Исследование сезонного подземного теплового аккумулятора в здании с нулевым углеродным следом

ЦЕЛЬЮ данной статьи является анализ эффективности работы сезонного подземного теплового аккумулятора для обеспечения отопления жилого дома и оптимизация режимов его эксплуатации на основе экспериментальных данных 2022-2024 годов. Решение вопроса сезонности этого вида энергии позволит увеличить объёмы выработки энергии и достичь нулевого углеродного следа для энергоэффективных зданий.
ЗНАЧИМОСТЬ. Впервые на экспериментальном уровне оценены реальные режимы работы подземного теплового аккумулятора в сочетании с плоскими солнечными коллекторами в условиях длительного холодного периода. Определен температурный предел безопасной эксплуатации теплового аккумулятора (ТА) с теплоизоляцией из XPS (83,7°C), что позволяет повысить надежность проектирования. Полученные данные использованы для адаптации и уточнения математических моделей в TRNSYS, что повышает точность прогнозирования работы системы. Практическая значимость: достижение снижения энергопотребления на отопление и ГВС до 42% по сравнению с исходным уровнем. Увеличение периода работы отопительной системы без включения теплового насоса – до 20 декабря 2024 года. Подтверждение достижимости нулевого углеродного следа для жилого дома. Возможность применения результатов при проектировании энергоэффективных зданий в условиях холодного климата.
МЕТОДЫ. Экспериментальные измерения температур и энергопотребления оборудования в 2022- 2024 гг. Математическое моделирование тепловых процессов: ANSYS Steady State Thermal – определение максимальной безопасной температуры ТА. TRNSYS – прогнозирование работы системы в зимний период.
РЕЗУЛЬТАТЫ. В результате проведенных экспериментальных и расчетных исследований были осуществлены анализ и оценка данных мониторинга выработки и потребления тепловой энергии. Потребление электрической энергии на отопление и горячее водоснабжение дома за счет использования теплового насоса и солнечных коллекторов снизилось с 4420 кВт·ч в 2022 году до 3050 кВт·ч в 2023 году, т.е. на 31%, а в 2024 году снизилось до 2568 кВт·ч, т.е. на 42%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Использование сезонного подземного теплового аккумулятора и солнечных коллекторов для отопления и ГВС, в сочетании с фотоэлектрическими панелями и электрозарядкой для автомобиля, обеспечило достижение нулевого углеродного следа в 2023 и 2024 гг.

1. Sultanguzin I.A., Kalyakin I.D., Govorin A.V., Khristenko B.A., Yavorovsky Y.V., “Optimization of the energy efficient active house”, in Digests of Conference 3. INGENIUERTAG 2016. Der Fakultat Maschinenbau, Electro- und Energiesysteme Gus- und Osteuropatag. neseff-netzwerktreffen 2016. pp. 8-12 November 2016.

2. Hill B., “Passive house development in Russia”, in the III World Summit Smart Energy Russia, March 2019, Moscow. 95 p.

3. Clarke J., Colclough S., Griffiths P., McLeskey Jr.J.T., A passive house with seasonal solar energy store: in situ data and nu merical modelling // International Journal of Ambient Energy. 2014. Vol. 35. Pp. 37-50.

4. Carbonell D., Philippen D., Haller M.Y., Frank E. “Development and validation of mathematical model for ice storages with heat exchangers that can be de-iced”, ISES Solar World Congress. 2013. Pp. 2342 – 2352.

5. Султангузин И.А., Христенко Б.А., Чайкин В.Ю., Яцюк Т.В., Кругликов Д.А., Яворовский Ю.В., Нечаев А.Н., Скоробатюк А.В. Сезонный аккумулятор теплоты и холода для системы энергоснабжения здания // Журнал СОК, № 3, 2021. С. 44 – 50.

6. Sultanguzin I., Alimgazin A., Chaikin V., Yatsyuk T., Nechaev A. and Skorobatyuk A., “Research and Development of Seasonal Heat and Ice Storage for Energy Supply System of Building”, AIP Conference Proceedings 2650, 030027 (2022); 22 November 2022.

7. Dolgun G. K.., Keçebaş A., Ertürk M., and Daşdemir A. “Optimal insulation of underground spherical tanks for seasonal thermal energy storage applications”, Journal of Energy Storage, vol. 69, 1 October 2023, 107865.

8. Hua W., Xin Lv., Zhang X., Ji Zh., and Zhu J. “Research progress of seasonal thermal energy storage technology based on supercooled phase change materials”, Journal of Energy Storage, vol. 67, 1 September 2023, 107378.

9. Dahash A., Ochs F., Janetti M. B., and Streicher W. “Advances in seasonal thermal energy storage for solar district heating applications: A critical review on large-scale hot-water tank and pit thermal energy storage systems”, Applied Energy, vol. 239, 1, pp. 296-315, April 2019.

10. Mahon H., O'Connor D., Friedrich D., and Hughes B. “A review of thermal energy storage technologies for seasonal loops”, Energy, vol. 239, Part C, 15 January 2022, 122207.

11. Luo Y., Cui D., Hu L., Ochs F., Tosatto A., Xu G., Tian Zh., Dahash A., Yu J., Yuan G., Chen Y., Wang D., Liu Y., and Fan J. “Semi-analytical modeling of large-scale water tank for seasonal thermal storage applications”, Energy and Buildings, vol. 278, 1 January 2023, 112620.

12. Xu G., Hu L., Luo Y., Tian Zh., Deng J., Yuan G., and Fan J. “Numerical modeling and parametric analysis of thermal performance for the large-scale seasonal thermal energy storage”, Energy and Buildings, vol. 275, 15 November 2022, 112459.

13. Beausoleil-Morrison I., Kemery B., Wills A. D., and Meister C. “Design and simulated performance of a solar-thermal system employing seasonal storage for providing the majority of space heating and domestic hot water heating needs to a single-family house in a cold climate”, Solar Energy, Volume 191, October 2019, pp. 57-69.

14. Xu B., Zhang T., Wang S., and Chen Zh. “Dynamic characteristics and energy efficiency evaluation of a novel solar seasonal thermal storage - heating system”, Appl. Therm. Eng., vol. 234, 5 November 2023, 121223.

15. Ma Z., Bao H., Roskilly A.P., “Feasibility study of seasonal solar thermal energy storage in domestic dwellings in the UK. Solar Energy”, vol. 162, 489–499. 2018.

16. C Meister C., and Beausoleil-Morrison I. “Experimental and modelled performance of a buildingscale solar thermal system with seasonal storage water tank”, Solar Energy, vol. 222, pp. 145-159, 1 July 2021.

17. Чайкин В.Ю., Шайхеева А.Р., Султангузин И.А., Яворовский Ю.В., Скоробатюк А.В., Нечаев А.Н. Тепловая изоляция коммуникаций подземного аккумулятора теплоты // Труды Одиннадцатой Всероссийской конференции с Международным участием «Энерго-сбережение - теория и практика». Москва, НИУ «МЭИ», 10 – 14 октября 2022 г., М.: ООО Центр полиграфических услуг «Радуга», 2022. – С. 52-56.

18. Chaikin V.Y., Tsetsgee Ts., Dakkah B. Bo., Sultanguzin I.A., Yavorovsky Yu.V., Nechaev A.N.. “Annual cycle of a seasonal heat accumulator of thermal energy of an energy-efficient house”, Pro-ceedings of the 2023 5th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2022, Moscow, March 16-18, 2023. 5 p.

19. Villasmil W., Fischer L.J., Worlitschek J. “A review and evaluation of thermal insulation materials and methods for thermal energy storage systems”, Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 109, pp. 71 – 84, 2019.

20. Pintanel M.T., Martínez-Gracia A., Uche J., del Amo A., Bayod-Rújula Á.A., Usón S., and Arauzo I. “Energy and environmental benefits of an integrated solar photovoltaic and thermal hybrid, seasonal storage and heat pump system for social housing”, Appl. Therm. Eng., vol. 213, August 2022, 118662.

21. Султангузин И.А., Говорин А.В., Яцюк Т.В., Калякин И.Д., Яворовский Ю.В., Чайкин В.Ю., Бу Дакка Б., Цэцгээ Ц. Достижение нулевого углеродного следа в единой системе «энергоэффективный дом – электромобиль». Часть 1. // Энергосбережение. - 2024. - № 5. –C. 16-22.

22. Султангузин И.А., Говорин А.В., Яцюк Т.В., Калякин И.Д., Яворовский Ю.В., Чайкин В.Ю., Бу Дакка Б., Цэцгээ Ц. Достижение нулевого углеродного следа в единой системе «энергоэффективный дом – электромобиль». Часть 2. // Энергосбережение. - 2024. - № 6. –C. 54-58.

23. Султангузин И. А., Чайкин В. Ю., Яворовский Ю. В., Цэрэндорж Ц., Калякин И. Д., Говорин А. В., Скоробатюк А. В. Система солнечного электроснабжения дома с нулевым углеродным следом // Энергосбережение. – 2025. – № 2. – С. 12-29.