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 تجدید پذیر، منابع انرژی معمولاً وقفه دار 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.
تلفات حرارتی
اندازه‌گیری تلفات به محیط از حیطه این مطالعه خارج است اما هردو تکنولوژی که در استفاده تجاری هستند، معمولاً به‌صورت چرخه 24 ساعتی فرض گرفته می‌شود.
اینکه چه اثربخشی ممکن است در طی یک دوره چند روزه داشته باشند، شناخته‌شده نیست. در مقایسه با ذخیره کننده حرارتی یخی، اختلاف دما بین خشت‌های سرامیکی و محیط خیلی بیشتر است و تولیدکنندگان پیشنهاد می‌کنند این دستگاه‌ها را در داخل فضا جایگذاری کرد که خواهان گرم کردن آن هستیم.
کنترل
برای پیاده‌سازی استراتژی کنترل مطلوب، ارتباطات بین کنترل‌کننده متمرکز و تجهیزات باید ایجاد بشود.
کنترل‌کننده توسط زبان برنامه‌نویسی متلب طراحی و پیاده‌سازی می‌شود. چالش طراحی برای این‌چنین سیستمی این است که هر جزء ممکن است در ارتباطات و پروتکول‌های کنترل مختلفی استفاده شوند که هرکدام می‌بایست قابل‌دسترسی برای کنترل‌کننده مرکزی باشند.
برای ارتباط با سیستم گرم‌کننده یک درگاه USB مورد استفاده قرار می‌گیرد، پروتکل Modbus بر روی شبکه داخلی همراه با اینورتر ریز شبکه و یک دستگاه خروجی آنالوگ برای تغییر قدرت در چیلر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
همچنین ارتباط پروتکل BACnet بر روی شبکه داخلی برای اتصال با سیستم چیلر امکان‌پذیر است. پروتکل‌های متفاوت ارتباط معمولاً توسط کارخانه‌های مشخصی درست می‌شوند و امید است توجه به این واقعیت توسط تولیدکنندگان در آینده مورد ساخت قرار خواهد گرفت.
از نرم‌افزار متلب برای بسط توابعی که می‌تواند هرکدام از پروتکل‌های ارتباطات را اجرا کند، استفاده می‌شود. برای هر پروتکل یک تابع جداگانه بسط داده می‌شود. شکل 7 استراتژی بنیانی که سیستم را کنترل می‌کند نشان می‌دهد.
اولویت‌بندی بارها می‌تواند بر اساس فصل تعدیل شود. هدف کلی استراتژی کنترل شامل تطابق تقاضای بار چیلر و گرمکن با قدرت موجود تولیدشده از منابع تجدیدپذیر بدون نیاز به توان اضافی باطری است.
با تطبیق تقاضای بار با تولید توان، سیستم تمامی قدرت در دسترس را از منابع انرژی تجدیدپذیر استفاده می‌کند.
در کاربرد حاضر هدف شارژ سیستم‌های ذخیره‌ساز حرارتی تا حد ممکن بود زمانی که در بیشتر سیستم جابه‌جایی حرارتی مازاد انرژی گرمایی، نه در نیازهای لحظه‌ای برای کاربردهای گرمایش یا خنک کاری، ذخیره خواهد شد.
عملکرد سیستم
کنترل‌گر ریزشبکه در ژانویه 2016 توسط نرم‌افزار متلب گسترش و پیاده‌سازی شد. کد متلب استفاده برای این کار بر اساس درخواست در دسترس است. سیستم در طی 6 ماه به‌طور مداوم در حال جمع‌آوری داده‌ها بود.
این داده‌ها، اطلاعات مورد نیاز به‌روزرسانی کنترل‌گر را برای ارتقاء ارتباطات داخل دستگاهی و همچنین عملکرد کلی سیستم فراهم می‌کند.
عملکرد کنترل‌گر از طریق کامپیوتر نظارت می‌شود و به کاربر این اجازه را می‌دهد که به‌صورت فعال وضعیت تولید توان، تقاضای بار و سطح ذخیره انرژی را نظارت کند.
داده‌ها در هر تکرار چرخه کنترلی، در نزدیکی زمان واقعی به‌روزرسانی می‌شود و به کاربر در کنار عملکرد کنترل‌گر و عملکرد سیستم اطمینان می‌دهد.
درصد تکمیل شدن (POC) ذخیره‌ساز حرارتی برای اولویت‌بندی بار مورد نیاز چیلر و گرمکن استفاده می‌شود. POC توسط کاربر یا دیگر سیستم‌های تصمیم‌گیرنده بر اساس پیش‌بینی گرمایش بارهای خنک‌کننده تنظیم می‌شود.
کنترل‌گر سپس بارها را بر اساس سطح ذخیره موجود تنظیم می‌کند. در یک بررسی به‌خصوص، یک حد پایین برای بار مقطعی عملکرد چیلر وجود دارد، 20 درصد در این سیستم به‌خصوص. اگر انرژی کافی برای رسیدن به این شاخص وجود نداشته باشد، انرژی بر روی گرمکن منتقل می‌شود.
شکل ۸ مثالی از داده‌های کنترلی جمع‌آوری‌شده در ۲۲ می ۲۰۱۶ که عمدتاً آفتابی بود را نشان می‌دهد. کنترلر هرگز چیلر را در اولویت قرار نمی‌دهد زیرا سطوح ذخیره‌سازی یخ هرگز به سطحی پایین‌تر از سطوح ذخیره‌سازی گرما نمی‌رود و تنظیمات کاربری برای ذخیره‌سازی بر روی همان مقدار تنظیم می‌شود.
رویکردی شدیداً محافظه‌کارانه برای حفظ عمر باتری در ریز شبکه استفاده گردید. در طول بازه زمانی اول صبح، باتری‌ها به مرحله‌ای با نام مصطلح «فاز تقویتی» وارد می‌شوند که بعد از تخلیه انرژی روی‌داده در شب قبل، دوباره شارژ می‌شوند. زمانی که باتری‌ها در این حالت هستند، سیستم‌های سردکننده و گرم‌کننده مورد استفاده قرار نمی‌گیرند.
حداکثر نیروی تولیدی درون‌یابی شده توسط خط‌چین نشان داده‌شده است. مساحت بین خط‌چین و خط پر که با عبارت انرژی غیر استعمالی علامت‌گذاری شده است، انرژی‌ای را نشان می‌دهد که می‌تواند چیلر و هیتر را راه‌اندازی کند. هدف استراتژی کنترل ممانعت از انرژی‌های مصرف نشده این‌چنینی است.
از لحاظ نظری می‌توان بارها را طوری طرح‌ریزی نمود که از این نیروی مازاد بهره ببرد و باتری‌ها بتوانند تمامی نیرویی قابل‌جذب را در طول فاز تقویتی دریافت نمایند.
این‌یک استراتژی ایده‌آل برای بهترین استفاده از نیروی موجود نیست اما ریز شبکه به‌کار رفته، بینشی کافی را ممکن نمی‌سازد که بدانیم آیا استفاده از این نیرو می‌تواند حداکثر شارژ تقویتی برای باتری‌ها را کاهش دهد یا خیر.
رویکرد به‌کار گرفته‌شده بر این بود که باتری‌ها حفظ شوند و از شارژ کامل آن‌ها قبل از راه‌اندازی سیستم شارژ حرارتی اطمینان حاصل شود. در زمان انتخاب ریز شبکه یا میکروگرید، ملاحظه و خصوصیت اصلی این است که قادر به ارتباط با آن باشیم و به شرایط عملیاتی درونی آن دسترسی داشته باشیم.
بعد از اینکه فاز تقویتی طی شد، استراتژی کنترل به‌گونه‌ای طراحی شد که بارهای چیلر و هیتر را تا حد ممکن با انرژی تجدیدپذیر موجود تعدیل کند. هدف این بود که به کارآمدترین شکل ممکن و همراه با حفظ باتری‌ها، سیستم‌های ذخیره‌ساز حرارتی شارژ شود.
در سیستمی که نیروی تحت شبکه یا نیروی تولیدی پشتیبان نیز موجود است، منابع می‌توانند به‌گونه‌ای مورد استفاده قرار گیرند که سطوح ذخیره‌سازی حرارتی به‌اندازه کافی بالا باشند تا از کافی بودن سرمایش و گرمایش اطمینان حاصل شود.
ریندل چنین سناریویی را برای یک سیستم سرمایش انرژی بادی و تحت شبکه با ذخیره‌ساز حرارتی به نمایش گذاشت.
شکل ۸ نشان می‌دهد که استراتژی کنترل مطلوب به‌طور موفقیت‌آمیزی بهره‌برداری شد.
کنترلر ریز شبکه قادر بود تا بار تقاضا را با نیروی تولیدی تعدیل نماید، بدون اینکه نیاز باشد از باتری‌ها برای تأمین بار استفاده شود؛ بنابراین باتری‌ها تنها در بازه‌های زمانی کوتاهی مورد استفاده قرار می‌گیرند که بار تقاضا از نیروی تولیدی بیشتر باشد و همچنین زمانی که نیاز به پایدارسازی ریز شبکه در طول شب باشد، یعنی بازه‌ای از زمان که فقط نیروی تولیدی از باد در دسترس است. نرم‌افزار متلب بهره‌برداری و تصحیح آسان کنترلر ریز شبکه را ممکن ساخت.
عملکرد متصل به شبکه
بسیاری از کاربران ساختمانی که قابلیت تولید انرژی تجدید پذیر در محل را دارند، مجهز به ریز شبکه نمی‌باشند، اما این بدین معنی نیست که استراتژی کنترل‌های معرفی‌شده در اینجا را نمی‌توان مورد بهره‌برداری قرار داد.
در این موارد، داده‌های در لحظه (زمان واقعی) مصرف انرژی از ابزار سنجش را می‌توان به‌جای داده‌های حاصل از ریز شبکه مورد استفاده قرار داد. شماری از فاکتورها می‌توانند محرک چنین استراتژی کنترلی باشند: مطابقت‌های Net Metering یا اندازه‌گیری خالص، تعرفه‌های متغیر برق در بخش‌هایی از طول روز و اختلاف بالقوه در قیمت مابین میزان پرداختی به یک مشتری برای نیروی اضافه‌شده به شبکه و میزان مصرف آن‌ها. هر کدام از این فاکتورها می‌تواند استفاده محلی از این انرژی (زمانی که در دسترس باشند) برای شارژ تجهیزات ذخیره‌ساز حرارتی را گزینه‌ای جذاب نماید.
بررسی جامع این مفاهیم خارج از میدان دید و حوزه عمل این تحقیق است، اما استراتژی کنترل و سیستم‌های به نمایش درآمده در اینجا را می‌توان به‌آسانی اصلاح نمود تا هزینه‌های انرژی سرمایشی و گرمایشی را کاهش داد.
نتیجه‌گیری
داده‌های جمع‌آوری‌شده نشان دادند که سیستم ریز شبکه می‌تواند به‌وسیله بهره‌گیری از ذخیره‌ساز حرارتی تحت شرایط کاری عادی، به‌طور موفقیت‌آمیزی بار تقاضا را در محدوده ۵٪ زیر و ۱٪ بالای نیروی تولیدی تعدیل سازد.
توانایی تنظیم صحیح میزان بار و همچنین بهره‌گیری از کنترلر برای تعدیل بار مورد نیاز هیتر و چیلر با انرژی تجدید پذیر موجود، بخشی اساسی از روند بهره‌گیری از استراتژی کنترل بود. اجرای این مطلب برای هر دوی سیستم‌های گرم‌کننده و سردکننده با استفاده از کنترلرهای انرژی متغیر مدرن، امری آسان است.
تصمیم به استفاده از اجزای آماده مصرف تجاری یا COTS نشان می‌دهد که اجزای فعلی برای انجام تکلیف بهره‌گیری از انرژی تجدید پذیر به‌منظور شارژ سیستم‌های ذخیره‌ساز حرارتی، کافی است، ولی کمبود و کاستی‌ها آشکار بود.
به‌منظور بهره‌وری بیشتر باید ارتباطات بهتری با ریز شبکه موجود باشد. هیچ روش آسانی نمی‌توان یافت تا زمانی که باتری‌ها در فاز شارژ تقویتی هستند، بتوان سیستم ذخیره‌ساز حرارتی را شارژ نمود.
نشانه‌ای ساده از اینکه آیا این تجهیزات در بیشینه نرخ خود شارژ می‌شوند یا خیر، می‌تواند کافی و راضی‌کننده باشد. سیستم‌های ذخیره‌ساز حرارتی فعلی برای عملکرد روزانه طراحی‌شده‌اند و اطلاعات بسیار کمی از نرخ اتلاف حرارتی آن‌ها موجود است.
کمّی سازی میزان انرژی قابل ذخیره در طول تعداد روز معین می‌تواند استفاده از آن‌ها را در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر گزینه‌ای جذاب سازد.
در نهایت، کامپیوتری شخصی به‌منظور پیاده‌سازی سیستم کنترلی مورد استفاده قرار گرفت که مراحل توسعه را ساده یاز نمود.
با این حال، یک کنترل‌گر منطقی یا PLC صنعتی می‌تواند روشی قابل اطمینان‌تر برای پیاده‌سازی هرگونه استراتژی کنترل را فراهم نماید.
در حالی‌که هدف اصلی استراتژی کنترل استفاده‌شده در اینجا شارژ ذخیره‌ساز حرارتی به‌وسیله تعدیل بار با منبع انرژی تجدید پذیر موجود بود، ریز شبکه و سیستم ذخیره‌ساز به نمایش درآمده می‌تواند به‌آسانی برای دست‌یابی به اهداف ثانویه مورد بهره‌برداری واقع گردد.
همان‌طور که پیش‌تر بیان شد، برآورده سازی آنی بارهای سرمایشی و گرمایشی ماقبل شارژ سیستم حرارتی می‌تواند رویکردی معمول در یک ساختمان با کاربری عادی باشد.
اگر پیش‌بینی‌هایی مستدل و معقول از بارهای حرارتی مورد نیاز در دسترس باشد، آن‌گاه میزان شارژ حرارتی سیستم قابل تنظیم است. اضافه کردن اینگونه الزامات و نیازمندی‌ها به استراتژی کنترل فعلی امری ساده است.
کنترل استراتژی همچنین می‌تواند در یک سیستم متصل به شبکه پیاده‌سازی شود که منابع انرژی تجدیدپذیر در دسترس می‌باشد.
