سیستم های ذخیره سرما

مسئله انرژی و تأمین آن از دیرباز یکی از مشکلات بشر بوده و این مشکل هرروز در جهان بیشتر می شود.علی رغم این که به سرعت از مقدار محدود منابع انرژی های فسیلی موجود کاسته می شود، اما تقاضا برای آن هر روز افزایش می یابد؛ لذا یافتن راهکارهایی جهت صرفه جویی و استفاده بهینه از انرژی اجتناب ناپذیر است.به همین دلیل دانشمندان و متخصصین، شرکتها و ارگان های زیادی در سراسر جهان به دنبال یافتن راه هایی جهت بالا بردن راندمان دستگاه ها، جلوگیری از اتلاف انرژی، بازیافت انرژی، و در نهایت استفاده بهینه از آن هستند.یکی از راهکارها جهت استفاده بهینه از انرژی، ذخیره سازی آن است.بدین ترتیب که انرژی در زمانی که دسترسی به آن آسان و یا کم هزینه است ذخیره شده و در زمانی دیگر به نسبت نیاز از آن استفاده می شود.به عنوان مثال می توان انرژی الکتریسیته را در یک خازن و انرژی پتانسیل آب یک رودخانه را در پشت یک سد ذخیره نمود و در زمانی دیگر از آن به صورت کنترل شده و به هر مقدار مورد نیاز بهره برداری کرد.

در صنایع تهویه مطبوع، سرمایش ساختمانها، سرمایش دستگاه های صنعتی و یا خنک کردن محصولات تولیدی یک کارخانه، نیاز به برودت و سرما می باشد که غالبأ این سرما توسط چیلر تأمین می گردد و معمولا انرژی ورودی چیلر ها(به جز چیلر جذبی) انرژی الکتریسیته است.این در حالی است که زمان عملکرد چیلر ها اغلب در زمان اوج مصرف برق (ساعات پیک) در کشور است و این حالت در تابستانها نیز به اوج خود می رسد.سرما و برودت مورد نیاز را نیز می توان به روش های متفاوت ذخیره کرد. بدین ترتیب که چیلر ها را در زمان کم باری روشن نموده و سرمایش را به صورت آب سرد (Chilled Water Storage) و یا یخ

(Ice Storage System) در مخازنی ذخیره نمود.با اتمام ساعات کم باری و شروع ساعت میان باری و اوج بار، چیلر ها خاموش شده و سرمای مورد نیاز توسط مخازن تأمین می گردد.با توجه به چند تعرفه ای بودن مصرف برق در ساعات مختلف شبانه روز، کاربر می تواند بدین وسیله هزینه کمتری بابت مصرف برق چیلر ها در ساعت کم باری بپردازد.

از طرفی چون مصرف برق چیلر های مجموعه به ساعاتی غیر از زمانی که دیگر تجهیزات روشن می باشند، انتقال می یابد، دیماند برق درخواستی نیز به اندازه مصرف برق چیلرها کاهش می یابد و کاربر هزینه کمتری نیز بابت دیماند پرداخت خواهد نمود.

سیستم های ذخیره سرما از سال 1970 میلادی در جهان اجرا و نصب شده و تا کنون بیش از 6000 پروژه بزرگ فقط در ایالات متحده آمریکا و هزاران پروژه دیگر در سایر کشورها اجرا شده اند.

¢مخازن ذخیره سرما        

مخازن ذخیره سرما، مخازنی هستند که می توانند سرمای تولید شده توسط دستگاه های تبرید را در خود ذخیره و سپس در زمان های دیگر بدون نیاز به این دستگاه ها برودت مورد نیاز پروژه، اعم از سرمایش ساختمان و یا سرمایش مورد نیاز جهت یک پروسه صنعتی را تأمین نمایند.این مخازن به سه روش ذخیره سازی می نمایند :

-         ذخیره آب سرد

-         ذخیره یخ

-         ذخیره توسط مواد تغییر فاز دهنده

معمولأ در زمانی که مصرف برق یک مجموعه در اوج خود می باشد، در همان زمان بار برودت مورد نیاز نیز در اوج خود قرار دارد.در سیستم های معمولی که از مخازن ذخیره استفاده نمی شود، باید دستگاه چیلری تهیه نمود که ظرفیت آن بیش از حداکثر بار لحظه ای پروژه باشد.معمولأ این حداکثر بار لحظه ای بیش از چند ساعت در طول سال مورد نیاز نخواهد بود.با به کار بردن چنین چیلری، کلیه ملحقات آن از قبیل برج خنک کن، پمپ ها، لوله کشی ها، پست برق، تابلو برق، کابل کشی ها و غیره باید متانسب با ظرفیت چیلر در نظرگرفته شوند.در اکثرکشورها (از جمله ایران) نیرو گاه ها (وزارت نیرو) و مراکز توزیع برق جهت تشویق کاربران به مصرف یکنواخت تر برق، یا به عبارتی مصرف کمتر در زمان اوج بار و مصرف بیشتر در زمان کم باری، سیاست هایی اعمال می نمایند.یکی از این سیاست ها محاسبه هزینه برق بر حسب ساعت مصرف آن است که با نصب کنتورهای 2 یا 3 زمانه در مراکز بزرگ تجاری و صنعتی مقدار مصرف برق در هر دوره زمانی را محاسبه و تعرفه مربوطه را به آن اعمال می نمایند.

نمونه ای از تعرفه زمانی مصرف برق در ایران در یک مرکز تجاری به شرح زیر بوده است :

-دوره اوج بار از ساعت 6 عصر تا 10 شب : مبلغ 650 ریال به ازاء هر کیلو وات- ساعت؛

-دوره میان باری از ساعت 6 صبح تا 6 عصر : مبلغ 350 ریال به ازاء هر کیلووات – ساعت؛

-دوره کم باری از ساعت 10 شب تا 6 صبح : مبلغ 150 ریال به ازاء هر کیلووات- ساعت؛

لذا هرچه بیشتر بتوان مصرف برق را به زمان کم باری منتقل نمود، هزینه مصرف برق کاهش بیشتری خواهد یافت.

هزینه دیگری که که کاربر بابت مصرف برق می پردازد، هزینه ماکزیمم دیماند یا آبونمان می باشد. این ماکزیمم دیماند از مجموع مصرف کلیه دستگاه ها و تجهیزات مصرف کننده برق در پروژه شامل روشنایی، آسانسور، کامپیوتر و تجهیزات اداری، دستگاه های تولید، سیستم های تهویه مطبوع و چیلر ها همزمان روشن بوده و در حال مصرف برق باشند به دست می آید و کاربر باید ماهیانه هزینه ای را به نسبت دیماند درخواستی (چه این مقدار مصرف کند چه نکند ) بپردازد.

حال اگر بتوانیم مصرف برق چیلر های مجموعه که گاه تا 35 درصد کل مصرف برق را در ماه های تابستان تشکیل می دهند به زمانی دیگر که بقیه دستگاه های مصرف کننده برق خاموش هستند، انتقال دهیم به همان نسبت از دیماند پروژه کاسته و مبلغ کمتری بابت دیماند پرداخت خواهد شد.

با استفاده از سیستم های ذخیره سرما می توان برودت مورد نیاز زمان اوج بار را در زمان کم باری تولید و ذخیره نمود و سپس در زمان اوج بار بدون استفاده از دستگاه های چیلر، برودت را تأمین نمود.

بدین ترتیب با انتقال مصرف برق چیلر به زمان کم باری، اولأ مصرف برق به دلایلی که شرح آن ها در بخش های دیگر ارائه گردیده کمتر می شود؛ ثانیأ هزینه برق به علت مصرف در زمان کم باری و استفاده از تعرفه بسیار ارزانتر آن کاهش می یابد؛ و ثالثأ مصرف برق یکنواخت تر شده و دیماند پروژه نیز کاهش می یابد.

به طور کلی هدف از نصب سیستم های ذخیره سرما، یکنواخت تر کردن مصرف برق مجموعه در طول ساعات شبانه روز و استفاده از دستگاه های برودتی کوچکتر جهت تأمین بار مورد نیاز می باشد.نمودار های شکل 1 نحوه انتقال مصرف برق چیلر های یک پروژه را از زمان اوج بار به زمان کم باری نشان می دهند.

 

 

 

سیستم ذخیره سرما از سال 1970 میلادی در اکثر کشور های پیشرفته اجرا و نصب شده اند و استفاده از آن ها در پروژه های بزرگ تقریبأ اجتناب ناپذیر است.معمولأ ظرفیت مخازن ذخیره سرما بر حسب تن- ساعت محاسبه می شود.مخزنی به ظرفیت واقعی 3000 تن -  ساعت می تواند 300 تن برودت را در 10 ساعت و یا 600 تن برودت را در 5 ساعت تأمین نماید.

در ادامه، موارد کاربرد و مزایای استفاده از سیستم های ذخیره سرما، روش های مختلف ذخیره سازی، حالتهای مختلف بهره برداری و استراتژی های مختلف ذخیره سازی به طور کلی شرح داده می شوند.

در موارد زیر استفاده از سیستم های ذخیره سرما مقرون به صرفه تر و ضروری تر می باشد:

üقیمت چیلر ها و دستگاه های تولید برودت بالا باشد.هرچه هزینه تأمین مخزن بیشتر باشد، استفاده از مخزن ذخیره، مقرون به صرفه تر خواهد بود.

üهرچه اختلاف بار پیک و بار متوسط مورد نیاز بیشتر باشد.

üهرچه اختلاف تعرفه برق در ساعات کم باری و ساعات اوج بار بیشتر باشد.

üهرچه هزینه دیماند (آبونمان)برق بالا تر باشد.

üهرچه بار برودتی مورد نیاز پروژه بزرگتر باشد.

üهرچه اختلاف دمای محیط بین شب و روز بیشتر باشد.

üهرچه هزینه اولیه تأمین برق و پست برق بیشتر باشد.

üحداکثر برق قابل تأمین برای پروژه دارای محدودیت باشد.

üهرچه دمای آب مورد نیاز پروژه کمتر و اختلاف دمای آب رفت و برگشت به سیستم جهت تأمین بار بیشتر باشد.

üهرجا که داشتن ظرفیت ذخیره و Back up جهت سرمایش ضروری باشد و عدم وجود سرمایش ضررهای جدی به مجموعه وارد نماید؛ مانند اتاق عمل بیمارستان یا سالن اجلاس مقامات کشوری و یا کارخانجاتی که سرمایش نقش مهمی در پروسه تولید ایفا می کند.

üدر مواردی که مراکز توزیع برق، امتیازات یا کمک های مالی خاصی جهت نصب این سیستم ها قائل شوند.

¢روشهای مختلف ذخیره سازی

—ذخیره سازی آب سرد

—ذخیره سازی به روش تولید یخ

—ذخیره سازی به وسیله مواد تغییر فاز دهنده(PCM)

¢ذخیره سازی آب سرد

در این روش از ظرفیت گرمایی محسوس آب که معادل 1Btu/Ib°F یا 1Kcal/Kg°C است جهت ذخیره سازی استفاده می شود.(شکل 2)

 

 

 

آب گرم خروجی از بار ابتدا وارد چیلر شده و دمای آن تا 2 الی 4 درجه سانتی گراد کاهش می یابد.سپس این آب سرد مستقیمأ در مخزن یا مخازن ذخیره نگهداری شده تا در زمان مورد نیاز از آن استفاده گردد.مخازن آب سرد انواع مختلف دارند و همگی آن ها به نحوی طراحی شده اند که آب سرد ذخیره شده در آن با آب گرم برگشتی از بار با همدیگر ترکیب نشده و تبادل حرارتی بین آنها حداقل ممکن باشد.ظرفیت و حجم مخزن بستگی به اختلاف دمای آب ورودی و خروجی از مخزن دارد.در صورتی که اختلاف دمای آب سرد ذخیره و آب گرم برگشتی حدود 20 درجه فارنهایت باشد، حجم مخزن مورد نیاز حدود 11 فوت مکعب به ازاء هر تن- ساعت و در صورتی که این اختلاف دما 10 درجه فارنهایت باشد، حجم مخزن مورد نیاز حدود 22 فوت مکعب به ازاء هر تن- ساعت می باشد.

معمولأ جهت مصارف تهویه مطبوع دمای آب سرد ذخیره شده حدود 2 تا 4 درجه سانتی گراد (36 تا 44 درجه فارنهایت) و دمای آب برگشتی حدود 11 تا 15 درجه سانتی گراد (52 تا 59 درجه فارنهایت)است.

¢ذخیره سازی به روش تولید یخ

در این روش از ظرفیت گرمای نهان آب و یخ که معادل 144Btu/Ib یا 80Kcal/Kg است، جهت ذخیره سازی استفاده می شود.آب صفر درجه سانتی گراد مقدار 80 Kcal گرما به ازاء هر کیلو گرم از دست می دهد تا به یخ صفر درجه سانتی گراد تبدیل شود، یعنی معادل گرمایی که آب 80 درجه سانتی گراد از دست می دهد تا به آب صفر درجه برسد(این مقدار انرژی را گرمای نهان یا انرژی تغییر فازمی نامند.)

این روش که معمول ترین روش ذخیره سازی است، این امکان را فراهم می آورد تا با حجم کوچکی از مخزن (حدود 8 تا 10 برابر کوچکتر از روش های ذخیره آب سرد) سرما را ذخیره نمود.معمولأ حجم مخازن ذخیره یخ حدود 4/2 تا 3/3فوت مکعب به ازاء هر تن – ساعت می باشد.در این روش گاز مبرد و یا سیال آب و اتیلن گلیکول سرد خروجی از چیلر با دمایی حدود 3- تا 9- درجه سانتی گراد جهت تولید یخ مورد استفاده قرار می گیرد.فناوری های مختلفی جهت ذخیره سازی یخ وجود دارند که عمده آن ها به شرح زیر می باشند :

-         سیستم های یخ ساز

دستگاه تبرید یخ ساز، به وسیله اواپراتور مخصوص خود تکه های یخ تولید و آن را درون مخزن ذخیره که در زیر آن قرار گرفته، تخلیه می کند(شکل 3).

 

درون مخزن، آب و یخ قرار داشته و آب از قسمت پایین مخزن به وسیله پمپ به درون اواپراتور حمل شده تا تبدیل به یخ شود.از طرفی دیگر پمپ های سیرکولاسیون، آب موجود در مخزن را به سمت بار سرمایشی مورد نیاز هدایت کرده و بعد از تأمین بار، آب گرم برگشتی وارد اواپراتور دستگاه چیلر گشته تا سرد شده و یا قسمتی از آن به یخ تبدیل شود و بدین ترتیب می توان عملیات های شارژ مخزن و تأمین بار را فراهم نمود.

-         سیستم های یخابه

در این روش 90 تا 95 درصد آب با 5 الی 10 درصد اتیلن گلیکول مخلوط شده و وارد اواپراتور چیلر می شود و دمای آن به 5- الی 10- درجه سانتی گراد تقلیل می یابد.(شکل 4)

 

 

بدین ترتیب ذرات کوچک یخ درون محلول تشکیل می شوند به شکلی که این محلول هنوز قابل انتقال به وسیله پمپ های مخصوصی می باشد(حالتی مشابه یخ در بهشت). این ترکیب وارد مخزن شده و ذخیره می گردد.بدین ترتیب سیال آب و اتیلن گلیکول از پایین مخزن تخلیه و به اواپراتور دستگاه وارد و سیکل بالا تکرار می شود.از طرفی دیگر پمپ سیرکولاسیون این محلول را به سمت مبدل حرارتی که با بار سرمایشی مورد نیاز انتقال حرارت می کند هدایت و بعد از تأمین بار، مجددأ از بالای مخزن وارد آن می نماید.

این سیستم به علت طراحی خاص اواپراتور چیلر، هزینه بالای تهیه دستگاه تبرید را شامل می شود ولی هزینه تهیه مخزن در آن کم می باشد.این سیستم معمولأ در مواردی که اختلاف پیک بار با متوسط بار زیاد بوده و ظرفیت مخزن نسبت به ظرفیت چیلر بسیار بیشتر است، مقرون به صرفه می باشد.

اقتباس از مجله صنعت تأسیسات

از : مهندس احمدرضا سبحانی

شرکت ذخیره سازان سرما