alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2018.01-03.017-025alternative-1261Research ArticleВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКАRENEWABLE ENERGYГЕЛИОСИСТЕМА С СЕЗОННЫМ АККУМУЛЯТОРОМ ТЕПЛОТЫSOLAR SYSTEM WITH SEASONAL THERMAL ENERGY STORAGEПахалуевВ. М.PakhaluevV. M.

д-р техн. наук, профессор кафедры «Атомных станций и возобновляемых источников энергии» Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; действительный член Международной академии наук о природе и обществе

D.Sc. in Engineering, professor at Department of Nuclear Power Plants and Renewable Energy Sources, Urals Federal University; Member of International Academy of Natural and Social Sciences

s.e.shcheklein@urfu.ruЩеклеинС. Е.ShchekleinS. Ye.

д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; действительный член Международной энергетической академии

D.Sc. in Engineering, Professor, the Head of Atomic Stations and Renewable Energy Sources department of Urals Federal University; a member of International Energy Academy

s.e.shcheklein@urfu.ruМатвеевА. В.MatveevA. V.

канд. техн. наук, доцент Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, кафедра «Атомные станции и возобновляемые источники энергии»

Ph.D. in Engineering, Associate Professor of Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Nuclear Power Plants and Renewable Energy Sources Department

s.e.shcheklein@urfu.ruУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the First President of Russia B.N. YeltsinRussian Federation20181203201801-31725Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20182018Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1261

Представлены результаты разработки методики комплексной оценки эффективности системы, включающей в себя солнечные коллекторы, бак-аккумулятор, грунтовый аккумулятор теплоты, а также системы отопления здания. Данная модель нестационарного теплообмена позволяет для различных климатических условий, типов гелиотехнического оборудования, типов систем отопления здания определить площадь и количество солнечных коллекторов и объем сезонного (грунтового) аккумулятора теплоты, обеспечивающих необходимые температурные характеристики здания. Для свойственного в условиях резкоконтинентального климата сезонного изменения приходов солнечной радиации и температуры окружающей среды получены аналитические выражения и выполнено численное исследование времени использования аккумулированной энергии для здания отапливаемой площадью 70 м2 . Показано, что при объеме грунтового аккумулятора тепла 500 м3 и максимальной температуре нагрева 90 ºС запасенной энергии достаточно для обогрева здания системой «теплый пол» более чем на 100 суток. Представлены данные, подтверждающие целесообразность применения солнечных систем теплоснабжения с грунтовым аккумулятором теплоты для суровых климатических условий, характерных для Уральского федерального округа России. Использование грунтовых аккумуляторов теплоты является простым и малозатратным способом переноса во времени (с летнего на зимний период) энергии солнечного излучения, что позволяет существенно сократить затраты органического топлива на обогрев помещений в отопительный период. Наибольшая эффективность использования аккумулированной в грунте энергии достигается благодаря низкотемпературным системам обогрева (теплый пол, воздушное отопление). Представленная методика является достаточно универсальной и может применяться для любых грунтов и накопительных сред, отличающихся от естественного грунта теплофизическими характеристиками (талькохлорит, талькомагнезит, солевые композиции и пр.), а также для других типов тепловых нагрузок, в том числе, для поддержания благоприятного температурного режима в плавательных бассейнах и сельскохозяйственных сооружениях закрытого грунта и пр.

 

The paper presents the results of the development of a methodology for a comprehensive assessment of the system's efficiency, which includes solar collectors, a heat storage tank, a ground heat accumulator, and a building heating system. The model of non-stationary heat exchange makes it possible to determine the area and the number of solar collectors and the volume of a seasonal (ground) heat accumulator for various climatic conditions, types of solar engineering equipment, types of heating systems in the building, providing the necessary temperature characteristics of the building. We have obtained analytical expressions for a seasonal change in solar radiation and ambient temperatures typical for a sharply continental climate, and have made a numerical study of the time of use of the accumulated energy for a building with a heated area of 70 m2 . For a 500 m3 ground heat accumulator with a maximum heating temperature (90 °C), the stored energy is shown to be sufficient for heating the building with a warm floor system for more than 100 days. The paper submits the data confirming expediency of use of solar systems of heat supply with the ground heat accumulator for the severe climatic conditions characteristic of the Ural region of Russia. The use of ground heat accumulators is a simple and low-cost method of transferring solar energy in time (from summer to winter), which allows us to significantly reduce the cost of organic fuel for heating the premises during the heating season. The greatest efficiency of use of the energy accumulated in the ground is achieved when applying low temperature heating systems (underfloor heating, air heating). This technique is quite universal and can be used for any grounds and accumulative environments that differ from the natural ground by thermal physical characteristics (talcochlorite, talcomagnesite, salt compositions, etc.), as well as for other types of thermal loads, such as maintaining a favorable temperature regime in swimming pools and agricultural structures of enclosed soil.

гелиосистемагрунтовый аккумулятортеплопроизводительностьсистема хранения энергиисолнечная радиациячастные домарезкоконтинентальный климатsolar systemseasonal heat accumulatorheat performanceenergy storagesolar radiationprivate housessharply continental climateReferencesKuravi, S. Thermal energy storage technologies and systems for concentrating solar power plants [Text] / S. Kuravi [et al.] // Progress in Energy and Combustion Science. – 2013. – Vol. 39. – Iss. 4. – P. 285–319.Kuravi S., Trahan J., Goswami D.Y., Rahman M.M., Stefanakos E.K. Thermal energy storage technologies and systems for concentrating solar power plants. Progress in Energy and Combustion Science, 2013;39(4):285–319.Zhang, H. Thermal energy storage: Recent developments and practical aspects [Text] / H. Zhang [et al.] // Progress in Energy and Combustion Science. – 2016. – Vol. 53. – P. 1–40.Zhang H., Baeyens J., Cáceres G., Degrève J., Lv Y. Thermal energy storage: Recent developments and practical aspects. Progress in Energy and Combustion Science, 2016;53:1–40.Tian, Y. A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications [Text] / Y. Tian, C. Y. Zhao // Applied Energy. – 2013. – Vol. 104. – P. 538–553.Tian Y., Zhao C.Y. A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications. Applied Energy, 2013;104:538–553.Liu, L. Thermal equilibrium research of solar seasonal storage system coupling with ground-source heat pump [Text] / Long Liu, Neng Zhu, Jing Zhao // Energy. – 2016. – Vol. 99. – P. 83–90.Long Liu, Neng Zhu, Jing Zhao. Thermal equilibrium research of solar seasonal storage system coupling with ground-source heat pump. Energy, 2016;99:83–90.Guruprasad Alva. An overview of thermal energy storage systems [Text] / Guruprasad Alva, Yaxue Lin, Guiyin Fang // Energy. – 2018. – Vol. 144. – P. 341–378.Kharchenko N.V. Individual solar installation (Individual'nye solnechnye ustanovki). Moscow: Energoatomizdat Publ., 1991 (in Russ.).Xu, J. A review of available technologies for seasonal thermal energy storage [Text] / J. Xu, R.Z. Wang, Y. Li // Sol. Energy. – 2014. – Vol. 103. – P. 610– 638.Guruprasad Alva, Yaxue Lin, Guiyin Fang. An overview of thermal energy storage systems. Energy, 2018;144:341–378.Guruprasad Alva. Thermal energy storage materials and systems for solar energy applications [Text] / Guruprasad Alva, Lingkun Liu, Xiang Huang, Guiyin Fang // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – Vol. 68. – Part 1. – P. 693–706.Xu J., Wang R.Z., Li Y. An overview of thermal energy storage systems. Sol. Energy, 2014;103:610–638.Bauer, D. German central solar heating plants with seasonal heat storage [Text] / D. Bauer [et al.] // Sol. Energy. – 2010. – Vol. 84. – P. 612–623.Guruprasad Alva, Lingkun Liu, Xiang Huang, Guiyin Fang. Thermal energy storage materials and systems for solar energy applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017;68(1):693–706.Benli, H. Performance analysis of a latent heat storage system with phase change material for new designed solar collectors in greenhouse heating [Text] / H. Benli, A. Durmus // Sol. Energy. – 2009. – Vol. 83. – P. 2109–2119.Bauer D., Marx R., Nußbicker-Lux J., Ochs F., Heidemann W., Mu¨ller-Steinhagen H. German central solar heating plants with seasonal heat storage. Sol. Energy, 2010;84:612–623.Benli, H. Energetic performance analysis of a ground-source heat pump system with latent heat storage for a greenhouse heating / H. Benli // Energy Convers. Manage. – 2011. – Vol. 52. – P. 581–589.Benli H., Durmus A. Performance analysis of a latent heat storage system with phase change material for new designed solar collectors in greenhouse heating. Sol. Energy, 2009;83:2109–2119.Berroug, F. Thermal performance of a greenhouse with a phase change material north wall [Text] / F. Berroug [et al.] // Energy Build. – 2011. – Vol. 43. – P. 3027–3035.Benli, H., Energetic performance analysis of a ground-source heat pump system with latent heat storage for a greenhouse heating. Energy Convers. Manage, 2011;52:581–589.Satu Paiho. Energy and emission analyses of solar assisted local energy solutions with seasonal heat storage in a Finnish case district [Text] / Satu Paiho, Ha Hoang, Mari Hukkalainen // Renewable Energy. – 2017. – Vol. 107. – P. 147–155.Berroug F., Lakhal E.K., El Omari M., Faraji M., El Qarnia H. Thermal performance of a greenhouse with a phase change material north wall. Energy Build, 2011;43:3027–3035.XiaoWang. Experimental study of a solar-assisted ground-coupled heat pump system with solar seasonal thermal storage in severe cold areas [Text] / XiaoWang [et al.] // Energy and Buildings. – 2010. – Vol. 42. – Iss. 11. – P. 2104–2110.Paiho S., Hoang H., Hukkalainen M. Energy and emission analyses of solar assisted local energy solutions with seasonal heat storage in a Finnish case district. Renewable Energy, 2017;107:147–155.Belén Zalba. Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications [Text] / Belén Zalba [et al.] // Applied Thermal Engineering. – 2003. – Vol. 23. – Iss. 3. – P. 251–283.Wang X., Zheng M., Zhang W., Zhang S., Yang T. Experimental study of a solar-assisted ground-coupled heat pump system with solar seasonal thermal storage in severe cold areas. Energy and Buildings, 2010;42(11)2104–2110.Atul Sharma. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications [Text] / Atul Sharma [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2009. – Vol. 13. – Iss. 2. – P. 318–345.Zalba B., Cabeza L.F., Mehling H. Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications. Applied Thermal Engineering, 2003;23(3):251–283.Анисимов, А. Энергосберегающие отопительные приборы из Карелии (теплоаккумуляторы) [Текст] / А. Анисимов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2004. – № 5. – С. 44–46.Sharma A., Tyagi V.V., Chen C.R., Buddhi D. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009;13(2):318–345.Высочин, В.В. Математическая модель гелиосистемы с сезонным аккумулятором тепла [Текст] / В.В. Высочин // Труды Одесского политехнического университета. – 2011. – Вып. 2 (36). – С. 125–129.Anisimov A. Energy-efficient heating appliances from Karelia (thermal receivers). (Energosberegayushchie otopitel'nye pribory iz Karelii (teploakkumulyatory). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2004;5(10)44–46 (in Russ.).Высочин, В.В. Влияние размеров сезонного аккумулятора тепла на автономность работы гелиосистемы [Текст] / В. В. Высочин // Труды Одесского политехнического университета. – 2012. – Вып. 1 (36). – С. 129–132.Vysochin V.V. Mathematical model of solar collectors with seasonal heat accumulator (Matematicheskaya model' geliosistemy s sezonnym akkumulyatorom tepla). Trudy Odesskogo politekhnicheskogo universiteta, 2011;2(36)125–129 (in Russ.).Бекман, Б. Тепловое аккумулирование энергии [Текст] / Б. Бекман, П. Гилли. – Пер. с английского. М.: изд. Мир, 1987. – 272 с.Vysochin V.V. Influence of seasonal heat battery sizes at the battery life of the solar system (Vliyanie razmerov sezonnogo akkumulyatora tepla na avtonomnost' raboty geliosistemy). Trudy Odesskogo politekhnicheskogo universiteta, 2012;1(36)129–132 (in Russ.).Kroll, J.A. The use of ground heat storages and evacuated tube solar collectors for meeting the annual heating demand of family-sized houses [Text] / J.A. Kroll, F. Ziegler // Solar Energy. – 2011. – Vol. 85. – Iss. 11. – P. 2611–2621.Beckmann G., Gilli P. Thermal energy storage (Teplovoye akkumulirovaniye energii). Moscow: Mir Publ., 1987 (in Russ.).Научно-прикладной справочник по климату СССР: серия 3 многолетние данные, части 1–6, выпуск 9 Пермская, Свердловская, Челябинская, Курганская области, Башкирская АССР, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1990. – 557 с.Kroll J.A., Ziegler F. The use of ground heat storages and evacuated tube solar collectors for meeting the annual heating demand of family-sized houses. Sol. Energy, 2011;85(11):2611–2621.Пехович, А.И. Расчет теплового режима твердых тел [Текст] / А.И. Пехович, В.М. Жидких. – Ленинград: Энергия, 1976. – 352 с.Scientific-applied climate guide USSR // 3 perennial data series, parts 1–6, no. 9 Perm, Sverdlovsk, Chelyabinsk, Kurgan region, Bashkir Autonomous Soviet Socialist Republic (Nauchno-prikladnoi spravochnik po klimatu SSSR // seriya 3 mnogoletnie dannye: Permskaya, Sverdlovskaya, Chelyabinskaya, Kurganskaya oblasti, Bashkirskaya ASSR), Leningrad: Gidrometeoizdat Publ., 1990 (in Russ.).Nemś, M. Validation of a new concept of a solar air heating system with a long-term granite storage bed for a single-family house [Text] / M. Nemś [et al.] // Applied Energy. – 2018. – Vol. 215. – P. 384–395.Pekhovich A.I. Thermal calculation of solids (Raschet teplovogo rezhima tverdykh tel). Leningrad: Energiya Publ., 1976 (in Russ.).Reyes, A. Design and evaluation of a heat exchanger that uses paraffin wax and recycled materials as solar energyaccumulator [Text] / A. Reyes [et al.] // Energy Conversion and Management. – 2014. – Vol. 88 – P. 391–398Nemś M., Kasperski J., Nemś A., Bać A. Validation of a new concept of a solar air heating system with a long-term granite storage bed for a single-family house. Applied Energy, 2018;215:384–395.Reyes A., Negrete D., Mahn A., Sepúlveda F. Design and evaluation of a heat exchanger that uses paraffin wax and recycled materials as solar energyaccumulator. Energy Conversion and Management, 2014;88:391–398.Reyes A., Negrete D., Mahn A., Sepúlveda F. Design and evaluation of a heat exchanger that uses paraffin wax and recycled materials as solar energyaccumulator. Energy Conversion and Management, 2014;88:391–398.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.