mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2024.12.1963-1976mgssuvest-450Research ArticleИнженерные системы в строительствеEngineering systems in constructionТепловой аккумулятор с теплоизоляционным материалом на основе аэрогеляHeat accumulator with aerogel-based thermal insulation materialhttps://orcid.org/0000-0002-1819-0450ФедюхинА. В.FedyukhinA. V.

Александр Валерьевич Федюхин — кандидат технических наук, доцент

111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, стр. 1

РИНЦ AuthorID: 729038, Scopus: 55940977500, ResearcherID: T-8964-2019

Alexander V. Fedyukhin — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

build. 1, 14 Krasnokazarmennaya st., Moscow, 111250

RSCI AuthorID: 729038, Scopus: 55940977500, ResearcherID: T-8964-2019

fedyukhinav@yandex.ruКарасевичВ. А.KarasevichV. A.

Владислав Александрович Карасевич — кандидат технических наук, доцент

119991, г. Москва, пр-т Ленинский, д. 65, корп. 1

РИНЦ AuthorID: 337965, Scopus: 36237431700, ResearcherID: U-1498-2017

Vladislav A. Karasevich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

build. 1, 65 Leninsky prospekt, Moscow, 119991

RSCI AuthorID: 337965, Scopus: 36237431700, ResearcherID: U-1498-2017

crucian-74@mail.ruПоверновМ. С.PovernovM. S.

Михаил Сергеевич Повернов — ведущий инженер

117303, г. Москва, ул. Керченская, д. 1 А, корп. 1

Scopus: 58644005600

Mihail S. Povernov — leading engineer

build. 1, 1 A Kerchenskaya st., Moscow, 117303

Scopus: 58644005600

8@1024.suhttps://orcid.org/0000-0002-6614-2728АфанасьеваО. В.Afanas’evaO. V.

Ольга Валерьевна Афанасьева — кандидат технических наук, заместитель руководителя Центра трансфера технологий

195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, литера Б

РИНЦ AuthorID: 617556, Scopus: 57212263097, ResearcherID: P-9204-2017

Ol’ga V. Afanas’eva — Candidate of Technical Sciences, Deputy Head of the Technology Transfer Center

29 В Polytechnicheskaya st., St. Petersburg, 195251

RSCI AuthorID: 617556, Scopus: 57212263097, ResearcherID: P-9204-2017

eccolga@mail.ruНациональный исследовательский университет «МЭИ» (НИУ «МЭИ»)РоссияNational Research University “Moscow Power Engineering Institute” (MPEI)Russian FederationРоссийский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина (РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина)РоссияGubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University) (Gubkin University)Russian FederationМосковский физико-технический институт (национальный исследовательский университет) (МФТИ)РоссияMoscow Institute of Physics and Technology (National Research University)Russian FederationСанкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ)РоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic University (SPbPU)Russian Federation202426122024191219631976Copyright © Федюхин А.В., Карасевич В.А., Повернов М.С., Афанасьева О.В., 20242024Федюхин А.В., Карасевич В.А., Повернов М.С., Афанасьева О.В.Fedyukhin A.V., Karasevich V.A., Povernov M.S., Afanas’eva O.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/450Введение

Введение. Установки для аккумулирования тепловой энергии позволяют сглаживать пиковые нагрузки и обеспечивать устойчивость работы теплоэнергетической системы. Особую актуальность данные решения имеют для частных домовладений. Цель исследования — анализ целесообразности применения теплового аккумулятора на основе талькомагнезита и с тепловой изоляцией из аэрогеля.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для определения температуры на поверхности тепловой изоляции и визуализации температурного профиля проведено моделирование в программном пакете ANSYS. В качестве системы автоматического проектирования выбран Autodesk Inventor.

Результаты

Результаты. Получены изображения температурных профилей на режимах 350 °С для толщины тепловой изоляции: 20 и 50 мм для аэрогеля, 70 и 150 мм для минеральной ваты. Проведенный анализ показал, что для всех вариантов температура поверхности оставалась ниже 60 °С, что свидетельствует о корректности выбора толщины изоляции. Для варианта теплоизоляции из минеральной ваты (150 мм) и аэрогеля (50 мм) температура поверхности оказалась значительно ниже необходимой, что позволило уменьшить толщину слоя изоляции до 70 мм для минеральной ваты и 20 мм для аэрогеля соответственно. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что использование тепловой изоляции на основе аэрогеля существенно уменьшает толщину теплоизолирующего слоя.

Выводы

Выводы. Несмотря на сложность и дороговизну создания теплоизоляционных материалов на основе аэрогеля, его использование в составе теплового аккумулятора дает возможность избежать множества проблем, связанных со старением, разрушением и частой заменой тепловой изоляции, снизить нагрузку на теплоизоляционные конструкции и значительно повысить экономическую эффективность теплоэнергетических систем, сократив потери при производстве и передаче тепловой энергии.

Introduction

Introduction. Installations for thermal energy storage make it possible to smooth peak loads and provide stability of heat and power system. These solutions are of particular relevance for private households. The purpose of this paper is to analyze the feasibility of using a heat accumulator based on talc-magnesite and with aerogel thermal insulation.

Materials and methods

Materials and methods. In order to determine the temperature on the insulation surface and visualize the temperature profile, simulation in the ANSYS software package was carried out. Autodesk Inventor was selected as an automatic design system.

Results

Results. Images of temperature profiles were obtained at 350 °C for thermal insulation thicknesses: 20 and 50 mm for aerogel, 70 and 150 mm for mineral wool. The analysis showed that for all options the surface temperature remained below 60 °C, which indicates the correct choice of insulation thickness. For the thermal insulation option made of mineral wool (150 mm) and aerogel (50 mm), the surface temperature turned out to be significantly lower than necessary, which made it possible to reduce the thickness of the insulation layer to 70 mm for mineral wool and 20 mm for aerogel, respectively. The results obtained allow us to conclude that the use of aerogel-based thermal insulation can significantly reduce the thickness of the heat-insulating layer.

Conclusions

Conclusions. Despite the complexity and high cost of creating thermal insulating materials based on aerogel, its use as part of a thermal accumulator will help avoid many problems associated with aging, destruction and frequent replacement of thermal insulation, reduce the load on thermal insulation structures and significantly increase the economic efficiency of thermal power systems, reducing losses during production and transfer of thermal energy.

тепловое аккумулированиеталькомагнезитаэрогельмоделированиеANSYSтемпературные профилитолщина изоляцииthermal storagetalc-magnesiteaerogelmodelingANSYStemperature profilesinsulation thicknessИсследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания № 075-03-2024-226/1 от 15.02.2024. Авторы выражают благодарность анонимному рецензенту за содержательную рецензию и редактору, помогающему оформить статью.This research was funded by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the framework of the state assignment Nо. 075-03-2024-226/1 от 15.02.2024. The authors are grateful to the anonymous reviewer for the informative review and the editor who helps to prepare the paper.ReferencesМоржухин А.М., Моржухина С.В., Назмитдинов Р.Г., Мойа-Полл А. Теплоаккумулирующие материалы (обзор) // Вестник Международного университета природы, общества и человека «Дубна». Серия: Естественные и инженерные науки. 2016. № 4 (36). С. 24–33. EDN VROIKD.Morzhukhin A.M., Morzhukhina S.V., Nazmitdinov R.G., Moia-Pol A. Heat storage materials. Bulletin of Dubna International University for Nature, Society, and Man. Series: Natural and Engineering Sciences. 2016; 4(36):24-33. EDN VROIKD. (rus.).Zalba B., Marín J.M., Cabeza L.F., Mehling H. Review on thermal energy storage with phase change: Materials, heat transfer analysis and applications // Applied Thermal Engineering. 2003. Vol. 23. Issue 3. Pp. 251–283. DOI: 10.1016/S1359-4311(02)00192-8Zalba B., Marín J.M., Cabeza L.F., Mehling H. Review on thermal energy storage with phase change: Materials, heat transfer analysis and applications. Applied Thermal Engineering. 2003; 23(3):251-283. DOI: 10.1016/S1359-4311(02)00192-8Zhang H., Baeyens J., Cáceres G., Degrève J., Lv Y. Thermal energy storage: Recent developments and practical aspects // Progress in Energy and Combustion Science. 2016. Vol. 53. Pp. 1–40. DOI: 10.1016/j.pecs.2015.10.003Zhang H., Baeyens J., Cáceres G., Degrève J., Lv Y. Thermal energy storage: Recent developments and practical aspects. Progress in Energy and Combustion Science. 2016; 53:1-40. DOI: 10.1016/j.pecs.2015.10.003Левина Ю.С., Усачев С.М., Усачев А.М. Получение энергосберегающих строительных материалов на основе традиционного сырья и теплоаккумулирующих добавок // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 4–2 (46). С. 124–126. DOI: 10.18454/IRJ.2016.46.218. EDN VVTKUD.Levina J.S., Usachev S.M., Usachev A.M. Getting energy-saving building materials based on traditional raw materials and heat-retaining additives. International Research Journal. 2016; 4-2(46):124-126. DOI: 10.18454/IRJ.2016.46.218. EDN VVTKUD. (rus.).Бабаев Б.Д. Принципы теплового аккумулирования и используемые теплоаккумулирующие материалы // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52. № 5. С. 760. DOI: 10.7868/S0040364414050019. EDN SKIBBL.Babaev B.D. Principles of heat accumulation and heat-accumulating materials in use. Teplofizika Vysokikh Temperatur. 2014; 52(5):760. DOI: 10.7868/S0040364414050019. EDN SKIBBL. (rus.).Маркин Е.М., Шарпар Н.М. Использование теплового аккумулятора для снижения техногенных тепловых выбросов в окружающую среду // Инновационное развитие техники и технологий в промышленности (ИНТЕКС-2021) : сб. мат. Всерос. науч. конф. молодых исследователей с междунар. участием. 2021. С. 148–152. EDN USENGR.Markin E.M., Sharpar N.M. Use of thermal accumulator to reduce man-made thermal emissions into the environment. Innovative development of equipment and technologies in industry (INTEX-2021) : collection of materials of the All-Russian scientific conference of young researchers with international participation. 2021; 148-152. EDN USENGR. (rus.).Tian Y., Zhao C.Y. A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications // Applied Energy. 2013. Vol. 104. Pp. 538–553. DOI: 10.1016/j.apenergy.2012.11.051Tian Y., Zhao C.Y. A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications. Applied Energy. 2013; 104:538-553. DOI: 10.1016/j.apenergy.2012.11.051Несов А.Е., Репкин Э.С., Сотникова О.А. Анализ тепловых режимов аккумулирования теплоты // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. 2012. № 2 (7). С. 84–89. EDN NPALAE.Nesov A.E., Repkin E.S., Sotnikova O.A. Analysis of thermal regimes of heat accumulation. Scientific Journal. Engineering Systems and Structures. 2012; 2(7):84-89. EDN NPALAE. (rus.).Кудабаев Р.Б., Джумабаев А.А., Сулейменов У.С., Камбаров М.А., Риставлетов Р.А., Калшабекова Э.Н. Математическая модель теплообмена при фазовом переходе теплоаккумулирующего материала // Вестник Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Серия: Технические науки и технологии. 2022. № 2 (139). С. 102–110. DOI: 10.32523/2616-7263-2022-139-2-102-110. EDN HMBBLS.Kudabaev R.B., Jumabayev A.A., Suleimenov U.S., Kambarov M.A., Ristavletov R.A., Kalshabekova E.N. Mathematical model of heat transfers during phase transition of heat storage material. Bulletin of L.N. Gumilyov Eurasian National University Technical Science and Technology Series. 2022; 2(139):102-110. DOI: 10.32523/2616-7263-2022-139-2-102-110. EDN HMBBLS. (rus.).Альбинская Ю.С., Усачев С.М., Ресснер Ф., Рудаков О.Б. Направления создания микрокапсулированных теплоаккумулирующих материалов с фазовым переходом // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного уни-верситета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. 2013. № 7. С. 21–27. EDN RYFUET.Albinskaya Y.S., Usachev S.M., Roessner F., Rudakov O.B. The directions of creation of the microcapsulated heat-retaining materials with phase transition. Scientific Bulletin of the Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Physico-chemical problems and high technologies of building materials science. 2013; 7:21-27. EDN RYFUET. (rus.).Яковлева Ю.С., Бирюков А.Н. Моделирование физических характеристик теплоаккумулирующих строительных материалов // Омский научный вестник. 2023. № 2 (186). С. 97–104. DOI: 10.25206/1813-8225-2023-186-97-104. EDN XKABVK.Yakovleva Yu.S., Biryukov A.N. Modeling of physical characteristics of heat-accumulating building materials. Omsk Scientific Bulletin. 2023; 2(186):97-104. DOI: 10.25206/1813-8225-2023-186-97-104. EDN XKABVK. (rus.).Борщев Н.О. Определение эффективной тепловой проводимости тепловых аккумуляторов методами параметрической идентификации // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2024. № 1 (766). С. 101–109. DOI: 10.18698/0536-1044-2024-1-101-109. EDN MXDXAA.Borschev N.O. Determination of the thermal battery effective thermal conductivity by the parametric identification methods. BMSTU Journal of Mechanical Engineering. 2024; 1(766):101-109. DOI: 10.18698/0536-1044-2024-1-101-109. EDN MXDXAA. (rus.).Цымбалюк Ю.В., Гераськин М.В. Основы расчета фазопереходных тепловых аккумуляторов для автономной системы теплоснабжения одноквартирных и блокированных жилых домов // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. 2014. № 4–2 (17). С. 71–75. EDN STCGLN.Cymbalyuk Yu.V., Geraskin M.V. Basics of calculation of phase-change thermal accumulators for autonomous heat supply system of single-family and block residential buildings. Scientific Journal. Engineering Systems and Structures. 2014; 4-2(17):71-75. EDN STCGLN. (rus.).Boboev S.M., Eshmatov M.M., Aitmuratov B. Calculation and experimental study of water distributor of stratification heat accumulator of solar heating system // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2022. № 3 (88). С. 129–137.EDN MYELVA.Boboev S.M., Eshmatov M.M., Ajtmuratov B. Calculation-experimental study of water distributor of stratification heat accumulator of solar heating system. Bulletin of the Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Construction and Architecture. 2022; 3(88):129-137. EDN MYELVA. (rus.).Умеренкова Э.В., Умеренков Е.В., Бобрыше-ва Д.В. Использование тепловых аккумуляторов для системы теплоснабжения индивидуального жилого дома // Будущее науки – 2018 : сб. науч. ст. 6-й Междунар. мол. науч. конф. 2018. С. 374–377. EDN UOXVNC.Umerenkova E.V., Umerenkov E.V., Bobrysheva D.V. Use of thermal accumulators for the heat supply system of an individual residential building. Future of Science – 2018 : collection of scientific articles of the 6th International Youth Scientific Conference. 2018; 3:374-377. EDN UOXVNC. (rus.).Бабаев Б.Д., Мамаев Н.И. Определение тепловой нагрузки системы солнечного теплоснабжения с аккумулятором для жилого дома // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2003. № 2. С. 49–50. EDN HQVBIB.Babaev B.D., Mamaev N.I. Determination of the heat load of a solar thermal system with accumulator for a residential building. University News. North-Caucasian Region. Technical Sciences Series. 2003; 2:49-50. EDN HQVBIB. (rus.).Султангузин И.А., Христенко Б.А., Чайкин В.Ю., Яцюк Т.В., Кругликов Д.А., Яворский Ю.В. и др. Разработка и исследование сезонного аккумулятора теплоты и холода для системы энергоснабжения здания // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2021. № 3 (231). С. 39–44. EDN PJQWXI.Sultanguzin I.A., Khristenko B.A., Chaykin V.Yu., Yatsyuk T.V., Kruglikov D.A., Yavorovsky Yu.V. et al. Development and research of seasonal heat and cold storage for building energy supply system. Plumbing, Heating and Air Conditioning. 2021; 3(231):39-44. EDN PJQWXI. (rus.).Сенцов И.В., Постникова П.И., Цыгвинцев И.В., Козлова К.С., Шкорко М.Ю., Журович Е.А. и др. Аккумулирование тепла в тепловом аккумуляторе для дежурного отопления индивидуального дома // Синергия наук. 2017. № 9. С. 353−365. EDN YHHYHF.Sentsov I.V., Postnikova P.I., Tsygvintsev I.V., Kozlova K.S., Shkorko M.Yu., Zhurovich E.A. et al. Heat storage in a thermal accumulator for duty heating of an individual house. Synergy of Sciences. 2017; 9:353-365. EDN YHHYHF. (rus.).Пральников Д.Ф., Ткаченко В.С., Ващенко Е.С. Вариант включения в систему теплопотребления многоэтажного жилого дома теплового аккумулятора // Наука молодых — будущее России : сб. науч. ст. 8-й Междунар. науч. конф. перспективных разработок молодых ученых. 2023. С. 138–141. EDN XEZWSE.Pralnikov D.F., Tkachenko V.S., Vashenko E.S. Variant of including a heat accumulator in the heat consumption system of a multi-storey residential building. Science of the young — the future of Russia : collection of scientific articles of the 8th International Scientific Conference of Advanced Developments of Young Scientists. 2023; 138-141. EDN XEZWSE. (rus.).Бабаев Б.Д. Разработка и исследование энергосистем на основе возобновляемых источников с фазопереходным аккумулированием тепла : дис. М., 2016. 345 с. EDN UMBMEB.Babaev B.D. Development and research of energy systems based on renewable sources with phase-transient heat storage : dissertation. Moscow, 2016; 345. EDN UMBMEB. (rus.).Сотникова О.А., Турбин B.C., Григорьев В.А. Аккумуляторы теплоты теплогенерирующих установок систем теплоснабжения // АВОК. 2003. № 5.Sotnikova O.A., Turbin B.C., Grigorev V.A. Heat accumulators of heat generating units of heat supply systems. ABOK. 2003; 5. (rus.).Melita L., Croitoru С. Aerogel, a high performance material for thermal insulation — a brief overview of the building applications // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 111. P. 06069. DOI: 10.1051/e3sconf/201911106069Melita L., Croitoru С. Aerogel, a high performance material for thermal insulation — a brief overview of the building applications. E3S Web of Conferences. 2019; 111:06069. DOI: 10.1051/e3sconf/201911-106069Wei T.Y., Lu S.Y. Aerogels for energy saving and storage // Energy Efficiency and Renewable Energy Through Nanotechnology. 2011. Pp. 873–911. DOI: 10.1007/978-0-85729-638-2_25Wei T.Y., Lu S.Y. Aerogels for Energy Saving and Storage. Energy Efficiency and Renewable Energy Through Nanotechnology. 2011; 873-911. DOI: 10.1007/978-0-85729-638-2_25Kong X., Nie R., Yuan J. A review of shape stabilized aerogel-based phase change materials for preparation, classification and applications // Energy and Built Environment. 2023. DOI 10.1016/j.enbenv.2023.11.001Kong X., Nie R., Yuan J. A review of shape stabilized aerogel-based phase change materials for preparation, classification and applications. Energy and Built Environment. 2023. DOI: 10.1016/j.enbenv.2023.11.001Wu L., Zhao B., Gao D., Jiao D., Hu M., Pei G. Solar transparent and thermally insulated silica aerogel for efficiency improvement of photovoltaic/thermal collectors // Carbon Neutrality. 2023. Vol. 2. Issue 1. DOI: 10.1007/s43979-023-00046-8Wu L., Zhao B., Gao D., Jiao D., Hu M., Pei G. Solar transparent and thermally insulated silica aerogel for efficiency improvement of photovoltaic/thermal collectors. Carbon Neutrality. 2023; 2(1). DOI: 10.1007/s43979-023-00046-8

The authors declare that there are no conflicts of interest present.