آیس استوریج چیست و طراحی سیستم ایس استوریج

آیس استوریج یا  ذخیره سازی یخ چیست؟

یکی از روش­های ذخیره سازی انرژی که در کنار سیستم­ های تهویه و سرمایشی به کار برده می­شود فناوری آیس استوریج (Ice Storage) است. امروزه طراحی، توسعه و استفاده از سیستم ­های مختلف  ذخیره سازی انرژی در دستور کار بسیاری از شرکت­ های مهندسی و مؤسسات تحقیقاتی در نقاط مختلف جهان است. سیستم ایس استوریج بخشی از مصرف انرژی سیستم تهویه مطبوع را به ساعات شب که مصرف کلی انرژی و در نتیجه قیمت برق کمتر است منتقل می­کند و با این کار علاوه بر ایجاد مزایای اقتصادی و زیست محیطی، قابلیت اطمینان سیستم را نیز افزایش می­دهد.

در هنگام طراحی سیستم سرمایشی ساختمان، ظرفیت سرمایشی چیلر بر اساس بار برودتی ساختمان تعیین می­گردد. بار برودتی ساختمان از عوامل مختلفی ناشی می­شود که یا موجب تولید حرارت در داخل ساختمان می­شوند (مثل حضور افراد یا وسایل الکتریکی و حرارتی) یا حرارت را از محیط گرم بیرون به محیط داخل ساختمان منتقل می­کنند (مثل دیوارها و پنجره ­ها). میزان بار برودتی در ساعات مختلف روز و روز­های مختلف سال یکسان نیست و بیشترین بار برودتی ساختمان در روزهای گرم تابستان و ساعات بعد از ظهر اتفاق می­افتد.

در یک سیستم تهویه مطبوع معمولی، ظرفیت سرمایشی چیلر بر اساس بار برودتی در دمای طرح خارج تابستانی انتخاب می­شود و دمای طرح بر اساس میانگین سی ساله­ی دما در منطقه جغرافیایی مورد نظر به نحوی تعیین می­گردد که تنها در 0.4 درصد از طول سال، یعنی حدود 35 ساعت، دمای هوای محیط بیشتر از دمای طرح باشد. لذا در اکثر مواقع، به خصوص در ساعات شب، سیستم سرمایشی با توانی کمتر از ظرفیت خود کار می­کند.

یک روش جایگزین استفاده از سیستم آیس استوریج یا  ذخیره سازی یخ در کنار سیستم سرمایشی است. برای خرید سیستم های نگه داری یخ میتوانید به بخش محصولات فراسرد مراجعه کنید. در این سیستم ­ها، چیلر در ساعات شب که مصرف برق و در نتیجه قیمت آن پایین­تر است به کار می­افتد، ولی به جای خنک کردن ساختمان، آب موجود در سیستم آیس استوریج را به یخ تبدیل می­کند. در ساعات روز و اوج گرما، یخ ذخیره شده در کنار چیلر برای تولید آب سرد مورد استفاده قرار می ­گیرد و با دریافت گرما مجدداً ذوب می­شود. بدین ترتیب بخشی از بار سرمایشی سیستم از ساعات اوج گرما به ساعات شب که مصرف انرژی کمتر است منتقل می­شود.

سیستم های  ذخیره سازی یخ چگونه عمل می­کنند؟

سیستم آیس استوریج که در کنار سیستم سرمایشی به کار برده می­شود دارای یک سیکل جداگانه است که سیال عامل آن محلول گلیکول-آب است و اجزاء اصلی آن، چیلر، پمپ و کویل­ های یخ ساز هستند. یک سیستم ایس استوریج و سیکل آن دارای دو حالت عملکردی هستند: 1. حالت شارژ یخ و 2. حالت ذوب یخ.

در حالت شارژ یخ، محلول گلیکول در چیلر تا دمای منفی 6.7 سانتی گراد سرد شده و به کویل ­های یخ ساز داخل مخزن ذخیره یخ پمپ می­شود. این مخازن پر از آب هستند و با عبور محلول گلیکول سرد از داخل کویل، آب داخل مخزن شروع به یخ زدن می­کند. این فرآیند با تشکیل حلقه­های یخ اطراف لوله­ های کویل شروع شده و تا یخ زدن کامل آب ادامه می­ یابد؛ البته می­توان با استفاده از یک سیستم کنترل و PLC، میزان ضخامت یخ را مطابق نیاز تنظیم کرد. حالت شارژ یخ معمولاً بین 8 تا 10 ساعت به طول می ­انجامد و در طی ساعات خنک ­تر شبانه ­روز و کم ­باری شبکه برق انجام می ­گیرد.

در حالت عملکردی ذوب یخ، سیکل محلول گلیکول از دور خارج شده و آب مبرد در داخل مخازن ذخیره یخ جریان پیدا می­کند. آب مبرد با عبور از مخازن پر از یخ، سرد شده و به هواساز یا فن کویل­ های داخل ساختمان پمپ می­شود. در این حالت یخ داخل مخازن با دریافت گرما از آب مبرد به تدریج ذوب می­شود. بدین ترتیب سرمایش ذخیره شده در حالت شارژ یخ، در زمان پیک بار مصرف می­گردد.

مزایای استفاده از آیس استوریج در سیستم­ های سرمایشی

استفاده از آیس استوریج در کنار چیلر مزایای متعدد اقتصادی، زیست محیطی و عملیاتی دارد که در ادامه برخی از مهم ­ترین آن­ها شرح داده شده اند. این مزایا عمدتاً به خاطر کم شدن مصرف انرژی در طول ساعات اوج مصرف برق ایجاد می­شوند، ولی یکی دیگر از عوامل ایجاد این مزایا، کمتر شدن دمای آب تبرید خروجی از سیستم سرمایشی در مقایسه با سیستم چیلر معمولی است. این امر به طراحان اجازه می­دهد که اختلاف دمای آب تبرید در ورود به چیلر و خروج از آن را در طراحی سیستم تهویه بیشتر در نظر بگیرند.

در سیستم ­های معمولی این اختلاف دما عموماً 6.6 سانتی گراد در نظر گرفته می­شود ولی در سیستم­ های آیس استوریج می­تواند به 10 درجه سانتی گراد نیز برسد. با توجه به مجموع عوامل فوق، استفاده از سیستم ­های ایس استوریج در تهویه مطبوع مزایایی دارد که در ادامه به مهم­ ترین آن­ها اشاره می­شود.

1.     مصرف کم و اقتصادی

مهم­ ترین مزیت اقتصادی استفاده از سیستم آیس استوریج انتقال بخشی از مصرف انرژی از ساعات اوج مصرف و برق گران قیمت به ساعات شب با برق ارزان­تر است. این کار هزینه عملیاتی سیستم را کمتر می­کند. از طرف دیگر با توجه به این که بخشی از توان سرمایشی مورد نیاز در اوج گرما توسط یخ ذخیره­ شده تأمین می­گردد می­توان از چیلرهایی با ظرفیت سرمایشی کمتر و در نتیجه قیمت پایین­تر استفاده کرد.

همچنین به دلیل سردتر بودن دمای آب تبرید خروجی از سیستم سرمایشی، حجم آب و هوای مورد نیاز برای سرمایش کمتر بوده و بنابراین از پمپ­ ها، فن ­ها، لوله­ ها و کانال ­های کوچک تری می­توان استفاده کرد.

یکی دیگر از مزایای اقتصادی استفاده از سیستم آیس استوریج در کنار سیستم سرمایشی، نیاز کمتر چیلرها به تعمیر و نگهداری است. در یک سیستم سرمایشی عادی چیلرها در اکثر اوقات با توانی کمتر از ظرفیت خود کار می­کنند. علاوه بر این، بسته به تغییرات بار سرمایشی خاموش و روشن می­شوند. اما در یک سیستم سرمایشی آیس استوریج، چیلرها معمولاً با فاکتور ظرفیت بالاتری (در هنگام شارژ نزدیک 100%) کار می­کنند و نوسانات بار سرمایشی توسط سیستم آیس استوریج جبران می­شود. لذا عملکرد چیلرها یکنواخت ­تر بوده و تعداد دفعات خاموش و روشن شدن آن­ها کاهش پیدا می­کند. بنابراین در یک سیستم سرمایشی دارای قابلیت آیس استوریج، میزان استهلاک چیلرها نسبت به سیستم ­های سرمایشی معمولی کمتر خواهد بود.

2.     افزایش قابلیت اطمینان سیستم

یخ ذخیره شده در سیستم آیس استوریج می­تواند در هنگام خاموشی موقت چیلرها به عنوان سیستم پشتیبان عمل کرده و تا حدودی توان سرمایشی حذف شده را جبران کند. این قابلیت در ساختمان ­هایی مثل مراکز داده (Data Centers) که نیاز به قابلیت اطمینان بالایی دارند از اهمیت زیادی برخوردار است.

3.     حفظ محیط زیست

به طور کلی در ساعات اوج مصرف یا اصطلاحاً پیک بار شبکه برق، تولید برق با حداکثر ظرفیت انجام می­ گیرد و واحدهای تولید توانِ کم بازده نیز وارد مدار می­شوند. لذا میزان آلایندگی به ازای هر کیلووات ساعت برق تولید شده، در زمان اوج مصرف بیشتر از زمان­های کم ­باری شبکه است.

بنابراین استفاده از سیستم آیس استوریج و مصرف برق در ساعات کم باری به جای ساعات اوج مصرف می­تواند در کاهش آلودگی هوا نیز مؤثر بوده و میزان انتشار CO₂ و ردپای کربن سیستم سرمایشی را کاهش دهد.

کاربردهای آیس استوریج

از نظر فنی می­توان فناوری آیس استوریج را در سیستم ­های سرمایشی بزرگ و کوچک مورد استفاده قرار داد، با این حال، معمولاً برای سیستم ­های کوچک (ظرفیت کمتر از 100 تن تبرید) این کار توجیه اقتصادی ندارد. اما در خصوص سیستم ­های بزرگ با ظرفیت ­های چند صد تن یا چند هزار تن تبرید کاملاً از نظر اقتصادی توجیه پذیر است.

همچنین مهم ­ترین موارد استفاده از این فناوری عبارتند از:

·       صنعت تهویه مطبوع

یکی از بهترین موارد برای استفاده از آیس استوریج، سیستم­ های تهویه مطبوع ساختمان­ ها هستند. ساختمان ­هایی مثل دفاتر اداری، بیمارستان­ ها، فروشگاه ­های بزرگ، مدارس، دانشگاه ­ها و استادیوم ­های ورزشی کاربران متداول این فناوری هستند.

·       خنک کاری فرآیندی

در صنایعی مثل فرآوری مواد غذایی، داروسازی و … که نیاز به خنک ­کاری و ثابت نگه داشتن دما دارند. در کنار ایس استورج نیاز به خرید چیلرهای دارویی است که میتوانید با کارشناسان ما در تماس باشید.

·       خنک کردن هوای ورودی توربین گاز

در بسیاری از واحدهای توربین گاز، برای خنک کردن هوای ورودی به توربین و در نتیجه بالا نگه داشتن بازده توربین در روزهای گرم تابستان، از سیستم آیس استوریج استفاده شده است.

·       واحدهای سرمایش منطقه ­ای (District Cooling)

به کار گیری در کنار سیستم ­های تولید برق بادی و خورشیدی با توجه به ناپیوستگی تولید برق در این سیستم­ها و نیاز آن­ها به وجود سیستم ­های ذخیره سازی انرژی

جمع بندی

فناوری آیس استوریج یا ذخیره سازی یخ، یکی از فناوری ­های ذخیره سازی انرژی مختص سیستم ­های سرمایشی است که امکان ذخیره انرژی در ساعات کم باری شبکه برق و مصرف آن در ساعات پیک بار را فراهم می­کند. در سیستم ­های آیس استوریج این کار با استفاده از تولید یخ در شب و ذوب کردن آن در روز انجام می ­گیرد. استفاده از فناوری آیس استوریج در سیستم ­های سرمایشی، خصوصاً سیستم ­های بزرگ، مزایای مختلف اقتصادی و زیست محیطی داشته و قابلیت اطمینان سیستم را بیشتر می­کند.