Теплоаккумуляторы и их виды

Уловить и сконцентрировать солнечную тепловую энергию, дело не хитрое, ещё 280 млн. лет назад так выживали диметродоны. Сохранить её чтобы потом использовать для обогрева жилища, помогают теплоаккумуляторы. Но на постсоветском пространстве, технологии тепловых аккумуляторов практически не известны, лишь энтузиасты осваивают эту категорию автономного энергообеспечения.

Теплоаккумуляторы сохраняют тепловую энергию в сконцентрированном виде, получая её из источника тепла.Солнечные коллекторы и солнечные концентраторы идеально интегрируются с тепловыми аккумуляторами для бесплатного отопления.

Место теплоаккумуляторов в сегменте альтернативной энергетики

Градацию аккумуляторов тепла удобнее всего проводить в трёх плоскостях:

1. По продолжительности хранения.
2. По используемым технологиям.
3. По масштабу интеграции в имеющуюся инфраструктуру.

Изучать теоретически все аспекты хранения тепла необходимо, чтобы выбрать наиболее оптимальный вариант для практического применения. На Западе и в Америке, данные технологии по большей части получили распространение в крупных проектах. Например, в Германии, Бельгии и Дании, есть целые жилые кварталы частной застройки, которые подключены к локальной автономной системе аккумуляторов тепла. И зимой экономия на отоплении у них достигает 70-80% от обычных расходов.

В Канаде уже 14 лет успешно функционирует система хранения тепловой энергии, которая обеспечивает 97%(!) тепла для небольшого городка «Дрейк Лендинг».

Эффективность такого способа отопления доказана не теоретически, а на практике! Однако есть гигантское расхождение в способах реализации таких систем на постсоветском пространстве и в странах Западного мира. Но об этом будет в конце статьи.

Продолжительность хранения тепла

Периодичность инсоляции рассматривается в двух вариантах:

• День – ночь;
• Лето – зима.

Соответственно и тепловые аккумуляторы будут иметь такую же цикличность. В первом случае, они накапливают энергию днём, а отдают её ночью. Во втором варианте, тепло аккумулируется на протяжении всего летнего периода, а зимой используется по назначению. Из такого деления сразу приходит представление о масштабах теплоаккумуляторов.

В проектах суточной цикличности, достаточно разместить на своём участке 1-3 солнечных коллектора и грамотно подключить их к системе водяного отопления.

Объём накопителя, количество коллекторов и аспекты реализации проекта детализируются исключительно с привязкой к конкретному объекту. Например, уровень инсоляции в Мукачево, Краснодаре, Актюбинске и Бурятии, достаточно сильно различается. Хотя все эти регионы находятся приблизительно на одной широте.

Теплоаккумуляторы с цикличностью «Лето-зима», имеют неизмеримо больший потенциал и в подавляющем большинстве реализованных проектов, именно такая система заложена в фундамент альтернативного энергообеспечения. Однако увеличение объёма теплоаккумулятора, на стоимость всей системы влияет не линейно!

Условно линейную зависимость можно представить в следующей схеме:

• Система суточной цикличности для конкретного дома обошлась в 1000 рублей;
• Условно в году 183 тёплых и столько же холодных суток;
• Значит, система суточной цикличности должна стоить в 183 раза дороже, т.е. 183 т.р.

Фактическое увеличение стоимости будет на порядок меньше!

Но грамотный проект предусматривает подзарядку теплоаккумулятора от солнечных коллекторов или солнечных концентраторов  даже в короткие зимние дни.

Технологии теплоаккумуляторов

В этой категории более сложная структура градации, и она сопряжена с масштабностью решаемых задач. Прежде всего, теплоаккумуляторы делятся на:

• Высокотемпературные;
• Низкотемпературные.

Чёткой границы температур между этими двумя категориями нет. Но высокотемпературные схемы чрезвычайно сложны и в частном домостроении не используются. Температура рабочего тела в них поднимается до 1400˚C. Поэтому там используют расплавы металлов и даже кремния.

Более адаптированы к частному сектору низкотемпературные системы. Чаще всего низкотемпературные теплоаккумуляторы используют в качестве рабочего тела:

• Воду;
• Гравий;
• Бетон;
• Грунт.

По способу размещения на участке, есть несколько схем, которые очень напоминают обычный тепловой насос.

Простейший вариант, это укладка трубопровода в грунт, на глубине 5-7 метров. Затем он засыпается смесью гравия и песка, сверху обязательно формируется слой теплоизоляции. Подобные системы строили в Дании ещё 25 лет назад. Но они были малоэффективны, хотя экономия достигала 20-25%.

Более сложные тепловые аккумуляторы формируются ещё до постройки дома. В глубоком котловане проводят тепло и гидроизоляцию, обустраивая «огромный короб». Его заполняют рабочим веществом, с одновременной укладкой труб.

Для этого даже был изобретён специальный модульный теплоаккумулирующий кирпич – Фиолит.

Сверху этот теплоаккумулятор замуровывается слоем изолятора, отсыпается слой грунта и уже потом строят дом.

Есть проекты, в которых теплоаккумулятор встраивается в саму конструкцию дома, как центральная колонна. Диаметр такой конструкции 2-3 метра и проходит она от крыши до фундамента.

Во всех вариантах, обязательна очень серьёзная теплоизоляция.

Есть менее распространённые, но крайне эффективные теплоаккумуляторы, принцип работы которых основан на экзотермической реакции растворения химических реактивов.  В частности, швейцарские разработчики спроектировали теплоаккумулятор работающий на растворении гидроксида натрия (NaOH).

В бункере находится NaOH, при добавлении воды по капельной спирали, он разогревается до 60-70˚C и тепло используется для обогрева. В летние месяцы, горячий теплоноситель из солнечного концентратора выпаривает воду из раствора, и к зиме в бункере остаётся сухой реактив.

Вся система герметична, так как NaOH очень едкое вещество. Но зато швейцарские изобретатели уверяют, что тепло запасённое таким способом, можно даже перевозить частями!

Масштаб проекта

Важная категория, которая сказывается на стоимости. В простейшем виде её можно представить как систему для:

• Одного дома;
• 2-4 домов;
• Жилого квартала/посёлка.

Характеристики проекта Okotoks (около Калгари, Канада):
• Теплоаккумулятор построен в 2007 году;
• Объём = 34000 куб. м.;
• В его составе 144 скважины глубиной по 35 м;
• Извлечено тепла 243 000 кВт (отчётный период с 01.07.09 по 30.06.10);
• Утрачено тепла 451 000 кВт (за тот же период);
• Средняя температура центральной части теплоаккумулятора 54,1˚C.

Зависимость цены заметно на примере. В проекте Okotoks (Канада), участвуют 52 дома площадью около 130 м² каждый. Теплоаккумулятор представляет собой 144 скважины по 35 метров глубины.

Летом через комплект солнечных концентраторов он нагревается до 70˚C, и на 97% обеспечивает теплом все дома в течении зимнего сезона.

 

Однако любой инженер скажет, что если изолировать один дом и сделать 3 скважины (≈144/52) такой же глубины, то ёмкости теплоаккумулятора хватит всего на 2-3 недели.

Поэтому в каждом случае, обустройство накопителя тепловой энергии начинается с теплотехнических расчётов. Это очень сложная процедура, и ошибки допускают даже профессионалы, вот ещё один пример в сравнении эффективности двух систем.

Выводы для практического применения

Система тепловых аккумуляторов обходится дешевле, при её обустройстве в масштабе нескольких домостроений. Но дешевле в перерасчёте на каждый дом, а общая сумма капиталовложений достаточно серьёзная.

На Западе, все масштабные проекты теплоаккумуляторов спонсируются национальным правительством, которое заботиться не только о своих гражданах, но и об общей экономии энергоресурсов.

Если снять «розовые очки», и сопоставить все законы и решения абсолютно любого правительства на постсоветском пространстве, надо честно сказать – социальная политика вообще не принимается в расчёт. А поэтому надеется надо только на себя, не ожидая помощи государства.

 

---

Вероятно, Вам также понравятся следующие материалы:

Солнечный концентратор

Солнечное отопление

Вакуумный солнечный коллектор

---