Сезонное хранение тепловой энергии (СХТЭ), также известное как межсезонное аккумулирование тепловой энергии, представляет собой хранение тепла или холода на периоды до нескольких месяцев. Тепловая энергия может собираться когда она доступна, и использоваться по мере надобности, обычно в противоположный сезон. Например, тепло от солнечных коллекторов или вторичное тепло от оборудования для кондиционирования воздуха может накапливаться в жаркие месяцы для обогрева помещений при необходимости, в том числе в зимние месяцы. Отработанное тепло промышленных процессов аналогичным образом может сохраняться и использоваться гораздо позже, или же естественный холод зимнего воздуха может сохраняться для кондиционирования воздуха в летнее время.
Хранилища СХТЭ могут обслуживать системы централизованного теплоснабжения, а также отдельные здания или комплексы. Среди сезонных накопителей, используемых для отопления, расчетные пиковые годовые температуры обычно находятся в диапазоне 27-80 °C, а разница температур, возникающая в накопителе в течение года, может составлять несколько десятков градусов. В некоторых системах используется тепловой насос для зарядки и разрядки накопителя в течение части или всего цикла. Для систем охлаждения часто используются только циркуляционные насосы.
Примеры централизованного теплоснабжения включают Drake Landing Solar Community, где подземное хранилище обеспечивает 97 % годового потребления без использования тепловых насосов, и датские пруды-накопители с догревом.
Технологии СХТЭ Существует несколько типов технологий сезонного хранения тепловой энергии (СХТЭ), охватывающих широкий спектр применения: от отдельных небольших зданий до муниципальных сетей централизованного теплоснабжения. Как правило, с увеличением масштаба системы её эффективность растет, а удельные затраты на строительство снижаются.
Подземное хранение тепловой энергии
ПХТЭ (подземное хранение тепловой энергии), в котором средой хранения могут выступать геологические пласты — от земли или песка до твердых коренных пород — или водоносные горизонты. Технологии ПХТЭ включают в себя: ВХТЭ (аккумулирование тепловой энергии в водоносных горизонтах). ВХТЭ состоит из установки, объединяющей две или более скважины в глубоком водоносном горизонте, который заключен между водонепроницаемыми геологическими слоями сверху и снизу. Одна половина установки предназначена для извлечения воды, а другая — для обратной закачки, благодаря чему в водоносном горизонте поддерживается гидрологический баланс. Средой хранения тепла (или холода) является вода и субстрат, который она занимает. Здание Рейхстага в Германии с 1999 года отапливается и охлаждается с помощью хранилищ ВХТЭ в двух водоносных горизонтах на разной глубине.В Нидерландах насчитывается более 1000 систем ATES, которые в настоящее время являются стандартным вариантом при строительстве.В колледже Ричарда Стоктона (Нью-Джерси) значимая система эксплуатируется уже несколько лет.Стоимость установки ATES ниже, чем у скважинного аккумулирования тепловой энергии (BTES), поскольку обычно бурится меньше скважин, но ATES имеет более высокие эксплуатационные расходы. Кроме того, для реализации ATES требуются особые подземные условия, включая наличие водоносного горизонта. СХТЭ (скважинное хранение тепловой энергии). Хранилища СХТЭ могут быть построены везде, где можно пробурить скважины, и состоят из одной или сотен вертикальных скважин, обычно диаметром 155 мм. Были построены системы всех размеров, включая множество довольно крупных.Пласты могут быть любыми — от песка до кристаллических твердых пород, и в зависимости от инженерных факторов глубина может составлять 50-300 м. Расстояние между скважинами варьируется 3-8 м. Тепловые модели могут использоваться для прогнозирования сезонных колебаний температуры в грунте, включая установление стабильного температурного режима, который достигается путем сопоставления притока и оттока тепла в течение одного или нескольких годовых циклов. Высокотемпературные сезонные хранилища тепла могут быть созданы с использованием полей скважин для хранения избыточного тепла, накопленного летом, чтобы активно повышать температуру больших тепловых массивов почвы, чтобы зимой тепло можно было извлекать легче (и дешевле). Межсезонная передача тепла использует воду, циркулирующую в трубах, встроенных в асфальтовые солнечные коллекторы, для передачи тепла в тепловые банки, созданные в полях скважин. Зимой используется грунтовый тепловой насос для извлечения тепла из теплового банка для обеспечения отопления помещений через тёплый пол. Высокий коэффициент преобразования достигается за счет того, что тепловой насос начинает работу с теплой температуры 25 °C из теплового хранилища вместо холодной температуры 10 °C из грунта. Система BTES, работающая в колледже Ричарда Стоктона с 1995 года с пиковой температурой около 29|°C, состоит из 400 скважин глубиной 130 м под парковкой площадью 1,4га. Потери тепла составляют 2 % за полгода. Верхний температурный предел для хранилища BTES составляет 85 °C из-за характеристик труб PEX, используемых для скважинных теплообменников, но большинство систем не приближаются к этому пределу. Скважины могут быть заполнены либо цементным раствором, либо водой в зависимости от геологических условий, и обычно имеют срок службы более 100 лет. Как BTES, так и связанную с ней систему централизованного теплоснабжения можно расширять постепенно после начала эксплуатации, как в Некарзульме, Германия.Хранилища BTES обычно не мешают использованию земли и могут располагаться под зданиями, сельскохозяйственными полями и парковками. Пример одного из нескольких видов СХТЭ хорошо иллюстрирует возможности межсезонного хранения тепла. В Альберте, Канада, дома в Drake Landing Solar Community (действует с 2007 года) получают 97 % своего круглогодичного тепла от системы централизованного теплоснабжения, которая питается солнечным теплом от солнечных тепловых панелей на крышах гаражей. Это достижение — мировой рекорд — стало возможным благодаря межсезонному хранению тепла в большом массиве местной горной породы, находящейся под центральным парком. Теплообмен происходит через кластер из 144 скважин, пробуренных на глубину 37м в землю. Каждая скважина имеет диаметр 155мм и содержит простой теплообменник, изготовленный из пластиковой трубы малого диаметра, по которой циркулирует вода. Тепловые насосы не используются. CTES (аккумулирование тепловой энергии в кавернах или шахтах). Хранилища СХТЭ возможны в затопленных шахтах, специально построенных камерах или заброшенных подземных нефтехранилищах (например, в тех, что вырублены в кристаллических твердых породах в Норвегии), если они находятся достаточно близко к источнику тепла (или холода) и рынку сбыта. Энергетические сваи. При строительстве крупных зданий теплообменники BHE, подобные тем, что используются для хранилищ BTES, закручиваются спиралью внутри каркасов из арматурных стержней для свай, после чего заливается бетон. Сваи и окружающие пласты затем становятся средой хранения. GIITS (гео-межсезонное изолированное тепловое хранилище). При строительстве любого здания с основным плитным полом участок, примерно соответствующий площади застройки отапливаемого здания и глубиной более 1 м, изолируется со всех 6 сторон, обычно с помощью изоляции из пенополиэтилена высокой плотности (HDPE) с закрытыми порами. Трубы используются для передачи солнечной энергии в изолированную зону, а также для извлечения тепла по мере необходимости. При наличии значительного внутреннего потока грунтовых вод требуются меры по его предотвращению.
Наземные и надземные технологии Аккумулирующие бассейны. В многих датских системах централизованного теплоснабжения для сезонного хранения тепловой энергии (СХТЭ) используются неглубокие вырытые котлованы с облицовкой, заполненные гравием и водой в качестве накопительной среды. Такие бассейны обычно закрываются изолированной плавающей крышкой для удержания тепла и предотвращения попадания дождевой воды, после чего их иногда интегрируют в окружающий ландшафт. Система в Марстале (Дания) включает в себя аккумулирующий бассейн, тепло в который поступает от поля солнечных термических панелей. Первоначально она обеспечивала 20 % круглогодичного тепла для поселка, а сейчас расширяется, чтобы удвоить этот показатель. Крупнейший в мире аккумулирующий бассейн (200000 ) был введен в эксплуатацию в Войенсе (Дания) в 2015 году; он позволяет солнечному теплу обеспечивать 50 % годовой энергии для крупнейшей в мире системы централизованного теплоснабжения на солнечной энергии.State of Green (undated). World largest thermal pit storage in Vojens . «Огромное хранилище будет эксплуатироваться как межсезонный накопитель тепла, что позволит солнечной тепловой станции поставлять в сеть более 50 % годовой выработки тепла. Остальное тепло будет производиться 3 газовыми двигателями, электрокотлом мощностью 10 МВт, абсорбционным тепловым насосом и газовыми котлами». В этих датских системах удалось достичь капитальных затрат на единицу мощности в размере от 0,4 до 0,6 евро за кВт·ч. Крупномасштабные тепловые аккумуляторы с водой. Крупномасштабные резервуары для хранения воды СХТЭ могут быть построены над землей, изолированы, а затем засыпаны грунтом. Горизонтальные теплообменники. Для небольших установок теплообменник из гофрированной пластиковой трубы может быть неглубоко закопан в траншею для создания системы СХТЭ. Здания с земляной обваловкой. Пассивно накапливают тепло в окружающем грунте. 'Технология кристаллогидратов. Эта технология позволяет достичь значительно более высокой плотности хранения энергии, чем тепловые аккумуляторы на водной основе. См. Тепловое аккумулирование энергии: Технология кристаллогидратов
Использование СХТЭ для небольших зданий с пассивным отоплением Небольшие здания с пассивным отоплением обычно используют прилегающий к зданию грунт в качестве низкотемпературного сезонного хранилища тепла, которое в годовом цикле достигает максимальной температуры, близкой к средней годовой температуре воздуха, при этом температура снижается для отопления в холодные месяцы. Такие системы являются особенностью проектирования зданий, так как необходимы некоторые простые, но существенные отличия от «традиционных» зданий. На глубине около 20 футов (6 м) в почве температура естественным образом стабильна в течение всего года,ICAX (веб-страница, без даты). Среднегодовая температура воздуха определяет температуру в грунте . если отбор тепла не превышает естественную способность к солнечному восстановлению тепла. Такие системы хранения работают в узком диапазоне температур хранения в течение года, в отличие от других систем СХТЭ, описанных выше, для которых предусмотрены большие годовые перепады температур.
В США в 1970-х и 1980-х годах были разработаны две основные технологии пассивных солнечных зданий. Они используют прямую теплопроводность к термически изолированному, защищенному от влаги грунту и от него в качестве метода сезонного хранения для отопления помещений, при этом прямая теплопроводность служит механизмом возврата тепла. В одном методе, «пассивное годовое хранение тепла» (PAHS),EarthShelters (веб-страница, без даты). Улучшение земляного укрытия. Глава 1 в: Пассивное годовое хранение тепла — Улучшение конструкции земляных укрытий окна здания и другие внешние поверхности улавливают солнечное тепло, которое передается посредством теплопроводности через полы, стены, а иногда и крышу в прилегающий термически буферизованный грунт. Когда внутренние помещения холоднее, чем накопительная среда, тепло проводится обратно в жилое пространство.Geery, D. 1982. Solar Greenhouses: UndergroundHait, J. 1983. Passive Annual Heat Storage — Improving the Design of Earth Shelters.