계절별 열 에너지 저장소

Seasonal thermal energy storage

계절별 열 에너지 스토리지([1]STES)는 계절별 열 에너지 스토리지라고도 하며, 최대 수개월 동안 열 또는 냉기를 보관합니다.열 에너지는 사용 가능한 경우 언제든지 수집할 수 있으며, 계절과 같이 필요할 때마다 사용할 수 있습니다.예를 들어 태양열 집열기의 열이나 에어컨 장비의 폐열은 겨울철을 포함하여 필요할 때 공간 난방을 위해 더운 달에 모일 수 있습니다.산업 공정의 폐열도 마찬가지로 저장하여 훨씬 늦게[2] 사용하거나 겨울철 [3][4]공기의 자연 냉기를 여름철 에어컨용으로 저장할 수 있습니다.

STES 스토어는 단일 건물 또는 복합 건물뿐만 아니라 지역 난방 시스템도 제공할 수 있습니다.난방에 사용되는 계절 저장고 중 설계 피크 연간 온도는 일반적으로 27~80°C(81~180°F) 범위이며, 저장고에서 발생하는 온도 차이는 수십 도가 될 수 있다.일부 시스템에서는 열 펌프를 사용하여 사이클의 일부 또는 전체를 통해 저장 공간을 충전 및 배출할 수 있습니다.냉각 용도에는 순환 펌프만 사용하는 경우가 많습니다.

지역 난방의 예로는 열 [5]펌프 없이 연간 소비량의 97%를 지상 저장소가 제공하는 Drake Landing Solar Community와 [6]부스팅 기능이 있는 덴마크 연못 저장소가 있습니다.

STES 테크놀로지

STES 기술에는 여러 종류가 있으며, 단일 소규모 건물에서 지역 난방 네트워크에 이르기까지 다양한 응용 분야를 포함합니다.일반적으로 효율은 높아지고 구체적인 건설 비용은 규모에 따라 감소합니다.

지하 열 에너지 저장소

참고 항목: 접지 결합 열 교환기

UTES(지하 열 에너지 저장) - 저장 매체가 토양 또는 모래에서 단단한 암반 또는 대수층에 이르는 지질층일 수 있습니다.
UTES 테크놀로지에는 다음이 포함됩니다.

  • ATES(수층 열 에너지 저장소).ATES 저장소는 더블렛으로 구성되어 있으며, 총 2개 이상의 유정을 통해 위아래로 불투수 지질층 사이에 포함된 깊은 대수층으로 만듭니다.더블렛의 절반은 물 추출용이고 나머지 절반은 재주입용이기 때문에 대수층은 순수 추출 없이 수문학적 균형을 유지한다.열(또는 차가운) 저장 매체는 물과 저장 매체가 차지하는 기질입니다.독일의 Reichstag 빌딩은 1999년부터 서로 다른 [7]깊이의 두 대수층에 ATES 매장으로 난방과 냉방을 모두 해왔다.
    네덜란드에는 1,000개가 넘는 ATES 시스템이 있으며, 이는 현재 표준 건설 [8][9]옵션입니다.
    리처드 스톡턴 칼리지(뉴저지)에서는 몇 [3]년 전부터 중요한 시스템이 운영되고 있습니다.ATES는 일반적으로 드릴로 뚫는 구멍이 적기 때문에 BTES보다 설치 비용이 낮지만 ATES는 운용 비용이 높습니다.또한 ATES는 대수층의 존재를 포함하여 특정 지하 조건이 실현 가능해야 한다.
  • BTES(보어홀 열 에너지 저장).BTES 저장소는 시추공을 뚫을 수 있는 곳이면 어디든 건설할 수 있으며, 일반적으로 직경이 155mm(6.102인치)인 수직 시추공 1개에서 수백개로 구성됩니다.많은 [10][11][12]대규모 시스템을 포함하여 모든 규모의 시스템이 구축되었습니다.
    지층은 모래에서 결정성 경암까지 무엇이든 될 수 있으며, 공학적 요인에 따라 깊이는 50~300m(164~984ft)가 될 수 있습니다.간격은 3~8m(9.8~26.2ft)입니다.열 모델을 사용하여 지반의 계절적 온도 변동을 예측할 수 있으며, 여기에는 하나 이상의 연간 사이클에 걸쳐 열의 입력과 출력을 일치시킴으로써 달성되는 안정적인 온도 조건의 확립이 포함됩니다.보어홀 필드를 사용하여 여름에 포착된 잉여 열을 저장하여 겨울에 열을 더 쉽게(그리고 더 저렴하게) 추출할 수 있도록 토양의 대형 열 저장소의 온도를 적극적으로 높일 수 있습니다.계절간 열전달은[13] 아스팔트 태양열 집열기에 내장된 파이프에 순환하는 물을 사용하여 보어홀 필드에 생성된 서멀[14] 뱅크에 열을 전달합니다.겨울에는 지상 열원 히트 펌프를 사용하여 서멀 뱅크에서 온기를 추출하여 바닥 아래 난방을 통해 공간 난방을 제공합니다.히트 펌프가 [15]지면에서 10°C(50°F)의 냉온 대신 열 저장소에서 25°C(77°F)의 온온도로 시작하므로 높은 성능 계수를 얻을 수 있습니다.1995년부터 약 29°C(84.2°F)의 피크에서 Richard Stockton College에서 운영되는 BTES는 3.5에이커(1.4ha) 주차장 아래에 130m(427ft) 깊이의 400개의 보어홀로 구성되어 있다.6개월 [16]동안 2%의 열 손실이 있습니다.BTES 저장소의 온도 상한은 BHE에 사용되는 PEX 파이프의 특성으로 인해 85°C(185°F)이지만 대부분은 이 제한에 도달하지 않습니다.시추공은 지질 조건에 따라 그라우트 또는 물로 채워질 수 있으며, 일반적으로 수명이 100년을 초과합니다.독일 [17]Neckarsulm에서와 같이 BTES 및 그와 관련된 지역 난방 시스템은 운영 시작 후 점진적으로 확장할 수 있습니다.
    BTES 점포는 일반적으로 토지 이용을 저해하지 않으며 건물, 농경지, 주차장 아래에 존재할 수 있다.여러 종류의 STES 중 하나는 계절 간 열 저장 능력을 잘 보여줍니다.캐나다 앨버타주에서는 Drake Landing Solar Community(2007년부터 운영)의 주택이 차고 지붕의 태양열 패널로부터 태양열로 공급되는 지역 난방 시스템에서 연간 열의 97%를 얻습니다.세계 기록인 이 위업은 중앙 공원 아래에 있는 거대한 토종 암석 덩어리에 계절 간 열을 저장함으로써 가능합니다.열 교환은 144개의 보어홀 클러스터를 통해 이루어지며, 이 보어홀은 37m(121ft) 깊이로 천공됩니다.각 보어홀의 지름은 155mm(6.1인치)이며, 물이 순환하는 소경 플라스틱 파이프로 만들어진 단순한 열 교환기가 들어 있습니다.히트 펌프는 [5][18]관여하지 않습니다.
  • CTES(동굴 또는 광산 열 에너지 저장소).STES 저장소는 홍수 광산, 특수 제작된 챔버 또는 버려진 지하 석유 저장고(예: 노르웨이에서 결정성 경질암에 채굴된 매장)에서 열(또는 차가운)[19] 발생원과 시장에 충분히 가깝다면 가능합니다.
  • 에너지필링스대형 건물 건설 시 BTES 매장에 사용되는 것과 유사한 BHE 열교환기를 철근의 케이지 안에 소용돌이 모양으로 넣어 콘크리트를 타설했다.그 후 필링과 주변 지층이 저장 매체가 된다.
  • GIITS(지오 계절간 절연 열 스토리지).1차 슬래브 바닥이 있는 건물을 건설하는 동안, 난방할 건물의 대략적인 면적과 1m 이상의 깊이는 일반적으로 HDPE 밀폐형 셀 단열재로 6면 모두에 절연된다.파이프는 태양 에너지를 절연 영역으로 전달하고 필요에 따라 열을 추출하는 데 사용됩니다.상당한 내부 지하수 흐름이 있는 경우 이를 방지하기 위한 교정 조치가 필요하다.

지표면 및 지상 기술

  • 피트 스토리지많은 덴마크 지역 난방 시스템에서 STES에 사용되는 저장 매체로 자갈과 물로 채워진 라이닝되고 얕은 굴착된 구덩이가 사용됩니다.저장 구덩이는 단열재 층으로 덮인 후 흙으로 덮여 농업이나 다른 용도로 사용됩니다.덴마크 마르스탈의 시스템은 태양열 패널 분야에서 열을 공급하는 피트 저장소를 포함합니다.처음에는 마을에 연중 20%의 난방을 제공하고 있으며, 그 [20]두 배를 제공하도록 확장되고 있습니다.세계 최대 피트 스토어(200,000m3(7,000,000cuft)는 2015년 덴마크 보이젠스에 위탁되었으며, 태양열을 통해 세계 최대 규모의 태양열 지역 난방 [6][21][22][23][24]시스템에 연간 에너지의 50%를 공급할 수 있다.이러한 덴마크 시스템에서는 용량 단위당 자본 지출이 0.4 - 0.6 €/kWh 사이에서 [25]달성될 수 있다.
  • 물을 포함한 대규모 보온.대규모 STES 저수 탱크는 지상에 건설되고 단열된 후 [26]흙으로 덮일 수 있습니다.
  • 수평형 열교환기.소규모 설치의 경우 파형 플라스틱 파이프의 열 교환기를 트렌치에 얕게 파묻어 STES를 [27]만들 수 있습니다.
  • 흙으로 뒤덮인 건물들주변 토양에 수동적으로 열을 저장합니다.
  • 소금 하이드레이트 기술.이 기술은 수성 축열보다 훨씬 높은 저장 밀도를 달성합니다.'열 에너지 스토리지' 참조: 소금 하이드레이트 기술

회의 및 조직

국제 에너지 기구의 에너지 보존 프로그램(ECES)은[28][29] 1981년부터 3년마다 글로벌 에너지 회의를 개최하고 있습니다.이 컨퍼런스는 당초 STES에만 초점을 맞췄습니다만, 이러한 테크놀로지가 성숙하고 있기 때문에, 상변화 재료(PCM)나 전기 에너지 스토리지등의 다른 토픽도 다루고 있습니다.1985년부터 각 회의의 이름 끝에 "보관용"이 있습니다.에코스톡,[30] 테르마스톡그것들은 전 세계 다양한 장소에서 열린다.가장 최근의 것은 스페인 Lleida에서[31] 열린 InnoStock 2012(제12회 열 에너지 저장 국제 컨퍼런스)와 베이징의 [32]GreenStock 2015입니다.에네르스톡 2018은 2018년 [33]4월 터키 아다나에서 열린다.

IEA-ECES 프로그램은 1978년부터 1990년까지 분기별 뉴스레터가 있었고 미국 에너지부의 후원을 받은 초기 국제 열 에너지 저장 협의회의 작업을 계속한다.뉴스레터는 처음에는 ATES 뉴스레터라고 불리다가 BTES가 실현 가능한 테크놀로지가 된 후 STES 뉴스레터로 [34][35]바뀌었습니다.

수동적으로 난방되는 소규모 건물에 STES 사용

소극적으로 난방되는 소규모 건물은 일반적으로 건물 주변의 토양을 저온 계절 열 저장소로 사용하며, 연간 사이클은 평균 연간 공기 온도와 유사한 최대 온도에 도달하고, 추운 달에는 난방용으로 온도가 낮아집니다.이러한 시스템은 '기존' 건물과의 단순하지만 중요한 차이점이 필요하기 때문에 건물 설계의 특징이다.토양 내 약 20피트(6m) 깊이의 경우, 인출량이 태양열 복구의 자연 용량을 초과하지 않으면 온도는 연중 범위 [36]내에서 자연스럽게 안정된다.이러한 스토리지 시스템은 위에서 설명한 다른 STES 시스템과 달리 1년 동안 좁은 범위의 스토리지 온도 내에서 작동합니다.

1970년대와 1980년대에 미국에서 두 가지 기본적인 수동형 태양열 건축 기술이 개발되었습니다.열로 격리된 습기로 보호된 토양과의 직접 열 전도를 공간 난방을 위한 계절 저장 방법으로 사용하고, 열 환원 메커니즘으로 직접 전도를 사용합니다.한 가지 방법인 "패시브 연간 열 저장(PAHS)"[37]에서, 건물의 창문과 다른 외부 표면은 바닥, 벽, 그리고 때로는 지붕을 통해 전도에 의해 인접한 열 완충 토양으로 전달되는 태양열을 포착합니다.내부공간이 저장매체보다 시원하면 열은 다시 생활공간으로 [38][39]전달된다.

다른 방법인 "연간화 지열 태양"은 열을 포획하기 위해 별도의 태양 집열기를 사용합니다.수집된 열은 열 전달 매체의 대류(예: 공기 또는 물)에 의해 수동적으로 저장 장치(토양, 자갈 바닥 또는 물 탱크)에 전달되거나 펌핑에 의해 능동적으로 전달됩니다.이 방법은 보통 6개월 동안 가열할 수 있도록 설계된 용량으로 구현됩니다.

전 세계 태양열 저장소의 사용 예는 다음과 같습니다.Suffolk One은 영국 이스트 앵글리아에 있는 한 대학으로, 버스 회전 구역에 묻혀 있는 파이프의 열 수집기를 사용하여 태양 에너지를 수집하고, 이 열 수집기는 겨울 난방용으로 깊이 100미터(330피트) 깊이의 18개의 시추공에 저장된다.캐나다의 Drake Landing Solar Community는 52개 주택의 차고 지붕에 태양열 집열기를 사용하며, 이 집열기는 35미터(115피트) 깊이의 시추공에 보관됩니다.지면은 70°C를 초과하는 온도에 도달할 수 있으며, 이 온도는 수동적으로 주택을 가열하는 데 사용됩니다.이 계획은 2007년부터 성공적으로 운영되고 있다.덴마크의 Brédstrup에서는 약 8,000m2(86,000평방피트)의 태양 열 수집기를 사용하여 50m 깊이의 시추공 배열에 유사한 방식으로 저장된 약 4,000,000kWh/년을 수집합니다.

액체 공학

건축가 Matyas Gutai는[40] 헝가리에 광범위한[41] 물을 채운 벽 패널을 집열기와 지하 저장 수조가 있는 저수지로 사용하는 집을 짓기 위해 EU의 보조금을 받았다.이 설계에서는 마이크로프로세서 제어를 사용합니다.

내부 STES 물탱크가 있는 소규모 건물

다수의 주택과 소형 아파트 건물에서 열 저장용 대형 내부 수조와 지붕에 장착된 태양열 집열기를 결합하는 것을 시연했습니다.90°C(194°F)의 저장 온도는 가정용 온수와 공간 난방을 모두 공급하기에 충분합니다.최초의 그러한 집은 1939년 MIT 솔라 하우스 1호였다.스위스 오버버그에 있는 8채짜리 아파트는 1989년에 지어졌는데, 세 개의 탱크에 필요한 것보다 더 많은 열을 저장하는 총 118m3(4,167입방피트)의 열을 저장한다.2011년 이후, 그 디자인은 현재 새로운 [42]건물에서 복제되고 있습니다.

베를린에서는 1997년 IEA 태스크 13 저에너지 주택 실증 프로젝트의 일환으로 "제로 난방 에너지 주택"이 건설되었다.지하 [43]20m3(706입방피트) 탱크 안에 최대 90°C(194°F)의 온도의 물을 저장합니다.

비슷한 예가 2009년 아일랜드에서 프로토타입으로 만들어졌다.태양절기[44] 저장소는 23m3(812cuft)의 탱크로 구성되어 있으며,[45] 이 탱크는 1년 동안 대피한 태양관으로부터 나오는 열을 저장하기 위해 땅속에 설치되었고, 사방이 철저히 절연되어 있다.이 시스템은 아일랜드 골웨이에 있는 세계 최초의 표준화된 조립식 패시브[46] 하우스를 가열하기 위한 실험으로 설치되었다.목적은 이 열이 겨울 동안 이미 매우 효율적인 가정에서 전기 사용을 없애기에 충분한지 알아내는 것이었다.

유리창 개선을 바탕으로 계절 에너지 저장 없이 난방 제로 빌딩이 가능해졌습니다.

온실에서 STES 사용

STES는 또한 [47][48][49]온실의 난방에 광범위하게 사용된다.ATES는 이 애플리케이션에서 일반적으로 사용되는 종류의 스토리지입니다.여름에, 온실은 지하수로 냉각되는데, 지하수는 대수층의 "찬 우물"에서 펌프로 퍼올린다.물은 그 과정에서 가열되고 대수층의 "따뜻한 우물"로 돌아간다.온실이 생육기를 연장하는 등 열이 필요한 경우에는 온정에서 물을 빼내 난방기능을 수행하면서 냉각시켜 냉정으로 되돌린다.이것은 순환 펌프만 사용하고 열 펌프는 사용하지 않는 매우 효율적인 자유 냉각 시스템입니다.

연차 지구 태양 에너지

연간화지오솔라(AGS)는 춥고 안개가 낀 북부 온대 지역에서도 수동형 태양열 난방을 가능하게 한다.그것은 건물의 아래 또는 주변의 지면을 열 덩어리로 사용하여 건물을 가열하고 냉각합니다.6개월의 전도성 열 지연 설계 후 열이 건물의 거주 공간으로 되돌아오거나 건물에서 제거됩니다.더운 기후에서는 겨울에 수집기를 차가운 밤하늘에 노출시키는 것이 여름에 건물을 시원하게 할 수 있습니다.

6개월의 열 지연은 약 3미터(10피트)의 먼지에 의해 발생합니다.건물 주변에는 단열재 6미터(20피트)의 매립 스커트가 있어 비와 눈이 녹는 것을 막아주며, 이는 보통 건물 아래에 있습니다.흙은 바닥이나 벽을 통해 난방과 냉방을 한다.열 사이펀은 먼지와 태양열 집열기 사이에서 열을 이동시킨다.태양열 집열기는 지붕의 판금 구획이거나 건물이나 언덕 측면에 있는 넓고 평평한 상자일 수 있습니다.사이펀은 플라스틱 파이프로 만들어지고 공기를 운반할 수 있다.공기를 사용하면 누수 및 수분으로 인한 부식을 방지할 수 있습니다.플라스틱 파이프는 금속 덕트처럼 축축한 흙에서 부식되지 않는다.

AGS 난방 시스템은 일반적으로 다음과 같이 구성됩니다.

  • 단열성이 뛰어나고 에너지 효율이 뛰어나며 친환경적인 생활공간
  • 여름철에 햇볕이 드는 서브지붕 또는 다락방 공간, 태양 공간 또는 온실, 지상, 평판, 서모사이폰 집열기 또는 기타 태양열 집열장치에서 채취한 열
  • 수집원에서 (보관을 위해) 거주 공간 아래의 지구 덩어리로 전달되는 열, 즉 표면 아래 둘레 "경관" 또는 "우산"으로 둘러싸인 이 덩어리는 열 손실로부터 실외 공기로의 손쉬운 역류 및 열 저장 덩어리를 통한 수분 이동에 대한 장벽을 모두 제공한다.
  • 열 특성이 적절한 바닥 하부 단열재 규제 시간 경과 후에만 거주 공간에 열을 방출하도록 설계된 고밀도 바닥
  • 온수기 공기가 저장 질량보다 수집 영역에서 더 뜨거운 것으로 감지될 때 팬과 댐퍼를 활성화(종종 PV 전원)하거나 수동 대류(종종 태양 굴뚝과 열로 활성화된 댐퍼 사용)하여 열을 저장 영역으로 이동시키는 제어 시스템 또는 시스템.

보통 저장용 토양이 지역 심층 토양 온도(지역 및 현장 방향에 따라 크게 다름)에서 겨울 동안 거주 공간의 난방 요구량의 최대 100%를 제공할 수 있는 최적의 가을 수준까지 완전히 예열되려면 몇 년이 걸린다.이 기술은 계속 진화하고 있으며, 다양한 변형(액티브 리턴 장치 포함)이 검토되고 있습니다.이 혁신이 가장 자주 논의되는 분야는 Yahoo의 "Organic Architecture"입니다.

이 시스템은 거의 전적으로 북유럽에 배치되어 있다.한 시스템은 북미의 드레이크 랜딩에 구축되었다.보다 최근의 시스템은 일리노이주 콜린스빌에서 진행 중인 DIY-IT-Yourself 에너지 중립 주택으로, 컨디셔닝은 연간화된 솔라에만 의존하게 됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크