Грунтовый аккумулятор тепла: от расчетов к проектным решениям

Почему именно песок?

Грунтовые аккумуляторы используют способность почвы накапливать и сохранять тепло. В лабораторном стенде для этого применили емкость объемом 180 л, заполненную песком. Выбор материала был практичным: песок широко распространен и фактически присутствует в любом грунте. Это означает, что подобные аккумуляторы можно размещать практически в любой точке – используя естественный слой почвы без подбора специальных материалов.

Объем задействованного грунта напрямую определяет, сколько энергии система способна накопить. Физические свойства песка хорошо изучены, поэтому инженеры могут точно рассчитывать распределение энергии внутри массива, оценивать потери по краям конструкции и общую эффективность системы.

Внутри емкости почти 300 кг песка, который и выступает аккумулирующей средой. Тепло подается через U-образную трубку, установленную по вертикальной оси емкости. Система разделена на два контура: один отвечает за поддержание температуры теплоносителя, второй – за теплообмен с песком. Для разрядки аккумулятора используется радиатор с принудительным воздушным охлаждением. Он помогает моделировать передачу накопленного ресурса потребителю.

Справка

Параметры аккумулятора – его мощность и емкость – всегда определяются конкретной прикладной задачей. В данном исследовании инженеры не просто подбирали готовое решение, а создавали модель работы установки, чтобы изучить динамику процессов зарядки и разрядки. 

Полученные данные стали основой для практических расчетов. Так, для предварительного прогрева аккумуляторной батареи юнимобиля можно точно определить необходимую мощность накопителя и изготовить устройство с заданными характеристиками. 

По тому же принципу разрабатываются решения для объектов любого масштаба – от отдельных компонентов до сложных системных комплексов.

подробнее

Особое внимание инженеры уделили изоляционному контуру. Изначально боковые стенки аккумулятора были утеплены пенофолом, а торцы – пенопластом. Чтобы снизить потери при хранении, специалисты добавили второй слой изоляции. Это очень важно, ведь если утечки не контролируются, любые выводы об эффективности становятся формальными. 

Измерительная система: 50 точек вместо одного датчика

Уровень нагревания измеряли в 50 точках: по 10 датчиков разместили на пяти ступенях. Такая схема позволила получить детальную картину распределения энергии внутри устройства: увидеть, как прогреваются зоны вблизи теплообменника, как формируется температурный градиент. Кроме того, разработчики контролировали поверхность изоляции с помощью тепловизора. Это помогло им увидеть зоны с повышенными потерями – патрубки, соединения – и неоднородную структуру изоляционного слоя. 

В ходе исследований специалисты изменяли температуру воды для нагревания аккумулятора. Она варьировала от 27 до 42 °С – это типичный диапазон для тепла, отводимого вентиляционными системами и инженерным оборудованием.

Исследование показало, что зоны, расположенные ближе к теплообменной трубке, прогреваются быстрее. По мере накопления энергии процесс замедляется и перепад между уровнями нагрева воды и песка уменьшается. При этом распределение по высоте оказалось неравномерным: верхние слои теряют энергию через крышку, а нижние – через дно конструкции и узлы, контактирующие с окружающей средой. Даже в лабораторной модели из-за этих потерь формируется заметная разница температур, которую важно учитывать при масштабировании разработки.

Работу устройства нельзя свести к одному коэффициенту эффективности. Важны сразу несколько параметров: время на зарядку, способность сохранять энергию, мощность отдачи тепла и объем потерь при этом. Эксперимент показал, что решающую роль здесь играют качество изоляции и пауза между зарядкой и использованием накопленного ресурса. Кроме того, инженеры установили, что на эффективность аккумулятора влияет уровень залегания грунтовых вод. 

Чтобы избежать ошибок, лабораторные испытания дополнили компьютерным моделированием. Расчетную модель установки верифицировали по данным измерений – расхождение между расчетом и экспериментом оказалось меньше 5%. Это означает, что модель можно использовать для прогнозирования: оценивать потери при хранении, подбирать размеры накопителя и оптимизировать конструкцию без повторения трудоемких испытаний.

Полученные данные позволяют рассматривать грунтовый аккумулятор как прикладное инженерное решение для объектов с постоянным тепловыделением и энергопотреблением. Именно к таким относятся транспортно-инфраструктурные комплексы uST, где планируется применять эту технологию.

Интеграция грунтовых аккумуляторов в рельсо-струнные инфраструктурные комплексы 

В основе струнного транспорта – эстакада с беспилотным подвижным составом. Конструктивные особенности путевой структуры и опор позволяют интегрировать вертикальные теплообменники непосредственно в несущие элементы или в состав станционных и сервисных объектов без изменения их функционального назначения. Например, летом устройство накапливает энергию, а зимой – возвращает ее в систему. Полученное тепло можно использовать для отопления станций и технических помещений, а также направлять на предварительный подогрев батареи, что при отрицательных температурах повышает их эффективную емкость на 15-20%.

Интеграция грунтовых аккумуляторов в транспортные комплексы позволяет по-другому выстроить работу с энергией: сократить потери, снизить эксплуатационные расходы и рациональнее использовать уже доступные ресурсы.

Перспективы применения данной разработки выходят далеко за рамки первоначальной задачи. Ее адаптивность позволяет решать разнообразные задачи – от обогрева крупных объектов общественной инфраструктуры, таких как вокзалы, до поддержания микроклимата в агрокомплексах и теплицах. Ключевое преимущество – простая и быстрая установка, которая обеспечивает легкую интеграцию в уже существующие системы без их масштабной реконструкции. Таким образом, решение масштабируется под различные нужды, оставаясь технологичным и экономически эффективным выбором.