Wstęp
Pompy ciepła szybko zyskują na popularności jako skuteczne narzędzie zapobiegania globalnemu ociepleniu i promowania neutralności węglowej, jako urządzenia grzewcze, które mogą zastąpić urządzenia spalające paliwa kopalne. Wydajność pomp ciepła uległa poprawie, ale jej wzrost uległ spowolnieniu. Aby jeszcze bardziej zwiększyć wydajność pomp ciepła, oprócz poprawy wydajności samych urządzeń, można zastosować efektywne przenoszenie i magazynowanie ciepła, co pozwala na efektywne chłodzenie, ogrzewanie, a także dostarczanie ciepłej wody użytkowej w razie potrzeby i z pożądaną ilością ciepłej wody.
Zalety magazynowania ciepła
Magazynowanie ciepła to magazynowanie energii cieplnej, a powierzchnie gruntu i wody można nazwać materiałami o dużej pojemności, ponieważ magazynują energię słoneczną i atmosferyczną. Magazynowanie ciepła ma wiele zalet, takich jak:
Dzięki wykorzystaniu dużej ilości ciepła, magazynowanego w małej pojemności, w momencie maksymalnego zapotrzebowania, można zmniejszyć wydajność urządzeń stanowiących źródło ciepła i zrównoważyć czasową nierównowagę w zużyciu ciepła.
Zużycie energii elektrycznej można wyrównać w nocy i w dzień dzięki magazynowaniu ciepła poprzez wykorzystanie energii elektrycznej w nocy, gdy zużycie prądu jest niskie, i wykorzystanie ciepła w ciągu dnia, aby zmniejszyć zużycie energii elektrycznej.
Efektywna praca jest możliwa dzięki wykorzystaniu różnicy temperatur między dniem a nocą oraz akumulacji ciepła. Na przykład latem, w nocy, gdy temperatura jest niższa niż w ciągu dnia, ciepło lodu jest efektywnie akumulowane, a następnie wykorzystywane do chłodzenia w ciągu dnia, aby obniżyć temperaturę kondensacji i zapewnić wydajną pracę.
Komfort można poprawić, instalując akumulator ciepła w jednostce zewnętrznej pompy ciepła. Na przykład, ciepło może być wykorzystane do zapobiegania spadkowi temperatury w pomieszczeniu podczas ogrzewania z powodu odszraniania oraz do szybkiego wydmuchu ciepłego powietrza na początku grzania.
Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna, energia geotermalna i ciepło odpadowe z fabryk, staje się łatwiejsze dzięki stosowaniu magazynowania ciepła.
Rodzaje magazynowania ciepła
Istnieją różne metody magazynowania ciepła.
Akumulacja ciepła jawnego to powszechnie stosowana metoda magazynowania energii cieplnej poprzez wykorzystanie zmian temperatury w cieczach, takich jak woda, oraz ciałach stałych, takich jak cegły i beton. Na przykład, metoda magazynowania ciepła jawnego z wykorzystaniem wody jest stosowana w pompach ciepła typu powietrze-woda (ATW) do podgrzewania wody i ogrzewania pomieszczeń. Biorąc za przykład betonowe budynki, ich sufity, podłogi, ściany itp. są wykorzystywane jako materiały do magazynowania ciepła. Ponieważ magazynowanie ciepła jawnego charakteryzuje się stosunkowo niską gęstością, ilość zgromadzonego ciepła jest zwiększana poprzez zwiększenie różnicy temperatur materiału magazynującego ciepło.
Magazynowanie ciepła przemiany fazowej lub magazynowanie ciepła utajonego to metoda magazynowania ciepła, w której energia cieplna jest rozpraszana lub absorbowana podczas przemiany substancji w ciało stałe lub ciecz. Charakteryzuje się ona wyższą gęstością ciepła niż magazynowanie ciepła jawnego. Przykładem zastosowania magazynowania ciepła przemiany fazowej są systemy klimatyzacyjne z magazynowaniem ciepła, które wykorzystują ciepło utajone generowane podczas przemiany fazowej wody i lodu. Innym przykładem są urządzenia grzewcze, które wykorzystują parafinę o dużej zawartości ciepła utajonego jako materiał do magazynowania ciepła w celu poprawy wydajności. Ponadto, funkcjonalne polimery magazynujące ciepło przemiany fazowej, czyli żywice o właściwościach magazynowania ciepła, są stosowane jako materiały izolacyjne do ogrzewania podłogowego w domach.
Chemiczne magazynowanie ciepła to metoda magazynowania i rozpraszania ciepła generowanego w reakcji chemicznej, która jest wyzwalana, gdy ośrodek reakcji i materiał magazynujący ciepło stykają się ze sobą. Jeśli ośrodek reakcji i materiał magazynujący ciepło zostaną rozdzielone, stan magazynowania ciepła może być utrzymywany przez długi czas. Ponieważ jednak temperatura reakcji generującej ciepło przekracza 200°C, trwają prace badawczo-rozwojowe (R&D), takie jak wykorzystanie ciepła odpadowego z fabryk o wysokiej temperaturze.
Systemy wykorzystujące magazynowanie ciepła
Systemy wykorzystujące akumulację ciepła występują w różnych formach i przy użyciu różnych metod, takich jak pompy ciepła ATW do podgrzewania wody i ogrzewania pomieszczeń, systemy magazynowania ciepła w lodzie oraz systemy klimatyzacji wykorzystujące akumulację ciepła w konstrukcjach budynków. Aktywnie rozwijane są również systemy wykorzystania akumulacji ciepła w połączeniu z wykorzystaniem energii słonecznej, energii geotermalnej, energii ze spalin przemysłowych itp., a wiele nowych systemów akumulacji ciepła zostało zgłoszonych.
Problemy z magazynowaniem ciepła
Magazynowanie ciepła ma wiele zalet, ale wiąże się również z wyzwaniami. Pierwszym z nich jest utrata ciepła. Drugim jest różnica między temperaturą wymiany ciepła między okresami magazynowania a temperaturą odprowadzania ciepła, co jest konieczne, ale prowadzi do spadku wydajności. Trzecim jest zapotrzebowanie na urządzenia, przestrzeń itp. do magazynowania ciepła, takie jak zbiorniki magazynowe i baseny. Ważne jest, aby sprostać tym wyzwaniom, aby magazynowanie ciepła było łatwiejsze w użyciu i bardziej efektywne.
Na przykład, aby zmniejszyć straty ciepła, o których mowa jako o pierwszym problemie, ważne jest, aby zaizolować zbiornik akumulacyjny ciepła. W związku z tym opracowano różne materiały termoizolacyjne, takie jak wełna mineralna, wełna szklana, pianka polietylenowa, pianka poliuretanowa i izolacja próżniowa. Te materiały termoizolacyjne, oprócz właściwości termoizolacyjnych, muszą charakteryzować się odpornością na ciepło, wilgocią, trwałością itp. Spośród nich, materiał izolacyjny próżniowy jest uważany za idealny materiał izolacyjny i jest stosowany w zbiornikach ciepłej wody, zbiornikach akumulacyjnych ciepła i domach, ponieważ jest coraz cieńszy, a jego koszt maleje. Izolacja termiczna domów i budynków jest również istotną kwestią związaną z obciążeniem cieplnym klimatyzacji.
Wniosek
Współczesne społeczeństwo zużywa ogromne ilości energii, a towarzysząca temu duża ilość ciepła odpadowego powoduje globalne ocieplenie. Aby temu przeciwdziałać, niezbędne jest opracowanie systemu, który wykorzysta generowaną energię ciepła odpadowego, a także poprawi efektywność energetyczną i zmniejszy zużycie energii. Pompy ciepła i magazynowanie ciepła to technologie, które realizują te cele, i oczekuje się dalszych prac badawczo-rozwojowych.
Ważnymi zagadnieniami rozwojowymi są szybkie przenoszenie ciepła podczas magazynowania w kontenerze i odprowadzanie go z kontenera z mniejszymi stratami oraz wyższa gęstość ciepła magazynowanego. Zbudowanie kompaktowego, wydajnego i niedrogiego systemu magazynowania ciepła znacznie zwiększy jego zastosowanie. Zbudowanie pomp ciepła wykorzystujących takie ulepszone systemy magazynowania ciepła może doprowadzić do powstania nowych systemów, podobnie jak w przypadku pojazdów elektrycznych i dronów, które wykorzystują akumulatory o wysokiej gęstości.
Czas publikacji: 28-06-2023
