Введение
Складывание тепла или холода на период до нескольких месяцев Складывание сезонной тепловой энергии (ССЭ), также известное как межсезонное хранение тепловой энергии, представляет собой хранение тепла или холода на период до нескольких месяцев. Тепловая энергия может быть собрана, когда она доступна, и использоваться, когда это необходимо, например, в противоположном сезоне. Например, тепло от солнечных коллекторов или отработанное тепло от кондиционеров может собираться в жаркие месяцы для использования в качестве отопления помещений, когда это необходимо, в том числе в зимние месяцы. Отходы тепла от промышленных процессов могут также храниться и использоваться гораздо позже, а естественный холод зимнего воздуха может храниться для летнего кондиционирования воздуха. Магазины STES могут обслуживать системы централизованного отопления, а также отдельные здания или комплексы. Среди сезонных хранилищ, используемых для отопления, проектные пиковые годовые температуры, как правило, находятся в диапазоне от 0 до 100 °C, а разница температур, возникающая в хранилище в течение года, может составлять несколько десятков градусов. Некоторые системы используют тепловой насос для зарядки и разрядки хранилища во время части или всего цикла. Для охлаждения часто используются только циркуляционные насосы. Примеры централизованного отопления включают солнечное сообщество Drake Landing, где наземное хранение обеспечивает 97% годового потребления без тепловых насосов, и датское водоемовое хранение с усилением. В Нидерландах существует более 1000 систем ATES, которые в настоящее время являются стандартным вариантом строительства. В течение нескольких лет в колледже Ричарда Стоктона (штат Нью-Джерси) действует значительная система. Слои могут быть любыми, от песка до кристаллической твердой породы, и в зависимости от инженерных факторов глубина может быть от Расстояния варьировались от Термические модели могут использоваться для прогнозирования сезонных колебаний температуры в земле, включая установление стабильного температурного режима, который достигается путем сопоставления входов и выходов тепла в течение одного или нескольких ежегодных циклов. Для активного повышения температуры больших тепловых банков почвы можно создать сезонные теплохранилища с использованием скважин для хранения избыточного тепла, захваченного летом, чтобы тепло можно было извлечь легче (и дешевле) зимой. Межсезонная передача тепла использует воду, циркулирующую в трубах, встроенных в асфальтовые солнечные коллекторы для передачи тепла в тепловые банки, созданные на месторождениях скважин. Зимой для извлечения тепла из теплового банка используется тепловой насос с наземным источником, чтобы обеспечить отопление помещений через подогрев. Высокий коэффициент производительности получается, потому что тепловой насос начинает с тепловой температуры от теплового хранилища, а не с холодной температуры от земли. BTES, работающая в колледже Ричарда Стоктона с 1995 года, на пике около 400 скважин глубоко под парковкой. У него потеря тепла 2% за шесть месяцев. Верхний предел температуры для хранилища BTES обусловлен характеристиками трубы PEX, используемой для BHE, но большинство из них не приближается к этому пределу. В зависимости от геологических условий скважины могут быть заполнены либо грунтом, либо водой, и обычно их продолжительность жизни превышает 100 лет. Как БТЭС, так и связанная с ним система централизованного отопления могут быть постепенно расширены после начала эксплуатации, как в Неккарсульме, Германия. Склады БТЭС, как правило, не влияют на использование земли и могут находиться под зданиями, сельскохозяйственными полями и парковочными площадками. Пример одного из нескольких видов STES хорошо иллюстрирует возможности межсезонного накопления тепла. В Альберте, Канада, дома солнечной общины Дрейка Лэндинг (в эксплуатации с 2007 года) получают 97% своего круглогодичного тепла от централизованной тепловой системы, которая поставляется солнечным теплом от солнечных тепловых панелей на крышах гаражей. Это достижение - мировой рекорд - возможно благодаря межсезонному накоплению тепла в большой массе местной породы, которая находится под центральным парком. Теплообмен происходит через кластер из 144 скважин, пробуренных в землю. Каждое скважину имеет диаметр и содержит простой теплообменник из пластиковой трубы небольшого диаметра...
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.
Поверхностные и надземные технологии
Складывание. В многих датских системах централизованного отопления для СТЭС используются облицованные, мелкие вырытые ямы, заполненные гравием и водой в качестве хранения. Складочные ямы покрываются слоем изоляции, а затем почвой, и используются для сельского хозяйства или других целей. В Марстале (Дания) есть система, в которой хранится топливо, получаемое от солнечных батарей. Вначале она обеспечивает 20% от круглогодичного потребления тепловой энергии в селе, а затем расширяется до двухкратного объема. Крупнейший в мире хранилище с ямами был введен в эксплуатацию в Войенсе, Дания, в 2015 году, и позволяет солнечному теплу обеспечивать 50% годовой энергии для крупнейшей в мире системы централизованного отопления на солнечной энергии. В этих датских системах можно было достичь капитальных затрат на единицу мощности в размере от 0,4 до 0,6 евро/кВтч. Большое тепловое хранилище с водой. Большие резервуары для хранения воды STES могут быть построены над землей, изолированы, а затем покрыты почвой. Горизонтальные теплообменники. Для небольших установок теплообменник из гофрированной пластиковой трубы может быть неглубоко зарыт в траншею для создания STES. Здания с земляными опорами. Хранит тепло пассивно в окружающей почве. Технология соляного гидрата. Эта технология позволяет достичь значительно более высокой плотности хранения, чем теплохранение на водной основе. См. накопление тепловой энергии: технология соляного гидрата
Конференции и организации
Программа Международного энергетического агентства по сохранению энергии посредством накопления энергии (ECES) проводит ежегодные глобальные энергетические конференции с 1981 года. Первоначально конференции были сосредоточены исключительно на STES, но теперь, когда эти технологии стали более зрелыми, также рассматриваются другие темы, такие как материалы с фазовым сменой (PCM) и хранение электрической энергии. С 1985 года каждая конференция имела "stock" (для хранения) в конце своего названия; например, EcoStock, ThermaStock. Они проводятся в разных местах по всему миру. Последние были InnoStock 2012 (12-я Международная конференция по хранению тепловой энергии) в Лейде, Испания и GreenStock 2015 в Пекине. EnerStock 2018 состоится в Адане, Турция, в апреле 2018 года. Программа IEA ECES продолжает работу предыдущего Международного совета по хранению тепловой энергии, который с 1978 по 1990 год издавал ежеквартальный информационный бюллетень и первоначально финансировался Министерством энергетики США. Изначально информационный бюллетень назывался ATES Newsletter, а после того, как BTES стала осуществимой технологией, он был изменен на STES Newsletter.
Использование STES для небольших зданий с пассивным отоплением
Небольшие пассивно отапливаемые здания обычно используют почву, прилегающую к зданию, в качестве низкотемпературного сезонного теплохранилища, которое в годовом цикле достигает максимальной температуры, аналогичной среднегодовой температуре воздуха, при этом температура снижается для отопления в более холодные месяцы. Такие системы являются особенностью проектирования зданий, поскольку некоторые простые, но значительные отличия от "традиционных" зданий необходимы. На глубине около 20 футов (6 м) в почве температура естественным образом стабильна в течение всего года, если вытяжка не превышает естественную способность солнечного восстановления тепла. Такие системы хранения работают в узком диапазоне температур хранения в течение года, в отличие от других систем STES, описанных выше, для которых предназначены большие годовые температурные различия. Две основные пассивные солнечные технологии строительства были разработаны в США в 1970-х и 1980-х годах. Они используют прямую теплопроводность в теплоизолированную, защищенную от влаги почву и из нее в качестве метода сезонного хранения для отопления помещений, при этом прямая теплопроводность является механизмом возврата тепла. В одном из методов, "пассивное годовое теплохранилище" (PAHS), окна здания и другие внешние поверхности улавливают солнечное тепло, которое передается по проводности через полы, стены и иногда крышу в прилегающую термобуферную почву. Когда внутренние помещения прохладнее, чем среда хранения, тепло возвращается в жилое пространство. Другой метод, "годовой геотермальный солнечный" (AGS), использует отдельный солнечный коллектор для захвата тепла. Собранное тепло поступает в накопительное устройство (почва, гравийное поле или резервуар для воды) либо пассивно, посредством конвекции теплопередающей среды (например, воздуха или воды), либо активно, путем ее перекачивания. Этот метод обычно применяется с мощностью, рассчитанной на шесть месяцев отопления. Некоторые примеры использования солнечных тепловых накопителей со всего мира включают: Suffolk One колледж в Восточной Англии, Англия, который использует тепловой коллектор трубы, закопанный в автобусной зоне поворота, для сбора солнечной энергии, которая затем хранится в 18 скважинах, каждая глубокая для использования в зимнее отопление. Солнечная община Дрейка в Канаде использует солнечные тепловые коллекторы на крышах гаражей 52 домов, которые затем хранятся в ряде глубоких скважин. Температура земли может достигать более 70 °C, что затем используется для пассивного обогрева домов. С 2007 года программа успешно функционирует. В Бредструпе (Дания) некоторые солнечные тепловые коллекторы собирают около 4 000 000 кВт-ч в год, которые также хранятся в ряде глубоких скважин.
Инженерные технологии жидкостей
Архитектор Матиас Гутай получил грант ЕС на строительство дома в Венгрии, в котором используются обширные стенные панели, заполненные водой, в качестве теплособирателей и резервуаров с подземными резервуарами для хранения тепла. В конструкции используется микропроцессорный контроль.
Малые здания с внутренними резервуарами для воды STES
В ряде домов и небольших многоквартирных домов были продемонстрированы сочетания большого внутреннего резервуара для хранения тепла с солнечными тепловыми коллекторами, установленными на крыше. Температура хранения в пределах 0,6 °C достаточна для подачи горячей воды для бытовых нужд и отопления помещений. Первым таким домом был MIT Solar House #1, в 1939 году. В 1989 году в Обербурге (Швейцария) было построено восьмиэтажное жилое здание с тремя резервуарами, которые в общей сложности хранили больше тепла, чем требуется зданию. С 2011 года этот дизайн теперь повторяется в новых зданиях. В Берлине "Дом с нулевым тепловым потреблением" был построен в 1997 году в рамках демонстрационного проекта по строительству малоэнергетических домов по заданию 13 МЭА. Она хранит воду при температуре, доходящей до внутренней части резервуара в подвале. Аналогичный образец был построен в Ирландии в 2009 году в качестве прототипа. Сборник солнечных энергий состоит из резервуара, заполненного водой, который был установлен в земле, сильно изолирован вокруг, для хранения тепла от эвакуированных солнечных труб в течение года. Система была установлена в качестве эксперимента для отопления первого в мире стандартизированного готового пассивного дома в Галвее, Ирландия. Целью было выяснить, будет ли этого тепла достаточно, чтобы исключить необходимость в электричестве в и без того высокоэффективном доме в зимние месяцы. Благодаря улучшениям в остеклении, здания с нулевым отоплением теперь могут работать без сезонного хранения энергии.
Использование STES в теплицах
STES также широко используется для отопления теплиц. ATES - это тип хранения, обычно используемый для этого приложения. Летом теплица охлаждается грунтовой водой, закачиваемой из "холодного колодца" в водоносных слоях. Вода нагревается в процессе и возвращается в "теплый колодец" в водоносных слоях. Когда в теплице требуется тепло, например, для продления вегетационного периода, вода извлекается из теплого колодца, охлаждается, выполняя свою функцию нагрева, и возвращается в холодный колодец. Это очень эффективная система свободного охлаждения, которая использует только циркуляционные насосы и не использует тепловые насосы.