Potencjał magazynowania ciepła akumulatorów PCM w miejskim systemie ciepłowniczym w układzie rozproszonym

• Autorzy: Turski Michał

Warianty tytułu

EN

Heat storage potential of dispersed PCM accumulators in a district heating system

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono potencjał magazynowania ciepła akumulatorów PCM w miejskim systemie ciepłowniczym w układzie rozproszonym. Wyróżniono teoretyczny i techniczny potencjał magazynowania ciepła. Teoretyczny potencjał magazynowania ciepła został zdefiniowany jako całkowity, dobowy potencjał magazynowania ciepła dla węzłów ciepłowniczych, a techniczny potencjał jako ilość ciepła możliwego do zmagazynowania z wykorzystaniem materiału zmiennofazowego. Wyniki technicznego potencjału magazynowania ciepła są właściwe dla PCM uwodnionego trisiarczanu sodu Na2S2O3·5H2O oraz dla parafiny z 25 atomami węgla. Badania zostały przeprowadzone dla systemu ciepłowniczego o parametrach zasilania i powrotu 120/60°C w zakresie mocy węzłów cieplnych do 2000 kW oraz w zakresie względnych wartości ciepła nieodebranego przez użytkowników do 50%. Badania obejmowały wyznaczenie charakterystyk pracy systemu ciepłowniczego z zastosowaniem symulacji w programie TRNSYS dla wybranego okresu sezonu grzewczego. Symulacje zastosowania magazynowania ciepła w sieci ciepłowniczej zostały przeprowadzone w odniesieniu do godzinowych wartości temperatury powietrza zewnętrznego dla roku standardowego. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że na zasadność zastosowania akumulatorów ciepła PCM w miejskim systemie ciepłowniczym w układzie rozproszonym wskazują wyniki dotyczące technicznego, średniodobowego potencjału magazynowania ciepła wynoszące ok. 50–60% całkowitej ilości ciepła możliwego do zmagazynowania w sieci ciepłowniczej. Ten poziom zmniejszenia strat ciepła systemu ciepłowniczego niewątpliwie przyczyniłby się do istotnej poprawy jego efektywności.

EN

The article presents the heat storage potential of dispersed PCM accumulators in a district heating system. The theoretical and technical potential of heat storage were distinguished. The theoretical heat storage potential was defined as the total daily heat storage potential for district heating substations, and the technical potential was defined as the amount of heat that could be stored using a phase change material. The results of the technical heat storage potential are adequate for PCM hydrated sodium trisulfate Na 2 S 2 O 3 · 5H 2 O and for paraffin with 25 carbon atoms. The tests were carried out for a heating system with the supply and return parameters of 120/60°C in the heat output range of heating substations up to 2000 kW and in the range of relative heat values not collected by users up to 50%. The research included determining the operating characteristics of the district heating system with the use of simulations in the TRNSYS software for the selected period of the heating season. The simulations of the use of heat storage in the district heating network were carried out in relation to the hourly values of the external air temperature for the standard meteorological year. On the basis of the conducted research, it was found that the validity of the use of dispersed PCM heat accumulators in a district heating system is indicated by the results concerning the technical, average-daily heat storage potential in the range of approx. 50–60% of the total amount of heat that can be stored in the district heating network. This level of heat losses reduction in the district heating system would undoubtedly contribute to a significant improvement in its efficiency.

Słowa kluczowe

PL

magazynowanie ciepła; rozproszone akumulatory ciepła PCM; miejskie systemy ciepłownicze

EN

heat storage; dispersed PCM heat accumulators; district heating systems

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2021
• Tom: Nr 6
• Strony: 36--43
• Opis fizyczny: Bibliogr. 48 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Turski Michał

• Politechnika Częstochowska

Bibliografia

• [1] Browne M.C., Lawlor K., Kelly A., et al.: Indoor characterisation of a photovoltaic thermal phase change material system. Energy Procedia 2015, nr 70, str. 163-171.
• [2] Cabeza L., Ibanez M., Sole C., Roca J., Nogues M.: Experimentation with a water tank including a PCM module. Solar Energy Materials & Solar Cells 2006, nr 90, str. 1273-1282.
• [3] Cabeza L., Martorell I., Miro L., Fernandez A., Barreneche C.: Introduction to thermal energy storage (TES) systems. Advances in Thermal Energy Storage Systems, A volume in Woodhead Publishing Series in Energy 2015, str. 1-28.
• [4] Chan C.W., Ling-Chin J., Roskilly A.P.: A review of chemical heat pumps, thermodynamic cycles and thermal energy storage technologies for low grade heat utilisation. Applied Thermal Engineering 2013, nr 50, str. 1257-1273.
• [5] Chwieduk D.: Solar energy use for thermal application in Poland. Polish Journal of Environmental Studies 2010, nr 19, str. 473-478.
• [6] Deckert M., Scholz R., Binder S., Hornung A.: Economic efficiency of mobile latent heat storages. Energy Procedia 2014, nr 46:, str. 171-177.
• [7] De Carli M., et al.: Energetic and economic aspects of a heating and cooling district in a mild climate based on closed loop ground source heat pump. Applied Thermal Engineering 2014, nr 71, str. 895-904.
• [8] Dhaidan N., Khodadadi J.: Melting and convection of phase change materials in different shape containers: A review. Renewable & Sustainable Energy Reviews 2015, nr 43, str. 449-477.
• [9] Drmardiros V., Chen Y., Athienitis A.K.: Modelling of an active PCM thermal energy storage for control appications. Energy Procedia 2015, nr 78, str. 1690-1695.
• [10] Feliński P., Turski M., Sekret R.: Magazynowanie ciepła niskotemperaturowego powstałego w wyniku konwersji fototermicznej. Część II. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 2013, nr 11, str. 466-471.
• [11] Fernandez A.I., et al.: Selection of materials with potential in thermal energy storage. In: Heat and Cold Storage with PCM. Springer, Berlin 2008.
• [12] Jaworski M.: Materiały zmiennofazowe PCM do zastosowań w budownictwie. Polska Energetyka Słoneczna 2009, nr 04-06, str. 47-50.
• [13] Jing Z., Jiang X., Wu Q., Tang W., Hua B.: Modelling and optimal operation of a small-scale integrated energy based district heating and cooling system. Energy 2014, nr 73, str. 399-415.
• [14] Khan M.R., Swierczynski M.J., Kær S.K.: Towards an ultimate battery thermal management. Lithium Ion Battery 2017, nr 3.
• [15] Klemm T., et al.: Thermal energy storage with phase change materials to increase the efficiency of solar photovoltaic modules. Energy Procedia 2017, nr 135, str. 193-202.
• [16] Krzywanski J., et al.: Heat transfer in fluidized and fixed beds of adsorption chillers. E3S Web of Conferences 2019, nr 128, str. 1-4.
• [17] Kufel J.: Marże w przemyśle spożywczym krajów Unii Europejskiej a wahania koniunktury gospodarczej. Zeszyty Naukowe Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie. Problemy Rolnictwa Światowego 2014, nr 14, str. 130-139.
• [18] Kurpaska S., Latała H., Rutkowski K.: Magazynowanie nadwyżki ciepła z tunelu foliowego w akumulatorze ze złożem kamiennym. Inżynieria Rolnicza 2012, nr 2, str. 157-167.
• [19] Kuznik F., Johannes K., David D.: Integrating phase change materials (PCMs) in thermal energy storage systems for buildings. In: Advances in Thermal Energy Storage Systems. Woodhead Publication, United Kingdom 2015, str. 325-353.
• [20] Kwestarz M. Rola centralnych zasobników ciepła w miejskich systemach ciepłowniczych. VIII Forum Ciepłowników Polskich, Międzyzdroje 13-15 Września 2004, str. 226-231.
• [21] Lauck J.S.: Evaluation of phase change materials for cooling in a super-insulated passive house. Portland State University PDXScholar, Portland 2013, nr 10.
• [22] Nayak A.O., Gowtham, Vinod R., Ramkumar G.: Analysis of PCM material in thermal energy storage system. International Journal of Environmental Science and Development 2011, nr 2, str. 437-441.
• [23] Nemś M., Nemś A. Mobilne akumulatory ciepła. Instal 2016, nr 4, str. 18-24.
• [24] Nogaj K., Turski M., Sekret R.: The influence of using heat storage with PCM on inlet and outlet temperatures in substation in DHS. E3S Web of Conferences 2017, nr 22 (00124).
• [25] Nogaj K., Turski M., Sekret R.: The use of substations with PCM heat accumulators in district heating system. MATEC Web of Conferences 2018, nr174 (01002).
• [26] Nogaj K., Turski M., Sekret R.: Wykorzystanie materiałów zmiennofazowych PCM do akumulacji ciepła w systemach ciepłowniczych. Część II. Analiza wybranej sieci ciepłowniczej. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 2017, nr 49, str. 91-95.
• [27] Ravikumar M., Srinivasan P.S.S.: Phase change material as a thermal energy storage material for cooling of building. Journal of Information Technology Theory and Application 2005-2008, nr 1.
• [28] Al Shannaq R., Farid M.M.: Microencapsulation of phase change materials (PCMs) for thermal energy storage systems. In: Advances in Thermal Energy Storage Systems. Woodhead Publication, United Kingdom 2015, str. 247-284.
• [29] Sharma A., Tyagi V., Chen C., Buddhi D.: Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. Renewable & Sustainable Energy Reviews 2009, nr 13, str. 318-345.
• [30] Streicher W., et al.: Results of IEA SHC Task 32: Subtask C: Phase Change Materials: Advanced storage concepts for solar and low energy buildings. IEA-SHC 2008, nr 1.
• [31] Sztekler K., et al.: Performance evaluation of a single-stage two-bed adsorption chiller with desalination function. Journal of Energy Resources Technology 2020; nr 19, str. 1-22.
• [32] Szulc P., Smykowski D., Tietze T., Sitka A., Redzicki R.: Teoretyczne i eksperymentalne badania akumulatora ciepła z materiałem zmiennofazowym. Rynek Energii 2021, nr 3(154), str. 73-78.
• [33] Turski M.: Dobór i efekt zastosowania zmiennofazowego akumulatora ciepła w miejskim systemie ciepłowniczym. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 2020.
• [34] Turski M., Jachura A.: Energetyczne, ekonomiczne i środowiskowe aspekty magazynowania ciepła w systemie ciepłowniczym. Rynek Energii 2021, nr 4, str. 52-60.
• [35] Turski M., Nogaj K., Sekret R. The use of a PCM heat accumulator to improve the efficiency of the district heating substation. Energy 2019, nr 187, str. 1-13.
• [36] Turski M., Sekret R.: Conceptual adsorption system of cooling and heating supplied by solar Energy. Chemical and Process Engineering 2016, nr 37, str. 293-304.
• [37] Turski M., Sekret R.: A method of determining the thermal power demand of buildings connected to the district heating system with usage of heat accumulation” E3S Web of Conferences 2017, nr 22, str. 1-6.
• [38] Turski M., Sekret R.: Nowe rozwiązania dla hybrydowych systemów zaopatrzenia budynków w energię. Rynek Energii 2016, nr 1(122), str. 66-74.
• [39] Turski M., Sekret R.: Konieczność reorganizacji systemów ciepłowniczych w świetle zmian zachodzących w sektorze budowlano-instalacyjnym. Rynek Energii 2015, nr 4, str. 27-34.
• [40] Turski M., Sekret R.: Nowe rozwiązania dla hybrydowych systemów zaopatrzenia budynków w energię. Rynek Ciepła, Materiały i studia 2015, str. 23-38.
• [41] Wenzhen C., et al.: Application of phase change materials for thermal energy storage in concentrated solar thermal power plants: A review to recent developments. Heat and Mass Transfer 2008, nr 44, str. 281-286.
• [42] Wiśniewska H.: Krajowe działania w obszarze efektywności energetycznej systemów ciepłowniczych. Interdyscyplinarne Zagadnienia w Inżynierii i Ochronie Środowiska. Tom 6. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2015, str. 437-446.
• [43] Xu J., Wang R., Li Y.: A review of available technologies for seasonal thermal energy storage. Solar Energy 2014, nr 103, str. 610-638.
• [44] Yanine F., Caballero F., Sauma E., Córdova F.: Building sustainable energy systems: Homeostatic control of grid-connected microgrids, as a means to reconcile power supply and energy demand response management. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2014, nr 40, str. 1168-1191.
• [45] Zhai Z., Abarr M., Al-Saadi S., Yate P.: Energy storage technologies for residential buildings. Journal of Architectural Engineering 2014, nr 20, str. 646-655.
• [46] Zhou D., Zhao C., Tian Y.: Review on thermal energy storage with phase change materials (PCMs) in building applications. Applied Energy 2012, nr 92, str. 593-605.
• [47] Zwierzchowski R.: Analiza układów hydraulicznych w elektrociepłowniach i ciepłowniach z akumulatorem ciepła. Prace naukowe Politechniki Warszawskiej. Inżynieria Środowiska 2013, nr 64.
• [48] 72/21/PU - „Ciepłownia Przyszłości, czyli system ciepłowniczy z OZE", NCBiR

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).