Хранение тепловой энергии при помощи фазопереходных теплоаккумулирующих материалов (ФТАМ) является перспективной технологией для целей энергосбережения и повышения энергоэффективности. В таких материалах передача термической энергии происходит во время фазового перехода, когда материал претерпевает фазовую трансформацию, например, из твердого в жидкое.
Фото: Getty Images
Фото: Getty Images
В университете «Дубна» коллективом студентов и аспирантов на кафедре химии, новых технологий и материалов активно развивается направление по созданию теплосберегающих систем на основе кристаллогидратов с различными температурами фазовых переходов в диапазоне от 25°С до 70°С. Командой разработана методология выбора наиболее подходящих для конкретных рабочих температур кристаллогидратов и их получения с минимизацией или полным устранением основных недостатков. По итогам исследований получены восемь патентов.
В 2023 году Фондом содействия инновациям поддержаны два проекта: по созданию теплоизоляционного композитного материала и многофункциональной теплосберегающей панели для системы теплого пола. В проектах применяются созданные в университете уникальные высокоэффективные теплоаккумулирующие материалы. Их основа — смесь кристаллогидратов с различными температурами фазовых переходов в диапазоне от 30°С до 45°С.
Большинство фазопереходных теплоаккумулирующих материалов испытывают фазовый переход «твердое — жидкое». Однако в строительных панелях при охлаждении электроники или отводе тепла от промышленных установок зачастую нельзя допускать образования жидкой фазы. Поэтому дубненские химики разработали максимально доступные технологии включения создаваемых материалов в пористую либо волокнистую углеродную структуру, тоже подготовленную по авторским методикам. Такой процесс плавления внутри углеродной матрицы позволяет избежать образования жидкой фазы вне ее. Использование новых материалов для пропитки различных углеродных волокон может существенно повысить эффективность систем теплоизоляции. Матрицей материала является графитовый войлок или волокнистые углеродные материалы, которые значительно увеличивают теплопередачу и обеспечивают образование жидкой фазы внутри углеродного материала при плавлении в результате нагревания.
Низкая стоимость делает продукт доступным: он может быть широко применен в различных отраслях — например, для защиты от перегрева поверхностей различных устройств и стабилизации температурного режима. В свободном виде материалы могут быть применены в теплообменниках и котлоагрегатах. В строительстве — при утеплении внутренних трубопроводов, стен и при теплоизоляции в местах, имеющих лишние щели и пустоты. Материал имеет низкий класс пожароопасности, что исключает происшествия, причиной которых может стать короткое замыкание. По этой же причине материал может использоваться при высокотемпературных процессах в промышленности.
Сейчас на рынке есть несколько аналогов: пенополистирол (пенопласт), графитовый войлок и напыляемый утеплитель. Для их производства требуется сложный и дорогой синтез при высоких температурах, в то время как предлагаемый материал создается с использованием температур не выше 100°С. Аналоги занимают больше места, их толщина — 4–14 мм, в отличие от войлока, пропитанного предложенным материалом, с толщиной в 4–6 мм. Всем известный пенопласт применяется в строительстве, в военном деле и при транспортировке различной продукции. Недостатков у него достаточно много: выделение ядовитых веществ при горении, неустойчивость к механическим воздействиям, склонность к порче мелкими грызунами и жидкостями. Графитовый войлок применяется в мягком и твердом виде и является пожароопасным и гигроскопичным материалом в отличие от того же самого войлока, пропитанного кристаллогидратами.
Другим аналогом является напыляемый утеплитель, токсичный и дорогой в производстве. Толщина слоя должна быть 25–60 мм, из-за чего он занимает большее пространство. Материал неустойчив к воздействию солнечных лучей и влаги. При нанесении его на поверхность выделяются токсичные пары, и на протяжении 36 часов следует проветривать помещение.
Таким образом, применение пропитанного ФТАМ углевойлока или углеволокнистых материалов позволяет создать гибкие высокоэффективные теплоизоляционные системы.
Второй проект, разработанный химиками дубненского университета,—многофункциональная теплосберегающая панель для модульной системы, способной эффективно использовать и распределять тепло в помещениях. В частности, проект может быть использован при создании систем теплого пола.
Принцип работы теплосберегающих панелей основан на фазовом переходе. Источник тепла — например, электрический ток — проходит через теплосберегающую систему, и происходит нагрев активного теплоаккумулирующего вещества (ТАМ) панели, при этом ТАМ переходит из твердого состояния в жидкое. Это соответствует процессу накопления тепла. После, в процессе остывания, система постепенно передает тепло внешнему носителю — например, системе теплого пола — за счет процесса кристаллизации твердофазного материала. При этом процесс длительный (до 20 часов) и происходит при постоянной температуре, а система в это время отключена от внешнего источника тепла. Такой цикл позволяет снизить затраты на отопление до 70%. Поскольку применяется новая технология включения теплоаккумулирующего материала в твердую пористую или волокнистую матрицу, фазовый переход осуществляется внутри матрицы, что фактически соответствует фазовому переходу «твердое — твердое», но с более высокой эффективностью.
Использование такой панели сокращает затраты на отопление за счет возможности задать температуру и накопить тепло в активном теплосберегающем веществе панелей, особенно в ночное тарифное время энергоснабжения. Используемый материал обладает высокой пожаростойкостью. Также к плюсам относится простота демонтажа при поломке благодаря модульной конструкции: она позволяет снять только один неисправный модуль вместо дорогостоящего демонтажа всего напольного покрытия и отопительной системы.
Модульные теплосберегающие электрические системы с высокой эффективностью и теплосберегающей способностью можно использовать на производстве, в многоквартирных и частных домах, на этапах их строительства или ремонта, в бытовых помещениях и на удаленных объектах, где есть возможность использования возобновляемой энергии.
Данный продукт можно использовать в программах реновации жилья в различных регионах Российской Федерации, в партнерстве с застройщиками или с клиентами напрямую с помощью веб-сайта и онлайн-продаж. В будущем планируется подключение к системе SmartHouse, внедрение дистанционного климат-контроля помещения, усовершенствование параметров и характеристик модулей (толщина, электрическая конструкция системы, возможность изменения под архитектуру помещения в любой части панели), а также партнерство с монтажными компаниями для оптовых продаж через их клиентские базы.
Подготовлено при поддержке Минобрнауки.