سیستم های ذخیره سرما

—روش تولید یخ روی کویل با ذوب خارجی

این روش قدیمی ترین روش ذخیره سازی یخ در جهان بوده و در ایران به نام آیس بانک شناخته می شود.در این روش یخ روی کویل هایی که درون یک مخزن آب قرار دارند تشکیل می شود.در حالت شارژ، مبرد یا سیال آب و اتیلن گلیکول که دمای آن از 5- تا 9-درجه سانتی گراد توسط چیلر سرد شده، درون کویل ها به گردش در می آید و باعث می شود آب مجاور سطح خارجی کویل ها منجمد شود.البته سیستم های کنترلی وجود دارند تا از یخ زدن کل آب درون مخزن جلوگیری کنند.بدین ترتیب در مخزن همواره آب و یخ وجود خواهد داشت.جهت تخلیه یا دیسشارژ، آب باقی مانده درون مخزن توسط پمپ به سمت بار جریان رفته و بعد از تأمین بار گرم شدن، مجددأ وارد مخزن شده و باعث ذوب شدن ناحیه خارجی یخ های تشکیل شده روی کویل می گردد.(شکل 5)

 

 

—سیستم تولید یخ روی کویل با ذوب داخلی

این روش تقریبأ مشابه روش ذوب خارجی است با این تفاوت که درون لوله ها فقط سیال آب و اتیلن گلیکول جریان دارد.روش شارژ مشابه روش قبل بوده و جریان سیال سرد شده از 5- تا 9- درجه سانتی گراد باعث می شود که آب درون مخزن روی کویل یخ بزند.

جهت دیسشارژ، مجددأ همان سیال وارد بار شده و بعد از گرم شدن درون لوله ها جریان یافته و موجب می شود یخ ها از درون ذوب شده و باعث سرد شدن مجدد سیال شوند.(شکل 6)

 

 

—روش توپ های یخی

در این روش توپ های پلاستیکی با قطر خارجی حدود 10 سانتی متر از آب و دیگر مواد شیمیایی پر و پلمپ می شوند.درون هر توپ حدود 1 پوند آب وجود دارد؛ در نتیجه توپ ها بعد از یخ زدن کامل می توانند حدود 144Btu سرما در خود ذخیره نمایند، یعنی حدود 84 الی 88 عدد توپ جهت ذخیره یک تن – ساعت مورد نیاز می باشد.(شکل 7)

 

 

در این روش، مخزن ذخیره سرما توسط تعداد زیادی از توپ ها پر می گردد(به طور مثال درون یک مخزن به ظرفیت 2000 تن-ساعت حدود 170000 عدد توپ وجود دارد.)

جهت شارژ مخزن، محلول 75 درصد آب با 25 درصد اتیلن گلیکول بعد از عبور از چیلر و کاهش دمای آن به 5- الی 7- درجه سانتی گراد، از پایین وارد مخزن شده و با عبور از روی این توپ ها باعث می شود آب درون آن ها منجمد شود.جهت دیسشارژ یا تخلیه، همین محلول بعد از تأمین بار سرمایشی و خروج از مبدل حرارتی مجددأ از پایین وارد مخزن شده و با عبور از روی توپ ها باعث می شود که یخ درون توپ ها ذوب شده و محلول گرمای خود را به توپ ها داده و دمای آن کاهش یافته و سرد شود و مجددأ جهت تأمین بار وارد مبدل حرارتی یا مستقیمأ وارد کویل هواساز ها و فن کویل ها شود.(شکل 8)

 

 

در این سیستم به علت خواص هندسی شکل کره(بالاترین سطح در مقایسه با حجم)سطح انتقال حرارت بین مبرد و ماده ذخیره کننده دارای بیشترین مقدار می باشد(حدود 22 فوت مربع به ازا یک تن - ساعت)

کیفیت بالای توپ ها به حدی است که می توانند حداقل 30 سال متوالی منبسط یا منقبض شوند، بدون این که سوراخ شده و آب درون آن ها تخلیه گردد.در سطح این توپ ها، 16 عدد فرو رفتگی وجود دارد که با منجمد شدن و افزایش حجم یخ، این فرورفتگیها به بیرون آمده تا بدنه توپ تحت فشار و پارگی قرار نگیرد.با ذوب شدن یخ درون توپ ها و کم شدن حجم درون آن، این قسمت ها مجددأ به حالت اولیه خود برمیگردند.(شکل 9)

 

 

در این روش می توان از هر نوع مخزنی اعم از مخازن اتمسفری، تحت فشار، بتنی، فولادی، ایستاده، نصب روی زمین یا زیرزمین، یک مخزن یا چند مخزن، با هر شکلی از قبیل استوانه یا مکعب مستطیل و غیره استفاده نمود.ضمنأ با استفاده از این روش، هزینه تعمیرات و نگهداری به حداقل رسیده و نیاز به بازرسی های مکرر وجود ندارد.افت فشار سیال در این روش کمترین مقدار نسبت به روش های دیگر می باشد.

¢ذخیره سازی به وسیله مواد تغییر فاز دهنده

مواد تغییر فاز دهنده یا نمک های ایوتکتیک موادی هستند که مانند آب در دمایی خاص از حالت مایع به جامد و یا برعکس تغییر فاز داده که بسته به گرمای نهان آن ها، مقداری انرژی جهت این تغییر فاز در خود ذخیره یا آزاد می کنند.متداول ترین ماده، ترکیبی است از آب، نمک های غیر ارگانیک و مواد شیمیایی دیگر که دارای نقطه ذوب 3/8 درجه سانتی گراد(47°F) و گرمای نهان حدود 41Btu/Ib می باشد.در این روش، این مواد همانند روش توپ های یخی درون ظروف پلاستیکی به شکل کره یا اشکال دیگر پر شده و پلمپ می گردند، سپس مخزن را از این ظروف پر می کنند.آب سرد خروجی از چیلر(با دمای حدود 4 تا 6 درجه سانتی گراد)از پایین وارد این مخازن شده و باعث می شود مواد درون این ظروف منجمد شوند.جهت دیسشارژ، آب گرم برگشتی از بار وارد این مخازن شده و با انتقال گرمای خود به مواد درون این ظروف باعث ذوب شدن این مواد می گردد.دمای خروجی از مخزن در حالت دیسشارژ حدود 9 تا 10 درجه سانتی گراد می باشد.حجم مخازن مورد نیاز در این روش حدود 6 فوت مکعب به ازا هر تن-ساعت است.هزینه تأمین مواد تغییر فاز دهنده نسبت به دو روش ذخیره سازی به وسیله یخ بالا می باشد.مواد دیگری که نقطه انجماد و گرمای نهان مختلفی دارند نیز تهیه و تولید شده اند؛ موادی که نقطه ذوب و انجماد آن ها بین 27- درجه سانتی گراد تا 33+ درجه سانتی گراد متغیر است.

¢موارد کاربرد و مزایای استفاده از سیستم های ذخیره سرما

1-انتقال مصرف برق دستگاه های تولید برودت به زمان های کم باری :

مهم ترین مزیت استفاده از سیستم ها ی ذخیره سرما، انتقال مصرف برق چیلر ها ، برج های خنک کن و پمپ های کندانسور از زمان اوج بار و میان باری که تعرفه برق بالاست به زمان کم باری که هزینه مصرف برق پایین ایت می باشد.بدین وسیله بهره بردار هزینه کمتری به ازا مصرف مقدار معینی برق در زمان کم باری پرداخت می نماید.

2-یکنواخت تر نمودن مصرف برق و کاهش ماکزیمم دیماند پروژه :

با انتقال مصرف برق سیستم های تولید برودت به زمان کم باری، مصرف برق مجموعه یکنواخت تر شده و در نتیجه ماکزیمم دیماند پروژه کاهش می یابد.با کاهش ماکزیمم دیماند پروژه، هزینه ای که کاربر بابت دیماند برق درخواستی به مراکز توزیع برق می پردازد به همان نسبت کاهش خواهد یافت.

3-کوچکتر شدن ظرفیت چیلر ها و برج های خنک کن :

با طراحی مناسب و کارکرد چیلر در طول 24 ساعت شبانه روز جهت تأمین بار و شارژ مخزن، می توان از ظرفیت های بلااستفاده جچیلر در زمان هایی که باری وجود ندارد و یا مقدار آن کم می باشد استفاده نموده و بدین وسیله ظرفیت چیلر های مورد نیاز پروژه 40 تا 60 درصد کاهش می یابد.با کوچکتر شدن چیلر ها، برج های خنک کن یا کندانسور های هوایی مربوطه، پمپ های کندانسور و لوله کشی بین چیلر و برج خنک کن نیز کوچکتر کوچکتر خواهند شد.در نتیجه هزینه اولیه تأمین چیلر، برج خنک کن، پمپ های کندانسور و لوله کشی خط کندانسور نیز به مقدار قابل توجهی(40 تا 60 درصد)کاهش پیدا می کند.هرچه اختلاف ظرفیت پیک بار با متوسط بار مورد نیاز پروژه بیشتر باشد، استفاده از سیستم ذخیره سازی ضروری تر بوده و صرفه جویی در هزینه ها بیشتر می باشد.

4-کوچکتر شدن تجهیزات الکتریکی :

کوچکتر شدن ظرفیت چیلر ها، برج های خنک کن، پمپ ها، هواساز ها و فن کویل ها و نیز یکنواخت تر شدن بار الکتریکی موجب می شود که پست اصلی برق، ترانسفورماتورها، کابل های ورودی به ساختمان و کابل کشی های سیستم تأمین برودت، ژنراتور برق اضطراری، تابلوهای برق مربوطه و غیره همگی کوچکتر شده و هزینه اولیه تأمین و نصب آن ها کاهش یابد.

5-کوچکتر شدن پمپ ها و لوله کشی آب سرد :

چون اختلاف دمای آب سرد رفت و برگشت به بار در سیستم های ذخیره سازی حدود 16 تا 24 درجه فارنهایت در مقایسه با اختلاف دمای 10 الی 12 درجه فارنهایتی در سیستم های معمولی است، لذا مقدار آب سرد در گردش در سیستم های مجهز به ذخیره سازی حدود 50 تا 60 درصد سیستم های بدون ذخیره سازی می باشد.

با کمتر شدن جریان آب در گردش، اندازه پمپ های سیرکولاسیون آب سرد، لوله کشی آب سرد و عایقکاری آن کاهش یافته و هزینه های نصب و اجرای آن ها به همان نسبت کمتر خواهد شد.

6-کوچک تر شدن ظرفیت هواساز ها و فن کویل ها و ابعاد کانال ها :

با توچه به سرد تر بودن آب ورودی به کویل هواساز ها و فن کویل ها نسبت به سیستم معمولی و اختلاف دمای بیشتر آب ورودی و خروجی کویل ها، می توان ظرفیت سرمایش مورد نظر را توسط هوای با میزان کمتر(cfm کمتر)تولید نمود.کمتر شدن جریان هوا باعث کوچکتر شدن ظرفیت هواساز ها و فن کویل ها و نیز کوچک تر شدن ابعاد کانال کشی ساختمان می گردد و هزینه تأمین تجهیزات هوادهی سیستم کاهش خواهد یافت.هم چنین به علت کوچک تر شدن میزان هوادهی فن ها، مقدار مصرف برق آن ها نیز کاهش خواهد یافت.کوچک تر شدن ابعاد کانال ها نیز باعث می شود که ارتفاع کمتری جهت سقف کاذب ساختمان مورد نیاز باشد.

7-راندمان بالاتر چیلر ها در شب هنگام :

هرچه دمای تقطیر پایین تر باشد یا به عبارتی دمای محیط خنک تر باشد راندمان یک چیلر افزایش پیدا می کند.با توجه به این که دمای خشک محیط در شب معمولأ حدود 20 درجه فارانهایت خنک تر از روز است، راندمان چیلر ها در شب به شدت افزایش می یابد.این مورد مخصوصأ در جاهایی که از چیلرهایی با کندانسور هوایی استفاده می شود اهمیت بیشتری پیدا می کنند.شکل 10 راندمان چیلرهای با کندانسور هوایی را دردماهای متفاوت نشان می دهد.

8-راندمان بالاتر چیلر ها در حالت بار کامل :

چیلر ها به نحوی طراحی می شوند که در حالت بار کامل یا Full Load دارای بیشترین راندمان می باشد.از آن جا که در سیستم های ذخیره سازی، چیلر ها در اکثر اوقات و مخصوصأ در زمان های شارژ مخزن با حداکثر ظرفیت خود کار می کنند، راندمان آن ها حداکثر ممکن می باشد.

طبق گزارش ASHRAE در سیستم های معمولی، چیلر ها بیشتر از نصف زمان کارکردشان با ظرفیتی کمتر از 30 درصد ظرفیت اسمی خود کار می کنند.در صورت استفاده از سیستم های بدون ذخیره سازی، راندمان چیلر ها به مقدار قابل توجهی در اکثر اوقات که با ظرفیت نسبی خود کار می کنند، کاهش می یابد.

9-ایده آل جهت پروژه هایی که نیاز به افزایش ظرفیت برودت دارند :

در اکثر پروژه هایی که به علت بازسازی، افزایش تولید و یا اضافه کردن ساختمان، نیاز به افزایش ظرفیت برودت دارند، اضافه کردن مخزن ذخیره سرما مقرون به صرفه تر از افزایش تعداد چیلر ها و برج های خنک کن، تعویض پمپ هاف تعویض تابلو برق، کابل کشی و ... می باشد.

ضمن اینکه دیماند پروژه را افزایش نداده و در هزینه های مصرف برق صرفه جویی های چشمگیری حاصل می گردد.

10-امکان استفاده از چیلر های جذبی و چیلر های با کندانسور آبی در مناطق با رطوبت بالا :

در بسیاری از مناطق ایران که دمای مرطوب هوا (Wet Bulb Temp) در روز بسیار بالاست، نمی توان از چیلر های جذبی و یا به طور کلی از چیلر های جذبی و یا به طور کلی از چیلر های با کندانسور آبی استفاده نمود، چرا که برج خنک کن نمی تواند دمای آب را تا حد مطلوب کاهش دهد.

با استفاده از سیستم های ذخیره سرما می توان از چیلر های با کندانسور آبی در شب استفاده کرده و برودت تولید شده را برای استفاده در روز بعد ذخیره نمود.

قابل توجه این که هزینه تهیه و تأمین یک چیلر با کندانسور آبی حدود 70 درصد یک چیلر هوایی با همان ظرفیت واقعی بوده درحالی که مصرف برق چیلر با کندانسورهوایی حدود 7/1 برابر چیلر با کندانسور آبی به همان ظرفیت می باشد.

11-تولید هوای سردتر و با رطوبت کمتر :

با به گردش در آوردن آب سردتر در کویل هواساز ها و فن کویل ها می توان هوای سردتر و با رطوبت نسبی کمتر تولید نمود، بدون این که ظرفیت هوادهی (CFM) سیستم های هواساز افزایش یابد.در سیستم های ذخیره سرما(مخصوصأ ذخیره سازی به روش تولید یخ)دمای آب سرد تولید شده حدود 1 تا 2 درجه سانتی گراد است.این آب باعث کاهش 5 الی 7 درجه سانتی گراد در دما و کاهش 20 الی 30 درصد رطوبت بیشتر در هوای خروجی از هواساز ها می گردد.هوای با دما و رطوبت پایین تر هوای بسیار مطلوب تری در ساختمان، مخصوصأ در مناطق گرمسیری ایجاد می نماید.هوای با رطوبت نسبی پایین در بعضی پروژه های صنعتی و تولیدی نیز بسیار ضروری است.این مورد با داشتن آب سردتر و گرفتن رطوبت بیشتر از هوا توسط عبور آن از روی کویل سردتر امکان پذیر خواهد بود.

12-کاهش مصرف برق و کاهش هزینه های مصرف برق :

به طور کلی به علت کوچکتر شدن ظرفیت دستگاه های سرمایشی(چیلر ها)، پمپ ها، برج های خنک کن، هواساز ها و فن کویل ها و هم چنین بالا رفتن راندمان چیلر ها به علت کارکرد در هوای خنک تر(شب هنگام)و کارکرد در حالت Full Load مصرف برق سالیانه مجموعه تا حد قابل توجهی کاهش پیدا خواهد کرد.این مصرف کمتر برق مجددأ شامل تعرفه های کمتر برق در زمان کم باری خواهد شد.از طرفی هزینه دیماند برق نیز کاهش یافته و لذا مبلغ زیادی از هزینه برق سالیانه مجموعه کاسته خواهد شد.

13-امکان داشتن ظرفیت متغیر بدون تغییر دما :

با استفاده از سیستم های ذخیره سازی می توان ظرفیت های مختلفی از سیستم دریافت نمود، بدون این که دمای آب ورودی به سیستم تغییری داشته باشد.به عبارتی دیگر می توان بدون در نظر گرفتن حجم آب در گردش همواره دمای ثابتی از سیستم دریافت نمود.

14-کمک به محیط زیست :

برای تولید برق در طول شب به علت پایین بودن دمای هوا به سوخت کمتری نیاز می باشد؛ به عبارتی دیگر جهت تولید یک کیلووات ساعت برق در طول شب مقدار کمتری سوخت نسبت به روز مورد نیاز است.

مصرف سوخت کمتر، آلودگی محیط زیست کمتری به دنبال خواهد داشت.هم چنین به دلیل این که مصرف سوخت در شب انجام می شود کمتر باعث تولید گاز های گلخانه ای و افزایش دمای کره زمین خواهد شد.

15-اعتماد پذیری بیشتر :

با این سیستم، اعتماد به داشتن سرمایش و ظرفیت مورد نیاز در هر زمان بیشتر می باشد.در مواقع قطعی برق تنها با روشن نمودن پمپ ها، فن هواساز یا فن کویل ها (جهت تهویه مطبوع) توسط ژنراتور اضطراری برق، امکان تأمین سرمایش لازم وجود خواهد داشت.ضمنأ می توان در طول روز، چیلر ها را خاموش و نسبت به تعمیر آن ها اقدام نمود، بدون این که در تأمین بار برودتی مورد نیاز خللی به وجود آید.

این مورد جهت ساختمان هایی مانند بیمارستان ها و یا کارخانجاتی که سرما در فرآیند تولید نقش مهمی دارد بسیار حائز اهمیت است.

16-کمک به نیروگاه ها و مراکز توزیع برق :

نیروگاه های کشور در زمان اوج بار با حداکثر توان خود تولید برق می کنند ولی نمی توانند تمام نیاز کشور را تأمین نمایند، در حالی که در زمان کم باری مجبور به خاموش کردن ژنراتور ها می شوند.این روش و خاموش کردن ژنراتور ها آسیب های جدی به آن ها وارد می کند.این اختلاف مصرف در سه ماه تابستان به علت مصرف برق دستگاه های تولید برودت به اوج خود می رسد.لذا همواره وزارت نیرو مصرف کمتر برق در ساعات میان باری و اوج بار و مصرف بیشتر در ساعات کم باری را توصیه و تشویق می نماید تا بدین وسیله اختلاف مصرف را در طول ساعات شبانه روز به حداقل برساند.با استفاده از سیستم های ذخیره سازی و انتقال مصرف برق چیلر ها از زمان اوج بار به زمان کم باریمی توان به نحصیل این مهم نیز کمک نمود.

 

اقتباس از مجله صنعت تأسیسات

از : مهندس احمدرضا سبحانی

شرکت ذخیره سازان سرما