В принципе, солнечное отопление — идеальное решение для возобновляемой энергетики зданий. Оно чистое, доступное в больших количествах и бесплатное. Однако на протяжении десятилетий фундаментальный недостаток мешал солнечной тепловой энергии полностью раскрыть свой потенциал:Солнце не светит по требованиюСолнечная энергия поступает в избытке в дневное время, а затем исчезает именно тогда, когда потребность в отоплении достигает пика — вечером и ночью. Пасмурные дни и зимние месяцы усугубляют проблему, оставляя жильцов зданий на милость резервных систем отопления, работающих на ископаемом топливе.
Традиционные методы аккумулирования тепловой энергии — в первую очередь, водонагревательные баки — пытались решить эту проблему, но они имеют существенные ограничения. Вода аккумулирует тепло в разумных пределах, то есть ее температура должна значительно повыситься, чтобы накопить значительное количество энергии. Это приводит к необходимости использования больших, громоздких баков, которые занимают ценное пространство в здании, страдают от значительных теплопотерь в режиме ожидания и подают тепло все более низкой температуры по мере сброса. Для многоэтажных зданий и городских жилых комплексов, где пространство ограничено, эти системы просто непрактичны.
Теперь в лабораториях компании Glacier Coolant появилось революционное решение:теплообменники с фазовым переходом и оребренными трубкамиЭта технология использует исключительную скрытую теплоемкость современных материалов с фазовым переходом. Она коренным образом меняет представление о возможностях солнечных тепловых систем.
Наука о хранении скрытой теплоты
В основе этой инновации лежит охлаждающая жидкость Glacier Coolant.LM-XR-53, запатентованная среда с фазовым переходом, разработанная для хранения и высвобождения огромных объемов тепловой энергии при точно контролируемой температуре.53°CВ отличие от обычных материалов, которые нагреваются постепенно, материалы с фазовым переходом поглощают энергию, изменяя свое физическое состояние — переходя из твердого в жидкое, — и при этом они улавливают гораздо больше энергии на единицу массы, чем любой разумный носитель энергии.
Цифры говорят сами за себя. Охлаждающая жидкость Glacier Coolant LM-XR-53 обладает удельной теплотой плавления, равной...268,9 Дж/гДля сравнения, энергия, необходимая для плавления одного килограмма этого материала, эквивалентна нагреву той же массы воды более чем на 64 градуса Цельсия. Именно эта необычайная плотность энергии делает возможным создание компактных и высокоэффективных систем теплового аккумулирования.
Скрытая теплоемкость
Температура фазового перехода
Улучшение соотношения солнечной энергии и солнечной энергии
Инженерные решения, обеспечивающие преимущества оребренных труб.
Гениальность системы охлаждения Glacier выходит за рамки самого материала с фазовым переходом — она заключается в интеграции...LM-XR-53вархитектура теплообменника с оребренными трубкамиЭто позволяет раскрыть весь потенциал производительности. Конструкция предусматривает размещение фазоизменяющего материала (PCM) в компактном теплообменнике с расширенными ребрами, которые значительно увеличивают площадь теплопередачи между циркулирующей теплоносителем и теплоаккумулирующей средой.
Этот архитектурный выбор не случаен. Исследования, проведенные инженерной группой Glacier Coolant, позволили точно количественно оценить взаимосвязь между рабочими параметрами и производительностью системы. Полученные результаты являются одновременно поучительными и практически применимыми для разработчиков систем:
| Рабочие параметры | Исходный уровень | Улучшенный | Повышение производительности |
|---|---|---|---|
| Температура воды на входе | 60°C | 70°C | +55,59%теплообмен |
| Скорость потока | 0,5 м/с | 1,5 м/с | До 100%увеличение теплопередачи |
| Доля солнечной энергии (по сравнению с использованием одного бака) | Исходный уровень | С хранилищем PCM | +30%улучшение |
| Системный охват | Обычный резервуар | теплообменник PCM | -74%сокращение пространства |
Изотермический разряд: скрытое преимущество
Одним из наиболее недооцененных преимуществ тепловых аккумуляторов с фазовым переходом являетсяизотермическое выделение теплаКогда используется охлаждающая жидкость Glacier CoolantLM-XR-53При этом накопленная энергия отводится при практически постоянной температуре 53°C. Это принципиально отличается от систем хранения энергии на основе воды, где температура на выходе неуклонно снижается по мере охлаждения резервуара.
В системах отопления зданий такое изотермическое поведение обеспечивает превосходный комфорт и эффективность системы. Радиаторы и системы подогрева пола получают постоянную температуру подачи на протяжении всего цикла нагрева, что исключает необходимость в сложных смесительных клапанах и регуляторах температурной компенсации. Системы тепловых насосов в сочетании с накопителями на основе фазоизменяющихся материалов могут работать в точке оптимальной эффективности, а не плавно повышать и понижать температуру в соответствии с переменным спросом.
От уровня домохозяйства до уровня района
Оребренный трубчатый теплообменник Glacier Coolant с фазоизменяющимся материалом обладает высокой масштабируемостью. Для частных домов компактный блок, интегрированный с солнечными тепловыми коллекторами на крыше, может обеспечивать большую часть потребностей в отоплении и горячем водоснабжении круглый год. Уменьшение занимаемой площади на 74% по сравнению с аналогичными системами хранения воды означает, что эти системы могут быть установлены в подсобных помещениях, подвалах или даже интегрированы в фасады зданий.
В масштабах централизованного теплоснабжения массивы теплообменников с фазоизменяющимися материалами могут сглаживать прерывистость крупных солнечных тепловых полей, разделяя выработку тепла и потребление тепла в целых районах. Это разделение имеет решающее значение для экономической целесообразности солнечного централизованного теплоснабжения, поскольку позволяет операторам рассчитывать размеры коллекторных полей исходя из общего годового объема выработки энергии, а не из мгновенного пикового спроса.
Влияние сокращения выбросов углерода
На здания приходится приблизительно40% мировых выбросов CO2, связанных с энергетикой.При этом отопление помещений является крупнейшим сегментом потребления. Только в Китае ежегодно на отопление зданий расходуется более 200 миллионов тонн угольного эквивалента. Благодаря тому, что технология хранения энергии Glacier Coolant PCM позволяет солнечным тепловым системам надежно удовлетворять гораздо большую долю потребности в отоплении, она напрямую замещает потребление ископаемого топлива в больших масштабах.
Рассмотрим типичное многоэтажное жилое здание с 50 квартирами. Солнечная тепловая система в сочетании с накопителем тепла Glacier Coolant PCM может снизить потребление природного газа для отопления на 60-70% по сравнению с традиционной системой, работающей только на котле. За 20 лет эксплуатации системы это означает предотвращение выбросов сотен тонн CO2 на одно здание.
Основные выводы
- Охлаждающая жидкость GlacierLM-XR-53выделяет 268,9 Дж/г скрытой теплоты при стабильной температуре фазового перехода 53°C.
- Конструкция теплообменника с ребристыми трубками обеспечивает максимальную площадь поверхности теплопередачи для быстрой зарядки и разрядки.
- Доля солнечной энергии увеличивается примерно на 30% по сравнению с традиционными системами хранения воды в одном резервуаре.
- Уменьшение габаритов системы на 74% позволяет устанавливать ее в городских зданиях с ограниченным пространством.
- Изотермический нагрев при температуре 53°C обеспечивает стабильный комфорт отопления без снижения температуры.
- Скорость потока и температура на входе обеспечивают точные рычаги управления для оптимизации выходной мощности системы.
- Масштабируемость от частных домов до централизованных тепловых сетей, поддержка целей сертификации экологически чистых зданий.
Путь впереди
По мере того как правительства во всем мире ужесточают строительные нормы и правила энергоэффективности зданий и расширяют требования к использованию возобновляемых источников тепла, спрос на компактные и эффективные системы теплоаккумулирования будет только расти. Пересмотренная директива Европейского союза об энергетической эффективности зданий (EPBD) и продолжающиеся усилия Китая по созданию зданий с почти нулевым энергопотреблением создают благоприятные регуляторные условия для таких технологий, как теплообменник Glacier Coolant PCM.
Технология готова. Экономическая целесообразность очевидна. Экологическая необходимость крайне важна. Для архитекторов, застройщиков и инженеров по системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, стремящихся к созданию действительно устойчивых решений в области отопления, теплоаккумуляторы с фазовым переходом и оребренными трубками представляют собой не просто постепенное улучшение, а качественный скачок в возможностях. Солнечное отопление больше не должно быть временным решением — с холодным наполнителем Glacier Coolant оно становится надежным круглогодичным партнером в переходе к низкоуглеродной строительной среде.