System akumulacji chłodu STL. Podstawy obliczeniowe i wymiarowanie systemu

Stale zmniejszające się zasoby paliw nakładają na wszystkie strony, zaangażowane w proces projektowania i realizacji inwestycji, obowiązek racjonalnego gospodarowania zasobami paliw i energii. Jednym z rozwiązań przynoszących wymierne korzyści ekonomiczne i energetyczne jest magazynowanie energii cieplnej w systemach klimatyzacyjnych, chłodniczych i technologicznych.

Zastosowanie zasobnika umożliwia zakumulowanie
chłodu w okresie braku zapotrzebowania
na moc chłodniczą i jego wykorzystywane
w okresie maksymalnego
zapotrzebowania (przewyższającego moc
ziębniczą zainstalowanego agregatu) lub
wtedy, gdy występującą niedobory zaopatrzenia
w energię elektryczną (godziny
„szczytowe”). Oprócz atrakcyjnych wskaźników
ekonomicznych większość systemów
z akumulacją chłodu wykazuje
oszczędności w zużywanej energii. Zmniejszenie
wielkości agregatu redukuje również
ilość zastosowanego czynnika ziębniczego,
co jest ważnym elementem strategii
ograniczania ujemnego wpływu tych czynników
na środowisko. System ziębniczy
z akumulacją poprawia niezawodność i zapewnia
bezpieczniejszy tryb pracy dla układów
ziębienia w klimatyzacji i w przemyśle.

Rys. 1. Ciepło jawne i utajone przy magazynowaniu energii
Sposoby akumulacji
Zasadniczo rozróżniamy dwa sposoby
magazynowania energii (rys. 1):
• jawny – związany z przyrostem temperatury
materiału akumulującego ciepło;
• utajony – związany ze zmianą stanu
skupienia materiału akumulującego
ciepło przy stałej temperaturze.
Najbardziej popularnymi substancjami
akumulującymi energię na sposób jawny
są woda oraz ciała stałe (skały, żwirowiska
itp.). Woda, jest łatwo dostępna (cenowo
i ilościowo) i charakteryzuje się dużą właściwą objętościową pojemnością cieplną
wynoszącą 1,16 kWh/m3/oC, większą niż
na przykład żelazo lub inne
minerały. Niestety, w zastosowaniach
do celów chłodniczych
występują duże
ograniczenia w jej wykorzystaniu
wynikające z niewielkiego
możliwego przyrostu
temperatur czynnika chłodzącego, nieprzekraczającego w praktyce kilku stopni.
W tych warunkach rzeczywista
maksymalna zdolność
akumulacji dla wody
wynosi tylko ok. 6 kWh/m3
(przy założonym przyroście temperatury
o 5oC). Praktycznie eliminuje to wodę z tego
typu zastosowań.
Ciepłem utajonym nazywamy energię
gromadzoną lub uwalnianą podczas przemian
fazowych substancji (zmiany stanu
skupienia) zachodzących w stałej temperaturze
(przy niezmiennym ciśnieniu). Na
przykład: zmiana lodu w wodę, wody w parę
itp. Energia absorbowana lub uwalniana
podczas tego procesu jest z reguły wielokrotnie
większa niż energia niezbędna do
zmiany temperatury substancji (ciepło jawne).
Na przykład do stopienia 1 m3 lodu
w temperaturze 0oC konieczne jest aż ok.
93 kWh energii cieplnej. Taka sama ilość
ciepła zostaje uwolniona z materiału, kiedy
przechodzi on w fazę stałą. Różne substancje
charakteryzują się zróżnicowanymi
temperaturami punktów zmiany fazy. Stosując dodatkowo tak zwane mieszaniny eutektyczne
można uzyskiwać materiały akumulujące o podobnych własnościach cieplnych
różniące się jedynie temperaturami
zmiany stanu skupienia.
System akumulacji ciepła utajonego
w zamkniętych powłokach sferycznych
STL
Zastosowanie wody w systemach akumulujących ciepło utajone w chłodnictwie
i klimatyzacji stwarza duży problem techniczny
związany ze wzrostem objętości
właściwej tej substancji przy zamarzaniu,
który powoduje duże naprężenia w konstrukcjach
samych zasobników ciepła.
Niewątpliwie przełomem w tym względzie
było wdrożenie na początku lat osiemdziesiątych XX wieku przez francuską firmę
CRISTOPIA Energy Systems technologii
akumulacji ciepła utajonego w zamkniętych
powłokach sferycznych, STL.
Dodatkową zaletą tego rozwiązania jest
możliwość wykorzystania do celów akumulacji
„substancji roboczych” w postaci
specjalistycznych związków mogących
zmieniać stan skupienia w temperaturach
różnych od 0oC. Te materiały nazwano
dalej PCM (Phase Change Materials).

Rys. 2. Schemat systemu akumulacji STL
System oparty na technologii STL,
przedstawiony na rys. 2, składa się
z trzech podstawowych elementów składowych:
• materiału akumulacyjnego wypełniającego zbiornik – zasobnik STL,
• agregatu ziębniczego przystosowanego
do współpracy z systemem STL,
• układu regulacji i sterowania optymalizującego pracę systemu.
Materiał akumulacyjny stanowią „kule”
z powłoką wykonaną z tworzywa sztucznego
wypełnionego w znacznej części substancją typu PCM (rys. 3), która zmienia
swój stan skupienia w zależności od temperatury
płynu pośredniczącego w wymianie
ciepła. Płyn ten (najczęściej jest to wodny
roztwór glikolu) przepływając w przestrzeni
pomiędzy kulami wymienia ciepło
z substancją PCM. Jeżeli jego temperatura
jest niższa od temperatury zmiany stanu
skupienia wtedy mówimy o procesie „ładowania
zasobnika chłodu”, zaś w przypadku
wyższej temperatury następuje przekazywanie
energii chłodniczej zgromadzonej
zasobniku do systemu klimatyzacji (proces
„rozładowania”). Mechaniczny i chemiczny
charakter powłoki kulki (wykonanej z polyolefinów)
jest dobrze przystosowany do warunków
spotykanych w systemach klimatyzacyjnych
i chłodniczych. Zoptymalizowane
średnice kulistych powłok wynoszą 77
mm, 78 mm lub 98 mm (zależnie od typu
i przeznaczenia). Ilość zmagazynowanej
energii dla każdego typu STL jest proporcjonalna
do objętości zbiornika napełnionego
w całości kulkami. CRISTOPIA Energy
Systems oferuje materiały o temperaturach
zmiany fazy w zakresie od –33 do +27oC,
co daje duże możliwości optymalizacji systemu
już na etapie projektowania.

Rys. 3. Kula z materiałem akumulującym
energię PCM

Rys. 4. Konstrukcje zbiorników – akumulatorów
energii cieplnej
Ogromną zaletą systemu STL jest
fakt, że konstrukcja zbiorników (akumulatorów
energii rys. 4) jest niemal dowolna
(pionowe lub poziome, cylindryczne lub
prostopadłościenne, stalowe lub betonowe,
zlokalizowane wewnątrz, na zewnątrz lub jako podziemne, otwarte lub
ciśnieniowe itp.). Muszą one spełniać
pewne minimalne wymagania takie jak:
• odpowiednio skonstruowane i rozmieszczone
kolektory i dystrybutory płynu
pośredniczącego,
• włazy umożliwiające napełnienie
i opróżnienie zbiornika z kulek,
• dobra izolacja termiczna
i szczelność.
Bardzo ważnym elementem systemu
jest układ sterowania koordynujący i optymalizujący jego pracę,
dzięki czemu uzyskuje się duże zyski
ekonomiczne i energetyczne.
Układ ten jest ciągle modernizowany
i obecnie przybrał on formę modułu
noszącego nazwę CristoControl,
który umożliwia między innymi zdalny
nadzór nad instalacją (również za
pomocą modemu internetowego).
Agregaty ziębnicze współpracuj
ące z systemem STL mogą być
standardowymi agregatami do oziębiania
wody. Jednak ich układ sterowania
musi być wyposażony w pewne
opcje, które umożliwiają współ-
pracę z układem CristoControl i pozwalaj
ą na maksymalnie efektywne
wykorzystanie zalet systemu STL.
Zasada działania systemu
Zasobnik STL może współpracować
z systemem zarówno w równoległym jak i szeregowym układzie
połączeń hydraulicznych. Możliwa
jest również duża różnorodność
„strategii współpracy” zasobnika
STL i agregatu ziębniczego, które
są uzależnione od indywidualnych
wymogów i warunków pracy obiektu.
Na rysunkach poniżej przedstawiono
sposób działania systemu
STL z uwzględnieniem poszczególnych
cykli pracy dla układu połączeń równoległych, przy założeniu
częściowej akumulacji, w której
agregat i zasobnik STL współpracuj
ą w okresie maksymalnego zapotrzebowania
mocy chłodniczej
przez obiekt.

Rys. 5. Ładowanie (akumulacja) STL

Rys. 6. Praca bezpośrednia

Rys. 7. Praca bezpośrednia + rozładowywanie STL

Rys. 8. Rozładowywanie STL
W ciągu nocy agregat pracuje
oziębiając płyn pośredniczący do
temperatury niższej od stanu skupienia
substancji PCM, który przepływają wokół kulek powodując krystalizację
PCM (rys. 5). Zbiornik
magazynuje energię w stałej temperaturze
zmiany fazy (w zależności
od przyjętego typu materiału).
W przypadku, gdy zapotrzebowanie
na moc chłodniczą jest niższe niż wydajność agregatu ziębniczego
(rys. 6) jest ono pokrywane
przez sam agregat i czynnik
pośredniczący nie przepływa
przez zasobnik STL.
Natomiast, gdy zapotrzebowanie
na moc chłodniczą jest wyższe niż
wydajność agregatu (rys. 7)
układ jest zasilany przez
STL i pracujący równocześnie
agregat. Agregat pracuje
z pełną mocą i jest
wspomagany przez STL.
Płyn pośredniczący o
temperaturze wyższej od
temperatury zmiany fazy
przepływa przez zbiornik
STL.
W procesie rozładowania
(rys. 8) zasobnik STL
może pracować samodzielnie
(np. w przypadku bardzo
wysokich kosztów dziennej taryfy elektrycznej
lub w sytuacjach awaryjnych).
W tym przypadku agregat jest wyłączony,
a cały płyn chłodzący o temperaturze wyższej od temperatury zmiany fazy przepływa
przez zbiornik STL.
Ważniejsze zastosowania
W systemach wytwarzania chłodu pracujących cyklicznie i napędzanych energią
elektryczną, atrakcyjność zastosowania
akumulacji dobowej zdecydowanie rośnie,
gdy występują dwie taryfy opłat za energię
elektryczną nocna (tania) i dzienna (droga).
Dodatkowo atrakcyjność systemów akumulacji
typu STL zwiększają i tak wysokie koszty
zakupu agregatów ziębniczych, zależne od ich mocy nominalnej.
Poniżej wymieniono kilka typowych
zastosowań dla systemów magazynowania
energii chłodniczej.
Klimatyzacja:
• budynki biurowe,
• szpitale,
• banki,
• obiekty sportowe,
• muzea,
• studio nagrań,
• teatry, kina,
• domy towarowe,
• supermarkety,
• lotniska.
Chłodnictwo:
• przemysł mleczarski,
• ubojnie,
• chłodnie,
• napełniania butelek,
• przemysł farmaceutyczny,
• hipermarkety,
• browary,
• lodowiska,
• przetwórstwo mięsa.
Zabezpieczenie mocy chłodniczej:
• serwerownie,
• pomieszczenia czyste,
• sale operacyjne,
• telekomunikacja,
• chłodnie,
• studia telewizyjne.
Wymiarowanie systemu STL
Poprawne zaprojektowanie systemu
STL wymaga dobrej znajomości obiektu,
a w szczególności charakterystyki zapotrzebowania
mocy ziębniczej w ciągu doby
(tzw. histogram przedstawiony na rys.
9).

Rys. 9. Przebieg zmienności obciążeń chłodniczych
dla wybranego dnia obliczeniowego
Wymienione poniżej parametry pracy
w sposób dominujący decydują o wielkości
projektowanego systemu STL:
• maksymalne, chwilowe zapotrzebowanie
na moc chłodniczą, Pm (kW);
• projektowane dzienne zapotrzebowanie
chłodu, Qj (kWh);
• temperatury cieczy oziębianej zgodne
z wymaganiami obiektu.
Wartość Pm, w większości tradycyjnych
systemów bez akumulacji stanowi
podstawę do doboru wielkości agregatu.
Qj jest maksymalnym przewidywanym
zapotrzebowaniem chłodu dla
wybranego dnia obliczeniowego, w
którym występują najbardziej niekorzystnew
warunki dla pracy źródła zimna w ciągu roku.
Zgodnie z zasadą zachowania energii
podstawowym warunkiem, który musi
spełnić system zobrazowany na rysunku
jest:

Wybór typu materiału akumulującego
Zasadniczy wybór rodzaju materiału STL (typu kulek) zależy od temperatury
zmiany fazy substancji PCM
i parametrów termicznych pracy systemu.
Zasadniczo zaleca się w tym względzie
stosować do następującego warunku:

Możliwy jest wybór typu materiału o niższej temperaturze zmiany fazy (niż proponowana przez powyższą zależność) w celu osiągnięcia większej intensywności odbioru
ciepła przez płyn pośredniczący. Można
również zastosować różnicę temperatur
mniejszą niż 4oC, jeżeli w szczególnych
przypadkach jest to określone specjalnymi
wymaganiami instalacji.
W przypadku wyboru temperatury zmiany
fazy na poziomie 0oC, zaleca się zastosowanie
materiału typu AC.00 ze względu
na niskie koszty inwestycyjne systemu. Natomiast
w przypadku, gdy niezbędna jest
duża intensywność procesu oddawania ciepła (np. w systemach rezerw mocy chłodniczej)
sugeruje się wybór materiału IC.00.
Wielkość agregatu ziębniczego
Krzywa histogramu określa maksymalne
dobowe zapotrzebowanie chłodu:

Przy wyborze wielkości agregatu należy pamiętać, że jego moc ziębnicza
zależy od temperatury odparowania czynnika
ziębniczego i w czasie cyklu ładowania
będzie ona niższa niż moc w czasie pracy
standardowej. Konieczne jest więc na
tym etapie określenie godzin pracy agregatu
w poszczególnych cyklach.
W związku z powyższym minimalna moc
ziębnicza agregatu:

gdzie: f” – współczynnik obniżenia mocy
agregatu, ze względu na obniżenie temperatury
odparowania, pomiędzy cyklem
ładowania a cyklem pracy bezpośredniej.
Z reguły współczynnik ten przyjmuje
się na poziomie 3% na 1oC obniżenia
temperatury odparowania (T3–T2).

Objętość zbiornika – zasobnika systemu
STL
W celu wyznaczenia objętości zbiornika
w pierwszym rzędzie należy obliczyć gęstość
magazynowania energii DSTL (ilość
zmagazynowanej energii w 1 m3 materiału
STL). Wielkość ta uwzględnia zarówno ciepło utajone zmiany fazy jak i ciepło jawne
związane z różnicami temperatur płynu pośredniczącego przyjętymi dla obliczanego
systemu. Wartość DSTL oblicza się z zależności:

Przykładowo, sumaryczna gęstość
akumulowanej energii w systemie STL
dla materiału AC.00 dla temperatur cieczy
oziębianej 5/10oC (MEG30) wynosi:
DSTL = 56,9 kWh/m3.
W oparciu o obliczoną wartość DSTL,
minimalną objętość zasobnika STL oblicza
się z zależności:

Z uwagi na charakter materiału (kule
wypełniające zbiornik) uzyskana objętość
jest wprost objętością roboczą zbiornika
a nie objętością netto samych kul wypełniających ten zasobnik.
Intensywność przekazywania ciepła
Znajomość wielkości agregatu oraz objętości
zasobnika STL, obliczonych w powyższy sposób, nie wystarcza dla zapewnienia
poprawnej pracy systemu. Konieczne
jest jeszcze dodatkowe sprawdzenie
czy intensywność wymiany ciepła pomiędzy
materiałem a płynem pośredniczącym,
zarówno w cyklu ładowania jak i rozładowania,
umożliwia pełne wykorzystanie zasobnika.
Wpływ na tę wartość ma zarówno
charakter materiału jak i wielkość logarytmicznej
różnicy temperatur substancji biorących udział w wymianie ciepła.
Natomiast intensywność przekazywania
ciepła w czasie cyklu ładowania jest
określana następującą zależnością:

gdzie:

Aby system pracował poprawnie warunkiem
koniecznym jest spełnienie nierówności
Pst >Pc w czasie całego okresu
trwania pełnego cyklu.
Intensywność przekazywania ciepła
w czasie cyklu rozładowania opisuje zależność:

gdzie:

Aby system pracował poprawnie w fazie
rozładowania suma intensywności
przekazywania ciepła przez STL w tym
cyklu oraz mocy ziębniczej agregatu musi
być większa od maksymalnego zapotrzebowania
mocy chłodniczej przez
obiekt:

Zastosowane oznaczenia
1 – średnia logarytmiczna różnica temperatur
w czasie cyklu ładowania (oC),
dTlm2 – średnia logarytmiczna różnica temperatur
w czasie cyklu ładowania (oC),
DSTL – gęstość strumienia ciepła w cyklu
ładowania (kWh/m3),
kvfu – współczynnik przekazywania ciepła przy topnieniu materiału PCM
(kW/oC/ m3),
kvcr – współczynnik przekazywania ciepła przy krystalizacji materiału PCM
(kW/oC/m3),
Pr – moc ziębnicza agregatu w cyklu pracy
bezpośredniej (kW),
PC – moc chłodnicza agregatu dla cyklu
ładowania (kW),
Pst – wydajność chłodnicza STL dla cyklu
ładowania (kW),
Pdst – wydajność chłodnicza STL przy
rozładowaniu zasobnika (kW),
Pm – maksymalne chwilowe zapotrzebowanie
mocy chłodniczej przez obiekt (kW),
Qj – dzienne zapotrzebowanie chłodu
(kWh),
Ql – ciepło właściwe utajone „złoża kulistego”
(kWh/m3),
Qsl – ciepło właściwe jawne dla PCM
w fazie ciekłej (kWh/m3/oC),
Qss – ciepło właściwe jawne dla PCM
w fazie stałej (kW/m3/oC),
Qst – maksymalna ilość energii zakumulowanej
(kWh),
Qdst – ilość energii w cyklu rozładowania
(kWh),
T1 – temperatura płynu pośredniczącego
na zasilaniu instalacji (oC),
T2 – temperatura płynu pośredniczącego
na powrocie z instalacji (oC),
T3 – temperatura płynu pośredniczącego
na wylocie z STL (oC),
T4 – temperatura płynu pośredniczącego
na wlocie do STL (oC),
Tst – temperatura zmiany fazy materiału
PCM (oC),
TPD – długość okresu bezpośredniej produkcji
chłodu (agregat) (h),
tst – czas pracy agregatu w czasie cyklu
ładowania (h),
V – objętość zbiornika (złoża) STL (m3).
Program wspomagający obliczenia
STOCKAID
Jak wynika z zaprezentowanego powyżej modelu obliczeniowego dla systemu
STL, jego wymiarowanie jest procedurą obliczeniową, którą może wykonać
niemal każdy inżynier z odpowiednim zasobem
wiedzy i doświadczenia w zakresie
tego rodzaju projektowania. Trudniej
jest natomiast, głównie ze względu na
czasochłonność obliczeń, dokonywać
optymalizacji i modyfikacji systemu na
etapie projektowania. Proces ten znacznie
upraszcza program obliczeniowy
STOCKAID opracowany w oparciu o badania
własne przez firmę CRISTOPIA
Energy Systems. Program ten, dla określonych
wymagań systemu i charakterystyki
obiektu, pozwala w szybki i wiarygodny
sposób zwymiarować w sposób
optymalny wielkość zasobnika i agregatu.
Wizualizację przykładu obliczeniowego
wykonanego przy pomocy programu
STOCKAID przedstawia rys. 10.



Rys. 10. Wizualizacja w programie STOCKAID
Podsumowanie i wnioski
Spośród wielu współczesnych rozwiązań systemów ziębienia w klimatyzacji
i w przemyśle, systemy z akumulacją
chłodu budzą w ostatnich latach coraz
większe zainteresowanie wśród projektantów
i inwestorów. Niewątpliwie przyczyniło się do tego opanowanie „przyjaznej
technologii magazynowania energii”
STL przez firmę CRISTOPIA Energy Systems.
Do niewątpliwych zalet systemu
STL możemy zaliczyć:
• redukcję mocy projektowanych agregatów
ziębniczych o około 40 do 80%,
• zmniejszenie zapotrzebowania mocy
elektrycznej dla obiektu,
• możliwość rozbudowy obiektu bez
zwiększania agregatu ziębniczego,
• redukcję kosztów całkowitych – przy
poprawnym zaprojektowaniu systemu
zredukowane koszty eksploatacyjne
powodują zwrot poniesionych nakładów
w okresie od 2 do 5 lat,
• wzrost niezawodności – agregat pracuje
w sposób ciągły z maksymalną efektywnością,
• uproszczenie obsługi i konserwacji,
• ograniczenie ilości czynnika ziębniczego
w systemie,
• możliwość optymalizacji systemu przez
wybór odpowiedniej temperatury zmiany
fazy substancji roboczej PCM,
• dowolność kształtu i konstrukcji zbiornika
przy zachowaniu pewnych wymagań
określonych szczegółowo przez
Producenta.
Podsumowując tę bardzo ogólną prezentację
i analizę systemu wytwarzania
chłodu z zastosowaniem zasobnika typu
STL należy stwierdzić, że odpowiednio zaprojektowany
system tego typu jest dla Inwestorów
atrakcyjnym rozwiązaniem zarówno
pod względem ekonomicznym, jak
i energetycznym.
LITERATURA:
[1] CRISTOPIA Energy Systems: Technical
Manual. Vence 2000.
[2] Benoit LEPOUTRE: Groupe d‘eau glacee.
Implications energetiques et incidences sur
l‘exploitations. RPF, no 850, Octobre 1997
[3] CRISTOPIA NEWS No 1/1996.
[4] Hans Jurgen ULRICH: Technika chłodnicza.
Poradnik, IPPU MASTA 1998.
[5] Zenon BONCA i inni: Czynniki chłodnicze
i nośniki ciepła. IPPU MASTA 1997.
[6] Marian RUBIK: Pompy ciepła. Poradnik,
Technika Instalacyjna w Budownictwie.
Warszawa 1999.
[7] Kazimierz WOJTAS: System akumulacji
chłodu sposobem na podniesienie efektywności
instalacji klimatyzacyjnej. Geneza
i opis systemu. Chłodnictwo i Klimatyzacja
9/2001.
Autor: dr inż. Kazimierz WOJTAS – Dyrektor ds. Technicznych firmy CIAT
Źródło: