Zavedení
Tepelná čerpadla se rychle rozšiřují jako účinný prostředek prevence globálního oteplování a podpory uhlíkové neutrality jako topná zařízení, která mohou nahradit zařízení na spalování fosilních paliv. Účinnost tepelných čerpadel se sice zlepšila, ale růst účinnosti se zpomalil. Jako opatření k dalšímu zlepšení účinnosti tepelných čerpadel může využití efektivního přenosu a akumulace tepla, kromě zlepšení účinnosti samotného zařízení, zajistit efektivní chlazení, vytápění a také ohřev teplé vody v případě potřeby a v požadovaném množství.
Výhody akumulace tepla
Akumulace tepla je způsob ukládání tepelné energie a povrch země a vody lze označit za materiály s velkou kapacitou pro ukládání tepla, protože ukládají sluneční a atmosférickou energii. Akumulace tepla má mnoho výhod, a to následovně.
Kapacitu zařízení zdroje tepla lze snížit a časovou nerovnováhu ve využívání tepla je možné vyrovnat díky využití velkého množství tepla, které je akumulováno s malou kapacitou, v době maximální poptávky.
Spotřebu elektřiny lze vyrovnat mezi nocí a dnem díky akumulaci tepla využitím elektřiny v noci, kdy je spotřeba elektřiny nízká, a využitím tepla během denního provozu ke snížení spotřeby elektřiny.
Efektivního provozu lze dosáhnout využitím teplotního rozdílu mezi dnem a nocí a také akumulací tepla. Například v létě, v noci, kdy je teplota nižší než během dne, se teplo z ledu efektivně akumuluje a poté se během dne využívá k chlazení, aby se snížila teplota kondenzace a tím se zajistil efektivní provoz.
Komfort lze zlepšit díky instalaci tepelného akumulátoru do venkovní jednotky tepelného čerpadla. Teplo lze například využít k zabránění poklesu teploty v místnosti během vytápění v důsledku odmrazování a k rychlému vyfouknutí teplého vzduchu na začátku vytápění.
Využívání obnovitelných zdrojů energie, jako je solární, geotermální a odpadní teplo z továren, se stává snazším díky akumulaci tepla.
Typy akumulace tepla
Existují různé metody akumulace tepla.
Akumulace rozumného tepla je metoda, která ukládá tepelnou energii využitím teplotních změn v kapalinách, jako je voda, a pevných látkách, jako jsou cihly a beton, a je široce používána. Například metoda akumulace rozumného tepla s vodou se používá u tepelných čerpadel vzduch-voda (ATW) pro ohřev vody a vytápění prostor. Vezměme si jako příklad metody akumulace rozumného tepla s betonem betonové budovy, jejich stropy, podlahy, stěny atd. se používají jako materiály pro akumulaci tepla. Vzhledem k tomu, že akumulace rozumného tepla má relativně nízkou hustotu akumulace tepla, množství akumulovaného tepla se zvyšuje zvětšením teplotního rozdílu materiálu pro akumulaci tepla.
Akumulace tepla s fázovou změnou neboli akumulace latentního tepla je metoda akumulace tepla, přičemž tepelná energie se rozptýlí nebo absorbuje při změně látky na pevnou nebo kapalnou látku, a má vyšší hustotu akumulace tepla než akumulace citelného tepla. Příkladem použití akumulace tepla s fázovou změnou jsou klimatizační systémy s akumulací tepla, které využívají latentní teplo generované fázovou změnou vody a ledu. Dalším příkladem je topné zařízení, které používá parafín s velkým množstvím latentního tepla jako materiál pro akumulaci tepla pro zlepšení výkonu. Kromě toho se funkční polymery s fázovou změnou akumulace tepla, pryskyřice s vlastnostmi akumulace tepla, používají jako izolační materiály pro podlahové vytápění v domech.
Chemická akumulace tepla je metoda ukládání a odvádění tepla generovaného chemickou reakcí, která se spustí, když se reakční médium a materiál akumulující teplo dostanou do vzájemného kontaktu. Pokud jsou reakční médium a materiál akumulující teplo odděleny, lze stav akumulace tepla udržet po dlouhou dobu. Vzhledem k tomu, že reakční teplota pro generování tepla je vyšší než 200 °C, probíhá výzkum a vývoj (VaV), jako je využití odpadního tepla z továren s vysokými teplotami.
Systémy využívající akumulaci tepla
Systémy využívající akumulaci tepla se dodávají v různých formách a metodách, jako například tepelná čerpadla ATW pro ohřev vody a vytápění prostor, systémy akumulace tepla s ledem a systémy klimatizace s akumulací tepla v budovách. Aktivně probíhá také vývoj systémů pro využití akumulace tepla v kombinaci s využitím solární energie, geotermální energie, energie výfukových plynů z továren atd. a bylo hlášeno mnoho nových systémů akumulace tepla.
Problémy s akumulací tepla
Akumulace tepla má mnoho výhod, ale také s sebou nese výzvy. První je tepelná ztráta. Druhou je rozdíl v teplotě výměny tepla mezi obdobími akumulace a odvodu tepla, což je nezbytné, ale vede ke snížení účinnosti. Třetí je potřeba zařízení, prostor atd. pro akumulaci tepla, jako jsou akumulační nádrže a bazény. Je důležité tyto výzvy řešit, aby se akumulace tepla snáze používala a byla efektivnější.
Například, aby se snížily ztráty odvodem tepla, které byly zmíněny jako první problém, je důležité izolovat tepelný akumulační zásobník. Proto byly vyvinuty různé tepelně izolační materiály, jako je minerální vlna, skelná vlna, polyethylenová pěna, uretanová pěna a vakuová izolace. Tyto tepelně izolační materiály musí kromě tepelně izolačních vlastností splňovat i požadavky na tepelnou odolnost, odolnost proti vlhkosti, trvanlivost atd. Mezi nimi je vakuový izolační materiál považován za ideální izolační materiál a používá se pro zásobníky teplé vody, akumulační zásobníky tepla a domy, protože se vyrábí tenčí a náklady klesají. Tepelná izolace domů a budov je také důležitou otázkou související s tepelným zatížením klimatizace.
Závěr
Moderní společnost spotřebovává velké množství energie a s tím spojené velké množství odpadního tepla způsobuje globální oteplování. Jako protiopatření je nezbytné vyvinout systém, který využívá generovanou odpadní tepelnou energii a zároveň zlepšuje energetickou účinnost a snižuje spotřebu energie. Tepelná čerpadla a akumulace tepla jsou technologie, které tyto cíle realizují, a očekává se další výzkum a vývoj v této oblasti.
Důležitými tématy vývoje jsou rychlý přenos tepla během akumulace tepla v kontejneru a jeho odvod z kontejneru s menšími ztrátami a vyšší tepelná hustota akumulace tepla. Pokud se podaří realizovat kompaktní, velkokapacitní a levný systém akumulace tepla, jeho aplikace se výrazně rozšíří. Pokud se podaří realizovat tepelná čerpadla využívající takto vylepšené systémy akumulace tepla, mohou vzniknout nové systémy, stejně jako byla vytvořena elektromobily a drony s využitím baterií s vysokou hustotou.
Čas zveřejnění: 28. června 2023
