انواع سیستم های مختلف آیس بانک Ice Bank (مخزن ذخیره سرمایی Cool Thermal Storage)

در این پایان نامه به بررسی انواع سیستمهای مختلف ایجاد یک آیس بانک (Ice Bank) یا یک مخزن ذخیره سرمایی (Cool Thermal Storage) پرداخته می شود. روشهای مختلفی که مورد بررسی قرار می گیرند عبارتند از :

1. روش یخ سازی روی کویل (خارجی)  (External Melt Ice-on-Coil Storage Storage System)
2. روش یخ سازی روی کویل (داخلی) (Internal Melt Ice-on-Coil Storage Storage System)
3. روش کپسولهای یخ یا توپهای یخ  (Encapsulated Ice)
4. روش نمک های اتکتیک  (Eutectic Salt Phase-Change Materials)

با استفاده از منابع معتبر سعی شده است تا تمام نکات قابل توجه و ضروری جهت ایجاد یک سیستم با مخزن ذخیره و همچنین نقاط قوت و ضعف هر روش مورد بحث و بررسی قرار گیرد.

در انتها چند مثال کاربردی در چگونگی انجام محاسبات و تخمین سایز مخزن مورد نیاز آورده شده است.

مقدمه

بحث استفاده از مخازن ذخیره سرمایی (Cool Thermal Storage) از سالهای 1970 و 1980 آغاز گردید. در این زمان نیروگاه های تولید انرژی الکتریکی متوجه ضرورت کاهش پیک مصرف انرژی برای سهولت و حتی پیشرفت در امر تولید و توزیع شده بودند و در خیلی از موارد بخصوص در روزهای گرم سال، مقدار ماکزیمم مصرف انرژی در یک پروژه بیشتر به سهم دستگاهها و تجهیزات تهویه مطبوع اختصاص داشت.

در بررسی انجام شده در ایالات متحده مشخص گردید که در بسیاری از ایالتها تبرید در تابستان بیش از %35  کل برق مصرفی را بخود اختصاص داده است. (در نتیجه صحبت بر سر بهینه سازی میلیاردها دلار هزینه انرژی مصرفی می باشد).

در نتیجه صنعت به این امر توجه نمود که اگر بتوان تبرید را در زمان غیر یک مصرف انرژی به طریقی ذخیره نمود و بعداً مورد استفاده قرار داد بار مصرفی زیادی از دوش شبکه در زمان پیک مصرف برداشته خواهد شد و در نتیجه ظرفیت بیشتری برای مصارف دیگر در طول این زمان در دست خواهد بود و همچنین از ظرفیت اوقات غیر پیک مصرف انرژی نیز بطور کامل استفاده خواهد گردید.

در نتیجه بسیاری از شرکتها و نیروگاههای تولید کننده انرژی الکتریکی از راههای مختلف از جمله با تغییر تعرفه خود، اضافه کردن مبالغ قابل توجهی به قیمت مصرف در زمان پیک مصرف انرژی، تعیین مبلغی اضافه برای مصرف کننده بر اساس مقدار ماکزیمم انرژی مصرفی در طول یک ماه ( هزینه دیماند Demand) )  (و نه براساس مقدار کل انرژی مصرفی) وحتی تعیین وامها و سوبسید هایی برای ترغیب مصرف کننده ها به انتقال پیک مصرف انرژی خود به سایتهای غیر پیک،  سعی در انتقال قسمتی از انرژی الکتریکی از ساعات پیک مصرف به ساعات غیر پیک نمودند.

مخزن ذخیره یکی از این راه است که کارکرد چیلرها را که از پرمصرف ترین دستگاههای تهویه مطبوع می باشند به ساعات دلخواه موکول می نماید. در اکثر موارد نیز هزینه ای که از کم کردن سایز چیلر صرفه جویی می گردد برای ساختن یک مخزن یا خرید آن کافی می باشد.

یکی از ضعف هایی که در اکثر پایان نامه ها به چشم می خورد مشخص نبودن منبع تک تک مطالب ذکر شده است؛ بطوریکه اگر خواننده به صحت بخشی از مطلب شک نماید بطور مشخص متوجه نخواهد شد که این بخش و یا این فرمول و یا حتی این جمله دقیقا از کدام منبع نقل شده است و لذا امکان پیگیری معتبر بودن آن امکان پذیر نبوده و یا با دشواری بسیار همراه خواهد بود. در این پایان نامه سعی گردیده تا تمام قسمتهای متن و حتی تک تک جملات با شماره هایی که داخل کروشه [ ] قرار گرفته اند به منبع مورد نظر ارجاع داده شوند ؛ بطوریکه خواننده بتواند خود صحت و یا میزان اعتبار تک تک جملات را بررسی و پیگیری نماید.

مطالبی که ناشی از اطلاعات شخصی یا دانسته ها یا  نگرش مهندسی یا برداشت شخصی اینجانب گردآورنده این پایان نامه می باشد و یا در اثر پرس و جو و تحقیق اینجانب روشن گردیده است و دارای منبع مورد تایید بین المللی ای نمی باشد، کلا داخل کروشه  [……. ] نقل می شود تا خواننده محترم پایان نامه خود در مورد صحت آن تصمیم گیری یا بررسی نماید.

امیدواریم این پایان نامه به مهندسین و پیمانکاران و صاحبان صنایع در بررسی، آنالیز و هم چنین انتخاب روش مناسب و با طراحی یک مخزن ذخیره (سرمایی) کمک نماید.

همانطور که ذکر گردید بحث استفاده از مخازن ذخیره گرمایی و سرمایی از سال 1980 آغاز گردیده و تاکنون بسیاری از فواید استفاده از مخازن ذخیره در تعدیل نرخ و هزینه مصرف انرژی و کوچک تر کردن سایز تجهیزات مورد نیاز روشن گردیده است. [1]

یکی دیگر از مصارف مخزن ذخیره، استفاده از آیس بانک(Ice Bank)   جهت داشتن سیال مبرد با دمای ثابت (0°C) 32°F می باشد که در صنایع غذایی و صنایع لبنیات و پاستوریزاسیون بسیار حائز اهمیت است چون در این صنایع زمان و درجه حرارت محصول بسیار مهم است در یک پروسه سرمایش کنترل شده، تنها سیستمی که بتواند در تمام مدت پروسه یک سیال سرد با دمای ثابت و یکنواخت تامین نماید، یک سیستم آیس بانک  (Ice Bank) می باشد در طول فصل به کلیه مزایای یک سیستم با مخزن ذخیره به تفصیل پرداخته خواهد شد.

قیمت هایی که در این پایان نامه بر حسب دلار آمریکا ذکر شده اند بر اساس قیمتهای سال 1992 میلادی می باشند. در غیر این صورت سال مربوط به آن ذکر خواهد گردید. [1]

(در این پایان نامه هر جا صحبت از مخزن ذخیره می گردد منظور همان مخزن ذخیره سرمایی است.)

تعریف و معرفی مخزن ذخیره سرمایی (Cool Thermal Storage)

مخزن ذخیره، گرما را از ماده مبرد در طول مدت زمانی که به سرمایش کمتری نیاز است گرفته و این سرمای باصطلاح ذخیره شده در مبرد (سیال سرد یا یخ) در زمان دیگری جهت تکمیل بار سرمایی محل مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده مبرد می تواند آب سرد، یخ یا نمک اوتکتیک(Eutectic salt)  باشد. [1]

به بیان ساده تر مثل اینکه چیلر در طول شب (یا هر زمان دیگر که به تبرید احتیاج نباشد یا به مقدار کمی مورد نیاز باشد) به کار بپردازد و یک مخازن پر از آب سرد یا پر از یخ ایجاد نماید و در طول روز (یا در زمان دیگری که پیک بار سرمایی مورد نیاز رخ می دهد) این مخزن برای تامین بار سرمایی محل استفاده قرار می گیرد.)

بنابراین یک سیستم با مخزن ذخیره در کل همان بار سرمایی را جوابگو خواهد بود که یک سیستم بدون مخزن ذخیره تامین خواهد نمود اما در مقابل با ظرفیت لحظه ای پایین تر. [1]

اما در واقع اصلاً چرا کار لازم است ؟

اولین فایده ای که این کار دارد کوچک شدن سایز چیلر به نصف و حتی در برخی موارد کمتر می باشد و این به معنای کاهش هزینه اولیه خواهد بود. [1]

علت اینکه چنین کاری ممکن خواهد بود این است که در حالت اجرای سیستم با مخزن ذخیره زمانی زیادی در دست خواهد بود تا چیلر بتواند ذخیره سرمایی لازم جهت گذراندن پیک بار سرمایی را اندوخته نماید ؛ در این حالت ممکن است یک چیلر کوچک بتواند یک پیک سرمایی بزرگ را از سر بگذراند.

البته این نکته نیز قابل توجه است که در برخی موارد همان هزینه ای که از کوچک شدن چیلر صرفه جویی می شود تماما صرف ساختن مخزن ذخیره می گردد. [1]

بررسی این مورد بسته به شرایط پروژه و پروفیل بار سرمایی محل از هر پروژه به پروژه دیگر تفاوت می کند.

در پروژه های بزرگ که کوچک کردن سایز چیلرها باعث کم شدن تعداد آنها می شود، معمولا ساخت مخزن ذخیره هزینه کمتر از مقدار صرفه جویی شده خواهد داشت و از نظر هزینه اولیه ساخت مخزن بسیار مناسب خواهد بود.

دومین فایده سیستمهای با مخزن ذخیره این است که چیلرها مجبور نخواهند بود تا در گرمترین ساعات روز با بازده پایین به کار بپردازند و در مقابل در ساعات شب با پایین بودن دمای کندانسینگ (Condensing)  در بازده بسیار بالاتری کار خواهند نمود و این از نظر مصرف انرژی گامی در جهت صرفه جویی در مصرف خواهد بود. [1] ] (در این مورد بعدا بطور مفصل بحث خواهد شد)

فایده دیگر استفاده از مخازن ذخیره کاهش هزینه های مصرف انرژی است؛ زیرا قیمت برق مصرفی در تمام ساعات روز یکسان نیست و برای تشویق مصرف کنندگان به انتقال مصرف خود به ساعات غیر پیک مصرف انرژی، قیمت برق در ساعاتی که مصرف کم است، بسیار پایین می باشد. [1]

این حرکت اخیراً در ایران نیز آغاز شده و اداره برق کنتور دو تعرفه ای و سه تعرفه ای را به هر مشتری متقاضی واگذار می نماید.)

علاوه بر این در تعرفه های مصارف خانگی، قیمت انرژی بر حسب مقدار مصرف بطور تصاعدی بالا می رود به این معنی که چون در این ساعات تمام وسایل مصرف کننده روشن هستند و مقدار ماکزیمم مصرف انرژی بسیار بالا می باشد؛ این باعث می گردد تا بازای هر kWh کیلووات-ساعت برق مصرفی، مبلغ زیادی توسط اداره برق تعیین گردد در صورتی که اگر در مورد چیلرها بخصوص چیلرهای تراکمی بتوان کار آنها را به ساعات دیگری منتقل نمود، مقدار ماکزیمم مصرف کاهش چشمگیری خواهد داشت و در نتیجه باعث می گردد تا برق مصرفی برای دیگر موارد نیز با تعرفه پایین تری محاسبه گردد.

در تعرفه های صنعتی نیز با اینکه قیمت هر kWh کیلووات-ساعت برق مصرفی ثابت می باشد اما در مقابل هزینه دیماند (Demand) تعریف می گردد که مبلغی را به ازای ماکزیمم kW کیلو وات مصرفی به مبلغ برق مصرفی مصرف کننده می افزاید؛ در نتیجه جهت جلوگیری از بالارفتن این هزینه (جریمه) دیماند (Demand)

بهتر آن است که حتی الامکان کارکرد چیلر ها را به ساعاتی که دستگاههای دیگر خاموش هستند منتقل نمود.

علاوه بر این کارکرد چیلرها بصورت نیم بار (Part Load) معمولا با کاهش بازده همراه می باشد و در یک سیستم بدون مخزن ذخیره به این علت که ساعات پیک بار سرمایی فقط مدت زمان کوتاهی می باشد لذا در بقیه موارد کمپرسور بصورت نیم بار (Part Load)   کار می کند که این باعث هدر دادن انرژی می گردد و مجموع این انرژی ها در طول یکسال مقدار قابل توجهی خواهد گردید. در سیستم مخزن ذخیره کمپرسور بصورت تمام بار کار خواهد کرد تا مخزن را شارژ نماید؛ لذا در اکثر موارد کمپرسورها با حداکثر بازده خود بکار خواهند پرداخت.

در سیستمهای دارای مخزن ذخیره بعلت پایین تر بودن دمای سیال تغذیه (Supply) با کوچکتر کردن سایز لوله کشی و اندازه پمپها در هزینه این تجهیزات و همچنین انرژی مصرفی برای پمپاژ صرفه جویی خواهد گردید. بعلاوه بعلت پایین بودن دمای هوای توزیعی، اندازه دستگاههای هواساز نیز (بعلت کاهش مواردی مورد نیاز) کاهش خواهد یافت و طبیعتاً قیمت اولیه و انرژی مصرفی آنها نیز کمتر خواهد بود. [1]

همچنین صدای ناشی از توزیع هوا در اتاقها بخصوص در محل هایی که سکوت بسیار اهمیت دارد (بیمارستانها و کتابخانه ها و…) به حداقل ممکن خواهد رسید.

استفاده از مخزن ذخیره در سیستمهای با چیلر تراکمی اغلب موجب می‌گردد که با کوچکتر شدن سایز چیلر تعداد کمپرسورهای آن نیز کاهش یابد و برای مثال از 4 کمپرسور 3 کمپرسور (و یا حتی کمتر) برسد. در این صورت چون کمپرسور از اجزای گران قیمت یک چیلر می باشد و به ازای حذف هر کمپرسور 2 تا 3 میلیون تومان در یک چیلر 20 میلیون تومانی (حدود 10 تا 15 درصد قیمت کل) در هزینه خرید چیلر صرفه جویی خواهد شد، لذا بررسی امکان ایجاد یک مخزن ذخیره ضروری بنظر می رسد.

البته مخزن ذخیره نیز نقاط ضعفی دارد.

یکی از آنها اینکه در سیستمهای بدون مخزن چون چیلر برای پیک بار آنهم در گرمترین ساعت روز انتخاب می شود لذا اگر این پیک طولانی شود و یا به هر علت تغییری در پروفیل بار محل بوجود بیاید احتمال اینکه چیلر نتواند جوابگوی بار باشد بسیار کم است. اما در سیستم مخزن ذخیره وضع بسیار حساس است و طراحی باید با شناخت دقیق پروفیل ساعت ـ ساعت بار مورد نظر باشد و اگر پروفیل بار تغییرات زیادی داشته باشد مثلا نقطه پیک بار طولانی تر از حد معمول شود ذخیره مخزن به پایان رسیده و سیستم دیگر نمی تواند جوابگوی بار باشد. به بیان دیگر سیستمهای با مخزن ذخیره در برابر تغییر پروفیل بار بسیار حساس هستند و ضریب اطمینان اضافه زیادی ندارند.

نقطه ضعف دیگر این سیستمها این است که در مخازن ذخیره (بجز مخازن ذخیره ای که مستقیما آب سرد را ذخیره می نمایند) چون چیلر مربوطه ناچار به ایجاد یک مخزن یخ می باشد، ناچار است در دمای زیر صفر کار کند. در حالت معمول چیلر برای تهیه آب سرد در دمای (8°C) 46°F تا (12°C) 54°F کار می کند اما اگر قرار باشد که یک مخزن یخ درست شود باید چیلر سیالی با دمای حدود ( -5°C) 23°F ایجاد نماید تا این سیال بتواند با استفاده از مبدل حرارتی یا روشهای دیگر باعث انجماد آب موجود در مخزن ذخیره گردد.

(توجه :  سیال مورد استفاده در این سیستم (سیال در گردش در اواپراتور چیلر) نمی تواند آب خالص باشد و برای اینکه بتواند دماهای زیر صفر را نیز تحمل کند باید به آب تا درصد مشخصی (برای مثال 30%) اتیلن گلیکول اضافه نمود در نتیجه آب در گردش در سیستم لوله کشی یک سیستم با مخزن ذخیره محلول آب و اتیلن گلیکول خواهد بود. )

اما در بحث ترمودینامیکی این موضوع مشخص است که کاهش دمای اواپراتور باعث پایین آمدن بازده سیکل تبرید (پایین آمدن COP) خواهد شد و این دقیقا نقطه ضعف دوم سیستمهای مخزن ذخیره می باشد که دارای بازده کمتری نسبت به سیستم های بدون مخزن ذخیره می باشند. البته به این نکته نیز باید توجه نمود که کاهش دمای کندانسینگ در شب باعث بالا رفتن بازده (بالا رفتن COP) و جبران ضرر ناشی از کاهش دمای اواپراتور خواهد گردید بررسی دقیق تر این مورد در زیر آمده است.

موارد کاربرد و استفاده مخزن ذخیره

استفاه از مخزن ذخیره برای انواع کاربردهای مسکونی ـ تجاری ـ تولیدی و کارخانجات صنعتی متداول بود و محدود به مورد خاصی نمی باشد.[1]

اما این حرف نیز درست نیست که گفته شود برای هر پروژه ای طراحی یک مخزن ذخیره سودمند است بلکه طراحی مخزن ذخیره برای پروژه هایی توجیه اقتصادی و عملی دارد که از ویژگیهای خاصی برخوردار باشند که این ویژگیها در ادامه توضیح داده خواهند شد اما بطور کلی یک طرح باید از این نکته اطلاع داشته باشد که کاربرد مخزن ذخیره فقط محدود به موارد مسکونی یا فقط محدود که موارد تولیدی نمی شود و بررسی هر پروژه باید جداگانه با کمک بررسی پروفیل بار سرمایی ساعتی مورد نیاز انجام گردد.

معمولا طراحی مخزن ذخیره برای پروژه ها و سیستم هایی انجام می گردد که جزء یکی از دسته بندی های زیر قرار گیرند. [1]

1.  ماکزیمم بار سرمایی مورد نیاز بطرز قابل ملاحظه بالاتر از میزان متوسط بار مورد نیاز باشد.[1] این مورد در خیلی از موارد مسکونی صادق می باشد به این ترتیب که در طول روز فقط چند ساعت به بار سرمایی بالایی نیاز است و بعد از آن با خنک شدن هوا به بار سرمایی بسیار کمی احتیاج می باشد. در ساختمانهای اداری تجاری نیز که افراد بطور دائم در محل حضور ندارند و فقط در ساعات کاری واحد مورد نظر، احتیاج به تامین بار سرمایی محل می باشد، استفاده از مخزن ذخیره می تواند بسیار موثر باشد. [1] در صنعت نیز در بسیاری از کاربردها احتیاج به یک بار سرمایی بالا در طول یک زمان کوتاه می باشد و بعد از آن نیز نیازی به آن وجود ندارد. [1]  ]برای مثال در صنایع غذایی در صنعت پاستوریزاسیون شیر لازم است که مخازن شیر در مدت کوتاهی به سرعت سرد شوند. (جهت از بین بردن باکتری ها) در این صورت برای یک بازه زمانی کوتاه به ده‌ها تن بار سرمایی نیاز می باشد.[  در این حالت خریداری یک چیلر بسیار بزرگ و گران قیمت که فقط برای این مدت کوتاه مورد استفاده قرار گیرد و در بقیه موارد خاموش باشد، انتخاب چندان مناسبی نخواهد بود و بجای آن یک چیلر کوچک همراه با یک مخزن ذخیره می تواند کاملا جوابگوی بار مورد نظر باشد به این ترتیب که چیلر یک روز کامل فرصت دارد تا مخزن ذخیره را شارژ نماید و بعد از تخلیه مخزن مجددا برای روز بعد فعالیت چیلر آغاز می گردد. [1] بطور کلی هر چه نسبت مقدار پیک بار به مقدار متوسط بار بیشتر باشد، پتانسیل کاهش هزینه ها از جمله هزینه های اولیه و هزینه های کارکرد بالاتر خواهد بود.[1]
2. تعرفه برق مصرفی طوری است هزینه دیماند (Demand) آن  ]هزینه ای که بر اساس ماکزیمم مصرف محاسبه گشته و به هزینه برق مصرفی اضافه می گردد [بسیار بالا است و یا در صورت مصرف بالا تعرفه های سنگین را شامل می گردد و یا تفاوت بارز قیمت بین ساعات پیک و غیر پیک مصرف انرژی وجود دارد و یا وامها و سوبسیدهای ویژه ای به سازندگان و استفاده کنندگان از مخزن ذخیره پرداخت می گردد. [1] مخزن ذخیره در این موارد کمک می نماید تا قسمت زیادی و یا کل ساعات کاری چیلرها، برجهای خنک کن و پمپهای آنها به ساعات غیر پیک مصرف انرژی الکتریکی منتقل شوند و در نتیجه باعث کاهش قابل توجه هزینه مصرف انرژی و در نهایت صرفه جویی هزینه زیادی در طول یک سال کاری گردند. [1]
3. یک سیستم موجود تبرید باید گسترش یا اضافه ظرفیت پیدا کند. [1] در برخی موارد که برای مثال ساختمان بعد از مدتی گسترش می یابد و یا فضاهایی به آن اضافه می گردد بار سرمایی محل اضافه شده و باعث می شود تا سیستم تهویه مطبوع و دستگاههای قبلی دیگر نتوانند بخوبی جوابگوی بار مورد نظر باشند. اضافه کردن یک مخزن در واقع این اجازه را می دهد که قسمتی از ظرفیت سیستم که الان در ساعتهای کمی بار سرمایی بلا استفاده مانده است، استفاده گردد. همچنین اضافه کردن چیلر های دیگر بخصوص در سیستمهای بزرگ مانند مجتمع های ساختمانی یا دانشگاهها هزینه ای بسیار فراتر از اضافه کردن یک مخزن ذخیره خواهد داشت. [1]
4. در محلها یا پروژه هایی که یک تانک یا یک مخزن قابل استفاده جهت تبدیل آن به مخزن ذخیره موجود است. [1] در برخی موارد به خصوص پروژه های صنعتی بعضا مخازن بلا استفاده ای وجود دارند که می توانند به عنوان مخزن ذخیره مورد استفاده قرار گیرند. حتی مخزن آب آتش نشانی واحد مربوطه می تواند با کمی تغییرات برای ذخیره کردن آب سرد مورد استفاده قرار گیرد و در واقع به صورت دو منظوره از آن استفاده شود در اینگونه موارد قسمت زیادی از هزینه مخزن ذخیره صرفه جویی خواهد گردید و این کمک زیادی به اقتصادی تر شدن طرح ایجاد مخزن ذخیره خواهد نمود. [1]
5. ایجاد سرمایش برای کشور با مکانی مورد نظر است که تجهیزات و دستگاههای سرمایشی در آنجا بسیار گران می باشند. [1] در برخی کشورها که تجهیزات سرمایشی مانند چیلر باید از خارج وارد شوند و قیمت تمام شده آنها بالا خواهد بود خریداری یک چیلر با ظرفیت پایین صرفه‌جویی قابل توجهی ایجاد خواهد نمود که می توان قسمتی از آن را صرف ساختن مخزن ذخیره نمود. [1]
6. در محلها یا پروژه هایی که انرژی الکتریکی محدود است و یا فقط برای ساعتهای مشخصی از روز قابل دستیابی است و یا اینکه مصرف بیش از مقدار موجود انرژی مجاز نیست و یا منوط به اضافه کردن ترانس ها و تجهیزات گران قیمت دیگر می باشد  ]سکوهای نفتی و … [ اضافه کردن یک مخزن ذخیره می تواند مشکل را حل کرده و از هزینه های بالا جهت ایجاد انرژی الکتریکی اضافه جلوگیری نماید. [1]
7. در مواردی که به ظرفیت تبرید اضافه بر نیاز و ذخیره نیاز باشد.  [1] برای مثال در پروژه ای باید همواره 300 ton-hour تن-ساعت بار سرمایی ذخیره )حتی برای مثال با قطع شدن برق ( وجود داشته باشد [. برای نمونه در اتاق های نگهداری سرورها و کامپیوترهای بزرگ و یا لابراتوار و یا مکانهای کشت محصولات کشاورزی و یا پرورش گل و گیاه غیره که در صورت بالا رفتن دما از حد مشخصی دچار آسیب خواهند شد، همواره باید یک مخزن شارژ شده آماده استفاده وجود داشته باشد. [1] در مواردی نیز مخزن ذخیره باید طوری طراحی گردد که در صورت خراب شدن چیلر تا تعمیر و راه اندازی مجدد آن بتواند بار مورد نیاز را تامین نماید تا قسمتهای حساس دچار صدمه نشوند. [1]
8. در مواردی که تصمیم به تعویض گازهای مبرد مضر به حال محیط زیست مانند R-22 و دیگر مبردهای مشابه گرفته می شود، معمولا تعویض این گازها با جایگزین های معادل آنها که برای لایه ازون بی خطر هستند، باعث کاهش ظرفیت چیلر و کمپرسورهای آن خواهد گردید. اما در خیلی از موارد سیستم اجازه چنین کاهش ظرفیتی را به علت بالا بردن بار سرمایی مورد نیاز نمی دهد؛ لذا ممکن است تصمیم به تعویض چیلر و یا خرید یک چیلر کوچک کمکی دیگر گرفته شود که در هر دوی این موارد نیاز به هزینه کردن وجه زیادی جهت ارتقاء سیستم خواهد بود؛ در صورتی که با اضافه کردن یک مخزن ذخیره به راحتی ظرفیت کاهش یافته قابل جبران بوده و حتی مخزن می‌تواند ظرفیتی بیش از مقدار اولیه چیلر در نقاط پیک بار سرمایی در اختیار سیستم قرار دهد.  [1]

منابع کسب اطلاعات بیشتر

برای کسب اطلاعات بیشتر در زمینه مخازن ذخیره منابع بسیاری وجود دارند. [1]

در فهرست زیر به ذکر چند منبع و توضیح مختصری درباره آن پرداخته می شود : [1]

جامعه مهندسین گرمایش ـ سرمایش و تهویه مطبوع آمریکا  (ASHRAE)

American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Inc.

این اتحادیه مقاله های تخصصی و دیگر موارد تحقیقی انجام شده را که شامل موضوعات مختلفی در صنعت HVAC & R می گردد را بطور مرتب منتشر می نماید. [1]

بولتن تخصصی ASHRAE  مجموعه ای از مقالات مربوط به هر موضوع تخصصی ویژه را در بر دارد. نام 3 شماره از بولتن تخصصی ASHRAE که در آن به مخزن ذخیره پرداخته شده است، در فهرست منابع آخر این فصل آمده است. برای اطلاعات بیشتر می‌توان به هند بوکهای منتشر شده توسط ASHRAE مراجعه نمود و یا با شماره و آدرس زیر تماس حاصل نمود. [1]

ASHRAE Publications, 1791 Tullie Circle NE, Atlanta, GA 30329; Phone (404) 636-8400 Fax (404) 321-5478

موسسه تحقیقات انرژی الکتریکی (EPRI) Electric Power Research Institute                  

این موسسه اطلاعات جامعی درباره صنعت برق و عوامل وابسته به آن ارائه می دهد.

تحقیقاتی نیز در زمینه مخازن ذخیره و اثر آنها در کاهش مصرف برق توسط این موسسه انجام گردیده که برخی از آنها نیز به چاپ رسیده است و با تماس با این موسسه بصورت رایگان در اختیار اعضا EPRI و یا محققان دیگر قرار می گیرد. [1]

EPRI Distribution Center, 207 Coggins Drive, PO Box 23205, Pleasant Hill, CA 94523;  Phone (510) 934-4212

شورای بین المللی مشاوره مخازن ذخیره (ITSAC)

International Thermal Storage Advisory Council

این شورا بصورت ماهانه نشریه ای درباره اتفاقات و پیشرفتهای جدید واقع شده در صنعت مخزن ذخیره همچنین یک بولتن تخصصی همراه با مقاله هایی درباره کاربرد مخازن ذخیره، بررسی های موردی، نتایج تحقیقات انجام شده و پارامترهای طراحی مخزن منتشر می نماید. [1]

3769 Eagle Street, San Diego, CA 92103; Phine(619) 295-6267

مرکز تحقیقات کاربردهای مخزن ذخیره (TSARC)

Thermal Storage Applications Research Center

این مرکز در دانشگاه Wisconsin-Madison در ایالات متحده هدایت کننده و مجری تحقیقات انجام شده در زمینه مخزن ذخیره می باشد. این مرکز توسط سرمایه گذاری (EPRI) (مورد 2) تاسیس گردیده و بیشتر تحقیقات (EPRI) را در این زمینه به انجام می رساند و یکی از وظایف این مرکز نشر و گسترش نتایج بدست آمده از تحقیقات و اطلاعات بدست آمده در زمینه مخازن ذخیره می باشد. [1]

150 East Gilman Street, Suite 1200, Madison, WI 53703; Phone (800) 858-3774;  Fax (608) 262-6209.

سازندگان و اجرا کنندگان طرح های مخزن ذخیره

سازندگان و اجرا کنندگان مخزن ذخیره سرمایی و تجهیزات متعلق به آن همواره می‌توانند اطلاعات بسیار ارزشمندی را در چگونگی استفاده و موارد استفاده محصولاتشان در هر کاربرد ویژه ای در اختیار بگذراند و با اینکه معمولا تولید کنندگان و دست اندرکاران به روی نکات مثبت خود تاکید بیشتری دارند اما بهر حال بحث

و بررسی ویژگیهای روشهای مختلف مخزن با سازندگان مخازن ذخیره، مقایسه بسیار ارزشمندی را برای متقاضی به ارمغان می آورد. همچنین اطلاعات سازندگان کمک فراوانی در نحوه تخمین سایز مخزن و انتخاب دیگر پارامترها خواهد نمود. [1]

کارخانجات و ادارات برق

ادارات برق محلی یکی از منابع خوب اطلاعاتی در مورد مخازن ذخیره می باشند و حتی در برخی ادارات، بخشی مسئول ارائه اطلاعات در زمینه مخازن ذخیره و شرح مزایا و فواید استفاده از مخازن جهت دلگرم کردن کارفرمایان در استفاده از مخازن ذخیره در نظر گرفته شده است. همچنین ارائه اطلاعاتی در زمینه نحوه محاسبه قیمت انرژی الکتریکی مصرفی می تواند از عوامل مهم در تصمیم گیری در به صرفه بودن یا نبودن اجرای یک طرح مخزن ذخیره باشد. [1]

مجلات تخصصی

مجلات تخصصی معمولا مقاله های مفیدن در زمینه طراحی و نصب و اجرا راه اندازی مخازن دربردارند در فهرست آخر این فصل نام چند مقاله که در برخی مجلات تخصصی آمده اند ذکر شده است. برای یافتن مرجع کاملتری در زمینه مجلات تخصصی می توان به انتهای خود برخی از مجلات از جمله: ASHRAE Journal،Heating/Piping/Air-Conditioning، Consulting-Specifying Engineer و Engineered System مراجعه نمود. [1]

در طول این پایان نامه نیز در طول متن و یا در آخر هر فصل به منابع دیگری که در موضوعات بحث شده وجود دارند، اشاره می گردد.

پارامترهای اصلی طراحی

در این فصل به معرفی موضوعات لازم جهت طراحی یک مخزن ذخیره سرمایی پرداخته می شود. در این مبحث به بررسی عمومی مخزن ذخیره سرمایی بطور مستقل از نوع تکنولوژی مورد استفاده و ماده بکار رفته پرداخته می شود. پارامترهای طراحی ویژه هر نوع تکنولوژی خاص مخزن در فصلهای 4 تا 9 مورد بررسی قرار می گیرند.

در این فصل به بررسی موارد زیر پرداخته می شود:

1. محاسبه پروفیل بار سرمایی
2. انواع مخازن ذخیره سرمایی
3. پارامترهای تجهیزات بکار رفته
4. استراتژی های کاری و کنترلی
5. تعامل تجهیزات با یکدیگر و با سیستم کل ساختمان یا محل
6. تخمین اندازه طرح و سیستم و مخزن
7. بررسی اقتصادی
8. کارکرد و نگهداری
9. راه اندازی و اجرا

تعیین سایز مخزن ذخیره

برای تعیین سایز مخزن ذخیره اطلاعات کافی از بازده چیلر و مخزن ذخیره در هر ساعت مشخصی از روز مورد نیاز است. فرمول هایی برای تعیین تقریبی اندازه مخزن ذخیره و چیلر مورد نظر موجود است. با اینکه این فرمولها در تقریب اولیه اندازه سیستم و تعیین اجزای مورد نیاز سیستم مفید می باشند، به هیچ وجه نباید از آنها در تعیین نهایی اندازه سیستم استفاده نمود؛ بلکه تنها با داشتن دقیق بازده و نقطه کاری چیلر در هر ساعت مشخص از روز می توان اندازه صحیحی برای سیستم تعیین نمود. مراحل اصلی در تعیین اندازه یک مخزن ذخیره عبارتند از : [1]

1. تعیین پروفیل بار سرمایی در نظر گرفته شده برای روز طراحی محل مورد نظر در هر ساعت از روز
2. تعیین استراتژی کاری مورد نظر (Full Storage or Partial Storage or …)
3. تعیین اندازه چیلر و همچنین مخزن ذخیره مورد نیاز
4. انتخاب یکی از روشهای ذخیره سازی (بعدا مفصلا توضیح داده خواهد شد.)
5. تصحیح و انتخاب نهایی چیلر، مخزن ذخیره و وسایل و تجهیزات مورد نیاز

مقایسه سیستم های مختلف مخزن ذخیره

در این فصل به بررسی و مقایسه روشها و انواع مخزنهای ذخیره پرداخته می شود.

از بین روشهای مختلف 6 روش اصلی که بیشترین کاربرد را دارا هستند، در این فصل مطرح می گردند.

این 6 روش همانطور که قبلا ذکر گردید عبارتند از: [1]

1. سیستم یخ سازی روی کویل (خارجی)    :   (External Melt Ice-On-Coil)
2. سیستم یخ سازی روی کویل (داخلی)    :   (Internal Melt Ice-On-Coil)
3. سیستم یخ سازی کپسول یخ    :   (Encapsulated Ice)
4. سیستم نمک اتکتیک یا ماده تغییر فاز دهنده :   (Eutectic salt phase change material)
5. سیستم یخ سازی    :   (Ice Harvesting)
6. مخزن ذخیره آب سرد :   (Chilled Water Storage)

روش ایجاد یخ به روی کویل (External Melt Ice-on-Coil)

• این روش تقریبا“ به 2.8 ft³ فضا برای هر تن- ساعت بار احتیاج دارد.
• از یک سیال مبرد ثانویه در چیلر استفاده میشود. (محلول آب و اتیلن گلیکول)
• دمای آب خروجی می تواند تا (1 to 2°C) 34 to 36°F پایین بیاید.
• یکی از مشکلات این روش این است که اگر در طول زمان تخلیه مخزن (ذوب شدن یخ) تمام یخ روی کویل ها ذوب نشود بازده سیستم کاهش پیدا میکند. زیرا هر دفعه در مرحله شارژ، مخزن با وجود یک لایه یخ بروی کویلها، باید عمل شارژ را شروع نماید.

روش یخ سازی روی کویل (داخلی) (Internal Melt Ice-on-Coil)

در این روش نیز از یک سیال ثانویه مانند اتیلن گلیکول استفاده می گردد.

دمای سیال خروجی در این روش در حدود خواهد بود که البته بستگی به سرعت تخلیه مخزن و مقدار یخ باقیمانده خواهد داشت.

دمایی که توسط چیلر تامین میشود باید در حدود باشد.

میتوان تانک را بصورت چند تکه ساخت.

اصول کار این روش بدین صورت است که سیال ثانویه مثلا“ اتیلن گلیکول از درون لوله ها عبور می نماید و این لوله ها خود در داخل مخزن پر از آب قرار دارند بطوریکه یخ در روی جدار خارجی لوله تشکیل می گردد برای شارژ مخزن چیلر دمای اتیلن گلیکول را در حد تا  پایین می آورد و این باعث یخ زدن آب روی جدار خارجی لوله میگردد.

(توجه داشته باشید که در اینجا این گلیکول است که در سیستم لوله کشی ساختمان و داخل مبدلهای حرارتی (مثلا“ فن کویلا؟؟؟؟؟) و غیره) جریان می یابد آب که در داخل مخزن می باشد فقط برای یخ زدن و ذوب شدن است.

برای تخلیه مخزن (گلیکول) از درون لوله ها جریان یافته و یخ روی پوسته بیرون به تدریج آب می شود که باعث پایین آمدن دمای گلیکول عبوری از داخل لوله ها می گردد.

مخزن ذخیره آب سرد

مخزن ذخیره ّآب سردّ دارای خصوصیات زیر است : [1]

1. با استفاده از چیلرهای استاندارد که در نقطه کاری معمول کار میکنند باعث افزایش بازده سیستم گردیده و همچنین از تجهیزات اضافی بی نیاز می باشد.
2. برای افزایش ظرفیت سیستمهای تبرید موجود راه مناسبی می باشد.
3. در صورتی که بر طبق استاندارد محیط زیست مجبور به عوض کردن   CFC درون چیلرها باشیم، با عوض کردن این، گاز ظرفیت چیلر کمی پایین می آید که در صورت اضافه کردن یک مخزن ذخیره آب سرد، میتوان این مشکل را حل نمود..
4. از نظر هزینه، روشی است که ارزان تمام میشود و هر چه اندازه سیستم بزرگتر باشد این روش اقتصادی تر میشود.
5. می توان از آن بعنوان تانک اطفا حریق نیز در مواقع اضطراری استفاده نمود.
6. کارایی این روش تاکنون بارها ثابت شده و نتایج خوبی نیز در تست عملی بدست آمده است.
7. هم به عنوان مخزن ذخیره سرد و هم به عنوان مخزن ذخیره گرم می توان از آن استفاده نمود.
8. [1]
9. یکی از مشکلات عمده این روش جای زیادی است که تانک ذخیره بعلت بزرگی اشغال می نماید. [1]
10. برای همین در خیلی از موارد آنها را بصورت نیمه تا تماما” در زیر زمین قرار می دهند که البته این باعث افزایش قیمت اولیه خواهد شد. [1]

• مقدمه  5
• چکیده   6
• علائم و اصطلاحات بکار گرفته شده   7
• فصل اول – معرفی کلی  8
• فصل دوم – پارامترهای اصلی طراحی  22
• فصل سوم – مقایسه سیستم های مختلف مخزن ذخیره   60
• فصل چهارم – روش یخ سازی روی کویل (خارجی)  (External Melt Ice-On-Coil System)62
• فصل پنجم – روش یخ سازی روی کویل (داخلی) (Internal Melt Ice-On-Coil System)   70
• فصل ششم – روش کپسولهای یخ    (Encapsulated Ice)   78
• فصل هفتم – روش  نمک اتکتیک   (Eutectic Salt Phase Change Material)   97
• فصل هشتم –  توضیحی کوتاه در مورد روش یخ سازی مستقیم (Ice Harvesting System)   104
• فصل نهم –  توضیحی کوتاه در مورد روش مخزن ّ آب سرد ّ (Chilled Water Storage System)   106
• فصل دهم –  پروسه طراحی   108
• ضمیمه  – A مثالی کاربردی در استفاده از مخزن ذخیره در صنایع لبنیات   125