Термохимическое аккумулирование. Тепловой аккумулятор
Источник фото - сайт http://www.devi-ekb.ru
Используя накопители тепловой энергии можно экономически эффективно сместить потребление гигаватт энергии. Но на сегодняшний день рынок таких накопителей катастрофически мал, по сравнению с потенциальными возможностями. Основная причина кроется в том, что на начальном этапе зарождения систем аккумуляции тепла, производителями уделялась мало значения исследованиям в этой области. Впоследствии производители в погони за новыми стимулами привели к тому, что технология испортилась, а люди стали неверно понимать ее цели и методы.
Наиболее очевидной и объективной причиной использования системы аккумуляции тепла, является эффективное сокращение количества затрачиваемых средств на потребляемую энергию, к тому же стоимость энергии в пиковые часы, значительно выше, чем в другое время.
Мифы о системах накопления энергии
Миф 1. Нечастое применение таких систем
В настоящее время на рынке широко представлены системы накопления (аккумуляции) тепловой энергии, и многие активно их используют. Отличным примерами, которые демонстрируют значение накопленной энергии, являются бытовые водонагреватели, в которых такую систему называют «системой внепикового охлаждения». Для того, чтобы мгновенно нагреть воду требуется около 18 кВт, но самые мощные нагреватели имеют нагревательные элементы мощностью 4,5 кВт. Поэтому требуется в 4 раза меньше инфраструктур, необходимых про проведения проводки кабеля и соответственно, уменьшенное потребление энергии.
Никем не устанавливаются нагреватели, рассчитанные на потребление мгновенно максимально рассчитанную нагрузку, такая же практика существует и для системы климатизации. Причем установка системы с чиллером обычно уменьшается на 40—50 % (уменьшение инфраструктуры).
Миф 2. Системы аккумуляции тепла занимают очень много места
Возвращаясь к обычному водонагревателю? Много ли он занимает места в Вашем доме?
К тому же, как правило, используется система с частичным накоплением тепла, которая обеспечивает около трети необходимой мощности, потому и места такая установка занимает мало.
Миф 3. Такие системы слишком сложны
Обычный водонагреватель имеет простую конструкцию. Он содержит нагреватель, мощность которого ниже мощности, которая обеспечивает максимальные нагрузки, а его включение происходит в момент, когда температура вводы опускается ниже 95 % от заданной.
Емкость данной системы является простым примером накопителем тепла, который не имеет никаких движущих частей. В системе с частичным обеспечением нагрузки не может произойти отказа, так как в них отсутствует способность случайного задания большого потребления электроэнергии. Большие системы внепикового охлаждения имеют более сложные структуры управления, поэтому с ними может возникать множество проблем, а проектировщику придется потрудиться, чтобы спроектировать эффективную систему со значительной экономией ресурсов.
Миф 4. Отсутствие резервирования (запаса) при частичном накоплении энергии
Практически любая система внепикового охлаждения способна удовлетворять такому же резервирования, как и обычная система такой же стоимости.
Миф 5. Большие капитальные затраты
Получить действующие цены на оборудование проблематично, так как производители их опубликовывают неохотно. Хотя во многих исследованиях указываются низкие цены себестоимости систем. Рассчитаем примерную стоимость системы, используя в качестве удельной стоимости примерную величину в 256 $ на киловатт охлаждения, при этом получим приблизительную стоимость на установку всей системы:
Система, не использующая накопление энергии:
3 чиллера с мощностью 1400 кВт x 256 $/кВт ≈ 1 080 000 долларов.
Система, использующая частичное накопление тепла:
2 чиллера мощностью 1400 кВт x 256 $/кВт ≈ 720 000 долларов.
Система аккумуляции льда на 12300 кВтч x 28 $/кВт.ч ≈ 350 000 долларов.
Общая стоимость системы: ≈ 1 070 000 долларов.
Некоторые особенности оборудования и его расположение в системе могут привести к дополнительным капитальным затратам, однако, конкурировать по стоимости такие системы могут запросто.
Миф 6. Нет обеспечения экономии энергии
Анализируя экономию, необходимо рассмотреть как энергию, которая потребляется в здании, так и энергию, которая используется в источнике ее производства на электростанции. Энергоэффективное оборудование в большинстве своем призвано снижать потребление энергии, при этом, не снижая времени ее использования. Системы внепикового охлаждения экономят энергию за счет переноса ее "за счетчик". Вероятность экономии - 50/50.
Миф 7. Тарифы на электроэнергию могут изменяться, что может привести не только к отсутствию экономии, но и к увеличению затрат
Конечно, изменение тарифов неизбежно, но условия и потребление энергии остаются неизменными.
Можно надеяться, что когда-нибудь нагрузки в дневные и ночные часы сравняются, но такое произойдет, вряд ли, поэтому существенная разница в тарифах будет существовать еще долгие годы.
Достаточно известной на сегодняшний день системой аккумуляции тепла является система «теплый пол», в которой кабель заливается стяжкой 5 см. Но немногие знают, что увеличение стяжки до 10-15 см поможет не только снизить расходы, но и начать процесс накапливания тепла.
Раньше для накопления тепла использовали «тепловые пушки», которые не грели пространство около непосредственного нахождения людей, и к тому же сжигали кислород. Кабельные же системы обогрева не только позволяют эффективно аккумулировать тепло, но еще и создают комфортный микроклимат в помещении.
Одной из причин, позволяющих экономию сделать значительной, стало введение новых трехтарифных счетчиков электроэнергии, но не у многих есть возможность использовать систему обогрева в ночные часы. Использование кабельной системы вкупе со стяжкой 5 см позволяет нагревать быстро кабель, но в тоже время происходит и быстрое его остывание. То есть процесс имеет циклический характер. Увеличение стяжки до 10-15 см позволяет дольше сохранять тепло, а значит и длительность цикла увеличивается до нескольких часов.
Наиболее важной причиной необходимости аккумулирования тепла в солнечной энергетической установке является непостоянство сияния солнца и постоянная потребность в энергии Кроме того, при наличии солнца, как правило, поступает больше энергии, чем требуется, и поэтому, накопив энергию, ее можно использовать в дальнейшем, когда солнца нет
При проектировании аккумулятора солнечного тепла необходимо соизмерять стоимость с рабочими характеристиками Некоторыми решающими факторами стоимости являются выбор теплоаккумулирующей среды для теплового аккумулятора, которой могут служить, например камни, вода или эвтектические соли, необходимое количество этой теплоаккумулирующей рабочей среды, измеряемое по весу или по объему, размещение теплового аккумулятора либо в отапливаемом помещении, либо вне его, тип и размеры контейнера для аккумулирующей среды, теплообменники, если необходимо, для передачи или отбора тепла от рабочего тела и механическое устройство для перемещения теплоаккумулирующей среды через аккумулятор или теп лообменники
Кроме этих факторов рабочие характеристики также зависят 01 средней рабочей температуры, падения давления теплоносителя, движущегося через теплоаккумулирующую среду, и от по - іерь тепла контейнером в окружающую среду
Есть три основных вида теплоаккумулирующей среды камни, вода и эвтектические соли (с фазовым превращением)
Способность разных материалов накапливать тепло зависит от их удельной теплоемкости Как указывалось в предыдущей части, удельная теплоемкость материала выражается количеством тепла (Дж), необходимого для повышения температуры 1 кг материала на 1° Энергию, часто называемую физической теплотой, можно получить обратно по мере снижения темпера туры вещества Это основной принцип действия большинства солнечных тепловых аккумуляторов В табл 15 приводятся теплоаккумулирующие способности нескольких распространенных материалов
Выбор теплоаккумулирующей среды и солнечного коллектора должен "проводиться одновременно. Почти без исключения все системы жидкостного типа, будь то открытые (например, система Томасона) или закрытые типа «труба в листе», требуют жидкой теплоаккумулирующей среды. В большинстве систем воздушного типа теплоаккумулирующая среда состоит из небольших элементов - наиболее распространенными являются камни, небольшие (несколько кубических дециметров) сосуды с водой или эвтектические соли в контейнерах, которые дают возможность воздуху проходить вокруг и между ними, передавая им тепло. Альтернативными вариантами являются также системы, которые конструктивно сочетают в себе солнечный коллектор и аккумулятор тепла (см. часть III).
Аккумулятор для жидких систем. Существенным преимуществом жидкостных систем, содержащих бак-аккумулятор с водой, является их совместимость с солнечным охлаждением. Воду можно использовать практически для всех типов солнечного охлаждения, в том числе для ночного радиационного охлаждения, внепикового охлаждения при помощи небольших компрессоров и циклов Ренкина и абсорбционного охлаждения. Наибольшим преимуществом воды в качестве теплоаккумулирующей среды является ее сравнительно низкая стоимость, за исключением тех районов мира, где воды мало. Однако с водой связаны некоторые трудности, решение которых может вызвать значительные затраты.
В последние годы удерживание больших объемов воды (от 100 до 350 м3 на 1 м3 коллектора) до некоторой степени стало проще благодаря появлению надежных гидроизоляционных материалов и больших пластиковых листов. Раньше единственным сосудом был бак из оцинкованной стали, который в конечном счете протекал. Замена крупных баков, которые обычно размещаются в подвалах или под землей, является трудным и дорогостоящим делом. Внедрение стеклофутеровкп и баков из стекловолокна устранило проблемы коррозии, по увеличило первона-
чальные расходы Применение баков из литого бетона до недавнего времени сдерживалось трудностью и стоимостью обеспечения их долговременной герметичности; бетон водопроницаем и подвержен растрескиванию. Однако большие пластиковые листы или мешки могут заменить собой бетон; пластиковые сосуды могут поддерживаться легкими деревянными или металлическими каркасами.
На рис. 5.83 показаны два способа хранения воды: первый - это наполненный водой бетонный (или шлакоблочный) контейнер; второй - это система д-ра Гарри Томасона, т. е. бак с водой, окруженный камнями. В первом способе теплая вода из бака циркулирует в здание либо непосредственно через радиаторы или теплоизлучающие панели, либо косвенно через змеевиковые теплообменники, которые нагревают обтекающий их воздух, охлажденный їв помещении. Этот последний способ применили в доме IV при Массачусетском технологическом институте в 1959 г. На рис. 5.84 показано поперечное сечение дома в шт. Вермонт на Среднем Западе, который был спроектирован Сью Бэртон Теннер. Система солнечного теплоснабжения, разработанная фирмой «Тотал энвайронментал экшн.», имеет в своем составе коллектор с открытым стоком воды. Теплообменник отбирает тепло от аккумулятора и передает его в дом через большие стеновые и потолочные радиационные панели, позволяя использовать воду сравнительно низкой температуры. Второй теплообменник подогревает воду для хозяйственных нужд, поступающую в обычный водонагреватель. Аккумулятор второго типа, изображенный на рис. 5.78, передает тепло медленно, но постоянно от бака с водой к камням. Охлажденный в доме воздух медленно циркулирует в больших объемах между нагретыми камнями и возвращается обратно в дом. В обоих случаях самая холодная вода на дне бака поступает в коллектор для подогрева, а затем возвращается в верхнюю часть бака. Эта нагретая в коллекторе вода используется для отопления дома.
Распределение температуры внутри водяного бака показано на рис. 5 85 Клоузом . В баке высотой 1 м в начале дня отмечается температура менее 20° С в 150 мм от дна п почти 35° С в 125 мм от верха. К концу дня эта разница становится несколько меньше и составляет около 8°.
Большие размеры и высокая стоимость теплообменников могут вызвать серьезные возражения против использования водяных баков-аккумуляторов. 25-50 т камней в системе Томасона, хотя и будучи дополнительным аккумулятором тепла, являются в некотором смысле чересчур внушительным теплообменником. У типичных металлических теплообменников, погруженных в воду, общая площадь поверхности теплообмена может составлять чуть ли не одну треть от площади солнечного коллектора.
Теплообменники необходимы, когда воду в баке невозможно использовать непосредственно для других целей, кроме аккуму-
Рис. 5 84. Коллекторы с наружным стоком воды и бак-аккумулятор в доме, шт. Вермонт (проект архит. Сью Бэртон Теннер с рекомендациями фирмы «Тотал энвайронментал экшн»)
1 - коллекторы: 2 - теплообменники для радиационного отопления горячей водой; 3 - аккумулятор
лядии тепла. Например, при использовании в коллекторе раствора антифриза в "воде он должен проходить через теплообменник во избежание смешивания его с водой в баке. Кроме того, при расчете теплоснабжения здания инженеры по отоплению обычно требуют, чтобы вода из бака не использовалась в отопительной системе. Это особенно показательно для случая, когда вода из бака циркулирует через коллектор.
Ограничение выбора местоположения для больших сосудов с водой может оказаться выгодным для проектировщиков зда-
ний, которые не хотят ломать голову над тем, где установить крупный предмет. Однако для проектировщика, который хочет сделать теплоаккумулятор неотъемлемой частью всего проекта, размещение тяжелого и громоздкого бака может оказаться трудной задачей. Естественно, самосливные системы жидкостного типа требуют, чтобы аккумулятор находился ниже дна коллектора; термосифонные системы требуют, чтобы он находился выше верхней части коллектора. Если аккумуляционная система связана с другим оборудованием, например с отопителем, насосами, теплообменником и бытовыми водонагревателями, то может потребоваться ее близкое размещение к ним.
Аккумулятор для воздушных систем. Из нескольких теплоаккумулирующих сред для систем воздушного типа, пожалуй, наиболее известными и употрсбимыми являются камни. Хотя применение этого материала кажется сравнительно дешевым и легким решением, однако такой выбор не всегда правилен. Наиболее существенным преимуществом камней является их низкая стоимость, если действительно камней много. Например, на большей части территории Новой Англии единственным видом камней является гравий диаметром 25-40 мм. В зависимости от конструкции и размеров отсека для камней могут потребоваться камни диаметром до 100 мм. На 1 м2 коллектора требуется от 35 до 180 кг камней из-за их малой теплоемкости. Огромное количество камней усложняет проблему их транспортировки и перегрузки, а также требует отсека, достаточного по размеру,
чтобы вместить их При 30% пустот объем камней, необходимый для аккумулирования того же количества тепла, что и бак с водой, должен быть в два с половиной раза больше
Большая периметральная площадь этих отсеков-аккумуляторов влечет за собой более высокие строительные расходы и большие потери тепла Потенциальная возможность более значительных потерь тепла из больших отсеков с камнями по сравнению с меньшими по размеру водяными баками, тем не менее, компенсируется сравнительно медленным естественным движением тепла через камни в отличие от постоянного движения воды внутри большого сосуда при изменении температуры (например, из-за потери тепла)
Одним из серьезных ограничении в отношении камней является недостаточность их универсальности как рабочих тел для других целей помимо аккумулирования тепла, они, например, не могут служить теплоносителем для подогрева воды, охлаждения и даже отопления жилого помещения Один из немногих и наиболее распространенных способов приготовления горячей воды в этом случае заключается в установке небольшого (от 100 до 400 дм3) неизолированного водяного бака между камнями. Теплообмен протекает медленно, но продолжается круглые сутки
Методы солнечного охлаждения применимы тогда, когда камни удерживают прохладу для дальнейшего использования Эту прохладу можно получить путем циркуляции холодного ночного воздуха, воздуха, охлажденного ночной радиацией, или воздуха охлажденного внепиковыми холодильными компрессорами Коллекторы воздушного типа, обеспечивающие температуры достаточно высокие для циклов охлаждения от 80 до 150° С, навряд ли будут разрабатываться Оборудование по кондиционированию воздуха, которое совместимо скорее с горячим воздухом, чем с горячей жидкостью в качестве источника тепла, в настоящее время не выпускается
Воздушные системы ограничивают способ передачи тепла окружающему пространству Почти без исключения отопитель ные системы должны иметь принудительную циркуляцию теплого воздуха в отличие от теплоаккумуляторов типа водяного бака, где может применяться принудительная циркуляция теплой воды или теплого воздуха Однако, как рассматривалось в части III, воздух может циркулировать через камни естественным путем, не нуждаясь в вентиляторах
На рис 5 86 показан сводчатый дом, спроектированный фирмой «Тотал энвайронментал экшн», в котором отсек с камнями расположен в пределах помещения Передача тепла из отсека в помещение происходит медленно путем естественной конвекции из комнаты в нижнюю часть отсека и оттуда через верх, а при необходимости, при помощи небольших вспомогательных вентиляторов (купообразная конструкция была выбрана заказ-
чиком, а отдельно стоящий коллектор указывает иа ограничения использования здания для жилых целей).
Местоположение теплового аккумулятора с камнями может явиться серьезным ограничением их использования. Если аккумулятор размещается в подвале здания, то расходы на сооружение отсека необязательно должны быть включены в общую стоимость системы солнечного теплоснабжения. Однако если под аккумулятор отводится подвал, предназначенный для других целей, или жилое помещение, то стоимость сооружения такого отсека добавляется к стоимости системы. На рис. 5.87 показано использование контейнера-аккумулятора с засыпкой из камней как части архитектурного элемента здания. В доме Джорджа Лёфа в Денвере этот способ применен довольно удачно. Однако из-за большого веса контейнеров или отсеков для камней под ними должны предусматриваться прочные фундаменты.
На рис. 5.88 представлен разрез дома в Бостоне по проекту фирмы «Тотал энвайронментал экшн», выполненному на средства фирмы «АИА Рисерч корпорейшн» Американского института архитекторов . Площадка для дома представляет собой крутой северный склон холма с высокими зданиями к югу. Коллектор устанавливается как можно выше, чтобы не попасть в тень от соседних зданий. Вследствие своих больших размеров и массы теплоаккумулирующий отсек с камнями находится на нижнем этаже здания.
В проекте предусматривается довольно простой способ передачи тепла к отсеку и от него. На рис. 5.89, где показана схема солнечной системы, теплый воздух из коллектора поступает в верхнюю часть отсека. Он затягивается внутрь, выходит снизу и поступает обратно в коллектор. Для обогрева дома прохладный воздух поступает в нижнюю часть отсека и нагревается по мере подъема между камнями. Самые теплые камни наверху нагревают воздух до наибольшей степени. На рисунке также показаны цикл отопления на жидком топливе, в котором комнатный воздух обходит отсек с камнями. Обычно аккумуляторный отсек не должен нагреваться отопителем, за исключением случаев, когда он располагается внутри жилого помещения.
Одна из важных причин того, что теплый воздух подается из коллектора в верхнюю часть отсека, заключается в стремлении обеспечить температурную стратификацию. Это дает возможность нагревать комнатный воздух до наивысшей возможной температуры при помощи самых теплых камней, находящихся в верхней части отсека. Если теплый воздух будет поступать через низ отсека, даже без перемещения внутри него, то тепло из нижней части распределится равномерно по всему отсеку, что вызовет в нем общее понижение температуры. Подача комнатного воздуха в то же место, что и теплого воздуха из коллектора, будет способствовать этому выравниванию тепла по отсеку, а не нагреву воздуха в целях отопления здания.
Рис. 5 89 Схема системы солнечного теплоснабжения для дома в Бостоне }