Akumulatori Toplote Za Hladjenje 2003

Акумулатори топлоте за хлађење

УводСистеми за акумулацију топлоте одводе или доводе топлоту средству за акумулацију топлоте, коју ћемо користити у неком другом тренутку у зависноти од потребе. Акомулатори топлоте за HVAC системе могу функционисати на различитим температурским режимима у зависности од намене HVAC система, хлађење или грејање. Високо температурски акумулатори топлоте се обично комбинују са соларним системима или системима грејања при високотемператуским режимима, а ниско температуски акумулатори топлоте се комбинују са системима климатизације, хлађења и криогених процеса. Акумулатор топлоте се може пунити топлотном енергијом, чувати ту енергију и испоручити енергију на дневном, седмичном, годишњем, сезонском или тренутном нивоу. Ниско температурски акумулатори топлоте се примењују у расхладним инсталацијама које служе са остваривање комфора или неког технолошког процеса, ради смањења трошкова потрошње енергије за погон и/или за уштеду при пројектовању инсталације.

Правилно пројектован и уграђен акумулатор топлоте мора да обезбеди следеће услове:

да смањи почетне и радне трошкове да олакша одржавање електричне опреме и да смањи димезије расхладне и

грејне опреме да прошири опсег коришћења да обезбеди резервни капацитет да прошири капацитет постојећег система

Акумулатори топлоте се користе при неким од следећих случајева:

при караткотрајним оптерећењима када се оптерећења ретко јављају када се оптерећења јављају циклично када оптерећења нису усклађена са доступношћу извора енергије када трошкови енергије за погон инсталације варирају током времена у периодима шпицева потрошње енергије када је снабдевање енергије када имамо не планирано повећање оптерећења а инсталација нема капацитет да

испрати то повећање оптерећења

Класификација система акумулације топлоте

Системи акумулације топлоте се могу класификовати према врсти медијума који акумулише топлоту и према начину акумулисања топлоте.

осетни акумулатор топлоте (у којем се појављује промена температуре)

1


латентни акумулатор топлоте (у којем се појављује промена агрегатног стања)

апсорпциски акумулатор топлоте (у којем се одвија реверзибилна хемијска реакција)

Испуне ниско-температурних акумулатора топлоте обухватају расхлађену воду, течне и не течне флуиде, лед и фазнопроменљиве материјале. Испуне високо-температурних акумулатора топлоте обухватају воду, циглу, камен и керамичке материјале. Ови материјали се разликују у њиховим специфичним топлотним капацитетима, температурама на којима акумулишу топлоту, и физичким карактеристикама по којима функционишу. Врсте ниско-температурних акумулатора топлоте обухватају акумулаторе са расхлађеном водом, са расхлађеним флуидом, произвдња леда (ice-harvester), унутрашње/спољашње топљење леда са цеви, капсулиран лед, и фазнопроменљиви материјали. Врсте високо-температурних акумулатора топлоте обухватају акумулаторе са циглама, акумулаторе са водом, системи подне акумулације, као и соларне акумулаторе и акумулацију топлоте из гео-термалних извора.

Испуна акумулатора топлоте

Разне врсте материјала могу бити коришћене као испуна акумулатора топлоте, било би пожељно да ти материјали испуњавају следеће услове:

да су широко доступни да су јефтини да нису штетни према околини да су незапаљиви да су неексплозивни да су неотровни да су компактибилни са уобичајеним материјалима који се користе у HVAC

постројењима да нису склони корозији да су инертни

Теоријски (идеалан) материјал за испуну акумилатора топлоте би требао да има следеће особине:

да се добро показао у пракси велику густину висок топлотни капацитет (за акумулаторе осетне топлоте) високу топлоту испаравања/топљења (за акумулаторе латентне топлоте) висок коефицијент преношења топлоте стабилне карактеристике које се неће мењати током већег броја циклуса размене

топлоте

Уобичајене испуне за акумулаторе осетне топлоте су: вода, земља, камен, цигла, керамика, бетон, као и разни грађевински елементи било да су намењени акумулацији топлотне енергије за грејање или за хлађење.У HVAC инсталацијама као што су инсталације за климатизацију, грејање простора и санитарне топле воде, најчешћа испуна за чување осетне топлоте је вода зато што она задовољава највећи број пожељних карактеристика између тачке кључања и тачке мржњења.

2


Уобичајене испуне за акумулаторе латентне топлоте су: лед, расолина (најчешће мешавина воде и етилен гликола), и остали фазно променљиви материјали као што су остале соли и неки полимери. Угљен-диоксид је алтернативни материјал који се користи за испуну латентних акумулатора на различитом опсегу температура. За системе климатизацијације, лед је најчешће примењивана испуна акумулатора топлоте, зато што задовољава већину претходно наведених пожељних карактеристика.

Основни приципи акумулације топлоте

Основна карактеристика система за акумулацију топлоте је то што су раздвојени периоди генерисања топлотне енергије и потрошње топлотне енергије. То раздвајање омогућава систему да генерише топлотну енергију током периода када су услови за то најповољнији (нпр. када је енергија најповољнија или најдоступнија), што може бити независно од топлотног оптерећења.

Системи акумулације топлоте који имају опрему мањег капацитета могу да прихвате иста топлотна оптерећења као системи без акумулације топлоте током одређеног периода. Смањење величине и трошкова грејне/расхладне опреме може делимично или потпуно да надокнади трошкове акумулатора топлоте.

Предности система за акумулацију топлоте

Правилно пројектован, постављен и правилно руковођен систем акумулације топлоте омогућава наведене предности система за грејање/хлађење:

1. Смањење трошкова енергијеПримарна предност акумулатора топлоте је способност да значајно утиче на смањење експлоатационих трошкова, нарочито за системе који као примарну користе електричну енергију. Системи акумулације топлоте смањују потражњу скупе енергије у вршним периодима потрошње електричне енергије, заменом за јефтину електричну енергију у ноћним тарифама наплате за исти процес. Као додатак, у многим случајевима системи акумулације топлоте, уствари троше мање енергије да остваре исти расхладни учинак, примарно због ефикаснијег искоришћења расхладне опреме.

2. Смањење величине опремеГрејна или расхладна опрема јеобично димензионисана да задовољи средње оптерећење (понекад и вршно), а систем акумулације топлоте може бити димензионисан на основу разлике између вршног и средњег оптерећења.

3. Смањење инвестиционих трошковаАкумулатор топлоте за хлађење повезан са системима дистрибуције ваздуха и воде у ниско температурском режиму може такође да смањи почетне трошкове коришћењем мањих чилера, пумпи, цеви, вентилационих канала и вентилатора. Мање димензије расхладне опреме дозвољавају пројектантима да смање димензије система дистрибуције и трансформације електричне енергије која је потребна за напајање инсталације. Ова економска добит може бити значајна и у новопројектованом и у постојећем постројењу где су електрични системи на пуном или близу пуног капацитета. У неким подручјима, владиниподстицаји су доступни што такође може смањити трошкове.

3


4. Уштеда енергијеИако сусистеми за акумулацију топлоте генерално првенствено дизајнирани да одложе потрошњу енергије, а не да сачувају енергију, они могу да испуне обе улоге. Акумулатори топлоте за хлађење дозвољавају да чилери више раде ноћу, када ниже температуре кондензације побољшавају ефикасност опреме. Поред тога, акумулатори топлоте омогућавају рад опреме под пуним оптерећењем, где је обично највећи степен искоришћења опреме. Документовани примери укључују климатизационе инсталације са складиштењем расхлађене воде које смањују годишњу потрошњу енергије у киловатчасовима и до 12%.

5. Побољшан рад HVAC системаСистеми за акумулацију топлоте омогућавају да профил топлотног оптерећења буде одвојен од рада грејне или расхладне опреме. Ово раздвајање омогућава постројењима да користите примарну опрему и акумулатор топлоте у оптималној комбинацији у било које време, обезбеђујући повећану флексибилност, поузданост и ефикасност у свим сезонама.

6. Резервни расхладни капацитетАкумулатор топлоте може значајно смањити трошкове инсталисаних постројења за резервни топлотни капацитет (у случају опасности), тако што смањује потребе за вишком електричне и механичке опреме која би се морала инсталирати ако не би постојао акумулатор топлоте. Резервни расхладни капацитет у критичним подручјима (нпр. рачунарске собе, болнице, операционе сале) може бити одмах доступан из акумулатора топлоте.

7. Проширење капацитета постојећих системаТоплотни тапацитет постојећих система често може бити повећан уградњом акумулатора топлоте по мањој цени него додајући конвенционалну опрему која нема способности за акумулацијом. Резервоари са расхлађеном водом додају расхладни капацитет у постојећи систем и могу да се избегну високи трошкови инсталирања нових чилера. Са овим обликом складиштења топлоте, постојећи чилери могу сада радити током периода када би иначе били угашени да би генерисали додатно потребно хлађење. Снабдевање хладном водом и ваздухом на нижим температурама омогућава постојећим системима да прихвате знатно већа оптерећења и смањење потрошње енергије за погон пумпи или вентилатора.

8. Друге погодностиАкумулатори топлоте могу довести до многих других погодности. Као што је већ речено, акумулатор топлоте се може интегрисати са дистрибуцијом хладног ваздуха. Резервоар за складиштење расхлађене воде може још послужити за снабдевање водом за заштиту од пожара при много мањим трошковима него што би се извело постројење са одвојеним системима (један резервоар као акумулатор топлоте а други као против пожарни захват воде). Неки акумулатори топлоте за хлађење могу да се конфигуришу за пуњење са слободном („бесплатном“) топлотном енергијом. Акумулатори топлоте могу помоћи да се искористи отпадна енергија из парних постројења тако што би се чувала хладна вода произведена апсорпционим чилерима за касније коришћење у зависноти од потражње.

4


Разматрања о пројекту

Системи акумулације топлоте морају бити пројектовани у складу са укупно интегрисаним оптерећењем као и вршним оптерећењем. За правилно пројектован систем за акумулацију, пројектант мора да израчуна тачнан профил оптерећења и анализира термичке перформансе опреме за складиштење током целог циклуса складиштења. Правилно димензионисање је од суштинског значаја. Лоше димензионисан систем акумулације топлоте је ограничен у својој способности да правилно ради када оптерећење прелази његове капацитете. С друге стране, предимензионисан систем брзо смањује своје економске користи.

Топлотне перформансе акумулатора топлоте варирају, у зависности од ускладиштене енергије и брзине пражњења. Према томе, укупан капацитет датог акумулатора зависи од профила оптерећења за који је акумулатор примењен. Не постоји стандардан метод за процењивање акумулатора топлоте за хлађење, па спецификација мора садржати детаље о топлотним перформансама за сваки сат циклуса складиштења.

Системи акумулације топлоте нуде флексибилност за снабдевање топлоте из акумулатора, из примарне опреме, или из оба система истовремено. Из ове флексибилности долази потреба за дефинисањем како ће се контролисати систем у сваком тренутку. Намењена стратегија за рад и контролу система мора бити дефинисана у неком делу пројекта.

Технологија осетних акумулатора топлоте

Складиштење осетне енергије

Вода је погодна за складиштење и високо и нискотемпературне осетне енергије и најчешћа је испуна осетних акумулатора топлоте, делом због тога што има највећи специфични топлотни капацитет(cw=4.186KJ/(kg∙K)) од свих уобичајено примењиваних материјала за испуну. ASHRAE стандард 94.3 обухвата поступке за мерење термичких перформанси акумулације осетне топлоте. Резервоари су доступни у многим облицима, међутим, вертикални цилиндри су најзаступљенији. Резервоари могу да се налазе изнад земље, да буду делимично укопани, или потпуно укупани(закопани) у земљу. Такође могу бити укључени у структуру зграде. Из економских разлога, они обично раде на атмосферском притиску и могу имати горње данце у облику куполе, плитке купе или равно данце. Посуде за складиштење осетне топлоте(акумулатори осетне топлоте) морају одвојити хладнију од топлије запремине испуне. Овај део се фокусира на акумулаторе топлоте код којих је испуна охлађена вода јер је то најчешћи примењиван систем акумулације топлоте. Међутим, сличне технике се примењују при акумулацији топлоте код осетних акумулатора топлоте чија је испуна топла вода(који се примењују у системима грејања) и код осетних акумулатора топлоте(„хладноће“) код којих су испуне течни и не-течни раслојени(стратификовани) флуиди.

Температурски опсег и величина акумулатора топлоте

5


Расхладни капацитет резервоара за акумулацију охлађене воде пропорционалан је запремини акумулисане воде и разлици температура (Δt) између ускладиштене хладне воде и повратне загрејане воде. Постоји директна веза између разлике температура Δt и величине компонената система за акумулацију осетне топлоте. За економично складиштење расхладног оптерећења систем акумулације треба да обезбеди што већи Δt да би био практичан. Многи системи акумулације топлоте са охлађеном водом су пројектовани да раде са Δt имеђу ускладиштене и повратне воде од 7 до 9 K. Пројектовање за остварљив Δt од 11 до 13 К има потенцијал да смањи величину резервоара за акумулацију топлоте за чак 50% у односу на суд пројектован за типичног опсега Δt. Вероватно да ће акумулација топлте бити неекономична уколико је Δt мања од 5К, јер тада резервоар за акумулацију топлоте мора бити баш велики. Типична конструкција и услови рада обезбеђују густину складиштења од приближно 30 l/MJ (108 l/kWh). Одржавање по могћству што већом Δt је веома важно у остваривању планираног корисног рада система.

Технике за термичко раздвајање у уређајима за складиштење осетне топлоте

Следеће наведене методе су примењене за складиштење расхлађене воде. Термално раслојавање је постао доминантан метод због своје једноставности, поузданости, ефикасности и ниске цене.

Термално раслојавање

У раслојеном нискотемпературном акумулатору топлоте, топлија повратна вода мање густине плута по врху гушће хладне воде. Хладна вода из складишта се издваја и испоручује при малој брзини у основни хоризонтални ток, тако да сила потиска надвладавају инерцијалне силе. Чиста вода је најгушћа на 4°C. Стога хладнија вода уведена у дну раслојеног резервоара тежи да се помеша са топлијом водом у резервоару. Међутим, нискотемператутни флуиди, обично вода са различитим примесама, могу да се користе за постизање ниже температуре испоруке, веће температурне разлике, и тиме мањe запреминe за складиштење по MJ. Обично се долазна вода меша са водом у резервоару при чему се формира термоклин дебљине 0,3 до 0,6 m. Термоклин представља област са оштрим вертикалним градијентима температуре и густине. Он минимизира даље мешање воде изнад њега са оном испод њега. Термоклин расте током пуњења и опада током пражњења. Он се може донекле повећати током пуњења и пражњења због провођења топлоте кроз воду и преношења топлоте са зидова резервоара и на њих. Резервоар за складиштење може имати било какав облик попречног пресека, али зидови су обично вертикални. Хоризонтални цилиндрични резервоари генерално нису добри кандидати за стратификовано складиштење, због односa запремине воде унутар и изван термоклина.

6


Флексибилна мембрана

Флексибилна мембрана, обично направљена од композитног материјала на бази гуме, постављена хоризонтално унутар резервоара за воду одваја хладнију од топлије воде. Мембрана мора бити димензионисан тако да плута од врха резервоара до дна када је резервоар потпуно напуњен или потпуности испражњен.

7


Перформансе система за складиштење охлађене воде

Савршен уређај за складиштење осетне топлоте је онај који испоручује воду на истој температури на којој је првобитно ускладиштена. Ово би такође захтевало да се вода која се враћа у резервоар за складиштење не меша са ускладиштеном водом, али исто тако ни не размењује топлоту са ускладиштеном водом или околином. У пракси се међутим све три врсте размене топлоте јављају. Типични температурни профили воде на уласку и изласку из акумулационог резервоара су приказани на слици 3. Након тестирања неколико великих система за складиштење охлађене воде уведен је фактор доброте (FOM - figure of merit), који се користи као мера количине доступне енергије за хлађење из резервоара.

Добро испројектовани резервоари за складиштење имају фактор доброте од 90% или више за дневне циклусе потпуних пуњења или пражњења.

Пројектовање дифузора за раслојавање

Дифузори морају бити пројектовани и конструисани да производе и одржавају раслојавање при максимално очекиваној брзини протицања кроз резервоар. Две главне врсте су у широкој употреби данас: осмоугаони цевни дифузор (видети слику 1) и радијални диск дифузор (слика 4). Улазни и излазни токови морају се одржавати на довољно ниским брзинама, па сила потиска доминира над инерцијалном која се јавља услед гравитационог тока на дну или врху резервоара. Улазни Фрудов број Fr је дефинисан као:

8


где су:

Q [m3/(s∙m)] – запремински проток по јединици дужине дифузора,

g [m/s2] – гравитационо убрзање,

h [m] – висина улазног отвора,

ρ [kg/m3] – густина улазне воде,

Δρ [kg/m3] – разлика у густини између ускладиштене воде и воде која долази у

складиште или га напуста.

Разлика густина Δρ се може добити из Табеле 1. Улазни Рејнолдсов број Re се дефинише на следећи начин:

где је ν[m2/s] кинематска вискозност.

Пројектанти обично одабирају вредности Рејнолдсовог броја, на основу кога се утврђује дужина дифузора, а затим бирају вредност за висину дифузора тако да се добије вредност улазног Фрудовог броја око 1,0 или мање. Вредности Фрудовог броја све до 2,0 се успешно примењују. Неки експериментални докази указују да је интензитет мешања у близини улазног дифузора под утицајем улазног Рејнолдсовог броја [Једначина (3)].

9


Посматрајући резултате добијене испитивањем вертикалног цилиндричног резервоара висине 4,6 m и пречника 6,1 m дошло се до закључка да смањење улазног Рејнолдсовог броја од 850 (помоћу радијалних диск дифузора) до 240 (помоћу дифузора који се састоји од осмоугаоне цеви), своди мешање на занемарљиве размере. Ретултати који су добијени су у складу са каснијим испитивањем макете резервоара висине 0,9 m, што указује да је мешање при Рејнолдсовим бројевима испод отприлике 450 занемарљиво. Током тестирања при Рејнолдсовом броју од 250 постигнуте су најбоље перформансе. Документован је успешан рад резервоара за воду са висином већом од 13,7 m за пројектоване улазне Рејнолдсове бројеве у висини од 10 000, иако су термалне перформансе ових система побољшане при нижим улазним Рејнолдсовим бројевима. Параметарском студијом радијалних дифузора је утврђено да при Фрудовим бројевима мањим од 1.0 долази до значајног побољшања перформанси. Рад написан на основу мерења на терену и симулације, потврдио је да је Фрудов број примарни параметар од значаја за радијалне дифузоре улазних термалних перформанси. Међутим, истраживање није показало задовољавајућа поклапања за различите вредности Рејнолдсовог броја Rе.

Изолација акумулатора топлоте

Изложене површине резервоара треба да буду добро изоловане ради одржавања температурних разлика у самом резервоару. Изолација је посебно битна код мањих резервоара због односа површине и ускладиштене запремине, који је релативно висок. Пренос топлоте између ускладиштене воде и контактне површине резервоара, укључујући и преградне зидове, је примарни извор губитка капацитета. Губици или добици топлоте се јављају при провођењу кроз доње данце и зид, као и у тренутку кад се топлотни проток простире вертикално дуж зидовa резервоарa од топлијих ка хладнијим регијама. Спољашња изолација зида резервоара успорава у потпуности овај пренос топлоте.

Садржај резервоара расхлађене воде је обично хладнији од температуре околине (тачка росе), тако да је важно да изолациони систем користи целовиту спољашњу парну баријеру да би се смањио продор влаге и кондензата у изолациони систем.

Остали утицаји

Трошкови хемикалија за пречишћавање воде могу бити значајни, посебно ако се резервоар пуни више пута током свог радног века. Филтер систем помаже да складиште са водом буде чисто. Изложеност воде атмосфери може захтевати повремено додавање биоцида. Иако резервоари треба да буду конструисани да се онемогући цурење, конструктор треба да узме у обзир могућу појаву цурења услед хемијског пречишћавања. У зависности од захтева, пречишћавање воде, попут отвореног система као што је онај са кондензатором воде, може бити сувишно јер вода у раслојеном резервоар у није напуњена ваздухом па је изложена атмосфери кроз мали отвор на врху резервоара. Власници треба да буду опрезни и потребно је да укључе све факторе при спровођењу плана за прераду воде. Третман воде треба да буде флексибилан у зависности од састава воде.

10


Складишна циркулациона пумпа треба да буде постављена испод минималног оперативног нивоа воде најнижег резервоара да обезбеди стално поплављено усисавање под притиском. Одговарајућа усисна глава (NSPH) мора да се одржава да би се избегла кавитација пумпи.

Резервоари за акумулацију охлађене воде

Системи за складиштење су обично великог капацитета и запреминe. Као резултат тога, многи системи за складиштење расхлађене воде се налазe на отвореном (нпр., у индустријским постројењима или приградским насељима). Вертикални резервоар је пожељан због раслојавања, али резервоари су углавном положени у земљу из архитектонских, естетских, или урбанистичких разлога. Цистерне су обично направљене од челика или преднапрегнутог бетона према спецификацијама као код општинских резервоара за воду. Резервоари од пренапрегнутог бетона могу бити делимично или потпуно положени у земљу. За резервоаре који су потпуно положени, горње данце резервоара може бити куполастог типа или равно данце које се користи код већих оптерећења, на местима попут паркиралишта, тениских терена или паркова.

Нискотемпературни флуиди за складиштење осетне енергије

Нискотемпературне течности могу се користити као медијум за складиштење осетне топлоте уместо воде. Коришћење ових течности може дозволити да се термална енергија складишти на температурама испод 4 °С, на којој вода има максималну густину. Стога, ниско-температурне течности омогућавају складиштење осетне енергије и могу се користи код клима уређаја или код обраде хране. Могу бити или водени раствори који садрже хемијске адитиве или неводене хемикалије.

Технологија складиштења латентне нискотемпературне топлоте

Системи за складиштење латентне нискотемпературне топлоте остварују већину својих капацитета добијају од латентне топлоте топљења материјала који лако мењају фазу, иако осетна топлота значајно доприноси многим конструкцијама резервоара. Велика густина енергије система за складиштење латентне топлоте омогућава компактност инсталације и омогућава фабрички произведеним компоненатама практичност. Постоји широк спектар раличитих технологија за складиштење које се примењују у уређајима за складиштење латентне топлоте које понекад не подлежу прецизној класификацији. Тренутне категорије технологије су: унутрашње топљење леда на цевној змији, спољно топљење леда на цевној змији, капсулирање, производња леда (ice-harvester), и ледена каша. Заједнички изазов за све методе складиштења латентне енергије је пронаћи ефикасан и економичан начин за оствариваривање преноса топлоте неопходног да се наизменично замрзне и топи медијум за складиштење. Разноврсне методе су развијене са ограничењима или раде у условима преноса топлоте неопходним да замрзну или отопе радни медијум. Међутим, излазна температура флуида (из складишта приликом топљења) мора бити већа од тачке мржњења, а улазна температура флуида (до складиштења током замрзавања) мора бити нижа од тачке смрзавања. Складиште леда може да обезбеди излазне температуре знатно испод оних нормалних температура које се примењују у комформној климатизацији и системима климатизације без резервоара топлоте. Међутим, улазне температуре су такође знатно ниже од уобичајних. Систем за

11


складиштење са фазно променљивим материјалима испуне може да се пуни помоћу температуре близу оних за комфорно хлађење, али они дају више излазне температуре.

Вода као фазно променљив термални медијум за складиштење

Велика већина система за складиштење латентне топлоте обично користите воду као медијум за складиштење. Низ других материјала је развијен током година и понекад се користе у јединственим апликацијама. Међутим, вода је флуид који се одликује поузданошћу, стабилношћу, малим трошковима, високом латентном топлотом 335 кЈ /kg, високим специфичним топлотним капацитетпом, високом густином и одговарајућом температуром за процесе већ доказане пожељним за многе типичне HVAC расхладне апликације.

Вода има веома стабилну тачку топљења од 0 °C на нивоу мора. Под неким условима, потхлађивање може снизити почетну тачку мржњења за 1 до 3K, али нечистоће које се налазе у води, случајни поремећаји, мање вибрације и површинске интеракције су генерално довољни да се покрене нуклеација ледених кристала. Потхлађивање се најчешће јавља у току иницијалног смањења температуре течне воде испод 0°C. Преостали лед умањује или елиминише склоност потхлађивању наредном периоду производње леда. Износ потхлађења, ако уопште дође до њега, је типично 1 до 2 К, а температура промене фазе брзо се враћа на 0°C непосредно након овог периода иницијалне нуклеације кристала леда. Са релативно чистом водом која је изолована од било ког спољашњег утицаја, одговарајуће средство може бити коришћено ради настанка нуклеације ледених кристала.

Густина воде се незнатно смањује испод 4 °C и шири се од око 9% на температури мржњења. Ово ширење се често користи као индикатор залихе леда где лед остаје потпуно потопљен, као код система леда на цевима или системима производње леда. Уколико лед плута у течној води, ниво течности ће остати константан било да се лед топи, било да се он мрзне. Лед незнатно повећава густину испод температуре мржњења, али то је од малог интереса за системе складиштења топлоте, који већином раде близу температуре промене фазе. Одступања густине леда од густине леда при температури промене фазе су мала.

Многе технологије складиштења леда користе секундарно расхладно средтсво за пренос топлоте. Ово омогућава коришћење стандардних расхладних агрегата, укључујући оне са центрифугалним компресором, за стварање леда и олакшава примену оваквих технологија на типичне расхладне системе са охлађеном водом. Уобичајена секундарна расхладна средстава имају добро показана својства и обезбеђују поуздану тачку замрзавања и заштиту од корозије када се правилно користе и употребљавају. Правилно изабрана концентрација расхладног средства треба да обезбеди температуру мржњења далеко испод најниже очекиване температуре расхладног средства. Очекивана температура расхладног средства је одређена карактеристикама преноса топлоте уређаја за складиштење, брзине протицања, и капацитета хладњака.

Internal melt ice-on-coil (унутрашње топљење леда на цевној змији)

Код уређаја за складиштење топлоте технологијом ’’internal melt ice-on-coil’’, секундарни расхладни флуид или примарни расхладни флуид циркулише кроз цевнни размењивач топлоте који је потопљен у цилиндрични или правоугаони резервоар за воду. Промена фазе воде дешава се у резервоару. И пуњење (стварање леда), и

12


пражњење (отапање леда) се постиже циркулацијом секундарног флуида за пренос топлоте. Лед се формира на цевном размењивачу топлоте током пуњења, а топи од цевног размењивача током пражњења.

Уређаји за складиштење технологијом унутрашњег топљења леда могу бити остварени као комплетни, модуларни, као фабрички монтиране јединице, или могу се састојати од поља испуњених резервоара као монтажни измењивачи топлоте. Већина тренутних конструкција користи секундарни расхладни флуид (нпр. мешавина од 25% етилен гликола и 75%воде) као флуид за пренос топлоте.

Произвођачи уређаја за складиштење обично обезбеђују спецификацију радних услова, укључујући најмање просечне температуре и коначне температуре пуњења као функције брзине пуњења и протока. Просечна температура се користи за избор капацитета чилера и процену потрошње енергије. Најнижа очекивана температура је потребна да би се успоставила заштитна подешавања, поготово заштита за услове расхладне течности од појаве смрзавања, што је нарочито важно за центрифугалне чилере. Гликоли су тренутно најчешће корићени секундарни расхладни флуиди и типични у инжењерској пракси. Такође гликоли су компатибилни са већином материјала од којих се израђују размењивачи топлоте, али се не примењују када је површина са којом су у контакту од поцинкованог челика.

Цевни размењивачи топлоте су обично направљени од полиетилена или полипропилена, пластике или поцинкованог челика. Основни расхладни системи могу да користе бакар. Размењивач топлоте обично заузима око 10% од запремине резервоара. Размак између цеви је генерално мањи него код размењивача топлоте који се користе за спољашње отапање леда на цеви. Размак се смањује да би компензовали индиректну размену топлотне кроз зид размењивача и обезбедили постепени развој прстенова течности у режиму пражњења. Није потребно одржавати течни канал између појединачних цеви. Целокупна запремина воде између цеви размењивача топлоте је замрзнута. Око 9% од запремине резервоара, укључујући и размењивач топлоте, резервисано је за ширење воде приликом замрзавања. Површина размењивача топлоте обично се не пружа у област предвиђену за ширење воде током замрзавања. Ако је вода замрзнута у овој области резервоара, касније топљење може довести до тога да лед преостане у подручју ширења и формирање шупљине око површине размењивача топлоте која се налази испод тог подручија. Неки произвођачи обезбеђују средства да спрече ову могућност. Како је размењивачу топлоте онемогућено да плута, или предвиђено конструкцијом, или услед сопствене тежине, пораст нивоа воде је пропорционалан залихама леда. Сензор нивоа може да даје информације о залихама леда за аутоматско регулисање или системимаза управљање енергијом.

Неколико комбинација резервоара и размењивача топлоте су доступни за системе са секундарним расхладним флуидом. Цилиндрични резервоари од пластике пружају спој структуре, задржавања воде и заштиту од корозије. Овакви резервоари користите полиолефинске размењиваче топлоте, обично формиране у облику спирала да би се прилагодили облику резервоара. Челичне конструкције резервоара обично имају правоугаони попречни пресек. Овакав тип резервоара за држање воде може постићи

13


или помоћу металне или помоћу флексибилне облоге. Челични резервоари су често вруће цинковани ради заштите од корозије, а можу да користе размењиваче топлоте или од поцинкованог челика или полиолефина.

Опрезност је неопходна у дизајну спољне цеви јерчесто те цевиприпадају модуларним системима, понекад са великим бројеминдивидуалних резервоара или групе резервоара различитих карактеристика. Повратни цевовод се често користи да се уравнотежи балансирање.

Важна карактеристика конструкције са унутрашњим топљењем леда на цеви је веза између процеса пуњења и пражњења (Слика 5). За време пражњења, лед у контакту са размењивачам топлоте се први топи. Почетне брзине пражњења могу бити веома високе, а почетне расположиве температуре приближавају се температури промене фазе. Међутим, када се лед топи, прстенови воде развијају се између размењивача топлоте и површине леда. Ово доводи до променљивих перформанси конструкција са унутрашњим топљењем леда на цеви. Температура расхладног флуида при напуштању уређаја за складиштење зависи од протока, температуре снабдевања и залиха леда. Мешни или вентил за преусмеравање је често укључен у аутоматско регулисање протока кроз уређај за складиштење. Ови вентили контролишу и температуру флуида на излазу из уређаја за скалдиштење и брзину пражњења. Из разлога што проток кроз акумулатор може бити потпуно независан од протока кроз чилер, расхладно оптерећење може бити наметнуто преко компонената система у било којем жељеном односу, омогућавајући пројектанту да оптимизује пражњење складишта при оптерећењу објекта.

Када се систем са унутрашњим топљењем леда враћа у режим стварања леда (пуњења), лед се прво формира директно на површини размењивача топлоте и постепено акумулира. Акумулисање леда је могуће до тачке где се спаја са ледом преосталим из ранијих пуњења. Температуре охлађеног расхладног флуида су увек на својим најефикаснијим нивоима за сваки период производње леда а свако пуњење може се обавити до завршетка без лоших последица. Обично нема користи од ограничавања количине произведеног леда, тако да се складиште може потпуно напунити сваке ноћи. Пошто је температура унутар складишта увек око температуре промене фазе, у пасивном режиму губици су практично независни од залиха леда. Ово поједностављује логику контроле, повећава ефикасност, али и намеће обавезе предвиђања капацитета за следећи дан складиштења. Мањи размак између цеви који је потребан за добре перформансе пражњења омогућава одличан учинак стварања леда, јер топлотна проводљивост леда је око 3,5 пута већа од течне воде. Иако температуре расхладног флуида зависе од многих фактора, обично циклус пуњења почиње са температурама расхладног флуида од -3°C на уласку у складиште и температурама на излазу из њега од око 0°C. Током већег дела периода пуњења, температуре расхладног флуида су прилично стабилне и постепено се смањују али са просечном температуром снабдевања око -4°С. Како се приближава крај режима пуњења, температура се много брже смањује до минималне могуће температуре снабдевања од -5°C. Брже смањење температуре на крају циклуса пуњења је изазвано искоришћавањем латентне топлоте и мањим

14


специфичним топлотним капацитетом леда у односу на воду. У зависности од типа система, потпуно пуњење може да се наговестити помоћу величине залиха леда или коначне температуре флуида на излазу. Чилер за производњу леда или компресор су обично у потпуности оптерећени током периода стварања леда. Када је залиха леда потпуно обновљена, престаје рад чилера (који производи лед).

Спољашње топљење леда на цеви

Уређаји за акумулацију топлоте по принципу спољашњег топљења леда на цеви се такође састоје од цевног размењивача топлоте потопљеног у цилиндрични или правоугли резервоар воде. Међутим, код ових уређаја секундарни расхладни флуид циркулише кроз цеви размењивача топлоте само током пуњења. Лед се топи од споља као што је приказано на слици 6.

Код уобичајених уређаја за складиштење који раде по принципу спољашњег топљења леда, производнња леда се остварује циркулисањем хладне течности расхладног флуида кроз размењиваче топлоте. Иако се овај приступ још увек најчешће примењује у индустријским постројењима, већина система са спољашњим топљењам леда за HVAC системе тренутно користе мешавине воде и гликола као расхладни флуид који циркулишу кроз цеви размењивача топлоте. Вода која окружује размењивач топлоте је и материјал који мења фазу и флуид за пренос топлоте у режиму пражњења.

Током пуњења флуид за пренос топлоте се налази у посебном колу одвојеном од воде у резервоару за складиштење. Обично је размењивач топлоте постављен између два кола да би исти чилер обезбедио пуњење складишта и помогао непосредно задовољење расхладног оптерећења. Неке конструкције користе одвојене чилере, или два одвојена испаривача које опслужује један исти компресор, да испуне ове функције. Такође је могуће да се једноставно настави циркулисање флуида за пренос топлоте кроз размењивач топлоте да би се потпомогло директно хлађење, али овај приступ захтева да расхладна опрема континуирано ради на температурама испод температуре мржњења.

15


Појединачни размењивачи топлоте од поцинкованог челика или цевни регистри су састављени од низа одвојених цевних змија, и обично су смештени у фабрички монтираним бетонским резервоарима. Резервоари раде на атмосферском притиску, и могу бити потребне додатне мере да би се прилагодили системима под притиском или висинским разликама. Попречни пресек цеви размењивача топлоте може бити кружни или елиптични. На располагању је велики број различитих дужина, ширина и висина цевних регистара који одговарају димензијама резервоара, док поједностављивање веза међу цевним сноповима обезбеђујуће жељени проток и пад притиска, уз минималне трошкове испоруке.

Неки подстицаји су потребни да би подједнако унапредили стварање и топљење леда, али константно подстицање можда неће бити потребно током пуњења. Подстицаји се обично обезбеђују достављањем компримованог ваздуха кроз пластичне цеви испод сваког размењивача топлоте.

Дебљина прстена леда формираног на размењивачу топлоте може се кретати у широком опсегу, али обично коришћене препоручене вредности су у просеку око 36 mm. Правилна контрола изградње леда је нарочито важна за системе са спољашњим топљењем леда. Температуре производње леда се крећу у нижим вредностима јер су условњене прекомерном дебљином леда. Сваки нови лед мора да се формира на површини постојећег леда, па постоји корист за ограничавање дебљина на оно што је потребно за наредни период пражњења, док се још води рачуна о обезбеђивању адекватних залиха леда. Такође, мора се спречити стварање ледених мостова.

Проток воде мора бити очуван између суседних цевних змија на којима се ствара лед. Када је проток заустављен или ограничен, способност топљења леда може бити значајно ограничена. Одржавање залиха леда на минималним нивоима спречава стварање ледених мостова и унапређује ефикасност. Контролери дебљине леда који раде на принципу промене електричне проводности обично се користе за контролу производње леда, али на располагању су и друге врсте контролера. Произвођачи контролера дебљине леда одређују број контролера и места њиховог постављања. Константна вредност залиха леда може се добити применом претварача или мерних трака које мере масу леда и челичних цевних регистара. Такође, мерења су могућа уз помоћ сензора који мере различиту дебљину леда, или мерењем промене нивоа воде на рачун компримованог ваздуха уведеног у резервоар.

Пошто је резервоар на атмосферском притиску, понекад је потребно повезивање на дистрибутивну мрежу на вишем притиску. Најједноставније методе су постављање резервоара на вишем нивоу или додавање размењивача топлоте охлађене воде. Друге могућности су додавање вентила константног притиска на поврату резервоара или регенеративне турбо пумпе.

Већи размак између цевних змија је типичан за размењиваче топлоте који се примењују у системима са спољашњим топљењем леда. Овај већи размак доводи до нижих температура стварања леда него код система са унутрашњим топљењем леда. Међутим,

16


директна размена топлоте топљењем обезбеђује доследно ниске температуре расхлађене воде за око 1°С и високе брзине пражњења. Одвојени струјни кругови за чилер и складиште пружају флексибилност у додељивању расхладног оптерећења за сваки уређај у било ком жељеном односу.

Ледоспремачи (Ice Harvesters)

Ледоспремач заобилази проблеме у вези са превише течности који се јавља код система са ледом на цевима комбиновањем свих компоненти и прибора потребних за производњу леда у једном производу. Ледоспремач (видети слику 3.35), је инсталиран изнад отвореног резервоара који складишти комбинацију воде и листића леда.

За производњу леда, вода 0°C се извлачи из резервоара и доставља ледоспремачу помоћу рециркулационе пумпе при протоку од 1,75 до 2.75 m3/h по тони капацитета производње леда. Унутар ледоспремача, рециркулисана вода утиче у посуду за одвод постављену изнад низа хлађених плоча. Свака од ових плоча је изграђена од два лима од нерђајућег челика заварених заједно по њиховом обиму. Расхладни систем који је саставни део ледоспремача одржава плоче на температури од -9.5 до-6.5°C.

Када вода напути посуду за одвод, она слободно тече преко обе стране хлађених плоча, где се замрзне до дебљине од 0,3 до 1,0 cm. При достизању задате дебљине, лед се уклања са плоча помоћу циклуса одмрзавања топлим гасом (hot-gas defrost cycle) и пада у резервоар испод.

Када се јави потреба за хлађењем, пумпа за транспорт (transfer pump) ледене воде из резервоара извачи воду и доставља је до размењивача топлоте који је у контакту са хлађеним објектом. Подизањем уисне температуре расхладног система и довођењем загрејане воде из размењивача топлоте који је у контакту са хлађеним објектом преко хлађених плоча , могуће је користити ледоспремач као чилер за хлађење воде. Рад на вишој усисној температури повећава ефикасност ледоспремача. Нажалост, ледоспремач не може да произведе хладну воду без топљења леда ускладиштеног у резервоару.

17


Ова неспособност да функционише као прави чилер за хлађење воде у системима охлађене воде, представља значајно снижење ефикасности системима складиштења леда са ледоспремачима. Да би се решила ова неефикасност, ледоспремач се најчешће користе у тандему са конвенционалним чилером за хлађење воде. Системи прикупљања леда раздвајају формирање леда од његовог складиштења. Лед се обично формирана са обе стране шупље равне плоче, или споља или унутар (или обоје) цилиндричне површине испаривача.

Испаривачи су распоређени у вертикалне блокове који се налазе изнад резервоара. Лед се формирана до дебљине између 0,5 и 1 cm. Овај лед се тада прикупља, често увођењем вреле паре расхладног флуида у испаривач. Врела пара расхладног флуида загрева испаривач, што раскида(прекида) везу између леда и површине испаривача и омогућава леду да пада у резервоар за складиштење(који је смештен испод). Друге врсте ледоспремача (ice harvesters) механички одвајају лед са површине испаривача.

Лед се генерише циркулисањем воде 0°C из резервоара преко испаривача током циклуса изградње леда који траје од 600 до 1800 секунди. Време одмрзавања је функција количине енергије потребне за загревање систем и енергије потребне за раскидање везе између леда и површине испаривача. У зависности од метода контроле, конфигурација испаривача, и услова испоруке компресора, одмрзавање се обично може постићи за 20 до 90 секунди. Обично су испаривачи груписани у секције које се појединачно одмрзавају, тако да одбачена топлота из активних секција обезбеђује енергију за одмрзавање.

Код апликација код којих је потребно изравнавање оптерећења, генерисање леда и пуњење резервоара за складиштење врши се када нема расхладног оптерећења објекта. Када је присутно расхладно оптерећење објекта, тада повратак охлађене воде тече директно преко површине испаривача и генератор леда тада функционише или као чилер, или и као генератор леда и као чилера. Расхладни капацитет чилера је функција брзине воде дуж површине испаривача и температуре воде на улазу. Циклус одмрзавања мора бити покретан сваком тренутка када се температура излазне воде из разликује само за неколико степени од температуре мржњења. У току рада чилера, максимални учинак се добија са минималним протоком воде у систему и са највишим температурама воде на улазу. Код инсталација код којих се оптерећење пребацује у период јефтиније електричне енергије, компресори су угашени током периода када се јавља вршно оптерећење, а ледена вода из резервоара циркулише до размењивача топлоте који је у контакту са оптерећењем објекта.

Компресори са запреминским дејством се обично користе са ледоспремачима. Температура засићене паре расхладног флуида на усису компресора се обично креће у границама имеђ -7.5 и -5.5°C. Температуру кондензације треба одржавати што је могуће мањом ради смањења потрошње електричне енергије. Минимална дозвољена температури кондензације зависи од примењеног типа расхладног система и карактеристика одмрзавања система. Поједини системи са евапоративним кондензаторима су радили са специфичним утрошком рада компресора (степен

18


корисности, compressor-specific power consumption) од 0,9 до 1,0 kW/тони. Системи производње леда могу врло брзо отопити ускладиштен лед. Појединачни комади леда обично су мањи од 15,5 × 15,5 × 0,65 cm.Када се правилно влажи, лед који се изгради у току 24 h може се истопити за мање од 30 минута у случају хитне потребе за хлађењем.

Током режима производње леда, систем се покреће ако је лед испод минималног нивоа. Парцијални системи складиштења се покрећу само када је улазна вода на или изнад температуре које ће омогућити хлађење током режима пражњења, иначе, систем не ради, а резервора за лед се празни током ударног (peak) периода да задовољи оптерећење. Сензор нивоа висине леда може бити механички, оптички, или електронски. Термостат за мерење температура лазне воде је обично електронски.

Како лед слободно плута у резервоару, ниво воде остаје скоро константан, тако да залиха леда не може да се одреди мерењем нивоа воде.

Конструкција резервоара је важна за функционисање система. Количина ускладиштеног леда у резервоар зависи од облика резервоара, позиције улаза леда у резервоар, угла мировања леда (која је обично између 15 и 30°, у зависности од облика фрагмената леда), и нива воде у резервоару. Ако је ниво воде висок, јављају се празнине испод површине воде због потиска леда. Установљено је да ледено-водене каше имају порозност 0,50 и типичне специфичне запреминаме складиштења од 0.08 m3

по тона - час.

Анализа трошкова система са прикупљањем леда указује на пораст цене и резервоара и ледоспремача, када се повећава количина ускладиштеног леда (видети слику 3.36). С обзиром на њихову високу цену ( долара по тони), системи прикупљања леда се обично користе да обезбеде додатни капацитет у реконструисаним апликацијама, или у великим инсталацијама.

19


Ледена каша

Ледена каша је суспензија ледених кристала у течности. Ледена каша има предност што је одвојена производња леда од његовог складиштења и то без велике сложености процеса и губитака ефикасности који постоје код система производње леда (ice-harvester) због процеса одмрзавања. Ледена каша такође нуди могућност повећања густине складишне енергије, зато што каша циркулише (тече) сама од себе, и то је предност у односу на случај када циркулише само секундарни флуид. Међутим, обично се користи размењивач топлоте за раздвајањ етока флуида кроз акумулатор од тока расхладног флуида који преузима топлотно оптерећење. Као и код производње леда (ice-harvester), ледена каша има веома велику брзину пражњења и обезбеђује течност која је врло блиска температури промене фазе (што се веома често захтева).

У принципу, течно стање радног флуида (ледена каша) састоји се од растварача (вода) и супстанце која се раствара као што је гликол, натријум-хлорид, или калцијум-карбонат.У зависности од специфичне технологије којом се производи ледена каша, концентрација супстанце која се раствара варира од 2% до преко 10%, помаси. Супстанца која се раствара смањује тачку мржњења воде и успорава производњу ледених кристала. Стварање ледене каше почиње снижавањем температуре радног флуида на његову тачку мржњења. Након даљег хлађења, вода почиње да се замрзава у раствору. Како замрзавање напредује, повећава се концентрација супстанце која се раствара и тачка мржњења на којој се стварају кристали леда опада. Лед/вода каше

имају порозност од 0,5 и густину складиштења енергије од око .

Један од примењиваних раствора је са 7% пропилен-гликола и 93% воде. Такав раствор омогућава температуру мржњења од око -2˚С. Коначна тачка смрзавања од -4˚С показује да је постигнуто потпуно пуњење и да је око 50% запремине замрзнуто.

Ледена каша има већу апсорпцију топлоте у поређењу са једнофазним расхладним средствима као што је расолина, јер латентна топлота (топлота промене фазе) од леда се такође користи.

Мале честице леда омогућују већу површину за размену топлоте у односу на веће ледене комаде за исту масу. Ледена каша се може лако паковати и транспортовати у

кутијама, и има густину око , што је највећа густина паковања леда у свим

употребама у индустрији.

Ледени кристали сферног облика имају добре проточне карактеристике, па се лако дистрибуирају путем конвенционалних пумпи и цевовода. Ледени кристали продиру у пукотине производа који се хлади и обезбеђује се већа контактна површина и брже хлађење од других традиционалних облика леда (пахуљица, блок, шкољка, итд).

Његова својства протока, расхладни капацитет и висока флексибилност у примени омогућава да ледена каша постане замена за конвенционалне системе, и нуди

20


побољшања у ефикасности: енергетска ефикасност од 70%, у поређењу са око 45% у стандардним системима, мања потрошња фреона по тони леда и нижи трошкови.

Ледена каша се најчешће користи у широком спектру климатизације, паковања и у процесима индустријског хлађења, супермаркетима, и хлађењу и складиштењу рибе, живине и осталих кварљивих производа који морају бити брзо охлађени.

Предности ледене каше

1. Производ се хлади брже - глатки округли облик малих кристала леда обезбеђује максималну површину контакта са производом и као резултат тога, бржи пренос топлоте.

2. Боља заштита производа - глатки округли кристали не штете производ, за разлику од других облика оштрог, назубљеног леда (пахуљица, блок, шкољке, итд).

3. Равномерно хлађење - за разлику од других неодговарајућих облика леда који углавном проводи топлоту кроз ваздух, округли облик малих ледених кристала омогућава им да слободно теку око целог производа, попуњавање свих ваздушних џепова да би се равномерно одржавао директан контакт и жељене ниске температуре.

Остали фазно-променљиви материјали

Вода сада доминира на тржишту као радни медијум у акумулаторима топлоте за HVAC системе, али индустријски или комерцијални процеси понекад захтевају постизање ниских температура које није могуће постићи помоћу обичне воде. Значајан напор је уложен у развој материјала који би се замрзнули изнад 0°С и још увек пружали одговарајуће температуре у режиму пражњења. Тренутно постоје некомерцијални системи који користе ове материјале. Фазно-променљиви материјали са температурама топљења изнад 0°С су обично неорганске хидриране соли које имају ограничене вредности латентне топлоте.

Материјали са температурама топљења испод 0°С су више практични за развој и примену. То су обично еутектичке соли и обично захтевају ниже проценте сувих компоненти од материјала са температурама топљења изнад 0°С. Геометрија акумулатора, или нека хемијска или механичка средства, спречавају евентуално раслојавање компоненти. Пошто ови материјали имају састојке соли, они су више корозивни него обична вода и они су тренутно доступни само у комбинацији са

21


пластичним измењивачима топлоте код којих се лед топи око цеви. Латентни топлотни капацитети ових материјала су обично близу запреминских топлотних капацитета расположивих и код обичне воде. Подхлађивање је често повезано са еутектичким солима и одговарајућим нуклеарним агенсима који се често додају радним медијумима.

Нажалост, акумулација топлоте на температурама потхлађивања не може се постићи додавањем води замрзнутих супстанци, као што је етилен-гликол. Осим ако се адитив налази у еутектичкој концентрацији, тада се постиже почетна тачка мржњења, са температуром која постепено опада како процес замрзавања одмиче. У већини случајева, губици у запреминском топлотном капацитету (за користан опсег температура акумулације и пражњења) чине ово решење непрактичним.

Акумулација топлоте у маси зграде

Могућности акумулатора топлоте смештених у маси структуре зграде могу имати значајан ефекат на температуре у простору као и на перформансе и рад HVAC система. Ефикасно коришћење масе зграде за акумулацију топлоте смањује потрошњу енергије у тој згради, а такође смањује и одлаже екстремне вредности у топлотним/расхладним оптерећењима. У неким случајевима, побољшава комфор у објекту. Најпознатија употреба масе зграде је у виду штедње енергије саме зграде која се изводи пасивним соларним панелима.

Енергија потребна за хлађење може да се смањи тако што би се структура зграде претходно охладила током ноћи помоћу вентилације. Постоје чак и претпоставке да би на такав начин могао да се потпуно избегне систем за климатизацију, наравно под условом да се горе поменути систем акумулације и пражњења топлоте правилно изведе. Акумулација топлоте за хлађење током потребног периода може захтевати више коришћење енергије; међутим, смањење трошкова електричне енергије током акумулације може дати ниже укупне трошкове енергије. Штавише, инсталирани капацитет климатизационог система може такође бити смањен, обезбеђујући ниже трошкове инсталације. Истраживања су показала да постоји изванредна прилика за смањење потрошње енергије у периодима вршних оптерећења и потенцијал уштеде је веома осетљив на степен корисности, карактеристике система и зграде, временске услове, итд.

Потенцијална уштеда енергије од превременог хлађења зависи од начина на који се пуни и празни акумулатор топлоте односно маса зграде у овом случају. Истраживања су показала да су трошкови енергије смањени за 10 до 50%, само тако што је маса објекта претходно хлађена.

Постоје прорачуни који оцењују комбиновану употребу два различита система акумулације топлоте. Први је са акумулацијом топлоте у маси зграде (пасивна акумулација топлоте), а други систем акумулације топлоте са ледом или расхлађеном водом (активна акумулација топлоте). Прорачуни подразумевају стратегију управљања системом тако да пребаце вршно оптерећење за хлађење зграде на период са смањеним оптерећењем. Употреба масе зграде за акумулацију топлоте се може сматрати споредном, то јест може а и не мора се расхладно постројење пројектовати са тиме.

22


Ефикасна употреба масе зграде за акумулацију топлотне енергије зависи од фактора као што су:

1. Физичке карактеристике структуре зграде2. Динамичка природа топлотних оптерећења3. Спреге између масе зграде и зона ваздуха4. Начина пуњења и пражњења акумулисане топлоте

Неке зграде, као што су зграде са скелетом без масе која би имала потенцијал за акумулацију, су неприкладне за овај тип акумулације топлоте. Многе друге физичке карактеристике зграде или појединих зона, као што су подови, пуни плафони, унутрашњи преградни зидови и намештај, утичу на количину акумулисане топлоте.

Споредни ефекти који се јављају са акумулацијом топлоте у маси зграде

Већа количина топлотне енергије је потребна да би просторију у масивнијој згради довели на услове угодности него за исту просторију у згради мање масе. Дакле, систем мора или да започне климатизацију простора раније или да ради са већим капацитетом. Током радног периода, масивна зграда захтева мањи капацитет инсталације, јер већи део топлотних добитака или губитака апсорбује маса зграде.

Предност ових ефеката се може искористити ако је доступна јефтина електрична енергија током ноћи и климатизациони систем може радити током овог периода да превремено охлади масу зграде. Ово може смањити и потрошњу електричне енергије у периодима вршних оптерећења и укупну енергију потребну током текућег дана, али то не може увек бити енергетски ефикасно.

Жељени ефекти који се јављају са акумулацијом топлоте у маси зграде

Да би најбоље искористили масу зграде за акумулацију топлоте, зграда би требало да буде пројектована на следећи начин. Жељена употреба масе зграде може бити пасивна или активна. Пасивно соларно грејање је уобичајен начин на који се користи маса зграде да обезбеди топлоту у периодима без сунца. Пасивно хлађење примењује исте принципе да ограничи пораст температуре током дана. У неким климатским зонама, простор може бити природно проветраван преко ноћи да се уклони вишак топлоте из масе зграде. Ова техника функционише добро у подручјима умерених клима са великим дневним колебањима температура и ниских релативних влажности, али је ограничена недостатком контроле над брзином хлађења.

23


Активни системи превазилазе неке од недостатака пасивних система помоћу механичке снаге да подпомогну хлађење или грејање зграде и одговарајуће контроле која ће да ограничи капацитет током периода ослобађања или пражњења акумулисане топлоте.

Пуњење и пражњење акумулатора топлоте

Маса зграде се може пунити посредно или непосредно. Индиректно пуњење се обично постиже грејањем или хлађењем граничних простора или суседних празнина. Скоро сви пасивни и неки активни акумулатори топлоте за хлађење простора се пуне преко ноћи. Већина индиректних активних система се пуне вентилацијом ваздуха кроз празнине испод подигнутог пода. Код међуспратне конструкције, хлађење се може извести зрачењем одоздо, док се одозго топлота преноси конвекцијом. Регулацијом вентилације кроз шупљине пода, брзина пражњења акумулатора (пода) може да се контролише. Језгро конструкције панела је обично пуног попречног пресека, али када се користи за акумулацију топлоте, панели су шупљег пресека да би се обезбедио потребан проток ваздуха. Пуњење се врши тако што циркулише хладан или топао ваздух кроз шупљу конструкцију и доводи се у просторију. Ваздух се може преко управљачке јединице преусмерити кроз шупљине панела или директно у просторију.

Директно пуњена плоча, користи се најчешће за грејање и повремено за хлађење, може бити конструисана са уграђеним цевима. Температура плоче варира само 2 до 3К од средње температуре плоче. Сходно томе, могу се користити нпр. ниско-температурски режими за грејање (око 28°С).У расхладним системима плоча се користи као хладан зрачећи плафон, а за грејање обично као загрејан под. Мали степен контроле је неопходан због мале температурске разлике и високог топлотног капацитета плоче.

Количина топлоте акумулисане у плочи једнака је производу масе, специфичне топлоте, и порасту температуре. Количина топлоте доступна просторији зависи од брзине којом топлота може бити пренета између плоче и просторије. Комбинованикоефицијент преноса топлоте, који обухвата и зрачење и конвекцију је генерално прилично низак; на пример, типична вредност за површине пода је

.

Разматрања о пројекту

Многи фактори се морају узети у обзир када је извор енергије променљив у времену. Минимална температура се јавља само пред свитање, које може бити на крају периода минималног оптерећења (off-peak), а оптимални период пуњења може почети током радног дана. Започињање пуњења раније може бити јефтиније али такође може бити и енергетски неефикасно. Поред тога, енергија ускладиштена у маси зграде није потпуно изолована, па се неки део енергије изгуби током пуњења, а количина доступне слободне („бесплатне“) енергије (хладнији спољни ваздух када је он доступан) варира и мора бити у равнотежи са енергијом утрошеном на механичку снагу која се троши за погон постројења. Као резултат тога, постоји компромис који варира са временом између количине слободне енергије која може да се складишти и снаге неопходне за пуњење.

24


Капацитет хлађења је, у ствари, уграђен у маси зграде; стога конвенционалне технике које раде на принципу процене вршног оптерећења (peak load) се не могу користити.

Овај ниво анализе може бити ефикасно обављен само користећи динамички симулациони програм. Искуство је показало да се ови програми могу користити са степеном резерве, а резултати би требало да буду размотрени уз одређен ниво искуства и интуиције!

Фактори који оправдавају коришћење акумулатора топлоте

Акумулација топлоте је посебно атрактивна у ситуацијама где је присутан један или више наведених услова:

Када су потребна нова улагања у чилер

Кључни фактор који фаворизује акумулацију топлоте је када власник мора да инвестира у конвенционални систем (нови или проширење постојећег) ако се не користи акумулација топлоте. Ово се обично јавља током новопројектовања, проширења објекта, повећања и рехабилитације расхладног постројења.

Системи акумулације топлоте обично захтевају мању опрему него системи без акумулације. Системи дистрибуције ваздуха и воде могу такође бити мањи, и мрежа електричне инсталације може бити знатно мања. У многим ситуацијама, смањена цена ове опреме може делимично или потпуно, неутрализовати трошкове опреме система за акумулацију. За постојеће постројење које треба да се прошири, нова оптерећења могу често бити прихваћена акумулаторима топлоте по нижој цени него додавањем нових чилера, пумпи, расхладних кула, и проширењем машинских сала.

Када је вршно оптерећење веће од средњег оптерећења

Пошто су системи акумулације топлоте углавном димензионисани за просечно очекивано оптерећење, они могу да обезбеде значајна смањења величине опреме и уштеде енергије у областима примене са високим вршним оптерећењима (peak-loads). Зграде попут цркви, спортских објеката, конгресних центара, и неких индустријских постројења могу остварити одређене погодности. Поред тога, већина комерцијалних и образовних установа имају профиле топлотних оптерећења погодне за примену акумулатора топлоте.

Када је пожељна дистрибуција хладног ваздуха

Дистрибуција хладног ваздуха, са температурама снадбеваног ваздуха испод традиционалних 13°С, омогућава коришћење мањих вентилатора и вентилационих канала, а систем може одржавати нижи ниво влажности ваздуха. Акумулација топлоте и дистрибуција хладног ваздуха могу се користити тамо где је ограничен простор за вентилаторе и канале, а захтева се повећање капацитета постојећих вентилатора и канала, или захтева нижа релативна влажност.

Када је потребан захват воде у случају пожара

25


Акумулатор топлоте са расхлађеном водом се може конфигурисати да обезбеди снабдевање водом у случају пожара по много нижој цени него у случају инсталирања одвојеног система који би имао функцију гашења пожара.

Када је потребно испунити еколошке услове

Акумулатори топлоте могу да пруже еколошке користи које се односе на уштеду енергије, мање количине примарног расхладног флуида, и побољшану ефикасност извора енергије.

Акумулатори топлоте могу да функционишу са мањом потрошњом енергије него упоредиви системи без акумулације због неколико разлога. Акумулатори топлоте за хлађење олакшавају рад чилерима током ноћног рада због мањих температура кондензације ноћу. Акумулатори топлоте обезбеђују прилику расхладном постројењу да ради са максималним степеном искоришћења током 100% свог радног периода. Јер опрема у системима без акумулације топлоте мора да прати профил топлотног оптерећења зграде, док је већина његовог рада у условима номиналног оптерећења, који је за већину система, много мање ефикасан. Акумулатор топлоте такође омогућава практичну примену других напредних технологија, као што су расподела хладног ваздуха и рекуперација топлоте током ноћи.

Већина система за акумулацију топлоте, смањује величину потребне расхладне опреме. Смањена величина расхладне опреме значи мање коришћеног расхладног флуида и мању вероватноћу за проблемима изазваних цурењем у животну средину.

Поред потенцијалне уштеде енергије у изградњи, системи акумулације топлоте могу да смање потрошњу електричне енергије током рада. Обично је електрана која покрива базно оптерећење ефикаснија и мање загађује околину од електрана које се покрећу у периодима веће потражње електричне енергије. Губици у преносу и дистрибуцији су такође нижи када су мреже за снабдевање мање оптерећене и спољне температуре ниже. Зато системи за акумулацију топлоте теже да помере периоде повишене потрошње електричне енергије у мање оптерећене периоде. Поред тога, смањењем потрошње енергије у периоду вршног оптерећења, акумулатори топлоте спречавају или одлажу потребу за изградњом додатних енергетских постројења и дистрибуционе опреме.

Акумулатори топлоте такође имају корисне ефекте на комбиновану производњу топлотне и електричне енергије тако што чине да се слажу електрична и топлотна оптерећења.

Акумулатор топлоте је добар начин за зграду да смањи трошкове енергије и коришћен је у многим објектима.

Фактори који не оправдавају коришћење акумулатора топлоте

Акумулатор топлоте се тешко може економски оправдати ако:

Је профил топлотног оптерећења раван, са врло малом разликом између вршних и просечних оптерећења

Се цена утрошене електричне енергије не разликује ноћу у односу на дан Нема довољно простора за уградњу акумулатора

26


Треба имати на уму да чак и када је један или више од ових услова испуњен, акумулатор топлоте и даље може бити примењен због фактора који га оправдавају. Поред тога, акумулатор топлоте треба интегрисати у почетни пројекат расхладног система зато да се постигне највећа економска корист за власника.

Област примене

Неки системи нису погодни за примену акумулатора топлоте. Нарочито погодни за примену акумулације топлоте су спортски објекти, конгресни центри, цркве, аеродроми, школе, универзитети, војне базе и пословне зграде, јер у таквим објектима широко варирају топлотна оптерећења. Просечна топлотна оптерећења за потребе хлађења за ове објекте су много нижа од вршног оптерећења. Поред тога, користећи високу температурску разлику између расхлађене воде у осетном акумулатору топлоте и ваздуха којим се климатизује простор могу се значајно смањити трошкови изградње и смањити рачуни за потрошњу енергије.

Здравствене установе, центри за складиштење електронских података, и хотели имају топлотна оптерећења са само мало варијација између дана и ноћи, такви објекти такође могу бити погодни за примену акумулатора топлоте. Нормално, акумулатор топлоте треба бити димензионисан да регулише варијације оптерећења, а не целокупно оптерећење. Акумулатор топлоте може да обезбеди стабилну температуру напајања када су присутне брзе промене у раду. Високе температурске разлике између расхлађене воде и дистрибуираног ваздуха могу значајно смањити трошкове изградње, а мањи захтеви за потражњом електричне енергије могу такође смањити капацитет помоћних агрегата који напајају систем у случају неког квара.

Системи даљинског хлађења

Системи даљинског хлађења имају користи од акумулације топлоте на неколико начина. Трошкови разводног система код даљинског хлађења узимају велики проценат од укупних трошкова система даљинског хлађења. Као резултат тога, када се користе погодности акумулатора топлоте као што су веће температурске разлике, трошкови животног циклуса система могу бити смањени коришћењем мањих цеви, вентила, пумпи, измењивача топлоте, мотора, стартера, итд. Трошкови енергије потребне за развод расхлађене воде су тиме смањени. Акумулатор топлоте може да обезбеди стабилну температуру напајања када дође до брзе промене у оптерећењу. Нижа потражња електричне енергије може опет да смањи капацитет помоћних агрегата који напајају систем у случају неког квара.

Поред тога, акумулатор топлоте може се користити за повећање доступног расхладног капацитета постојећег разводног система расхлађене воде тако што ће обезбедити воду ниже разводне температуре. Ова модификација има мало утицаја на сам систем развода (тј. пумпе и цевоводи) током вршног оптерећења, јер се постојећи протоци и падови притиска у систему не мењају. Током хлађења у периодима нормалног оптерећења (off-peak), може се значајно смањити енергија за погон циркулационих пумпи, јер проток може да се смањи пропорционално смањењу оптерећења.

Већина резервоара за акумулацију топлоте су отворени, па треба обратити пажњу на хидрауличку инсталацију приликом повезивања неколико постројења на заједничку разводну мрежу где ниво воде у резервоару варира.

27


Индустријско хлађење

Индустријско хлађење и процесно хлађење обично захтевају ниже температуре него што су температуре у климатизацији. У процесима као што су хлађење поврћа, млека, хлађење у кланицама, одвлаживање магацина може се користити хладна вода из система за акумулацију леда. Ниже температуре за замрзавање хране, чување замрзнуте хране, и тако даље могу се добити помоћу ниско-температурских осетних акумулатора топлоте, и ниско-температурских фазно-променљивих материјала тако што ће се акумулатор пунити и празнити помоћу секундарног расхладног флуида, или некондензибилних фазно-променљивих материјала, као што је СО2.

Неке од предности акумулатора топлоте за хлађење могу бити посебно важне за индустријско хлађење и процесно хлађење. Акумулатор топлоте за хлађење може да обезбеди стабилну температуру напајања без обзира на велике и брзе промене у топлотном оптерећењу или температури у поврату. Елементи опреме за пуњење и пражњење (нпр. пумпе) могу бити постављени на одвојене електро мреже да би обезбедили хлађење током нестанка струје или да се искористе јефтине ниже тарифе у цени електричне енергије. Резервоари акумулатора могу бити предимензионисани да обезбеде воду за непредвиђено хлађење или гашење пожара. Расхладни капацитет се може обезбедити веома брзо из акумулатора да би прихватио веома велико оптерећење и онда се акумулатор може пунити полако, користећи мали систем пуњења. Пројектовање система може бити лакше када се профил топлотног оптерећења одређује на бази тачног познавања топлотног капацитета него на основу спољних температура.

Хлађење ваздуха на усису гасне турбине

Акумулатор топлоте за хлађење може да повећа капацитет и ефикасност гасних турбина предхлађивањем усисног ваздуха. Гасне турбине обично производе пуну номиналну излазну снагу на температурама усисног ваздуха од 15°С, и изнад декларисане излазне снаге са температурама усисног ваздуха испод 15°С. На вишим температурама улазног ваздуха, густина и тиме масени проток ваздуха се смањује, смањује се ефикасност и снага добијена на вратилу. Капацитет и степен искоришћења може бити повећан предхлађивањем усисног ваздуха за сагоревање са расхлађеном водом преко чилера или директним контактним хлађењем. Оптимална температура ваздуха на усису је обично у опсегу од 5 до 10°С, у зависности од модела турбине.

На 38°С током летњег дана, гасна турбина која покреће генератор може да изгуби до 25% своје номиналне излазне снаге. Овај пад производње струје генератора јавља се обично у незгодно време, када електропривреда или индустрија има највише потребе за додатном електричном енергијом. Овај губитак снаге може се повратити уколико се усисни ваздух у турбину вештачки хлади. Акумулатори топлоте за хлађњење који користе хладну воду или лед су погодни за примену у тој области јер топлота за хлађење се генерише и складишти током периода ван-вршних оптерећења (off-peak), када је потражња за електричном енергијом генератора нижа, и максималан нето пораст капацитета генератора добија се искључивањем компресора расхладне инсталације током периода максималне потражње електричне енергије, пружајући додатни капацитет генератору у време када је најпотребније. Нека количина паразитске снаге је потребна за рад пумпе за воду да би могла да се користи акумулирана топлота.

Иако се тренутно хлађење такође може користити за предхлађивање усисног ваздуха, такво расхладно постројење често користи 25 до 50% од излазне снаге турбине. Посебно се опорезују, јер се максимална потреба за хлађењем јавља у време највиших

28


трошкова за енергију а учинак компресора је најнижи, због више температуре околине. Систем за акумулацију топлоте за хлађење може да задовољи све или део услова оптерећења прехлађиваног усисног ваздуха. Евапоративни хладњаци су такође једноставна и утврђена технологија за прехлађивање усисног ваздуха, али они не могу да испоруче ниске температуре ваздуха доступне из расхладних система.

Хитно хлађење

Системи акумулације топлоте могу бити коришћени за хитно хлађење током непланираног застоја у чилерима који опслужују критичне операције као што су центри за обраду података. Такве операције не могу толерисати ни кратке прекиде у хлађењу. Ако један од таквих чилера неочекивано престане са радом, потребно је најмање 20 минута да се поново покрене, а за то време је потребна нека врста резервног хлађења. Обезбеђивање хлађења у случају опасности са акумулаторима топлоте је обично економичније него да се инсталирају сувишни климатизациони системи.

Димензионисање система акумулације топлоте

Први корак у димензионисању система акумулације топлоте је да се утврди топлотно оптерећење које треба да прихвати систем акумулације. Правилно димензионисање захтева израчунавање профила топлотног оптерећења и одређивање потребних чилера и капацитета складишника који треба да прихвати топлотно оптерећење.

Стратегије за димензионисање

Системи акумулације топлоте могу бити димензионисани за потпуну или делимичну акумулацију потребне топлоте за пројектни дан. Парцијални систем акумулације прихвата део вршног топлотног оптерећења за пројектни дан из акумулатора и део топлотног оптерећења које генерише сама расхладна опрема. „Равнање“ профила оптерећења је приступ пројектовању такав да смањи величину и капацитет опреме акумулатора. Систем функционише са расхладном опремом која ради на пуном капацитету током 24 часа да би систем могао да прихвати топлотно оптерећење. Када је оптерећење мање од расхладног учинка, вишак топлоте за хлађење се складишти. Када оптерећење превазилази расхладни учинак, додатни капацитет се преузима из акумулатора.

Прорачун профила оптерећења

Тачан прорачун профила оптерећења је веома важан за правилан рад конструкције система за складиштење топлоте из неколико наведених разлога:

1.Да би се утврдила потребна количина складишног капацитета мора бити познато укупно интегрисано расхладно оптерећење

2.Да би обезбедили да је складишни капацитет доступан у тренутку када је потребан мора бити познато време трајања оптерећења

3.Да би били сигурни да добављачи акумулатора топлоте обезбеђују опрему са одговарајућим карактеристикама,профил оптерећења мора бити наведен

29


Потребно је познавање расхладног оптерећења за сваки сат складишног циклуса,а то за већину система износи 24h дневно.Системи за сладиштење топлоте засновани на погрешном прорачуну оптерећења могу бити премали и испод могућности да испуне пуно оптерећење,или могу бити превелики,непотребно скупи и неефикасни.Међутим у неким случајевима инжењери могу намерно да повећају капацитет уколико би у наредном периоду имали извесно повећање оптерећења.

Облик профила оптерећења такође утиче на карактеристике перформанси система за складиштење. На пример, многи акумулатори топлоте различито реагују при константном оптерећењу него при оптерећењу које расте до максимума а затим се смањује до нижих вредности.Због тога је веома важно да се прецизно прорачуна оптерећење за сваки сат циклуса складиштења и пражњења односно омогући пројектовање одговарајућег укупног опетерећења.

Прорачун оптерећења система за складиштење је сличан као код система код којих немамо складиштење, осим што сви топлотни добици у току дана морају бити узети у обзир.

Температуру треба изабрати пажљиво на основу дозвољеног броја сати у којима оптерећење може превазићи капацитет система. Перформансе система су зависне од временских услова у току неког периода исто као и од масксималних дневних услова.

Потребно је установити прецизан распоред осветљења и опреме која се користи. На пример, ако опрема као сто су рачунари раде константно, топлотни добици у току периода када не раде се значајно разликују.

Такође треба узети у обзир и све изворе топлоте који се јављају.Скоро сви електрични прикључци као и спољашњи топлотни добици услед провођења и сунчевог зрачења могу евентуално постати оптерећење за складишни систем. Постоје детаљни спискови топлотних извора који значајно утичу на профил оптерећења.

Треба такође водити рачуна и о оптерећењима која се акумулирају кад систем није у функцији односно када је искључен и која се појављују у првим минутима или сатима при поновном покретању система.

Што се тиче релативне влажности,за њену вредност узимамо очекивану вредност у објектима,како бисмо одредили латентне топлотне добитке од инфилтрације,посебно у случајевима када температура ваздуха који убацујемо треба да буде смањена.

Постоје два типа услова дана за које конструишемо акумулаторе топлоте: дан са максималним једночасовним расхладним оптерећењем у току године и дан са максималним укупним оптерећењем током периода од 24 h. У неким објектима ова два максимума се неће поклопити истог дана.Системи морају бити димензионисани да обезбеде довољно расхладног капацитета у току дана са највишим интегрисаним расхладним оптерећењем као и за дан са највишим оптерећењем по сату.

30


Прорачуната оптерећења објеката не представљају оптерећења хлађене воде централног постројења.Да би се добио профил оптерећења овог расхладног постројења,пројектант мора размотрити рад система за дистрибуцију ваздуха и воде.

Ова анализа треба да обухвата:

•Контролни прорачуни за размењиваче топлоте расхлађене воде и температуре у простору морају да обухвате прорачун за пројектене услове и опсеге варирања од њих.

• Топлотне добитке од вентилатора и канала

• Топлотне добитке од пумпи и цевовода

• Топлотне добитке који до система за складиштење доспевају од спољашњости провођењем кроз резервоар

Када акумулатори топлоте траба да буду инсталирани на постојећем објекту,пожељно је да се одређивање оптерећења врши директним мерењем. Подаци о оптерећењу могу се узети на основу аутоматизације система објекта или мерењем са лица места у току периода када владају временски услови за које је конструисан систем. Ова мерења треба да буду контролисана поређењем са инструментима проверене тачности, прорачуном биланса енергије, или неком спољашњом контролом. Ако оптерећење на постојећем систему превазилази капацитет постојеће опреме, измерена оптерећења ће бити ограничена капацитетом опреме и неће се одражавати на стварна оптерећења.

Димензионисање опреме

Постоје формуле помоћу којих се једноставно одређује расхладни капацитет и капацитет складиштења који су неопходни да испуне дати профил оптерећења. Међутим, тачна процена расхладног учинка и складиштења при одговарајућим условима за сваки сат циклуса хлађења је неопходан за правилно димензионисање опреме.

За разлику од већине расхладне опреме и опреме за климатизацију, акумулатори топлоте немају непрекидно, стационарно стање рада при коме карактеристике опреме могу бити узете у обзир коришћењем стандардних параметара. Капацитет складиштења акумулатора топлоте који можемо да искористимо може значајно да варира у зависности од примене.

Употребљив капацитет зависи од захтева профила оптерећења и температуре које опрема акумулатора топлоте мора да испуни. Тај капацитет је обично мањи од номиналног капацитета. Пројектант мора спросвести анализу засновану на мерењу по сваком сату да би утврдио номинални складишни капацитет и капацитет пражњења који испуњавају захтевани профил оптерећења. Таква анализа је такође неопходна да одреди топлотне перформансе које опрема акумулатора топлоте мора да обезбеди.

31


Спецификације опреме акумулатора топлоте морају да садрже радне профиле које опрема треба да испуни. Пројектанти морају да располажу радним профилима по сату како би изабрали одговарајући чилер и капацитет складиштења. Радни профил дефинише услове рада система за сваки сат циклуса складиштења. Већина система за складиштење је конструисано за једнодневни циклус складиштења и имамо податке о радним профилима у периоду од 24 h.

Поред захтева за одређиванњем капацитета, пројектанти користе часовне радне профиле за:

-развијање контролне секвенце

-дефинисање захтеваних перформанси са којима испоручиоци опреме за складиштење морају бити упознати

-одређивање захтева које морају да испуњавају компоненте као што су пумпе и размењивачи топлоте

-процену карактеристика система након његовог пуштања у рад

Радни профили морају садржати следеће наведене информације за сваки сат циклуса складиштења:

-температуру влажног термометра

-укупно оптерећење система

-оптерећење од чилера

-оптерећење од опреме за складиштење

-температуру флуида који улази у чилер

-температуру флуида која излази из чилера

-проток флуида кроз чилер

- температуру флуида који улази у акумулатор

-температуру флуида који излази из акумулатора

-проток флуида кроз акумулатор(режим пуњења)

-проток флуида који напушта акумулатор(режим пражњења)

-пад притиска флуида кроз акумулатор,чилер и цевовод

-максимални капацитет хлађења

32


Часовни радни профил треба да буде развијен на основу података о карактеристикама чилера и акумулатора који се добијају од произвођача. Обично пројектанти морају да бирају чилере и акумулаторе тако да се успостави равнотежа између ове две компоненте. На пример, карактеристике перформанси складиштења одређују температуре потребне за пуњење складишта са датим капацитетом чилера. Капацитет чилера варира са протоком флуида, температуром на улазу у испаривач и са температуром кондензације.

Капацитет и перформансе постојећих чилера и расхладних кула могу бити различити од претпостављених вредности због неисправности или неких других губитака. Капацитет постојећег чилера мора бити проверен тестирањем пре него сто се заврши димензионисање система за складиштење.

Капацитет расхладне опреме је веома важан аспект димензионисања система за складиштење. АРИ-550 стандард дозвољава одступања капацитета за око ±5% од вредности које је дао произвођач. Ако је капацитет чилера умањен за 5%, настао током једног или више циклуса складиштења, долази до значајног смањења расхладног капацитета који не може да задовољи пројектована оптерећења. Неки пројектанти узимају у обзир фактор сигурности који износи од 5 до 10% у спецификацијама капацитета чилера.

Коришћење фактора сигурности је добра инжењерска пракса. Међутим са економске стране акумулатори топлоте су посебно осетљиви уколико се они погрешно прорачунају. Најбољи системи су они системи код којих су капацитет чилера и складиштења одређивани са малим вредностима фактора сигурности.

Правилно испројектовани системи су пројектовани са флексибилношћу да на неки начин промене начин рада уколико се оперативни захтеви промене или уколико дође до повећања оптерећења. У случајевима када је велика вероватноћа да дође до повећања оптерећења у будућности, конструкција треба да садржи простор за могућност додавања капацитета. Начин рада треба да буде такав да обезбеди да се вишак капацитета потпуно искоришћава, ако је стварно оптерећење мање од пројектованог. Ово додатно смањује трошкове.

Примена акумулатора топлоте

Системи за складиштење расхлађене воде

Осетни тип складиштења се може применити при било ком расхладном оптерећењу у примењеном температурском опсегу. Раслојен систем за складиштење хладне воде се успешно примењује у болницама, школама, индустријским објектима итд. Осетни тип складиштења полако постаје један од најконкурентнијих решења за широку примену (преко 38GJ или милиони литара ускладиштеног медијума) због ниске цене по МЈ.

33


Међутим постоје и мањи системи се инсталирају из више разлога. На пример, системи за хитно хлађење раде само неких 10 до 20 минута и доста су мањи у односу на типичне системе са променом оптерећења. Постоје разне методе испоруке ускладиштене топлоте. Бројни произвођачи заједно са инжењерским фирмама праве већ спремене за употребу акумулаторе. Са друге стране, многи системи су успешно конструисани од стране машинских инжењера користећи генерички резервоар за складиштење топлоте. Посебно је важно да конструкција за складиштење буде таква да систем за складиштење буде правило интегрисан у постојећи систем, тако да конструктор овог система мора да буде експерт у области ситема за хлађење воде.

Посуде система за складиштење осетне топлоте могу да буду повезане са системом расхладне воде на више начина. Уобичајен начин је да се систем за складиштење и систем расхладне воде споје тако да функционишу као алтернативни извор капацитета који нема никаквог утицаја на дистрибуцију протока до крајњих корисника. Систем складиштења осетне топлоте може бити смештен на одређеној удаљености у односу на постројење расхладне воде и у том случају функционишу као сателитско постројење. Овакав приступ се примењује код система са ограниченим капацитетом система дистрибуције.

На слици је приказана шема типичне везе унутар постројења за раслојен систем складиштења осетне топлоте у вези са примарним/секундарним системом расхладне воде. Као што је наведено стрелицама, смерови протока између складишног резервоара и система морају бити супротног смера при режимима пуњења и пражњења. Резервоар за складиштење је повезан са системом преко пумпног интерефејса, који контролише правац протока између резервоара и система и прилагођава разлике притисака између њих. Ово је неопходно код раслојених резервоара (обично отвореног типа ка атмосфери) онда када је ниво воде у резервоару изнад највише тачке система расхладне воде. При таквим условима потребно је да интерфејс размени топлотну енергију са системом док истовремено спречава преливање воде.

34


Пумпни интерфејс који се појаљјује на слици може имати неколико конфигурација, од којих су најчешће примењиване приказене на сликама. Овде је приказана једна пумпа, али у системима се најчешће примењује више таквих паралелно везаних пумпи.

На слици је приказан директан интерфејс, који дозвољава води да тече између резервоара и система, задржавајући њихове нивое притиска користећи вентиле константног притиска. На наведеном примеру имамо четири двопозициона вентила и два вентила константног притиска. Све је подешено тако да пумпа увек повлачи из резервоара у систем, односно из зоне ниског притиска, у зону високог притиска. На слици 20 је приказан режим пуњења,односно куда иде проток и који су вентили у функцији. Пар двопозиционих вентила је отворен док је други пар затворен, а такође један вентил константог притиска је отворен док је други затворен. Стање ових вентила односно њихов положај је потпуно обрнут у режиму пражњења.

Ако је ниво воде у резервоару у равни или изнад нивоа воде у највишем објекту или највише клима коморе, вентили константног притиска су непотребни. У овом случају једини потребни вентили би били они који мењају правац протока када се систем пребацује са режима пуњења на режим пражњења и обрнуто.У неким случајевима као

35


што ћемо касније видети, вентили нам уопште нису потребни за мењање правца протока.

На слици 21. је приказан пример индиректног интерфејса који повезује акумулатор топлоте са системом расхладне воде преко размењивача топлоте, који је обично плочасти размењивач топлоте.

Слика 22 приказује положај вентила и правац протока при режиму пуњења. Предност овог система у односу на директни интерфејс је тај што елиминише проблем са контролом притиска и може сачувати енергију пумпи ако постоји велика разлика статичког притиска између резервоара и ситема. Међутим, додатна инсталација и трошкови енергије код овог система су значајни, како због броја додатних компоненти тако и због неизбежног губитка складишног капацитета узрокованог температурском разликом (2 до 3К) дуж размењивача топлоте у току пуњења и пражњења. Ово смањење температуре проузрокује повећање потрошње енергије потребне за рад пумпе.

На пример, ако претпоставимо да систем расхладне воде на слици 18. има улазну температуру (и температуру пуњења) од 4°C и повратну од 16°C. Ако размењивач топлоте у индиректном интерфејсу има 1К, температура воде у резервоару који се пуни ће бити 5.5°C а након потпуног пражњења 14°C. Према томе, максимална температурска разлика коју има складишни медијум је 9К, што је боље него 11К које би

36


се постигло са у директном интерфејсу. Да би имао исти капацитет као код система са директим интерфејсом, резервоар индиректног мора бити 25% већи.

Према неким истраживањима дошло се до закључка да имајући у виду повећање трошкова за складишни резервоар да би се достигао једнак сладишни капацитет када се користи индиректни интерфејс, док су разлике у статичком притиску око 100 bar, трошкови за радни век директног интерфејса су далеко прихватљивији него што је то случај са индиректним системом.

Алтернатива централизованом индиректном интерфејсу који је приказан на сликама 18 и 21 је да се изолују оптерећења која су на вишој коти од нивоа воде резервоара. Овим се могу постићи мањи трошкови него са централним размењивачем топлоте и значајно снизити потрошња енергије за рад пумпе у односу на директни интерфејс.

Када је могуће конструисати резервоар акумулатора топлоте тако да ниво воде буде највиши у ситему, он може да функционише као експанзиони суд и тако евентуално омогући много једноставнију конструкцију система. Постоји занимљива изведба када резервоар акумулатора топлоте има улогу раздвајача (decoupler) у примарном/секундарном систему, као што је приказано на слици 23. У овом систему, ако проток од секундарне пумпе превазилази проток примарне пумпе која снебдева чилер, са дна резервоара се узима разлика и бива замењена повратном водом са врха. Током пуњења, сваки вишак протока од чилера након што се достигну оптерећења долази на дно резервоара, замењујући топлу воду, која тече од врха резервоара до чилера.

Слика 23. такође представља могућу конфигурацију за раслојен хитни систем хлађења.Ови системи се могу испразнити у периоду од само неколико минута. Такође пожељна је контролна и конфигурација цевовода која омогућава ускаладиштеном капацитету да буде моментално доступан.

Системи за складиштење леда

37


Треба пронаћи повољан однос искоришћења чилера и акумулатора да би задовољили расхладно оптерећење. Циљ је да се смање трошкови потрошње енергије, док се истовремено спречава исцрпљивање капацитета сладиштења. Уређаји за складиштење имају коначан укупни капацитет у МЈ и тренутни капацитет (KW) који може варирати у зависности од складишне опреме и температуре расхладне течности. Системи за складиштење леда који користе секундарни флуид садрже већину битних конструктивних елемената о којима ће сада бити разматрано. Морамо имати у виду да чак и при условима дана за које смо конструисали систем,постоји више сати у којима је оптерећење мање од вршног оптерећења.Конвенционални чилерски систем би био растерећен током ових часова, али при димензионисању складишника узима се у обзир чињеница да чилер може бити под пуним оптерећењем током дана, тиме смањујући инвестирање у опрему и повећавајући ефикасност чилера.

У току услова дана за који смо конструисали систем,рад конструкције је предодређен,циљ је само да се максимализује енергија и уштеда у данима са смањеним оптерећењем што наравно обухвата већину радних часова.Контролни програми могу бити и једноставни и комплексни,у зависности од степена користности који желимо и искуства оператора система.Веома ефикасни контролни програми могу се показати на примеру разлике између топлог дана, благог дана и хладног дана.Чилер је у пуном оптерећењу у току топлог дана,полуоптерећењу у току благог и искључен у току хладног дана. Повећање степена сложености може да повећа трошкове који су предодређени за неки обрачунски период. Постоје минимални захтеви чилера који се могу предвидети за било који обрачунски период, било анализом оптерећења или искуством, или на основу претходног месеца.

Трокраки вентил (на сликама 24 до 26 ) реагује на две одвојене системске карактеристике:

1) променљивост у захтеваном учинку складишта док оптерећење објекта и расте и опада и док капацитет чилера варира

2) променљиве карактеристике складишног система

Температура расхладног флуида на изалску из складишника је у функцији од протока, улазне температуре и залиха леда. Вентил који одржава проток воде (temperature modulating valve) аутомаски компензује ове ефекте, а као додатак обезбеђује издвајање складишта кад је то потребно.

Прављење леда

Сваки систем приказан на сликама од 24 до 26 подразумева temperature-blending valve код складишног уређаја. Ови вентили усмеравају целокупан проток кроз уређај за складиштење за време процеса прављења леда. Престанак прављења леда може настати услед постизања жељене температуре расхладног флуида или мерењем залиха леда.

38


Чилер је обично под пуним оптерећењем за време овог процеса. Када се постигне потпуно пуњење, даље прављење леда је спречено до следећег планирано периода.

Често је неопходно да се задовољи расхладно оптерећење током режима пуњења. Способност да се ефикасно задовоље мала ноћна оптерећења је главна предност складишних система. Темература расхладног флуида који циркулише у примарном кругу током режима пуњења је испод 0°C и значајно је нижа од оне која се обично испоручује секундарном кругу. Иако рад чилера на вишим температурама може бити коришћен да задовољи ноћна оптерећења, додатни трокраки вентили и бајпас (приказани на сликама од 24 до 26) се обично постављају у секундарном кругу тако да топли повратни флуид може да ублажи температуру расхладног флуида који је испоручен оптерећењу од процеса прављења леда у примарном кругу. Ако ноћно оптерећење постоји и након завршетка пуњења, вентил В1 може бити позициониран тако да заобиђе складиште, и чилер тада може радити на стандардним дневним температурама.Ако нема очекиваних ноћих оптерећења(у току прављења леда),овај вентил и бајпас се могу уклонити,зато што се све контроле дневне температуре могу постићи чилером или трокраким вентилом складишта.

Врсте конфигурација

Заједничким цевоводом којим повезујемо чилер и складишта у редној вези обезбеђује се неколико предности. На тај начин се не захтева промена путање протока у току пуњења. Међутим паралелни распоред обично захтева промену путање протока док систем прелази са режима пуњења на режим пражњења. Једноставни контролни механизми се могу користити за промену доприноса сваке компоненте расхладном оптерећењу.Сви режими рада(посебно чилера,посебно леда или било ког односа чилера и леда)се лако спроводе односно имплементирају.Неки произвођачи препоручују да проток кроз опрему складишта буде у истом правцу и при пуњењу и при пражњењу па се редном поставком то аутоматски постиже.

Одвојени системи за складиштење користе вршне капацитете чилера који варирају од 40 до 70% од вредности вршног оптерећења.С обзиром да би било тешко да се цео проток система усмери кроз мали чилер и складишник у опсегу од 6 до 7 К температуркске разлике, систем редне везе пружа могућност шире разлике Δt између испоручене и повратне температуре.Опсези од 8 до 9 К су прилично уобичајени,па све до чак 11К који се повремено користи.Вредности протока се због тога смањују до нивоа компатибилних са опремом,а такође енергија потребна за рад пумпи може бити смањена.За примере са редном везом претпоставља се да за испоручену температуру узимамо вредност од 5.6 °C,а за повратну 14.4 °C при вршном оптерећењу.

Проток кроз редну везу, узводни чилер

39


У случају када се налази изнад складишника,чилер често ради на вишим дневним температурама испаравања него што би то чинио код конвенционалног система,иако то може негативно утицати на тотални капацитет складиштења.

Ако је максимали вршни капацитет чилера половина вршног оптерећења,чилер смањује повратну температуру од половине пројектовене Δt,до 10 °C при вршном оптерећењу. Међутим,ако је температура воде која излази из чилера подешена на 10 °C,чилер неће бити под оптерећењем сваки пут када је оптерећење мање од вршног.Ово може пребацити расхладно оптерећење на складишта,што доводи до превременог исцрпљивања складишног капацитета и немогућности да се касније у току дана задовоље расхладна оптерећења.Друга могућност је подешавање температуре воде која излази из чилера на 5.6 °C,тада чилер прихвата сва расхладна оптерећења до свог пуног капацитета,пре него што је неко оптерећење прешло на складиште.Преко једноставног подешавања температуре чилерске воде или захтеваних ограничења чилера,расхладно оптерећење може бити пребацивано са чилера на складишник и обрнуто,у било ком жељеном односу да бисмо имали што боље искоришћење електричне енергије као одговор на дневне или сезонске промене оптерећења.Како варира оптерећење тако и учинак чилера варира,трокраки вентил складишника аутомаски усмерава довољан проток кроз систем за складиштење како би се одржала температура расхладног флуида од 5.6 °C који се испоручује оптерећењу.

Проток кроз редну везу, низводни чилер

Замењивањем распореда задржава се сва флексибилност контроле,јер се складишни подесни вентил може користити за управљање релативним учинком складишника и чилера(слика 25).Складишни капацитет се повећава на рачун ефикасности чилера,која је у већини случајева минимална.При вршном оптерећењу,мешни вентил складишника је подешен на 10°C,а чилер ће достићи пуно оптерећење како се смањује температура до вредности од 5.6°C.Одржавање ове температуре складиштења одржава чилер под пуним оптерећењем током целог дана,смањујући употребу складишног капацитета.У току хладнијих дана ова температура може бити смањена.Капацитет чилера и потражња за електричном енергијом ће такође бити смањени.Друга могућност је да се захтевана ограничења чилера могу употребити и тада се сензор температуре мешног

40


вентила може поставити низводно од чилера.Складишник аутоматски прима оптерећење веће од ограничења чилера како би се одржала жељена температура воде која се испоручује

Било да је постављање чилера узводно или низводно,једноставном контролом температуре или ограничењем чилера може се лако манипулисати расхладним оптерећењем било ког складишног или чилерског система.

Проток кроз паралелну везу

Постоје случајеви и када је паралелна конфигурација пожељна.При примени складишних система захтева се да складишник и чилер не смеју бити истовремено без оптерећења.

Постоји много начина протока кроз паралелну везу.Поједностављена шема на слици 26. представља двопозициони трокраки вентил В3 на изласку из чилера чија је улога да преусмери ток при режимима пуњења и пражњења.

У току пражњења,исти флуид повратне температуре улази и у чилер и у складишник.Без икаквих унетих параметара осим фиксне излазне температуре и за складишник и чилер,учинак истих варира у сталном односу као што варира и повратна температура.То се догађа зато што чак и при условима за које смо конструисали систем,повратна температура се може смањити након неког периода,тако да је очигледно је да ће чилер бити неоптерећен.

Да би се избегао овај проблем,температура чилера се може смањити како би се одржало пуно оптерећење,а сензор мешног вентила складишта може бити премештен како би мерио помешану чилерску/складишну температуру протока.Променљива брзина протока преко пумпи у кругу складишта је такође могућа,како би се одржало пуно

41


оптререћење чилера при константној излазној температури.Системи за складиштење обично имају широк опсег прихватљивих вредности протока.

У даљем раду могу настати компликације уколико је чилер оганичен да оптимизује трошкове.У кругу чилера са константним протоком,температура са којом вода напушта чилер генерално расте када чилер није под оптерећењем што захтева смањење температуре складиштења.Са друге стране складишни систем може бити такав да не може да ради са нижим температурама.Најбољи начин је без обзира на конфигурацију система да се прорачунају протоци и температуре за различита расхладна оптерећења и уверити се да су резултати у складу са претпоставком коју смо имали при избору опреме.

Конструкција складишта омогућава систему да пребацује оптерећење са чилера на складишник и обрнуто како би се постигла највећа уштеда при раду.Главна предност овакве конструкције је могућност да обезбеди да су оптерећења равномерно распоређена између чилера и складишника за све могуће услове.

42


43

Documents

Akumulatori Toplote Za Hladjenje 2003