между непроницаемыми геологическими слоями над и под ним. Одна половина пары нужна для извлечения воды, а другая – для повторной закачки, таким образом, в водоносном горизонте сохраняется баланс. Среда хранения тепла (или холода) – вода и субстрат, где она находится.

Здание Рейхстага в Германии с 1999 года отапливается и охлаждается с помощью накопителей НТЭВГ, расположенных в двух водоносных горизонтах на разных глубинах. В Нидерландах уже существует свыше 1 000 систем НТЭВГ, которые обладают стандартной конструкцией. В течение нескольких лет в Колледже Ричарда Стоктона (штат Нью-Джерси) работала серьезная система.

НТЭВГ имеет меньшую стоимость монтажа чем НТЭБС, так как, чаще всего, проделывается меньше скважин, но НТЭВГ требует больших эксплуатационных расходов. Также НТЭВГ требует особенных условий под землей, чтобы быть пригодным к применению, в том числе – наличие водоносного горизонта.

  • НТЭБС (накопление тепловой энергии в буровой скважине). Хранилища для НТЭБС могут быть сооружены везде, где можно просверлить скважины, и, как правило, состоят из одной или сотен вертикальных скважин диаметром 155 мм (6,102 дюйма). Были построены системы всех размеров, в том числе – достаточно крупных.

Слои могут располагаться где угодно от песка до кристаллической скальной породы, и в зависимости от технических условий глубина может варьироваться от 50 до 300 м (164-984 фт). Промежутки могут варьироваться от 3 до 8 метров (9,8-26,2 фт).

Могут использоваться тепловые модели для предсказания изменений температуры в почве, в том числе – создания стабильного температурного режима, который достигается за счет подбора соотношения входа и выхода тепла в течение одного или большего числа годовых циклов.

Высокотемпературные сезонные хранилища тепла могут создаваться с использованием областей скважин для хранения избыточного тепла, извлеченного летом, чтобы активно повышать температуру крупных тепловых емкостей под землей, поэтому зимой тепло может быть извлечено гораздо легче и по гораздо меньшей цене.

Система межсезонной теплопередачи использует циркуляцию воды в трубах, вмурованных в асфальтовых солнечных коллекторах, для передачи тепла в тепловые емкости, созданные в области создания скважины. Тепловой насос, использующий теплоту грунта, применяется зимой для извлечения тепла из тепловой емкости для обеспечения отопления помещения с помощью теплого пола. Высокий КПД поддерживается потому, что тепловой насос запускается при тепловой температуре в 25C (77F) из теплового накопителя, вместо холодной температуры в 10C (50F) из почвы.

С 1995 года в Колледже Ричарда Стоктона работает система НТЭБС при пиковой температуре около 29C (84.2F), состоящая из 400 130-метровых скважин под автостоянкой площадью в 3,5 акра (1,4 га). Потери тепла за шесть месяцев составляли 2 %. Максимальный лимит температуры для системы НТЭБС – 85C (185F) из-за характеристик труб из сшитого полиэтилена, используемых для ПТО, но в большинстве случаев этот лимит не достигается.

Скважины могут заполняться как жидким раствором, так и водой в зависимости от геологических условий, и, как правило, обладают ожидаемым сроком службы свыше 100 лет. И НТЭБС, и связанная с ним система централизованного отопления могут постепенно увеличивать мощность после начала работы, как в немецком Неккарзульме.

Системы НТЭБС, как правило, не причиняет вред используемой почве и может быть построен под зданиями, сельскохозяйственными угодьями и автостоянками. В качестве примера служит один из нескольких видов СНТЭ, показывающий отличную способность к межсезонному накоплению тепла. В канадской провинции Альберта, домохозяйства солнечного сообщества (работает с 2007 года), получает 97 % круглогодичного объема тепла от централизованной системы отопления за счет тепла от солнечных батарей на крышах гаражей.

Это искусство – мировой рекорд – стало возможным благодаря межсезонному накоплению тепла в большой массе материнской породы, расположенной под центральным парком. Обмен тепла происходит через серию из 144 37-метровых скважин (121 фт), просверленных в земле. Каждая скважина диаметром в 155 мм (6,1 дюйма) содержит простой теплообменник, сделанный из пластиковой трубы малого диаметра, через которую циркулирует вода. Не используется никаких тепловых насосов.

  • НТЭП (накопление тепловой энергии в пещерах или шахтах). Система НТЭП могут быть построены в затопленных шахтах, специально построенных камерах или заброшенных подземных складах нефтепродуктов (к примеру, построенных в кристаллической твердой породе в Норвегии), если они расположены близко к источнику тепла (или холода) и рынку сбыта.
  •  Энергетические сваи. При постройке крупных зданий, как и в случае с системами НТЭБС, используются погружные теплообменники, закрученные в спираль внутри отверстий для стержней арматуры и свай, которые затем заливаются бетоном. Сваи и окружающие слои породы становится средой хранения.
  • МНТЭИП (межсезонное накопление тепловой энергии в изолированных почвах). Во время постройки любого здания с первичным перекрытием из железобетонных плит, примерно вся прогреваемая площадь территории строительства и примерно метр в глубину, как правило, изолирован со всех 6 сторон с помощью полиэтилена высокого давления. Трубы используются для передачи солнечной энергии в изолированный участок или извлечения тепла при потребности. Если присутствует сильный внутренний ток грунтовых вод, требуются серьезные исправительные меры для его предотвращения.

Поверхностные и надземные технологии

  1.  Хранение в буртах. Небольшие выкопанные разлинованные ямы заполненные гравием и водой используются в качестве среды хранения для СНТЭ во многих централизованных системах отопления Дании. Бурты для хранения покрыты слоем изоляции, затем – слоем почвы, и используются для сельского хозяйства или других целей.

Система в датском Марстале включает хранение в буртах, обеспечиваемое теплом от полей или солнечных батарей. Поначалу оно обеспечивало 20 % годовой потребности деревни в тепле, и планировалась увеличить ее в два раза.

Крупнейшая система хранения в буртах (200 000 м3 (7 000 000 куб. фт)) была запущена в датском Войенсе в 2015 году, и позволяет солнечному теплу обеспечивать 50 % годового объема энергии для крупнейшей солнечной системы централизованного отопления.

  1. Промышленное накопление тепла в воде. Емкости для накопления водой и СНТЭ могут быть построены над землей, изолированными, а затем – покрыты почвой.
  2. Горизонтальные теплообменники. Для небольших строений теплообменник из гофрированной пластиковой трубы может быть закопан в траншее небольшой глубины для создания системы СНТЭ.
  3. Заглубленные здания. Пассивно накапливает тепло в окружающем грунте.
  4. Технологии на основе гидратов солей. Эта технология получила гораздо большую плотности энергии, чем системы накопления энергии на водной основе.

Конференции и организации

С 1981 года Международным энергетическим агентством каждые три года проводятся конференции на тему «Программа экономии энергии через накопление энергии (ЭЭНЭ)». Изначально конференции сосредотачивались на СНТЭ, но сейчас они сосредоточены на технологиях, затрагивающих такие темы, как солевые грелки и способы накопления электроэнергии.

Начиная с 1985 года, каждая  конференция имела слово «stock» («хранение») в конце названия. Они проходили в разных местах по всему миру. Из последних можно выделить «InnoStock» 2012 года (12 Международная конференция по хранению тепловой энергии) в испанском городе Льейда и «GreenStock» 2015 года в Пекине. «EnerStock-2018» пройдет в турецком городе Адана в апреле 2018 года.

Программа IEA-ECES продолжает работу более раннего Международного совета по хранению тепловой энергии, которая ежеквартально выпускала информационный бюллетень с 1978 по 1990 года, и изначально он финансировался американским Министерством энергетики. Изначально информационный бюллетень назывался «ATES Newsletter», но когда НТЭБС стали реализуемой технологией, он стал называться «STES Newsletter».

Использование СНТЭ для малых самоотапливающихся домохозяйств

Малые самоотапливающиеся домохозяйства, как правило, используют прилегающую к строению почву, как низкотемпературное средство хранения сезонного тепла, которое во время годового цикла достигает максимальной температуры, похожей со средней температурой года, а при отоплении в более холодные месяцы температура опускается. Такие системы – часть концепта строения, так как должны присутствовать некоторые простые, но важные отличия от «традиционных» зданий.

На глубине около 20 футов (6 м) под почвой, температуры в течение года по природным причинам остается неизменной, если спуск тепла не превышает природный объем возвращения солнечного тепла. Такие накопительные системы работают при узком диапазоне температур в течение года, в отличие от других описанных выше систем СНТЭ, которые работают при большой разнице температур в течение года.

Накопление солнечного тепла

Две базовых технологии здания с пассивным солнечным обогревом были разработаны в США в 1970—1980-х годов. Они использовали прямую теплопроводность от и к термически изолированному слою почвы, защищенному от влаги, в качестве среды хранения сезонной энергии для отопления помещения и непосредственную проводимость в качестве метода возврата тепла.

В первом методе «хранения пассивного тепла в течение года» (ХПТГ) окна здания и другие внешние поверхности улавливают солнечное тепло, передаваемое путем проводимости через пол, стены, иногда – через крышу к примыкающему слою почвы, выступающему тепловым буфером.Когда внутреннее пространство – холоднее, чем среда хранения, тепло проводится обратно в жилое помещение.

Другой метод «геотермальная солнечная энергия в годовом исчислении» (ГСЭГИ) использует отдельный солнечный коллектор для улавливания тепла. Накопленное тепло доставляется в накопитель (почва, гравийная подушка или бак с водой) либо пассивно, т.е. за счет конвекции теплоносителя (воздуха или воды), либо активно, т.е. путем перекачки. Этот метод особенно применяется с емкостью, рассчитанной на полугодовое отопление.

Среди примеров использования накопления солнечного тепла в мире присутствуют:

  • Подготовительный колледж в Суффолке (Восточная Англия), использующий тепловой коллектор с трубой, закопанной под автобусной остановкой, для накопления солнечной энергии и хранения в 18 100-метровых (330 фт) скважинах с целью использования для отопления зимой.
  • Солнечное сообщество Дрейк Лэндинг в Канаде использует солнечные тепловые коллекторы на крышах гаражей 52 домов, которые собирают энергию и хранят ее в сети из 35-метровых (115 фт) скважин. Температура почвы может превышать 70C, что впоследствии используется для пассивного отопления. Эта схема успешно работает с 2007 года.
  • В датском Брэдструпе примерно 8 000 м2 (86 000 кв. фт) солнечных тепловых коллекторов используются для накопления примерно 4 000 000 кВт*ч/год, которые также хранятся в сети 50-метровых (160 фт) скважин.

Управление жидкостью

Архитектор Матьяш Гутай получил грант ЕС на постройку в Венгрии дома, который использует избыточную воду, заполняющую стеновые сборные панели, в качестве накопителей тепла и соединенную с подземными резервуарами для накопления тепла. Концепт использует микропроцессорное управление.

Малые домохозяйства с вмонтированными цистернами для СНТЭ

Целый ряд домов и малоэтажных многоквартирных домов показали пример совместного использования крупной цистерны для накопления тепла и вмонтированных в крышу солнечных тепловых коллекторов. Температура хранения на уровне 90C (194F) подходит как для обеспечения горячей водой, так и для отопления.

Первым таким домом стал солнечный дом № 1 при МТИ в 1939 году. В 1989 году был построен в швейцарском Обербурге был построен восьмиэтажный многоквартирный дом с тремя накопительными емкостями общим объемом в 118 м3 (4 167 куб. фт), способными хранить больше тепла, чем требуется строению. Начиная с 2011 года, этот концепт воспроизводится в новых постройках.

В 1997 году в Берлине в рамках демонстрационного проекта «IEA Task 13» был построен «Активный дом». В расположенной в подвале емкости объемом в 20 м3 (706 куб. фт) хранится вода при температуре до 90C (194F).

В качестве прототипа нечто схожее было построено в 2009 году в Ирландии. Сезонный накопитель солнечной энергии состоял из заполненного водой бака объемом 23 м3 (812 куб. фт), который был вкопан в грунт, сильно изолирован со всех сторон, чтобы в течение года хранить тепло вакуумированных трубчатых солнечных коллекторов. Система была установлена в качестве эксперимента по обогреву первого в мире стандартизированного сборного пассивного дома в ирландском городе Голуэй. Целью было понять, будет ли достаточно тепла, чтобы устранить любую потребность в электричестве в уже достаточно продуктивном доме в зимний период.

Использование СНТЭ в теплицах

СНТЭ также широко используется для обогрева теплиц. НТЭВГ – тот вид хранения энергии, который широко применяется в этой отрасли.

Летом теплица остужается грунтовыми водами, закачанными из «холодного источника» в водоносном горизонте. В процессе вода нагревается и возвращается к «теплому источнику» в водоносном горизонте.

Когда теплице требуется тепло, к примеру, чтобы добиться продолжения вегетационного периода, вода изымается из теплого источника, охлаждается во время выполнения функции нагревания, и возвращается в холодный источник. Это – очень эффективная система естественного охлаждения, которая использует только циркуляционные насосы.

Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
«Проагрегат»