Как сделать теплоаккумулятор своими руками: Теплоаккумулятор (буферная емкость) своими руками

Содержание

Теплоаккумулятор (буферная емкость) своими руками

Теплоаккумулятор содержит большой объем воды (теплоносителя), поэтому может накапливать тепловую энергиюЮ и отдавать ее, когда котел не работает. Это позволяет значительно реже подходить к твердотопливному котлу, фактически раз в двое суток в межсезонье, если котел мощный и дом утепленный, а также дает возможность использовать по максимуму на благо отопления дешевый ночной тариф электроэнергии.

Идея установить буферную емкость (теплоаккумулятор) выглядит блестящей для всех умученных дежурством у котлов, но разбивается о ценник на теплоаккумуляторы. Оказывается, что увеличить комфорт не слишком то и дешево. Но может получится сделать теплоаккумулятор своими руками? Ведь на первый взгляд ничего сложного…

Как можно сделать теплоаккумулятор

Заводская конструкция теплоаккумулятора, как правило, – бочка, круглая в сечении. Объм обычно в пределах 500 – 2000 литров. Диаметр – до метра, высота до 2,5 метров.

Размещается на ножках, с множеством вваренных штуцеров. Может содержать в себе 1 или 2 или больше спиральных теплообмеников, для подсоединения независимых контуров, например, солнечного коллектора, нагрева проточной воды…

Емкость утеплена слоем теплоизоляции, чтобы не перегревать воздух в котельной. В фирменных теплоаккумуляторах внутри организована сложное распределение потоков… Можно взглянуть на рекламу Buderus на видео…

Основа конструирования буферной емкости – как должны направляться потоки

Чтобы создать правильное направление потоков, подключение к буферной емкости выполняются следующим образом.

Подача с котла – в верхней части.
Подача из емкости на радиаторы – в верхней части, на уровне подачи котла
Обратка с радиаторов – в нижней части.
Обратка на котел – в нижней части, чуть ниже обратки с радиаторов.

При этом жидкость в теплоаккумуляторе обязательно должна двигаться сверху вниз, по кольцу контура котла, а также — от котла к радиаторам.

Отследить направление движения жидкости можно по температурным датчикам — обратка котла должна быть теплее, чем обратка радиаторов.

Важно соблюсти принцип: – расход теплоносителя в контуре котла должен превышать расход в радиаторах, только тогда теплоаккумулятор сможет нормально работать. Это обычно обеспечивается большим гидравлическим сопротивлением контура потребителей, при одинаковых насосах.

Радиаторы получат горячий теплоноситель сразу, как он появится внутри теплоаккумулятора, забирая его своим насосом с верхней части, что обеспечивает оперативность управления всем отоплением и реагирование на суточные перепады температур.

Важнейший вопрос при установке теплоаккумулятора – защита котла от холодной обратки, выполняется обязательно, например с помощью трехходового клапана.

Основы конструирования буферной емкости

Гораздо предпочтительнее использовать большую готовую бочку или трубу, тогда будет намного меньше сварных швов, чем в самодельной прямоугольной конструкции.

Ввариваются патрубки 3/4 дюйма для подключения контуров. Но контур твердотопливного котла, для реализации аварийного самотечного циркулирования, желательно создавать не менее 1дюйма, при этом подача от котла, где возможен перегрев, – стальная.
Сливной патрубок, он же и очиститель шлама – в самой нижней части.
В крышке рекомендуется создать патрубок большого диаметра для подключения автоматического воздухоотводчика или группы безопасности.

Сделать буферную емкость самостоятельно может лишь квалифицированный сварщик. Пример создания теплоаккумулятора из бочек, но явных ошибок схемотехники повторять не стоит…

Одно из пропагандируемых некоторыми специалистами решений – 4 дешевые бочки 200 литров, попарно соединенные патрубками большого диаметра…

Какой объем буферной емкости понадобится

Ключевой вопрос – какой объем теплоаккумулятора можно считать достаточным. Обычный режим работы – разогрев до +90 градусов и остывание до +60 градусов, пока работа радиаторов будет эффективной… В разнице 30 градусов заключается та энергия, которую можно накапливать и использовать.

Несложный тепловой расчет показывает, что одной тонны воды будет достаточно для обогрева среднеутепленного дома 100 м кв в самые пиковые морозы в течении 5 часов. А при средне-сезонной температуре – сутки.

На практике, емкость 1,2 тонны в хорошо утепленном небольшом доме позволяет не подходить к котлу 30 кВт на дровах в течении 2 суток… Ставить буферную емкость менее 0.8 тонны особого смысла нет…

Вопрос утепления

Не нужно спешить накладывать утеплитель до завершения полных испытаний с нагревом и под давлением. При нагреве свыше 60 градусов полистиролы начинают усиленно разлагаться, выделяя яд. Для буферной емкости лучше использовать неплотную минеральную вату толщиной 5 см, ее изоляцию от жилого пространства сделать фольгированным вспененным полиэтиленом проклеенным скотчем.

Буферная емкость из еврокуба

Недорого можно приобрести б/у полиэтиленовые емкости на тонну воды, находящиеся в металлической решетке. Их допустимый предел нагревания — +70 градусов, — выше начинает проявляться текучесть материала. Но среди достоинств – предельная дешевизна изготовления, можно все сделать своими руками без привлечения сварщика… Что из этого получается, смотрите видео.

Узнаем как изготовить теплоаккумулятор своими руками

В большинстве случаев какая бы то ни было отопительная система имеет в составе три основные части, среди них можно выделить трубные магистрали, радиаторы отопления и котел, который заменяется отопительными приборами. Но системы последнего поколения достаточно часто оснащаются другими полезными устройствами, среди них можно выделить теплоаккумулятор. Изготовить своими руками его в домашних условиях достаточно просто. С помощью данного дополнения можно накапливать избыток энергии, вырабатывающийся в котле и расходующийся понапрасну. В большинстве случаев подобные варианты представляют собой металлический бак, который снабжён несколькими патрубками, расположенными сверху и снизу. К последним подключаются источники тепла, тогда как ко вторым присоединяются потребители. Внутри располагается жидкость, которую хозяева могут использовать для своих целей.

Произвести манипуляции по изготовлению можно достаточно просто, для этого необходимо подготовить определенный набор инструментов и материалов, а также запастись терпением.

Конструктивные особенности

Если вы решили изготовить теплоаккумулятор своими руками, для начала необходимо ознакомиться с особенностями и принципом работы данного оборудования. В основе функционирования лежит значительная теплоемкость воды. Трубопровод котла подсоединяется к верхней части емкости, в последнюю из которых поступает горячая вода с максимально высокой температурой. Снизу должен быть расположен циркулирующий насос, который отвечает за выбирание холодной воды и нагнетание ее по системе отопления. Жидкость при этом поступает обратно в котел.

В самые короткие сроки ранее остывшая жидкость заменяется на только что нагретую. После прекращения функционирования котла вода в магистралях системы начинает медленно остывать. В процессе циркуляции она поступает в емкость, в которой начинается выдавливание в трубы горячего теплоносителя. Это позволяет обеспечивать обогрев помещений за определенный промежуток времени.

Необходимость изготовления теплоаккумулятора

Если вы решили изготовить теплоаккумулятор своими руками, то должны знать о том, какие функции он выполняет. Стоит учесть, что современные накопительные устройства тепла представляют собой достаточно сложные аппараты, выполняющие множество функций. Они обеспечивают жилье горячим водоснабжением, позволяют увеличить коэффициент полезного действия систем отопления дома до максимально возможного, при этом снижаются финансовые затраты на топливо. Помимо прочего, устройство способно стабилизировать режим температуры внутри помещений.

С помощью данного оборудования есть возможность объединить несколько источников тепла, заключив их в единый контур. Обратная задача тоже может быть выполнена. Теплоаккумулятор своими руками достаточно просто изготавливается. Он будет накапливать избыточное количество энергии, которая вырабатывается котлом.

Недостатки теплового аккумулятора

Если вы решили изготовить теплоаккумулятор для котла своими руками, то необходимо учесть, что он обладает существенными недостатками, среди них можно выделить то, что ресурс воды будет зависеть от объема установленной емкости. Вместительность является весьма ограниченным понятием, именно поэтому вода имеет свойство заканчиваться. Ввиду этого владельцы частных домов достаточно часто запасаются дополнительной системой подогрева. Первый недостаток порождает второй: он выражен в необходимости внушительной площади, которую требуют более ресурсоемкие установки. Это может быть отдельное помещение, которое имеет вид котельной. Не в каждом доме есть возможность обустройства такой комнаты.

Изготовление простого теплового аккумулятора

Если вам нужен теплоаккумулятор, изготовить своими руками данное оборудование будет достаточно просто. Следует основываться на принципе функционирования термоса. Наличие стенок, которые не способны проводить тепло, не позволяет теплоносителю остывать в течение достаточно долгого периода времени. Для работы нужно будет подготовить емкость, объем которой равен 150 литрам или больше. Будут необходимы скотч, бетонная плита, утеплительный материал, а также медные трубки. Последние можно заменить ТЭНами.

Технология изготовления

Если вы решили изготовить теплоаккумулятор своими руками, чертежи которого могут быть составлены самостоятельно, на первом этапе выбранную бочку обязательно нужно привести в порядок. Для этого она тщательно очищается, изнутри удаляются мусор и пыль. Если есть участки, на которых уже образовалась коррозия, то от данного дефекта необходимо избавиться.

Теперь мастеру предстоит подготовить теплоизоляцию, которой будет оборачиваться емкость. Утеплительный материал отвечает за то, чтобы внутри бочки в течение более длительного времени сохранялось тепло. Для самодельного устройства превосходно подходит минеральная вата. Ею нужно окутать емкость со внешней стороны, закрепив все скотчем. Дополнительно конструкция накрывается листовым металлом, который можно заменить фольгированной пленкой. С помощью нее нужно тщательно окутать емкость.

Внутреннее наполнение

Если будет изготавливаться теплоаккумулятор из бочки своими руками, важно решить, с помощью какого из вариантов вода внутри станет нагреваться. Использовать можно электрические ТЭНы, а также змеевик, по последнему из которых спускается теплоноситель. Первый вариант является достаточно сложным, кроме того, он небезопасен. Именно поэтому от него рекомендуется отказаться. Что касается змеевика, то его можно изготовить самостоятельно, используя медную трубку. Диаметр последней должен составить 3 см, тогда как длина может изменяться в пределах от 8 до 15 метров. Из данного элемента подготавливается спираль, которая после размещается внутри.

Заключительные работы

В качестве теплового аккумулятора в изготавливаемой модели выступает верхняя часть емкости. Из нее предстоит пустить отводной патрубок. В нижней части монтируется еще один патрубок, который будет вводным. Через него станет поступать холодная вода. Указанные составляющие системы обязательно снабжаются кранами. На этом можно считать, что довольно простое устройство полностью готово к эксплуатации. Однако перед началом использования важно решить один вопрос, который связан с пожарной безопасностью. Правила гласят, что установка должна располагаться только на бетонной плите, по возможности конструкцию следует отгородить стенками.

Особенности проведения подключения

Если вы задумались о том, как сделать теплоаккумулятор своими руками, то необходимо ознакомиться и с особенностями подключения. Транзитом через всю емкость должен проходить обратный трубопровод, на концах которого следует предусмотреть вход и выход. Первоначально между собой предстоит соединить емкость и обратку котла. Между ними располагается циркуляционный насос. Последний устанавливается со второй стороны, как и отсекающий кран. Сопрягается подающий трубопровод по такой же технологии, как и предыдущий, однако теперь установка тепловых насосов не производится.

Теплоаккумулятор своими руками. Часть 1.

Теплоаккумулятор своими руками. Часть 1.
Теплоаккумулятор на 1600л.

Тепловой аккумулятор является важным компонентом гелиосистемы. Дело в том, что обычно, горячая вода нам необходима утром или вечером, когда мы уходим или приходим с работы, а вот солнце интенсивно светит только днем! Если мы не будем запасать тепло, выработанное солнечными коллекторами, то пользоваться гелиосистемой станет крайне неудобно и малоэффективно или даже невозможно!

Выработанное тепло от солнечных коллекторов лучше всего аккумулировать. И чем больше у вас будет этого запаса, тем более уверенно вы будете себя чувствовать. К примеру, себе я взял бойлер косвенного нагрева для ГВС на 250 литров. Для небольшой семьи из 2-х или 3-х человек, его как раз должно хватать на 2 – 3 дня.

Конечно, бойлер ГВС можно сделать самостоятельно, по такому же принципу как мой ТА для системы отопления (ниже будет описание), но из-за того, что там будет постоянно свежая водопроводная вода – такой бойлер очень быстро поржавеет и выйдет из строя. К тому же, кто захочет пользоваться горячей ржавой водой? А всякие эмали и керамические покрытия, которые наносятся в заводских условиях на внутренние поверхности бойлера, как правило, недоступны в быту.

А вот «бойлер» для системы отопления – другое дело! Тут уже можно пытаться делать самостоятельно. Если у вас закрытая система отопления, и вы не доливаете в нее часто свежей воды, то ТА из обычной черной стали может служить вам долгие годы.

На 10 коллекторов, минимально рекомендуемый объем ТА около 1000 литров.

Так как я планирую использовать еще и твердотопливный котел, на случай отключения газа, а для Украины это сейчас актуально как никогда, то решил сделать ТА чуть больше. На самом деле я взял просто удобные для себя размеры. Это цилиндрическая емкость 1м в диаметре и 2м в высоту. Вот в таком объеме помещается почти 1600л воды.

Разумеется, в домашних условиях, сделать цилиндрическую емкость очень сложно, особенно, если металл 4мм. Листы стали надо сначала прокатать. Я вообще фиговый сварщик и в мыслях не было делать такой ТА дома. Заказал себе такую емкость на местном заводе ЖБИ. Под заказ, там вварили все необходимые для меня патрубки. И что самое главное, сделали крышку диаметром 60 см. Т.е я спокойно мог пролазить в ТА. Эта крышка понадобилась для установки теплообменников для солнечных коллекторов. После установки змеевиков, крышка выжимается через резиновую прокладку, и емкость становится герметичной и напорной. Т.е она может эксплуатироваться под давлением.

Отдельно хочу сказать про давление! Емкости таких габаритных размеров плохо выдерживают даже относительно небольшое давление в 2 – 3 атмосферы. Когда я начал накачивать давление в емкость, то она начала выгибаться. Первым делом, выдавило пузом верхушку и днище бака. А вторым делом ту самую съемную крышку, не смотря на то, что она была сделана из металла толщиной 8мм… На диаметр 60 см было равномерно распределено 20 отверстий для болтов на 12мм.

Поэтому мой вам совет – на крышку желательно кинуть пару ребер жесткости. Хотя я, обошелся и без них. А второе – обязательно накачайте давление в емкость на заводе! Лучше в таком порядке… Пусть сначала проварят все внутренним швом, затем накачают давление, чтобы ее расперло. В принципе, после этого бочка принимает свою форму. Затем сбросить давление и уже пройтись наружным швом и вварить все необходимые патрубки, ножки и крышку.

ВНИМАНИЕ!!! Испытания давлением необходимо производить только водой. Использование воздуха для таких емкостей может привести к серьезным разрушеняим и (или) летальному исходу.

Теплоаккумулятор, общий вид. Частично загрунтован.

Теплоаккумулятор полность выкрашен серебрянкой, для уменьшения собственного излучения.

как сделать своими руками, приборы для кирпичных агрегатов российского производства

Теплоаккумуляторы для котлов отопления являются полезным изобретением и широко используются владельцами автономных систем обогрева. Прибор существенно экономит тепловую энергию, имеет простое устройство и может быть смонтирован самостоятельно.

Предназначение

Роль теплоаккумуляторов в системе отопления трудно переоценить. Прибор осуществляет сбор и хранение теплоносителя, поддерживает в нём необходимую температуру, и при необходимости отдаёт его обратно в систему. Это способствует сохранению оптимального температурного режима помещений даже при выключенном котле. Кроме поддержания заданных тепловых параметров, аккумулятор предохраняет котёл от перегрева, забирая у него лишнее тепло, и понижает объём расходуемого топлива на 30%. При этом происходит синхронное повышение коэффициента полезного действия отопительного прибора.

Один теплоаккумулятор может одновременно обслуживать несколько котлов, работающих на разном виде топлива. Кроме того, прибор исполняет роль водонагревателя в системе горячего водоснабжения, и некоторое время осуществляет подогрев воды при выключенном котле.

Но использование теплоаккумуляторов целесообразно не для всех видов котельного оборудования. Например, в высокотехнологичных автоматизированных электрокотлах установка тепловых накопителей экономически не обоснована. Такие устройства сами контролируют рациональность использования ресурсов и оборудованы термодатчиками, отключающими их от сети в случае перегрева. А вот для твердотопливных и пиролизных котлов такие приборы крайне необходимы.

Это объясняется тем, что в камеры сгорания таких агрегатов требуется регулярная загрузка твёрдого топлива, из-за чего приходится постоянно следить за степенью его сгорания и постоянно подбрасывать уголь или дрова. В ночные часы делать это не совсем комфортно: приходится вставать несколько раз за ночь и контролировать работу котла. Решением проблемы может стать установка теплоаккумулятора, что позволит запасать вырабатываемое днём тепло и эффективно тратить его в ночные часы. Хозяин помещения сможет спокойно спать всю ночь, а установка прибора заметно снизит расход топлива и значительно сократит затраты на обогрев.

Технические характеристики

Конструктивно тепловой аккумулятор напоминает большой термос. Корпус прибора выполнен в виде цилиндрического бака и изготовлен из нержавеющей стали. Сверху бак имеет обвязку из теплоизолирующего материла, что способствует заметному увеличению времени остывания теплоносителя. Толщина утеплителя на моделях заводского производства составляет 100 мм. Сверху теплоизолянт закрывается плотным кожухом, для производства которого используется кожзаменитель. Внутри резервуара располагаются теплообменники. Их количество зависит от объёма бака и мощности модели, и может варьироваться от одного до трёх – в заводских моделях, и до пяти – в самодельных.

Объём бака также может быть разным: в наиболее бюджетных вариантах он составляет всего 100 литров, в то время как большие промышленные установки оборудованы резервуарами в несколько кубов и требуют для своей установки оборудования отдельной котельной. В некоторых моделях внутри основной ёмкости устанавливается меньший по диаметру бойлер, обеспечивающий горячее автономное водоснабжение. На корпусе аккумулятора присутствуют несколько резьбовых патрубков, используемых для подключения прибора к отопительному котлу, а также для подсоединения разводки отопления. Скорость расходования тепла из накопителя зависит от теплопотерь помещения, внешней температуры и ёмкости накопительного бака. Отопление на пассивном режиме с выключенным котлом может осуществляться от двух часов до двух дней.

Принцип работы

Схема работы теплоаккумулятора достаточно проста. Благодаря работе циркуляционных насосов, установленных между котлом и аккумулятором, горячий теплоноситель через верхний патрубок заходит в буферную ёмкость. При этом охлаждённая жидкость через нижние патрубки возвращается в котёл. На участке между тепловым накопителем и радиаторами устанавливается ещё один насос, обеспечивающий подачу теплоносителя к радиаторам.

После того как вода в батареях отдаёт своё тепло помещению и её температура достигает нижней допустимой отметки, автоматически срабатывают термодатчики. По их сигналу включаются насосы, которые мгновенно возобновляют подачу горячего теплоносителя в радиаторы.

Во время бездействия насоса, расположенного на выходе из аккумулятора, происходит накопление тепловой энергии. После полного прогорания одной закладки топлива котёл переключается на режим ожидания, а отопление дома осуществляется с помощью теплоаккумулятора, который отдаёт накопленную тепловую энергию радиаторам. При отсутствии в системе тепловых аккумуляторов, горячая жидкость будет бесконтрольно нагревать помещение, что повлечёт за собой его перегрев и вызовет необходимость открытия окон с целью понижения температуры. Это будет означать, что котёл отапливает улицу, и топливные ресурсы растрачиваются впустую. Использование теплоаккумулятора поможет избежать таких ситуаций и обеспечит экономный расход топлива.

Разновидности

Классификация теплоаккумулятров осуществляется по двум признакам: функциональности и принципу тепловой отдачи.

Функционально приборы подразделяются на два типа.

Накопительные аккумуляторы для систем отопления подразумевают подключение только радиаторов отопления, и могут функционировать как на воде, так и на антифризе. Такие модели будут оптимальным вариантом для обустройства бюджетной системы обогрева и могут быть использованы для дополнительного подключения «тёплых полов».
Теплоаккумуляторы для обустройства отопления и ГВС наряду с обогревом предполагают подключение сантехнических приборов к горячей воде. В качестве теплоносителя в таких моделях используется только вода. Применение антифриза не рекомендуется ввиду риска смешивания жидкостей при возникновении нештатных ситуаций.

По принципу тепловой отдачи аккумуляторы также подразделяются на два вида. Первый тип представлен статическими моделями, предполагающими прямой нагрев теплоносителя внутри бака, который может осуществляться при помощи ТЭНов. Ко второму виду относят динамические приборы, работающие в связке с отопительным котлом, и принимающие в накопительный бак уже нагретый теплоноситель. В результате чего змеевик, расположенный внутри ёмкости, нагревается от горячей воды, поступающей из котла. Динамические модели часто оборудованы трехходовыми кранами, клапанами и автоматическими устройствами. Это позволяет осуществлять регулировку температуры воды в батареях и системе «тёплый пол» посредством запорной арматуры, управляющей водяным контуром.

Критерии выбора

Прежде чем приступить к приобретению теплоаккумулятора, следует определиться с комплектацией и размером накопительного резервуара. Расчет необходимого объёма должен быть основан на мощности котла и соответствии этих показателей с параметрами накопителя. При определении нужного объёма нужно иметь в виду, что по отзывам владельцев отопительных котлов на каждый киловатт мощности должно приходиться 50 л ёмкости. Таким образом, для котла мощностью 2 кВт ёмкость бака теплоаккумулятра должна составлять 100 литров.

После того как необходимый размер бака будет определён, можно приступать к выбору модели по функциональным признакам. В случае если хозяев часто не бывает дома, целесообразно приобрести максимально автоматизированную модель. Такой прибор будет сам регулировать температуру нагрева теплоносителя и отключит оборудовании в случае поломки или аварии. При выборе теплоаккумулятора для работы в напорных системах с высоким давлением, лучше остановиться на моделях, оборудованных торосферическими крышками.

Изготовление и монтаж самодельного устройства

Современный рынок котельного оборудования предлагает огромный выбор теплоаккумуляторов как российского, так и зарубежного производства. Однако при отсутствии возможности приобретения заводской модели сделать теплоаккумулятор можно своими руками. Самым простым вариантом такого устройства станет обычная бочка, оборудованная входным и выходным патрубками, и обёрнутая теплоизоляционным материалом. Эффективность такой конструкции будет невелика, но для отопления небольшого кирпичного домика она вполне подойдёт. Для изготовления бака потребуется листовой металл и сварочный аппарат. После того как ёмкость будет сварена, в неё врезаются 4 патрубка: два для подачи воды и столько же для её возврата.

Входящие и выходящие патрубки должны располагаться на противоположных сторонах резервуара. Затем в верхнюю часть ёмкости вваривается муфта с вмонтированными в неё термодатчиком и защитным клапаном. Далее, обустраивается теплоизоляция и выполняется установка накопителя на место. В случае отсутствия сварочного аппарата или навыков его использования, можно взять ёмкость из огнеупорного пластика. Для того чтобы в процессе эксплуатации бак не потерял своих первоначальных форм, рекомендуется поместить его в специально изготовленный каркас решетчатого типа. Роль заводского змеевика может выполнить обычный гофрированный металлический шланг.

Монтаж теплоаккумулятра не требует наличия специальных навыков и может быть выполнен самостоятельно.

Для этого нужно неукоснительно следовать правилам установки и выполнить ряд действий.

Составить подробную схему системы отопления, отметив на ней особенности планировки, размер помещений и количество этажей.
При движении теплоносителя естественным образом размещение накопителя должно производиться непосредственно рядом с котлом.
При соединении котла и трубопровода необходимо полностью загерметизировать стыки, используя при этом синтетические герметики, рекомендованные для данных материалов.
Температура воздуха в помещении, где устанавливается оборудование, не должна опускаться ниже 10 градусов.
Монтаж соединительных патрубков должен проводиться таким образом, чтобы в случае аварии доступ к ним был открыт и не перекрывался самим прибором или посторонними предметами.
Размещение буферной ёмкости должно производиться строго на одном уровне с котлом. Более высокое расположения накопителя не допускается.
После установки насосного оборудования необходимо заполнить систему водой и произвести пробный запуск. При обнаружении течи, нужно слить воду из системы и принять меры к устранению протекания. Затем вновь заполнить систему и повторить запуск.

Теплоаккумуляторы для твердотопливных котлов являются важным звеном систем автономного отопления. Они способны обогреть дом и обеспечить хозяев горячей водой даже при выключенном приборе, что существенно сокращает расход топлива и значительно экономит семейный бюджет.

О том, как установить теплоаккумулятор для котлов отопления, смотрите в следующем видео.

Теплоаккумулятор для отопления своими руками

На этой вкладке сайта мы попбробуем выбрать для дачи определенные компоненты системы. Сборка отопления дачи насчитывает определенные устройства. Монтаж обогрева включает котел отопления, расширительный бачок терморегуляторы, фиттинги, провода или трубы, механизм управления тепла, радиаторы, циркуляционные насосы, крепежную систему, автоматические развоздушиватели. Каждый узел роль. Исходя из этого подбор каждой части системы важно делать обдуманно.

Теплоаккумулятор для отопления своими руками

Для большинства любая отопительная система состоит из трех основных частей:

Радиаторов отопления
Трубных магистралей
Отопительного прибора или котла

Однако современные системы могут оснащаться множеством других полезных устройств, одним из которых является тепловой аккумулятор. С его помощью удается накапливать тот избыток энергии, который вырабатывается в котле и расходуется совершенно напрасно.

Большинство моделей представляют собой не что иное, как стальной бак. оснащенный несколькими нижними и верхними патрубками. К первым подключаются источники тепла, ко вторым – потребители. Внутри него располагается жидкость, которую можно использовать в желаемых целях. Изготовить теплоаккумулятор своими руками не составит труда – достаточно времени, рабочих материалов с инструментом и желания.

Вводное видео по установке

В основе принципа работы теплового аккумулятора лежит высокая теплоемкость воды. Описать его можно следующим образом:

Трубопровод котла подключается к верхней части бака, в которую поступает горячая вода – максимально нагретый теплоноситель
Внизу располагается циркулирующий насос, который выбирает холодную воду и пускает по системе отопления обратно в котел
Очень быстро остывшая ранее жидкость сменяется вновь нагретой

Когда котел прекращает работать, вода в трубопроводных магистралях системы отопления начинает постепенно остывать. Циркулируя, она попадает в бак, в котором начинает выдавливать горячий теплоноситель в трубы. Таким образом, обогрев помещений будет продолжаться определенный временной промежуток.

Функции, которые выполняет теплоаккумулятор

Современные тепло накопительные устройства – сложные аппараты, которые выполняют не одну полезную функцию:

Способны обеспечивать дом горячим водоснабжением
Стабилизируют температурный режим в помещениях
Позволяют увеличить КПД систем отопления до максимально возможного, снижая денежные затраты на топливо
Способны объединять более одного источника тепла в общий контур и наоборот
Накапливают избыточную энергию, вырабатываемую котлом

Несмотря на все положительные функции, которые выполняет тепловой аккумулятор в системе отопления, он имеет два существенных недостатка:

Ресурс воды напрямую зависит от вместимости установленного бака, тем не менее он остается ограниченным и имеет быстрое свойство заканчиваться. Будет не лишним дополнительная система подогрева из вне
Из первого недостатка плавно появляется второй: более ресурсоемкие установки требуют большой свободной площади для их размещения, например, отдельного помещения в виде котельной

В дополнение советуем прочитать наше руководство по сборке солнечного коллектора своими руками

Самый простейший теплоаккумулятор своими руками можно изготовить, основываясь на принципе работы термоса – он за счет своих непроводящих тепло стенок не позволяет жидкости остывать на протяжении продолжительного временного периода.

Для работы необходимо подготовить:

Бак желаемой емкости (от 150 л)
Теплоизоляционный материал
Скотч
Тэны или медные трубки
Бетонную плиту

Вначале очередь следует подумать над тем, что будет представлять собой непосредственно бак. Как правило, используют любую имеющуюся под руками металлическую бочку. Объем ее каждый определяет индивидуально, но брать емкость менее 150 л не имеет практического смысла.

Выбранную бочку необходимо привести в порядок. Ее следует почистить, удалить изнутри пыль и прочий мусор, обработать участки, на которых начала образовываться коррозия.

Затем готовится утеплитель, которым будет оборачиваться бочка. Он будет отвечать за то, чтоб тепло как можно дольше сохранялось внутри. Для самодельной конструкции прекрасно подойдет вата минеральная. Окутав с внешней стороны емкость, необходимо ее хорошенько обмотать скотчем. Дополнительно поверхность накрывают листовым металлом или окутывают фольгированной пленкой.

Для того, чтобы вода внутри подогревалась, необходимо выбрать один из вариантов:

Установка электрических тэнов
Установка змеевика, по которому будет пускаться теплоноситель

Первый вариант достаточно сложен и не безопасен, поэтому от него отказываются. Змеевик же можно соорудить самостоятельно из медной трубки диаметром 2-3 см и длиной около 8-15 м. Из нее сгибается спираль и помещается в внутрь.

В изготавливаемой модели тепловым аккумулятором является верхняя часть бочки – из нее необходимо пустить отводной патрубок. Снизу устанавливается еще один патрубок – вводной, через который будет поступать холодная вода. Следует их оснастить кранами.

Простое устройство готово к использованию, но перед этим предстоит решить вопрос, связанный с пожарной безопасностью. Располагать такую установку рекомендуется исключительно на бетонной плите, по возможности отгородив стенками.

Человек, который много раз сталкивался с устройством систем отопления, без труда должен изготовить тепловой аккумулятор своими руками и произвести дальнейшее подключение. Не должна составить особой сложности подобная работа и для новичка.

Словами схему подключения можно описать следующим образом:

Транзитом сквозь весь бак должен проходить по тепловому аккумулятору обратный трубопровод, на его концах должны быть предусмотрены полуторадюймовый вход и выход
Вначале между собой соединяются обратка котла и бак. Между ними должен размещаться циркуляционный насос, гонящий воду из бочки в отсекающий кран, расширительный бак и отопительный прибор
Циркуляционный насос и отсекающий кран также монтируют со второй стороны
Соединять подающий трубопровод необходимо по аналогии с предыдущим, однако теперь тепловые насосы не устанавливаются

Стоит отметить, что подобным образом подключается теплоаккумулятор к отопительной системе, работающей на базе всего одного котла. Если их количество увеличивается, схема значительно усложнится.

Емкость должна дополнительно оснащаться термометром, датчиками давления внутри и взрывным клапаном. Накапливая постоянно тепло, бочка может со временем перегреться. Чтобы не допустить взрыва, необходимо сбрасывать периодически избыточное давление.

Теплоаккумулятор и разные виды отопительных систем

Устанавливать тепловой аккумулятор можно совместно с различными отопительными системами. Взаимодействуя с каждой из них, он предоставляет ряд преимуществ и быстро окупается.

Наиболее распространены теплоаккумуляторы, установленные совместно отопительным оборудованием, работающем на твердом топливе, у которых количество остатков минимально. Доведя КПД до максимально-возможного, они очень быстро разогревают отопительные радиаторы, которые вскоре изнашиваются. Часть вырабатываемой энергии лучше копить и воспользоваться, когда в ней действительно возникнет потребность.

Двукратный ночной тариф за электроэнергию – проблема для владельцев электрических отопительных котлов. Таким образом в дневное время теплоаккумулятор будет накапливать в себе тепло по более выгодной стоимости, а в ночное – отдавать его отопительной системе.

Применяются подобные установки в многоконтурных системах, распределяя воду между контурами. Если установить патрубки на разных высотах, можно осуществить отбор воды с разной температурой.

Варианты модернизации

Глядя на простейший теплоаккумулятор своими руками, человек с инженерным образованием наверняка задумается о вариантах его модернизации. Сделать это можно следующими способами:

Внизу устанавливают еще один теплообменник, посредством которого может происходить аккумуляция энергии, полученной солнечным коллектором
Можно разделить внутреннее пространство бака на несколько секций, сообщающихся между собой, чтобы расслоение жидкости по температурам было более выраженным
Тратиться на теплоизоляцию или нет – каждый решает сам для себя. Но несколько сантиметров пенополиуретана существенно снизят тепловые потери
Увеличив количество патрубков, можно будет монтировать установку к более сложным отопительным системам с несколькими контурами, работающими независимо
Можно сделать дополнительный теплообменник, в котором будет накапливаться питьевая вода

Видео — Тепловой аккумулятор в доме с периодической топкой

Подводим итоги

Собирать теплоаккумуляторы своими руками может абсолютно каждый. Для него нет необходимости покупать дорогостоящее оборудование, а самая простая модель состоит из комплектующих, которые у хорошего человека всегда в гараже или кладовой.

Все те, кто не доверяет самодельным устройствам, могут ознакомиться с богатым выбором моделей на рынках. Их стоимость более чем приемлемая, а вложенные средства быстро окупаются.

Источник: http://v-teplo.ru/teplovoi-akkymylyator-kak-sdelat.html

Теплоаккумулятор для отопления своими руками

Содержание

Начнем с главного, что может аккумулировать тепло? Да практически все: стены, потолок, пол, мебель, одежда и т. д. Весь вопрос насколько эффективно. Здесь действуют законы термодинамики, показывающие насколько каждое из физических тел может накапливать тепло. Аккумулируемое количество тепла определяется формулой:

W = m c (ϑ 2 – ϑ 1)

W аккумулируемое тепло J
m масса аккумулирующего вещества kg
c удельная теплоемкость
аккумулирующего вещества J / (kg K)
ϑ 2 конечная температура нагрева C
ϑ 1 начальная температура нагрева или
конечная температура охлаждения C
Удельная аккумулирующая способность равна, следовательно,

w = W / m = c (ϑ 2 –ϑ 1) .

Из приведенной формулы видно, что оптимально максимально повышать температуру вещества ϑ 2, увеличивая теплоемкость. Что мы можем реально применить в качестве накопителя тепла.

Сравним теплоемкость ( кДж/(м3*K)) популярных в строительстве материалов на основе равных объемов:

Вода – 4187,
Бетон – 2375,
Кирпич – 1750,
Магнетит – 3312,
Мрамор – 2375.

Из приведенных показателей видно, что лидером по способности накапливать тепло является обыкновенная вода. К ее преимуществам следует отнести доступность, дешевизну, способность растворять и смешиваться с добавками, улучшающие теплофизические свойства. Есть материалы с более высоким показатели теплоемкости, например на основе сульфата натрия (глауберовая соль). Однако они стоит денег, эффективная работа не в нашем диапазоне температур 60-90С.

Итак, мы определились с материалом аккумуляции тепла – это вода.

Куда поместить воду для теплоотдачи? Здесь возможно два пути способа построения конструктива корпуса. Как наиболее эффективный вид корпуса для сохранения тепла – это шар. Как наиболее удобное размещение емкости – где найдем место. Совместить их вряд ли получится, нужно придерживаться главного принципа – форма емкости должна быть как можно ближе к шару, в крайнем случае, к кубу.

Где найти готовые, подобные формы. Лучше поискать в сфере общепита нержавеющие емкости, лучше с наружным кожухом для горячей воды или пара, нагревающим основную емкость. Это идеальный вариант, который попадается редко, но рассмотрим и его.

«Общепитовская» емкость лучше всего подходит для открытой системы отопления, при работе без повышения давления. Пространство между двумя стенками заполняем любым утеплителем – от монтажной пены до минеральной ваты. В комплекте такого котла есть крышка, которую легко утеплить. Здесь есть свои тонкости, обусловленные необходимостью периодического осмотра емкости. Крышку необходимо не только утеплить, но и периодически подымать. Нужно предусмотреть механизм подымания крышки с утеплителем, которая будет весить около 50кг.

Для самодельной емкости лучше выбрать форму куба, открывающей доступ к осмотру створчатой формой половиной верхней крышки. Для продления срока эксплуатации металлической емкости предохраняем ее от коррозии. Механически зачищаем металл от ржавчины, обрабатывает ортофосфорной кислотой, наносим 3-5 слоев грунтовки с просушиванием на солнце или в сушильной камере. Или наносим краски Хаммерайт или Зинг. Указанные мероприятия задержат окисление металла, но не исключат его.

Емкость из 4мм металла наполненная водой гарантированно прослужит 30 лет, но для желающих подстраховаться сообщим, что есть пластиковые емкости с рабочей максимальной температурой в 80С. Эти емкости одеты в металлический каркас, удерживающий форму при повышенной температуре. В сформированных местах удобно устанавливать врезки для подачи и обратки, устанавливать теплообменники.

Удобно использовать трубы большого диаметра, заглушенные с торцов металлом такой же толщины. Такие емкости удобно использовать в закрытых системах отопления с циркуляционным насосом, подразумевая работу с повышенным давлением. Толщина стенок таких труб- 6-10мм, позволяющих гарантировать работу в водной среде без антикоррозийного покрытия не менее 35 лет. Такая жесткая и прочная конструкция нашла неожиданное применение не только в качестве теплоаккумулятора, но и в качестве опорных конструкций, колонн – декоративных и функциональных.

Применение накопителей тепла в качестве конструктива здания широко не освещалось, требует более детального изучения. Не бойтесь применять нововведения – хуже не будет.

Теплоаккумуляторы можно устанавливать везде, где имеется место. Есть опыт установки в ванных комнатах после выхода с котла, служит не только теплоаккумулятором, но и обогревателем, исключая необходимость установки отопительных приборов. Можно установить в чердачном пространстве, утеплив потолок спальни.

Интересен опыт установки на входе в помещение с улицы, когда наружные грани утепляются пенопластом или минватой не менее 100мм, грани в сторону помещения с двух сторон от двери имеют меньший слой утеплителя, обогревая помещение. Достигается эффект тепловой завесы холодного воздуха с улицы.

В качестве соединяющего элемента используют клеящую смесь «церезит», можно нанести монтажной пеной равномерные точки на поверхность листа и прижать к емкости на 5 минут. Можно просто примотать пенопласт к емкости скотчем – эффект почти одинаков. Главное – пенопласт должен плотно прилегать к поверхности теплоаккумулятора, не образовывать щелей между листами утеплителя.

Устанавливать теплоемкости лучше по центу разбора тепла, как правило – по центру жилища. Большая емкость с теплом позволяет реализовать функцию гребенки, подключая через соответствующие термодатчики: теплые полы, подключение радиаторов, теплая вода для бытовых нужд.

Применение теплоаккумулятора в сочетании с твердотопливным котлом позволит значительно улучшить показатели качества отопления, снизить количество топок до 2-3шт в сутки. Лучше применять в качестве накопительной емкости трубы большого диаметра с толщиной стенок от 5мм.

При определении емкости теплоаккумулятора нужно исходить из максимальных расчетных показателей наполнения – 50л жидкости на 1 кВт мощности котла. Для экономии места и функционального использования конструктива емкости аккумулятор тепла можно использовать в качестве декоративных, опорных конструкций.

Насколько сложно устанавливать аккумуляторы тепла? Давайте рассмотрим на практическом примере, достойном повторения. При ремонте дома демонтировали старую печь, на ее место по дымоходу установили твердотопливный котел. В качестве теплоаккумулятора использовали стальную трубу диаметром 0,8м, заваренную с торцов.

Аккумулятор установили в непосредственной близости к котлу, используя его еще и как демпфер возможных скачков температуры. С тыльной стороны стен, снизу и сверху утеплили цилиндр минватой. С лицевой стороны на профили закрепили изразцы, получилась очень красивая печь – голландка. Никто не догадывается, что это просто бочка с горячей водой.

Источник: http://www.proterem.ru/avtonomnyj-dom/akkumuljator-tepla-tverdotoplivnogo-kotla.html

Так же интересуются

20 января 2022 года

Как сделать грелки для рук своими руками

Возможно, вы брали с собой пачку коммерческих грелок для рук на футбольный матч или запихивали их в носок лыжных ботинок.

А вы когда-нибудь задумывались, как сделать грелки для рук своими руками?

Несмотря на то, что существуют различные типы коммерческих грелок для рук, в этой версии используются ржавые железные опилки. С солью, железом и водой вы можете мгновенно создать карманный портативный источник тепла!

Эти самодельные грелки для рук не требуют микроволновой печи или швейной машины.

Вместо этого вы научитесь делать грелки для рук своими руками простым и научным способом.

Что вам нужно:

Что вы делаете:

1. Поместите 30 г (приблизительно 1 1/2 столовой ложки) железных опилок в пакет с застежкой 3×5.

2. Добавьте 1 1/2 столовой ложки соли.

3. Добавьте 1 1/2 столовой ложки полиакрилата натрия.

4. Добавьте 1 1/2 столовой ложки теплой (НЕ горячей) воды.

5. Осторожно удалите воздух и закройте пакет на молнии.

6. Поместите пакет 3×5 в пакет 4×6. Осторожно удалите воздух и закройте пакет на молнии.

7. Встряхивайте, отжимайте и месите смесь в течение 30 секунд или около того, пока внутри меньшего пакета не образуется кашица, а вода полностью не смешается с ним. Будьте осторожны, чтобы поставить пакет, если он станет слишком горячим.

Что произошло:

Чтобы по-настоящему понять, как сделать грелку для рук своими руками, сначала нужно разобраться в химических реакциях. Так что же такое химическая реакция ? Это когда вещество (например, железо или соль) каким-то образом изменяется, также известное как химическое изменение.

Это происходит по-разному: два или более химических вещества могут объединяться в одно, два химических соединения превращаются в два разных химических соединения, или одно химическое соединение разделяется на два или более химических вещества.

Для ваших самодельных грелок для рук вы поместили железные опилки в соль, воздух и воду, которые произвели оксид железа или ржавчину.

Этот химикат считается экзотермической реакцией . Экзо означает «изнутри», а «термический» означает «тепло», поэтому экзотермическая реакция — это буквально реакция, при которой выделяется тепло (или свет).

В этом случае при окислении выделяется тепло. Полиакрилат натрия или порошок водного геля помогает удерживать влагу, чтобы могла произойти химическая реакция. Но как только активируемый воздухом процесс завершится, тепло больше выделяться не будет — это может занять от одного до нескольких часов!

Примечание по технике безопасности: чтобы избежать заражения столбняком, выбросьте грелки для рук, когда закончите экспериментировать.

Дальнейшее исследование:

Как изменится реакция, если добавить больше железных опилок? Как изменится, если добавить меньше?

А как насчет других ингредиентов? Как корректировка соотношения соли или порошка водного геля влияет на реакцию? Повторите эксперимент, используя разное количество материалов, и запишите результаты.

Используйте лабораторный термометр для записи температуры каждого эксперимента.

С помощью секундомера засеките, как долго мешок будет нагреваться.

Аккумуляторы солнечной энергии для дома, фермы и малого бизнеса: предложения по выбору и использованию материалов и устройств для хранения тепла

AE-89

АЕ-89

Университет Пердью

Совместная служба поддержки

Уэст-Лафайет, IN 47907

Стив Экхофф и Мартин Окос

Факультет сельскохозяйственной инженерии
Университет Пердью

Содержание


Введение

Типы материалов, используемых для хранения солнечного тепла

Преимущества и недостатки различных материалов для хранения

Как материалы с фазовым переходом работают в аккумулировании солнечного тепла

Размер и тип камней, наиболее подходящих для хранения тепла

Тип используемого теплоносителя

Определение размера вашего хранилища

Расположение вашего хранилища

Важность конфигурации хранилища (формы)

Уменьшение требуемого объема хранилища

Предложения при покупке коммерческого устройства для хранения тепла

Связанные публикации

Никому не нужно определять для рядового гражданина понятие «энергетика». хруст».Наши ежемесячные счета за топливо и коммунальные услуги постоянно напоминают нам о том, стоимость американского уровня жизни. И «эксперты» предупреждают, что кризис здесь, чтобы остаться.

Из альтернатив традиционным видам энергии одна получает самое серьезное внимание — по крайней мере, для дома, фермы и небольшого потребности бизнеса в отоплении — это солнечная энергия. Сегодня много новых домов планируется и строится для размещения солнечного отопления системы. Различные типы переносных коллекторов и солнечного отопления пакеты преобразования легко доступны на розничном рынке.

К сожалению, слишком много потенциальных потребителей солнечной энергии слишком мало информации о некоторых аспектах строительства или преобразования к солнечной системе отопления. Одна область неадекватной или дезинформации в особенным (и дорогостоящим из-за ошибок) является хранение собранная энергия. Таким образом, цель настоящей публикации состоит в том, чтобы ответить на некоторые основные вопросы о правильном выборе и использовании теплоаккумулирующие устройства.

В публикацию включены обсуждения различных способов накопления тепла. материалы и средства передачи, и как выбрать «правильный»; размер, расположение и форма запоминающего устройства; и предложения по покупкам для такого устройства.Включены два рабочих листа (с примерами) — один для определить, сколько тепла вам, вероятно, потребуется, а другой чтобы узнать, насколько вы могли бы сократить расходы за счет надлежащего изоляция. Доступны Purdue Extension, перечисленные в конце этой публикации. публикации, посвященные смежным аспектам солнечного отопления и энергосбережение.

Какие материалы используются для хранения солнечного тепла и есть ли «лучший» один?

Ряд материалов можно использовать в качестве носителя для хранения дома, на ферме или системы солнечного отопления для малого бизнеса; но обычно только три рекомендуется в настоящее время — камень, вода (или смеси вода-антифриз) и химическое вещество с фазовым переходом, называемое глауберовой солью. Эти материалы, наиболее последовательно отвечающие критериям выбора носитель информации, а именно способность (1) отдавать тепло своим точки приложения при желаемой температуре, и (2) сделать это дёшево, исходя не столько из стоимости материала, сколько из стоимости Общая система и ее обслуживание.

Таким образом, не существует одного «лучшего» теплоаккумулирующего материала; а скорее каждый из трех имеет характеристики, которые могут сделать его наиболее желанным при определенных условиях.

Каковы преимущества и недостатки каждого материала для хранения и при каких условиях он, вероятно, будет использоваться?

Камни

В качестве материала для хранения горные породы дешевы и легкодоступны, имеют хорошие характеристики теплопередачи с воздухом (среда переноса) при низкой скорости и действуют как собственный теплообменник. Главный недостатками являются их высокое соотношение объема на хранимую БТЕ по сравнению с вода и материалы с фазовым переходом (что означает больший запас тепла площадь), а также трудности с конденсацией воды и микробным Мероприятия. Если точка росы воздуха, поступающего в хранилище, выше температуры горных пород влага из воздуха конденсируется на камни. Влага и тепло в скальной породе могут привести к микробному рост.

Камнехранилище — самая надежная из трех систем хранения из-за своей простоты. После установки системы обслуживание минимален, и мало что может снизить производительность хранилища.

Воздушные солнечные коллекторы обычно используются с аккумулирующими камнями. устройства.Поскольку воздухосборники дешевле и не требуют обслуживания чем жидкостные коллекторы, система, использующая хранение камней и воздушную солнечную энергию. коллекторы кажутся наиболее логичными для отопления жилых помещений. Тем не мение, другие обстоятельства, такие как наличие дешевых материалов, ограниченность коллектор или место для хранения или несовместимость с существующим система отопления, может диктовать использование воды или фазового перехода устройство хранения материала. Однако помните, что конечная решающим фактором должны быть первоначальные затраты и затраты на техническое обслуживание система.

Обсуждаются тип и размер горных пород, которые лучше всего аккумулируют тепло. позже.

Вода

Вода как накопительный материал имеет то преимущество, что она недорогая. и легко доступны, имеют отличную теплопередачу характеристик и совместимости с существующими системами горячего водоснабжения. системы. Его основные недостатки включают трудности с системой коррозия и утечки, а также более дорогие затраты на строительство.

Из-за хорошего отношения теплоаккумуляции к объему (в пять раз больше, чем камень) и большая эффективность жидких солнечных коллекторов, Системы сбора и хранения жидкости могут быть очень практичными: (1) где доступно тщательное обслуживание (например, в многоквартирных домах или промышленные здания), (2) где конечным использованием является горячая вода (например, как в молочном сарае или на предприятии пищевой промышленности), или (3) где система хранения воды может быть напрямую связана с существующим отоплением система как в бытовом плинтусном горячем водоснабжении.

Вместо камня можно рассмотреть систему хранения воды. хранения в ситуациях, когда пространство ограничено. Резервуар для воды может легко быть похороненным под землей, чтобы сэкономить место.

Материалы с фазовым переходом (PCM)

Материал с фазовым переходом Глауберова соль из-за ее низкого содержания объема на хранимую БТЕ требуется всего 1/8 объема горных пород и 2/5 пространство воды для сопоставимого накопления тепла (см. рис. 1).Это также поглощает и отдает большую часть своего тепла при постоянном температура. Недостатки глауберовой соли, по крайней мере, на данный момент, его стоимость по отношению к породе и воде, а также различные технические проблемы (например, проблемы с упаковкой из-за плохой электропроводность и его коррозионная природа). Такие проблемы нужно решена до того, как можно будет гарантировать надежность PCM.

Рис. 1. Сравнительные объемы при одинаковом количестве накопления тепла с использованием трех различных материалов для хранения.

Материалы с фазовым переходом чаще всего используются в ситуациях, когда существуют ограничения по площади. Часто стоимость дополнительного места в новый дом для устройства для хранения камней будет больше, чем добавленная стоимость покупки PCM, такого как глауберова соль. Эти материалы также весьма желательна там, где премия ставится на поддержании постоянной температура. Жилые помещения, отапливаемые ПКМ, зачастую более комфортны, так как температура воздуха из хранилища более равномерна, пока он разрядка.

Как материалы с фазовым переходом работают в аккумулировании солнечного тепла?

ПКМ — это химические вещества, которые подвергаются твердо-жидкостному превращению. переход при температурах в пределах желаемого диапазона для нагрева целей. В процессе перехода материал поглощает энергию когда он переходит из твердого состояния в жидкое и при этом высвобождает энергию обратно в твердое тело. Что делает PCM желательным для хранения тепла, так это его способность удерживать сильно различающееся количество энергии в одном и том же температура.

Для иллюстрации рассмотрим фазовые превращения, происходящие с водой. Если вода помещается в морозильную камеру, тепло от нее отводится хладагента, пока он не станет льдом. Если затем положить лед в жидкость при комнатной температуре, она плавится, поглощая энергию этого окружающая жидкость. Количество поглощаемого тепла составляет около 143 БТЕ/час. фунт, что означает, что фунт льда может охладить фунт воды из 175°F до 32°F, в то время как сама по себе только меняет форму (т.е., ото льда при 32° до воды при 32°).

В настоящее время изучаются потенциальные материалы для хранения тепла. не менее дюжины химических соединений, которые меняют фазу при температуре в пределах полезного диапазона для обогрева помещений. Однако в этот момент продается только глауберова соль (декагидрат сульфата натрия) коммерчески. Глауберова соль меняет фазы при 90°F и имеет 108 БТЕ на фунт «скрытой теплоты» (количество тепла, поглощаемого или выделяемого при изменении фазы). Из-за высокой скрытой теплоты глауберова соль требует меньшего объема хранения, чем камень или вода; что могло означает более низкую стоимость складских помещений и больше полезного пространства в доме чтобы компенсировать относительно высокую стоимость материала.

У PCM есть некоторые химические свойства, которые могут создавать проблемы при нагревании. хранение и передача; но большинство из них были или преодолеваются. Один что PCM имеют тенденцию к переохлаждению при отводе тепла. Это означает, что, вместо того, чтобы отдавать свою скрытую теплоту при температуре фазового перехода, солевые PCM могут оставаться жидкими до тех пор, пока их температура не упадет до 15-30°C. ниже этой температуры.Для борьбы с этим переохлаждением» в книге Глаубера соль, около 3 процентов химиката, декагидрат тетрабората натрия, добавляют, чтобы вызвать фазовый переход при соответствующей температуре.

Другая проблема с солевыми PCM заключается в неконгруэнтном плавлении. что происходит, когда соль частично нерастворима в воде кристаллизация. В случае глауберовой соли при ее плавлении температуре около 15 процентов сульфата натрия остается в нерастворимая безводная форма.В два раза плотнее насыщенного растворе безводное оседает и не перекристаллизуется при тепло отводится. Для предотвращения этого используется загуститель. водный раствор в суспензии, пока он не сможет преобразоваться в кристалл структуру при отводе тепла.

Способность аккумулировать тепло снизится со 108 до примерно 60 БТЕ/час. фунт, когда безводный оседает. В настоящее время лучшее утолщение используемым агентом является аттапульгитовая глина, которая при добавлении к глауберовской соли в количестве 7-10 процентов, предотвращает оседание безводный и не разлагается со временем.

Примечание : Остерегайтесь смесей, содержащих целлюлозу, крахмал, опилки, силикагель, кремнезем и т. д. Эти типы загустителей хорошо подходят для какое-то время, но в конечном итоге либо гидролизуются солью, либо разлагаются бактериями и становятся неэффективными. Работа с уважаемая компания должна устранить некоторые из этих забот. Не позволяйте продавец продает вам «секретный» загуститель; если бы это было хорошо он был бы запатентован, и не было бы нужды в секретах.)

Если в качестве материала для хранения используется камень, какой размер и тип подходят лучше всего?

Хотя размер выбранного камня будет определяться в первую очередь стоимость, в целом, чем больше размер, тем лучше для хранения целей. Основная причина в том, что требуется меньше энергии, чтобы заставить теплообмен воздуха через крупные камни, чем через мелкие. Горные породы менее дюйма в диаметре обычно слишком малы; в то время как еще чем 4-6 дюймов в диаметре слишком велики из-за недостаточного площадь поверхности теплообмена.

Если вы собираете собственный камень для хранения, ищите круглое поле. камни диаметром от 4 до 6 дюймов. Если покупать на коммерческой основе каменный карьер, самый большой доступный размер, вероятно, «септик гравия», диаметром 1-3 дюйма. Но не слишком беспокоит размер; согласитесь на 2-дюймовый септический гравий, если у вас есть платить премию за более крупный камень. Если есть, старый кирпич для дома хороший материал для хранения при укладке, чтобы обеспечить доступ воздуха.

Вероятно, более важным, чем размер камня, является однородность размера. Если слишком много вариаций, мелкие камни заполнят пустоты между более крупными камнями, тем самым увеличивая мощность воздуходувки требование. Кроме того, избегайте тех типов камней, которые склонны к шелушению и чешуйчатые, такие как известняк. Образовавшуюся «пыль» собирает теплообменный воздух и либо засоряет фильтры топки, либо, если топка обходит, дует прямо в зону нагрева.

Так как воздух должен продуваться через скальное ложе, необходимо знать необходимое количество энергии. В общем, чем быстрее поток воздуха и/или чем меньше размер породы, тем больше потребляемая мощность.

Например, скорость воздуха 50 футов в минуту через 10-футовый слой породы толщиной 1 дюйм имеет перепад давления около 1 дюйма. вода (статическое давление). Уменьшение скорости до 30 футов в минуту сократит падение давления до 1/2 дюйма водяного столба.Падение давления по всей системе (т. е. коллектор, накопительный слой и воздуховоды) должно быть не более 3-4 дюймов водяного столба (статическое давление).

Перед заполнением хранилища рассмотрите возможность промывки или просеивания из «штрафов», которые в противном случае могли бы заполнить пустоты. Хранение камней должны обеспечивать выход скопившейся влаги. Также, рассмотреть способы предотвращения роста плесени и бактерий, один из которых поддержание высокой температуры хранения даже в периоды низкого использования.

Какой тип теплоносителя следует использовать?

В качестве теплоносителя, наиболее часто используемого в системах солнечного отопления, воздух, вода и водно-незамерзающие смеси. Какой из них вы должны использовать вполне может быть продиктован типом выбранного материала для хранения. За например, для хранения горных пород в качестве среды передачи требуется воздух; вода или накопитель воды-антифриза использует одну и ту же жидкость для теплопередачи; Память ПКМ. с другой стороны, будет использовать либо воздух, либо жидкость, в зависимости от типа теплообменника.

Многие из первых домов, построенных на солнечных батареях, использовали водосборники. с запасом воды из-за преимуществ повышенной эффективности и уменьшенный размер. Однако в настоящее время системы солнечного отопления, использующие воздуха в качестве среды переноса рекомендуются для домашнего использования. Один причина в меньшем потенциале повреждения; неисправная система подачи воздуха почти не вызовет таких проблем, как протекающая или замерзшая вода. система бы. Также воздухосборники и воздуховоды обычно дешевле и требуют меньше обслуживания.Пока более надежная и «отказоустойчивая» жидкость системы разрабатываются, воздух, вероятно, по-прежнему будет рекомендованным теплоноситель для домашнего солнечного отопления.

Насколько большим должно быть мое хранилище солнечного тепла?

Необходимый объем хранилища зависит от четырех факторов: (1) нагрева потребность площади в отапливаемом помещении, (2) суточного резерва хранения желаемый, (3) диапазон температур, в котором хранится тепло, и (4) тип используемого материала для хранения. Ниже приводится краткое обсуждение каждого коэффициент и рабочий лист I (с примером) для расчета необходимого тепла емкость хранения с использованием различных материалов для хранения.

Потребность в отоплении – количество тепла, необходимое для поддержания желаемого температуры в доме или другом помещении. Он равен сумме тепла, которое конструкция теряет в окружающую среду через стены и кровли за счет теплопроводности и конвекции. Эта потеря тепла может быть оценивается с помощью простых уравнений, найденных в большинстве тепловых переводные книги (см. Связанные публикации на стр. 9) или часто газ и представители теплоснабжающей организации принимают такие решения в качестве услуга.

Резерв хранения — это количество тепла, необходимое, если энергия не может быть собирается за определенное количество дней. Хотя и весьма изменчива, объем резерва, обычно планируемый для домашнего солнечного отопления на настоящее время от 3 до 5 дней.

Диапазон температур, в котором сохраняется тепло – разница между максимальной температурой накопительного слоя при заполнении и минимальная температура, при которой должен быть теплоноситель обогрев.В домах, отапливаемых солнечными батареями, максимальная температура «постели», вероятно, быть 130-150°F, в зависимости от используемого коллектора; тогда как минимум температура переноса составляет около 75-80 ° F, при условии желаемого помещения температура 70°F. Таким образом. хорошая цифра «диапазон температур» для использовать в расчетах объема хранилища будет 50 ° F (130 ° — 80°) (Существует тенденция накапливать тепло при максимально возможной температура для минимизации размеров хранилища; но как температура от коллектора повышается, КПД падает).

Материалы для хранения тепла отличаются некоторыми характеристиками, которые также следует учитывать при определении емкости хранилища. В таблице 1 перечислены объемная плотность, удельная теплоемкость (теплоемкость) и скрытая теплота три распространенных материала для накопления солнечного тепла — камень, вода и глауберовы соль. На рис. 1 показан сравнительный объем каждого материала для такое же количество накопления тепла, на основе примера в Рабочем листе I.

Таблица 1.Характеристики аккумулирования тепла трех распространенных видов солнечного тепла Материалы для хранения.

  Материал для хранения Насыпная плотность Удельная теплоемкость Скрытая теплота 
-------------------------------------------------- --------------------------
Рок 100 фунтов/куб.м. 0,2 БТЕ/фунт°F ---------------

Вода 62,4 фунта/куб.м. 1 БТЕ/фунт°F ---------------

Глауберова соль 56 фунтов/куб.м. 0,5 БТЕ/фунт.°F 108 БТЕ/фунт. при 90°F
(фазовый переход (включая нагрев ниже 90°F
темп., 90°F) теплообменник) 0,8 БТЕ/фунт°F
                                         выше 90°F
-------------------------------------------------- ---------------------------

Рабочий лист 1. Расчет необходимого объема солнечного тепла

Пример: предположим, что ваш дом нуждается в отоплении (расчетная потери) в размере 15 000 БТЕ в час, и вы хотите, чтобы ваша система солнечного отопления иметь 3-дневный резерв хранения. Каким будет ваше необходимое хранилище емкость с использованием горных пород, воды или глауберовой соли в качестве материала для хранения?

                                                                                       Наш Ваш
                      Пример ситуации с предметами и расчетами


1. Объем, необходимый для использования ROCK в качестве носителя

   а. Потребность здания в отоплении: расчетные потери тепла (см. обсуждение выше).= 15 000 БТЕ/час ___________

   б. Часов в день: 24. = 24 часа в день ___________

   в. Желаемый резерв хранения: в среднем 3-5 дней (см. обсуждение выше). = 3 дня ___________

   д. Общее количество необходимого тепла: Этап 1.a (15 000 БТЕ/ч) x Этап 1.b (24 часа в день) x Этап 1.c
      (3 дня). = 1 080 000 БТЕ ___________

   е.Насыпная плотность складируемого материала: Из таблицы 1. = 100 фунтов/куб.фут ___________

   ф. Удельная теплоемкость материала хранения: Из таблицы 1. = 0,2 БТЕ/фунт°F ___________

   г.  Температурный диапазон, в котором сохраняется тепло: в среднем 50-75°F (см.
      обсуждение выше). = 50°F -----------

   час Количество тепла на кубический фут материала для хранения: Шаг 1.e (100 фунтов/куб. фут) x Шаг 1.f.
      (0,2 БТЕ/фунт-°F) x Шаг 1.g (50°F). = 1000 БТЕ/куб.фут ___________

   я. Требуемый объем хранилища с использованием породы: Шаг 1.d (1 080 000 БТЕ) ÷ Шаг 1.h
      (1000 БТЕ/куб.фут). = 1080 куб. футов ____________

2. Объем, требуемый при использовании ВОДЫ в качестве носителя

   а. Общее количество необходимого тепла: То же, что и в шагах с 1.a по 1.d. = 1 080 000 куб. футов ___________

   б. Насыпная плотность складского материала: Из таблицы 1.= 62,4 фунта/куб.фут ___________

   в. Удельная теплоемкость аккумулирующего материала: Из таблицы 1. = 1 БТЕ/фунт°F ___________

   д. Температурный диапазон, в котором сохраняется тепло: То же, что и в шаге 1.g. = 50°F ___________

   е. Теплоты на куб. фут складского материала: Шаг 2.b (62,4 фунта/куб.  фут) x Шаг 2.c
(1 БТЕ/фунт°F) x Шаг 2.d (50°F). = 3120 БТЕ/куб.фут __________

   ф. Требуемый объем хранения с использованием воды: Шаг 2.a (1 080 000 БТЕ) ÷ Шаг 2.e
      (3120 БТЕ/куб.фут). = 346 куб. футов ___________

3. Объем, требуемый при использовании GLAUBER'S SALT в качестве носителя данных.

   а. Общее количество необходимого тепла: То же, что и в шагах с 1.a по 1.d. = 1 080 000 БТЕ ___________

   б. Насыпная плотность складируемого материала: Из таблицы 1. = 56 фунтов/куб.фут ___________

   c Скрытая теплота аккумулирующего материала: из таблицы 1.= 108 БТЕ/фунт ___________

   д. Удельная теплоемкость аккумулирующего материала: Из таблицы 1.

                            *Выше температуры фазового перехода = 0,8 БТЕ/фунт°F ___________
                            ** Ниже температуры фазового перехода = 0,5 БТЕ/фунт°F ___________

   е. Разница температур между фазовым переходом (90°F) и хранением
      максимум (130°F) и минимум (80°F): см. обсуждение температурного диапазона
      выше. *Разница температур выше фазового перехода = 40°F ___________
                                    **Разница температур ниже фазового перехода = 10°F ___________

  ф. Количество тепла на фунт материала для хранения: Этап 3.c + (Этап 3.d* x Этап 3.e*) + (Этап 3.d**
     x Шаг 3.e**). Пример: 108 БТЕ/фунт. + (0,8 БТЕ/фунт°F x 40°F) + (0,5 БТЕ/фунт°F x
     10F) = 108 БТЕ/фунт.+ 32 БТЕ/фунт. + 5 БТЕ/фунт. = 145 БТЕ/фунт ___________

  г. тепла на куб. фут складского материала: шаг 3.b (56 фунтов/куб. фут) x
     Шаг 3.f (145 БТЕ/фунт). = 8120 БТЕ/куб.фут ___________

  час Объем хранилища, необходимый для использования глауберовой соли: Шаг 3.a (1 080 000 БТЕ)÷
     Шаг 3.g (8120 БТЕ/куб.фут). = 133 куб. футов ___________

Где должен располагаться мой аккумулятор солнечного тепла?

Как правило, для отопления жилых помещений накопитель может быть содержится в самом доме.Так как он тяжелый. лучший расположение в подвале или самом низком уровне — и на бетоне. нет деревянные опорные элементы. Внутреннее хранилище должно иметь некоторую изоляцию, особенно если хранилище заряжается во время лето. Тем не менее, он не должен быть так сильно изолирован, как наружный. аккумулирование, так как потери тепла идут непосредственно на обогрев дома.

Хранилище также может быть расположено за пределами дома либо в на земле или в неотапливаемом помещении.при условии хорошей изоляции. Сухой, хорошо дренированная почва действует как подходящая изоляция при хранении похоронен снаружи; подземное хранилище также обеспечивает более удобную жизнь пространство в доме.

Важна ли форма теплоаккумулятора?

Важность конфигурации хранилища зависит от используемый материал для хранения. Хранилища для жидкостей обычно хранятся в один большой бак. Использование нескольких резервуаров меньшего размера позволит максимизация температуры в меньшем объеме, а не нагреть весь объем одного бака.Однако из-за стоимости нескольких резервуаров и связанных с ними проблем с клапанами, а также потому, что значительная вертикальная температурная стратификация в водной бак, рекомендуется использовать один бак и взлетать вода наверху, где она самая теплая.

Эффективность камнехранилища очень зависит от конфигурация. Основная проблема при проектировании хранилища горных пород заключается в том, чтобы свести к минимуму падение давления в потоке воздуха через хранилище.В как правило, чем короче расстояние, которое должен пройти воздух, и тем ниже поток воздуха, тем меньше будет падение давления.

Минимальная длина, необходимая для адекватной теплопередачи внутри хранение зависит от расхода воздуха, коэффициента теплопередачи воздуха к породы и площади поперечного сечения. В нормальных условиях эксплуатации, эта минимальная длина довольно мала. Следовательно, чем короче хранилище может быть (в пределах разумного), чем ниже эксплуатационная Стоимость.Как правило, поток воздуха составляет 20-30 футов в минуту. желательно. Площадь склада можно приблизительно определить, разделив суммарный расход воздуха из коллектора (куб. подачи в минуту) на скорость (в футах в минуту).

В то время как воздух можно дуть через горную породу горизонтально, наиболее Эффективная система предназначена для вертикального воздушного потока. Горячий воздух из коллектора выдувается вверх, а холодный воздух возвращается к коллектору снизу.Когда для нагрева требуется тепло комнате поток воздуха обратный.

Может ли дополнительная изоляция уменьшить требуемый объем хранилища (и стоимость)?

Поскольку потребность здания в отоплении определяет количество тепла, которое необходимо собрать и сохранить, снижение этого требования приведет к аналогично уменьшить площадь коллектора и вместимость хранилища нужный. Обычно самым дешевым способом снижения теплопотерь является правильная изоляция. На самом деле, деньги сэкономлены за счет меньшего объема памяти. место, материал для хранения и площадь коллектора часто больше, чем окупается дополнительная изоляция.

Насколько добавление изоляции может снизить стоимость Солнечная система отопления зависит от ряда факторов, таких как структурная прочность здания, существующий уровень теплоизоляции, материал для хранения, который будет использоваться, и т. д. Но экономия может быть значительным, как показывает пример в Рабочем листе II. Используйте рабочий лист для определения потребностей в отоплении и последующем сборе-хранении объем и стоимость системы при текущем уровне изоляции, а затем на «правильных» уровнях.Как правило, складское помещение должно быть утеплено. значение R-11, если в отапливаемом помещении и до R-30, если в неотапливаемом площадь.

На что следует обращать внимание или спрашивать при покупке коммерческого отопления устройство хранения?

Если предсказанный строительный «бум» солнечной энергетики действительно становится реальностью, обязательно возникнет какое-то ложное компаний, которые попытаются воспользоваться потребительским «невежеством». относительно систем хранения солнечного тепла и материалов.Защищать себя от этих фирм, а так же иметь базу для принятия мудрых вариантов, следуйте предложенной процедуре:

2. Если вы не знакомы с компанией, проверьте ее через Better Бизнес-бюро или аналогичная организация.

3. Свяжитесь с кем-нибудь, у кого уже есть один из устройства хранения данных; они могут многое рассказать вам о типе исполнения ожидать.Будьте очень осторожны, если продавец не может или не хочет дать вам клиенты, с которыми можно связаться.

4. Получите претензии компании в письменном виде перед покупкой система. Также заставьте их гарантировать заданный уровень производительности и замените неисправные детали.

5. Попросите показать проектные расчеты системы и проверьте их использование доступных справочных материалов или получение помощи от вашего округа Офис расширения.

6. Если для системы требуется специальный материал для хранения тепла, например рок, подсчитайте его стоимость, если бы вы купили его сами.Это будет дать вам представление о количестве труда и затрат на рекламу в сделке.

Рабочий лист II. Определение эффекта дополнительной изоляции

по объему и стоимости аккумулирования тепла и коллектора

Пример: Типичный квадратный двухэтажный дом. с площадью поверхности кровли 1267 квадратных футов и площадь поверхности стены 2400 квадратных футов должны быть солнечное отопление. В настоящее время он имеет в качестве изоляции только 6 дюймов стекловолокно (коэффициент проводимости 0,053 БТЕ/час-°F-кв.фут в крыше и 1 дюйм фибрового картона (значение проводимости 0,33 БТЕ/час-°F-кв. фут) в стены. Температура внутри будет поддерживаться на уровне 70 ° F: ожидается наружная низкая температура составляет 10°F. Должен ли владелец проектировать воздух коллектор и система хранения глауберовой соли для домашнего подарка потребность в отоплении.или стоит добавить еще 6 дюймов изоляция в крыше и 3 1/2 дюйма в стенах?


                                                                                Наш Ваш
           Пример ситуации с предметами и расчетами

1. Потребность в отоплении здания с существующей изоляцией

   а. Разница между внутренней и наружной температурой: Из примера выше
        (70°F - 10°F).= 60°F _____________

   б.  Площади поверхности крыши и стен; Из примера выше.
*Площадь корня = 1267 кв. футов _____________
**площадь стен = 2400 кв. футов _____________

   в. Значение проводимости для данного типа и толщины изоляции:
      Обратитесь к продавцу строительных материалов. (Пример: крыша, 6 дюймов.
      стекловолокно; стена, 1 дюйм ДВП).
                                                        *Изоляция крыши = .053 БТЕ/час-
°F-кв.фут _____________
                                                        **Изоляция стен = 0,33 БТЕ/час-
°F-кв.фут _____________

   д. Потери тепла с крыши: Шаг 1.a (60°F) x Шаг 1.b* (1267 кв. футов)
      x Шаг 1.c* (0,053 - БТЕ/час-°F-кв.фут). = 4029 БТЕ/час ______________

   е. Потери тепла через стены: Шаг 1.a (60°F) x Шаг 1.b* (2400 кв. футов) x
      Шаг 1.c** (0,33 БТЕ/ч.-°F-кв.фут). = 47 520 БТЕ/час ______________

  f.Общая существующая потребность в отоплении: Этап 1.d (4029 БТЕ/час) + Этап 1.e
    (47 520 БТЕ/час). = 51 549 БТЕ/час ______________

2.  Количество и стоимость материалов для хранения для удовлетворения текущих потребностей в отоплении.

  а. Часов в день: 24. = 24 часа в день _____________

  б. Желаемый запас тепла: Ср. 3-5 дней. = 3 дня ___________

  в.Теплоаккумулирующая способность аккумулирующего материала: Для глауберовой соли
     см. рабочий лист I, шаг 3.f

  д. Стоимость единицы складского материала: уточняйте у поставщика. = 0,25 долл. США/фунт _____________
 
  е. Общее количество необходимых материалов для хранения: (Этап 1.f x Этап 2.a x Этап 2.b) ÷ Этап 2.c.
     Пример: (51 549 БТЕ/час x 24 часа/день x 3 дня) ÷ 145 БТЕ/фунт.
     = 3 711 526 БТЕ ÷ 145 БТЕ/фунт. = 25 597 фунтов _____________

  f. Общая стоимость необходимых материалов для хранения: Шаг 2.е. (25 597 фунтов) x Шаг 2.d
    (0,25 доллара за фунт). = 6399 долларов ______________

3. Размер и стоимость коллектора для удовлетворения текущих потребностей в отоплении.

   а. Желаемая мощность сбора потребности в отоплении: в среднем 2 дня.  = 2 дня ______________

   б. Значение излучения для коллектора: уточните у поставщика. = 1000 БТЕ/кв.фут ______________

   в. Стоимость коллектора за кв.м.: Уточняйте у поставщика.= 1,00 долл. США/кв. фут ______________

   д. Необходимая общая площадь коллектора: (Этап 1.f x Этап 2.a x Этап 3.a) ÷ Этап 3.b.
      Пример: (51 549 БТЕ/час x 24 часа/день x 2 дня) ÷ 1000 БТЕ/кв. фут
      = 2 474 352 БТЕ ÷ 1000 БТЕ/кв. фут. = 2474 кв. футов ______________

   е. Общая стоимость коллектора: Этап 3.d (2474 кв. футов) x
       Шаг 3.c (1,00 долл. США за кв. фут). = 2474 доллара ______________

4.Потребность в отоплении здания с дополнительной изоляцией

  а. Значение проводимости для имеющейся + добавленной изоляции: Шаг 1.c + добавленная
     изоляция. (Пример: крыша 6 дюймов из стекловолокна + 6 дюймов пенополистирола; стена 1 дюйм.
     ДВП + 3-1/2 дюйма, пенопласт
                                               *Корневая изоляция = 0,026 БТЕ/час- ______________
°F-кв. фут
**Изоляция стены = 0,071 БТЕ/час- ______________
°F-кв.футов
                           
  б. Потери тепла с крыши: Этап 1.a (60 °F x Этап 1.b* (1267 кв. футов)
     x Этап 4.a* (0,026 БТЕ/час-°F-кв.фут) = 1977 БТЕ/час ______________

  в. Потери тепла через стены: Шаг 1.a (60°F) x Шаг 1.b** (2400 кв. футов)
     x Шаг 4.a** (0,071 БТЕ/ч)-°F-кв.фут). = 10 224 БТЕ/час ______________

  д. Общая потребность в отоплении с дополнительной изоляцией: Этап 4.b (1977 БТЕ/час) +
      Шаг 4.c (10 224 БТЕ/ч) = 12 201 БТЕ/ч _____________

5. Количество и стоимость складского материала для обеспечения «дополнительной изоляции».
  потребность в отоплении

  а. Общее количество необходимых материалов для хранения: (Шаг 4.d x Шаг 2.a x Шаг 2.b) ÷ Шаг 2.c
     Пример: (12 201 БТЕ/час x 24 часа/день x 3 дня ÷ 145 БТЕ/кв. фут =
     878 472 БТЕ ÷ 145 БТЕ/фунт = 6058 фунтов _____________

  б. Общая стоимость необходимого складского материала:
     Шаг 5.a (6058 фунтов) x Шаг 2.d (0,25 долл.  США/фунт) = 1515 долл. США _____________

6.Размер и стоимость коллектора для обогрева с «дополнительной изоляцией».
  требование

  а. Необходимая общая площадь коллектора: (Этап 4.d x Этап 2.a x Этап 3.a) ÷ Этап 3.b.
     Пример: (12 201 БТЕ/ч x 24 ч/день x 2 дня) - 1000 БТЕ/кв. фут. знак равно
     585 648 БТЕ ÷ 1000 БТЕ/кв.фут. = 586 кв. футов ______________

  б. Общая стоимость коллектора:
       Шаг 6.а. (586 кв. футов) x Шаг 3.c (1,00 долл. США за кв. фут). = 586 долларов ______________

7. Экономия затрат на систему отопления за счет добавления изоляции

  а. Стоимость единицы изоляции: уточняйте у поставщика. Пример: 6 дюймов и 3-1/2 дюйма.
    маты.
* 6 дюймов. маты = 0,20 долл. США/кв. фут ______________
**3-1/2 дюйма в матах = 0,12 доллара США за кв. фут ______________
                                            
  б. Стоимость дополнительной изоляции: (Шаг 1.b* x Шаг 7.a*) + (Шаг 1.б** х Шаг 7.а**).
     Пример: (1267 кв. футов x 0,20 долл. США/кв. фут) + (2400 кв.  футов x 0,12 долл. США/кв. фут)
     = 253 доллара + 288 долларов. = 541 долл. США ______________

  в. Общая стоимость системы отопления с существующей изоляцией: Этап 2.f (6399 долл. США) + Этап 3.e
    (2474 доллара). = $8823 ______________

  д. Общая стоимость системы отопления с дополнительной изоляцией: Этап 5.b (1515 долл. США) + Этап 6.b
      (586 долларов США) + Шаг 7.b (541 доллар США). = 2642 доллара ______________

  е.«Экономия» за счет изоляции: Шаг 7.c (8873 долл. США) —
       Шаг 7.d (2642 доллара США). = 6231 долл. США ______________

Новый 9/78

Совместная консультационная работа в сельском хозяйстве и домашнем хозяйстве, состояние Индиана, Университет Пердью и Министерство сельского хозяйства США. сотрудничество; Х.А. Уодсворт, директор West Lafayette, IN. Выдается в в продолжение актов от 8 мая и 30 июня 1914 г.Кооператив Служба распространения знаний Университета Пердью — это позитивное действие / равное институт возможностей.

Лекция по тепловому регулированию

Корнельский университет Ergonomics Web

DEA3500: Окружающая среда: температурный режим

УСЛОВИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ — ТЕПЛОВАЯ СРЕДА
Тепло, холод и производительность: мы до сих пор удивительно невежественны в отношении механизмов терморегуляции тела!

1.Тепловой баланс — процесс теплообмена

Живое тело постоянно производит тепло, которое должно передаваться в окружающую среду. Тепловой баланс (тепловое равновесие) – это баланс между скоростью теплопродукции и скоростью теплоотдачи.

Уравнение теплового баланса
Производство тепла = скорость производства тепла = M — W, где:
M = общая скорость производства энергии, которую можно определить из скорости потребления кислорода (1 литр O2 = 5 ккал = 20 000 джоулей) (1 кал = 4.184j)(1 ккал = 1000 кал)
Вт = скорость, с которой выполняется внешняя работа (сила x расстояние).
М — Вт = полная энергия — рабочая энергия

Тепловые потери = скорость тепловых потерь = R + C + E + L + K + S, где:
R = излучение (потеря или приток тепла) между поверхностью кожи или одежды и окружающими поверхностями, т.е. стены, солнце и т. д. В покое, в термонейтральной среде (21C), 60% потерь тепла обнаженным телом происходит за счет излучения. Упомяните лучистую асимметрию.
C = конвекция (воздух рядом с телом поглощает тепло), которая представляет собой форму передачи окружающему воздуху и представляет собой потерю (или получение) тепла за счет смешивания воздуха вблизи поверхности тела.
2 типа: естественная конвекция (в неподвижном воздухе тело создает восходящий поток теплого воздуха) и вынужденная конвекция (движение воздуха мимо тела, например, ветер.
В состоянии покоя, как указано выше, на конвекцию приходится 18 % потерь тепла.
E = испарение. Испарение воды через внешние слои кожи (неощутимое потоотделение) или с поверхности кожи, когда она смачивается потом (потоотделение) или каким-либо другим внешним фактором.
L = согревание и увлажнение воздуха, который вдыхается, а затем выдыхается (иногда включается в E).
K = проводимость к поверхностям при прямом контакте с кожей или одеждой, например сидение на холодной поверхности и т. д. Это иногда включается в C. В состоянии покоя, как указано выше, на это приходится 3% потери тепла.
S = скорость накопления тепла в теле.

Тепловой баланс существует, когда
М — Ш = Р + С + Э + Л + К + С

R + C + K = 72% потерь тепла
Эскин = 15% (Выделение с калом и мочой = 3%)
Легкие = 7% выдыхается, 3% согревается вдохом

В идеале S должно равняться 0, когда тело находится в тепловом балансе i.е. производство тепла = потери тепла без хранения.

На практике тело редко достигает или поддерживает тепловой баланс, и многие факторы влияют на относительную важность процессов теплообмена.

2. Терморегуляция — простейшая терморегуляторная модель делит тело на две составляющие: ядро и оболочку. Также более сложные модели, например. Режим Stolwyck & Hardy с 25 узлами.

Оболочка – температура кожи изменяется в большем диапазоне, чем температура ядра.Температура кожи зависит в первую очередь от условий окружающей среды.
Сердцевина — внутренняя температура контролируется в относительно узком диапазоне с помощью систем терморегуляции. Температура ядра зависит в первую очередь от скорости работы.

Механизмы теплообмена — 3 основных физиологических механизма.

а. Вазомоторный — вся кожа нуждается в некотором кровоснабжении, чтобы поддерживать ее жизнь, но кожный кровоток может быть увеличен во много раз по сравнению с базовым уровнем. Увеличение кожного кровотока повышает температуру кожи и увеличивает передачу тепла в окружающую среду, а также охлаждает ядро.Уменьшение кожного кровотока охлаждает кожу, снижает теплопередачу в окружающую среду и согревает сердцевину. Изменения кожного кровотока наиболее выражены на конечностях (кистях и стопах) и менее выражены на туловище и голове. Вот почему руки и ноги часто мерзнут в первую очередь.

б. Потоотделение — (макс. продолжающаяся общая скорость потоотделения = 1 л/ч; макс. кратковременная = 10-15 л за 6 ч; всегда 650 мл/сут.). Когда температура кожи приближается к температуре ядра, передача тепла от ядра к коже становится все труднее.В жарких условиях испарение пота с поверхности кожи охлаждает ее, тем самым улучшая передачу тепла от ядра.
2 вида пота:
апокрин — лоб, спина, ладони, подмышки — белоксодержащий пот
эккрин — водяной пот со всех других участков кожи (скрытая теплота воды 600 кал/г)

в. Дрожь — при минимальном кожном кровотоке могут иметь место чрезмерные потери тепла из ядра за счет проводимости через ткани скорлупы.Поддержание внутренней температуры требует увеличения теплопродукции, а озноб является дезорганизованной мышечной деятельностью, которая имеет этот эффект и увеличивает теплопродукцию на 300-400%. Для испарения макс. на пот уходит 6000-9000 ккал, что равняется теплу дровосека в холодную погоду!.

3. Системы терморегуляции — при переходе тела из одной тепловой среды в другую в работу включаются следующие механизмы:

а. Переход от теплой к холодной среде влечет за собой следующее:
-кожа становится прохладной
— кровь направляется от кожи к сердцевине, где она нагревается, прежде чем вернуться к коже.
— внутренняя температура слегка повышается, а затем падает при длительном воздействии
— возможны озноб и «гусиная кожа» Если тело стабилизируется, то большие участки кожи получат мало крови.Если охлаждение продолжается, то в конечном итоге внутренняя температура падает, вызывая гипотермию, которая может привести к смерти. (Анекдот о смерти Криса от переохлаждения после инцидента в пещере, не только у пожилых людей.)

б. Переход из холодной среды в теплую влечет за собой следующее:
— больше крови направляется от ядра к поверхности кожи, что повышает температуру кожи
— внутренняя температура падает, но при длительном воздействии снова повышается
-начинается потливость
Если тело стабилизируется, то большие участки кожи получат кровь и начнется потоотделение. Если согревание тела продолжается, в конечном итоге температура тела повышается, вызывая гипертермию (тепловой удар), который может привести к смерти.

4. Акклиматизация к жаре и холоду. Акклиматизация состоит из ряда физиологических приспособлений, которые происходят у человека, который обычно подвергается воздействию либо жарких, либо холодных условий. Говорят, что акклиматизация состоит из двух процессов: «привыкание» и «непривыкание»!

Акклиматизация к жаре: В жарком климате происходят физиологические адаптации, которые помогают охлаждать тело:
— увеличивается потребление воды (обратите внимание, что лучше пить теплые жидкости, потому что они повышают внутреннюю температуру и стимулируют потоотделение для усиления охлаждения, тогда как холодные жидкости снижают внутреннюю температуру, что препятствует потоотделению, уменьшая охлаждение, что увеличивает дискомфорт.
-увеличивается потоотделение. При «тренировке» потовые железы производят больше пота.
— увеличивается объем крови, и больше крови поступает к коже (может даже появиться «красное» лицо)
-происходят поведенческие изменения: носят меньше одежды или избегают жары, например. прибегание к кондиционируемому помещению (пример привыкания к не привыканию, поскольку такое поведение не вызывает физиологической акклиматизации).

Акклиматизация к теплу лучше всего достигается при выполнении работы в условиях жаркого климата e.г. упражнение. Наилучшие результаты достигаются при продолжительности воздействия не менее одного часа или хотя бы через каждые два или каждый день в течение как минимум 2–3 недель (некоторая акклиматизация происходит в течение 4–7 дней, а в разумных пределах — через 12–14 дней). Прекращение воздействия тепла приводит к возвращению в неакклиматизированное состояние через несколько недель. Бустерные воздействия каждую неделю или около того могут поддерживать высокий уровень акклиматизации. Этот процесс был подтвержден экспериментальными исследованиями, т. е. Линд и Басс, 1963 год.

Lind & Bass (1963) — Мужчины работали каждый из 9 дней по 100 минут за раз при затрате энергии 300 ккал час-1 в жарком климате.По мере акклиматизации внутренняя температура и частота пульса снижались, а потоотделение увеличивалось.

Акклиматизация к холоду: Процессы холодовой акклиматизации менее выражены. В отличие от потоотделения, скорость озноба не увеличивается при длительном воздействии холода. Однако имеют место и другие изменения.
— ядро тела сжимается так, что гораздо больше тканей тела оказывается в оболочке. Сжатая сердцевина теперь лучше изолирована, и поэтому для поддержания внутренней температуры требуется меньше тепла.
— имеется тенденция к уменьшению притока крови к конечностям, поэтому использование рук затруднено и в норме снижено. Однако продолжительное использование рук в холодном климате приводит к оттоку большего количества крови, например, к этим органам. филетеры сельди на побережье Северного моря работали на открытом воздухе, погружая руки в почти ледяную воду или выставляя их на влажный ветер. Для неакклиматизированного человека это быстро вызывает сильную боль, однако филлеры работали весь день с небольшим дискомфортом.Такие изменения могут занять много времени (месяцы или годы).

Последствия острого или длительного воздействия различных температур на кожу и внутреннюю часть тела кратко ниже:

Перейти к следующей лекции

границ | Новая концепция термохимического долгосрочного хранения: баланс потребности в возобновляемой электроэнергии и тепле в зданиях

Основные моменты

— Предложение новой концепции сезонного хранения для строительного сектора

— Объединение электроэнергетического и теплового секторов по энергии и экономичному долгосрочному хранению

— Анализ интеграции в здание и оценка эффективности хранения

Введение

Энергопотребление жилых зданий составляет огромную долю конечного потребления энергии в мире.Например, в Европейском союзе (ЕС) на строительный сектор приходится 40 % конечного энергопотребления и 36 % общих выбросов CO ₂, связанных с энергией (EU, 2010; Krese et al. , 2018). Даже в такой высокоиндустриальной стране, как Германия, на строительный сектор приходилось 35,3% конечного потребления энергии в 2016 году. Производство этой энергии из различных источников привело к выбросу 215 мегатонн CO ₂, что составляет 28,2% от общего годового потребления. выбросы CO ₂, связанные с энергетикой, в Германии (BMWi, 2018).Чтобы понять причины этих огромных выбросов, вызванных строительным сектором, необходимо более внимательно изучить фактическое конечное потребление энергии в здании. На рис. 1 показано конечное потребление энергии в жилых домах в Германии. 65,9% требуется для отопления помещений и еще 18,1% для производства горячей воды. Таким образом, в сумме более 80% конечной потребности в энергии приходится на тепловую энергию при относительно низком уровне температуры. Потребность в электрической энергии для освещения и других приборов составляет всего 11.8%.

Рисунок 1 . Конечное потребление энергии в жилых домах в Германии, 2016 г. , в млн т н.э. и (доля в процентах). График основан на данных базы данных ODYSEE MURE (2015 г.).

Подробный анализ эффективности европейских зданий также показал, что в странах Северной Европы около 80% конечной потребности в энергии приходится на отопление помещений и горячее водоснабжение (Economidou et al., 2011). И не только то, что потребность зданий в тепле составляет наибольшую долю, но и (в целом) в основном обеспечивается за счет сжигания ископаемого топлива.В ЕС 50 % тепловой энергии в зданиях приходится на газ, а еще 25 % — на нефть и уголь (ODYSSEE-MURE, nd; Тенденции и политика в области энергоэффективности в бытовом и третичном секторах Тенденции и политика в области энергоэффективности в бытовом и третичном секторах анализ секторов на основе базы данных ODYSEE MURE, 2015 г.). Цифры за 2016 год для Германии аналогичны, показывая более 80% доли ископаемого топлива (Lopez et al., 2018) и очень низкую долю возобновляемого тепла в 13,5%, которое в основном может быть направлено на сжигание биомассы, включая древесные гранулы ( Bundesumweltamt, 2019).

С другой стороны, производство электроэнергии из возобновляемых источников, в частности фотоэлектрических (PV) систем и ветряных электростанций, значительно увеличилось за последние годы, в результате чего доля в электроэнергетическом секторе составила 37,8% (Bundesumweltamt, 2019). Соответственно, общая установленная фотоэлектрическая мощность в Германии составляет 46 ГВт _{, пик} на конец 2018 года. Аналогичная глобальная тенденция, когда сообщалось об огромном увеличении установленной мощности, в частности, солнечных фотоэлектрических систем (REN 21, 2019).

Из обсуждаемых цифр становится ясно, что в последние десятилетия интеграции возобновляемых систем отопления не уделялось должного внимания, в то время как установка фотоэлектрических систем поддерживалась значительным снижением затрат и дополнительными политическими стимулами в различных странах. Тем не менее, это приводит к текущей ситуации, когда основная конечная потребность зданий в энергии по-прежнему требует в основном ископаемого топлива, а производство электроэнергии из возобновляемых источников намного превышает потребность здания в электроэнергии. Это несоответствие со стороны спроса и предложения еще более усиливается из-за очень большой сезонной разницы между ними. В то время как фотоэлектрические системы преимущественно производят в дневное время в течение летнего месяца, наибольший спрос на тепло возникает в зимние месяцы. Таким образом, простой концепции выработки тепла без подходящего решения для сезонного хранения недостаточно для увеличения использования фотоэлектрической энергии для системы отопления. Поэтому обычно только 30% электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими системами на крыше, потребляется в самом здании.Для перепроизводства большинство фотоэлектрических установок подключены к сети (IEA, 2013).

Как следствие, возникают большие потоки электроэнергии между домохозяйствами и сетью, что создает проблемы для управления сетью и приводит к экономическим потерям для конечного пользователя (Vieira et al., 2017). Поскольку стоимость самостоятельно произведенной электроэнергии в настоящее время ниже розничной цены на электроэнергию в некоторых странах (МЭА, 2013 г. ), самопотребление оказывается наиболее выгодным вариантом для владельца системы.Взяв оба аспекта вместе, владельцы систем хотят увеличить собственное потребление фотоэлектрической энергии, в то время как покупка ископаемого топлива для удовлетворения потребности в тепле должна быть сокращена. Решением этой проблемы могла бы стать технология долгосрочного хранения, способная обеспечить сезонный сдвиг производства избыточной электроэнергии и потребности здания в тепле. Однако ни одна из существующих технологий сезонного хранения в достаточной мере не устраняет это несоответствие между спросом и предложением.

Причины, по которым до сих пор не существует удовлетворительной сезонной системы накопления энергии, кроются в общих очень высоких технологических и экономических требованиях к такой системе.Требуемая емкость для обогрева помещений очень велика. В зависимости от климатической зоны, размера и изоляции здания требуется от 1 500 до 10 000 кВтч 90 400 тепловой 90 401 энергии в год (База данных ODYSEE MURE, 2015). Одновременно система хранения подвергается только одному циклу в год, таким образом, общее количество циклов составляет 20 за предполагаемый срок службы. Принимая во внимание, что инвестиции в систему хранения, как правило, амортизируются стоимостью энергии, поставляемой в каждом цикле разряда, становится ясно, что сезонная система хранения допускает только очень низкую стоимость на сохраненный кВтч тепловой энергии.Это также является причиной того, что хранилища электроэнергии, даже если будет достигнуто прогнозируемое в настоящее время снижение стоимости до 175 долларов США/кВтч (Schmidt O. et al., 2017), не будут экономически применимы для сезонного хранения. Помимо этих и без того сложных экономических ограничений, возникает дополнительная технологическая проблема, поскольку энергия должна сохраняться в течение периода от 2 до 6 месяцев. В этих условиях потери энергии в системах хранения с течением времени должны быть минимальными. Для борьбы с этими сложными граничными условиями существует лишь несколько технологий или концепций сезонного накопления тепла, которые находятся на разных стадиях разработки. В основном это солнечные тепловые коллекторы в сочетании с различными традиционными системами накопления тепла, преобразованием энергии в газ и тепловыми насосами.

Децентрализованные системы солнечных тепловых коллекторов, включая систему хранения горячей воды, легко доступны на рынке, и они имеют более высокую эффективность использования солнечного и низкотемпературного тепла, чем системы отопления на основе электричества. Однако в странах с холодным климатом системы обычно покрывают лишь до 35 % общей потребности здания в тепле. Из-за потерь тепла длительное хранение с горячей водой, как правило, невозможно для небольших систем (например,г., индивидуальный дом). Централизованные крупномасштабные системы сезонного хранения воды возможны благодаря лучшему соотношению объема к площади поверхности. Как правило, они покрывают до 50% потребности в тепле (Bauer et al., 2010), при этом возможна более высокая доля солнечной энергии. Несколько проектов с различными типами крупномасштабных сезонных хранилищ в настоящее время находятся в эксплуатации или строятся и хорошо описаны в обзорной статье Xu et al. (2014). В то время как технология является перспективной в некоторых обстоятельствах, например, для развития новых жилых районов, также очевидно, что она вряд ли применима для модернизации существующих зданий в густонаселенных районах.

Использование возобновляемых источников энергии для производства синтетического топлива или газов (например, водорода) является одним из многообещающих вариантов долгосрочного хранения энергии (Gerbert et al., 2018). Произведенный газ можно легко хранить децентрализованно в небольших резервуарах под давлением, централизованно в уже существующих газовых кавернах или даже в газовой сети. Кроме того, хранение газов, богатых энергией, в принципе без потерь, поэтому возможны бесконечно длительные периоды хранения с высвобождением энергии в момент потребности.Для применения в строительстве синтетический газ просто заменит ископаемое топливо в обычной котельной системе. Несмотря на то, что подход звучит многообещающе, поскольку большую часть уже существующей инфраструктуры можно было бы использовать в дальнейшем, текущие недостатки технологии преобразования энергии в газ заключаются в довольно низкой эффективности всей технологической цепочки в сочетании с потребностью в капиталоемком оборудовании. Следовательно, этот технологический путь в настоящее время считается наиболее дорогостоящим способом избежать выбросов CO ₂ путем замены ископаемого топлива в секторе отопления (Gerbert et al., 2018).

На рынке имеются системы тепловых насосов

, способные сочетать электроэнергию с сектором отопления. Хотя такая система помогает увеличить собственное потребление фотоэлектрической продукции, все еще существует большое несоответствие между поставкой электроэнергии и потребностью в тепле. Очевидно, что в зимнее время, когда возникает наибольшая тепловая нагрузка, от фотоэлектрической системы доступно очень мало электроэнергии. Даже в сочетании с накопителями горячей воды общее собственное потребление увеличивается только до 40% произведенной электроэнергии, в то время как 60% по-прежнему отдается в сеть (Williams et al., 2012). Следовательно, исследованные в настоящее время комбинации тепловых аккумуляторов и тепловых насосов не обеспечивают достаточного желаемого сезонного сдвига. Тот же недостаток относится и к другим концепциям преобразования энергии в тепло, где просто электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию и хранится в явных или скрытых резервуарах для хранения. Сезонный сдвиг может быть реализован только в централизованных резервуарах для хранения больших объемов, но потери тепла препятствуют децентрализованному сезонному хранению.

Термохимические системы хранения, как правило, перспективны для сезонного хранения.Два различных атрибута высокой плотности энергии и принцип хранения без потерь предопределяют эти материалы для задач долгосрочного хранения. Поэтому эта тема широко исследуется, но технический уровень систем пока низок. Термохимические накопления можно различать по механизму принципа накопления, которое представляет собой либо химическую реакцию, либо сорбционный процесс. В частности, сорбционные материалы, а также некоторые химические реакции гидратов солей были исследованы для применения в системах сезонного хранения.Скапино и др. недавно обобщил различные материалы, а также их состояние технологии в обзорной статье (Scapino et al., 2017a). В анализе затрат, проведенном той же группой, они пришли к выводу, что основными недостатками систем являются, помимо технологических проблем при разработке реактора, стоимость материалов для хранения. Цены за киловатт-час накопленной тепловой энергии все еще слишком высоки, чтобы обеспечить экономичную эксплуатацию системы сезонного хранения (Scapino et al., 2017b).

Чтобы преодолеть представленные недостатки обсуждаемых технологий долгосрочного хранения в зданиях, в этой статье представлена новая технологическая концепция децентрализованной системы долгосрочного хранения.Концепция основана на термохимической реакции, которая заряжается электрической энергией и выделяет тепловую энергию во время фазы разряда. Таким образом, система обеспечивает фактически необходимый переход от избыточной электроэнергии летом к потребности в тепле зимой. Реакционный материал имеет два основных преимущества по сравнению с проанализированными до сих пор термохимическими материалами для сезонного хранения. Во-первых, стоимость реакционного материала ниже в 7–8 раз, а во-вторых, разрядная реакция может осуществляться с использованием жидкой воды вместо водяного пара, что технически и энергетически повышает эффективность разрядки.В этой статье впервые изложен концептуальный технологический процесс этой новой технологии хранения, включая подробное предложение по термохимическому реактору. Основываясь на потоках энергии и общей ситуации со спросом в здании, вычисляются теоретически достижимые значения эффективности, плотности хранения, а также требуемые объемы хранения для систем.

Новая концепция сезонного хранения в зданиях

Термохимический материал для хранения

Как обсуждалось во введении, несколько термохимических материалов, в основном гидраты солей и цеолиты, исследуются для целей сезонного хранения.В настоящее время почти для всех систем материальные затраты по-прежнему являются одним из основных препятствий на пути к выходу на рынок. Напротив, гидроксиды металлов почти не рассматривались для применения в зданиях. Одной из причин этого может быть то, что обычно требуются более высокие температуры реакции, превышающие 200°C, что затрудняет загрузку этих систем неконцентрирующими солнечными тепловыми коллекторами. Тем не менее, некоторые гидроксиды металлов имеют многообещающие характеристики для сезонного хранения и, согласно нашей новой концепции; процедура зарядки осуществляется от электричества, что легко позволяет использовать более высокие температуры зарядки.Поэтому концепция сезонного хранения, представленная в этой работе, основана на термохимической реакции гидроксида кальция (Ca(OH) ₂ ). Ca(OH) ₂ разлагается под действием энергии при температуре выше 450°C на оксид кальция (CaO) и водяной пар по следующему уравнению реакции:

CaO+h3O ⇌Ca(OH)2+ΔHреакция

Идея накопления энергии в реакционной системе была предложена еще несколько десятков лет назад (Ervin, 1977). При наличии избыточной энергии (например, из возобновляемых источников) проводится дегидратация гидроксида до оксида (фаза зарядки). Освобожденный водяной пар легко отделить от твердого вещества путем конденсации. Энергия сохраняется бесконечно долго в виде химического потенциала оксида кальция. Когда требуется энергия, водяной пар или жидкая вода снова контактируют с оксидом кальция, и начинается экзотермическая обратная реакция с высвобождением энергии (фаза разрядки).

Реакционная система представляет особый интерес для целей накопления энергии, поскольку она предлагает несколько преимуществ.Во-первых, материал доступен в изобилии во всем мире, а производство извести является одной из крупнейших химических отраслей промышленности в мире. В 2011 году во всем мире было произведено 330 миллионов тонн извести (USGS, 2011). Таким образом, сырье, как правило, доступно по низкой цене, которая в настоящее время составляет около 100 евро за тонну. Вместе с теоретической плотностью энергии материала ~370 кВтч/т (Afflerbach et al., 2017) системы предлагают очень дешевую емкость хранения энергии 0,27 евро/кВтч. Еще одним преимуществом является обратимость реакции, которая была экспериментально продемонстрирована до более чем 1000 циклов (Rosemary et al. , 1979) и быстрой кинетикой реакции (Schaube et al., 2012). Принимая во внимание эти аспекты и добавляя, что сам принцип термохимического хранения, как правило, свободен от потерь, материал полностью соответствует всем требуемым критериям для экономичной системы сезонного хранения. Однако применение материала для сезонного хранения в зданиях пока не рассматривалось. Поэтому мы разработали технологическую концепцию децентрализованного долговременного хранения энергии в зданиях, которая связывает местное производство электроэнергии с местным спросом на тепловую энергию на основе обильных реагентов CaO и воды.

Концептуальный проект системы сезонного хранения

На рис. 2 показан концептуальный процесс системы хранения. Система состоит из одного контейнера для хранения материала, системы транспортировки материала, термохимического реактора и резервуара для хранения горячей воды. Основополагающая рабочая стратегия для зарядки такова: если электроснабжение от возобновляемых источников энергии (например, фотоэлектрические панели на крыше или даже от сети по низкой цене) превышает потребность дома в электроэнергии, начинается операция зарядки от накопителя. Гидроксид кальция переносится из емкости для хранения в реакторный блок. Реактор нагревают электрически до температуры выше 450°С для проведения дегидратации гидроксида кальция. При обезвоживании из твердого материала высвобождается водяной пар. Исходя из нашего собственного опыта работы с лабораторными реакторами, мы можем утверждать, что сетка фильтра тонкой очистки с размером пор 5 мкм в достаточной степени отделяет частицы накопительного материала от реакционного газа (Cosquillo Mejía et al., 2020). Таким образом, выделяемый пар представляет собой чистую незагрязненную воду.Пар сначала охлаждается в подогревателе до 100°C, а затем конденсируется в теплообменнике (HEX1, рис. 2) до 40–60°C. Температура конденсации определяет давление водяного пара в реакторе и, следовательно, температуру реакции. Даже при конденсации при 60°С соответствующее давление пара составляет 200 мбар, а соответствующая равновесная температура реакции составляет 430°С. Таким образом можно контролировать температуру загрузки в реакторе на уровне 450°С. Расстояние 20 Кельвинов до равновесной температуры разумно для достижения достаточно быстрой кинетики реакции.Кроме того, принцип работы позволяет использовать тепловую энергию, в основном теплоту конденсации пара, которая обязательно возникает в процессе зарядки для зарядки бака горячей воды здания. После извлечения энергии из воды охлажденную воду можно легко слить в раковину.

Рисунок 2 . Концептуальный проект децентрализованной сезонной термохимической системы хранения на основе реакционного материала гидроксида кальция.

Ощутимая энергия пара и горячего аккумулирующего материала обменивается в подогревателе для нагрева Ca(OH) ₂ перед поступлением в реактор. Обратите внимание, что мы предлагаем полунепрерывный периодический процесс, таким образом, ощутимая теплота материала передается, когда партии материала заменяются после завершения реакции. Подогреватель может быть выполнен в виде твердотопливного теплообменника. Во время реакции ощутимая теплота пара будет передаваться следующей партии материала для хранения холода в подогревателе. После завершения реакции на короткое время подают поток азота, перенося ощутимую теплоту материала в реакторе на партию свежего Ca(OH) ₂ в подогревателе.

Фаза хранения начинается с транспортировки CaO. В контейнере CaO может храниться при комнатной температуре в течение бесконечного времени без потери энергии, содержащейся в его химическом потенциале. Чтобы свести к минимуму требуемый объем и инвестиционные затраты на контейнер для длительного хранения, мы предлагаем использовать только один контейнер для обоих материальных состояний CaO и Ca(OH) _2. В технической реализации объем, доступный для каждого материала, может регулироваться подвижной стенкой или гибкой пленкой внутри контейнера.

Идея заключается в том, что процедура зарядки выполняется каждый раз, когда есть избыток электроэнергии. Например, летом каждый день производится CaO, и, таким образом, количество энергии, закладываемой в долговременное хранилище, постоянно увеличивается в течение этого периода. Этот принцип работы позволяет, чтобы реактору для зарядки требовалась небольшая мощность около 5–10 кВт, но в конце периода зарядки накапливалось большое количество тепловой энергии, доступной для обогрева.

Стратегия разрядки зимой сравнима с зарядкой: только когда потребности здания в тепле не могут быть удовлетворены за счет имеющихся возобновляемых источников энергии, система долговременного хранения переходит в режим разрядки. Для процедуры выгрузки CaO теперь транспортируется из контейнера в реактор. В реакторе к порошку оксида кальция добавляется жидкая вода, которую можно брать из-под крана. Сразу же начинается экзотермическая обратная реакция с выделением тепла ~100°C.Через второй водяной контур выделяющееся тепло экзотермической реакции передается в накопительный бак горячей воды, который, в свою очередь, поставляет тепловую энергию зданию. Ca(OH) ₂ транспортируется обратно в контейнер и остается там до тех пор, пока не появится избыток возобновляемой электроэнергии для начала зарядки материала.

Разработка реактора

Как уже упоминалось, система сезонного хранения должна быть очень дешевой, чтобы амортизировать общее число низких циклов.Для представленной концепции стоимость накопительного материала даже для больших емкостей практически ничтожна. Таким образом, реактор является причиной основных инвестиционных затрат. Поэтому мы стремились разработать компактную конструкцию реактора с высокой удельной мощностью. Для достижения этих целей были сделаны допущения, основанные на определении тепловой мощности реактора по уравнению Q˙=k*A*ΔT. Требуемая поверхность теплообмена (A), как правило, оказывает наибольшее влияние на стоимость реактора, поэтому ее следует минимизировать.С этой точки зрения увеличение либо коэффициента теплопередачи (k), либо разности температур (ΔT), либо того и другого привело бы к меньшей требуемой поверхности теплообмена. Увеличение разности температур кажется самым простым способом, но для химических реакций требуемая температура реакции ограничивает эту меру. Например, для дегидратации Ca(OH) ₂ требуется минимальная температура 450°C (Schmidt M. et al., 2017) при атмосферном давлении, чтобы обеспечить достаточно быструю реакцию.Это означает, что при максимальной температуре источника тепла 600 °С разница температур составляет 150 К. Дальнейшее повышение температуры источника тепла приведет к повышению требований к сплавам реакторной стали, что, в свою очередь, значительно увеличит затраты. Как следствие, удельная мощность может быть дополнительно увеличена только за счет повышенного коэффициента теплопередачи k.

Хорошо известно, что в стационарных слоях с непрямым нагревом коэффициент теплопередачи обычно определяется низкой теплопроводностью реакционного материала, равной 0.1 Вт/мК. Реакторы с псевдоожиженным слоем обещают гораздо большие коэффициенты теплопередачи. Однако для псевдоожижения материала также требуются большие объемные потоки газа, что снижает энергетическую эффективность процесса хранения. Кроме того, требуются дополнительные устройства для отделения псевдоожижающего газа от частиц, что делает эту концепцию более приемлемой для промышленных применений, чем для небольших децентрализованных систем в зданиях. Одним из заключительных критериев проектирования было то, что система должна работать с основным промышленным сортом Ca(OH) ₂ .Материал промышленного качества обычно представляет собой очень мелкий порошок со средним диаметром частиц 5 мкм. Преимущество реактора, который может работать с порошком Ca(OH) ₂ /CaO, заключается в том, что не требуется никаких модификаций материала, таких как гранулирование или добавление улучшающих текучесть добавок. Следовательно, материал остается в своей естественной форме, и при таком подходе сохраняется внутреннее преимущество доступности в больших масштабах по низкой цене.

Основываясь на этих соображениях, мы разработали новую концепцию реактора с целью достижения очень высокого коэффициента теплопередачи при минимальном увеличении сложности реактора.Основной подход заключался в механическом перемешивании порошкового материала в реакторе. Это должно изменить преобладающий механизм теплопередачи с теплопроводности через неподвижный слой частиц на теплообмен, в котором преобладает контакт между отдельными частицами и поверхностью теплообмена. Дополнительным ограничением нашей системы является то, что одна и та же поверхность теплообмена должна использоваться для процедуры электрического заряда, а также для процедуры теплового разряда, опять же, чтобы свести к минимуму сложность и требуемые поверхности для теплообмена.

На рис. 3 показан окончательный вариант разработанного реактора. Общая идея заключалась в том, чтобы адаптировать концепцию смесителя лемехов, известную из процессов смешивания в химической промышленности, для создания компактного термохимического реактора-аккумулятора. Через входной фланец накопительный материал свободно попадает в реакционную камеру. Там лемеха вращаются с регулируемой скоростью вращения, создавая так называемый механический псевдоожиженный слой. Таким образом, частицы интенсивно перемешиваются, и каждая частица непосредственно контактирует с поверхностью теплообмена (окружающим кожухом).Обсадная труба представляет собой трубчатый теплообменник с двойными стенками (сравните рисунок 3), поскольку он выполняет две разные функции. Для процесса зарядки внешняя оболочка нагревается до 600°C с помощью электрических нагревательных проводов, обеспечивающих необходимую энергию для реакции дегидратации.

Рисунок 3 . Термохимический накопительный реактор для электрического заряда и теплового разряда с жидкой водой.

Для процесса разгрузки жидкая вода впрыскивается через распылительную форсунку, расположенную на входном фланце материала.Мелкая струя воды вместе с вращающимися лемехами помогает равномерно распределить воду в реакционной камере. Обратите внимание, что процесс выпуска жидкой воды отличается от хорошо опубликованных исследований реакции с определенным парциальным давлением пара. CaO также реагирует с водой в жидком состоянии, и пар не обязательно требуется. Тем не менее, может случиться так, что из-за выделения тепла некоторые капли воды испаряются, создавая в реакторе атмосферу, похожую на туман.Добавляется максимальное количество воды, которое может быть поглощено CaO, таким образом, после завершения реакции в реакторе снова остается только мелкий порошок Ca(OH) ₂. Тепло, выделяющееся в результате экзотермической реакции, поглощается потоком теплоносителя, который можно регулировать внутри кожуха реактора. Регулируя подачу воды для реакции и объемный расход жидкого теплоносителя, можно контролировать температуру в реакторе. Этот новый принцип действия разряда будет экспериментально проанализирован с точки зрения управляемости температуры процесса в предстоящих работах с этим реактором.

Выпускное отверстие для материала расположено в нижней части реактора и снабжено скользящим затвором. Замок опускается после того, как материал полностью прореагировал, и система вакуумной транспортировки удаляет материал из реакционной камеры. Вакуумные конвейеры могут легко работать с мелкими частицами порошка и имеют низкие энергетические затраты. Требуемая вспомогательная энергия для конвейера зависит от транспортной длины и обычно находится в диапазоне 1-3% от энергоемкости транспортируемого материала.

Реактор имеет внешний диаметр 0,35 м и длину 0,3 м. Поверхность теплообмена внутренней оболочки составляет 0,26 м ² , а объем ~20 л. Согласно литературным данным, в механически псевдоожиженных слоях могут быть достигнуты коэффициенты теплопередачи 300 Вт/м ² К. Принимая во внимание разницу температур в 150 K, площадь поверхности теплообмена 0,22 м ² потребовалась бы для тепловой мощности 10 кВт, что является расчетной мощностью, необходимой для дома на одну семью.Из этих габаритов становится понятно, что реактор компактен и по объему легко впишется в существующие технические помещения в здании. Однако, если теоретически плотность мощности будет достигнута, все еще необходимо экспериментальное подтверждение, которое в настоящее время находится в стадии подготовки.

Энергетический баланс и теоретическая эффективность

Чтобы оценить возможную эффективность системы, необходимо более внимательно изучить потоки массы и энергии во время процесса. На рис. 4 показаны потоки энергии во время процедуры зарядки. Стрелки слева представляют удельную энергию, необходимую для нагревания Ca(OH) ₂ от 20 до 500°C (47,3 кДж/моль _Ca(OH)2 ) и до энтальпии реакции [ 104,4 кДж/моль _Ca(OH)2 ]. С правой стороны представлены потоки энергии из реактора. Синяя стрелка обозначает водяной пар, выходящий из реактора. Пар содержит явную теплоту (18,1 кДж/моль _ч3О ) для охлаждения с 500 до 100°С. Большая часть, 40,6 кДж/моль _ч3О, представляет собой энтальпию конденсации, которая выделяется при конденсации при постоянной температуре.Горячий CaO, выходящий из реактора, содержит 87 кДж/моль _CaO, из которых 22 кДж/моль _CaO приходится на явную теплоту охлаждения с 500 до 20°C, а 65 кДж/моль _CaO сохраняются в виде химического вещества. потенциал оксида кальция.

Рисунок 4 . Энергия перетекает при дегидратации Ca(OH) ₂ в CaO и водяной пар.

Из представленного энергетического баланса видно, что в процессе зарядки возникают потоки энергии трех различных видов: явная теплота массовых потоков, теплота конденсации пара и химический потенциал СаО. Только химический потенциал может накапливаться сезонно, а явная и скрытая тепловая энергия должны быть напрямую интегрированы для достижения разумной эффективности накопления.

Для удовлетворения этого требования, как показано на рис. 4, часть явного тепла водяного пара и СаО (вместе 40,1 кДж/моль) непосредственно рекуперируется для предварительного нагрева гидроксида. Нагрев гидроксида от 20 до 500°С требует 47,3 кДж/моль _Ca(OH)2 . Таким образом, рекуперация снижает необходимую энергию для нагревания гидроксида до 7.2 кДж/моль _Ca(OH)2 (ср. рис. 4). Прибавляя энтальпию реакции 104,4 кДж/моль _Ca(OH)2, общая энергия, подведенная электрически, составляет 111,6 кДж/моль _Ca(OH)2 . Оставшиеся 46,6 кДж/моль _ч3О явной и скрытой теплоты водяного пара можно использовать для производства горячей воды для бытовых нужд (ср. рис. 2), которая также требуется в летнее время. И, наконец, 65 кДж/моль _CaO загружают на долговременное хранение. Если мы теперь соотнесем выходные потоки энергии с энергетическими входами 111.6 кДж/моль _Ca(OH)2 , предполагая идеальную рекуперацию, цифры показывают, что ~42% электрической энергии преобразуется в тепловую энергию (ощутимую и скрытую) и ~58% в химический потенциал. Или, выражаясь в количестве энергии, система преобразует 1 кВтч доступной электроэнергии в 0,42 кВтч тепловой энергии, пригодной для непосредственного использования, и 0,58 кВтч энергии, хранящейся в сезон. Пока это идеальное соображение, если пренебречь потерями на преобразование и теплообмен. Тем не менее, соотношение определяет важнейшую характеристику системы хранения, поскольку значения фиксированы и определяются свойствами вовлеченных реагентов.Значения описывают внутренний максимум, который может быть достигнут в реакционной системе, а два потока энергии, полученные в процессе зарядки, могут быть описаны следующими уравнениями:

qпрямая тепловая энергия=0,42*pэлектрическая (1) qдлительное хранение=0,58*pэлектрическая (2)

Общая эффективность хранения, включая потери в теплообменнике

Для этого первого потенциального анализа целесообразно пренебречь эффективностью преобразования входной электрической энергии в тепловую энергию, поскольку эффективность преобразования электрических нагревателей потенциально близка к 100%. Химическая запасенная энергия в CaO ( q _{долговременное хранение} ) при температуре окружающей среды также не теряется с течением времени. Предварительные исследования реакции показали, что кинетика реакции при температуре выше 450°C является быстрой и не будет ограничивать процесс зарядки.

Потери энергии, которые будут играть значительную роль в реальной системе, представляют собой потери, связанные с теплообменом и интеграцией потоков явного и скрытого тепла в процессе зарядки.Один теплообменник (HEX1, рис. 2) требуется для прямого использования тепла конденсации для производства горячей воды. Для учета этих потерь уравнение 1 необходимо умножить на коэффициент эффективности теплообмена (η _{HEX 1} ). Полезная тепловая энергия аккумулирующей системы представляет собой сумму энергии, сохраняемой при длительном хранении, плюс энергия, непосредственно используемая для производства горячей воды для бытовых нужд во время зарядки. С учетом КПД теплообменника это можно отнести к:

qполезная энергия = qпрямая тепловая энергия * ηHEX1 + qдолговременное хранение (3)

Теплообмен также необходим для рекуперации явного тепла реагентов ( q _{рекуперация} = 40. 1 KJ / KJ / MoL , розетка реактора) для предварительного нагрева Ca (OH) ₂ ( Q _{нагревая} = 47,7 KJ / MoL _{CA ( О )2} , вход реактора). Количество рекуперируемой энергии будет снижено из-за эффективности теплообменника для рекуперации (η _{рекуператор} ). Разница рекуперируемой энергии с энергией, необходимой для предварительного нагрева, а также энтальпией реакции обеспечивается электрическими нагревателями.Таким образом, ввод электрической энергии в систему определяется как:

peletrical=Δhреакция +[qпредварительный нагрев-(qрекуперация * ηрекуператор)] (4)

Для теплообменников предполагается КПД 95% (η _{рекуперация} = η _{HEX 1} = 0,95). Теоретический общий КПД системы хранения теперь можно рассчитать, связав полезный выход тепловой энергии с требуемым входом электрической энергии, таким образом, частное уравнений 3 и 4:

εStorage= qполезная энергия peletrical= 0.

96 (5)

Достигнут общий КПД системы хранения 96%. Понятно, что это скорее идеализированное максимальное значение, реальные КПД нуждаются в экспериментальной проверке и предположительно ниже. В частности, эффективность теплообменника на уровне 95 % является довольно высокой, но недавнее исследование показало, что, если теплообменник специально разработан для применения, можно достичь эффективности регенерации 95 % (Kostukov et al., 2019). Кроме того, реальная эффективность теплообменников и реактора еще не известна, и цель этого первого теоретического анализа состоит в том, чтобы определить теоретический потенциал системы.Также он выявил фундаментальный принцип работы, который следует применять в моделях для более детального моделирования систем. Значение эффективности служит базой для оценки качества лабораторной системы, которую мы в настоящее время вводим в эксплуатацию.

Кроме того, анализ показывает эффект, который оказывает серьезное влияние на эффективность системы хранения в реальном приложении: вопрос о том, сколько тепловой энергии, возникающей во время фазы зарядки, действительно может быть непосредственно использовано в здании. Влияние на эффективность анализируется более подробно в тематическом исследовании в главе 2.4 с учетом основных предположений о потребности здания в тепле.

Плотность хранения

Из энергетического баланса, выполненного в предыдущем разделе, было рассчитано, что 65 кДж/моль сохраняются при долговременном хранении. Для этой части энергии можно предположить, что ее можно полностью использовать для обогрева помещений в зимнее время. Это связано с тем, что он хранится без тепловых потерь и высвобождается только тогда, когда в здании возникает потребность в тепле.Кроме того, поскольку реакция инициируется жидкой водой из крана, во время операции сброса не требуется дополнительной тепловой энергии. Значение из энергетического баланса можно подтвердить, рассчитав теоретическую энтальпию обратной реакции по стандартным энтальпиям образования из участвующих реагентов (энтальпии образования и ссылки приведены в табл. 1):

ΔHреакция0= ΔHCa(OH)20-[HCaO0+ΔHh3O0]= -65,1 кДжмольCaO

Таким образом, это значение также фиксируется участвующими реагентами и определяет плотность хранения части долговременного хранения, которая также может быть связана с массой CaO следующим образом:

ρгравиметрический, CaO= ΔHреакция0MCaO=1162.

5 кДжкгCaO=0,323 кВт·ч·кгCaO

Гравиметрическая плотность энергии связана с CaO и экзотермической реакцией с жидкой водой. По этой величине можно определить массу, необходимую для определенного количества тепловой энергии при долговременном хранении. Однако для определения необходимого объема накопительной системы определяющим фактором является объемная плотность энергии. Объемная плотность энергии должна быть связана с Ca(OH) ₂, поскольку гидроксидный материал имеет более низкую плотность. И понятно, что после фазы зимнего сброса весь оксид превращается в гидроксид, который нужно поместить в емкость для хранения.Кроме того, для определения объемной плотности энергии важно учитывать объемную плотность гидроксида. Основная масса непрессованного порошкового материала имеет очень высокую пористость 0,75, что приводит к объемной плотности ~540 кг/м ³ . Небольшое прессование порошкового материала перед хранением может уменьшить пористость до 0,6, что приведет к более высокой объемной плотности 880 кг/м ³ . Таким образом, объемная плотность энергии может быть рассчитана в возможном диапазоне в соответствии с достижимой объемной плотностью на этапе хранения:

ρобъемный, Ca(OH)2= ΔHреакция0MCa(OH)2*ρобъемная плотность, сыпучий/сжатый Ca(OH)2=~132-215 кВт·ч·м3

С помощью расчетной плотности энергии можно оценить требуемый объем накопительного бака в зависимости от (зимнего периода) потребности здания в тепле.

Таблица 1 . Характерные значения реакционной системы.

Расчетная конструкция системы для применения в домах на одну семью

Режимы работы

Как уже говорилось, интеграция тепловой энергии, выделяемой в процессе зарядки, оказывает серьезное влияние на эффективность системы хранения. Поэтому сейчас мы обсудим различные стратегии работы системы, принимая во внимание некоторые основные граничные условия для потребности здания в горячей воде и тепле.

Первая стратегия эксплуатации заключается в том, что система хранения заряжается только до тех пор, пока тепловая энергия, высвобождаемая в процессе зарядки, требуется для ежедневного производства горячей воды для бытовых нужд. Потребность в горячей воде ( Q _{горячая вода, ежедневная} ) постоянна каждый день в году и в основном зависит от количества людей в здании. Исходя из этого предположения, непосредственно используемая тепловая энергия в сутки (кВтч) может быть установлена равной суточной потребности в горячей воде:

Qпрямая тепловая энергия * ηHEX1= Qгорячая вода, ежедневно (6)

Реализуя уравнение 6 и уравнение 2 в уравнении 5, эффективность может быть описана как:

εХранение = Qпрямая тепловая энергия *ηHEX1+Qдолгосрочное хранение Pэлектричество=Qгорячая вода, ежедневно+0.58*Электричество,ежедневноЭлектропитание,ежедневно (7)

Если система должна работать с максимально возможным КПД 96 % (теперь называется номинальным режимом работы с ε _{номинальным} = 0,96), максимальное количество электроэнергии, которое может быть включено в систему хранения каждый день, может быть рассчитано путем преобразования уравнения 7 в:

Электрическая, дневная номинальная = Qгорячая вода, суточная (εноминал-0,58) = Qгорячая вода, суточная * 2,63 (8)

Расчет показывает, что для номинального режима работы максимальное суточное количество электроэнергии ограничено 2. в 63 раза превышает суточную потребность здания в горячей воде. Обратите внимание, что потери из-за теплообменников (η _{HEX 1} и η _{рекуперации} ), как описано в разделе «Хранение термохимического материала», учитываются в этом уравнении путем установки ε _ном. = 0,96.

В зависимости от лимита ежедневного потребления электроэнергии, а также максимальная емкость накопителя энергии, которая заряжается в долгосрочное хранилище в день ( C _{долговременно заряжается, ежедневно} ) ограничена и может быть рассчитана путем применения Уравнение 2:

CДолгосрочная зарядка, ежедневно = Электрическая, ежедневная номинальная *0.58=Qгорячая вода, ежедневно *1,5 (9)

Вторая рабочая стратегия заключается в том, что зарядка накопителя продолжается до тех пор, пока имеется избыток электроэнергии, даже если потребность в горячей воде для бытовых нужд уже удовлетворена. Это означает, что избыточная тепловая энергия в процессе зарядки должна отводиться в окружающую среду. Следовательно, часть энергии теряется, и общая эффективность хранения снижается. Согласованность можно увидеть в уравнении 8. Когда ежедневная потребность в горячей воде постоянна, но электрическая энергия увеличивается до уровня, превышающего номинальное количество электрической энергии (или, другими словами, более чем в 2 раза).в 63 раза превышает ежедневную потребность в горячей воде), снижается общая эффективность хранения. Однако, несмотря на то, что общая эффективность снижается, режим работы позволяет интегрировать больше электроэнергии и, таким образом, также позволяет заряжать большую емкость тепловой энергии в долгосрочном хранилище. Чтобы лучше понять влияние этих режимов работы, мы приводим конкретные цифры для различных сценариев энергопотребления здания.

Проектирование системы, связанное с потребностью зданий в энергии — пример из практики

Тематическое исследование основано на упрощенных предположениях о спросе на здания.Однако цифры дают первое представление о возможностях системы. Согласно исследованию Fuentes et al. ежедневную потребность в горячей воде для домашнего хозяйства из 3 человек можно оценить примерно в 10 кВтч/день (Fuentes et al., 2018). Применяя это значение в уравнении 8 и уравнении 9, можно рассчитать максимальную ежедневную электрическую зарядную энергию, а также максимальную тепловую энергию, заряженную в долговременное хранилище.

На рис. 5 показано количество энергии для различных режимов работы.Для номинального режима работы электрическая энергия, которая может быть заряжена в систему хранения, должна быть ограничена до 26,3 кВтч, чтобы поддерживать максимально возможный КПД 96%. Количество энергии соответствует 2,6 часам полной нагрузки фотоэлектрической установки мощностью 10 кВт пиковой мощности _{. Для систем _пик мощностью 10 кВт требуется ~80 м ² поверхности крыши, и они представляют разумный размер для установки в Германии. Количество тепловой энергии, заряженной в долговременное хранилище, ограничено 15. 25кВт в сутки. Одновременно 10 кВтч тепловой энергии, которая возникает в процессе зарядки, используется для производства горячей воды. Еще 1,05 кВтч представляют собой тепловые потери из-за теплообмена.}

Рисунок 5 . Ежедневные количества энергии для потерь, производства горячей воды и зарядки для длительного хранения для различных объемов общей используемой электрической энергии для зарядки.

Для второго режима работы предполагается, что на зарядку накопительной системы расходуется в 1,5 и 2 раза больше электроэнергии, чем в номинальном режиме работы.Таким образом, на зарядку накопителя расходуется в общей сложности 39,45 и 52,6 кВтч электрической энергии, что соответствует 4 и 5,3 часам полной нагрузки фотоэлектрической системы (сравните рис. 5). Как уже упоминалось, это означает, что зарядка продолжается, несмотря на то, что потребность здания в горячей воде уже удовлетворена, и избыточную тепловую энергию необходимо отводить в окружающую среду. Эффект от этого режима работы можно увидеть, сравнив различные доли энергии на рисунке 5. В то время как потребность в горячей воде остается постоянной на уровне 10 кВтч в день для каждого случая, общее количество энергии, затрачиваемой в долгосрочное хранение, увеличивается с увеличением потребляемой электроэнергии, но ее доля остается на уровне 58%.Как упоминалось ранее, это внутренняя стоимость из-за природы реагентов. Оставшаяся разница между энергией в долгосрочном хранении и количеством для производства горячей воды представляет собой потери энергии. Потери на рисунке представляют собой сумму потерь теплообменника и избыточной тепловой энергии, которую необходимо отводить в окружающую среду. Видно, что с увеличением часов работы доля этих потерь увеличивается и, следовательно, КПД системы хранения падает до 0,83 и 0.77 для репрезентативных примеров работы.

Для расчета общей энергоемкости, поступившей в долговременный накопитель за весь летний период, значения дневной энергии, поступившей в долговременный накопитель, приведенные на рисунке 5, можно умножить на количество дней зарядки. Для номинального режима работы общая заряженная емкость хранилища будет составлять от 1 525 до 2 745 кВтч, при условии, что требуемая возобновляемая электроэнергия доступна от 100 до 180 дней в течение лета.Для второго режима работы суточное количество энергии в долговременном хранении увеличивается до 22,88 или 30,51 кВт·ч при КПД 83 или 77%. Соответственно общая начисленная тепловая энергия составит 4 118–5 491 кВт·ч после 180 зарядных дней. Из значений становится очевидной общая характеристика системы хранения. Если необходимо поддерживать высокую эффективность хранения, заряженная емкость в долгосрочном хранилище ограничена и зависит от потребности в энергии для горячей воды. В хранилище можно заряжать большее количество энергии, но только ценой более низкой эффективности хранения.

Последствия для возможностей системы хранения

В соответствии с энергетическими нормами для новых зданий в Германии потребность в тепле для зданий, построенных после 2009 года, должна находиться в диапазоне 15 кВтч/м ² a (стандарт пассивного дома) и 90 кВтч/м ² a . В то время как средняя потребность в тепле для вновь построенных домов в 2015 году составляла 44 кВтч/м ² a (База данных ODYSEE MURE, 2015). Предполагая 100 м ² жилой площади, годовая потребность в тепле составит от 1500 кВтч для пассивного стандартного дома до 4400 кВтч для среднего современного здания.Соотнося потребность в тепле с нашими расчетами накопленной тепловой энергии для различных сценариев, мы можем увидеть в целом хорошую согласованность. В то время как система работала с максимальной эффективностью 96% и всего 100 доступными зарядными днями, накопленной мощности было бы достаточно, чтобы покрыть все потребности в тепле самого энергоэффективного здания. При работе системы с более низким КПД 77% и предположении о 180 днях зарядки запаса энергии будет примерно достаточно для покрытия потребности в тепле среднего современного здания.С учетом плотности энергии спрессованного пороха, рассчитанной в 2.3, требуемые объемы хранения для анализируемых случаев варьируются от 17 до 25,5 м ³ .

В дополнение к материалу для хранения также требуется вода для проведения экзотермической обратной реакции. На основании молярных масс, приведенных в таблице 1, количество воды, необходимое на 1 кВтч тепловой энергии, может быть рассчитано как ~ 1 кг _воды /кВт. до 1525–5491 кг _вода или ~1.5–5,5 м ³ . Для сравнения, годовое потребление воды на одного человека составляет в среднем 46,3 м ³ . Цифры показывают, что количество воды, необходимое для реакции, можно взять из-под крана, поскольку это увеличит общее потребление воды в семье из четырех человек всего на 3%. Забор воды из-под крана также имеет то преимущество, что вода, высвобождающаяся во время процедуры зарядки, не должна храниться и может быть слита в бытовую раковину.

Одним из важных моментов, который был проигнорирован в этой первой оценке, является влияние прерывистости доступной возобновляемой энергии на эффективность системы.В целом система сможет быстро реагировать на колебания мощности, регулируя массовый расход (вход) реагентов в расчетном диапазоне мощностей реактора (например, 1–10 кВт). Важно только, чтобы во время зарядки больше не возникало периодов действительно нулевой мощности, так как это привело бы к полному охлаждению всей системы. Чем чаще приходится нагревать реактор по отношению к часам работы, тем больше потери из-за фазы нагрева (массы реакторной стали) могут повлиять на общий КПД.Следовательно, для оценки этого воздействия требуется подробный анализ системного моделирования, например, с почасовым (или даже более высоким) разрешением с учетом имеющихся данных о погоде. Кроме того, в настоящее время изучается, как модельные алгоритмы прогнозирующего управления, основанные на прогнозе погоды, помогут спланировать работу реактора на следующий день и, таким образом, минимизировать эти потери.

Подводя итоги оценок, становится ясно, что производительность, как и требуемый объем хранилища, нельзя назвать в общем случае.Требуется подробное годовое моделирование с учетом потребности зданий в тепле и доступности возобновляемой электроэнергии с почасовым разрешением. Моделирование такого рода в настоящее время продолжается и позволит более надежно прогнозировать конструкцию системы хранения. Также ясно, что в идеале система хранения, а также фотоэлектрическая установка должны быть рассчитаны в зависимости друг от друга с применением экономической оптимизации. Однако представленные соображения показывают, что система способна обеспечить преобразование и сезонное хранение возобновляемой электроэнергии в тепло с потенциально высокой эффективностью хранения и при приемлемых размерах хранилища.

Для экспериментальной проверки разработанных перспективных теоретических характеристик системы хранения и демонстрации технологической реализуемости концепции в нашем институте была разработана и в настоящее время введена в эксплуатацию полнофункциональная опытно-промышленная установка.

Выводы

В этом документе представлена разработка новой концепции, которая объединяет электроэнергетический и тепловой секторы с экономичной и энергоэффективной системой долгосрочного хранения. Концепция основана на термохимической реакции гидроксида кальция на оксид кальция и водяной пар, который еще никогда не рассматривался как сезонное хранилище для зданий.В отличие от представленных ранее концепций сезонного хранения, для зарядки системы хранения используется не солнечная тепловая энергия, а возобновляемая электроэнергия. Несмотря на то, что солнечные тепловые коллекторы имеют более высокую эффективность солнечной и низкотемпературной тепловой энергии, чем системы отопления, основанные на солнечной электроэнергии, этот подход имеет многообещающие преимущества. Принцип, основанный на электричестве, в целом допускает более высокие температуры реакции и, следовательно, более высокую плотность энергии реактивных материалов. Более того, в нашей концепции реакция разряда может быть выполнена с жидкой водой, которая непосредственно заменяет приготовление водяного пара, для реакции разрядки в зимнее время — потеря внутренней энергии для всех ранее описанных сезонных термохимических систем хранения. Последнее упомянуло также о различных источниках возобновляемой энергии, например, периоды перепроизводства ветряных электростанций, которые можно было бы сбалансировать с системой хранения, обеспечивая столь необходимую стабилизацию сети.

Общий энергетический баланс процесса зарядки выявил важную характеристику термохимической системы накопления: не более 58% потребляемой электроэнергии преобразуется в химический потенциал и может храниться сезонно. Остальные 42% подводимой энергии преобразуются в явную и скрытую тепловую энергию реагентов и должны использоваться непосредственно в период зарядки.Полученные уравнения служат основой для более детального ежегодного моделирования работы системы хранения в зданиях.

Принимая во внимание общую характеристику концепции хранения, были определены и проанализированы два различных общих принципа работы. В первом режиме работы зарядка осуществляется только до тех пор, пока отработанное тепло может быть использовано для удовлетворения потребности здания в горячей воде. В этом режиме работы накопительная система может работать с максимальным КПД ~96%, но запас энергии, доступный в накопителе после периода зарядки, ограничен.Тем не менее, результаты, основанные на упрощенных предположениях о характеристиках спроса и предложения зданий, показали, что потенциально можно хранить 1525 кВтч тепловой энергии, что было бы достаточно для покрытия значительной части потребности в тепле в энергоэффективных современных односемейных домах. Представленный принцип работы в целом является новым, поскольку загрузка накопителя адаптирована к потребности здания в тепле в летнее время. В отличие от этого, обсуждаемые до сих пор сезонные аккумулирующие системы всегда заряжаются избыточной солнечной тепловой энергией только после того, как потребность здания в тепле уже удовлетворена.Таким образом, предложенный принцип имеет то преимущество, что все тепловые потоки, как во время зарядки, так и при разрядке, эффективно интегрируются для удовлетворения потребностей зданий в энергии. Это одна из причин, по которой для системы сезонного хранения может быть достигнута сравнительно очень высокая эффективность накопления тепла.

Второй режим работы позволяет продолжать процесс зарядки до тех пор, пока имеется избыточное электричество, даже если необходимо отводить избыточную тепловую энергию в окружающую среду. Эта операция позволит спроектировать PV и систему хранения в соответствии с тем, что накопленной тепловой энергии после периода зарядки достаточно для покрытия всей потребности в тепле в зимнее время.Таким образом, система будет способна обеспечить 100% автономное покрытие потребности в тепле в течение всего года, но это возможно только ценой более низкой общей эффективности хранения.

Можно резюмировать, что термохимическая реакционная система Ca(OH)2 является подходящим материалом для сезонного хранения энергии, потому что она очень дешевая, широкодоступная, химический потенциал хранится без потерь и обеспечивает плотность хранения 132 –215 кВтч/м ³ . Результаты этого исследования показывают, что концепция аккумулирования способна обеспечить благоприятный сезонный переход от возобновляемой электроэнергии к потребности в тепле зимой, что отражает фактическую ситуацию со спросом и предложением в здании.Кроме того, система может помочь снизить нагрузку на местные электрические сети и увеличить долю возобновляемых источников энергии в секторе отопления, тем самым сократив выбросы CO ₂. Предстоящие работы будут включать экспериментальную проверку производительности системы хранения на пилотной установке, которая в настоящее время находится в эксплуатации в нашем институте. Кроме того, необходимы более подробные имитационные исследования применения системы хранения в жилых зданиях, чтобы подтвердить ее потенциал для различных вариантов использования.

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без неоправданных оговорок любому квалифицированному исследователю.

Вклад авторов

MS: основная разработка и проработка рукописи. ML: партнер по обсуждению научного содержания. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Каталожные номера

Аффлербах С., Каппес М., Гипперих А., Треттин Р. и Крамм В. (2017). Полупроницаемая инкапсуляция гидроксида кальция для термохимических теплоаккумулирующих растворов. Солнечная энергия 148, 1–11. doi: 10.1016/j.solener.2017.03.074

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Барин, И. (1995). Термохимические данные чистых веществ . Вайнхайм: Wiley-VCH Verlag GmbH.

Академия Google

Бауэр, Д., Маркс Р., Нуссбикер-Люкс Дж., Окс Ф., Хайдеманн В. и Мюллер-Штайнхаген Х. (2010). Немецкие центральные солнечные котельные с сезонным аккумулированием тепла. Солнечная энергия 84, 612–623. doi: 10.1016/j.solener.2009.05.013

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Bundesumweltamt (2019). Erneuerbare Energien в Германии. Daten zur Entwicklung im Jahr 2018.

Коскильо Мехиа, А., Аффлербах, С., Линдер, М., и Шмидт, М. (2020). Экспериментальный анализ инкапсулированных гранул CaO/Ca(OH)2 в качестве термохимического хранилища в новом реакторе с подвижным слоем. Заяв. Терм. Eng 169:114961. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2020.114961

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Экономиду, М., Атанасиу, Б., Депре, К., Майо, Дж., Нольте, И., Рапф, О., и соавт. (2011). Здания Европы под микроскопом. Обзор энергоэффективности зданий по странам . BPIE.

Академия Google

Эрвин, Г. (1977). Аккумулирование солнечного тепла с помощью химических реакций. J. Химия твердого тела .22, 51–61. дои: 10.1016/0022-4596(77)

-8

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Фуэнтес, Э., Арсе, Л., и Салом, Дж. (2018). Обзор профилей потребления горячей воды для бытовых нужд для применения в системах и анализе энергоэффективности зданий. Продлить. Поддерживать. Энергия Версия . 81, 1530–1547. doi: 10.1016/j.rser.2017.05.229

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Герберт П., Херхольд П., Бурхардт Дж., Шенбергер С., Рехенмахер Ф., Киршнер А. и соавт. (2018). Klimapfade für Deutschland . БЦЖ.

Костюков А.В., Косач Л.А., Горновский А.С. (2019). «Микротурбина с теплообменником со степенью регенерации, равной 95%», в материалах Proceedings of the 4th International Conference on Industrial Engineering (Cham: Springer), 2229–2235.

Академия Google

Кресе Г., Кожель Р., Бутала В. и Стритих У. (2018) Термохимическое сезонное накопление солнечной энергии для отопления и охлаждения зданий. Энергетическая сборка . 164, 239–53. doi: 10.1016/j.enbuild.2017.12.057

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Лопес Э., Шломанн Б., Рейтер М. и Эйххаммер В. (2018). Тенденции и политика в области энергоэффективности в Германии – анализ на основе баз данных ODYSSEE и MURE . Институт системных и инновационных исследований Фраунгофера ISI.

Академия Google

ОДИССЕЯ-МУРЕ. Отраслевой профиль – домашние хозяйства 2015 .

Розмари, Дж.К., Бауэрле Г.Л. и Спрингер Т.Х. (1979). Аккумулирование солнечной энергии с помощью обратимой гидратации-дегидратации CaO-Ca(OH)2. Дж. Энергия 3, 321–322.

Академия Google

Скапино, Л., Зондаг, Х.А., Ван Баел, Дж., Дирикен, Дж., и Риндт, К.К.М. (2017a). Аккумулирование сорбционного тепла для долгосрочных низкотемпературных применений: обзор достижений в области материалов и прототипов. Заяв. Энергия 190, 920–948. doi: 10.1016/j.apenergy. 2016.12.148

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Скапино, Л., Zondag, H.A., Van Bael, J., Diriken, J., and Rindt, CCM (2017b). Сравнение плотности энергии и аккумулирующей способности концептуальных систем сезонного накопления твердого и жидкого сорбционного тепла для низкотемпературного отопления помещений. Продлить. Поддерживать. Энергия Версия . 76, 1314–1331. doi: 10.1016/j.rser.2017.03.101

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Шаубе, Ф., Кох, Л., Вернер, А., и Мюллер-Штайнхаген, Х. (2012). Термодинамическое и кинетическое исследование де- и регидратации Ca(OH)2 при высоких парциальных давлениях H3O для термохимического накопления тепла. Термохим. Acta 538, 9–20. doi: 10.1016/j.tca.2012.03.003

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Шмидт, М., Гутьеррес, А., и Линдер, М. (2017). Термохимическое накопление энергии с помощью CaO/Ca(OH)2 – экспериментальное исследование теплоемкости при низких давлениях паров в реакторе лабораторного масштаба. Заяв. Энергия 188, 672–681. doi: 10.1016/j.apenergy.2016.11.023

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Шмидт, О., Хоукс, А., Гамбхир, А., и Стаффелл, И. (2017). Будущая стоимость хранения электроэнергии на основе опытных ставок. Нац. Энергия 2:17110. doi: 10.1038/nenergy.2017.110

Полнотекстовая перекрестная ссылка

Виейра, Ф. М., Моура, П. С., и де Алмейда, А. Т. (2017). Система накопления энергии для собственного потребления фотоэлектрической энергии в жилых зданиях с нулевым потреблением энергии. Продлить. Энергия 103, 308–320. doi: 10.1016/j.renene.2016.11.048

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Уильямс, К.Дж. К., Биндер, Дж. О., и Келм, Т. (2012). «Управление спросом с помощью тепловых насосов, аккумулирования тепла и аккумуляторных батарей для увеличения местного собственного потребления и совместимости с сетью фотоэлектрических систем», в IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe (Берлин: IEEE), 1–6.

Академия Google

Сюй, Дж., Ван, Р. З., и Ли, Ю. (2014). Обзор доступных технологий сезонного хранения тепловой энергии. Солнечная энергия 103, 610–638. дои: 10.1016/j.solener.2013.06.006

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Хранение грудного молока: что можно и чего нельзя делать

Хранение грудного молока может сбивать с толку. Следуйте этим практическим советам по выбору контейнеров, замораживанию грудного молока, размораживанию грудного молока и многому другому.
Персонал клиники Майо

Если вы кормите грудью и возвращаетесь к работе или ищете больше гибкости, вы, вероятно, подумываете об использовании молокоотсоса.И как только вы начнете сцеживаться, важно знать, как безопасно хранить сцеженное молоко. Подумайте о том, что можно и чего нельзя делать при хранении грудного молока.

Какой контейнер следует использовать для хранения сцеженного грудного молока?

Перед сцеживанием или обращением с грудным молоком вымойте руки водой с мылом. Затем храните сцеженное молоко в чистом контейнере из пищевого стекла с крышкой или в контейнере из жесткого пластика, который не содержит химического вещества бисфенола А (БФА). Также можно использовать специальные полиэтиленовые пакеты, предназначенные для сбора и хранения молока.

Не храните грудное молоко в одноразовых вкладышах для бутылочек или пластиковых пакетах, предназначенных для обычного бытового использования.

Как лучше всего хранить сцеженное грудное молоко?

Используя водонепроницаемые этикетки и чернила, пометьте каждый контейнер датой сцеживания грудного молока. Если вы храните сцеженное молоко в детском дошкольном учреждении, добавьте имя вашего ребенка на этикетку.

Поместите контейнеры в заднюю часть холодильника или морозильной камеры, где температура самая низкая.Если у вас нет доступа к холодильнику или морозильной камере, временно храните молоко в изолированном холодильнике с пакетами со льдом.

Наполните отдельные контейнеры молоком, которое потребуется вашему ребенку для одного кормления. Вы можете начать с 2–4 унций (60–120 миллилитров), а затем отрегулировать по мере необходимости. Также рассмотрите возможность хранения меньших порций — от 1 до 2 унций (от 30 до 60 миллилитров) — на случай непредвиденных ситуаций или задержек с регулярным кормлением. Грудное молоко расширяется при замерзании, поэтому не наполняйте контейнеры до краев.

Можно ли добавить свежесцеженное грудное молоко к уже хранящемуся молоку?

Вы можете добавить свежесцеженное грудное молоко к охлажденному или замороженному молоку. Тем не менее, тщательно охладите свежесцеженное грудное молоко в холодильнике или охладителе с помощью пакетов со льдом, прежде чем добавлять его к ранее охлажденному или замороженному молоку. Не добавляйте теплое грудное молоко к замороженному грудному молоку, потому что это приведет к частичному оттаиванию замороженного молока.

Сколько хранится сцеженное грудное молоко?

Срок безопасного хранения сцеженного грудного молока зависит от метода хранения. Примите во внимание следующие общие рекомендации для здоровых младенцев:

Комнатная температура. Свежесцеженное грудное молоко можно хранить при комнатной температуре до шести часов. Однако оптимально использовать или правильно хранить грудное молоко в течение четырех часов, особенно если в комнате тепло.
Изолированный охладитель. Свежесцеженное грудное молоко можно хранить в изолированном холодильнике с пакетами со льдом до одного дня.
Холодильник. Свежесцеженное грудное молоко можно хранить в задней части холодильника до четырех дней в чистом виде.Однако оптимально использовать или заморозить молоко в течение трех дней.
Морозильная камера. Свежесцеженное грудное молоко можно хранить в задней части морозильной камеры до 12 месяцев, но оптимально использовать замороженное молоко в течение шести месяцев.

Имейте в виду, что исследования показывают, что чем дольше вы храните грудное молоко — будь то в холодильнике или в морозильной камере — тем больше потеря витамина С в молоке.

Также важно помнить, что грудное молоко меняется в соответствии с потребностями ребенка.Грудное молоко, сцеженное, когда ребенок только что родился, не будет полностью удовлетворять те же потребности ребенка, когда он или она станет на несколько месяцев старше. Кроме того, правила хранения могут различаться для недоношенных, больных или госпитализированных детей.

Как разморозить замороженное грудное молоко?

Сначала разморозьте самое старое молоко. Поместите замороженный контейнер в холодильник за ночь до того, как вы собираетесь его использовать. Вы также можете осторожно подогреть молоко, поставив его под теплую проточную воду или в миску с теплой водой.

Не нагревайте замороженную бутылку в микроволновой печи или очень быстро на плите.Некоторые части молока могут быть слишком горячими, а другие холодными. Кроме того, некоторые исследования показывают, что быстрое нагревание может повлиять на антитела в молоке.

Хотя необходимы дальнейшие исследования того, можно ли повторно заморозить и безопасно использовать ранее замороженное молоко, которое было разморожено, многие эксперты рекомендуют выбрасывать размороженное молоко, которое не используется в течение 24 часов.

Отличается ли размороженное грудное молоко запахом или внешним видом от свежего грудного молока?

Цвет вашего грудного молока может незначительно отличаться в зависимости от вашей диеты.Кроме того, может показаться, что размороженное грудное молоко имеет другой запах или консистенцию, чем свежесцеженное молоко. По-прежнему безопасно кормить ребенка. Если ваш ребенок отказывается от размороженного молока, может помочь сокращение времени хранения.

Получите самую свежую медицинскую информацию от экспертов Mayo Clinic.

Зарегистрируйтесь бесплатно и будьте в курсе последних научных достижений, советов по здоровью и актуальных тем, связанных со здоровьем, таких как COVID-19, а также экспертных знаний по управлению здоровьем.

Узнайте больше об использовании данных Mayo Clinic.

Чтобы предоставить вам наиболее актуальную и полезную информацию, а также понять, какие информация полезна, мы можем объединить вашу электронную почту и информацию об использовании веб-сайта с другая информация о вас, которой мы располагаем. Если вы пациент клиники Майо, это может включать защищенную информацию о здоровье.Если мы объединим эту информацию с вашей защищенной медицинской информации, мы будем рассматривать всю эту информацию как информацию и будет использовать или раскрывать эту информацию только так, как указано в нашем уведомлении о практики конфиденциальности. Вы можете отказаться от получения сообщений по электронной почте в любое время, нажав на ссылка для отписки в письме.

Подписаться!

Спасибо за подписку

Наш электронный информационный бюллетень Housecall будет держать вас в курсе самой последней медицинской информации.

Извините, что-то пошло не так с вашей подпиской

Повторите попытку через пару минут

Повторить попытку

02 февраля 2021 г. Показать ссылки

Ваш путеводитель по грудному вскармливанию.Управление женского здоровья. Управление женского здоровья. https://www.womenshealth.gov/patient-materials/resource/guides. По состоянию на 11 февраля 2020 г.
Сцеживание и хранение грудного молока. Управление женского здоровья. https://www.womenshealth.gov/breastfeeding/pumping-and-storing-breastmilk. По состоянию на 12 февраля 2020 г.
Gleason CA, et al., ред. Грудное вскармливание. В: Болезни Эйвери новорожденных. 10-е изд. Эльзевир; 2018. https://www.clinicalkey.com. По состоянию на 11 февраля 2020 г.
Эглаш А. и др.Клинический протокол ABM № 8: Информация о хранении грудного молока для домашнего использования у доношенных детей, редакция 2017 г. «Медицина грудного вскармливания». 2017; doi:10.1089/bfm.2017.29047.aje.
Гао С. и др. Изменения в составе жирных кислот грудного молока при хранении, обращении и переработке: систематический обзор. Простагландины, лейкотриены и незаменимые жирные кислоты. 2019; doi:10.1016/j.plefa.2019.04.008.
Steel C. Передовая практика обращения и введения сцеженного грудного молока и донорского грудного молока для госпитализированных недоношенных детей.Границы в питании. 2018; doi:10.3389/fnut.2018.00076.
Диетические рекомендации для американцев на 2020–2025 гг. Министерство здравоохранения и социальных служб США и Министерство сельского хозяйства США. https://www.dietaryguidelines.gov. По состоянию на 18 января 2021 г.

Подробнее

Товары и услуги

Книга: Акушерство

Как долго хранится детское питание? Плюс, как правильно все приготовить, разогреть и хранить

Вы усовершенствовали любимый рецепт морковного пюре вашего малыша и преуспели в том, что касается небольших размеров порций, но теперь вы задаетесь вопросом: как долго хранится детское питание? Хотя, к сожалению, не существует универсального правила хранения детского питания — многое зависит от ингредиентов и способа его приготовления — есть определенные рекомендации, которым нужно следовать.

Помимо хранения детского питания, необходимо помнить о мерах предосторожности при приготовлении, подаче и разогреве еды для вашего малыша. (Кто знал, что детское питание может быть таким сложным?!) От методов приготовления пищи, которые сводят к минимуму риск болезней пищевого происхождения, до правильного способа охлаждения, замораживания и размораживания продуктов — вот ответы на все ваши вопросы о безопасности продуктов питания вашего ребенка.

Вам нужно разогревать детское питание?

При открывании новой баночки с детским питанием ее не нужно подогревать.Вы можете подавать его при комнатной температуре. Однако при подаче остатков или еды, которая была заранее приготовлена и охлаждена, ваш малыш, как и вы, вероятно, не захочет есть ее холодной. (Кроме того, нагревание убивает бактерии. Подробнее об этом чуть позже.)

Безопасно ли разогревать детское питание в микроволновой печи?

«Лучший способ разогреть еду — в микроволновке или на плите, — говорит Наталья Стасенко, дипломированный диетолог, детский диетолог и владелица Feeding Bytes. «Если вы готовите в микроволновой печи, переложите продукты в миску, пригодную для использования в микроволновой печи, и нагревайте на высокой мощности в течение примерно 15 секунд на каждые четыре унции.Перед подачей хорошо перемешайте, чтобы убедиться, что нет горячих карманов, и проверьте сами».

При разогреве продуктов, содержащих мясо или яйца, Стасенко рекомендует использовать плиту, поскольку «высокое содержание жира может привести к перегреву».

Как приготовить замороженное детское питание?

Согласно Партнерству по обучению в области безопасности пищевых продуктов, вы должны выбрать один из следующих трех способов разморозки ранее приготовленных и замороженных продуктов:

После разморозки продукты следует приготовить способами, рекомендованными выше, а затем охладить до теплой температуры перед подачей на стол.

Какой температуры должно быть детское питание?

Бактерии погибают, как только внутренняя температура достигает 165 F. Лучший способ убедиться, что охлажденные или замороженные продукты достаточно разогреты, — это проверить их с помощью пищевого термометра.

Можно ли сохранить остатки детского питания?

Хранение детского питания после того, как оно было открыто или только что приготовлено, зависит как от ингредиентов, так и от того, как оно было приготовлено. Как правило, продукты, купленные в магазине, хранятся немного дольше, чем любые продукты, которые вы готовите сами.

Открыв баночку с детским питанием, быстро поместите неиспользованную часть в холодильник. По данным Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), детское питание, которое было открыто, но не охлаждено, следует употребить в течение двух часов — возможно, меньше, в зависимости от продукта.

«Фрукты и овощи могут храниться немного дольше, но мясо и птицу следует сразу помещать в холодильник, чтобы избежать избыточного роста бактерий при комнатной температуре», — говорит доктор Сара Сиддики, педиатр и клинический доцент кафедры педиатрии в Детская больница Хассенфельда при Нью-Йоркском университете Лангоне в Нью-Йорке.

Можно ли разогревать детское питание?

«Никогда не разогревайте приготовленную пищу более одного раза», — говорит Стасенко. «Это может увеличить риск пищевого отравления».

Итак, после разогрева еды для ребенка выбрасывайте все, что осталось несъеденным, даже если вы его не подавали.

Как долго можно хранить детское питание в холодильнике?

«Домашнее детское питание не хранится так долго, как баночки и пакеты из магазина», — говорит Стасенко.

Ниже приведены некоторые рекомендации по хранению как магазинного, так и домашнего детского питания.

Для магазинного детского питания:

«Как правило, после вскрытия фрукты и овощи могут храниться в холодильнике 48 часов», — говорит Сиддики. «Мясо, птица и яйца должны храниться не более 24 часов».

Для домашнего детского питания:

«Домашние детские фрукты и овощи следует использовать в течение 24–48 часов, храня неиспользованные и незагрязненные порции в холодильнике», — говорит Сиддики. «Мясо, птица и яйца должны храниться не более 24 часов.”

Как долго хранится детское питание в морозильной камере?

По словам Сиддики, детское питание

можно заморозить на срок до трех месяцев, если оно хранится в морозостойких контейнерах или лотках для кубиков льда, покрытых прочной пластиковой пленкой.

Каковы другие основы безопасности детского питания?

Каждый родитель и лицо, осуществляющее уход за детьми, которые занимаются приготовлением, обработкой или подачей детского питания, должны знать об этих стандартных правилах безопасности.

Держите вещи в чистоте

Независимо от того, готовите ли вы собственное детское питание или подаете купленное в магазине, важно убедиться, что все — и мы действительно имеем в виду все — чисто для приема пищи ребенком.

«Родители должны убедиться, что все поверхности для приготовления пищи, посуда, разделочные доски и банки для хранения чисты и вымыты горячей водой с мылом», — говорит Сиддики. «Тщательное и частое мытье рук во время приготовления и хранения пищи также уменьшит потенциальное загрязнение».

Партнерство по обучению в области безопасности пищевых продуктов, некоммерческая организация по безопасности пищевых продуктов, также подчеркивает важность наличия специального места для смены подгузников, о чем — нужно ли нам даже говорить вам? — ни в коем случае не должна быть кухня.И подмывание после смены подгузника (пописать или какать) всегда должно быть непреложным делом, поскольку — приготовьтесь — «руки, загрязненные фекалиями, играют значительную роль в распространении многих бактерий и вирусов, которые могут вызвать пищевое отравление».

Если у вас есть ребенок старшего возраста, который может пользоваться посудой или брать еду самостоятельно, убедитесь, что он также моет руки. Если возможно, попросите их использовать теплую воду с мылом, которое оказалось более эффективным, чем дезинфицирующие средства для рук.

Остерегайтесь перекрестного загрязнения

Хотя слова «меньше посуды, которую нужно мыть» кажутся музыкой для ушей любого родителя, не рекомендуется подавать ребенку еду прямо из баночки.

«Чтобы уменьшить заражение от обычных микробов, обнаруженных в слюне, лучше всего убрать необходимую пищу и подавать в отдельном контейнере», — говорит Сиддики. «После этого выбросьте из детской миски любую еду, которую он не ел, так как, опять же, она контактировала со слюной».

Примите меры, чтобы избежать перекрестного загрязнения во время приготовления пищи.

«При самостоятельном приготовлении детского питания всегда используйте отдельную разделочную доску и нож для сырого мяса и птицы», — говорит Стасенко.«Кроме того, держите сырое мясо и птицу закрытыми и отдельно от других продуктов в холодильнике».

Внимательно осмотрите

Помимо правильного приготовления, хранения и разогрева пищи, читайте этикетки. При использовании купленного в магазине детского питания обязательно проверяйте срок годности и убедитесь, что крышка баночки «хлопает» при открывании. Если это не так, или если вы заметили сколы стекла или ржавчину под крышкой, FDA рекомендует отказаться от еды. Для пакетов с детским питанием убедитесь, что печать не нарушена.

Информационный бюллетень | Аккумулятор энергии (2019) | Белые книги

В связи с растущим беспокойством по поводу воздействия ископаемого топлива на окружающую среду, а также мощности и устойчивости энергосистем по всему миру, инженеры и политики все чаще обращают свое внимание на решения для хранения энергии. Действительно, накопление энергии может помочь решить проблему нестабильности солнечной и ветровой энергии; Кроме того, во многих случаях она может быстро реагировать на большие колебания спроса, делая энергосистему более гибкой и снижая потребность в строительстве резервных электростанций.Эффективность хранилища энергии определяется тем, насколько быстро оно может реагировать на изменения спроса, скоростью потери энергии в процессе хранения, его общей емкостью хранения энергии и скоростью его перезарядки.

Энергоаккумулятор не нов. Батареи используются с начала 1800-х годов, а гидроаккумулирующие электростанции работают в Соединенных Штатах с 1920-х годов. Но спрос на более динамичную и чистую сеть привел к значительному увеличению строительства новых проектов хранения энергии и к разработке новых или лучших решений для хранения энергии.

Ископаемое топливо является наиболее используемой формой энергии, отчасти из-за его транспортабельности и практичности в хранимой форме, что позволяет производителям значительно контролировать уровень поставляемой энергии. Напротив, энергия, вырабатываемая солнцем и ветром, носит непостоянный характер и зависит от погоды и времени года. Поскольку возобновляемые источники энергии становятся все более заметными в электросетях, растет интерес к системам, которые хранят чистую энергию

Накопление энергии также может способствовать удовлетворению спроса на электроэнергию в часы пик, например, в жаркие летние дни, когда работают кондиционеры, или с наступлением темноты, когда домохозяйства включают свет и электронику.Электричество становится дороже в периоды пиковой нагрузки, поскольку электростанции вынуждены наращивать производство, чтобы справиться с возросшим потреблением энергии. Накопление энергии обеспечивает большую гибкость сети, поскольку дистрибьюторы могут покупать электроэнергию в непиковые периоды, когда энергия дешева, и продавать ее в сеть, когда она пользуется большим спросом.

Поскольку экстремальные погодные условия, усугубляемые изменением климата, продолжают разрушать инфраструктуру США, правительственные чиновники все больше осознают важность устойчивости сети.Аккумулятор энергии помогает обеспечить устойчивость, поскольку он может служить резервным источником энергии, когда производство электростанции прерывается. В случае с Пуэрто-Рико, где запасы энергии минимальны, а электросеть гибкая, потребовалось около года, чтобы электричество было восстановлено для всех жителей.

По оценкам Международной энергетической ассоциации (МЭА), чтобы удержать глобальное потепление ниже 2 градусов Цельсия, к 2030 году миру потребуется 266 ГВт хранилищ по сравнению с 176,5 ГВт в 2017 году. Согласно текущим тенденциям, Bloomberg New Energy Finance прогнозирует, что глобальный рынок хранения энергии достигнет этой цели и быстро вырастет до 942 ГВт к 2040 году (что представляет собой инвестиции в размере 620 миллиардов долларов США в течение следующих двух десятилетий).

Хранилище энергии сегодня

В 2017 году Соединенные Штаты произвели 4 миллиарда мегаватт-часов (МВт-ч) электроэнергии, но в наличии осталось только 431 МВтч электроэнергии. Гидроаккумулирующие электростанции (PSH) на сегодняшний день являются самой популярной формой хранения энергии в Соединенных Штатах, где на их долю приходится 95 процентов накопления энергии коммунального масштаба. По данным Министерства энергетики США (DOE), гидроаккумулирующая электроэнергия увеличилась на 2 гигаватт (ГВт) за последние 10 лет.В 2015 году в Соединенных Штатах было 22 ГВт хранилищ PSH, включенных в сеть. Тем не менее, несмотря на широкое использование PSH, в последнее десятилетие в центре внимания технического прогресса были аккумуляторные батареи.

К декабрю 2017 года в энергосистеме США работало около 708 МВт крупномасштабных аккумуляторных накопителей. Большая часть этого хранилища находится в ведении организаций, отвечающих за балансировку энергосистемы, таких как независимые системные операторы (ISO) и региональные передающие организации (RTO).ISO и RTO являются «независимыми некоммерческими организациями, регулируемыми на федеральном уровне», которые контролируют региональные цены на электроэнергию и ее распределение.

PJM, региональная передающая организация, расположенная в 13 восточных штатах (включая Пенсильванию, Западную Вирджинию, Огайо и Иллинойс), имеет наибольшее количество крупномасштабных аккумуляторных установок с емкостью хранения 278 МВт на конец 2017 года. Крупнейшим владельцем аккумуляторов большой емкости является калифорнийская организация ISO (CAISO). К концу 2017 года CAISO эксплуатировала аккумуляторные батареи общей емкостью 130 МВт.

Большинство проектов аккумуляторных батарей, которые разрабатывают ISO/RTO, предназначены для краткосрочного хранения энергии и не предназначены для замены традиционной сети. В большинстве этих объектов используются литий-ионные батареи, которые обеспечивают достаточно энергии, чтобы поддерживать местную сеть примерно на четыре часа или меньше. Эти объекты используются для обеспечения надежности сети, для интеграции возобновляемых источников энергии в сеть и для облегчения энергосистемы в часы пик.

Существует также ограниченный рынок для небольших накопителей энергии.В то время как незначительная часть небольших хранилищ в Соединенных Штатах предназначена для использования в жилых помещениях, большая их часть предназначена для использования в коммерческом секторе, и большинство этих коммерческих проектов расположены в Калифорнии.

За последнее десятилетие стоимость хранения энергии, солнечной и ветровой энергии резко снизилась, что сделало решения, сочетающие хранение и возобновляемую энергию, более конкурентоспособными. В тендерной войне за проект Xcel Energy в Колорадо средняя цена на хранение энергии и энергию ветра составляла 21 доллар США за МВтч, а на солнечную энергию и хранение — 36 долларов США за МВтч (по сравнению с 45 долларами США за МВтч для аналогичного проекта солнечной энергии и хранения в 2017 году). ).Это сопоставимо с 18,10 долл. США за МВтч и 29,50 долл. США за МВтч соответственно для ветряных и солнечных электростанций без хранения, но все еще далеко от средней цены природного газа в размере 4,80 долл. США за МВтч. Большая часть снижения цен связана с падением стоимости литий-ионных аккумуляторов; с 2010 по 2016 год стоимость аккумуляторов для электромобилей (аналогично технологии, используемой для хранения) упала на 73 процента. Согласно недавнему отчету GTM Research, цены на системы хранения энергии будут падать на 8 процентов ежегодно до 2022 года.

Отдельные технологии хранения энергии

Существует множество различных способов хранения энергии, каждый из которых имеет свои сильные и слабые стороны.В приведенном ниже списке основное внимание уделяется технологиям, которые в настоящее время могут обеспечить большие емкости хранения (не менее 20 МВт). Поэтому он исключает сверхпроводящие накопители магнитной энергии и суперконденсаторы (с номинальной мощностью менее 1 МВт).

	Максимальная мощность Номинальная мощность (МВт)	Время разряда	*Максимальное количество циклов* или срок службы	Плотность энергии (ватт-час на литр)	Эффективность
Гидронасос	3000	4ч – 16ч	30 – 60 лет	0.2 – 2	70 – 85%
Сжатый воздух	1000	2ч – 30ч	20 – 40 лет	2 – 6	40 – 70%
Расплавленная соль (термическая)	150	часов	30 лет	70 – 210	80 – 90%
Литий-ионный аккумулятор	100	1 мин – 8 ч	1 000 – 10 000	200 – 400	85 – 95%
Свинцово-кислотный аккумулятор	100	1 мин – 8 ч	6 – 40 лет	50 – 80	80 – 90%
Проточная батарея	100	часов	12 000 – 14 000	20 – 70	60 – 85%
Водород	100	минут – неделя	5 – 30 лет	600 (при 200 бар)	25 – 45%
Маховик	20	сек — мин	20 000 – 100 000	20 – 80	70 – 95%
Характеристики отдельных систем накопления энергии (источник: Всемирный энергетический совет)

Гидроаккумулирующие электростанции

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) — это крупномасштабные станции по хранению энергии, которые используют силу гравитации для выработки электроэнергии.Вода перекачивается на более высокую высоту для хранения в периоды низкой стоимости энергии и периодов высокой выработки возобновляемой энергии. Когда требуется электричество, вода возвращается в нижний бассейн, вырабатывая электроэнергию с помощью турбин. Недавние инновации позволили объектам PSH иметь регулируемые скорости, чтобы лучше реагировать на потребности энергосистемы, а также работать в замкнутых системах. PSH с замкнутым контуром работает без подключения к постоянно проточному источнику воды, в отличие от традиционных гидроаккумулирующих гидроэлектростанций, что делает гидроаккумулирующие электростанции вариантом для большего количества мест.

По сравнению с другими формами хранения энергии, гидроаккумулирующая электроэнергия может быть дешевле, особенно для хранения очень большой емкости (с которой другие технологии с трудом справляются). По данным Исследовательского института электроэнергетики, установленная стоимость гидроаккумулирующих электростанций варьируется от 1700 до 5100 долларов за кВт по сравнению с 2500–3900 долларов за кВт для литий-ионных аккумуляторов. Гидроаккумулирующие электростанции более чем на 80 процентов энергоэффективны в течение полного цикла , , а объекты PSH обычно могут обеспечить 10 часов электроэнергии по сравнению с примерно 6 часами для литий-ионных батарей.Несмотря на эти преимущества, проблема проектов PSH заключается в том, что они являются долгосрочными инвестициями: получение разрешений и строительство могут занять 3-5 лет каждое. Это может отпугнуть инвесторов, предпочитающих более краткосрочные инвестиции, особенно на быстро меняющемся рынке.

В округе Бат, штат Вирджиния, крупнейшее в мире гидроаккумулирующее сооружение обеспечивает электроэнергией около 750 000 домов. Он был построен в 1985 году и имеет мощность около 3 ГВт.

Хранилище энергии на сжатом воздухе (CAES)

При хранении сжатого воздуха воздух закачивается в подземную яму, скорее всего, в соляную пещеру, в непиковые часы, когда электричество дешевле.Когда требуется энергия, воздух из подземной пещеры выбрасывается обратно в помещение, где он нагревается, а возникающее в результате расширение приводит в действие генератор электроэнергии. В этом процессе нагрева обычно используется природный газ, который выделяет углерод; тем не менее, CAES в три раза увеличивает выработку энергии объектами, использующими только природный газ. CAES может достигать энергоэффективности до 70 процентов, когда сохраняется тепло от давления воздуха, в противном случае эффективность составляет от 42 до 55 процентов. В настоящее время существует только два действующих объекта CAES: один в Макинтош, штат Алабама, и один в Ханторфе, Германия.Завод McIntosh, построенный в 1991 году, имеет накопительную мощность 110 МВт. Завод CAES мощностью 317 МВт строится в округе Андерсон, штат Техас.

Термический (включая расплавленную соль)

В хранилищах тепловой энергии для хранения энергии используется температура. Когда энергию необходимо хранить, камни, соли, воду или другие материалы нагревают и хранят в изолированных средах. Когда необходимо вырабатывать энергию, тепловая энергия высвобождается путем перекачки холодной воды на горячие камни, соли или горячую воду для производства пара, который вращает турбины.Аккумуляторы тепловой энергии также можно использовать для обогрева и охлаждения зданий вместо выработки электроэнергии. Например, аккумулирование тепла можно использовать для производства льда в ночное время для охлаждения здания в течение дня. Тепловой КПД может варьироваться от 50 до 90 процентов в зависимости от типа используемой тепловой энергии.

Литий-ионные батареи

Впервые коммерчески произведенные Sony в начале 1990-х годов, литий-ионные аккумуляторы первоначально использовались в основном для небольших потребительских товаров, таких как мобильные телефоны.В последнее время они используются для хранения больших аккумуляторов и электромобилей. В конце 2017 года стоимость литий-ионного аккумуляторного блока для электромобилей упала до 209 долл./кВтч при сроке службы 10-15 лет. Bloomberg New Energy Finance прогнозирует, что к 2025 году литий-ионные батареи будут стоить менее 100 долларов за кВтч.

Литий-ионные аккумуляторы

на сегодняшний день являются самым популярным вариантом хранения аккумуляторов и контролируют более 90 процентов мирового рынка аккумуляторов.По сравнению с другими вариантами аккумуляторов литий-ионные аккумуляторы имеют высокую плотность энергии и малый вес. Новые инновации, такие как замена графита кремнием для увеличения емкости батареи, направлены на то, чтобы сделать литий-ионные батареи еще более конкурентоспособными для более длительного хранения.

Кроме того, литий-ионные батареи в настоящее время часто используются в развивающихся странах для электрификации сельской местности. В сельских общинах литий-ионные батареи сочетаются с солнечными панелями, что позволяет домашним хозяйствам и предприятиям использовать ограниченное количество электроэнергии для зарядки мобильных телефонов, работы бытовой техники и освещения зданий.Раньше такие сообщества были вынуждены полагаться на грязные и дорогие дизельные генераторы или не имели доступа к электричеству.

Когда в 2015 году произошла утечка газа на объекте по добыче природного газа в каньоне Алисо, Калифорния поспешила использовать литий-ионную технологию, чтобы компенсировать потерю энергии на объекте в часы пик. Аккумуляторные хранилища, построенные Tesla, AES Energy Storage и Greensmith Energy, обеспечивают мощность 70 МВт, что достаточно для питания 20 000 домов в течение четырех часов.

Hornsdale Power Reserve в Южной Австралии — это крупнейшая в мире литий-ионная батарея, которая используется для стабилизации электрической сети за счет энергии, которую она получает от близлежащей ветряной электростанции.Эта батарея мощностью 100 МВт была построена компанией Tesla и обеспечивает электричеством более 30 000 домохозяйств.

Компания General Electric разработала контейнеры с литий-ионными батареями мощностью 1 МВт, которые поступят в продажу в 2019 году. Их будет легко транспортировать, и они позволят объектам возобновляемой энергетики иметь меньшие по размеру и более гибкие варианты хранения энергии.

Свинцово-кислотные батареи

Свинцово-кислотные аккумуляторы были одними из первых аккумуляторных технологий, используемых для хранения энергии. Однако они не популярны для хранения данных в сети из-за их низкой плотности энергии и короткого цикла и календарного срока службы.Они обычно использовались для электромобилей, но в последнее время их в значительной степени заменили более долговечными литий-ионными батареями.

Проточные батареи Батареи

Flow являются альтернативой литий-ионным батареям. Несмотря на то, что они менее популярны, чем литий-ионные батареи (проточные батареи составляют менее 5 процентов рынка батарей), проточные батареи использовались во многих проектах по хранению энергии, которые требуют более длительного хранения энергии. Проточные батареи имеют относительно низкую плотность энергии и длительный жизненный цикл, что делает их подходящими для непрерывного энергоснабжения.Например, завод Avista Utilities в штате Вашингтон использует аккумуляторную батарею.

Проточная батарея мощностью 200 МВт (800 МВтч) в настоящее время строится в Даляне, Китай. Эта система не только превзойдет Hornsdale Power Reserve в качестве крупнейшей в мире батареи, но и станет единственной крупномасштабной батареей (> 100 МВт), состоящей из проточных батарей вместо ионно-литиевых батарей.

Твердотельные батареи

Твердотельные батареи имеют множество преимуществ по сравнению с литий-ионными батареями при использовании в крупномасштабных сетевых хранилищах.Твердотельные батареи содержат твердые электролиты, которые имеют более высокую плотность энергии и гораздо менее подвержены возгоранию, чем жидкие электролиты, такие как те, которые используются в литий-ионных батареях. Их меньшие объемы и более высокая безопасность делают твердотельные батареи хорошо подходящими для крупномасштабных сетевых приложений.

Однако технология твердотельных аккумуляторов в настоящее время дороже, чем технология литий-ионных аккумуляторов, поскольку она менее развита. Быстрорастущее производство литий-ионных аккумуляторов привело к экономии за счет масштаба, с которой в ближайшие годы твердотельные батареи вряд ли смогут сравниться.

Водород

Водородные топливные элементы, которые вырабатывают электроэнергию путем объединения водорода и кислорода, обладают привлекательными характеристиками: они надежны и бесшумны (без движущихся частей), имеют небольшую площадь основания и высокую плотность энергии, а также не выделяют вредных веществ (при работе на чистом водороде, их единственным побочным продуктом является вода). Этот процесс также можно обратить вспять, что делает его полезным для хранения энергии: при электролизе воды образуются кислород и водород. Таким образом, установки на топливных элементах могут производить водород, когда электричество дешевое, а затем использовать этот водород для производства электроэнергии, когда это необходимо (в большинстве случаев водород производится в одном месте, а используется в другом).Водород также можно производить путем риформинга биогаза, этанола или углеводородов, что является более дешевым методом, при котором выделяется углеродное загрязнение. Хотя водородные топливные элементы остаются дорогими (в первую очередь из-за их потребности в платине, дорогом металле), они используются в качестве основного и резервного источника питания для многих критически важных объектов (телекоммуникационных реле, центров обработки данных, обработки кредитных карт…).

Маховики Маховики

не подходят для долговременного хранения энергии, но очень эффективны для выравнивания нагрузки и перемещения нагрузки.Маховики известны своим долгим сроком службы, высокой плотностью энергии, низкими затратами на техническое обслуживание и высокой скоростью отклика. Двигатели накапливают энергию в маховиках, ускоряя их вращение до очень высоких скоростей (до 50 000 об/мин). Позже двигатель может использовать эту накопленную кинетическую энергию для выработки электроэнергии, переключаясь на задний ход. Маховики обычно оставляют в вакууме, чтобы свести к минимуму трение воздуха, которое замедляло бы колесо. Стефентаунский шпиндель в Стивентауне, штат Нью-Йорк, открытый в 2011 году мощностью 20 МВт, стал первым коммерческим использованием технологии маховика для регулирования энергосистемы в Соединенных Штатах.С тех пор было запущено несколько других маховиков.

Хранение и электрические транспортные средства

Хранение энергии особенно важно для электромобилей (EV). По мере того, как электромобили становятся все более распространенными, они будут увеличивать спрос на электроэнергию в часы пик, поскольку профессионалы приходят домой с работы и подключают свои машины к розетке для ночной подзарядки. Чтобы предотвратить потребность в новых электростанциях для удовлетворения этого дополнительного спроса, электроэнергию необходимо будет хранить в непиковое время.Хранение также важно для домохозяйств, которые производят собственную возобновляемую электроэнергию: автомобиль не может заряжаться за ночь от солнечной энергии без системы хранения.

Интересно, что электромобили можно использовать в качестве резервного хранилища в периоды сбоев в электросети или всплесков спроса. Хотя большинство электромобилей сегодня не предназначены для подачи энергии обратно в сеть, автомобили с подключением к сети (V2G) могут накапливать электроэнергию в автомобильных батареях, а затем передавать эту энергию обратно в сеть. Аккумуляторы электромобилей по-прежнему можно использовать для хранения в сети даже после того, как они сняты с дороги: коммунальные службы используют батареи от бывших в употреблении электромобилей в качестве бывших в употреблении аккумуляторов энергии.Такие батареи можно использовать для хранения электроэнергии на срок до десяти лет для сетевых приложений. Пример этого можно найти в Эльверлингсене, Германия, где было собрано почти 2000 аккумуляторов от электромобилей Mercedes Benz для создания стационарной батареи размером с сеть, которая может удерживать почти 9 МВт мощности.

Федеральная политика и политика штата по хранению энергии

В феврале 2018 года Федеральная комиссия по регулированию энергетики (FERC) единогласно утвердила Приказ № 841, который требует от независимых системных операторов и региональных передающих организаций устранить барьеры для доступа к технологиям хранения энергии, заставив эти группы пересмотреть свои тарифы.FERC считает, что это приведет к усилению рыночной конкуренции в секторе энергосетей.

В мае 2018 года Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США (ARPA-E) выделило до 30 миллионов долларов США на финансирование инноваций в области долгосрочного хранения энергии. Финансирование было направлено на программу «Дополнительная продолжительность хранения электроэнергии» (DAYS), которая направлена на разработку новых технологий, позволяющих хранилищам энергии во всех регионах США питать электросеть до 100 часов.

Несколько штатов США проявили большой интерес к хранению энергии, и их политика может служить источником вдохновения для других.

Гавайи , где импорт ископаемого топлива обходится очень дорого, находится в авангарде перехода к возобновляемым источникам энергии и накоплению энергии. Два недавних проекта Hawaiian Electric Industries стоят 8 центов за киловатт-час, что вдвое меньше, чем цена на ископаемое топливо в штате.
Массачусетс прошел H.4857 в июле 2018 года, поставив перед собой цель накопить 1000 МВтч энергии к концу 2025 года.
Нью-Йорк Губернатор Эндрю Куомо объявил в январе 2018 года, что штат Нью-Йорк поставил перед собой цель достичь 1500 МВт накопления энергии к 2025 году. В соответствии с этой директивой New York Green Bank согласился инвестировать 200 миллионов долларов в технологии хранения энергии.
Трем крупнейшим энергетическим кооперативам Калифорнии () было поручено создать к концу 2024 года общую мощность хранения 1325 МВт.В 2016 году к мандату добавились дополнительные 500 МВт.
В штате Орегон, закон HB 2193 предписывает, чтобы к 2020 году в энергосистеме работало 5 МВтч накопителей энергии.
Нью-Джерси прошел A3723 в 2018 году, в соответствии с которым к 2030 году цель Нью-Джерси по хранению энергии составит 2000 МВт.
Аризона Комиссар штата Энди Тобин предложил к 2030 году установить 3000 МВт в хранилищах энергии.

Автор: Александра Заблоцкий

Редакторы: Кэрол Вернер, Амори Лапорт