El almacenamiento de energía térmica (TES) implica agregar energía (térmica) a un medio de almacenamiento y luego eliminarla de ese medio para usar en otro momento. Esto puede implicar almacenar energía térmica a altas temperaturas (almacenamiento de calor) o a bajas temperaturas (almacenamiento frío).
In HVAC applications, the most-common storage media used for cool thermal storage are ice and water. A chilled-water storage system uses the sensible-heat capacity of a large volume of water to store thermal energy. A chiller is used to lower the temperature of water, and this cool water is stored in a large tank for use at another time. An ice storage system, however, uses the latent capacity of water, associated with changing phase from a solid (ice) to a liquid (water), to store thermal energy.
Several ice storage technologies have been introduced, flourished for a short period of time, and subsequently left the marketplace. Glycol-based ice storage systems continue to be very popular because they are simple and are similar to conventional chilled-water systems. Any application that is suitable for a chilled-water system is a candidate for glycol-based ice storage.
Este tipo de sistema de almacenamiento de hielo utiliza una enfriadora para enfriar un fluido de transferencia de calor, a menudo una mezcla de agua y anticongelante (como el 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 el calor se transfiere del agua dentro del tanque al fluido de transferencia de calor. Esto hace que el agua dentro del tanque se congele.
Cuando se necesita la 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 desde tiempos de electricidad de alto costo hasta tiempos 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 a.m., el edificio está desocupado y no hay carga de enfriamiento. A las 6 a.m., 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., ya que las personas salen del edificio. Hay una pequeña carga de enfriamiento que continúa durante las horas de la noche, antes de irse a la medianoche.
La mayoría de las compañías de servicios eléctricos experimentan la mayor demanda de electricidad durante las horas diurnas, y algunas incluso enfrentan escasez de capacidad. Para fomentar la reducción del uso de electricidad durante estos tiempos, muchas compañías de servicios eléctricos han establecido tarifas de tiempo 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 conoce como el período "en el 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 a las 8 pm se define como el período en el pico. Todas las demás horas se definen como el período de pico.
Otro componente común de la tasa de servicios eléctricos es un cargo de demanda. Esta es una tarifa basada en el sorteo de mayor potencia (KW), o demanda, utilizada por el edificio durante un marco de tiempo específico. Por lo general, el cargo de demanda solo se aplica al período en el pico, o el cargo de demanda en el pico es significativamente mayor que el cargo de demanda fuera de pico.
Los sistemas de almacenamiento de hielo menores costos mensuales mensuales derritiendo hielo para satisfacer las cargas de enfriamiento del edificio durante el período de pico. Esto evita, o se reduce significativamente, la electricidad requerida para operar el enfriador durante ese período de tiempo. El funcionamiento del enfriador se desplaza al período de picos, durante el cual el costo de la electricidad es más bajo y la carga de demanda es menor o inexistente. El enfriador se usa durante ese período para congelar el agua dentro de los tanques de almacenamiento, almacenando la energía térmica hasta el período de pico.
En este ejemplo, las cargas de enfriamiento del edificio que ocurren durante el período de pico, que ocurre entre el mediodía y las 8 pm, se satisfacen derretiendo el hielo almacenado, y el enfriador se apaga.
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 en el pico para el día dado.
Sin embargo, el costo instalado de un sistema de almacenamiento completo puede no ser factible. Muchos sistemas de almacenamiento de hielo tienen suficiente capacidad para satisfacer solo una parte de las cargas de enfriamiento en el pico. Este tipo de sistema a menudo se llama un "sistema de almacenamiento parcial".
En este ejemplo del sistema de almacenamiento parcial, las cargas de enfriamiento que ocurren durante el período de pico se satisfacen por derretir hielo y operar el enfriador. El enfriador opera a una capacidad reducida, consume menos energía y atrae menos energía. Las cargas de enfriamiento mayores que la capacidad proporcionada por el enfriador se satisfacen al derretir el hielo almacenado.
Apagando el enfriador, o reduciendo significativamente su capacidad, durante el período de pico reduce el consumo de esta electricidad de mayor precio y reduce la demanda eléctrica en el pico. Ambos pueden resultar en facturas mensuales mensuales más bajas.
A primera vista, puede parecer que un sistema de almacenamiento de hielo diseñado para reducir la demanda eléctrica (KW) en el pico (KW) es el mismo que un sistema diseñado para reducir el consumo eléctrico (KWH). Sin embargo, cuál de los dos es más importante puede cambiar significativamente la forma en que el sistema está diseñado y/o controlado.
Para reducir la demanda en el pico, el sistema debe derretir el hielo solo cuando la demanda eléctrica del edificio sea más alta. Es perfectamente aceptable tener hielo dentro del tanque al final del día. Este enfoque, llamado "afeitado pico", se usa comúnmente cuando la velocidad de demanda eléctrica en el pico (KW) es alta, pero las tasas de consumo eléctrico (kWh) son casi iguales de los períodos de pico a pico. El afeitado máximo intenta encontrar el equilibrio óptimo entre reducir la demanda eléctrica en el pico (al derretir el hielo y operar el enfriador a una capacidad reducida) y evitar un aumento significativo del consumo eléctrico fuera de la pico (que sucede cuando el enfriador necesita funcionar en el modo de fabricación de hielo).
Alternativamente, para reducir el consumo eléctrico en el 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 en el pico (KWH) es significativamente más alta que la tasa de consumo de pico de pico. El cambio de carga intenta reducir el consumo eléctrico en el pico tanto como sea posible derretiendo todo el hielo durante el período de pico y la operación del enfriador cambiante al período de picos.
Si bien es posible que un sistema diseñado para el afeitado máximo tenga la misma capacidad de almacenamiento de hielo que un sistema diseñado para el cambio de 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 de los equipos de enfriamiento mecánico.
Cuando el almacenamiento de hielo se usa para satisfacer todo o parte de la carga de enfriamiento del diseño (o peor), el enfriador puede reducirse siempre que el enfriador de tamaño reducido tenga suficiente tiempo para volver a congelar el agua dentro de los tanques.
Los enfriadores más pequeños y conducidos eléctricamente también pueden dar lugar a un servicio eléctrico más pequeño al edificio, lo que también puede reducir el costo instalado.
Beneficios potenciales
- Menores costos de servicios públicos
- Consumo eléctrico más bajo en el pico (KWH)
- Demanda eléctrica más baja en el pico (KW)
- Tamaño de equipo más pequeño
- Enfriador más pequeño
- Servicio eléctrico más pequeño (a)
- Costo instalado reducido
- Puede calificar para reembolsos de servicios públicos u otros incentivos
Si bien los tanques de almacenamiento de hielo se suman al costo instalado del sistema, el impacto de reducir el tamaño del equipo de enfriamiento mecánico puede compensar algunos (o todos) de este costo adicional. Además, algunas compañías de servicios eléctricos ofrecen reembolsos u otros incentivos cuando el almacenamiento de hielo se utiliza para reducir la demanda eléctrica en el pico. Cuando estos incentivos están disponibles, agregar almacenamiento de hielo incluso puede reducir el costo general instalado del sistema.
En algunas instalaciones, cada uno de estos beneficios podría realizarse. Sin embargo, en otras instalaciones, una o más no se producen una o más. Por ejemplo, agregar almacenamiento de hielo puede reducir los costos de utilidad, 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
Sistemas de almacenamiento de hielo TRC019
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