Введение
Тепловые насосы быстро расширяются как эффективное средство предотвращения глобального потепления и продвижения углеродной нейтральности как отопительное оборудование, которое может заменить оборудование сжигания ископаемого топлива. Эффективность тепловых насосов была улучшена, но рост эффективности замедлился. В качестве меры по дальнейшему повышению эффективности тепловых насосов использование эффективной теплопередачи и аккумулирования тепла, в дополнение к повышению эффективности самого оборудования, может обеспечить эффективное охлаждение, отопление, а также горячее водоснабжение, когда это необходимо и с желаемым количеством горячей воды.
Преимущества хранения тепла
Хранение тепла - это хранение тепловой энергии, а поверхность земли и воды можно назвать материалами с большой емкостью для хранения тепла, поскольку они хранят солнечную и атмосферную энергию. Хранение тепла имеет много преимуществ, как указано ниже.
Мощность оборудования источника тепла может быть снижена, а временной дисбаланс использования тепла можно компенсировать за счет использования большого количества тепла, запасенного при малой мощности, в момент максимального спроса.
Потребление электроэнергии можно выровнять между ночным и дневным временем благодаря накоплению тепла путем использования электроэнергии ночью, когда потребление электроэнергии низкое, и использования тепла в дневное время для снижения потребления электроэнергии.
Эффективная работа может быть реализована благодаря использованию разницы температур между днем и ночью, а также накоплению тепла. Например, летом, ночью, когда температура ниже, чем днем, тепло льда эффективно сохраняется, а затем используется для охлаждения днем, чтобы снизить температуру конденсации для эффективной работы.
Комфорт можно повысить, установив аккумулятор тепла в наружном блоке теплового насоса. Например, тепло можно использовать для предотвращения падения температуры в помещении во время нагрева из-за размораживания, а также для быстрого выдувания теплого воздуха в начале нагрева.
Использование возобновляемых источников энергии, таких как солнечная, геотермальная энергия и отработанное заводское тепло, становится проще благодаря использованию накопителей тепла.
Типы хранения тепла
Существуют различные методы хранения тепла.
Явное хранение тепла — это метод, который сохраняет тепловую энергию, используя изменения температуры в жидкостях, таких как вода, и твердых телах, таких как кирпичи и бетон, и широко используется. Например, метод явного хранения тепла с водой используется для тепловых насосов типа «воздух-вода» (ATW) для нагрева воды и отопления помещений. Если взять бетонные здания в качестве примера метода явного хранения тепла с бетоном, то их потолки, полы, стены и т. д. используются в качестве материалов для хранения тепла. Поскольку явный накопитель тепла имеет относительно низкую плотность хранения тепла, количество накопленного тепла увеличивается за счет расширения разницы температур материала для хранения тепла.
Накопление тепла с изменением фазы или скрытое тепло — это метод хранения тепла с рассеиванием или поглощением тепловой энергии при переходе вещества в твердое или жидкое состояние, и имеет более высокую плотность хранения тепла, чем явное тепло. Примером использования накопления тепла с изменением фазы являются системы кондиционирования воздуха с сохранением тепла, которые используют скрытое тепло, выделяемое при фазовом переходе воды и льда. Другим примером является отопительное оборудование, которое использует парафин с большим количеством скрытого тепла в качестве материала для хранения тепла для повышения производительности. Кроме того, функциональные полимеры с изменением фазы, смолы со свойствами хранения тепла, используются в качестве изоляционных материалов для напольного отопления в домах.
Химическое хранение тепла — это метод хранения и рассеивания тепла, вырабатываемого химической реакцией, которая запускается, когда реакционная среда и материал для хранения тепла вступают в контакт друг с другом. Если реакционная среда и материал для хранения тепла разделены, состояние хранения тепла может поддерживаться в течение длительного периода времени. Однако, поскольку температура реакции для получения тепла превышает 200℃, ведутся исследования и разработки (НИОКР), такие как использование заводского отходящего тепла с высокими температурами.
Системы, использующие накопление тепла
Системы, использующие теплоаккумуляторы, существуют в различных формах и методах, например, тепловые насосы ATW для нагрева воды и отопления помещений, системы хранения ледяного тепла и системы кондиционирования воздуха с теплоаккумулированием в строительных конструкциях. Также активно ведется разработка систем утилизации теплоаккумулирующих систем в сочетании с использованием солнечной энергии, геотермальной энергии, энергии выхлопных газов заводов и т. д., и сообщалось о многих новых системах хранения тепла.
Проблемы с хранением тепла
Хранение тепла имеет много преимуществ, но оно также создает проблемы. Первая — это потеря тепла. Вторая — это разница в температуре теплообмена между периодами хранения и отвода тепла, что необходимо, но приводит к снижению эффективности. Третья — это потребность в оборудовании, пространствах и т. д. для хранения тепла, таких как резервуары для хранения и бассейны. Важно решить эти проблемы, чтобы сделать хранение тепла более простым в использовании и более эффективным.
Например, чтобы уменьшить потери на рассеивание тепла, упомянутые в качестве первой проблемы, важно изолировать контейнер для хранения тепла. Поэтому были разработаны различные теплоизоляционные материалы, такие как минеральная вата, стекловата, полиэтиленовая пена, уретановая пена и вакуумная изоляция. Эти теплоизоляционные материалы должны обладать термостойкостью, влагостойкостью, долговечностью и т. д. в дополнение к теплоизоляционным характеристикам. Среди них вакуумный изоляционный материал считается идеальным изоляционным материалом, и он используется для резервуаров с горячей водой, контейнеров для хранения тепла и домов, поскольку он становится тоньше, а стоимость снижается. Теплоизоляция домов и зданий также является важным вопросом, связанным с тепловой нагрузкой кондиционирования воздуха.
Заключение
Современное общество потребляет большое количество энергии, а сопутствующее этому большое количество отработанного тепла вызывает глобальное потепление. В качестве контрмеры необходимо разработать систему, которая использует вырабатываемую отработанную тепловую энергию, а также повысить энергоэффективность и сократить потребление энергии. Тепловые насосы и аккумулирование тепла — это технологии, которые реализуют эти цели, и ожидаются дальнейшие НИОКР.
Важными темами развития являются быстрая передача тепла во время хранения тепла в контейнере и рассеивание из контейнера с меньшими потерями, а также более высокая плотность тепла при хранении тепла. Если будет реализована компактная, высокопроизводительная и недорогая система хранения тепла, ее применение значительно расширится. Если будут реализованы тепловые насосы, использующие такие улучшенные системы хранения тепла, могут быть созданы новые системы, так же как были созданы электромобили и беспилотники с использованием батарей высокой плотности.
Время публикации: 28 июня 2023 г.
