تعویض یا تکمیل نیازهای گرمایشی و سرمایشی یک ساختمان با گزینه‌های انرژی تجدیدپذیر بسیار جذاب است، به‌خصوص زمانی که در مناطقی با منابع تجدیدپذیر وسیع انجام پذیرد. با این حال بدون در نظرگیری روش انتخابی برای تولید انرژی تجدیدپذیر، منابع انرژی معمولاً وقفه‌دار و ناپیوسته هستند. در کاربردهای گرمایشی و سرمایشی، تکنولوژی جالب و موجود در حال حاضر برای غلبه بر این وقفه و ناپیوستگی، ذخیره‌ساز حرارتی است.
انگیزه
مقداری توضیحات لازم است تا طراحی ریز شبکه IMPEL را توصیف نماید. این سیستم به‌عنوان سیستمی نمایشی طراحی‌شده است، اما سیستمی است که قادر به متعادل‌سازی حقیقی بارهای گرمایشی و سرمایشی یک ساختمان واقعی است.
ساختمان ۲۱۶ در NPS محل جایگیری تونل‌های بادی سرعت‌بالا است و بنابراین غیرمعمول است که در طول یک روز کاری نیازمند هر دوی الزامات گرمایشی و سرمایشی باشد. توصیفی اجمالی و خلاصه‌وار از نحوه عملیات این ساختمان نیاز است تا دلیل مطلب ذکر شده را بیان کند.
هوای فشرده‌شده تا ۲۰ اتمسفر (۲۰۲۶ کیلوپاسکال) باید قبل از ورود به فضای بزرگ ۶۰۰۰ فوت مکعبی (۱۷۰ مترمکعبی) تانک‌های ذخیره‌سازی خنک شود. این تانک‌ها در ادامه به‌منظور عملیات مافوق صوت تونل‌های باد در فضایی بزرگ باید تخلیه گردند.
این انبساط منجر به دماهای بسیار پایینی در داخل تونل باد می‌شود که باعث سردی اتاق و ایجاد میعان بر روی سیستم‌های اپتیکی مورد استفاده در بررسی آزمایشات می‌گردد.
برای جلوگیری از این ایجاد میعان، هنگام کارکرد تونل نیازمند گرمایش هستیم. با اینکه این کاربری بسیار ویژه می‌باشد، اما بهره‌گیری از گرمایش و سرمایش در آن بسیار گسترده است و نظر بر این بود که مکانی ایده آل برای استفاده از انرژی تجدید پذیر برای کاهش بار سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی موجود است.
خواسته دیگر کارمندان تونل باد این بود که این سیستم جدید تجدیدپذیر نباید بر عملیات یا میزان دسترسی آن تأثیر سوء بگذارد. با توجه به محدودیت‌های موجود در بودجه، بارهای واقعی گرمایشی و سرمایشی ساختمان بسیار فراتر از ظرفیت سیستم نمایشی IMPEL بود.
هدف ریز شبکه IMPEL استفاده از قدرت منابع تجدیدپذیر خورشیدی و بادی به‌صورت مستقیم‌تری است. کلید این هدف استراتژی کنترل جدیدی است که تقاضای بار را قدرت تولیدی متعادل می‌کند، انرژی مازاد را به جای ذخیره‌سازی در باتری‌ها، در تجهیزات ذخیره‌ساز حرارتی مستحکم و ارزانی ذخیره می‌کند تا نهایتاً تقاضا را در سیستم‌های HVAC زوجی و متصل به شبکه کاهش دهد.
همان‌طور که قبلاً گفته شد، در مکان‌هایی که افزونگی مطلق یا absolute redundancy مورد نیاز نیست، ریز شبکه را می‌توان به‌آسانی با یک سیستم خورشیدی متصل به شبکه جایگزین کرد.
تمام اجزای مورد استفاده برای سیستم ریز شبکه، تجهیزات آماده مصرف تجاری یا Commercial Off The Shelf یا COTS هستند. استفاده از تجهیزات COTS طراحی سیستم را ساده‌تر می‌کند و از آسانی باز تولید اطمینان حاصل می‌کند.
ریز شبکه ترکیبی انرژی بادی (تولیدشده از توربین‌های بادی محور عمودی ۳.۲ کیلوواتی) و انرژی خورشیدی (تولیدشده از پنل‌های فتوولتاییک ۶.۴ کیلوواتی) است. کنترل‌های پیش‌فرض برای واحدهای گرمایش و سرمایش برای ذخیره‌ساز حرارتی به‌گونه‌ای تصحیح شدند که بهره‌گیری کامل از استراتژی کنترل را مقدور سازند.
مجموعه باتری (باتری بانک) متشکل از ۲۴ سلول سوپاپ-تنظیمی سرب-اسیدی یا VRLA ژلی است که ظرفیت ذخیره‌سازی کلی ۸۵۵ الی ۸۸۸ آمپرساعت در ۴۸ ولت (تقریباً معادل ۱۱.۴ الی ۱۱.۸ کیلووات ساعت) را دارند.
درحالی‌که این باتری‌ها به‌منظور پایداری شبکه مورد بهره هستند، هیچ قصد و منظوری برای بکارگیری مستقیم آن‌ها برای بارها در مدت‌زمان‌های طولانی وجود ندارد. از آن‌جایی که ظرفیت الکتریکی باتری‌ها تقریباً کم است، کارکرد بارهای چیلر و هیتر به‌طور مستقیم از باتری‌ها، آن‌ها را در مدت‌زمان بسیار کوتاهی خالی می‌کند.
با اعمال رویکرد مصرف نهایی، الکتریسیته تولیدی تجدید پذیر کلی به‌عنوان انرژی حرارتی ذخیره می‌شود که می‌تواند در زمانی دیگر برای پشتیبانی از نیازهای گرمایشی و سرمایشی ساختمان مورد استفاده قرار گیرد.
سرمایش
سیستم ذخیره‌ساز حرارتی سرد (شکل ۵) از یک چیلر ۷.۵ تنی (۲۶.۲۵ کیلوواتی) با یک کمپرسور سرعت متغیر VSC و یک پمپ فرکانس تحریک متغیر VFD استفاده می‌کند.
چیلر آب حاوی ۲۵٪ پروپیلن گلیکول را تا ۴- درجه سانتی‌گراد (۲۵ درجه فارنهایت) سرد می‌کند و آن را در میان مبدل‌های حرارتی تانک ذخیره یخ به گردش درمی‌آورد. محلول آب-پروپیلن گلیکول باعث می‌شود آب داخل تانک یخ منجمد شود تا تقریباً ۹۵٪ آن به یخ تبدیل شود.
تانک یخ ظرفیت ذخیره‌سازی حرارتی سرد ۱۷۰ کیلوواتی (۴۸.۵ تن ساعت از سرمایش) را فراهم می‌کند.
زمانی که نیاز به سرمایش باشد، مخلوط آب و پروپیلن گلیکول می‌تواند در تانک ذخیره یخ به گردش درآید و یخ را آب کند و در نتیجه یک چاه گرمایی یا heat sink را ایجاد کند.
سرمایش داخل ساختمان یا کمپرسور تونل باد به‌وسیله نصب یک مبدل حرارتی مایع-هوا مابین مخلوط اتیلین گلیکول و هوا انجام می‌پذیرد. در سیستم نمایشی، مخلوط همواره از میان تانک ذخیره‌سازی حرارتی به جریان درمی‌آید.
زمانی که سرمایش مورد نیاز باشد، محلول قبل از ورود به تانک ذخیره‌سازی حرارتی به سمت مبدل حرارتی هدایت می‌شود و حلقه عملیاتی بزرگ‌تری را ایجاد می‌کند.
با اینکه این حلقه منجر به کارکرد بزرگ‌تری از پمپ می‌شود، ولی در مقایسه با حجم کاری چیلر بسیار کوچک است و در نتیجه سیستم بسیار ساده‌تر خواهد بود. زمانی که چیلر در حال کار نیست و یخ به‌عنوان دفع‌کننده حرارتی به‌کار می‌رود، محلول فقط به دور این حلقه بزرگ‌تر از مبدل حرارتی، تانک ذخیره‌ساز حرارتی و چیلر، پمپاژ می‌شود.
ایجاد یخ باعث کاهش ظرفیت نامی چیلر به میزان تقریبی ۳۰ الی ۳۵٪ می‌شود که به همین دلیل است که هدف سازنده بر ایجاد یخ در طول شب است که دماها سردتر و هزینه‌های انرژی شبکه کمتر است.
با این وجود، از آن‌جایی که این سیستم صرفاً از طریق انرژی تجدیدپذیر خالص کار می‌کند، زمانی که تولید مازاد بر تقاضا باشد می‌تواند یخ ایجاد نماید.
به‌علاوه استراتژی کنترل این پروژه نخست بر سرمایش مستقیم ساختمان از چیلر اولویت گذاری می‌کند که بهره‌وری ترمودینامیکی بالاتری دارد.
زمانی که بار سرمایشی مورد نیاز تأمین شود، آنگاه در صورت دسترسی به انرژی تجدیدپذیر، چیلر به‌منظور ذخیره‌سازی حرارتی یخ تولید می‌کند؛ اما این باعث عملکرد چیلر با بهره‌وری پایین‌تری در عملکرد مرسومش می‌شود، زیرا نقطه کاری آن در نقطه‌ای مناسب برای تولید یخ حفظ می‌شود.
یک سیستم بر پایه آب سرد شده، نیاز به حجم ذخیره‌سازی حرارتی بزرگ‌تری دارد اما به‌صورت بالقوه‌ای راندمان بیشتری دارد زیرا سرمایش در اختلاف دمای کوچک‌تری اتفاق می‌افتد. همچنین دیگر نیازی به کاهش ظرفیت چیلر تا آن میزان نیست. در زمان نوشتن این مقاله، حلقه نهایی سرمایش به خروجی کمپرسور ساختمان کامل نشده بود، اما این مانع از ارزیابی الگوریتم شارژ حرارتی نمی‌شد.
گرمایش
همان‌طور که در شکل 6 نشان داده‌شده است، سیستم ذخیره حرارتی گرم شامل خشت سرامیکی و گرمایش هوای فشرده است. مشابه سیستم ذخیره حرارتی سرد، گرم‌کنی برای ذخیره حداقل الکتریسیته به شکل گرما طراحی‌شده است.
گرم‌کن یکپارچه انرژی الکتریکی داخل هسته خشت سرامیکی عایق را به انرژی گرمایی تبدیل می‌کند. در حالی که الکتریسیته در داخل هسته عایق به گرما تبدیل می‌شود، تبدیل انرژی به‌صورت تئوری برابر 100 درصد است.
گرم‌کن قادر است به دمایی در حدود 650 درجه سانتی‌گراد (1200 درجه فارنهایت) برسد که 120 کیلووات بر ساعت از گرمای ذخیره حرارتی را فراهم می‌کند ( از گرمایش).
تا زمانی که تقاضایی برای گرما وجود دارد، یک فن هوا را بر روی خشت‌های سرامیکی می‌دمد، به طوری که فضای محتاج به گرمایش را گرم می‌کند.
به‌علاوه، قرارگیری این سیستم داخل یا در زیر فضایی که می‌خواهیم گرم شود، این اطمینان را بوجود می‌آورد که نه‌تنها تلفات گرمایی از بین نمی‌رود بلکه بازدهی سیستم را نیز افزایش می‌دهد.
گرمایش سیستم با استفاده از فن‌های به‌کار رفته در سیستم، فضا تخلیه می‌شود. تنها تغییر در واحد افزودن یک فیلتر ورودی بود.
