El almacenamiento de energía térmica (TES) implica agregar energía térmica (térmica) a un medio de almacenamiento y luego retirarla de ese medio para usarla en otro momento. Esto puede implicar el almacenamiento de energía térmica a altas temperaturas (almacenamiento de calor) o a bajas temperaturas (almacenamiento en frío).
En las aplicaciones HVAC, los medios de almacenamiento más comunes utilizados para el almacenamiento térmico en frío son el hielo y el agua. Un sistema de almacenamiento de agua enfriada utiliza la capacidad de calor sensible de un gran volumen de agua para almacenar energía térmica. Se usa un enfriador para bajar la temperatura del agua, y esta agua fría se almacena en un tanque grande para usarla en otro momento. Sin embargo, un sistema de almacenamiento de hielo utiliza la capacidad latente del agua, asociada con el cambio de fase de sólido (hielo) a líquido (agua), para almacenar energía térmica.
Se introdujeron varias tecnologías de almacenamiento de hielo, florecieron durante un corto período de tiempo y posteriormente abandonaron el mercado. Los sistemas de almacenamiento de hielo a base de glicol continúan siendo muy populares porque son simples y similares a los sistemas convencionales de agua enfriada. Cualquier aplicación que sea adecuada para un sistema de agua enfriada es candidata para el almacenamiento de hielo a base de glicol.
Este tipo de sistema de almacenamiento de hielo utiliza un enfriador para enfriar un fluido de transferencia de calor, a menudo una mezcla de agua y anticongelante (como glicol), a una temperatura por debajo del punto de congelación del agua. Este fluido se bombea a través de uno o más tanques de almacenamiento de hielo, donde se transfiere el calor del agua dentro del tanque al fluido caloportador. Esto hace que el agua dentro del tanque se congele.
Cuando se necesita energía térmica en un momento posterior, el fluido de transferencia de calor se bombea nuevamente a través del tanque de almacenamiento, pero ahora a una temperatura por encima del punto de congelación del agua. El calor se transfiere del fluido de transferencia de calor al hielo almacenado dentro del tanque, lo que hace que el hielo se derrita.
Agregar almacenamiento de hielo a un sistema HVAC puede reducir los costos de servicios públicos asociados con el enfriamiento al cambiar la operación del enfriador de momentos de electricidad de alto costo a momentos de electricidad de bajo costo.
La figura anterior muestra un perfil de carga de enfriamiento del día de diseño para un edificio de ejemplo. Entre la medianoche y las 6 am, el edificio está desocupado y no hay carga de enfriamiento. A las 6 am, el edificio comienza a estar ocupado y la carga de enfriamiento aumenta. La carga de enfriamiento es más alta entre las 11 a. m. y las 4 p. m., y luego disminuye drásticamente después de las 5 p. m. cuando las personas abandonan el edificio. Hay una pequeña carga de enfriamiento que continúa a lo largo de las horas de la tarde, antes de desaparecer a la medianoche.
La mayoría de las empresas de servicios eléctricos experimentan la mayor demanda de electricidad durante el día, y algunas incluso enfrentan escasez de capacidad. Para alentar la reducción del uso de electricidad durante estos tiempos, muchas compañías de servicios eléctricos han establecido tarifas según la hora del día que crean ventanas de tiempo para electricidad de mayor costo durante estos períodos de alta demanda. Las horas en que el costo de la electricidad es alto a menudo se conocen como el período de "pico". Por otro lado, el período “fuera de pico” se refiere a las horas en que el costo de la electricidad es más bajo.
Para este mismo edificio de ejemplo, el mediodía hasta las 8:00 p. m. se define como el período de máxima actividad. Todas las demás horas se definen como el período de menor actividad.
Otro componente común de la tarifa de servicios públicos de electricidad es un cargo por demanda. Esta es una tarifa basada en el mayor consumo de energía (kW), o demanda, utilizada por el edificio durante un período de tiempo específico. Por lo general, el cargo por demanda solo se aplica al período de mayor demanda o el cargo por demanda en horas pico es significativamente más alto que el cargo por demanda fuera de las horas pico.
Los sistemas de almacenamiento de hielo reducen los costos mensuales de los servicios públicos al derretir el hielo para satisfacer las cargas de enfriamiento del edificio durante el período pico. Esto evita, o reduce significativamente, la electricidad requerida para operar el enfriador durante ese período de tiempo. El funcionamiento de la enfriadora se cambia al período de menor actividad, durante el cual el costo de la electricidad es más bajo y el cargo por demanda es más bajo o inexistente. El enfriador se utiliza durante ese período para congelar el agua dentro de los tanques de almacenamiento, almacenando la energía térmica hasta el período de punta.
En este ejemplo, las cargas de enfriamiento del edificio que ocurren durante el período pico, que ocurre entre el mediodía y las 8 p. m., se satisfacen al derretir el hielo almacenado y se apaga el enfriador.
Este tipo de sistema, a menudo llamado "sistema de almacenamiento completo", solo es posible si la capacidad de almacenamiento de los tanques es lo suficientemente grande como para satisfacer las cargas de enfriamiento máximas para un día determinado.
Sin embargo, el costo de instalación de un sistema de almacenamiento completo puede no ser factible. Muchos sistemas de almacenamiento de hielo tienen capacidad suficiente para satisfacer solo una parte de las cargas de refrigeración en horas punta. Este tipo de sistema a menudo se denomina "sistema de almacenamiento parcial".
En este sistema de almacenamiento parcial de ejemplo, las cargas de refrigeración que se producen durante el período pico se satisfacen derritiendo hielo y haciendo funcionar el enfriador. El enfriador funciona a una capacidad reducida, consume menos energía y consume menos energía. Las cargas de refrigeración superiores a la capacidad proporcionada por el enfriador se satisfacen derritiendo el hielo almacenado.
Apagar el enfriador, o reducir significativamente su capacidad, durante el período de mayor demanda reduce el consumo de esta electricidad de mayor precio y reduce la demanda de electricidad durante el período de mayor demanda. Ambos pueden resultar en facturas de servicios públicos mensuales más bajas.
A primera vista, podría parecer que un sistema de almacenamiento de hielo diseñado para reducir la demanda eléctrica (kW) en horas pico es lo mismo que un sistema diseñado para reducir el consumo eléctrico (kWh) en horas pico. Sin embargo, cuál de los dos es más importante puede cambiar significativamente la forma en que se diseña y/o controla el sistema.
Para reducir la demanda máxima, el sistema debe derretir el hielo solo cuando la demanda eléctrica del edificio sea más alta. Es perfectamente aceptable que quede hielo dentro del tanque al final del día. Este enfoque, llamado "afeitado de picos", se usa comúnmente cuando la tasa de demanda eléctrica (kW) en horas pico es alta, pero las tasas de consumo eléctrico (kWh) son casi iguales entre los períodos de menor a mayor demanda. La reducción de picos intenta encontrar el equilibrio óptimo entre la reducción de la demanda eléctrica durante los picos (al derretir el hielo y hacer funcionar el enfriador a capacidad reducida) y evitar aumentar significativamente el consumo eléctrico fuera de los picos (lo que sucede cuando el enfriador necesita operar en el proceso de fabricación de hielo). modo).
Alternativamente, para reducir el consumo eléctrico en horas pico, el sistema debe derretir la mayor cantidad de hielo posible todos los días. Este enfoque, llamado "cambio de carga", se usa comúnmente cuando la tasa de consumo eléctrico (kWh) en horas pico es significativamente más alta que la tasa de consumo fuera de horas pico. El cambio de carga intenta reducir el consumo eléctrico en horas pico tanto como sea posible al derretir todo el hielo durante el período pico y cambiar la operación del enfriador al período fuera de horas pico.
Si bien es posible que un sistema diseñado para reducir los picos tenga la misma capacidad de almacenamiento de hielo que un sistema diseñado para cambiar la carga, estos dos sistemas se controlan de manera diferente.
Además de reducir los costos mensuales de servicios públicos, otro beneficio potencial del almacenamiento de hielo es reducir el tamaño y la capacidad del equipo de enfriamiento mecánico.
Cuando el almacenamiento de hielo se utiliza para satisfacer la totalidad o parte de la carga de enfriamiento de diseño (o en el peor de los casos), el enfriador puede reducirse siempre que el enfriador reducido tenga tiempo suficiente para volver a congelar el agua dentro de los tanques.
Los enfriadores eléctricos más pequeños también pueden resultar en un servicio eléctrico más pequeño para el edificio, lo que también puede reducir el costo de instalación.
Beneficios potenciales
- Menores costos de servicios públicos
- Menor consumo eléctrico en horas pico (kWh)
- Menor demanda eléctrica en horas punta (kW)
- Tamaño de equipo más pequeño
- Enfriador más pequeño
- Servicio eléctrico menor (A)
- Costo de instalación reducido
- Puede calificar para reembolsos de servicios públicos u otros incentivos
Si bien los tanques de almacenamiento de hielo aumentan el costo de instalación del sistema, el impacto de reducir el tamaño del equipo de enfriamiento mecánico puede compensar parte (o la totalidad) de este costo adicional. Además, algunas empresas de servicios eléctricos ofrecen descuentos u otros incentivos cuando se utiliza el almacenamiento de hielo para reducir la demanda eléctrica en horas punta. Cuando estos incentivos están disponibles, agregar almacenamiento de hielo puede incluso reducir el costo total de instalación del sistema.
En algunas instalaciones, cada uno de estos beneficios podría realizarse. En otras instalaciones, sin embargo, uno o más pueden no ocurrir. Por ejemplo, agregar almacenamiento de hielo puede reducir los costos de los servicios públicos, pero el tiempo disponible para volver a congelar el agua dentro de los tanques puede ser tan corto que el enfriador debe permanecer del mismo tamaño para congelar el agua lo suficientemente rápido.
Referencia
TRC019-EN Ice Storage Systems
