ارتباط سیستم ذخیره سرما با مصرف برق

ذخیره سازی سرما با استفاده از گرمای نهان ذوب یخ می تواند یکی از راه های پیک سایی و کم کردن دیماند انرژی همراه با کاستن هزینه های سرمایه ای و راهبری سیستم های خنک کننده تراکمی باشد.

ذخیره سازی سرما قدمتی بیش از 40 سال دارد. لیکن در ایران برق نسبتا ارزان می باشد و اهمیت آن از جانب طراحان سیستم های خنک کننده مورد توجه قرار نگرفته است. این روش بر پایه تولید یخ به وسیله سیستم خنک کننده در مواقعی که بار شبکه حداقل بوده و استفاده از گرمای نهان ذوب آن در زمان اوج بار جهت رفع نیاز سیستم های خنک کننده می باشد.

این پروژه که با دیاگرام تک خطی نشان داده شده، در دانشگاه اصفهان به اجرا درآمده و هدف از آن نشان دادن مزایای اقتصادی و جزئیات دانش فنی آن به طراحان سیستم های خنک کننده و مسئولین شرکت های تولید کننده برق می باشد.

عمومیت دادن نتایج این پروژه به سیستم های خنک کننده تراکمی می تواند قله مصرف برق را در تابستان ها به زمان های کم مصرف (نیمه شب) منتقل نماید. این روش ، هزینه های سرمایه ای و راهبری سیستم های خنک کننده تراکمی را نیز تا حد قابل قبول اقتصادی پایین می آورد.

یکی از مسائل اساسی که صنعت برق با آن روبرو است، تامین برق مشترکین در ساعات اوج یا پیک بار می باشد. در ایران زمان اوج مصرف عموما در ساعات اولیه شب بوده که مربوط به مصارف روشنایی است و در سایر ساعات مصرف متعادل تر می باشد.

عمده ترین مصرف انرژی الکتریکی که به وجود آورنده پیک می باشد، مربوط به روشنایی است که امکان جا به جایی آن به ساعات دیگر عملی نیست.

مصرف کننده دیگر انرژی الکتریکی در ساعات پیک، سیستم های حرارتی و برودتی ساختمان ها می باشد. بررسی پیک بار در فصول چهارگانه سال نشان می دهد پیک مصرف انرژی الکتریکی مربوط به ماه های تابستان و به ویژه مرداد ماه است.

توجه به نکات فوق نشان می دهد که بارهای برودتی ساختمان ها در ایجاد پیک بار نقش عمده ای را داشته ، ضمن این که جا به جایی آن با روش ذخیره سازی سرما امکان پذیر است.

شکل 1

ذخیره سازی سرما

کاربرد یخ به عنوان یک منبع ذخیره سرما از نظر اصول ترمودینامیکی روش شناخته شده کلاسیکی می باشد. با توجه به ازدیاد بهای تولید انرژی الکتریکی و عدم مصرف یکسان آن در شبانه روز و داشتن اوج مصرف، از این روش می توان استفاده نمود و زمان اوج مصرف انرژی الکتریکی را به نفع تولید کنندگان انرژی الکتریکی جا به جا کرد و دیماند برق مورد نیاز ساختمان های اداری و تجاری را تقلیل داد که نتیجه آن کم کردن هزینه های اولیه نصب تاسیسات برودتی ساختمان و همچنین هزینه های کاربری آن می باشد.

در این روش، دستگاه های خنک کننده کمپرسوری (WATER CHILER)  در شب یا بعد از زمان اوج مصرف انرژی الکتریکی ساختمان که حداقل می باشد، یخ تولید کرده و در مخزن یا مخزن های مشابه ذخیره می کند. و در روز بعد که ساختمان نیاز به خنک کردن دارد وارد عمل شده و قسمتی یا تمام بار پیک ساختمان را بسته به حجم و مخزن انتخابی تامین می کند.

به کار گیری مخزن ذخیره سرما نه تنها می تواند هزینه راهبری ساختمان را از نظر انرژی الکتریکی کاهش دهد، بلکه هزینه های سرمایه ای تاسیسات مورد نیاز ساختمان های جدیدی که بر این مبنا طراحی شوند را تا حد نصف تقلیل می دهد.

از مزایای دیگر این جابه‌جایی که در اصطلاح به آن پیک سایی گویند، این است که مشکلات بهره برداری نیروگاه ها در ساعات کم باری را نیز تقلیل می دهد.

شکل 2

انواع سیستم های ذخیره ساز سرما

سیستم های ذخیره سازی سرما بر اساس نحوه ذخیره سازی سرما به دو دسته زیر تقسیم می شوند:

• ذخیره سازی با به کار گیری تغییر گرمای نهان ذوب یا phase change
• ذخیره سازی با به کار گیری تغییر گرمای محسوس یا sensible heat

ماده به کار گرفته شده در سیستم های ذخیره ساز سرما، آب می باشد که در آن گرمای نهان ذوب یخ ذخیره شده 80kcal/lit و گرمای محسوس آن 1kcal/lit در نظر گرفته می شود.

سیستم های ذخیره سرما را بر مبنای عملکرد آن نیز به دو گروه تقسیم می کنند:

• گروه 1:سیستم ذخیره سازی جزئی یا partial storage
• گروه 2: سیستم ذخیره سازی کامل یا full storage

که در آن ها یا بخشی از بار زمان پیک یا تمام بار زمان پیک ذخیره می شود . بنابراین در حالت کلی می توان به چهار نوع سیستم ذخیره سازی سرما اشاره نمود.

ذخیره سازی جزئی با به‌ کار گیری گرمای نهان ذوب یخ

در این روش فقط بخشی از بار سرمایی زمان پیک با کار چیلر تامین می شود.

ذخیره سازی کامل با به کار گیری گرمای نهان ذوب یخ

در این روش تمام بار سرمایی ساعات پیک با کار چیلر در ساعات غیر پیک (نیمه شب) به وسیله یخ سازی در مخزن سرما ، ذخیره شده و در ساعات پیک، چیلر اصلی خاموش و بار سرمایی ساختمان از مخزن ذخیره ساز تامین می شود. در این روش ظرفیت چیلر و مخازن ذخیره سرما متفاوت از روش قبلی می باشد.

ذخیره سازی جزئی با بکارگیری گرمای محسوس آب

در این روش آب مخزن ذخیره سازی سرما تا 3 درجه سانتی گراد در ساعات غیر پیک سرد و در مخزنی که عموما استخر گونه با عایق کافی است ذخیره شده و در ساعات پیک بخشی از بار ساختمان را تامین می کند. با توجه به پایین بودن گرمای محسوس آب در مقایسه با گرمای نهان انجماد یخ، حجم مخزن ذخیره سرما به مراتب بزرگ تر از مخزن ذخیره یخ می باشد.

ذخیره سازی کامل با به کارگیری گرمای محسوس آب

در این روش تمام بار سرمایی پیک با کار چیلر در ساعات غیر پیک به وسیله سرد کردن آب مخزن سرما تا 3 درجه سانتیگراد به صورت سرمای محسوس آب در مخزن ذخیره شده در ساعات پیک بار، سرمای مورد نیاز ساختمان را تامین می نماید.

شکل 3

انتخاب سیستم ذخیره سازی سرما

سیستم های چهارگانه مذکور از نظر جزئیات فنی، اقتصادی و مصارف انرژی الکتریکی با یکدیگر متفاوت می باشند. اما سیستم های ذخیره سازی که در آن از گرمای نهان ذوب یخ استفاده به عمل آید با توجه به مقایسه گرمای نهان ذوب یخ با گرمای محسوس آب که 80 به 1 می باشد ؛ کم حجم تر بوده و به فضای کم‌تری جهت مخازن نیاز می باشد. ضمنا سیستم ذخیره سازی جزئی با مخزن یخ جهت مصرف کننده کم هزینه تر از سیستم ذخیره سازی کامل می باشد.

محاسبات اقتصادی برای هر ساختمان می تواند راه‌گشای انتخاب نوع ذخیره سازی باشد. عموما در ساختمان های قدیمی که بازسازی و سطح زیر بنای آن ها اضافه می شود ؛ روش ذخیره سازی مقرون به صرفه است. زیرا نیازی به افزودن ظرفیت چیلر ها نبوده و اضافه نمودن مخزن ذخیره سرما می تواند پاسخگوی بار اضافی ناشی از توسعه ساختمان باشد.

اهداف طرح و هزینه های اجرای آن

ایده روش ذخیره سازی سرما از نظر ترمودینامیکی کاملا شناخته شده می باشد، لیکن ازدیاد بهای انرژی و هزینه های سرمایه گذاری برای نیروگاه در طی دو دهه گذشته کاربرد آن را از نظر اقتصادی مقرون به صرفه کرده است. چون جزئیات اجرایی این روش عملا برای مهندسین تاسیسات در ایران شناخته شده نبوده و به موازات آن نیز مسئولین شرکت های تولید برق به آن توجهی نکرده اند. اهداف اصلی این طرح که با موفقیت در دانشگاه اصفهان اجرا شد عبارتند از:

الف) توجیه عملی آن  برای مسئولین شرکت های تولید برق

ب) نشان دادن جزئیات اجرایی به مهندسین تاسیسات برای به کار گیری آن در پروژه های خود

در اجرای این طرح سعی شده از تجهیزات و وسایل موجود در بازار ایران استفاده شود.

هزینه های اجرایی این طرح به شرح زیر تامین شده است:

الف) دانشگاه اصفهان با در اختیار گذاشتن یک دستگاه چیلر ساخت کارخانه Trane

ب) شرکت تابان نیرو با تامین تجهیزات

پ) شورای تحقیقات برق منطقه ای استان اصفهان با پرداخت هزینه های حق التحقیق و لوازم اجرایی مصرفی

شکل 4

تغییرات اساسی در چیلر

تغییر محلول در گردش سیکل تبرید

با توجه به این که به منظور یخ سازی در مخزن ذخیره سرما لازم است دمای سیال در جریان در اواپراتور تا حد 5- درجه سانتی گراد پایین آورده شود، محلول 25 درصد آب و گلیکول (ضد یخ) به جای آب معمولی جایگزین گردید.

تغییرات مکانیکی در سیکل تبرید

به منظور پایین آوردن دمای محلول آب و گلیکول خروجی از اواپراتور در چیلر در حد 4- تا  5- درجه سانتی گراد، شیرهای انبساط ترموستاتیکی آن ، تعویض و یک عدد اکومولاتور در مسیر گاز ورودی به کمپرسور جهت اطمینان از جلوگیری از ورود مایع فریون 22 به کمپرسور اضافه گردید.

در عمل اندازه گیری دما و فشار گاز خروجی از اواپراتور مشاهده شد که نیازی به اکومولاتور نمی باشد.

سیستم کنترل اضافی

به منظور آگاهی از کارکرد سیستم کنترل چیلر، 6 عدد لامپ سیگنال به مدار کنترل چیلر اضافه گردید تا از عمل فشار سنج ها، فشار سنج روغن و ترموستات اطمینان حاصل شود.

شکل 5

مخزن ذخیره سرما (مخزن یخ) چیست؟

حجم مخزن ذخیره سرما

مبنای محاسبات حجم مخزن بر پایه میزان ساعاتی است که پیک بار لازم است جا به جا شود. در این زمان جا به جا شده است که سیستم خنک کننده (چیلر)، یخ ساخته و در مخزن یخ ذخیره می کند. ظرفیت مخزن یخ که یک مبدل حرارتی نیز می باشد باید طوری محاسبه شود که با توجه به گرمای نهان ذوب یخ بتواند سرمای چیلر را جذب و آب را به یخ تبدیل نماید.

با توجه به این موارد به ازای هر تن برودتی، 12000 بی تی یو در ساعت یا 37/5 کیلوگرم یخ در ساعت و با توجه به جرم مخصوص یخ ، معادل 40 لیتر حجم برای مخزن در نظر گرفته می شود.

سطوح حرارتی مبدل یخ ساز (مخزن ذخیره ساز سرما)

برای محاسبه سطوح حرارتی مبدل یخ ساز(مخزن يخ) می توان از روش های کلاسیک متداول با توجه به نکات زیر استفاده نمود :

الف) آب اطراف لوله های مبدل سرما ساکن بوده و فقط گرما از طریق لوله فولادی

با ضریب هدایت حرارتی ۵۹ به W.m°c  آب ساکن منتقل و آبی که اطراف جدار لوله قرار دارد یخ زده می شود و ضریب هدایت حرارتی یخ W برابر ۲/۲ m است.

ب) به تدریج که آب اطراف لوله یخ می زند به قطر یخ اطراف لوله به طور مساوی افزوده و از مقدار انتقال سرما کاسته می شود با توجه به این نکته لازم است فاصله بین دو لوله مبدل نسبتاً کوچک در نظر گرفته شود که خود عامل تعیین کننده است. این فاصله با توجه به اطلاعات تجربی در این طرح تقریباً ۵ سانتی‌متر از هر طرف در نظر گرفته شده است.

آنچه سازندگان مخازن یخ برای سطح حرارتی مورد نیاز توصیه کرده اند ۰/۳۴m2  به ازای هر کیلو وات سرما سازی است که در این طرح نیز به آن توجه شده است. با توجه به موارد مذکور ۸۵۵ متر لوله 3/4 اینچ به منظور تأمين سطح حرارتي لازم طبق شکل ۴ در این مخزن نصب شده است.

شکل 6

طراحی سیستم لوله کشی موتورخانه

با توجه به استفاده از مخزن یخ لازم است در سیستم لوله کشی موتورخانه تغییرات لازم اعمال گردد و به نحوی طراحی شود تا مخزن یخ در مدار مربوطه قرار گیرد . بدین لحاظ نقشه شکل ۵ تهیه و بر مبنای آن تغییر مورد نظر به اجرا در آمده است. در این تغییرات شده که از سیستم های دستی که کنترل آن ساده تر و قابل لمس تر است استفاده شود با توجه به شکل ۵ روش کنترل با باز و بسته کردن شیرها عملی می گردد.

راه اندازی – آزمایش و نتایج

در تاریخ ۸۰/۵/۶ پس از شارژ سیستم برودتی با گاز فریون ۲۲ و همچنین شارژ مدار چیلر و مخزن ذخیره سرما (مخزن یخ) با محلول گلیکول ۲۵ درصد و آزمایش های نشتی لازم سیستم راه اندازی شد و به منظور اطمینان از عدم ورود مایع فریون از اواپراتور به سوپاپ های ورودی کمپرسور، دو عدد ترمومتر در روی لوله ورودی به اکومولاتور و خروجی از آن ورود به مکش کمپرسور نصب گردید.

این دما در حداقل ۲°C قرار داشت با توجه به فشار مکش بین psi ۳۰-۴۰  اطمینان حاصل گردید که ضمن کار سیستم فریون ۲۲ قبل از ورود به کمپرسور حالت گازی خود را حفظ نموده و مایعی از اواپراتور به داخل سیلندر کمپرسور وارد نمی شود. پس از اطمینان از عملکرد چیلر از نظر مکانیکی الکتریکی و سیستم کنترل آن ، آزمایش های ترمودینامیکی سیستم به عمل آمد که نتایج آن بدین شرح است:

نتایج ترمودینامیکی

درجه حرارت سطح آب داخل مخزن یخ که از قبل برای آزمایش نشتی در آن قرار داشت با حجم تقریبی ۱۰۰۰۰ لیتر ۳۷°C بود. پس از راه اندازی درجه حرارت این آب در مدت ۳/۵ ساعت به حدود ۱۰ تنزل یافت. دیاگرام شکل ۶ تغییرات درجه حرارت سطح آب مخزن دمای متوسط اواپراتور و دمای متوسط کندانسور چیلر که بر حسب زمان اندازه گیری شده است را نشان می دهد.

از این زمان به بعد درجه حرارت اواپراتور در کمتر از ۰/۵ ساعت به ۴-°C و آب مخزن به ۰/۵-°C  تنزل یافته و اولین لایه یخ روی لوله های مخزن یخ مبدل حرارتی مشاهده شد. در این حالت درجه حرارت آب داخل مخزن در حد ۰/۵-°C  ثابت و مرتباً به قطر یخ اطراف لوله ها اضافه گردید. دیاگرام شکل ۷ که بر حسب اطلاعات اندازه گیری شده ترسیم گردیده دمای متوسط کندانسور و دمای متوسط اواپراتور و درجه حرارت مخزن را که در حد ۰/۵۰ ثابت مانده را نشان می دهد.

شکل 7

منحنی شکل ۷ نشان دهنده ضخامت تقریبی قطر یخ روی لوله های مخزن یخ می‌باشد که در مدت ۴/۵ ساعت ضخامت متوسط آنها به حدود ۶۰ میلیمتر بالغ گردید.

با توجه به اهداف اصلی این طرح که عبارت بودند از :

الف) نشان دادن جزئیات اجرایی ذخیره سازی سرما به مسئولین تولید و توزیع انرژی الکتریکی و امکان اضافه نمودن مخزن ذخیره سرما به سیستم های قدیمی

ب) ذخیره سازی سرما (ساخت یخ) در ساعات کم باری شبکه و سپس استفاده از آن در ساعات پیک بار شبکه؛

نتایج حاصله کاملاً رضایت بخش بوده و با اطمینان میتوان از این سیستم در جهت پیک سایی بهره مند شد.

با تعمیم این روش به دستگاه های خنک کننده موجود در کشور که بیش از ۱۰۰۰۰ دستگاه برآورد میشود میتوان تا حدود ۱۰۰۰ مگاوات در فصول گرم سال در ساعات ،پیک بار شبکه برق رسانی را تقلیل داد.