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.
Sono state introdotte diverse tecnologie di stoccaggio del ghiaccio, fiorite per un breve periodo di tempo e successivamente abbandonate dal mercato. I sistemi di stoccaggio del ghiaccio basati su glicole continuano ad essere molto popolari perché sono semplici e simili ai tradizionali sistemi ad acqua refrigerata. Qualsiasi applicazione adatta per un sistema ad acqua refrigerata è candidata allo stoccaggio del ghiaccio a base di glicole.
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.
Quando l'energia termica sarà necessaria in un secondo momento, il fluido termovettore viene nuovamente pompato attraverso il serbatoio di accumulo, ma ora a una temperatura superiore al punto di congelamento dell'acqua. Il calore viene trasferito dal fluido termovettore al ghiaccio immagazzinato all'interno del serbatoio, provocandone lo scioglimento.
L'aggiunta di un sistema di stoccaggio del ghiaccio a un sistema HVAC può ridurre i costi delle utenze associati al raffreddamento spostando il funzionamento del refrigeratore da periodi di elettricità ad alto costo a periodi di elettricità a basso costo.
La figura sopra mostra un profilo del carico di raffreddamento del giorno della progettazione per un edificio di esempio. Tra mezzanotte e le 6 del mattino l'edificio non è occupato e non vi è alcun carico di raffreddamento. Alle 6 del mattino l'edificio inizia ad essere occupato e il carico di raffreddamento aumenta. Il carico di raffreddamento è massimo tra le 11:00 e le 16:00, per poi diminuire drasticamente dopo le 17:00 quando le persone lasciano l'edificio. C'è un piccolo carico di raffreddamento che continua per tutte le ore serali, prima di spegnersi a mezzanotte.
La maggior parte delle aziende di servizi elettrici sperimentano la maggiore domanda di elettricità durante le ore diurne, e alcune addirittura si trovano ad affrontare carenze di capacità. Per incoraggiare la riduzione del consumo di elettricità durante questi periodi, molte società di servizi elettrici hanno stabilito tariffe orarie che creano finestre temporali per l’elettricità a costi più elevati durante questi periodi di forte domanda. Le ore in cui il costo dell’elettricità è elevato vengono spesso definite “periodo di punta”. D'altra parte, il periodo “non di punta” si riferisce alle ore in cui il costo dell'elettricità è più basso.
Per questo stesso edificio di esempio, dalle 12:00 alle 20:00 viene definito il periodo di punta. Tutte le altre ore sono definite come periodo non di punta.
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.
I sistemi di stoccaggio del ghiaccio riducono i costi mensili delle utenze sciogliendo il ghiaccio per soddisfare i carichi di raffreddamento dell’edificio durante il periodo di punta. Ciò evita, o riduce significativamente, l'elettricità necessaria per far funzionare il refrigeratore durante quel periodo di tempo. Il funzionamento del refrigeratore viene spostato nei periodi non di punta, durante i quali il costo dell'elettricità è inferiore e il costo della domanda è inferiore o inesistente. Il refrigeratore viene utilizzato durante tale periodo per congelare l'acqua all'interno dei serbatoi di accumulo, immagazzinando l'energia termica fino al periodo di picco.
In questo esempio, i carichi di raffreddamento dell'edificio che si verificano durante il periodo di punta, ovvero tra mezzogiorno e le 20:00, vengono soddisfatti sciogliendo il ghiaccio immagazzinato e il refrigeratore viene spento.
Questo tipo di sistema, spesso chiamato “sistema di accumulo completo”, è possibile solo se la capacità di stoccaggio dei serbatoi è sufficientemente grande da soddisfare i carichi di raffreddamento di punta per un determinato giorno.
Il costo di installazione di un sistema di storage completo, tuttavia, potrebbe non essere sostenibile. Molti sistemi di stoccaggio del ghiaccio hanno una capacità sufficiente per soddisfare solo una parte dei carichi di raffreddamento di punta. Questo tipo di sistema è spesso chiamato “sistema di archiviazione parziale”.
In questo esempio di sistema di stoccaggio parziale, i carichi di raffreddamento che si verificano durante il periodo di punta vengono soddisfatti sciogliendo il ghiaccio e facendo funzionare il refrigeratore. Il refrigeratore funziona a capacità ridotta, consuma meno energia e assorbe meno energia. I carichi di raffreddamento superiori alla capacità fornita dal refrigeratore vengono soddisfatti sciogliendo il ghiaccio immagazzinato.
Spegnere il refrigeratore, o ridurne significativamente la capacità, durante il periodo di punta riduce il consumo di questa elettricità a prezzo più elevato e riduce la domanda elettrica durante il periodo di punta. Entrambi possono comportare una riduzione delle bollette mensili.
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.
Sebbene sia possibile che un sistema progettato per il peak shaving possa avere la stessa capacità di stoccaggio del ghiaccio di un sistema progettato per lo spostamento del carico, questi due sistemi sono controllati in modo diverso.
Oltre a ridurre i costi mensili delle utenze, un altro potenziale vantaggio dello stoccaggio del ghiaccio è quello di ridurre le dimensioni e la capacità delle apparecchiature di raffreddamento meccanico.
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.
I refrigeratori più piccoli e azionati elettricamente possono anche comportare un minore servizio elettrico per l'edificio, il che può anche ridurre i costi di installazione.
Potenziali benefici
- Costi delle utenze inferiori
- Lower on-peak electrical consumption (kWh)
- Lower on-peak electrical demand (kW)
- Dimensioni dell'attrezzatura più piccole
- Raffreddatore più piccolo
- Smaller electrical service (A)
- Costo di installazione ridotto
- Può beneficiare di sconti sui servizi pubblici o altri incentivi
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.
In alcune installazioni, ciascuno di questi vantaggi potrebbe essere realizzato. In altre installazioni, tuttavia, uno o più potrebbero non verificarsi. Ad esempio, l’aggiunta di un deposito di ghiaccio può ridurre i costi delle utenze, ma il tempo disponibile per ricongelare l’acqua all’interno dei serbatoi potrebbe essere così breve che il refrigeratore deve rimanere della stessa dimensione per congelare l’acqua abbastanza velocemente.
Riferimento
TRC019-EN Sistemi di stoccaggio del ghiaccio
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