Энергия из земли: белорусские инженеры разработали грунтовый аккумулятор тепла

Как интегрировать в комплексы uST?

Принцип работы грунтового аккумулятора основан на способности земли накапливать и сохранять тепловую энергию. В почву или резервуар закладываются трубы, по которым циркулирует вода или антифриз. При избытке тепла накопитель сохраняет его, а когда возникает потребность в обогреве, отдает.

Технология uST представляет собой перспективную платформу для внедрения такого решения. Конструктивные особенности дают возможность интегрировать вертикальные теплообменники грунтовых аккумуляторов прямо в опорные элементы или в транспортно-инфраструктурные объекты.

Такие характеристики комплексов, как модульность, долговечность и высокая нагрузочная способность, делают их идеальными для интеграции грунтовых накопителей. Например, в теплое время года накопитель принимает энергию, а в холодное – отдает. При необходимости ее можно использовать для отопления станций, технических помещений или близлежащих объектов инфраструктуры.

Кроме того, грунтовые накопители можно использовать для предварительного подогрева аккумуляторных батарей подвижного состава, что увеличит эффективную емкость последних на 15–20% при отрицательных температурах окружающей среды. Все это поможет сократить углеродный след транспорта и снизить эксплуатационные расходы.

Конструкция экспериментального аккумулятора

В основе опытной установки белорусских разработчиков – цилиндрическая емкость объемом 180 литров, заполненная песком. Для минимизации тепловых потерь контейнер оборудован многослойной изоляцией. Боковые стенки защищены слоем пенофола, а торцы утеплены пенопластом.

Теплообмен в агрегате организован через U-образную трубку, расположенную вдоль вертикальной оси накопителя. Нагрев происходит от электрического бойлера через два независимых контура циркуляции.

Разработчики уделили особое внимание системе мониторинга. По всему объему аккумулятора разместили сеть из 50 температурных датчиков – расположили их на пяти уровнях на разном расстоянии от нагревательного элемента. Такая плотная сетка измерений позволила получить детальную картину распределения теплового поля.

От чего зависит КПД?

Экспериментальная программа включала нагрев аккумулятора водой с температурой +42 °С. Это значение было выбрано из-за близости к показателю, который можно получить в условиях эксплуатации без дополнительных устройств нагрева. Белорусские инженеры провели исследование различных режимов охлаждения, включая принудительное и естественное, и дополнительно проанализировали теплопотери при температурных градиентах в диапазоне от +27 до +42 °С.

Лабораторное исследование выявило ключевые факторы, от которых зависит КПД тепловых аккумуляторов. Среди них:

· теплофизические свойства материала аккумулятора;

· геометрические параметры (соотношение объема и площади поверхности);

· качество тепловой изоляции;

· характеристики потоков теплоносителя;

· продолжительность циклов зарядки и разрядки;

· время хранения тепловой энергии;

· конструкция нагревательных элементов.

Серия экспериментов позволила установить, что на КПД аккумулятора также влияет уровень залегания грунтовых вод. А это значит, что в условиях реальной эксплуатации для сохранения высокой эффективности сваи не должны доходить до них.

В ходе исследования инженеры создали и верифицировали математическую модель установки. Это упрощает дальнейшие исследования: для экономии ресурсов физические эксперименты можно заменить численными. Модель грунтового накопителя даст возможность рассчитывать оптимальный объем аккумуляторов для конкретного проекта и оптимизировать расположение теплообменных поверхностей.

Грунтовые аккумуляторы тепла способны коренным образом изменить энергопотребление. Их интеграция с транспортно-инфраструктурными комплексами uST открывает новые возможности для создания экологичной и энергоэффективной логистической инфраструктуры. Симбиоз технологий снижает эксплуатационные расходы, уменьшает углеродный след, а также способствует устойчивому развитию сферы перевозок.