Введение
Тепловые насосы стремительно распространяются как эффективное средство предотвращения глобального потепления и обеспечения углеродной нейтральности в качестве отопительного оборудования, способного заменить оборудование, работающее на ископаемом топливе. КПД тепловых насосов повысился, но темпы роста замедлились. В качестве меры по дальнейшему повышению эффективности тепловых насосов, использование эффективной теплопередачи и аккумулирования тепла, помимо повышения эффективности самого оборудования, может обеспечить эффективное охлаждение, отопление, а также горячее водоснабжение в необходимом количестве и в нужном объёме.
Преимущества накопления тепла
Аккумулирование тепла – это накопление тепловой энергии, а земля и водные поверхности можно назвать высокоёмкими теплоаккумулирующими материалами, поскольку они аккумулируют солнечную и атмосферную энергию. Аккумулирование тепла имеет ряд преимуществ, перечисленных 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 в ночное и дневное время благодаря накоплению тепла путем использования электроэнергии в ночное время, когда ее потребление низкое, и использования тепла в дневное время для снижения потребления электроэнергии.
Эффективная работа достигается за счёт использования разницы дневных и ночных температур, а также накопления тепла. Например, летом, когда ночью температура ниже, чем днём, тепло льда эффективно накапливается, а затем используется для охлаждения днём, снижая температуру конденсации и обеспечивая эффективную работу.
Комфорт можно повысить, установив теплоаккумулятор в наружном блоке теплового насоса. Например, это тепло можно использовать для предотвращения понижения температуры в помещении во время обогрева из-за размораживания, а также для быстрого выпуска тёплого воздуха при запуске обогрева.
Использование возобновляемых источников энергии, таких как солнечная, геотермальная энергия и отработанное заводское тепло, становится проще благодаря использованию накопителей тепла.
Типы накопления тепла
Существуют различные методы хранения тепла.
Аккумулирование явного тепла – это метод, позволяющий сохранять тепловую энергию за счёт изменения температуры жидкостей, таких как вода, и твёрдых тел, таких как кирпич и бетон, и он широко распространён. Например, метод аккумулирования явного тепла с использованием воды используется в тепловых насосах типа «воздух-вода» (ATW) для нагрева воды и отопления помещений. Если взять бетонные здания в качестве примера метода аккумулирования явного тепла с использованием бетона, то в качестве теплоаккумулирующих материалов используются потолки, полы, стены и т. д. Поскольку аккумулирующее явное тепло имеет относительно низкую плотность аккумулирования тепла, количество аккумулируемого тепла увеличивается за счёт увеличения разницы температур теплоаккумулирующего материала.
Накопление тепла с фазовым переходом или накопление скрытой теплоты — это метод накопления тепла за счёт рассеивания или поглощения тепловой энергии при переходе вещества в твёрдое или жидкое состояние, характеризующийся более высокой плотностью накопления тепла, чем накопление явного тепла. Примером использования накопления тепла с фазовым переходом являются системы кондиционирования воздуха с тепловым накоплением, которые используют скрытую теплоту, генерируемую при фазовом переходе воды и льда. Другой пример — отопительное оборудование, в котором в качестве теплоаккумулирующего материала для повышения эффективности используется парафин с большим количеством скрытой теплоты. Кроме того, функциональные полимеры с фазовым переходом, то есть смолы с теплоаккумулирующими свойствами, используются в качестве изоляционных материалов для систем тёплого пола в жилых домах.
Химическое накопление тепла — это метод накопления и рассеивания тепла, выделяемого в результате химической реакции, которая запускается при контакте реакционной среды и теплоаккумулирующего материала. При разделении реакционной среды и теплоаккумулирующего материала теплоаккумулирующее состояние может поддерживаться в течение длительного времени. Однако, поскольку температура реакции, приводящей к выработке тепла, превышает 200 °C, ведутся исследования и разработки (НИОКР), например, по использованию высокотемпературного отходящего тепла промышленных предприятий.
Системы, использующие накопление тепла
Системы, использующие накопление тепла, существуют в различных формах и методах, например, тепловые насосы ATW для нагрева воды и отопления помещений, системы накопления льда и системы кондиционирования воздуха с накоплением тепла в строительных конструкциях. Также активно ведётся разработка систем накопления тепла в сочетании с использованием солнечной энергии, геотермальной энергии, энергии выхлопных газов промышленных предприятий и т. д., и уже сообщалось о множестве новых систем накопления тепла.
Проблемы с сохранением тепла
Аккумулирование тепла имеет множество преимуществ, но и создаёт определённые проблемы. Первая — это потери тепла. Вторая — разница температур теплообмена между периодами аккумулирования и отвода тепла, что необходимо, но приводит к снижению эффективности. Третья — необходимость в оборудовании, помещениях и т.д. для аккумулирования тепла, например, в резервуарах и бассейнах. Важно решить эти проблемы, чтобы сделать аккумулирование тепла более простым и эффективным.
Например, для снижения потерь тепла, упомянутых в качестве первой проблемы, важно утеплить резервуар для хранения тепла. Поэтому были разработаны различные теплоизоляционные материалы, такие как минеральная вата, стекловата, вспененный полиэтилен, пенополиуретан и вакуумная изоляция. Помимо теплоизоляционных свойств, эти теплоизоляционные материалы должны обладать термостойкостью, влагостойкостью, долговечностью и т. д. Среди них вакуумная изоляция считается идеальным изоляционным материалом и используется для резервуаров с горячей водой, резервуаров для хранения тепла и жилых домов, поскольку её толщина уменьшается, а стоимость снижается. Теплоизоляция домов и зданий также является важным вопросом, связанным с тепловой нагрузкой от систем кондиционирования воздуха.
Заключение
Современное общество потребляет огромное количество энергии, а сопутствующее этому большое количество отходящего тепла приводит к глобальному потеплению. В качестве контрмеры крайне важно разработать систему, которая будет использовать энергию отходящего тепла, а также повысить энергоэффективность и снизить потребление энергии. Тепловые насосы и системы аккумулирования тепла – это технологии, позволяющие реализовать эти цели, и ожидается дальнейшее развитие исследований и разработок.
Важными направлениями развития являются быстрая передача тепла при хранении в контейнере и его рассеивание с меньшими потерями, а также более высокая тепловая плотность аккумулирующего тепла. Если будет реализована компактная, ёмкая и недорогая система аккумулирования тепла, её применение значительно расширится. Если будут созданы тепловые насосы, использующие такие усовершенствованные системы аккумулирования тепла, возможно создание новых систем, подобно тому, как электромобили и дроны были созданы с использованием аккумуляторов высокой плотности.
Время публикации: 28 июня 2023 г.
