Akumulacja chłodu w systemie LHS

Opisane zostaną możliwości magazynowania energii chłodniczej w postaci jawnej bazującej na pojemności cieplnej materiału akumulacyjnego, którym najczęściej jest woda, oraz w postaci utajonej, umożliwiającej magazynowanie energii chłodniczej w przemianach fazowych zachodzących podczas procesu ładowania i rozładowywania materiału akumulacyjnego, często określanego jako PCM (ang. Phase Change Material – materiał zmieniający stan skupienia). Ponieważ ciepło związane ze zmianą stanu skupienia jest kilkanaście razy większe w porównaniu z ciepłem właściwym danego materiału, uzyskuje się w ten sposób dużo mniejsze pojemności zasobników chłodu.

Fot. stock.adobe/kichigin19

W systemach akumulacji energii ciepło jest odbierane lub dostarczane do medium magazynującego w celu późniejszego wykorzystania. Magazynowanie energii dla systemów klimatyzacji może się odbywać w szerokim zakresie temperatur, zarówno dla potrzeb grzewczych, jak i chłodniczych. Energia ta jest akumulowana w cyklach: dobowych, tygodniowych, rocznych lub sezonowych. W procesach składowania energii wykorzystuje się zjawiska fizyczne i chemiczne. Podstawowym znaczeniem akumulacji jest umożliwienie przechowywania energii chłodniczej dla okresów o najwyższych, szczytowych okresach zapotrzebowania na chłód, a przede wszystkim zasobnik chłodu pozwala na rozłożenie czasu ładowania chłodu i znaczące obniżenie mocy agregatów chłodniczych obsługujących instalację klimatyzacyjną.

Polecamy:

• Centrale wentylacyjno-klimatyzacyjne. Energooszczędność
• Rekuperacja powietrza w układach wentylacji
• Produkty budowlane

Porównanie systemów akumulacji chłodu

Akumulacja chłodu, odbywająca się w cyklu dobowym, może być realizowana jako pełna, częściowa lub z limitem wydajności.

Podczas magazynowania pełnego chłód jest wytwarzany tylko w okresie poza godzinami szczytowymi (agregat chłodniczy pracuje w okresie obowiązywania taryfy nocnej), podczas częściowego – chłód w okresie jego największego zapotrzebowania dostarczany jest zarówno z zasobnika, jak i z agregatu chłodniczego. Magazynowanie z limitem wydajności łączy cechy obu powyższych systemów akumulacji, pozwalając racjonalnie wykorzystać taryfę nocną i obniżając wydajność w okresie obowiązywania taryfy dziennej na energię elektryczną.

System pełnego magazynowania chłodu ma pokrywać zapotrzebowanie chłodu podczas jego szczytowego zapotrzebowania wyłącznie za pomocą energii chłodniczej zmagazynowanej w zasobniku. Zasobnik taki jest ładowany podczas małego zapotrzebowania na chłód lub gdy zapotrzebowanie takie nie istnieje. Sytuacja ta ma miejsce w godzinach nocnych, w których energia elektryczna jest tańsza (przy systemie dwutaryfowym). Chiller (urządzenia wykorzystujące do produkcji chłodu ciepło) pracuje wyłącznie w godzinach nocnych, wytwarzając chłód wykorzystywany później na pokrycie zapotrzebowania w okresie szczytowym. System taki przynosi korzyści, jeżeli klimatyzowany obiekt charakteryzuje się wysokim szczytowym zapotrzebowaniem na chłód lub gdy okresy szczytowego zapotrzebowania są krótkie [1]. Dzięki pracy agregatu chłodniczego w czasie taryfy nocnej możliwe są duże oszczędności kosztów eksploatacyjnych, jednakże konieczność stosowania większego agregatu chłodniczego i zasobnika podnosi koszty inwestycyjne. Akumulacja częściowa daje możliwość zmniejszenia kosztów inwestycyjnych, dzięki zastosowaniu agregatu chłodniczego o mniejszej mocy w porównaniu z akumulacją pełną. W systemie magazynowania częściowego chłód w okresie szczytowym pochodzi zarówno z agregatu chłodniczego, jak i z zasobnika chłodu. Agregat chłodniczy działa z taką samą wydajnością przez całą dobę. W godzinach małego zapotrzebowania część wytwarzanego chłodu dostarczana jest do instalacji klimatyzacyjnej, a jego nadwyżka magazynowana jest w zasobniku. Gdy w godzinach szczytowych zapotrzebowanie na chłód przekracza moc agregatu chłodniczego (Q_ch>Q_chill), brakujący chłód dostarczany jest z zasobnika [2].

Najbardziej efektywnym systemem magazynowania chłodu jest system z limitem wydajności. Agregat chłodniczy pracuje w cyklu ciągłym, podobnie jak przy akumulacji częściowej, lecz jego wydajność się zmienia. W okresie nocnym wydajność agregatu chłodniczego jest największa ze względu na mniejsze koszty energii elektrycznej niezbędnej do napędu sprężarki w agregacie chłodniczym. Podobnie jak przy akumulacji pełnej okres ten jest wykorzystywany do ładowania zasobnika chłodem używanym podczas godzin szczytowych. W czasie największego zapotrzebowania na energię chłodniczą zasobnik jest rozładowywany, a chiller pracuje ze zmniejszoną wydajnością w porównaniu z pracą w godzinach nocnych. Koszty inwestycyjne akumulacji z limitem wydajności są niższe niż koszty akumulacji pełnej i nieznacznie wyższe od kosztów akumulacji częściowej. Natomiast w czasie eksploatacji zapewnia on większe oszczędności niż eksploatacja układu z magazynowaniem częściowym, porównywalne z eksploatacją systemu magazynowania pełnego.

Zobacz: Odzysk energii – ciepła i chłodu w instalacjach wentylacyjno-klimatyzacyjnych

Moc agregatów chłodniczych

Moc agregatów pracujących w systemach z akumulacją wyznacza się na podstawie wykresu dobowego zapotrzebowania na chłód dla dnia z największymi zyskami ciepła w ciągu roku. Najłatwiej określić moc agregatu dla systemu z akumulacją częściową [2]. Nieco bardziej skomplikowane są obliczenia dla akumulacji pełnej i z limitem wydajności. Zasada obliczania mocy agregatów opiera się na zrównoważeniu dobowego zapotrzebowania na chłód z ilością chłodu wytwarzaną przez agregat chłodniczy.

W dalszej część artykułu przeczytasz o:

• mocy agregatu chłodniczego w systemie akumulacji częściowej,
• mocy agregatu chłodniczego w systemie akumulacji pełnej,
• mocy agregatu chłodniczego w systemie akumulacji z limitem wydajności,
• objętości zasobnika chłodu.

dr inż. Sławomir Rabczak Politechnika Rzeszowska

Literatura

1. Semadeni M., Energy storage as an essential part of sustainable energy systems, CEPE working paper No. 24, May 2003.
2. Rubik M., Pompy ciepła. Poradnik, Technika cieplna w budownictwie, Warszawa 2006.