АККУМУЛЯТОР ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
HEAT ENERGY STORAGE

Изобретение относится к хранению тепла или холода, используемых для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования и получения электроэнергии.
3
Известны аккумуляторы тепловой энергии (ТА), резервуаром которых является полость в скальных породах, содержащая 100 тыс. м воды, имеющая кольцевую форму и не теплоизолированная. Прилежащие к полости слои скальной породы принимают участие в тепловом аккумулировании энергии [Бекман Г., Гилли П. Тепловые аккумулированные энергии. - М.: Мир, 1987, с. 148, рис. 4.27].
Недостатком данного вида теплового аккумулятора являются: уникальность таких естественных или искусственных полостей, препятствующая их широкому распространению; долгое время зарядки, препятствующее съему энергии с частично заряженного аккумулятора; значительные потери воды через микротрещины скальной породы; максимальная температура теплоносителя - не более 100°C.
Известны также аккумуляторы с аккумулирующей средой в виде резервуара, содержащего вещество с фазовым превращением (ВФП), через которые проходят и омывают ее попеременно два газовых потока [Бекман Г., Гилли П. Тепловые аккумулированные энергии. - М.: Мир, 1987, с. 146, рис. 4.24].
Недостатком данного вида теплового аккумулятора являются: высокая стоимость вещества с фазовым переходом (ВФП) (к которым относятся соли металлов и неметаллов, стеарин, парафин, и т.д.), препятствующая их широкому распространению; долгое время зарядки, препятствующее съему энергии с частично заряженного аккумулятора; фиксирована максимальная температура теплоносителя - для теплового аккумулятора на стеарине, парафине (наиболее широко распространенных ВФП) не более 70°C; пожароопасность разогретых стеарина и парафина; присутствует потребность в дорогостоящем термоизолированном герметичном металлическом резервуаре из специальной стали.
3
Известен тепловой аккумулятор солнечной установки на 10 МВт в г. Барстоу (США). Аккумулирующий резервуар выполнен в виде цилиндрического сосуда объемом более 3000 м, аккумулирующая среда выполнена из гранитной щебенки, а в качестве теплоносителя используют масло. Сосуд аккумулятора заряжается острым паром, который затем охлаждается. В режиме разрядки питательная вода поступает в разрядный теплообменник, где образуется перегретый пар, который направляется к турбине [Бекман Г., Гилли П. Тепловые аккумулированные энергии. - М.: Мир, 1987, с. 240, рис. 7.29].
Недостатком данной станции является то, что она не может работать как сезонный аккумулятор, кроме того, данный тип аккумулятора требует большого количества масла в качестве теплоносителя.
Наиболее близким техническим решением является тепловой аккумулятор, содержащий резервуар, заполненный вразброс твердой аккумулирующей средой, в качестве которой могут быть выбраны каменные породы, негорючие твердые отходы, вскрышные породы горнодобывающей промышленности, а также теплообменник, подключенный зарядной стороной к источнику солнечной энергии, а разрядной стороной - к паросиловой части солнечной электростанции, и теплоноситель, отличающийся тем, что разрядная сторона теплообменника образована дополнительно размещенным в упомянутой аккумулирующей среде нагревателем, заполненным упомянутым теплоносителем, а в качестве резервуара использована полость в грунте [Патент РФ №2027119 F24H 7/00, Опубликовано: 20.01.1995].
Плюсы такого теплового аккумулятора: низкая стоимость и общедоступность аккумулирующего вещества, высокая температура теплоносителя, возможность создавать недорогие ТА большого объема (большой энергоемкости) за малый срок.
Недостатком данного вида теплового аккумулятора являются: долгое время зарядки, препятствующее съему энергии с частично заряженного аккумулятора; отсутствие гидро- и теплоизоляции может привести к значительным тепловым потерям на нагрев окружающего грунта, испарение почвенных вод, радиационное излучение (ИК-спектр).
В результате рассмотрения вышеуказанных конструкций аккумуляторов тепловой энергии следует вывод, что наиболее перспективным путем создания высокоэффективных и дешевых ТА является: увеличение количества теплоаккумулирующего вещества, применение широко распространенного и дешевого теплоаккумулирующего вещества, улучшение теплообмена с зарядным и разрядным контурами теплоносителя, минимизация тепловых потерь, что достижимо при качественной тепло- и гидроизоляции и минимальной поверхности стенок ТА.
С целью снижения стоимости аккумулятора тепловой энергии и повышения надежности и безопасности, в качестве корпуса ТА предложено использовать резервуар (котлован), созданный (вырытый) в грунте рядом с потребителем тепловой энергии, а в качестве теплоаккумулирующего вещества предложено использование грунта, вынутого из котлована. С целью снижения тепловых потерь стенки вырытого котлована покрываются слоем теплоизоляции и гидроизоляции. Для улучшения теплообмена теплоаккумулирующего вещества с потребителем тепловой энергии, в объеме теплоаккумулирующего вещества, предложено создать систему трубопроводов с теплоносителем, включающую в себя зарядный и разрядный теплообменники (контуры). Первый теплообменник предназначен для прохождения хладагента от источника тепла (холода), в то время как через второй теплообменник протекает теплоноситель потребителей и производится отбор тепла (холода). Первый и второй теплообменники размещены с возможностью эффективного теплообмена с энергоаккумулирующим материалом. Для предотвращения потерь тепла (холода) тепловой аккумулятор снабжен многослойной теплоизоляцией, включающей в себя гидроизоляцию, слой (слои) из материала с низкой теплопроводностью и слой (слои) из материала с высокой отражающей тепловое излучение способностью.
Предлагаемое изобретение решает задачи создания более высокоэффективных, дешевых и энергоемких аккумуляторов тепловой энергии простым и технологичным способом.
Техническим результатом изобретения является создание более совершенных аккумуляторов тепловой энергии с увеличенной надежностью, эффективностью и энергоемкостью, низкими тепловыми потерями простым и технологичным способом.
Технический эффект изобретения заключается в снижении потерь тепловой энергии (что наиболее ощутимо при длительном периоде ее хранения), простоте и технологичности изготовления, применении широко распространенных материалов, простоте размещения практически на любой территории, высокой надежности и безопасности при эксплуатации (сравнительно (с ВФП) низкие температуры теплоносителя, малое количество и рабочее давление теплоносителя).
Изобретение проиллюстрировано чертежом, где на фиг. 1 показана конструкция аккумулятора тепловой энергии.
Аккумулятор тепловой энергии состоит из резервуара 1, в качестве которого используют естественные или искусственные полости в грунте 2 (котлованы, заброшенные карьеры, овраги и т.д.). Резервуар 1 оснащен тепло- и гидроизоляцией 3. В резервуаре 1 установлены теплообменники 4 и 5, выполненные, например, в виде спиральных трубопроводов, заполненных жидким незамерзающим теплоносителем, желательно с высокой температурой кипения (например, антифриз, минеральное или синтетическое масло). Резервуар 1 заполнен твердым аккумулирующим материалом 6, в качестве которого используют грунт, песок, гранитный, базальтовый, туфовый и другие отходы камнедобывающей и обрабатывающей промышленности, битый кирпич, битое стекло и любые другие негорючие отходы промышленности, вскрышные породы горнодобывающей промышленности. Резервуар 1 заполнен твердым аккумулирующим материалом 6 и секциями теплообменников 4 и 5, послойно. Слои (уровни) теплового аккумулятора разделены теплоизолирующими перегородками 7. Стенки резервуара 1 и теплоизолирующие перегородки 7 выполнены из материала с хорошими гидро- и теплоизоляционными свойствами (например, твердый пенополиуретан). Теплообменник 4 подключен к источнику тепла (холода): к солнечным коллекторам, котлам на твердом или жидком топливе, воздушным теплообменникам и т.д.). Теплообменник 5 подключен к потребителю тепла (холода): к системам теплоснабжения зданий, горячего водоснабжения либо к холодильным камерам, фанкойлам системы кондиционирования помещений и т.д. при использовании энергоаккумулятора в качестве аккумулятора холода.
Плюсы такого теплового аккумулятора: низкая стоимость и общедоступность аккумулирующего вещества, высокая температура теплоносителя, низкие тепловые потери, возможность создавать недорогие ТА большого объема (большой энергоемкости) за малый срок. Отбор тепловой энергии с максимальной температурой (не менее 90% от температуры теплоносителя на входе в тепловой аккумулятор) посредством разрядного теплообменника можно осуществлять в любой момент, даже при частично нагретом тепловом аккумуляторе.
При разделении ТА слоями теплоизоляции (не показаны) на теплоаккумулирующие секции, обеспеченные своими зарядным и разрядным контурами, подключенными через регулирующие вентили (не показаны) к общим зарядным и разрядным коллекторам (не показаны) соответственно, можно отключать эти секции от ТА. Этим можно значительно уменьшить тепловые потери при малой зарядке ТА или использовать ТА для одновременного хранения и тепла, и холода.
Один из примеров изготовления ТА по предлагаемой заявке, который объясняет, но не ограничивает других способов.
В грунте с помощью землеройной техники формируется котлован, который затем гидро- и теплоизолируется путем напыления твердого пенополиуретана или обкладкой плитами иной гидро- и теплоизоляции. Затем на дно резервуара укладывается  или иная часть грунта секции, спирально укладываются контуры зарядного и разрядного теплообменников, производится засыпка оставшейся части грунта секции ТА, трамбовка. Затем поверх грунта секции ТА наносится теплоизоляционная перегородка. В том же порядке происходит процесс изготовления остальных секций ТА. ТА закрывается слоем грунта.
Таким образом, для изготовления ТА потребуется только землеройная техника, трубы теплообменников, теплоизоляция. Теплоаккумулирующее вещество (грунт) будет использовано имеющееся в наличии. Поверх ТА возможно построить тепличное хозяйство, или по- иному использовать земельную площадь, которая не будет выведена из оборота.
Работа аккумулятора тепловой энергии показана на примере отопления здания (Фиг. 2).
Аккумулятор тепловой энергии работает следующим образом.
Теплоноситель с высокой температурой от любого источника тепловой энергии (например, солнечных коллекторов 8 любого типа (плоскими, вакуумно-трубчатыми, параболическими концентраторами)) пропускается через теплообменник 4 контура зарядки, тепло передается в аккумулирующий материал 6, нагревая его. Теплоноситель, проходя по разрядному контуру трубопровода 5, нагревается и отдает энергию на нагрев радиаторов отопления зданий 9 и на нагрев воды в водонагревателе 10. Циркуляция теплоносителя осуществляется принудительно циркуляционными насосами 11.
В районах с высоким дневным поступлением суммарной солнечной радиации, за весенне-летне-осенний сезоны можно создавать аккумуляторы тепловой энергии со значительным объемом теплоаккумулирующего вещества, что обеспечит аккумуляцию тепловой энергии, достаточную для теплоснабжения зданий в зимний период.
В течение сезона температура аккумулирующего материала может достичь 95-150°C, причем тепловая энергия от теплообменного трубопровода 4 передается в первую очередь верхним слоям резервуара 1 посредством теплопроводности аккумулирующего материала 6. Отбор тепловой энергии посредством разрядного теплообменника 5 можно осуществлять в любой момент, даже при частично нагретом тепловом аккумуляторе.
3
3
3
2
2
При энергозатратах на отопление здания в отопительный период (100 суток) тепловой мощности 5 кВт (120 кВт⋅ч в сутки или 43,2 ГДж в отопительный период), потребный объем теплового аккумулятора с теплоаккумулирующим веществом - земля (теплоемкость, 2 МДж/м⋅К), работающего в интервале температур 90-30°C, составит 350 м. Расчеты показывают, что для нагрева сезонного аккумулятора объемом 350 за 100 солнечных дней (мощность солнечной радиации 1 кВт/м, световой день 10 часов) требуются солнечные коллекторы (КПД солнечных коллекторов 75%) общей площадью 40 м.
Таким образом, тепловой аккумулятор позволяет накопить тепловую энергию в течение летнего периода (весна-лето-осень), т.е. в дни с высокой солнечной радиацией, и ее эффективно использовать в течение зимнего сезона.
Сравнение предлагаемого ТА с известными показывает, что использование предлагаемого изобретения позволяет:
1. Снизить потери тепловой энергии, снизить стоимость ТА, повысить его надежность.
2. Заряжать ТА и одновременно производить теплоснабжение потребителей.