Poprawa efektywności energetycznej systemu ciepłowniczego poprzez zastosowanie akumulatora PCM

• Autorzy: Turski Michał , Sekret Robert , Trzciński Łukasz

Warianty tytułu

EN

Improving energy efficiency of district heating system by using PCM heat accumulator

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Jednym ze skutecznych sposobów ograniczenia zanieczyszczenia powietrza spowodowanego tzw. niską emisją jest szerokie wykorzystanie systemów ciepłowniczych. Ich efektywność może być jednak ograniczana przez występujące różnice pomiędzy zapotrzebowaniem na ciepło a jego zużyciem przez odbiorców końcowych, co prowadzi do podwyższonej temperatury wody powracającej do źródła. Jednym z rozwiązań tego problemu jest zastosowanie nowoczesnych technologii magazynowania ciepła. Celem przeprowadzonego badania było określenie wpływu zastosowania nowego elementu w systemie ciepłowniczym — akumulatora ciepła z materiałem zmiennofazowym (PCM) — na rozkład temperatury wody powrotnej w węźle cieplnym oraz na poprawę jego wydajności. W ramach analizy dokonano oceny efektywności takiego akumulatora oraz zaproponowano metodę obliczania ilości ciepła przeznaczonego do akumulacji. Za pomocą programu TRNSYS porównano dwa warianty działania węzła cieplnego o mocy 150 kW: bez akumulatora i z jego zastosowaniem. W wyniku użycia akumulatora PCM, różnica średnich temperatur wody powrotnej zmniejszyła się z 7,15 K do 2,29 K. Umożliwiło to magazynowanie 69,5% nadmiarowego ciepła oraz zwiększenie efektywności całego systemu grzewczego o 22%.

EN

One of the effective ways to reduce air pollution caused by low emissions is the widespread use of district heating systems. However, their efficiency can be limited by significant differences in heat demand between the source and end users which leads to an increase in the temperature of water returning to the heat source. One solution to this problem is the %use of modem heat storage technologies. This study aimed to determine the impact of introducing a new component into the heating system—a heat accumulator with phase change material (PCM)—on the return water temperature distribution at the heat substation and on improving overall system efficiency. The analysis included an assessment of the efficiency of such an accumulator and a method for calculating the amount of heat designated for storage. Using the TRNSYS program, two ope ting variants of a 150 kW heat substation were compared: one without the accumulator and one with it. As a result of using _he PCM heat accumulator, the average return water temperature difference decreased from 7.15 K to 2.29 K. This enabled ___he storage of 69.5% of excess heat and increased the efficiency of the entire heating system by 22%.

Słowa kluczowe

PL

system ciepłowniczy; hybrydowe węzły cieplne; magazynowanie ciepła w systemie ciepłowniczym

EN

district heating systems; hybrid substations; PCM; district heating storage

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2025
• Tom: Nr 3
• Strony: 45--51
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys.

Twórcy

autor

Turski Michał

• Politechnika Częstochowska

• https://orcid.org/0000-0002-4341-3062

autor

Sekret Robert

• Politechnika Częstochowska

• https://orcid.org/0000-0003-4694-2717

autor

Trzciński Łukasz

• Politechnika Częstochowska

• https://orcid.org/0000-0002-6064-2633

Bibliografia

• [1] Wojdyga K., Chorzelski M., Rozycka-Wronska E.. Emission of pollutants in flue gases from Polish district heating sources. J of Clean Prod 2014, nr 75, str. 157—165, doi:10.1016/j.jclepro.2014.03.069
• [2] Turski M. Eco-development aspect in modernization of industrial system. E3S Web of Conferences 2018, nr 44 (00 str. 1—8, doi:10.1051/e3sconf/20184400181
• [3] Schmidt D, Kallert A, Blesl M, Svendsen S, Li H, Nord N, Sipila K. Low temperature district heating for future energy systems. Energy Proced 2017, nr 116, str. 26—38
• [4] Kobylecki R., Zarzycki R., Bis Z., Panowski M., Wiński M., Numerical analysis of the combustion of straw and in a stoker boiler with vibrating grate, Energy 2021, nr 222 (119948), https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.1 19948
• [5] Turski M, Sekret R. A method of determining the thermal power demand of buildings connected to the district heatingsystem with usage of heat accumulation. E3S Web of Conferences 2017, nr 22 (00180), str. 1-6, doi: 10.105 l/e3sconf/20172200180
• [6] Gadd H, Werner S. Daily heat load variations in Swedish district heating systems. Appl Energy 2013, nr 106, str. 47-55 doi:10.1016/j.apenergy.2013.01.030
• [7] Dudkiewicz, E.; Laska, M.; F idoréw-Kaprawy, N. Users’ Sensations in the Context of Energy Efficiency Mainte in Public Utility Buildings. Energies 2021, nr 14 (8159). https://doi.org/ 10.3390/en14238159
• [8] Turski M, Sekret R. Conceptual adsorption system of cooling and heating supplied by solar energy. Chem Proces 2016, nr. 37, str. 293—304. doi:10.1515/cpe-2016—0024
• [9] Czajor, D.; Amanowicz, Ł. Methodology for Modemizing Local Gas-Fired District Heating Systems into a Central District Heating System Using Gas-Fired Cogeneration Engines—A Case Study. Sustainability 2024, nr 16 (1401) https://doi.org/10.3390/su16041401
• [10] Cholewa T, Balen I, Siuta-Olcha A. On the influence of local and zonal hydraulic balancing of heating system on 6 savings in existing buildings —Long term experimental research. Energy and Build 2018, nr 179, str. 156-164 doi:10.1016/j.enbuild.2018.09.009
• [11]Orman Ł.] .; Majewski G.; Radek N.; Pietraszek J. Analysis of Thermal Comfort in Intelligent and Traditional Builq Energies 2022, nr 15 (6522). https://doi.org/10.3390/en15186522
• [12]Pinel P, Cruickshank C, Beausoleil—Morrison 1, Wills A. A review of available methods for seasonal storage of thermal energy in residential applications. Renew Sust Energ Rev 2011, nr 15, str. 3341-3359 doi: 10.1016/jrs.er201104. 013
• [13]Haillot D, Franquet E, Gibout S, Bedecarrats J. Optimization of solar DHW system including PCM media. Appl Energ, 2013 2013, nr 109, str 470—475. doi:10 1016/j. apenergy.2012. 09.062
• [14] Felińsk1 P, Sekret R. Effect of PCM application inside an evacuated tube collector on the thermal performance of mestic hot water system. Energy and Build 2017, nr 152, str. 558—567. doi:10.1016/j.enbuild.2017.07.065
• [15] Gadd H, Werner S. 18— Thermal energy storage systems for district heating and cooling. Advances m Thermal El Storage Systems. Methods and Applications. A volume 1n Woodhead Publishing Series 111 Energy 2015, str. 467-478 doi: 10.1533/9781782420965. 4. 467-478
• [16] Lake A, Rezaie B, Beyerlein S. Review of district heating and cooling systems for a sustainable filture. Renew Sustain Energy Rev 2017, nr 67, str. 417—425. doi: 10. 1016/j.rser. 2016 09. 061
• [17] Sayegh M, Danielewicz J, Nannou T, Miniewicz M, Jadwiszczak P, Piekarska K, Jouhara H. Trends of European research and development in district heating technologies Renew Sustain Energy Rev 2017, nr 68, str. 1183—1192.; doi:10.1016/j..rser 2016 02. 023
• [18] Marx R, Bauer D, Drueck H. Energy Efficient Integration of Heat Pumps into Solar District Heating Systems with Seasonal Thermal Energy Storage. Energy Procedia 2014, nr 57, str. 2706—2715 doi:10.1016/j.egypro.2014.10.302
• [19] Cabeża 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. doi:10.1533/9781782420965.1
• [20] Lund R, Ostergaard DS, Yang X, Mathiesen BV. Comparison of Low—temperature District Heating Concepts in a Long- Term Energy System Perspective. International Journal of Sustainable Energy Planning and Management 2017, nr 12, _ str. 5—18. doi:10.5278/ijsepm.2017.12.2
• [21]Bolonina A, Bolonins G, Blumberga D Analysis of the Impact of Decreasing District Heating Supply Temperature on Combined Heat and Power Plant Operation. Environmental and Climate Technologies 2014, nr 14, str. 41—46., doi:10.1515/rtuect-2014-0013
• [22] Sharma A, Tyagi V, Chen C, Buddhi D. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. Renew Sustain Energy Rev 2009, nr 13, str. 318—345. doi:10. 1016/j.rser.2007. 10.005
• [23] Short M, Crosbie T, Dawood M, Dawood N. Load forecasting and dispatch optimisation for decentralized co—generation_ plant with dual energy storage. Appl Energ 2016, nr 186, str. 304—320. doi:10. 1016/j. apenergy. 2016. 04. 052
• [24] Schuchardt GK. Integration of Decentralized Thermal Storages Within District Heating (DH) Networks. Environmental and Climate Technologies 2016, nr 18, str. 5—16. doi: 10.1515/rtuect-2016-0009
• [25] Xu J, Wang RZ, Li Y. A review of available technologies for seasonal thermal energy storage. Sol Energy 2014, nr 103, ? str 610—638. doi:10 1016/j.solener.2013.06.006
• [26] Feliński P, Sekret R. Effect of a low cost parabolic reflector on the charging efficiency of an evacuated tube collector/storage system with a PCM. Solar Energy 2017, nr 144, str. 758—766. doi:10.1016/j.solener.2017.01.073
• [27]Nogaj K, Turski M, Sekret R. The use of substations with PCM heat accumulators in district heating system. MATEC Web of Conferences 201 8, nr 174 (01002). doi: 10. 105 1/matecconf/201 817401002 https://www.e3 s-conferences.org/articles/e3scont7abs/2018/19/e3 sconf_eko-dok201 8_001 8 1/e3 sconf_eko- dok201 8_001 81 .html T_
• [28] PN-EN 12831—1:2017-08 Energy performance of buildings — Method for calculation of the design heat load — Part ]: Space heating load, Module M3— 3

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025).