697.328

Рассмотрено применение кассетного аккумулятора тепла фазового перехода для сглаживания суточных пиков нагрузки горячего водоснабжения многоквартирного дома. Цель работы - разработать схему интеграции аккумулятора в индивидуальный тепловой пункт и оценить ее технико-экономическую эффективность по фактическому суточному графику теплопотребления. Геометрия промышленной секции принята на основе ранее опубликованных экспериментальных исследований поперечного оребрения: для лабораторного образца рациональной признана конфигурация с 8 ребрами и межреберным расстоянием 20-22 мм. При масштабировании длина секции увеличена с 0.2 до 1.0 м с сохранением радиальной геометрии; расчетная энергоемкость секции составляет 0.37 кВт·ч. Для рассматриваемого объекта требуется 61 секция общей энергоемкостью 22.6 кВт·ч. Часовое моделирование показало частичное покрытие суммарного дефицита утреннего и вечернего пиков и снижение максимальной нагрузки с 48.9 до 43.25 кВт утром и с 46.1 до 42.33 кВт вечером. Капитальные затраты оценены в 311 тыс. руб., годовые эксплуатационные - 11.85 тыс. руб. При расчетном экономическом эффекте 68 тыс. руб./год простой срок окупаемости составляет 5.5 года, NPV за 15 лет при ставке дисконтирования 10 % - 116.1 тыс. руб., индекс доходности - 1.37. Новизна работы состоит в переходе от экспериментально обоснованной лабораторной конструкции к кассетному аккумулятору промышленного масштаба и оценке его работы в составе реального теплового пункта.

A cassette phase-change heat accumulator is considered for smoothing short-term domestic hot-water load peaks in a residential individual heating substation. The study aims to develop an integration scheme and evaluate its technical and economic performance using an actual daily heat-consumption profile. The industrial section geometry is based on previously published experiments on transverse finning, where an eight-fin configuration with a 20-22 mm fin spacing was identified as rational for the laboratory unit. The section length was scaled from 0.2 to 1.0 m while preserving the radial geometry; its calculated storage capacity is 0.37 kWh. For the case study, 61 sections with a total capacity of 22.6 kWh are required. Hourly energy-balance modelling shows partial coverage of the combined morning and evening peak deficit and a reduction of the maximum load from 48.9 to 43.25 kW in the morning and from 46.1 to 42.33 kW in the evening. Capital costs are estimated at RUB 311 thousand and annual operating costs at RUB 11.85 thousand. For the adopted economic-effect scenario of RUB 68 thousand per year, the simple payback period is 5.5 years, the 15-year NPV at a 10% discount rate is RUB 116.1 thousand, and the profitability index is 1.37. The novelty lies in transferring an experimentally substantiated laboratory design to an industrial-scale cassette system and evaluating it within a real heating-substation load profile.

старший преподаватель кафедры «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения», Казанский государственный энергетический университет

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения», Казанский государственный энергетический университет

кандидат технических наук, председатель государственной экзаменационной комиссии кафедры «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения», Казанский государственный энергетический университет

Ваньков Ю.В., Запольская И.Н., Измайлова Е.В., Загретдинов А.Р., Валиев Р.Н. Снижение тепловых потерь энергоснабжающей организации модернизацией систем горячего водоснабжения // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2018. №4. С. 13-24.

Ротов П.В., Горшков А.В., Ротова М.А. О целесообразности изменения схемы подключения установок горячего водоснабжения // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2024. Т. 26. №5. С. 54-65.

Милёхин М.И., Умеренков Е.В. Тепловые аккумуляторы фазового перехода на основе парафина // Известия Юго-Западного государственного университета. 2024. Т. 28. №3. С. 36-49.

Sharma A., Tyagi V.V., Chen C.R., Buddhi D. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2009. V. 13. No. 2. Pp. 318-345.

Djeffal R., Cherier M.K., Bekkouche S.M.E.A., Younsi Z., Hamdani M., Al-Saadi S. Concept development and experimentation of a Phase Change Material (PCM) enhanced domestic hot water. Journal of Energy Storage. 2022. V. 51. 104400.

Pakalka S., Doneliene J., Rudzikas M., Valancius K., Streckiene G. Development and experimental investigation of full-scale phase change material thermal energy storage prototype for domestic hot water applications. Journal of Energy Storage. 2024. V. 80. 110283.

Rendall J., Elatar A., Nawaz K., Sun J. Medium-temperature phase change material integration in domestic heat pump water heaters for improved thermal energy storage. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2023. V. 185. 113656.

Quirosa G., Torres M., Soltero V.M., Chacartegui R. Analysis of an ultra-low temperature district heating and cooling as a storage system for renewable integration. Applied Thermal Engineering. 2022. V. 216. 119052.

Shan L., Martin A., Chiu J.N.W. Techno-economic analysis of latent heat thermal energy storage integrated heat pump for indoor heating. Energy. 2024. V. 298. 131291.

Topal H.I., Arabkoohsar A. Enhancing ultra low temperature district heating systems with neighborhood-scale heat pump and triplepipe distribution: A techno-economic analysis. Journal of Building Engineering. 2024. V. 95. 110316.

Perrella S., Bisegna F., Bevilacqua P., Cirone D. Solar-assisted heat pump with electric and thermal storage: The role of appropriate control strategies for the exploitation of the solar source. Buildings. 2024. V. 14. No. 1. 296.

Rashid F.L., Al-Obaidi M.A., Dulaimi A., Mahmood D.M.N. A review of recent improvements, developments, and effects of using phase-change materials in buildings to store thermal energy. Designs. 2023. V. 7. No. 4. 90.

Akhmetova I., Zalyalova A., Nurislamova A. Reliability of heating networks as a factor of sustainable development of thermal power industry. E3S Web of Conferences. 2023. V. 461. 01018.

Пономарев Р.А., Ваньков Ю.В. Влияние поперечного оребрения на кинетику зарядки цилиндрического аккумулятора тепла фазового перехода // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2026. Т. 28. №4. С. 126-138. DOI: 10.30724/1998-9903-2026-28-4-126-138.

Kolsi L., Hussein A.K., Hassen W., Ben Said L., Ayadi B., Rajhi W., Labidi T., Shawabkeh A., Ramesh K. Numerical study of a phase change material energy storage tank working with carbon nanotube-water nanofluid under Hail city climatic conditions. Mathematics. 2023. V. 11. No. 4. 1057.

Said Z., Sundar L.S., Tiwari A.K., Ali H.M., Sheikholeslami M., Bellos E., Babar H. Recent advances on the fundamental physical phenomena behind stability, dynamic motion, thermophysical properties, heat transport, applications, and challenges of nanofluids. Physics Reports. 2022. V. 946. Pp. 1-94.