Технологии, способствующие повышению энергоэффективности объектов строительства: аккумулирование теплоты

Кириллова Екатерина Дмитриевна, магистрант;

Казанцева Ирина Олеговна, магистрант

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Данный обзор посвящен проблеме сохранения энергии, производимой в периоды наименьшего её использования. Приводится классификация систем аккумулирования теплоты. Описываются общие принципы, на которых построен процесс сохранения теплоты, а также рассматриваются конструктивные особенности некоторых систем с фазопереходными теплоаккумулирующими материалами (ТАМ) для улучшения теплопроводящих свойств в теплообменниках.

Ключевые слова: энергоэффективное строительство, тепловой аккумулятор, фазовый переход

В настоящее время, исходя из соображений рационального использования энергетических ресурсов Земли и минимизации вреда окружающей среде — соблюдению основных принципов Федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты» [1] — возрастает потребность в проектировании с использованием возобновляемых или вторичных энергоресурсов [2, 3, 4]. Вышеназванный закон основывается на принципах стимулирования энергосбережения и рационального использования энергетических ресурсов. По данным [5] на 2007 г. известно, что в России потребляется около полутора миллиардов тонн у. т. в год, причем около 40 % этой энергии используется в системах теплоснабжения. Запасы топливных энергоресурсов (природного газа, нефти, угля) ограничены. Все это сопровождается пагубным воздействием на экологию. В то же время существует проблема переизбытка производимой в ночное время электроэнергии, так как генерация электроэнергии происходит непрерывно [6, 7]. Аккумулирование электричества с помощью электрохимических аккумуляторов представляется довольно дорогостоящим процессом. Кроме того в России на данный момент не часто встречается использование такого практически неисчерпаемого ресурса как солнечная энергия.

Использование возобновляемых источников энергии приведет к увеличению энергоэффективности строящихся объектов, а также позволит значительно уменьшить загрязнение окружающей среды.

Как известно, к мероприятиям по повышению эффективности использования энергии у потребителя относят переход на более совершенные и менее энергоемкие технологии, использование вторичных энергетических ресурсов, а также выравнивание временных несоответствий между производимой энергией и потребностями в ней [8]. В связи с этим возникают вопросы, связанные с возможностями хранения запасаемой энергии.

В [9] рассматривается использование солнечной энергетической установки с аккумулированием энергии в условиях климата Новосибирска (55 град. с. ш.), что возможно при использовании сезонного аккумулирования, либо с помощью дополнительного источника теплоты. Автор описывает систему с грунтовым аккумулятором. Сделаны выводы о том, что Южная Сибирь является перспективным районом для внедрения в системах теплоснабжения и горячего водоснабжения тепловых накопителей. Приведены результаты наблюдения за объектом строительства — индивидуальным жилым домом. Отсутствует математическая модель расчета, которая бы позволяла найти минимальную глубину скважины исследуемой конструкции аккумулятора.

Под накопителями теплоты понимают установки, позволяющие накапливать теплоту в течение периода заряда, а затем передавать основную ее часть нагрузке в течение периода разряда [6]. Аккумулирование теплоты способствует сглаживанию скачков графика использования энергии по времени. Теплота может накапливаться в системе в том случае, если происходит изменение удельной внутренней энергии или удельной потенциальной (если удельная внутренняя энергия рабочего тела выше, чем окружающей среды) [8].

Любой тепловой аккумулятор (ТА) хранит теплоту во всем объеме, а теряет ее со своей внешней поверхности. Поэтому при прочих равных условиях тепловые потери, отнесенные к единице объема аккумулятора, а именно они определяют качество хранения теплоты, будут обратно пропорциональны линейному размеру ТА, и для очень больших аккумуляторов эти удельные потери могут оказаться весьма небольшими.

Существующая классификация систем аккумулирования теплоты [10]:

По природе аккумулирования:

− однофазные;

− аккумуляторы с фазовым переходом;

− аккумуляторы, использующие энергию химических обратимых реакций.

По уровню рабочих температур:

− низкотемпературные (до 100 С⁰);

− среднетемпературные (от 100 до 400 С⁰);

− высокотемпературные (более 400 С⁰).

По продолжительности периода заряда-разряда:

− краткосрочные (до 3-х суток);

− со средним сроком хранения (до 1 месяца);

− сезонные (до полугода).

Кроме того по конструкции фазопереходные накопители бывают [11]:

− последовательного включения;

− параллельного включения;

− с тепловыми трубами.

Вид, конструкция и стоимость ТА существенно зависит от желаемой длительности хранения теплоты. Дело в том, что энергетическая ценность теплоты зависит от температуры, при которой она может быть отдана [6]. Для этого тепловой накопитель должен иметь наиболее высокую плотность запасаемой энергии. Данное свойство характерно для аккумуляторов с фазопереходными ТАМ.

Используемые материалы в фазапереходных накопителях теплоты — это, в основном, гидраты солей и парафины CnH2n+2 [12]. Характеристики и свойства органических и неорганических материалов, применяемых в тепловых накопителях с фазовым переходом (ФП), описаны в [12, 13], а также в [12] детально рассмотрены положительные и отрицательные стороны парафинов. Сделаны выводы о высокой перспективности парафинов в данной области. Множество исследований [14, 15, 16, 17] посвящено выявлению теплоаккумулирующих материалов (ТАМ) с требуемыми свойствами [8, 18].

Отсутствие четкого представления о методах расчета фазопереходных аккумуляторов до сих пор приводит к сдерживанию их производства. В [19] приводится аналитический расчет с использованием безразмерных критериев Био, Стефана, Фурье, в [20, 21, 22] получены уравнения безразмерного времени процессов заряда, безразмерной температуры и безразмерной толщины слоя ТАМ, претерпевающего ФП. В [21] приводится аналитическое описание процессов, происходящих в ТА при ФП. Рассматриваются формулы, включающие безразмерные величины, которые позволяют оценить работу аккумулятора теплоты теоретически на основе применения скорости передвижения границы ФП; определить эксергетическую эффективность системы, определяемую эксергетическим КПД. Рассматриваются зависимости эксергетического КПД от скорости передвижения границы ФП, зависимости скорости от времени. В [23] доступно объясняется различие этих двух величин: эксергетического и энергетического КПД. В основу эксергетического анализа положено второе начало термодинамики, в основу энергетического — первое. Суммарный эксергетический КПД теплового накопителя можно определить произведением трех составляющих: на этапе заряда, на этапе хранения и разряда [24], которые, в свою очередь, можно определить с помощью зависимостей, приведенных в [11]:

ѱΣ=ѱc*ѱst*ѱd,

где ѱΣ — суммарный эксергетический КПД, ѱc — эксергетический КПД на этапе заряда, ѱd — эксергетический КПД на этапе разряда, ѱst — эксергетический КПД на этапе хранения.

На этапе хранения эксергетический КПД по величине будет равен энергетическому [24].

Для фазопереходных тепловых накопителей возможно введение высокотеплопроводных инклюзивов в ТА. В [25] исследуются теплообменные процессы в слоях ТАМ с учетом теплофизических свойств и геометрической формы таких элементов; выведены формулы для расчета коэффициента эффективности в зависимости от соотношения между теплофизическими свойствами и геометрическими параметрами, теплового потока через боковые поверхности высокотеплопроводных включений. Результаты, полученные на основе исследования [25], говорят о высокой эффективности применения таких элементов при конструировании тепловых аккумуляторов с ФП. Плотность теплового потока q при наличии высокотеплопроводных включений может увеличиться в десятки раз, а время процесса плавления — в сотни раз.

Также на интенсивность теплообмена теплового аккумулятора влияет наличие разрезного оребрения у цилиндрического источника. Экспериментальное исследование и критериальные зависимости описываются в [26].

В данной статье приведен обзор источников, посвященных проблеме повышения энергоэффективности в строительстве. Представлены возможности разрешения этой проблемы посредством систем аккумулирования теплоты. Рассмотрены некоторые конструктивные особенности тепловых аккумуляторов, положительно влияющие на теплопроводящие свойства ТАМ.

В настоящее время на кафедре гидравлики СПбПУ Петра Великого проводится исследование на тему «Оценка характеристик фазопереходного теплового накопителя для систем теплоэнергоснабжения». Данная обзорная статья является частью этого исследования. Целью работы: определение объема фазопереходного теплового накопителя для нужд системы отопления образовательного учреждения в г. Валдай. Для этого решены следующие задачи: рассчитано количество теплоты от солнечной радиации, поступающей на солнечные коллекторы; рассчитано необходимое количество теплоты на теплоснабжение исследуемого объекта для схемы с сезонным ТА; выбрана конструкция ТА.

Литература:

1. Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты».
2. H. Ibrahim, A. Ilinca, J. Perron. Energy storage systems — Characteristics and comparisons // Renewable and Sustainable Energy Reviews. — 2008. — № 12. — С. 1221–1250.
3. Аллахвердян Н. Л. Аккумуляторы тепловой энергии и их применение // Молодой ученый. — 2016. — № 8. — С. 174–176.
4. В. В. Остапенко, А. В. Лукьянов, В. Д. Александров, Ш. К. Амерханова, О. В. Соболь, С. А. Фролова. Анализ систем гелиотеплоснабжения с аккумуляторами теплоты фазового перехода // Збірник наукових праць ДонІЗТ. — 2014. — № 39. — С. 107–110.
5. Шишкин Н. Д. Эффективное использование возобновляемых источников энергии в автономных теплоэнергетических комплексах // Астрахань: Пром. теплотехника, 2007 — С. 107–113.
6. Сошинов А. Г., Угаров Г. Г. Накопители энергии в электроэнергетических системах. Учеб. пособие / ВолгГТУ, РПК «Политехник», 2007. — 106 с.
7. Тарифы на электроэнергию — как рассчитать? // Obelektrike. URL: http://obelektrike.ru/posts/tarify-na-elektroenergiju-kak-rasschitat/ (дата обращения: 15.12.2016).
8. Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии. — М.: Пер. в с англ. Мир, 1987. — 271 с.
9. Савельев Е. Г., Рохлецова Т. Л. Опыт применения солнечной энергии и грунтового аккумулятора в условиях Юга Сибири // Известия вузов. Строительство. — 2014. — № 11. — С. 55–60.
10. Мхитарян Н. М. Энергетика нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. — Киев: Наукова думка, 1999. — 314 с.
11. Куколев М. И. Основы проектирования тепловых накопителей энергии // Петрозводск: ПетрГУ, 2001. – 240 с.
12. Альбинская Ю. С., Усачев С. М., Ресснер Ф., Рудаков О. Б. Направления создания микрокапсулированных теплоаккумулирующих материалов с фазовым переходом // Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета: физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. — 2013. — № 2 (7). — С. 21–28.
13. Будлянский С. В., Редько А. Ф., Чайка Ю. И. Сравнение теплоаккумулирующих материалов с фазовым переходом для систем солнечного теплоснабжения. // Энергосберегающие технологии теплогазоснабжения, строительства и муниципальной инфраструктуры. — 2013. — № 1. — С. 41–44.
14. Lafdi K., Mesalhy O. M., Shaikh S. Experimental Study on the Influence of Foam Porosity and Pore Size on the Melting of Phase Change Materials // Chemical and Materials Engineering Faculty Publications, Department of Chemical and Materials Engineering. — 2007. — № 102. — С. 19–26.
15. John S. Best, William J. McMillan, Heat or thermal energy storage structure — 1977.
16. Zalba B., José M Marı́n, Cabeza L. F., Mehling H. Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications // Applied Thermal Engineering. — 2003. — № 3. — С. 251–283.
17. Zalba B., José M Marı́n, Cabeza L. F., Mehling H. Review on thermal energy storage with phase change materials (PCMs) in building applications // Applied Energy. — 2012. — № 1. — С. 593–605.
18. Zalba B., José M Marı́n, Cabeza L. F., Mehling H. High-temperature phase change materials for thermal energy storage // Renewable and Sustainable Energy Reviews. — 2009. — № 14(3). — С. 955–970.
19. Богословский В. Н., Лихтенштейн Э. Л., Манасыпов Р. Р. Расчет аккумуляторов тепла с фазовым переходом в элементах канонической формы // Изв. вузов: Строительство и архитектура. — 1985. — № 12 — С. 78–83.
20. Куколев М. И., Кукелев Ю. К. Расчет процессов заряда и разряда в тепловом накопителе энергии (Часть II) // Resources and Technology. 2003. № 4. С. 68–72.
21. Куколев М. И., Кукелев Ю. К., Луценко Л. А. Аналитические формулы для проектирования теплоаккумулирующих систем. — Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. — 1999. — С. 62–67.
22. Де Лусия М., Бежан А. Термодинамика процесса аккумулирования энергии при плавлении в режиме теплопроводности или естественной конвекции // Современное машиностроение. Серия А. — 1990. — № 11. — C. 111–117.
23. Rosen M. A., Hooper F. C., Barbaris L. N. Exergy Analysis for the Evaluation of the Performance of Closed Thermal Energy Storage Systems. — J. Sol. Energy Eng — 1988 — С. 255–261.
24. Боровков В. М., Куколев М. И., Чаховский В. М., Кукелев Ю. К. Оценка термодинамической эффективности тепловых накопителей энергии с плавящимися теплоаккумулирующими материалами // Надежность и безопасность энергетики. — 2008. — № 2. — С. 56–58.
25. Цымбалюк Ю. В., Аналитическое исследование теплообмена в слоях теплоаккумулирующего материала фазопереходных тепловых аккумуляторов. — Инженерно-строительный вестник Прикаспия: научно-технический журнал // Астраханский инженерно-строительный институт. Астрахань: ГАОУ АО ВПО «АИСИ». — 2015. — № 1 (11). — С. 56–62.
26. Горобец В. Г., Трепутнев В. В. Теплообмен и движение межфазной границы при плавлении теплоаккумулирующего материала около горизонтального теплового источника с разрезным оребрением // ТВТ. — 1995. — № 4. — С. 588–593.