В современном мире, где в ряде стран возрастает роль возобновляемых источников энергии и стремление к устойчивому развитию, теплоснабжение играет ключевую роль. Традиционные системы теплоснабжения часто оказываются неспособными эффективно адаптироваться к изменяющимся условиям спроса и предложения тепла. В этой связи, все большее внимание привлекают теплоаккумулирующие материалы и системы, способные аккумулировать тепловую энергию и высвобождать её по мере необходимости, повышая тем самым гибкость и эффективность теплоснабжения.

Теплоаккумулирующие материалы и системы – это устройства и материалы, предназначенные для временного хранения тепловой энергии с целью её последующего использования. Аналогично термосу, но в гораздо большем масштабе, ТАМС позволяют накапливать избыточное тепло, когда оно доступно, например, от солнечных коллекторов днем или от тепловых электростанций ночью, и использовать его в периоды пиковых нагрузок или, когда источник тепла недоступен. Это позволяет сгладить колебания спроса и предложения тепла, повысить эффективность работы теплогенерирующего оборудования и снизить затраты на топливо. Такие системы становятся важным элементом в создании интеллектуальных и энергоэффективных систем теплоснабжения. Материалы, аккумулирующие ощутимую теплоту, такие как вода, камень или бетон, накапливают тепло за счёт повышения своей температуры. Их ключевые характеристики – теплоёмкость, плотность и теплопроводность [1]. Высокая теплоёмкость позволяет аккумулировать больше тепла при заданном изменении температуры, высокая плотность обеспечивает компактность системы, а высокая теплопроводность способствует эффективному теплообмену.

Материалы, использующие скрытую теплоту плавления, обладают более высокой плотностью энергии, чем материалы, аккумулирующие ощутимую теплоту. Они накапливают и высвобождают тепло при фазовом переходе (плавлении или затвердевании) при практически постоянной температуре. Ключевые характеристики таких материалов – температура плавления, теплота плавления и теплопроводность. Важно, чтобы температура плавления соответствовала требованиям конкретной системы теплоснабжения, а высокая теплота плавления обеспечивала большой объём аккумулируемой энергии. Низкая теплопроводность является существенным недостатком таких материалов и требует применения специальных методов для её повышения, например, добавления теплопроводящих наполнителей или использования микрокапсулирования.

Термохимические материалы аккумулируют тепло за счёт обратимых химических реакций. Их ключевые характеристики – высокая плотность энергии, возможность длительного хранения тепла без потерь и температура реакции. Однако, термохимические материалы требуют сложного оборудования и управления реакцией, что ограничивает их применение.

Выбор теплоаккумулирующих материалов (ТАМ) для конкретной системы теплоснабжения должен основываться на комплексном анализе технических, экономических и экологических факторов. Важно учитывать не только характеристики материала, но и условия эксплуатации, доступность ресурсов и требования к безопасности.

Принцип работы ТАМС основан на использовании физических или химических свойств материалов, позволяющих им поглощать, хранить и высвобождать тепло. Простейшим примером является водяной бак-аккумулятор, где тепло аккумулируется за счет повышения температуры воды (рис. 1). Он является наиболее популярным выбором благодаря своей высокой теплоемкости и доступности [2]. Водяные баки-аккумуляторы широко используются в системах централизованного теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения. Эти системы особенно эффективны в сочетании с когенерационными установками или другими источниками тепла, работающими в непрерывном режиме.

Рисунок. 1. Бак-аккумулятор горячей воды.

Аккумуляторы на основе твердых материалов, таких как камень или бетон, обладают более низкой теплоемкостью, чем вода, но могут аккумулировать тепло при более высоких температурах. Они часто используются в системах солнечного отопления, где тепло от солнечных коллекторов передается на камень или бетон, а затем высвобождается для обогрева помещений. Такие системы требуют хорошей теплоизоляции для минимизации потерь тепла.

Аккумуляция скрытой теплоты плавления представляет собой более эффективный способ хранения тепла, поскольку она позволяет аккумулировать большое количество тепловой энергии при постоянной температуре. В этом случае, тепло аккумулируется за счет фазового перехода материала, например, плавления или затвердевания. Наиболее распространенными материалами, используемыми для аккумулирования скрытой теплоты плавления, являются парафины и соли. Парафины обладают высокой скрытой теплотой плавления и относительно низкой стоимостью, что делает их привлекательными для использования в системах отопления и горячего водоснабжения. Однако, парафины имеют низкую теплопроводность, что может снижать эффективность теплообмена [3].  В таком теплоаккумуляторе эффективный теплообмен обеспечивается змеевиком из гофрированной нержавеющей стали, расположенным внутри и закрепленным на теплопроводном каркасе для равномерного распределения тепла. Такая конструкция заключена в кассету для удобства монтажа и обслуживания: кассеты легко заменяются при необходимости. Соли обладают более высокой теплоемкостью и температурой плавления, чем парафины, что позволяет использовать их в системах централизованного теплоснабжения и промышленных процессах. Соли могут быть более агрессивными к конструкционным материалам, что требует осторожного выбора материалов для теплообменников.

Аккумуляция термохимической энергии является наиболее перспективным, но и наиболее сложным способом хранения тепла. В этом случае, тепло аккумулируется за счет обратимых химических реакций. Преимуществом этого метода является высокая плотность энергии и возможность долговременного хранения тепла без значительных потерь. Примерами термохимических аккумуляторов являются аккумуляторы на основе гидратов солей и аккумуляторы на основе реакций адсорбции. Термохимические аккумуляторы находятся на стадии активных исследований и разработок, и в будущем могут стать ключевым элементом в системах аккумулирования тепла.

Один из наиболее распространённых вариантов использования теплоаккумулирующих систем — это индивидуальные дома и многоквартирные здания. В таких сооружениях устанавливаются системы, способные накапливать избыточное тепло летом и отдавать его зимой. Например, тепло, полученное от солнечных панелей днём, может использоваться для отопления вечером или ночью. Для этого применяются специальные теплоаккумулирующие устройства, содержащие воду, минеральные масла или другие носители тепла. Новейшие разработки предлагают применять теплоаккумулирующие плиты, встроенные в стены или полы зданий. Эти плиты содержат специальную смесь материалов, способных накапливать тепло при комнатной температуре и отдавать его при понижении температуры окружающего пространства. Такое решение улучшает комфорт жильцов и снижает счета за отопление.

Производственные объекты, особенно заводы и фабрики, нуждаются в постоянном доступе к тепловой энергии для обработки материалов и поддержания рабочих температур. В таких случаях теплоаккумулирующие системы позволяют избегать перерывов в работе оборудования и поддерживать постоянный температурный режим. Например, в металлургии теплоаккумулирующие установки обеспечивают стабилизацию температурных режимов плавильных печей, защищая продукцию от дефектов и повышая качество металла.

Применение теплоаккумуляторов в системах теплоснабжения позволяет значительно повысить гибкость таких систем. Под гибкостью систем теплоснабжения имеется ввиду возможность использования различных видов первичного энергоресурса и энергогенерации, а также интеграцию дополнительных источников тепла и аккумулирующих структур. Это способствует устойчивой работе системы в условиях пиковых нагрузок, снижению зависимости от определенного вида топлива и повышению надежности теплоснабжения. В практической эксплуатации теплоаккумулирующие системы способны снижать пиковые тепловые нагрузки до 30%, уменьшая нагрузку на теплообменное и трубопроводное оборудование, а также способствуя сокращению эксплуатационных затрат. Высокие теплотехнические характеристики материалов с фазовым переходом обеспечивают значительное накопление тепла при регулируемых температурах, например, около 55°С для парафиновых аккумуляторов, что особенно эффективно для отопления и горячего водоснабжения индивидуальных домов [4].

Теплоаккумулирующая установка, интегрированная в систему теплоснабжения жилого дома, представляет собой техническое решение, позволяющее временно накапливать избыточную тепловую энергию и использовать её в периоды повышенного спроса или отсутствия внешнего источника тепла (Рис. 2). Такая установка может быть выполнена в виде буферного водяного аккумулятора, модуля на основе фазопереходного материала или гибридной системы, сочетающей несколько принципов аккумуляции. В условиях частного или малоэтажного домостроения теплоаккумулятор обеспечивает стабильную подачу тепла при работе с солнечными коллекторами, тепловыми насосами или твердотопливными котлами, устраняя их цикличность и повышая общую эффективность.

Рисунок. 2. Теплоаккумулирующая установка

Следует отметить, что современные теплоаккумулирующие установки отличаются улучшенными конструктивными решениями, в том числе внедрением теплообменников с бифилярными схемами теплообмена, что увеличивает эффективность использования аккумулирующей способности материала на 40–50% [5]. Это позволяет адаптировать системы теплоснабжения к многотарифному режиму работы электросетей, заряжая аккумуляторы ночью в периоды низкого потребления электроэнергии.

Теплоаккумулирующие материалы связаны с электросетями через использование мульти тарифных режимов работы и балансировку нагрузки. В системах теплоснабжения с теплоаккумуляторами электрическая энергия применяется для нагрева аккумулирующего материала, например, парафина в периоды низкого спроса на электроэнергию, чаще всего ночью, когда тарифы на электроэнергию ниже. Таким образом, аккумуляторы тепла «заряжаются» энергией из электросети, накапливая ее в виде тепловой энергии. Это позволяет снизить пиковые тепловые нагрузки днем, когда спрос на тепло и электроэнергию выше, благодаря последующему использованию накопленного тепла без дополнительного потребления электроэнергии в этот период. Такое сглаживание нагрузки облегчает работу электросети, сокращает необходимость в дорогостоящих и энергоемких пиковых генераторах, повышает общую устойчивость и эффективность энергосистемы. Кроме того, это способствует более рациональному и экономически выгодному использованию электроэнергии и снижению выбросов углерода за счет уменьшения перерасхода энергии [6].

Теплоаккумулирующие материалы и системы являются действенными инструментами повышения гибкости и энергоэффективности теплоснабжения. Они позволяют накапливать и эффективно перераспределять тепловую энергию, сглаживая дисбаланс между её производством и потреблением. Привлечение ТАМС решает проблемы, возникающие при интеграции возобновляемых источников энергии, способствует снижению пиковых нагрузок на тепловые сети и увеличению срока службы оборудования. Внедрение систем в России сталкивается с рядом проблем, но при государственной поддержке, развитии отечественного производства и проведении научных исследований, такие технологии могут сыграть важную роль в переходе к устойчивому и эффективному теплоснабжению. Необходимо активно изучать и внедрять новые технологии ТАМС, чтобы обеспечить надежное и экологически чистое теплоснабжение для всех граждан России, а также способствовать достижению целей устойчивого развития. Обзор существующих материалов показал, что каждый вид ТАМ имеет свои сильные и слабые стороны, что определяет область их применения. Значительную перспективу представляют комбинированные теплоаккумулирующие системы, способные повышать общий КПД и минимизировать потери энергии. Для успешной реализации теплоаккумулирующих технологий необходимо совершенствовать нормативную базу, стимулировать научные исследования и внедрять современные производственные методики.