Как сохранить тепло
Опубликовано: 07 марта 2017 г.
1415
В состав современных автономных систем теплоснабжения часто включаются теплоаккумуляторы (ТА), позволяющие не только элиминировать пиковые нагрузки, но и запасть энергию, расходуя ее затем по мере необходимости.
В зависимости от типа и главное от емкости ТА могут служить в качестве буферных или основных источников тепловой энергии. Для ее накопления и сохранения используют три технологии и соответствующее им оборудование. Тепловую энергию можно накапливать за счет изменения температуры вещества (теплоемкость) с использованием энергии фазового перехода (например, скрытая теплота плавления) или термохимических превращений. Первые две технологии часто совмещаются, дополняя друг друга.
На первый взгляд очевидная разница между генераторами и аккумуляторами тепловой энергии заключается в принципиальной возможности реверсивного цикла, характерной для последних устройств. Однако тренды диверсификации источников энергии и широкое использование возобновляемых ее источников (тепла земли, воды, воздуха, биотоплива) делают границу между первыми и вторыми не столь однозначной.
Строго говоря, как массивы воды и земли, так и биотопливо фактически служат накопителями солнечной энергии непосредственно в виде тепла или в химических связях. Однако в первом случае обычно речь идет о сезонной рекуперации энергии, например, в прямом/обратном циклах геотермального теплового насоса, а во втором случае – о длительных, разнесенных не только по времени, но и пространственно процессах накопления/утилизации энергии.
Емкостные теплоаккумуляторы
Эти устройства, часто дошедшие до наших дней с древнейших времен практически без изменений, запасают тепловую энергию в неизменной форме за счет теплоемкости. Для практического использования накопленной в них энергии необходима определенная разность потенциала (температуры) между ее хранилищем и окружающей средой. В общем случае срок сохранения такой энергии прямо пропорционален ее объему и обратно пропорционален ее потенциалу. При этом существенными являются теплофизические и механические характеристики границ раздела среды и накопителя энергии.
Для большинства емкостных ТА, являющихся одновременно и конструктивными элементами зданий и сооружений, такими границами условно можно считать участки контакта конструкции аккумулятора и окружающей среды. Например, такая идея заложена в проекте энергоэффективного дома, разработанного отечественными архитекторами. Массивный аккумулирующий блок – энергетическое ядро – служит демпфирующим элементом, сглаживающим пики как суточных, так и сезонных тепловых нагрузок. Схожие, хотя быть может не так четко выраженные механизмы реализуются и в большинстве проектов пассивных и активных домов.
Известен емкостный ТА, созданный тысячелетия назад, – железная колонна в Дели (Индия), наземная часть которой за более чем полторы тысячи лет на открытом воздухе практически не корродировала. Одно из объяснений этого в том, что ее масса (6 500 кг ) достаточна, чтобы накопленное солнечное тепло быстро осушало колонну даже в период муссонных дождей (рис. 1).
Рис. 1. Железная колонна в Дели
Земляные дома древности имели различные решения – от простых отверстий с наклонной крышей до целых зданий, утопленных в склон холма. При этом природный камень, глиняный кирпич и земля служили демпфирующими аккумуляторами тепловой энергии (рис. 2).
Рис. 2. «Земляной» дом в Уэльсе
Практический интерес представляют природные схемы пассивной климатизации. Так, термиты строят жилища, внутри которых поддерживается температура 30 °C. При этом температура снаружи поднимается выше 40 °C днем и падает до 1 °C ночью. Насекомые создают вентиляционные каналы, которые идут снизу и проходят сквозь пустоты, охлаждаемые мокрой глиной, поднимаемой ими снизу. Воздух по каналам понимается вверх. В течение дня термиты строят новые вентиляционные шахты и закрывают старые, регулируя температуру (рис.3).
Рис. 3. Термитник
Технология термитника, обеспечивающая до 90 % экономии энергии, была реализована в торгово-офисном центре г. Хараре (Зимбабве). В системе вентиляции внешний воздух охлаждается или нагревается массой здания. Сквозь пустоты под полом воздух попадает в офисы и затем удаляется через трубы на крыше. Движение воздуха внутри помещение обеспечивают вентиляторы. В холодный период года в вентиляционных каналах устанавливаются нагреватели небольшой мощности.
Такие ТА имеют практически неограниченное число рабочих циклов накопления/отдачи энергии и очень длительный срок службы. Но время ее хранения составляет от нескольких часов до нескольких суток, да и удельная плотность энергии низкая, поэтому такой ТА не подходит в качестве основного источника тепло-, холодоснабжения.
Хотя емкостные ТА часто включаются в автономные индивидуальные системы теплоснабжения, например, баки-аккумуляторы ГВС, в ряде случаев без них сложно организовать и надежное отопление.
Нетрадиционные системы теплоснабжения, в частности солнечные, стали уже распространенным явлением, а стоимость необходимого для них оборудования – соизмеримой с традиционными системами. Например, комплект для организации ГВС коттеджа (вакуумный гелиоколлектор, бак-аккумулятор и вспомогательное оборудование) будут стоить около 3000 евро (цены Германии).
Гелио- и теплонасосные системы теплоснабжения, как правило, включают в себя ТА (рис. 4). Обычно это емкости с водой или твердыми элементами естественного или искусственного происхождения (камни, галька и т.п.).
Рис. 4. Схема теплоснабжения с гелиоколлектором
Использование в качестве ТА для нужд отопления больших объемов жидкой воды сталкивается с рядом технологических трудностей. Например, для теплоснабжения индивидуального дома потребуются большие искусственные объемы воды, неприемлемые с технологической и с экономической точек зрения, а параметры ТА при отборе энергии будут все время меняться из-за снижения температуры теплоаккумулирующего материала (ТАМа).
Тепло и холод
В современных системах климатизации с возобновляемыми низкопотенциальными источниками энергии возможна реализация реверсивных циклов, в которых источник энергии фактически является ТА. В том случае, если энергия аккумулируется в больших массивах грунта или замкнутых объемах воды, реализуется также частичный режим рекуперации.
Обычно в таких циклах энергоемкие компоненты теплового насоса потребляют электричество. Но наличие потенциального ТА позволяет реализовывать и пассивные схемы тепло-, холодоснабжения, при которых не используются приборы для увеличения теплового потенциала. Перенос энергии осуществляется только за счет физического перемещения объемов энергоносителя, а компрессоры либо отключены, либо не предусмотрены вообще (рис. 5). При этом эффективность транспортировки энергии на порядок превосходит получаемую при работе тепловых насосов. Столь же высокие показатели возможно обеспечить и в режимах нагрева, но, к сожалению, поднять энергетический потенциал (температуру) без фреоновых схем нельзя.
Рис. 5. Схема теплового насоса с различными типами геоколлекторов: 1 – горизонтальный плоский; 2 – термозонды; 3 – горизонтальный винтовой
Геотермальный ТН может использоваться и для охлаждения дома в различных режимах. Например, комплекс отеля Crown Plaza Copenhagen Towers в Копенгагене состоит из двух 25-этажных башен (рис. 6).
Рис. 6. Общий вид отеля в Копенгагене
В систему аккумулирования тепловой энергии в водоносных пластах входят три тепловых насоса компании GEO, пластинчатые теплообменники, насосное оборудование, главная и вспомогательная градирни (рис. 7).
Рис. 7. Тепловые насосы и теплообменники в техническом этаже отеля
Под зданием пробурены артезианские скважины, которые позволяют в летнее время года использовать воду для кондиционирования. Грунтовая вода температурой 8 °С из холодной скважины прокачивается через теплообменник системы кондиционирования. Хладагентом служит аммиак. Вода, нагреваясь на 8 °С, возвращается в скважину. Такое кондиционирование, КПД которого достигает 41 %, покрывает до 60 % потребности отеля.
При пиковых нагрузках одновременно включаются два теплообменника, отводимая тепловая энергия аккумулируется в подземном водном природном резервуаре, связанном с резервуаром, из которого забиралась вода, трубопроводом системы кондиционирования. Аккумулированное тепло используется в зимний период для нужд отопления посредством ТН. Вода возвращается в скважину температурой 8 °С.
Энергия фазового перехода
Такие ТА относятся к системам с постоянным давлением и массой. Изменения объема ТАМов с фазовым переходом жидкость/твердое тело, которые происходят в процессе рабочих циклов, обычно незначительны.
В настоящее время системы аккумулирования тепловой энергии, основанные на использовании теплоты фазового перехода, активно разрабатываются. Их главные преимущества – высокая тепловая емкость, постоянная рабочая температура и низкое давление; недостатки – нестабильность большинства ТАМов с фазовым переходом и усложнение конструкции ТА, необходимость решения проблемы теплообмена с аккумулирующей средой.
Под аккумулированием на основе теплоты фазового перехода в большинстве случаев понимают аккумулирование теплоты плавления. Часто в дополнение к ней утилизируется и энтальпия (теплосодержание) жидкости или твердой фазы. Это увеличивает емкость ТА, но лишает возможности использования преимуществ теплоснабжения при постоянной температуре.
Аккумулирование за счет теплоты фазового перехода более эффективно, в частности, в отношении массогабаритных характеристик ТА. Например, удельная теплоемкость воды составляет в диапазоне 20–100 °С в среднем 4,2 кДж/кг×К (при нагреве до 100 °С можно запасти 336 кДж энергии), при кристаллизации 1 кг энергетический выход составляет уже 332,4 кДж, а при конденсации –2258,5 кДж.
Аккумулирование с замораживанием воды при 0 °С служит одним из эффективных методов низкотемпературного аккумулирования. Разработаны и применяются различные системы такого аккумулирования. Оно особенно выгодно в тех климатических зонах, где нагрузки на охлаждение в летнее время соотносимы с нагрузками обогрева зимой.
Но в таких системах непосредственно использовать запасенную энергию затруднительно: необходима промежуточная ступень, своего рода редуктор – водяной тепловой насос, позволяющий организовать теплоснабжение дома при замораживании объема воды и кондиционирование – при его размораживании.
Производительность такой системы определяется с высокой точностью, при этом риск повреждения или снижения производительности минимален. При разрушении системы не происходит загрязнения подземных слоев питьевой воды и грунта, а объем перекачиваемого промежуточного низкозамерзающего теплоносителя в десятки раз меньше, чем в геотермальных системах.
Для регенерации ТАМа используется тепловая энергия от солнечно-воздушных абсорберов, тепло грунта и других источников избытка тепловой энергии. В режиме аккумулирования тепла используется объем заглубленного в землю ТА емкостью от 5 до 1600 м3 (при необходимости возможно и большей) и прилегающего грунта. При этом за счет фазового перехода 10 м3 воды можно получить количество тепловой энергии, эквивалентное получаемому при сжигании 100 м3 природного газа или примерно пяти канистрам жидкого топлива. Такой ТА в сочетании с гелиосистемой может служить в качестве полноценного источника тепла для ТН. При понижении температуры в «ледовом» ТА ниже температуры грунта или его замораживании тепло поступает также от окружающей земли. Летом такой ТА может применяться для пассивного охлаждения помещений.
Теплота испарения–конденсации, как правило, в несколько раз превышает теплоту плавления–кристаллизации. Так, этиловый спирт при ст. усл. кипит при 78 °С, а его теплота испарения в 2,5 раза больше теплоты плавления льда и эквивалентна нагреву того же количества жидкой воды на 200 °С. Однако в отличие от плавления, когда изменения объема вещества незначительны, при испарении пар занимает весь предоставленный ему объем, в котором сразу начинает расти давление, препятствуя дальнейшему испарению рабочего тела.
Конструкции и их специфика
К основным типам ТА с фазовым переходам относятся: капсульный; кожухотрубный; со скребковым и с ультразвуковым удалением ТАМа; с прямым контактом и с прокачкой ТАМа, с испарительно-конвективным переносом тепла. Капсульные ТА характеризуются высокой надежностью конструкции, они позволяют создавать развитую поверхность теплообмена и компенсировать изменение объема в процессе фазовых переходов. Но низкая теплопроводность ТАМа требует использовать большое число капсул малого размера. Поэтому такие ТА трудоемки при изготовлении, и их применение оправдано лишь в случае небольших тепловых потоков через теплообменную поверхность.
Расположение ТАМа в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника обеспечивает рациональное использование внутреннего объема ТА и применение традиционных технологий изготовления теплообменных аппаратов. Однако при такой конструкции осложнено температурное расширение ТАМа, что приводит к снижению надежности ТА.
Самым технологически сложным и дорогим элементом ТА традиционной конструкции является теплообменная поверхность. Вследствие низких коэффициентов теплопроводности большинства плавящихся ТАМов, в настоящее время предложены различные способы уменьшения поверхности теплообмена за счет механического удаления ТАМа, ультразвукового или электрогидравлического разрушения затвердевшего ТАМа. Это позволяет существенно снизить величину термического сопротивления теплообменной поверхности, но существенно увеличивает нагрузки на конструктивные элементы аккумулятора.
Непосредственный контакт ТАМа и теплоносителя обеспечивает высокую эффективность теплопередачи. Но в этом случае для работоспособности конструкции необходим корректный подбор пары ТАМ–теплоноситель. ТАМы в этом случае должны затвердевать в виде сепаратных кристаллов, иметь большую разность плотностей твердой и жидкой фаз, быть химически стабильными и не образовывать эмульсий с теплоносителем.
При использовании более плотного теплоносителя, чем твердый ТАМ, в верхнюю часть конструкции поступает жидкий теплоноситель, который попадает на поверхность ТАМа, охлаждает (нагревает) его и отводится из нижней части.
аккумулятора. За счет меньшей плотности жидкой фазы ТАМа, по сравнению с твердой, его твердые частицы опускаются в нижнюю часть аккумулятора и постепенно заполнят весь объем.
При использовании теплоносителя с меньшей плотностью, чем ТАМ, теплоноситель распыляется в нижней части аккумулятора. При движении капель теплоносителя вверх за счет силы Архимеда ТАМ отдает или получает энергию и одновременно интенсивно перемешивается.
Основной недостаток таких схем – необходимость источника энергии для прокачки. Кроме того, требуются устройства для задержания попавших в него частиц ТАМа (фильтрации).
При испарительно-конвективном переносе тепла необходимо, чтобы температура кипения теплоносителя была ниже температуры плавления ТАМа. При заряде давление и, соответственно, температура кипения теплоносителя устанавливаются выше температуры плавления ТАМа. В зарядном теплообменнике осуществляется подвод тепла. Теплоноситель закипает, и пузырьки пара при температуре выше температуры плавления ТАМа поднимаются вверх и нагревают его, ТАМ плавится и поднимается вверх, а теплоноситель, теряя энергию, конденсируется, опускаясь вниз.
По мере плавления ТАМа пузырьки теплоносителя выходят в паровое пространство ТА, и в конце процесса зарядки весь теплоноситель – в паровой фазе в нем. При отводе тепла давление в ТА снижается, и температура конденсации теплоносителя становится ниже температуры плавления ТАМа. На поверхности разрядного теплообменника происходит конденсация теплоносителя, который стекает на расплавленный ТАМ, испаряется, а частицы последнего кристаллизуются. Затвердевший ТАМ опускается в нижнюю часть ТА, а теплоноситель в паровой фазе поднимается вверх. По мере охлаждения капли теплоносителя опускаются вниз, и в конце разрядки весь он концентрируется в нижней части конструкции.
Идеальный ТАМ
Эффективная аккумулирующая среда на основе фазового перехода должна иметь: высокие энтальпию фазового перехода и плотность, теплоемкость и теплопроводность в твердой и жидкой фазах; удобную для эксплуатационных условий температуру плавления. Такая среда не должна расслаиваться и быть стабильна при изменении температуры, она не должна переохлаждаться при затвердении и перегреваться при плавлении, должна иметь низкое термическое расширение и незначительное изменение объема при плавлении, слабую химическую активность. Последнее позволяет использовать недорогие конструкционные материалы для изготовления ТА и вспомогательного оборудования. Идеальный ТАМ должен быть безопасен (отсутствие отравляющих паров, а также опасных реакций с рабочей или теплообменной средой) и большие ресурсы работы.
В диапазоне 20–70 °С плавятся сложные органические соединения, обычно быстро окисляющиеся на воздухе. Но наиболее подходящие вещества – парафины, температура плавления большинства которых – 40–65 °С ( существуют и парафины с температурой плавления 27 °С и менее, а также озокерит, температура плавления которого 58–100 °С). И парафины, и озокерит безопасны. К сожалению, при хорошей теплоемкости теплопроводность их невелика и они сравнительно дороги (например, озокерит стоит порядка 500 рублей за кг, а парафин стоит в зависимости от степени очистки до 100 рублей).
Но температура плавления в районе 50 °С, характерная для высокоочищенных парафинов, в сочетании с высокой теплотой фазового перехода (более 200 кДж/кг) подходит для ТА, рассчитанного на обеспечение ГВС и отопления. Однако для прогрева индивидуального дома в течение суток масса парафинового ТА должна составлять тысячи кг.
Некоторые вещества и в рамках одной фазы могут иметь несколько форм (для твердых тел – разные типы кристаллических решеток). Так, сплавы железа могут переходить из мартенситной в аустенитную форму и обратно. Температура перехода для каждого сплава своя и меняется даже при небольших изменениях состава. Смена таких фазовых состояний, как правило, также сопровождается заметным выделением или поглощением энергии, хотя обычно гораздо менее значительным, чем при изменении агрегатного состояния вещества. Во многих случаях при подобных изменениях в отличие от смены агрегатного состояния наблюдается температурный гистерезис – температуры прямого и обратного фазового перехода различаются иногда на десятки и даже на сотни градусов.
В области температур до 100 °С для ТАМов также применяются кристаллогидраты. Но входящая в состав вода делает их недостаточно стабильными – максимально возможны лишь несколько десятков рабочих циклов. Затем физико-химические и теплофизические характеристики кристаллогидратов изменяются, и штатный режим работы ТА прекращается.
В некотором роде подобные термохимические реакции можно рассматривать как смену фазового состояния смеси реагентов, и проблемы здесь возникают примерно те же — трудно найти дешевую, безопасную и эффективную смесь веществ, успешно действующую подобным образом в диапазоне температур 20–70 °С.
В качестве ТАМов с фазовым переходом используются как моносоставные, так и полисоставные (в том числе бинарные) материалы. В бинарных системах точку плавления можно выбирать изменением количественного соотношения солей в смеси, а высокая плотность энергии может быть достигнута даже при низких температурах плавления. Причем дорогостоящие вещества с высокими теплоаккумулирующими свойствами могут быть использованы в смеси с дешевыми практически без уменьшения теплоемкости.
Бинарные системы при их применени должны плавиться и затвердевать аналогично гомогенному чистому веществу. Этому условию отвечают два типа составов смесей — эвтектическая и дистектическая. Эвтектический состав смеси ТАМов представлен нижней точкой на диаграммах плавления, а дистектическая смесь ведет себя почти как чистое вещество.
Утилизация скрытой теплоты плавления часто лежит в основе работы ТА систем солнечного отопления. В качестве ТАМов в этом случае подбираются вещества с диапазоном плавления 30–50 °С. Например, хлорид кальция плавится при t = 29 °С с тепловым эффектом, аналогичным получаемому от объема воды 1/7 объема этого вещества при снижении ее температуры на 10 °С. ТА с рабочим веществом можно хранить в помещениях и применять в системах теплоснабжения от возобновляемых источников энергии, а также в баках-аккумуляторах.
Химические накопители энергии
Известна большая группа химических реакций, которые при нагревании проходят с поглощением энергии, а при охлаждении – с ее выделением. При образовании новых веществ энергия запасается в химических связях. При разрядке (экзотермической химической реакции) происходит обратный процесс, сопровождаемый выделением запасенной энергии (обычно в виде тепла, иногда дополнительно в виде газа), в частности, так происходит при «гашении» извести водой. Для реакции обычно достаточно просто соединить реагенты друг с другом, в отличие от горения (самоподдерживающейся реакции с кислородом) локальное повышение температуры выше критической в этом случае не требуется.
По сути это разновидность термохимической реакции, однако в отличие от низкотемпературных реакций в ТА, не требующих каких-то особых условий, температуры в этом случае могут достигать сотен и даже тысячи градусов. Удельный объем энергии поэтому значителен, но и оборудование сложнее и дороже.
Рис. 8. Кожухотрубный теплообменный аппарат
Дополнительные расходуемые вещества, например, вода для гашения извести может выделяться при переходе извести в негашеное состояние. Но хранение такого энергетически «заряженного» вещества требует специфических условий, невыполнение которых чревато авариями.
Другое перспективное вещество – мирабилит (десятиводный сульфат натрия Na2 SO4 · 10H2 O) получают в результате элементарных химических реакций или добывают как полезное ископаемое. При длительном хранении в сухом месте кристаллический мирабилит теряет связанную воду и превращается в сульфат натрия. При этом его плотность повышается, а объем уменьшается, облегчая транспортировку. Чтобы восстановить сульфат натрия до рабочего состояния, достаточно добавить в него необходимое количество воды.
Рис. 9. Кристалл мирабилита
При повышении температуры выше 32 °С связанная вода начинает освобождаться, при снижении температуры до 32 °С – вновь связывается в структуру кристаллогидрата. Энергетический выход реакции гидратации–дегидратации составляет 251 кДж/кг.
ТА на основе насыщенного раствора мирабилита (насыщенного при температуре выше 32 °С) может эффективно поддерживать температуру на уровне 32 °С с большим ресурсом накопления или отдачи энергии. Мирабилит при работе «на обогрев» может значительно переохлаждаться без кристаллизации (ниже 20 °С). В этом случае ТА можно активизировать, осуществив какие-либо возмущающие действия в отношении переохлажденного раствора. В начале реакции температура раствора быстро возрастает до 32 °С. Далее она проходит со скоростью, необходимой для поддержания этой температуры до кристаллизации всего мирабилита.
Для того чтобы кристаллизация начиналась автоматически при снижении температуры до порогового уровня, необходима та или иная инициация (например, вибрация). Можно также использовать перенасыщенный раствор, кристаллы которого обеспечат кристаллизацию при снижении температуры ниже пороговой.
Низкая температура фазового перехода позволяет заряжать мирабилитовый ТА не только интенсивным нагревом (электричеством или при сжигания топлива), но и от солнечных коллекторов.
Существуют и другие типы накопителей энергии. Однако в настоящее время они ограничены по ее плотности и времени хранения, имея в то же время высокую удельную стоимость.
Статья из журнала "Аква-Терм", №1/2016
