Objętości czynne zasobników magazynujące chłód w postaci utajonej są znacznie mniejsze od zasobników ciepła jawnego, ale w przypadku niewielkich systemów zapotrzebowanie na chłód może być zbyt małe, aby techniczne wykonanie takiego zasobnika było możliwe.
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 (Qch>Qchill), 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.