Okiem praktyka 10 sty
Klimatyzacja magazynująca lód

Klimatyzacja magazynująca lód to proces wykorzystania lodu do magazynowania energii cieplnej. Jest to praktyczne ze względu na duże ciepło fuzji wody: jedna tona metryczna wody (jeden metr sześcienny) może pomieścić 334 megadżuli (MJ) (317.000 BTU) energii, co odpowiada 93 kWh (26,4 t/godz.).

Lód był pierwotnie pozyskiwany z gór lub cięty z zamarzniętych jezior i transportowany do miast w celu wykorzystania jako płyn chłodzący. Pierwotna definicja "tonowej pojemności chłodniczej" (przepływ ciepła) obejmowała ciepło potrzebne do stopienia jednej tony lodu w okresie 24 godzin. Ten przepływ ciepła jest tym, czego można by się spodziewać latem w domu o powierzchni 2000 metrów kwadratowych (280 m2) w Bostonie. Od tego czasu ta definicja została zastąpiona przez mniej archaicznych jednostek: wydajność HVAC wynosi 12 000 BTU w tonach na godzinę. Mały magazyn może pomieścić wystarczającą ilość lodu, aby schłodzić duży budynek z jednego dnia do jednego tygodnia, niezależnie od tego, czy lód ten jest produkowany przez bezwodne chłodziarki amoniaku, czy też ciągnięty przez wózki konne.

Klimatyzacja magazynująca lód zamrażanie

Można również wykorzystać zamrażanie podłoża; można to zrobić w postaci lodu, gdy grunt jest nasycony. Systemy będą również pracować z czystą skałą. Wszędzie tam, gdzie tworzy się lód, nie stosuje się ciepła syntezy, ponieważ lód pozostaje stały przez cały proces. Metoda polegająca na zamrażaniu gruntu jest szeroko stosowana w górnictwie i tunelowaniu w celu zestalenia niestabilnego gruntu podczas wykopów. Ziemia jest zamrażana za pomocą otworów wiertniczych z koncentrycznymi rurami, które przewożą solankę z chłodziarki na powierzchni. Zimno jest ekstrahowane w podobny sposób za pomocą solanki i używane w taki sam sposób jak w przypadku konwencjonalnego przechowywania lodu, zazwyczaj za pomocą wymiennika ciepła solanka-ciecz, w celu podniesienia temperatury roboczej do poziomów nadających się do wykorzystania przy większych objętościach. Zamarznięta ziemia może pozostać przez miesiąc lub dłużej chłodna, pozwalając na dłuższe przechowywanie przez dłuższy okres czasu, przy niewielkim koszcie strukturalnym.

Zastąpienie istniejących systemów klimatyzacyjnych magazynem lodu stanowi ekonomiczną metodę magazynowania energii. Umożliwiającą magazynowanie nadmiaru energii wiatrowej i innych źródeł energii o charakterze okresowym. Celem wykorzystania jej do chłodzenia w późniejszym terminie.

Klimatyzacja i jej technologia

Najpowszechniej stosowaną formą tej technologii jest klimatyzacja na terenie całego kampusu lub systemy chłodzenia wody w dużych budynkach. Systemy klimatyzacyjne, zwłaszcza w budynkach komercyjnych, mają największy wpływ na szczytowe obciążenia elektryczne w gorące letnie dni w różnych krajach. W tym zastosowaniu standardowa chłodziarka pracuje nocą, wytwarzając stos lodowy. Woda przepływa następnie w ciągu dnia przez stos, aby wytworzyć schłodzoną wodę, która w normalnych warunkach jest wytwarzana w ciągu dnia.

Częściowy system magazynowania minimalizuje nakłady inwestycyjne poprzez pracę agregatów chłodniczych prawie 24 godziny na dobę. W nocy produkują lód do przechowywania, a w ciągu dnia chłodzą wodę dla systemu klimatyzacji. Woda krążąca przez topniejący lód zwiększa ich produkcję. Taki system działa zwykle w trybie lodowym przez 16-18 godzin dziennie, a w trybie topienia lodu przez sześć godzin dziennie. Nakłady inwestycyjne są zminimalizowane, ponieważ chłodziarki mogą wynosić tylko 40-50% wielkości wymaganych w przypadku konwencjonalnej konstrukcji. Przechowywanie lodu wystarcza na pół dnia do przechowywania odrzuconego ciepła.

Pełny system magazynowania minimalizuje koszty energii potrzebnej do pracy tego systemu poprzez całkowite wyłączenie agregatów chłodniczych w godzinach szczytowego obciążenia. Koszt kapitałowy jest wyższy, ponieważ taki system wymaga nieco większych chłodnic niż w przypadku częściowego składowania i większego systemu magazynowania lodu. Systemy magazynowania lodu są na tyle tanie, że kompletne systemy magazynowania są często konkurencyjne w stosunku do konwencjonalnych rozwiązań klimatyzacyjnych.

Wydajność klimatyzacji

Wydajność chłodziarek klimatyzacyjnych mierzona jest współczynnikiem efektywności (COP). Teoretycznie systemy magazynowania ciepła mogą zwiększyć wydajność chłodziarek, ponieważ ciepło jest odprowadzane do chłodniejszego powietrza nocnego, a nie do cieplejszego powietrza dziennego. W praktyce ta zaleta jest nadwyrężona stratą ciepła, ponieważ topi lód.

Udowodniono, że termiczne magazynowanie ciepła w klimatyzacji jest dość korzystne dla społeczeństwa. Paliwo wykorzystywane nocą do produkcji energii elektrycznej jest w większości krajów zasobem krajowym, więc zużywa się mniej paliwa importowanego. Badania pokazują również, że proces ten znacznie zmniejsza emisje związane z wytwarzaniem energii elektrycznej dla klimatyzatorów, ponieważ wieczorem nieefektywne instalacje "peakerskie" są zastępowane urządzeniami o niskim obciążeniu podstawowym. Elektrownie wytwarzające tę moc często pracują wydajniej niż turbiny gazowe, które w ciągu dnia zapewniają moc szczytową. Ponieważ współczynnik obciążenia instalacji jest również wyższy, do obsługi ładunku potrzeba mniej instalacji.

Kondensacja czynnika chłodzącego

Nowa technologia wykorzystuje lód jako czynnik kondensacyjny czynnika chłodniczego. W tym przypadku zwykły czynnik chłodniczy jest pompowany do wężownic, w których jest używany. Zamiast zamieniać sprężarkę w ciecz, stosuje się jednak niską temperaturę lodu, aby schłodzić czynnik chłodniczy z powrotem do cieczy. Ten rodzaj systemu pozwala na konwersję istniejących urządzeń HVAC opartych na czynniku chłodniczym do systemów Thermal Energy Storage, co wcześniej nie było łatwe do zrealizowania dzięki technologii wody chłodzącej. Ponadto, w odróżnieniu od chłodzonych wodą systemów chłodzących, które nie doświadczają ogromnej różnicy w wydajności z dnia na dzień, ta nowa klasa urządzeń zazwyczaj wypiera pracę dzienną chłodzonych powietrzem agregatów kondensacyjnych. W obszarach, w których istnieje znacząca różnica między temperaturami w godzinach szczytu i poza szczytem, ten typ urządzenia jest zwykle bardziej energooszczędny niż zastępowany przez nie sprzęt.

Chłodzenie powietrzem wlotowym

Magazynowanie energii cieplnej jest również wykorzystywane do chłodzenia wlotu powietrza turbiny gazowej do spalania. Zamiast przenosić zapotrzebowanie na energię elektryczną na noc, technika ta przenosi moce wytwórcze na dobę. Aby w nocy generować lód, turbina jest często podłączana mechanicznie do dużej sprężarki chłodziarki. Podczas obciążenia szczytowego w ciągu dnia woda przepływa między stosem lodu a wymiennikiem ciepła przed wlotem powietrza do turbiny, chłodząc powietrze wlotowe do temperatury zbliżonej do temperatury zamarzania. Ponieważ powietrze jest chłodniejsze, turbina może sprężać więcej powietrza przy określonej mocy sprężarki. Zazwyczaj zarówno wytwarzana moc elektryczna, jak i sprawność turbiny wzrasta po włączeniu systemu chłodzenia wlotowego. System ten jest podobny do systemu magazynowania energii ze sprężonym powietrzem.