Кіріспе
Жылуды немесе суықты бірнеше айға дейін сақтау маусымдық жылу энергиясын сақтау (STES), сонымен қатар маусымдық жылу энергиясын сақтау деп те аталады, бұл жылуды немесе суықты бірнеше айға дейін сақтау. Жылу энергиясы кез келген уақытта жинақталуы және қажет болған кезде, мысалы, қарсы маусымда пайдаланылуы мүмкін. Мысалы, күн коллекторларынан немесе ауа баптау қондырғыларынан шыққан жылуды ыстық айларда қажет болған кезде, соның ішінде қыс айларында, жылумен қамтамасыз ету үшін жинауға болады. Өнеркәсіптік процестерден шыққан қалдық жылуды да сақтап, оны кейінірек пайдалану мүмкін, немесе қысқы ауаның табиғи суығын жазғы ауа баптау үшін сақтауға болады. STES дүкендері жылу беру жүйелеріне, сондай-ақ жеке ғимараттарға немесе кешендерге қызмет көрсете алады. Жылу үшін пайдаланылатын маусымдық қоймалар арасында, жобалау бойынша жылдық ең жоғары температура әдетте 0,7 °C шамасында болады, ал бір жыл ішінде қоймада болатын температура айырмашылығы бірнеше ондық градус болуы мүмкін. Кейбір жүйелер жылу сорғысын пайдаланады, ол циклдің бір бөлігі немесе барлық кезеңінде сақтауды зарядтауға және босатуға көмектеседі. Салқындату үшін көбінесе тек қана циркуляциялық насостар қолданылады. Аудандан жылу берудің мысалдары: Дрейк Лэндинг Күн Жамағаты, онда жер астындағы жылу сақтау жылу сорғыларысыз жылдық тұтынудың 97% қамтамасыз етеді, ал Даниядағы көлде сақтауды күшейтеді. Нидерландыда 1000-нан астам АТЕС жүйесі бар, олар қазір стандартты құрылыс нұсқасы болып табылады. Ричард Стоктон колледжінде (Нью-Джерси) бірнеше жылдан бері маңызды жүйе жұмыс істейді. Қабаттар құмнан бастап кристалды қатты тау жынысына дейін болуы мүмкін, ал инженерлік факторларға байланысты тереңдігі арақашықтықтан болуы мүмкін. Термиялық модельдер топырақтағы маусымдық температураның өзгеруін болжау үшін, соның ішінде бір немесе бірнеше жылдық циклдердегі жылудың кіріс пен шығысын сәйкес келтіру арқылы қол жеткізілетін тұрақты температура режимін орнату үшін пайдаланылуы мүмкін. Жылы температуралы маусымдық жылу қоймаларын бұрғылау алаңдарын пайдалану арқылы жазғы уақытта жиналған артық жылуды сақтау үшін, топырақтың үлкен жылу банктерінің температурасын белсенді түрде көтеру үшін, қысқы уақытта жылуды жеңіл (және арзан) алуға болады. Маусым аралық жылу беру бұрғылау алаңдарында құрылған жылу банктеріне жылу беру үшін асфальттық күн коллекторларына салынған құбырларда айналып жатқан суды пайдаланады. Қыста жылу банкінен жылу алу үшін жер асты жылу сорғысы пайдаланылады. Жоғары коэффициент өнімділігі жылу сорғысы жылу қоймасынан жылы температурамен басталғандықтан, жер астынан суық температураның орнына алынады. 1995 жылдан бері Ричард Стоктон колледжінде жұмыс істеп тұрған БТЭС-тің ең жоғарғы деңгейі шамамен 400 бұрғылау орнын құрайды. Оның жылу шығыны алты ай ішінде 2%-ға тең. BTES қоймасының жоғары температурасы BHE үшін пайдаланылатын PEX құбырдың ерекшеліктеріне байланысты, бірақ көпшілігі осы шекке жақындамайды. Бұрғылау орнын геологиялық жағдайларға байланысты сумен немесе шөгіндімен толтыруға болады және әдетте 100 жылдан астам өмір сүру ұзақтығы бар. БТЭС пен оған байланысты жылу беру жүйесі жұмыс бастағаннан кейін, Некарсульмдегідей, Германияда, біртіндеп кеңейтілуі мүмкін. BTES дүкендері жерді пайдалануға кедергі келтірмейді және ғимараттар, ауыл шаруашылығы танаптары мен көлік тұрақтары астында болуы мүмкін. STES-тің бірнеше түрлерінің біріне мысал ретінде маусымдық жылуды сақтау қабілетін жақсы көрсетеді. Канаданың Альберта штатында орналасқан Дрейк Лэндинг күн энергиясы қоғамдастығының үйлері (олар 2007 жылдан бері жұмыс істейді) жыл бойы жылудың 97% -ын гараждардың шатырларында орналасқан күн батареяларынан күн жылуымен қамтамасыз етілетін ауданның жылу жүйесінен алады. Бұл жетістік - әлемдік рекорд - орталық саябақтың астында орналасқан жергілікті тау жыныстарының үлкен массасында маусымдық жылуды сақтау арқылы жүзеге асады. Жылу алмасуы жер астына бұрғыланған 144 бұрғылау нүктелері арқылы жүзеге асады. Әрбір бұрғылау ойығының диаметрі кіші және оның ішінде су айналымы жүргізілетін шағын диаметрлі пластикалық құбырдан жасалған қарапайым жылу алмастырғышы бар. Жылу сорғылары қатысы жоқ. CTES (көңгір немесе шахтаның жылу энергиясын сақтау). STES-ті су басулы шахталарда, арнайы салынған камераларда немесе жер асты мұнай қоймаларында (мысалы, Норвегияда кристалды қатты жыныста қазып алынған) сақтау...
Seasonal thermal energy storage (STES), also known as inter seasonal thermal energy storage,
is the storage of heat or cold for periods of up to several months. The thermal energy can be collected whenever it is available and be used whenever needed, such as in the opposing season. For example, heat from solar collectors or waste heat from air conditioning equipment can be gathered in hot months for space heating use when needed, including during winter months. Waste heat from industrial process can similarly be stored and be used much later
or the natural cold of winter air can be stored for summertime air conditioning. STES stores can serve district heating systems, as well as single buildings or complexes. Among seasonal storages used for heating, the design peak annual temperatures generally are in the range of , and the temperature difference occurring in the storage over the course of a year can be several tens of degrees. Some systems use a heat pump to help charge and discharge the storage during part or all of the cycle. For cooling applications, often only circulation pumps are used. Examples for district heating include Drake Landing Solar Community where ground storage provides 97% of yearly consumption without heat pumps,
and Danish pond storage with boosting. In the Netherlands there are well over 1,000 ATES systems, which are now a standard construction option. A significant system has been operating at Richard Stockton College (New Jersey) for several years. The strata can be anything from sand to crystalline hardrock, and depending on engineering factors the depth can be from Spacings have ranged from Thermal models can be used to predict seasonal temperature variation in the ground, including the establishment of a stable temperature regime which is achieved by matching the inputs and outputs of heat over one or more annual cycles. Warm temperature seasonal heat stores can be created using borehole fields to store surplus heat captured in summer to actively raise the temperature of large thermal banks of soil so that heat can be extracted more easily (and more cheaply) in winter. Interseasonal Heat Transfer uses water circulating in pipes embedded in asphalt solar collectors to transfer heat to Thermal Banks created in borehole fields. A ground source heat pump is used in winter to extract the warmth from the Thermal Bank to provide space heating via underfloor heating. A high Coefficient of performance is obtained because the heat pump starts with a warm temperature of from the thermal store, instead of a cold temperature of from the ground. A BTES operating at Richard Stockton College since 1995 at a peak of about consists of 400 boreholes deep under a parking lot. It has a heat loss of 2% over six months. The upper temperature limit for a BTES store is due to characteristics of the PEX pipe used for BHEs, but most do not approach that limit. Boreholes can be either grout or water filled depending on geological conditions, and usually have a life expectancy in excess of 100 years. Both a BTES and its associated district heating system can be expanded incrementally after operation begins, as at Neckarsulm, Germany. BTES stores generally do not impair use of the land, and can exist under buildings, agricultural fields and parking lots. An example of one of the several kinds of STES illustrates well the capability of interseasonal heat storage. In Alberta, Canada, the homes of the Drake Landing Solar Community (in operation since 2007), get 97% of their year round heat from a district heat system that is supplied by solar heat from solar thermal panels on garage roofs. This feat – a world record – is enabled by interseasonal heat storage in a large mass of native rock that is under a central park. The thermal exchange occurs via a cluster of 144 boreholes, drilled into the earth. Each borehole is in diameter and contains a simple heat exchanger made of small diameter plastic pipe, through which water is circulated. No heat pumps are involved. CTES (cavern or mine thermal energy storage). STES stores are possible in flooded mines, purpose built chambers, or abandoned underground oil stores (e. g. those mined into crystalline hardrock in Norway), if they are close enough to a heat (or cold) source and market. Energy Pilings. During construction of large buildings, BHE heat exchangers much like those used for BTES stores have been spiraled inside the cages of reinforcement bars for pilings, with concrete then poured in place. The pilings and surrounding strata then become the storage medium. GIITS (geo interseasonal insulated thermal storage). During construction of any building with a primary slab floor, an area approximately the footprint of the building to be heated, and > 1 m in depth, is insulated on all 6 sides typically with HDPE closed cell insulation. Pipes are used to transfer solar energy into the insulated area, as well as extracting heat as required on demand. If there is significant internal ground water flow, remedial actions are needed to prevent it.
Жер үсті және жер үсті технологиялары
Қоқыс қоймасы. Данияның көптеген жылу жүйелерінде STES үшін шөгінді және сумен толтырылған, қабырғалы, терең емес шұңқырлар пайдаланылады. Қоймалар оқшаулау қабатымен, содан кейін топырақпен жабылады және ауыл шаруашылығы немесе басқа мақсаттар үшін қолданылады. Данияның Марстал қаласында орналасқан бір жүйеде күн батареяларынан жылумен қамтамасыз етілетін шұңқырлы қойма бар. Бастапқыда ол ауылдың жылытуының 20%-ын қамтамасыз етеді, ал оны екі есеге дейін кеңейту жоспарлануда. 2015 жылы Данияның Войенс қаласында әлемдегі ең үлкен шұңқырлық қойма пайдалануға берілді және күн жылуын әлемдегі ең үлкен күн энергиясымен жұмыс істейтін аудандық жылу жүйесіне жылдық энергияның 50% -ын қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Данияның осы жүйелерінде бір қуат бірлігіне 0,4-тен 0,6 €/кВт/сағатына дейін капитал шығыны жұмсалады. Сумен бірге үлкен көлемдегі жылулық сақтау. Үлкен көлемдегі СТЭС су қоймалары жер үстіне салынып, оқшауланып, содан кейін топырақпен жабылуы мүмкін. Көлденең жылу алмастырғыштар. Шағын қондырғылар үшін ағаштан жасалған пластмасса құбырдан жасалған жылу алмастырғышты STES жасау үшін траншеяға терең жерге көміп қоюға болады. Жермен қоршалған ғимараттар. Жылуды қоршаған топырақта пассив түрде сақтайды. Тұз гидраты технологиясы. Бұл технология суға негізделген жылуды сақтауға қарағанда айтарлықтай жоғары сақтау тығыздығына қол жеткізеді. Термиялық энергияны сақтау: тұз гидраты технологиясы
Конференциялар мен ұйымдар
Халықаралық энергия агенттігінің энергияны сақтау арқылы энергияны сақтау (ECES) бағдарламасы 1981 жылдан бастап үш жылда бір рет әлемдік энергия конференциясын өткізеді. Конференциялардың бастапқыда тек STES-ке ғана бағытталған, бірақ қазір бұл технологиялар жетілгенде басқа тақырыптар, мысалы фазалық өзгерістер материалдары (PCM) және электр энергиясын сақтау да қамтылады. 1985 жылдан бастап әр конференция өз атауының соңында "stock" (жинақтау үшін) деген сөзді пайдаланды; мысалы, EcoStock, ThermaStock. Олар дүниежүзіндегі әртүрлі жерлерде өткізіледі. Соңғылары InnoStock 2012 (Жылу энергиясын сақтау жөніндегі 12-ші халықаралық конференция) Лейдада, Испанияда және GreenStock 2015 Пекинде өтті. 2018 жылдың сәуір айында Түркияның Адана қаласында EnerStock 2018 өткізіледі. IEA ECES бағдарламасы 1978 жылдан 1990 жылға дейін тоқсан сайын жаңалықтар бюллетені шыққан және бастапқыда АҚШ Энергетика министрлігі демеушілігімен ұйымдастырылған бұрынғы Халықаралық жылу энергиясын сақтау жөніндегі кеңестің жұмысын жалғастырады. Бастапқыда ATES Newsletter деп аталатын, ал BTES технологиясы іске асырылғаннан кейін STES Newsletter деп өзгертілді.
Кіші, пассивті жылытылатын ғимараттар үшін STES қолдану
Кішігірім, пассивті жылытылатын ғимараттар әдетте ғимаратқа іргелес жатқан топырақты төмен температуралы маусымдық жылу қоймасы ретінде пайдаланады, ол жылдық циклда ауаның жылдық орташа температурасына ұқсас ең жоғары температураға жетеді, ал температура суық айларда жылыту үшін төмендейді. Мұндай жүйелер ғимараттардың құрылысының ерекшелігі болып табылады, өйткені "дәстүрлі" ғимараттардан кейбір қарапайым, бірақ елеулі айырмашылықтар қажет. Топырақтың тереңдігі шамамен 20 фут (6 м), егер су тарту күннің жылу қалпына келтірудің табиғи қабілетінен аспаса, температура табиғи түрде жыл бойы тұрақты болады. Мұндай сақтау жүйелері жоғарыда сипатталған басқа STES жүйелеріне қарағанда, жыл сайынғы температураның үлкен айырмашылығы бар, жыл бойы сақтау температурасының тар диапазонында жұмыс істейді. 1970 және 1980 жылдары АҚШ-та екі негізгі пассивті күн сәулелі құрылыс технологиясы жасалды. Олар жылумен оқшауланған, ылғалдан қорғалған топыраққа жылуды тікелей өткізеді, бұл жылуды қайтару механизмі ретінде тікелей өткізеді. Бір әдіс бойынша "пассивті жылдық жылуды сақтау" (PAHS), ғимараттың терезелері мен басқа сыртқы беттері күн жылуын ұстап алады, ол едендер, қабырғалар және кейде төбе арқылы өткізгіш арқылы көршілес жылу буферлі топыраққа беріледі. Ішкі кеңістіктер сақтау ортасынан салқын болған кезде жылу тұрғын кеңістікке қайтарылады. Басқа әдіс - жыл сайынғы геотермальдық күн энергиясы (AGS) жылуды жинауға арналған бөлек күн коллекторын пайдаланады. Жиналған жылу сақтау құрылғысына (топырақ, қиыршық тас төсегі немесе су резервуары) жылу беру ортасының (мысалы, ауа немесе су) конвекциясы арқылы пассивті түрде немесе оны сору арқылы белсенді түрде жеткізіледі. Бұл әдіс әдетте алты айға арналған жылу қуатымен жүзеге асырылады. Күндізгі жылуды сақтауды пайдаланудың әлемдегі бірқатар мысалдары: Англияның Шығыс Англиядағы Суффолк Оне колледжінде автобус бұрылатын аймақта көмілген құбырдың жылу коллекторы қолданылып, күн энергиясын жинау үшін, одан кейін әрқайсысы қыста жылыту үшін терең 18 бұрғылау орнында сақталады. Канададағы Дрейк Лэндинг Күн Жарық Қоғамдастығы 52 үйдің гараж төбесінде күн жылу коллекторларын қолданады, содан кейін олар терең бұрғылау шұңқырларында сақталады. Жердің температурасы 70 °C-тан жоғары болуы мүмкін, содан кейін үйлерді пассивті жылыту үшін қолданылады. Бұл бағдарлама 2007 жылдан бері табысты жұмыс істеп келеді. Данияның Бредструп қаласында күн энергиясын жинақтаушы қондырғылар жыл сайын терең бұрғылау орнында сақталған шамамен 4 000 000 кВт-сағат энергияны жинауға пайдаланылады.
Сұйықтықтар инженериясы
Мажарстанның сәулетшісі Матиас Гутай Еуропалық Одақтың грантын алып, сумен толтырылған қабырға панельдерін жылу жинағыштар ретінде және жер асты су қоймалары бар резервуарлар ретінде пайдаланатын үйді салады. Дизайн микропроцессорлық басқаруды қолданады.
Ішкі STES су резервуарлары бар шағын ғимараттар
Бірқатар үйлер мен шағын пәтерлер жылуды сақтау үшін үлкен ішкі су резервуарларын шатырда орнатылған күн жылу коллекторларымен біріктіруді көрсетті. Сақтау температурасы тұрмыстық ыстық суды және үй-жайларды жылытуды қамтамасыз етуге жеткілікті. Бірінші осындай үй 1939 жылы MIT No1 күн үйі болды. 1989 жылы Швейцарияның Обербург қаласында сегіз пәтерлі тұрғын үй салынды, оның үш резервуары ғимаратқа қажет жылудан көп жылу сақтайды. 2011 жылдан бастап бұл жоба жаңа ғимараттарда қайталанады. Берлинде "Жоқ жылу энергиясы үйі" 1997 жылы IEA-ның 13-жолы бойынша энергиясы аз тұрғын үйді демонстрациялау жобасы аясында салынған. Ол суды жертөледегі резервуардың ішіне дейін сақтайды. 2009 жылы Ирландияда ұқсас үлгіде үлгі үлгісі ретінде жасалды. Күн энергиясын сақтау үшін сумен толтырылған резервуар орнатылған, оның айналасы қатты оқшауланған, жыл бойына шығарылған күн құбырларынан жылу сақтау үшін. Бұл жүйе Ирландияның Галвей қаласында әлемдегі алғашқы стандартталған алдын ала жасалған пассивті үйді жылыту үшін тәжірибе ретінде орнатылды. Бұл жылудың қыста электр энергиясын қажет етпейтінін анықтау үшін қажет болды. Шынылауды жақсартудың арқасында "Нульдік жылумен" жылыту ғимараттарын маусымдық энергия сақтаусыз пайдалануға болады.
СТЭС-ті жылыжайларда пайдалану
Сонымен қатар, STES жылыжайларды жылыту үшін де кеңінен қолданылады. ATES - бұл осы қолданба үшін әдетте қолданылатын сақтау түрі. Жазда жылыжай жер асты суымен суытылады, су қоймасындағы "салқын құдықтан" су ағызып алады. Бұл процесте су қыздырылады және су деңгейіндегі "жылы құдыққа" қайтарылады. Жылыжайға жылу қажет болған кезде, мысалы, өсіп-өну кезеңін ұзарту үшін, су жылы құдықтан алынып, жылыту қызметін атқарып жатқанда суытылады және суық құға қайтарылады. Бұл өте тиімді еркін салқындату жүйесі, тек қана циркуляциялық сорғыларды пайдаланады және жылу сорғылары жоқ.