بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي سيستم ذخيره ساز سرما براي يک ساختمان اداري در شهر اهواز و مقايسه آن با سيستم هاي سرمايشي مرسوم
چکيده
هدف از به کار گيري سيستم هاي ذخيره سازي سرما١، کاهش حداکثر نيـاز انرژي الکتريکي و يکنواخت نمودن مصرف برق در سيستم تهويه مطبـوع و تبريد ساختمانها در طول ساعات شبانه روز مي باشد. سيسـتم هـاي ذخيـره ساز عمدتاً شامل يک چيلر تراکمي زير صـفر، مخـزن ذخيـره سـاز سـرما، سيال عامل ، مبدل حرارتي ، پمپ ها و شيرهاي سه راهـه مـي باشـند. ايـن سيستم ها مي توانند انرژي سرمايشي را توسط آب سرد، يخ يا نمک هـاي تغيير فاز دهنده ذخيره نمايند. در ايـن مقالـه بـراي يـک سـاختمان اداري نمونه در شهر اهواز سيستم معمول شامل چيلر تراکمي هوا خنک ، سيستم ذخيره سازي جزئي و سيستم ذخيره سازي کامل طراحي شـده و عملکـرد آنها مقايسه شده است . سيستم هاي سرمايشي بر مبناي يـخ خـود انـواعي دارند که نوع يخ بر روي کويل با ذوب داخلي ٢ که در سيستم هـاي تهويـه مطبوع رايج مي باشند در اين مقاله مد نظر قرار گرفته است . سيستم هـاي ذخيره سازي با در نظر گرفتن اختلاف قيمت برق ساعات اوج بار و سـاعات کم باري توجيه پذيري اقتصادي دارند، ولي نتايج نشان مي دهند در مناطق جنوبي کشور ما نيز که مشکل پيک بار روزانه در آنها وجـود دارد، سيسـتم هاي ذخيره سازي را مي توان به عنوان راه حلي براي پيک سايي روزانـه بـه کار برد.
کلمات کليدي : سيستم ذخيره سازي سرما، ذخيره سـازي جزئـي ، ذخيـره سازي کامل ، پيک بار
مقدمه
مديريت انرژي روشي براي بهره برداري بيشتر از سوخت هاي موجود و منابع انرژي است . ذخيره سازي انـرژي يکـي از بخشـهاي اساسـي سيسـتم هـاي مديريت انرژي است و از راهکارهاي مهـم در حفـظ و صـرفه جـويي انـرژي مي باشد که باعث ايجاد تعادل بين عرضه و تقاضـاي انـرژي در يـک پريـود معين مي گـردد. به عبارت ديگر انرژي در زمان هايي که به آن نياز عمده اي نمي باشـد موجود بوده ولي اوج مصرف در اوقاتي روي مي دهد که برآوردن آن مشکلاتـي را در بردارد.
دستگاه تبريد هر ساختمان براي تامين حـداکثر نيـاز برودتـي آن طراحـي مي شود، در صورتي که ممکن است فقط در چند ساعت در طول سال ايـن حداکثر اتفاق افتد و در ساعات ديگر دستگاه تبريد در ظرفيت هاي پايين تر کار کند و ١٠ تا ١٢ ساعت از ساعات شبانه روز در سرويس قرار گيرد. ايـن روند کارکرد دستگاههاي تبريد، سبب بالا رفتن هزينه سرمايه گذاري اوليـه سيستم هاي سرمايش مي شود.
يکي از راه حل هاي موجود، بالا بردن ضريب بار به کمک ذخيره سازي سرما مي باشد. به اين صورت که در ساعات کـم مصـرف کـه سـاختمان نيـاز بـه برودت کم دارد، سرماي توليد شده توسط سيستمهاي برودتـي بـه صـورت يخ و يا آب سرد ذخيره سازي شده و در ساعات پـر مصـرف مـورد اسـتفاده قرار مي گيرد. به اين طريق به جاي اين که چيلـر براســاس بـار مـاکزيمم برودتي خـريداري گردد، چيلرهاي با ظـرفيت کمتر که در ساعات بيشتري از شبانه روز مورد استفاده قرار مـي گيرنـد نيازهـاي برودتـي ساختمــان را تامين مي کننـد و در نتيجـه در هزينـه هـاي سـرمايه گـذاري صـرفه جـويي مي گردد. ظرفيت سيستمهاي برودتي مجهز به سيستم هـاي ذخيـره سـازي سرما مي توانـد تـا ٥٠ درصـد نسـبت بـه سيسـتم اوليـه کـاهش يابـد. در ساختمانهاي احداث شده نيز مي توان با الحاق سيستم ذخيره سـازي سـرما به سيستمهاي تبريد ساختمان ، سرمايش مورد نياز يک ساختمان ديگـر را بدون نياز به افزايش ظرفيت چيلر فراهم آورد.
تکنولوژي ذخيره سازي سـرما بـه طـور گسـترده اي در فرآينـدهـاي تبريـد صـنعتي و تامين سرمايش مورد نياز ساختمانهاي مسکوني و تجاري مـورد استفـاده قرار مي گيرد. با کاربرد اين تکنولـوژي ، بـرق در سـاعات غيرپيـک براي شارژ کردن منبع ذخيره استفاده شده و سپس از سرماي ذخير شـده درساعات پيک براي سرمايش ساختمان استفاده مي شود [١].
بررسي عملکرد سيستم هاي ذخيره سازي سرما
ذخيره سازي انرژي حرارتي بر اساس انرژي حرارتـي محسـوس و يـا نهـان انجام مي شود. در روش ذخيره سازي انرژي محسـوس ، انـرژي بـا در نظـر گرفتن تغييرات دمايي ايجاد شده در ماده ذخيره ساز ذخيره مـي شـود. بـه اين منظور مي توان موادي همچون آب ، سـنگ و يـا حتـي زمـين را مـورد استفاده قرار داد. ذخيره سازي حرارت محسوس اساساً جهت ذخيره سازي حرارت با کيفيت پايين ٣ (منظور از حرارت با کيفيت پايين ، انرژي گرمـايي در دماهاي پايين و در محدوده دماهاي محيط طبيعي مي باشـد ) از قبيـل انرژي خورشيدي يا حرارت دفع شـده از نيروگاههـا و فرآينـدهاي صـنعتي مورد استفاده قرار مي گيرد. با توجه به اينکه ذخيره سازي حرارت نهـان در دماي ثابت صورت گرفته و در عين حال داراي ظرفيت ذخيره سازي بالايي نيز مي باشد، اين روش از جذابيت بالايي برخوردار است .
در سيستمهاي ذخيره سازي حرارت نهان ، از تغييـر انـرژي حرارتـي مـاده (محيط جاذب ) در شرايط گذر از يک فاز به فاز ديگر، بهره برداري مي شـود.
گرماي نهان همواره بيشتر از حـرارت محسـوس بـوده و بنـابراين ظرفيـت ذخيره سازي حرارتي ، با استفاده از گرماي نهـان بسـيار بيشـتر از ظرفيـت ذخيره سازي حرارت محسوس است . به عنوان مثال مي توان بـه آب اشـاره کرد که گرماي نهان تبخير يا تقطير آن در حدود MJ.kg ٢ بوده و گرماي نهان ذوب يا انجماد آن نيز تقريباً برابر 333.3kJ.kg است .
مقدار حرارت نهاني که مي توان در محـيط ذخيـره کـرد بسـتگي بـه جـرم محيط و گرماي نهان ذوب آن دارد. همچنين گرمـاي نهـان ذوب بـه نـوع ماده مورد استفاده بستگي داشته و متغير است .
سيستمهاي ذخيره سازي با استفاده از تغيير فاز، فشرده تـر از سيسـتمهاي ذخيره سازي گرماي محسوس بوده و به طور کلي بين ٨ تا ١٠ برابر، انرژي بيشتري در واحد حجم ذخيره مي کنند. به عنوان مثال با انجماد يـک متـر مکعب آب مي توان تقريباً معادل kJ ٠٠٠ر٣٣٤ انرژي بـه شـکل يـخ صـفر درجه ذخيره نمود. در حالي که براي ذخيره سازي اين مقدار انرژي توسـط آب ، بايد در حدود m3 ٨ آب را تا دمـاي ١٠ درجـه سـانتيگراد سـرد کـرد [٢و٣].
در سيستم هاي ذخيره سازي انرژي نهان ،استراتژي عملکـردي بـر مبنـاي ذخيره سازي کامل و يا ذخيره سازي جزئي طراحي مي شـود. در شـکل (١) شماتيک يک سيستم ذخيره سازي نشان داده شده است .
شکل ١: شماتيک سيستم ذخيره سازي [٤]
محاسبه ظرفيتهاي چيلر و مخزن
براي تعيين ظرفيتهاي چيلر و مخزن ، پروفيل بار روز طراحي بايـد تعيـين گردد و همچنين براي شروع طراحي تخمـين اوليـه انجـام شـده و سـپس ظرفيتها اصلاح مي گردند[٥]. مراحل اساسي تعيين ظرفيت سيستم ذخيره ساز سرما را بدين ترتيب مي توان برشمرد.
. تعيين پروفيل دقيق بار ساختمان
. انتخاب استراتژي عملکردي سيستم در روز طراحي
. محاسبه اوليه ظرفيتهاي اوليه چيلر و مخزن
. انتخاب تکنولوژي ذخيره مناسب
. نهايي کردن انتخاب تجهيزات
اولين و مهمترين گام در پروسه تعيين ظرفيت تعيـين پروفيـل دقيـق بـار ساختمان در روز طراحي مي باشد .
براساس اين فرض که مجموع کل بار سرمايشي سيسـتم بايـد مسـاوي بـا مجموع کل ظرفيت چيلر باشد، حدس اوليه براي اندازه هاي چيلر و مخـزن حاصل مي شود.
ICHVAC2-1069
(١) (kWh) مجموع کل ظرفيت چيلر = (kWh) مجموع کل بار سرمايشي واحدها هر دو براساس kWh هستند. هر چند در اين مرحله ظرفيت چيلر نامعلوم است ، ظرفيتهاي مربوط به شـرايط اسـتاندارد بـراي هـر مرحلـه را مي توان تعيين نمود. مـدهاي عملکـردي ممکـن اسـت بـر انتخـاب چيلـر تاثيرگذار باشند. ظرفيت چيلر به هنگام شارژ مخزن ذخيره سازي و به طور همزمان تامين بار سرمايشي ساختمان برابر است با ظرفيت چيلر به هنگام سرمايش مستقيم در طول روز يا شب .
که :
وقتي چيلر مخزن ذخيره را شارژ مي کند و در همان زمان ساختمان را سرد مي کند نسبت ظرفيت (CR) مساوي بـا نسـبت ظرفيـت بـه هنگـام شـارژ خواهد بود (يعني CR=CRChar) ظرفيت نامي چيلر CChil ، با ترکيب معادله (١) و (٢) حاصل مي شـود و در نتيجه :
نسبت ظرفيت چيلر براي هر مد سرمايش بـه صـورت درصـدي از ظرفيـت نامي بيان مي شود. ظرفيت نامي نيز ظرفيتي است که در شرايط استاندارد، چيلر توليد مي کند ولـي بسـته بـه شـرايط محلـي کـه چيلـر در آن مـورد استفاده قرار مي گيرد، اصلاح شده و ظرفيت واقعي آن بيان مي شود.
براي اهواز، دمـاي آب خنـک خروجـي از چيلـر در حالـت سـرمايش ٦.٦٧ درجه سانتيگراد و دماي حباب خشک تابستاني oF١١٥٥ که دماي هوايي است که وارد کندانسورهاي هـوايي مـي شـود. همچنـين دمـاي آب سـرد خروجي از چيلر در حالت يخ سازي ٥.٦- درجه سانتيگراد در نظـر گرفتـه مي شود.
براي تخمين اوليه سايز چيلر و مخزن سيسـتم ذخيـره سـازي ، آب خنـک خروجي از چيلر در مد شارژ معمولاً در محدوده ٣- تا ٦- درجه سـانتيگراد مي باشد. نسبت ظرفيـت CRChar در ايـن دماهـا در محـدوده ٠.٦ تـا ٠.٧ ظرفيت نامي چيلر مي باشد و در سرمايش مستقيم وقتي دماهاي خروجـي چيلر ٦.٦٧ درجه سانتيگراد باشد. نسبت ظرفيـت CRdirt برابـر ١ خواهـد بود.
نسبتهاي ظرفيت CRChar و CRdirt در اين مقاله برابر با ٠.٦ و ١ انتخـاب شده اند. اين مقادير به اين معني هستند که چيلري با ظرفيـت kW ١٠٠٠ ، kW ٦٠٠ سرمايش در مد شارژ و kW ١٠٠٠ سرمايش در مد سرمايش مستقيم تامين مي کند.
ظرفيت مخزن مورد نياز بر حسب kWh برابر اسـت بـا ظرفيـت چيلـر در ساعات شارژ منهاي مجموع بار سرمايش کلي ساختمان در ساعات شارژ:
که :
TCChar = مجموع بار سرمايش کل سيستم در ساعات شارژ
اگر بار سيستم در ساعات شارژ صفر باشد، چيلر تنها مخزن ذخيره را شـارژ مي کند و رابطه (٤) تبديل به رابطه (٥) مي شود.
مشخصات ساختمان نمونه
منحني بار روزانه ، بار سرمايي ساعت به ساعت را در يـک دورة ٢٤ سـاعته نشان مي دهد. در سيستم هاي تهويه مطبوع رايج ، انتخاب چيلرها بـر پايـة حداکثر بار سرمايشي مي باشد ولي براي سيسـتم هـاي ذخيـره سـازي يـخ ، چيلرها بر اساس سـرمايش مـورد نيـاز ، منحنـي بـار روزانـه و يـک روش عملياتي مشخص انتخاب مي شوند.
بسته به کاربرد، منحني هاي بار شکل هـاي متفـاوتي دارنـد. بـراي انتخـاب مقدماتي تجهيزات ، واحد ذخيره سازي سرما نياز به يک منحني بار دارد که شامل اطلاعات حداکثر بـار سـرمايي سـاختمان و مـدت زمـان وجـود بـار سرمايي باشد. يک ساختمان برق نمونه در شهر اهـواز بـراي بـه کـارگيري سيستم ذخيره سازي يخ انتخاب شده است . ساعت کـاري از ٨ صـبح تـا ٤ بعد از ظهر مي باشد و پنج روز هفته روز کاري مي باشد .
بار پيک سيستم ton ٣٩ است کـه در سـاعت ٢ بعـدازظهر رخ مـي دهـد، مجموع کلي بار سرمايشي سيستم ton-h ٣٠٢ است و ضـريب تنـوع کـه نسبت بار متوسط به بار پيک سيستم است برابر با ٠.٨٦ مي باشد. منحنـي بار در شکل (٢) نمايش داده شده است .
براي تامين بار دو استراتژي ذخيره سازي کامل و ذخيـره سـازي بـا تقـدم چيلر و با آرايش سري چيلر و مخزن در نظر گرفته شده و محاسبات انجـام شده است . کاهش بار پيک و مصرف انرژي چيلرها با در نظـر گـرفتن ايـن استراتژيها ، محاسبه شده و با مقادير مشـابه در سيسـتمهاي متعـارف و بـا انتخاب چيلر هوا خنک بدون مخزن ، مقايسه شده است .
انتخاب عملکرد نه تنها بايد بر اساس پروفيل بـار باشـد، بلکـه منحنـي بـار روزانه کشور نيز مي تواند به عنوان معيار در نظر گرفته شود. بنابراين بـراي انتخاب ساعات شارژ و دشارژ مناسب و در نتيجـه تعيـين ظرفيـت چيلـر و مخزن ذخيره ، دو پروفيل بار با يکـديگر مقايسـه مـي شـوند. در شـکل (٣) منحني بار روزانه براي روز طراحي که اول مرداد سال ١٣٨٨ در نظر گرفته شده بر حسب مگاواتساعت ، رسم شده است [٦].
