Классификация и выбор аккумуляторов теплоты

Необходимость аккумулирования теплоты в гелиосистемах обусловлена несоответствием во времени и по количественным показателям теплопоступления за счет солнечной радиации и теплопотребления. Поток солнечной энергии изменяется в течение суток от нуля, в ночное время, до максимального значения в солнечный полдень (рис. 7,б). Поскольку тепловая нагрузка отопления максимальна в декабре – январе, а поступление солнечной энергии в этот период минимально (рис. 7,а), для обеспечения расчетного теплопотребления необходимо осуществлять улавливание солнечной энергии (Е) в большей степени, чем требуется в данный момент (E₁), а её избыток (E₂) накапливать в аккумуляторе теплоты.

а) б)

Рис. 7. Типичные годовой (а) и суточный (б) графики

изменения количества поступающей солнечной энергии Е

и тепловой нагрузки теплоснабжения здания Q:

Е₁ – используемая солнечная энергия; Е₂ – избыток солнечной энергии (может быть аккумулирован); Е₃ – дефицит солнечной энергии (может быть покрыт из дополнительного источника или аккумулятора тепла)

Применение аккумуляторов теплоты повышает надежность систем солнечного теплоснабжения, обеспечивает покрытие нагрузки ночью и при повышенной облачности, снижает расход топлива.

Системы аккумулирования теплоты (CAT) работают на основе накопления явной или скрытой теплоты и характеризуются энергоемкостью, мощностью потоков подводимой и отводимой теплоты, продолжительностью цикла аккумулирования (краткосрочное аккумулирование – от 6÷12 ч до 10 сут, и долгосрочное – от 10 сут до нескольких месяцев), объемной плотностью энергии, диапазоном температур, коэффициентом теплопередачи, капитальными и эксплуатационными затратами [1]. Система аккумулирования теплоты, как правило, содержит резервуар, тепловую изоляцию и тепло-аккумулирующий материал (ТАМ), с помощью которого осуществляются накопление и хранение тепловой энергии.

Следует отметить, что применение сезонных CAT и аккумуляторов теплоты фазового перехода в настоящее время экономически нецелесообразно.

Аккумуляторы можно классифицировать по характеру физико-химических процессов, протекающих в теплоаккумулирующих материалах:

1) аккумуляторы емкостного типа, в которых используется теплоёмкость нагреваемого (охлаждаемого) аккумулирующего материала без изменения его агрегатного состояния (природный камень, галька, вода, водные растворы солей и др.);

2) аккумуляторы фазового перехода вещества, в которых используется теплота плавления (затвердевания) вещества;

3) аккумуляторы энергии, основанные на выделении и поглощении теплоты при обратимых химических и фотохимических реакциях.

В аккумуляторах первой группы происходят последовательно или одновременно процессы нагревания и охлаждения теплоаккумулирующего материала либо непосредственно за счёт солнечной энергии, либо через теплообменник. Этот способ аккумулирования тепловой энергии наиболее широко распространен. Основным недостатком аккумуляторов этого типа является их большая масса и как следствие этого – потребность в больших площадях и геометрических объёмах в расчёте на 1 ГДж аккумулируемой теплоты.

Количество аккумулированной теплоты при отсутствии фазовых переходов ТАМа определяется по формуле:

Q = m×c_p×(t₂ – t₁), (9)

где t₁ и t₂ – температура ТАМа до и после зарядки аккумулятора, °С; m – масса ТАМа, кг; с_р – удельная изобарная теплоемкость ТАМа, кДж/(кг×°С).

Наиболее эффективный теплоаккумулирующий материал
в жидкостных солнечных системах теплоснабжения – вода. Для сезонного аккумулирования теплоты перспективно использование подземных водоёмов, грунта, скальной породы и других природных образований.
В солнечных воздушных системах теплоснабжения обычно применяются галечные аккумуляторы теплоты, представляющие собой ёмкости круглого или прямоугольного сечения, содержащие гальку размером 20–50 мм
в виде насадки из плотного слоя частиц.

Аккумуляторы этого типа обладают рядом достоинств, но по сравнению с водяным аккумулятором, в этом случае, требуется больший объём. При суточном аккумулировании теплоты удельный объем водяного бака-аккумулятора для жидкостных ССТ принимается равным 0,05 - 0,15 м³, а галечного аккумулятора для воздушных ССТ – 0,15 - 0,35 м³ на 1 м² площади поверхности КСЭ, следовательно, при одинаковой энергоёмкости объём галечного аккумулятора теплоты в 3 раза больше объёма водяного бака-аккумулятора.

Применение ТАМов фазового перехода (плавление-затвердевание) обеспечивает большую объемную плотность аккумулируемой энергии
и позволяет уменьшить их массу и объем.

Количество теплоты, аккумулируемой при плавлении ТАМа, определяется по формуле:

Q = m×[c_т×(t_пл – t₁) + r_пл + с_ж×(t₂ – t_пл), (10)

где с_т, с_ж – соответственно, удельные теплоемкости твердого и жидкого ТАМа, кДж/(кг×°С); r_пл – скрытая теплота плавления ТАМа, кДж/кг; t_пл – температура плавления, °С.

Для низкотемпературных солнечных систем теплоснабжения
в качестве аккумуляторов фазового перехода наиболее пригодны органические вещества (парафин, некоторые жирные кислоты) и кристаллогидраты неорганических солей, например, гексагидрат хлористого кальция СаСl₂·6Н₂О или глауберова соль Nа₂SO₄·10Н₂O, плавящиеся при 29 и 32 °С, соответственно. При использовании кристаллогидратов возможны разделение смеси и её переохлаждение, вызывающие нестабильность этих недорогих веществ и снижающие число рабочих циклов. Для устранения этих недостатков к теплоаккумулирующему материалу добавляют специальные вещества, которые обеспечивают равномерную кристаллизацию расплава и способствуют длительному использованию материала в многократных циклах плавления - затвердевания. Для организации эффективного теплообмена используются оребренные поверхности, капсулы, заполненные теплоаккумулирующим материалом, а также теплопроводные матрицы (ячеистые структуры). Это необходимо, в первую очередь, при использовании органических веществ, имеющих низкий коэффициент теплопроводности порядка 0,15 Вт/(м·°С).