سیستم های خنک کننده ذخیره سازی حرارتی مبتنی بر یخ

سیستم های خنک کننده ذخیره سازی حرارتی مبتنی بر یخ

از آنجایی که استفاده از خنک‌کننده‌های ساختمانی با انرژی الکتریکی در حال گسترش است، شرکت‌های برق با یک چالش مواجه می‌شوند: چگونگی تامین انرژی الکتریکی لازم به روش‌هایی که پیک‌های تیز فزاینده‌ای در مشخصات تقاضای برق ایجاد نکنند. همانطور که در شکل ۹-۱ نشان داده شده است، برای بسیاری از تاسیسات، به ویژه آنهایی که در مکان  های گرمتر هستند، اوج تقاضای برق در اواخر بعد از ظهر در روزهای گرم و مرطوب رخ می دهد.

این پیک‌ها در تقاضا، نیاز به عملیات پیشگیرانه از تاسیسات اوج تولید برق را ایجاب می‌کنند، که اغلب هزینه‌های قابل‌توجهی برای کارکرد در هر کیلووات بر ساعت انرژی تحویل‌شده در مقایسه با تاسیسات تولید بار پایه دارند. پیک هایی که عمدتا توسط موتورها ایجاد می شوند، بارگذاری توان راکتیو در شبکه های توزیع را افزایش می دهند و تلفات خطوط انتقال را افزایش می دهند.

سطح زیر منحنی پروفیل بار در شکل ۹-۱ کل انرژی الکتریکی (نه توان) عرضه شده به بار در مدت ۲۴ ساعت را نشان می دهد. شکل ۹-۲ میانگین توانی را نشان می‌دهد که اگر به مدت ۲۴ ساعت حفظ شود. منجر به تامین کل انرژی الکتریکی یکسان می‌شود.

برای این پروفیل بار خاص، میانگین توان تنها حدود ۴۶ درصد توان اوج است.

یک سناریوی «ایده‌آل» برای یک شرکت برق ارائه همان مقدار کل انرژی الکتریکی در دوره ۲۴ ساعته است، اما برای نمایه بار نشان‌داده‌شده در شکل ۹-۲، آن را با توان ثابت ۴۶ درصد از انرژی الکتریکی تامین کنید. اوج. این سناریو با ناحیه زرد در شکل ۹-۲ نشان داده شده است.

یکی از راه‌های دستیابی مفهومی به این سناریوی «ایده‌آل»، «بریدن» ناحیه پرتقاضای نشان‌داده‌شده با رنگ قرمز در شکل ۹-۳ و ​​استفاده از این ناحیه برای «پر کردن» مناطق کم‌تقاضا نشان‌داده‌شده با رنگ سبز در شکل ۹ است.

یکی از روش‌هایی که برای کاهش پیک‌ها و تغییر تقاضای برق بیشتر به دوره‌های کم تقاضا استفاده شده است، «مدیریت سمت تقاضا» نامیده می‌شود. در اصل، شرکت های برق مشتریان را تشویق می کنند تا تجهیزاتی را نصب کنند که بتوانند در دوره های کم تقاضا کار کنند و انرژی را تا زمان نیاز ذخیره کنند. مشوق‌های مالی، مانند نرخ‌های برق زمان استفاده و هزینه‌های تقاضا، یکی از روش‌های کلیدی مورد استفاده برای مدیریت سمت تقاضا است. نرخ‌های برق زمان استفاده، انرژی الکتریکی را با هزینه‌ی قابل‌توجهی کمتر به ازای هر کیلووات ساعت ارائه می‌کنند، زمانی که در دوره‌های از پیش تعریف‌شده با تقاضای کم استفاده می‌شود. این دوره ها شامل ساعات شب و در برخی موارد آخر هفته و تعطیلات می شود. هر شرکتی که این نرخ‌ها را ارائه می‌کند، ساختارهای نرخ و زمان‌های خاصی دارد که در آن اعمال می‌شوند.

یکی از راه های اعمال مدیریت سمت تقاضا برای بارهای خنک کننده تجاری از طریق سیستم های ذخیره سازی یخ است. این به یخ اجازه می دهد تا در مقایسه با کاهش دمای آب، اثر خنک کنندگی بسیار بیشتری در هر پوند آب ذخیره کند.

مطالب پیشنهادی: انواع چیلر چیست؟

شکل ۹-۴ کل انرژی حرارتی آب را در مقابل دمای مطلق آن نشان می دهد. به افزایش قابل توجه انرژی با تغییر یک پوند آب از یخ به آب توجه کنید. این انتقال را می توان به صورت معکوس نیز مشاهده کرد. یک پوند آب مایع باید دمای خود را ۱۴۴ درجه فارنهایت تغییر دهد تا مقداری معادل انرژی حرارتی ذخیره کند.

همچنین توجه داشته باشید که تغییر بین یخ و آب مایع در دمای ثابت ۳۲ درجه فارنهایت رخ می دهد. این دما بسیار نزدیک به دمای معمولی آب تامین ۴۵ درجه فارنهایت در سیستم های خنک کننده آب سرد است.

مفهوم اساسی یک سیستم خنک کننده ذخیره سازی یخ این است که یک چیلر را در دوره هایی با نرخ بهره پایین (معمولاً در شب) کار کند تا حجمی از آب مایع را که در یک یا چند ظروف بزرگ بدون فشار و عایق نگهداری می شود به یخ تبدیل کند. سپس این یخ ذوب می‌شود تا خنک‌سازی را در طول دوره اوج بارگذاری بعدی تامین کند.

یک امکان پیکربندی به نام سیستم “فول ذخیره سازی” است. در این رویکرد، مقدار یخ ایجاد شده در یک دوره “خارج از پیک” معین برای پاسخگویی به کل بار خنک کننده ساختمان در طول دوره “در اوج” بعدی کافی خواهد بود. در تئوری، این امر نیاز به کارکرد چیلر را در دوره “در اوج” از بین می برد و به طور قابل توجهی هم هزینه عملیات و هم تقاضای پیک قدرت سیستم را کاهش می دهد. اکثر ساختمان‌های تجاری هم برای مقدار انرژی الکتریکی مصرف شده در یک دوره صورت‌حساب (مثلاً کیلووات ساعت)، و هم برای اوج تقاضای برق (مثلاً کیلووات) در هر دوره ۱۵ دقیقه‌ای در آن دوره صورت‌ حساب می‌شوند.

سناریوی دیگری که به عنوان سیستم ذخیره‌سازی جزئی از آن یاد می‌شود، جابجایی اکثر (و نه همه) بار خنک‌کننده در اوج با استفاده از ذخیره‌سازی یخ و تامین تعادل بار با کارکرد چیلر است. این روش معمولاً هزینه عملیاتی بالاتری نسبت به یک سیستم ذخیره‌سازی کامل دارد، اما همچنین هزینه نصب قابل‌توجهی پایین‌تری دارد زیرا چیلر و ذخیره‌سازی بانک یخ می‌تواند کوچک‌تر باشد.

حجم این مخازن بین ۵۰۰ تا ۵۰۰۰ گالن است. آنها در طیف وسیعی از قطرها و ارتفاع ها برای هماهنگی با مکان ها و محدودیت های مختلف نصب در دسترس هستند. چندین مخزن را می توان به صورت موازی ترکیب کرد تا ظرفیت ذخیره سازی یخ را افزایش دهد.

هر مخزن حاوی چندین هزار فوت لوله پلی اتیلن با قطر کوچک است که به صورت سیم پیچی چیده شده اند. کویل ها در آب غوطه ور می شوند که تقریباً پوسته مخزن را پر می کند. سیم پیچ ها نیز به یکدیگر منیفولد می شوند و در نتیجه دو اتصال لوله ۴ اینچی بین مخزن یخ بانک و باقی مانده سیستم ایجاد می شود. با استفاده از سیستم هدر داخلی می توان تا ۹ مخزن را به صورت موازی متصل کرد.

در طول مرحله عملیات یخ‌سازی، که معمولاً ۸ تا ۱۰ ساعت طول می‌کشد، یک محلول ضد یخ پروپیلن گلیکول یا اتیلن گلیکول با دمای تقریبی ۲۵ درجه فارنهایت از طریق سیم‌پیچ‌های لوله به گردش در می‌آید. همانطور که در شکل ۹-۶ نشان داده شده است، حلقه ای از یخ در اطراف لوله سرد تشکیل می شود .

تغییر فاز از آب مایع به یخ باعث ایجاد انبساط حجمی جزئی در مخزن می شود. آبی که هنوز منجمد نشده است این انبساط را جذب می کند و در نتیجه سطح آب داخل مخزن کمی افزایش می یابد. این روش از ایجاد تنش در مخزن جلوگیری می کند. در پایان مرحله یخ سازی، تقریباً ۹۵ درصد از آب مخزن به یخ تبدیل شده است.

یک یا چند مخزن ذخیره یخ با یک یا چند چیلر و یک سیستم توزیع خنک کننده هیدرونیک ترکیب می شوند. شکل ۹-۷ یک آرایش ممکن را نشان می دهد که در مرحله یخ سازی نشان داده شده است.

محلول ضد یخ سرد شده در دمای تقریباً ۲۵ درجه فارنهایت از چیلرها خارج می شود. یک جداکننده هیدرولیک از تداخل دینامیک فشار سیرکولاتورهای چیلر با دینامیک فشار سیرکولاتور حلقه اصلی جلوگیری می کند و به چیلرها اجازه می دهد تا حداقل دبی عملیاتی خود را در سایر شرایط عملیاتی حفظ کنند. این جداکننده همچنین هوا، کثیفی و ذرات مغناطیسی سیال را از بین می برد.

ضد یخ سرد شده توسط یک دریچه تعدیل کننده به داخل کویل مخازن ذخیره یخ هدایت می شود. ضد یخ کمی گرمتر که از مخازن خارج می شود از طریق جداکننده هیدرولیک دیگری، از طریق حلقه اصلی سیرکولاتور جریان می یابد و در نهایت به چیلرها باز می گردد.

اگرچه نشان داده می‌شود که بارها در طول چرخه یخ‌سازی که معمولاً در شب اتفاق می‌افتد خاموش هستند، در صورت نیاز ممکن است یک یا چند بار در این مدت کار کنند. یک شیر موتوری ۳ طرفه مقداری از محلول ضد یخ ۳۱ درجه فارنهایت را با خروج از مخازن ذخیره یخ و داخل جداکننده هیدرولیک مخلوط می کند، با مقداری از آب که از هر بار فعال باز می گردد تا دمای سیال تامین تقریباً ۴۴ درجه فارنهایت به بار خنک کننده فعال برسد. چرخه تولید یخ تا زمانی ادامه می‌یابد که تقریباً ۹۵ درصد از آب موجود در مخازن یخ‌بانک منجمد شود، یا احتمالاً تا زمانی که دوره کم‌پیک به پایان برسد.

شکل ۹-۸ سیستم را در حالت ذوب یخ نشان می دهد . چیلرها خاموش فرض می شوند و بار خنک کننده به طور کامل از مخازن یخ بانک تامین می شود.

اگر شرایطی حاصل شود که مخازن ذخیره یخ دیگر نتوانند بار خنک کننده را تامین کنند، یکی از چیلرها، شاید با ظرفیت جزئی، برای تکمیل خروجی مخازن ذخیره یخ کار می کند. شیر ۳ طرفه تعدیل کننده نسبت جریان را از طریق بانک یخ در مقابل مستقیم از طریق شیر تعیین می کند.

شکل ۹-۹ سناریویی را نشان می دهد که در آن اثر خنک کننده موجود از مخزن ذخیره یخ کاهش یافته است (به عنوان مثال، تمام یخ ذوب شده و آب در مخازن به دمایی رسیده است که دیگر نمی تواند خنک کننده کافی در بارها ایجاد کند).

در این مرحله چیلرها کل بار خنک کننده را تامین می کنند. دو جداکننده هیدرولیک اجازه می دهد تا نرخ جریان چیلر مستقل از جریان حلقه اصلی باشد. آنها همچنین اجازه می دهند که نرخ جریان بار مستقل از نرخ جریان حلقه اصلی باشد.

نظر گرفتن وضعیت روشن/خاموش سایر هواگیرها، نرخ جریان از پیش تعیین شده پایدار را از طریق هر سیم پیچ زمانی که دریچه ناحیه مربوطه باز است، حفظ می کند. یک سیرکولاتور با تنظیم فشار با سرعت متغیر به طور خودکار سرعت خود را بر اساس کنترل فشار دیفرانسیل متناسب تنظیم می کند. شیر اختلاط سه طرفه در پایین دست سیرکولاتور بار، بای پس آن کاملاً بسته است. سیال سیستم به هر هواگیر در دمای ۴۴ درجه فارنهایت عرضه می شود. سیالی که از هر هواگیر فعال با دمای تقریبی ۵۸ درجه فارنهایت خارج می شود، از جداکننده هیدرولیک عبور کرده و به چیلر باز می گردد. اگر از سیرکولاتورهای مدرن ECM استفاده شود، یک سیستم اتوماسیون ساختمان می تواند برای تطبیق دبی سیرکولاتور حلقه اصلی با دبی سیرکولاتور بار استفاده شود. این از اختلاط در جداکننده هیدرولیک جلوگیری می کند و اطمینان می دهد که گرم ترین سیال به چیلر باز می گردد.

ذخیره‌سازی حرارتی مبتنی بر یخ می‌تواند به سیستم‌های توزیع آب سرد موجود مجهز شود. در این شرایط، می توان یک مبدل حرارتی صفحه و قاب با اندازه سخاوتمندانه (به عنوان مثال، اختلاف دمای نزدیک به پایین) نصب کرد تا محلول ضد یخ را در قسمت ذخیره حرارتی سیستم از آب در قسمت موجود سیستم جدا کند.

مطالب پیشنهادی: کاربرد چیلر صنعتی و تهویه مطبوع

سیستم‌های خنک‌کننده ذخیره‌سازی حرارتی مبتنی بر یخ چندین مزیت را ارائه می‌کنند، از جمله:

• هزینه عملیاتی کمتر بر اساس نرخ برق خارج از پیک.
• کاهش ظرفیت چیلر اندازه نسبت به بار اوج (۶۶٪ از اوج بار تخمین نقطه شروع است).
• کاهش هزینه های تقاضای برق به دلیل کاهش ظرفیت چیلر.
• در صورتی که چیلر به طور موقت برای تعمیر و نگهداری پس از یک چرخه کامل یخ سازی آفلاین باشد، قابلیت خنک سازی چند ساعته را دارد.
• توانایی تامین مقداری ظرفیت خنک کننده در هنگام قطع برق، با فرض اینکه یک ژنراتور پشتیبان کافی برای تغذیه سیرکولاتورها در دسترس باشد.
• برخی از تاسیسات مشوق هایی را برای کاهش هزینه نصب این نوع سیستم ارائه می دهند.

این مقاله چقدر برای شما مفید بود؟
[کل: ۰ میانگین: ۰]

اشتراک گذاری در

دیدگاهتان را بنویسید

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

چهارده − 2 =

خدمات اکستراکول