Thermal energy storage (TES) involves adding heat (thermal) energy to a storage medium, and then removing it from that medium for use at some other time. This may involve storing thermal energy at high temperatures (heat storage) or at low temperatures (cool storage).
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.
Plusieurs technologies de stockage de glace ont été introduites, ont prospéré pendant une courte période et ont ensuite quitté le marché. Les systèmes de stockage de glace à base de glycol continuent d’être très populaires car ils sont simples et similaires aux systèmes à eau réfrigérée conventionnels. Toute application adaptée à un système d’eau glacée est candidate au stockage de glace à base de glycol.
This type of ice storage system uses a chiller to cool a heat-transfer fluid, often a mixture of water and antifreeze (such as glycol), to a temperature below the freezing point of water. This fluid is pumped through one or more ice storage tanks, where heat is transferred from the water inside the tank to the heat-transfer fluid. This causes the water inside the tank to freeze.
Lorsque l'énergie thermique est nécessaire ultérieurement, le fluide caloporteur est à nouveau pompé à travers le réservoir de stockage, mais maintenant à une température supérieure au point de congélation de l'eau. La chaleur est transférée du fluide caloporteur à la glace stockée à l’intérieur du réservoir, provoquant la fonte de la glace.
L'ajout de stockage de glace à un système CVC peut réduire les coûts de services publics associés au refroidissement en déplaçant le fonctionnement du refroidisseur des périodes d'électricité coûteuse vers des périodes d'électricité à faible coût.
La figure ci-dessus montre un profil de charge de refroidissement au jour de conception pour un exemple de bâtiment. Entre minuit et 6 heures du matin, le bâtiment est inoccupé et il n'y a aucune charge de refroidissement. A 6 heures du matin, le bâtiment commence à être occupé et la charge de refroidissement augmente. La charge de refroidissement est la plus élevée entre 11 heures et 16 heures, puis diminue considérablement après 17 heures lorsque les gens quittent le bâtiment. Il y a une petite charge de refroidissement qui continue tout au long de la soirée, avant de disparaître à minuit.
La plupart des compagnies d’électricité connaissent la plus grande demande d’électricité pendant la journée, certaines étant même confrontées à des pénuries de capacité. Pour encourager la réduction de la consommation d'électricité pendant ces périodes, de nombreuses sociétés de services publics d'électricité ont établi des tarifs selon l'heure de la journée qui créent des plages horaires pour une électricité plus coûteuse pendant ces périodes de forte demande. Les heures où le coût de l’électricité est élevé sont souvent appelées période de « pointe ». En revanche, la période « hors pointe » fait référence aux heures où le coût de l’électricité est moins élevé.
Pour ce même exemple de bâtiment, midi à 20 heures est défini comme période de pointe. Toutes les autres heures sont définies comme période creuse.
Another common component of the electric utility rate is a demand charge. This is a fee based on the highest power (kW) draw, or demand, used by the building during a specified time frame. Typically, either the demand charge only applies to the on-peak period, or the on-peak demand charge is significantly higher than the off-peak demand charge.
Les systèmes de stockage de glace réduisent les coûts mensuels des services publics en faisant fondre la glace pour satisfaire les charges de refroidissement des bâtiments pendant la période de pointe. Cela évite, ou réduit considérablement, l'électricité nécessaire au fonctionnement du refroidisseur pendant cette période. Le fonctionnement du refroidisseur est décalé vers la période creuse, pendant laquelle le coût de l'électricité est inférieur et la charge de demande est faible, voire inexistante. Le refroidisseur est utilisé pendant cette période pour geler l'eau à l'intérieur des réservoirs de stockage, stockant ainsi l'énergie thermique jusqu'à la période de pointe.
Dans cet exemple, les charges de refroidissement du bâtiment qui surviennent pendant la période de pointe, entre midi et 20 heures, sont satisfaites en faisant fondre la glace stockée, et le refroidisseur est éteint.
Ce type de système, souvent appelé « système de stockage complet », n’est possible que si la capacité de stockage des réservoirs est suffisamment grande pour satisfaire les charges de refroidissement de pointe pour une journée donnée.
Cependant, le coût d'installation d'un système de stockage complet peut ne pas être réalisable. De nombreux systèmes de stockage de glace ont une capacité suffisante pour satisfaire seulement une partie des charges de refroidissement en période de pointe. Ce type de système est souvent appelé « système de stockage partiel ».
Dans cet exemple de système de stockage partiel, les charges de refroidissement qui se produisent pendant la période de pointe sont satisfaites en faisant fondre la glace et en faisant fonctionner le refroidisseur. Le refroidisseur fonctionne à capacité réduite, consomme moins d'énergie et consomme moins d'énergie. Les charges de refroidissement supérieures à la capacité fournie par le refroidisseur sont satisfaites en faisant fondre la glace stockée.
Éteindre le refroidisseur ou réduire considérablement sa capacité pendant la période de pointe réduit la consommation de cette électricité plus chère et réduit la demande électrique en période de pointe. Les deux peuvent entraîner une baisse des factures mensuelles de services publics.
At first glance, it might appear that an ice storage system designed to reduce on-peak electrical demand (kW) is the same as a system designed to reduce on-peak electrical consumption (kWh). Which of the two is most important, however, can significantly change how the system is designed and/or controlled.
To reduce the on-peak demand, the system should melt ice only when the electrical demand of the building is highest. It is perfectly acceptable to have ice remaining inside the tank at the end of the day. This approach, called “peak shaving,” is commonly used when the on-peak electrical demand (kW) rate is high, but the electrical consumption (kWh) rates are nearly equal from off-peak to on-peak periods. Peak shaving attempts to find the optimum balance between reducing on-peak electrical demand (by melting ice and operating the chiller at reduced capacity) and avoiding significantly increasing off-peak electrical consumption (which happens when the chiller needs to operate in the ice-making mode).
Alternatively, to reduce on-peak electrical consumption, the system should melt as much ice as possible every day. This approach, called “load shifting,” is commonly used when the on-peak electrical consumption (kWh) rate is significantly higher than the off-peak consumption rate. Load shifting attempts to reduce on-peak electrical consumption as much as possible by melting all of the ice during the on-peak period, and shifting chiller operation to the off-peak period.
Bien qu'il soit possible qu'un système conçu pour l'écrêtement des pointes ait la même capacité de stockage de glace qu'un système conçu pour le déplacement de charge, ces deux systèmes sont contrôlés différemment.
En plus de réduire les coûts mensuels des services publics, un autre avantage potentiel du stockage de glace est de réduire la taille et la capacité des équipements de refroidissement mécanique.
When ice storage is used to satisfy all or part of the design (or worst-case) cooling load, the chiller may be able to be downsized as long as the downsized chiller has sufficient time to re-freeze the water inside the tanks.
Des refroidisseurs plus petits et électriques peuvent également entraîner une réduction du service électrique du bâtiment, ce qui peut également réduire les coûts d'installation.
Avantages potentiels
- Coûts des services publics réduits
- Lower on-peak electrical consumption (kWh)
- Lower on-peak electrical demand (kW)
- Taille d'équipement plus petite
- Un refroidisseur plus petit
- Smaller electrical service (A)
- Coût d’installation réduit
- Peut être admissible à des remises sur les services publics ou à d'autres incitations
While the ice storage tanks add to the installed cost of the system, the impact of downsizing the mechanical cooling equipment may offset some (or all) of this added cost. Additionally, some electric utility companies offer rebates or other incentives when ice storage is used to reduce on-peak electrical demand. When these incentives are available, adding ice storage may even reduce the overall installed cost of the system.
Dans certaines installations, chacun de ces avantages peut être réalisé. Cependant, dans d'autres installations, un ou plusieurs peuvent ne pas se produire. Par exemple, l’ajout de stockage de glace peut réduire les coûts des services publics, mais le temps disponible pour recongeler l’eau à l’intérieur des réservoirs peut être si court que le refroidisseur doit rester de la même taille afin de geler l’eau assez rapidement.
Référence
TRC019-EN Systèmes de stockage de glace
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