Теплоаккумулирующие системы в теплоснабжении индивидуальных домов

Аннотация

Разработана инновационная конструкция аккумулятора теплоты, качественно отличающаяся от известных отечественных и зарубежных аналогов. Принцип действия аккумулятора теплоты основан на фазовом переходе (твердое вещество – жидкость) теплоаккумулирующего материала – парафина. Парафиновые аккумуляторы теплоты могут применяться в системах теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения индивидуальных и малоквартирных домов. Благодаря высокоэффективной конструкции и современным материалам аккумулятор теплоты способен значительно снизить затраты тепловой и электрической энергии. Во многих случаях теплоаккумулирующие электрические системы теплоснабжения могут оказаться экономически привлекательными.

Ключевые слова

аккумулятор теплоты , регулирующее устройство , система горячего водоснабжения , система отопления , фазовый переход

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Для большинства регионов страны характерна неравномерность потребления электрической и тепловой энергии в течение суток. Для стимулирования снижения пикового потребления электроэнергии введены многоставочные тарифы. В системе электрического теплоснабжения перспективным направлением снижения неравномерности энергопотребления является аккумуляция тепловой энергии. Принцип работы теплоаккумулятора заключается в накоплении тепловой энергии ночью и потреблении ее в течение дня.

Применяемые теплоаккумулирующие системы, содержащие резервуар-аккумулятор с водой, имеют некоторые преимущества перед другими видами подобных устройств: совместимость с солнечным нагревом, низкая стоимость воды, используемой в качестве теплоаккумулирующей среды. Однако во многих случаях из-за ухудшения качества воды в емкостях большого объема (при слабой циркуляции) и вероятности ее бактериального заражения приходится отказываться от этого способа аккумуляции теплоты.

Устройства на основе твердых материалов аккумулируют теплоту горячего теплоносителя. При этом используется высокая теплоемкость аккумулирующего материала: сначала пропускается горячий теплоноситель, а затем – холодный, тем самым последний нагревается. Одними из таких устройств являются графитовые аккумуляторы теплоты. Однако у них имеются недостатки: сложность проектирования, значительные затраты электроэнергии на прокачку теплоносителя, большие технологические размеры установок.

В зарубежной практике в отдельных областях техники применяются аккумуляторы теплоты на основе теплоемкости воды и твердых материалов, тепловых труб. В последнее время для обогрева помещений появились аккумулятивные конвекторы, в которых теплоаккумулирующим материалом служит чугунная плита.

В России аналоги систем аккумуляции теплоты с использованием теплоаккумулирующего материала с фазовым переходом для систем теплоснабжения отсутствуют.

В системах отопления и горячего водоснабжения применяются аккумуляторы теплоты, принцип действия которых основан на фазовом переходе (твердое вещество – жидкость) теплоаккумулирующего материала. Они лишены приведенных выше недостатков. Однако до настоящего времени широкого распространения они не получили. Причинами этого являются относительная сложность конструктивной реализации таких аккумуляторов теплоты, а также проблема обеспечения многоставочной тарификации электроэнергии в пригородах и сельской местности. В большинстве населенных пунктов страны имеется техническая возможность реализации двухставочных (а в ряде регионов и многоставочных) тарифов на электрическую энергию.

Авторами разработана конструкция аккумулятора теплоты со встроенным теплообменником для системы горячего водоснабжения и отопления индивидуальных домов. В качестве теплоаккумулирующего материала выбран пищевой парафин. Благодаря высокой теплоте фазового перехода (при температуре 55°С) на 1 м³ рабочего объема аккумулируется около 60 кВт·ч тепловой энергии. Такого количества аккумулированной теплоты достаточно для снижения пиковых нагрузок в системах отопления и горячего водоснабжения современного жилого дома. По сравнению с другими видами подобных установок данная инновационная конструкция теплоаккумулятора имеет следующие преимущества:

высокая теплоаккумулирующая способность ~60 кВт·ч/м³ в интервале рабочих температур воды 50–70°С (в водяном аккумуляторе теплоты ~30 кВт·ч/м³);
снижение пиковых нагрузок в системе отопления и горячего водоснабжения на 40%;
высокие санитарно-гигиенические показатели (нагреваемая вода не застаивается в баке);
повышение эффективности использования теплоаккумулирующей способности материала на 40–50% за счет бифилярной схемы теплообмена;
возможность использования данной конструкции для разных групп потребителей (горячее водоснабжение, отопление, вентиляция);
повышение надежности системы теплоснабжения благодаря резервированию тепловой мощности.

Теплоаккумулятор представляет собой емкость, заполненную парафином с температурой плавления 52–54°С. Внутри находится змеевик из гофрированной трубки (нержавеющая сталь), закрепленной на каркасе из теплопроводного материала. Вся конструкция собрана в кассету (рис. 1). Для удобства обслуживания и ремонта кассеты аккумулятора теплоты монтируются съемными. Аккумулятор имеет эластичную внутреннюю оболочку с упругой теплоизоляцией, воспринимающую изменение объема парафина при фазовом переходе.

Кассеты в теплоаккумуляторе формируются параллельно друг другу. При этом движение воды в соседних кассетах происходит в противоположных направлениях. Таким образом реализуется схема бифилярного теплообмена. В этом случае средняя температура воды в двух соседних трубах в любом сечении аккумулятора приблизительно одинакова. При бифилярной схеме теплообмена достигается равномерное высокоэффективное плавление парафина по всему объему аккумулятора (рис. 1, 2).

Кассеты объединяются в подающий и обратный коллекторы. Живое сечение коллекторов существенно больше, чем суммарное сечение присоединенных трубок. Коллектор работает как камера статического давления, обеспечивая равномерное поступление воды в каждую из кассет теплообменника. Принципиальная схема теплоснабжения дома с использованием парафинового аккумулятора теплоты приведена на рис. 3.

В процессе зарядки аккумулятора по змеевику подается вода с температурой 60–82°С в зависимости от температуры плавления парафина и необходимого времени зарядки. После зарядки (расплавление парафина) по змеевику подается вода, идущая на отопление и горячее водоснабжение. При этом возможны два варианта подачи горячей воды в сеть:

с меняющейся температурой на выходе из теплоаккумулятора;
с постоянной заданной температурой на выходе из теплоаккумулятора. В этом случае устанавливается байпасный участок теплопровода с трехходовым клапаном с электроприводом, управляющий сигнал на который поступает от датчика температуры.

Аккумулятор теплоты работает следующим образом. Вода от электрокотла с температурой 60–80°С, поступая в змеевиковый теплообменник аккумулятора, нагревает массу парафина и расплавляет его при температуре 55°С. В дальнейшем температура жидкого парафина повышается до 80°С, при этом стальной каркас увеличивает «эффективную» теплопроводность в объеме аккумулятора, интенсифицирует теплообмен (что позволяет сократить поверхность теплообменника).

Зарядка аккумулятора (плавление парафина) осуществляется за 7–9 ч ночью, когда используется более дешевая электроэнергия (по ночному тарифу). В дневное время для теплоснабжения системы отопления используется теплообменник, с помощью которого заряжается аккумулятор. Второй змеевиковый теплообменник, размещенный в аккумуляторе, применяется для горячего водоснабжения по независимой схеме (рис. 3).

Полученные в ходе испытаний опытного образца теплоаккумулятора динамические характеристики зарядки и разрядки (время плавления и твердения теплоаккумулирующего материала) доказывают эффективность данной конструкции. Измерение температуры осуществлялось термопарами, которые были установлены в аккумуляторе: три термопары – между трубками змеевиков, две – на змеевике на входе и выходе воды из кассеты, а также в парафине – на дне и на выходе воды из теплоаккумулятора при охлаждении парафина холодной водой. Таким образом имитировались процессы зарядки и разрядки аккумулятора теплоты. Для минимизации погрешности измерений показания термопар записывались на устройстве для измерения и контроля температуры УКТ 38-Щ4.ТП «ОВЕН». Для записи показаний термопар на компьютер использовано программное обеспечение SCADA OPM V.1 и адаптер сети АС 2. Обработанные опытные данные приведены на рис. 4.

Проанализируем технико-экономические показатели системы теплоснабжения дома с отапливаемой площадью 100 м², рассчитанной на трех жителей, для разных вариантов аккумуляции теплоты. Расчетная удельная нагрузка на отопление с учетом внутренних тепловыделений 40 Вт/м², наружная температура воздуха –17°C, расчетный расход воды 100 л/(сут·чел) при температуре 50°С.

В таблице приведены данные о годовом расходе электроэнергии в дневное и ночное время в зависимости от тепловой емкости аккумулятора, а также стоимость аккумулятора и годовая стоимость электроэнергии, затраченной на теплоснабжение. Отметим, что тепловая емкость аккумулятора 75 кВт·ч полностью обеспечивает потребность теплоснабжения при температуре наружного воздуха –15°С и выше, 63 кВт·ч соответствует температуре наружного воздуха –10°С, 51 кВт·ч –5°С и 39 кВт·ч – 0°С. В ночное время электрокотел работает как на зарядку теплоаккумулятора, так и на теплоснабжение системы отопления.

При снижении тепловой емкости аккумулятора, например до 63 кВт·ч при наружной температуре –17°С, теплоснабжение дома будет осуществляться как с помощью аккумулятора, так и с помощью электрокотла. В этом режиме догрев котла будет составлять около 30% полной тепловой нагрузки.

Технико-экономическая эффективность применения аккумуляторов теплоты определяется возможностью снижения пиковых тепловых нагрузок (на 40%), мощности подводящих тепловых сетей и теплообменного оборудования, а также эксплуатационных затрат на горячее водоснабжение за счет использования многотарифности на электроэнергию (зарядка теплоаккумуляторов в ночное время).

Парафиновые теплоаккумуляторы позволяют снизить потребление дневной электроэнергии на нужды теплоснабжения и сократить более чем в 3 раза эксплуатационные затраты на содержание системы. При этом срок окупаемости капитальных затрат на устройство аккумулятора теплоты составят 3,4–3,9 лет (рис. 5). Минимальный срок окупаемости достигается при тепловой емкости аккумулятора 63 кВт·ч, позволяющей полностью обеспечивать теплоснабжение при наружной температуре –10°С.

В негазифицированных районах инновационное предложение в 2,5–3 раза более эффективно по сравнению с обычным электроотоплением или теплоснабжением от дизельных котлов. Применение теплоаккумуляторов для теплоснабжения индивидуальных домов экономически целесообразно для большинства регионов страны. Срок окупаемости капитальных затрат варьируется от 3 лет в Москве до 6 лет в Краснодаре.

Использование теплоаккумуляторов в системах теплоснабжения конкурентоспособно и в газифицированных районах. Так, стоимость газа для теплоснабжения рассматриваемого дома по московским тарифам составит около 6000 руб/год, для Хабаровска – 13200 руб/год. Во многих случаях теплоаккумулирующие электрические системы теплоснабжения могут оказаться экономически привлекательными.

Выводы

Разработанная инновационная конструкция аккумулятора теплоты со встроенным теплообменником для системы горячего водоснабжения и отопления индивидуальных домов обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с другими видами подобных установок. Благодаря высокой теплоте фазового перехода (при температуре 55°С) на 1 м³ рабочего объема теплообменника аккумулируется около 60 кВт·ч тепловой энергии. Такого количества аккумулированной теплоты достаточно для снижения пиковых нагрузок в системах отопления и горячего водоснабжения современного жилого дома.

Список цитируемой литературы

Данилин В. Н. Физическая химия тепловых аккумуляторов: Учеб. пособие. – Краснодар: Изд-во КПИ, 1981.
Лыков А. В. Теория теплопроводности. – М.: Высшая школа, 1967.
Хлудов А. В. Горячее водоснабжение. – М.: Высшая школа, 1957.
Ионин А. А., Хлыбов Б. М. Теплоснабжение. – М.: Стройиздат, 1982.
Коринчевская Т. В. Теплоаккумулирующие материалы с фазовым переходом: Всеукраинская конференция молодых ученых СММТ. – Киев, 2008.
Сотникова О. А., Турбин В. С. Аккумуляторы теплоты теплогенерирующих установок систем теплоснабжения // АВОК. 2003. № 5.