Кондиционирование воздуха с использованием льда — это процесс использования льда для хранения тепловой энергии . Этот процесс может сократить потребление энергии для охлаждения в периоды пикового спроса на электроэнергию . [1] Альтернативные источники энергии, такие как солнечная энергия, также могут использовать эту технологию для хранения энергии для последующего использования. [1] Это практично из-за большой теплоты плавления воды : одна метрическая тонна воды (один кубический метр) может хранить 334 мегаджоуля (МДж) (317 000 БТЕ ) энергии, что эквивалентно 93 кВт·ч (26,4 тонно-часов). [2]
Первоначальное определение « тонны охлаждающей способности » (теплового потока) было теплом, необходимым для таяния одной тонны льда за 24 часа. Этот тепловой поток — то, что можно было бы ожидать в доме площадью 3000 квадратных футов (280 м 2 ) в Бостоне летом. С тех пор это определение было заменено менее архаичными единицами: одна тонна HVAC или холодильной мощности приблизительно эквивалентна 3520 Вт . Небольшое хранилище может содержать достаточно льда для охлаждения большого здания от одного дня до одной недели, независимо от того, производится ли этот лед безводными аммиачными охладителями.
Также можно использовать замораживание грунта ; это можно сделать в форме льда, когда грунт насыщен. Системы также будут работать с чистой горной породой. Везде, где образуется лед, теплота плавления ледяного образования не используется, поскольку лед остается твердым на протяжении всего процесса. Метод, основанный на замораживании грунта, широко используется для добычи полезных ископаемых и строительства туннелей для затвердевания нестабильного грунта во время раскопок. Грунт замораживается с помощью скважин с концентрическими трубами, которые переносят рассол из охладителя на поверхность. Холод извлекается аналогичным образом с помощью рассола и используется так же, как и для обычного хранения льда, обычно с теплообменником рассол-жидкость, чтобы довести рабочие температуры до пригодных для использования уровней при больших объемах. Замороженный грунт может оставаться холодным в течение месяцев или дольше, что позволяет осуществлять холодное хранение в течение длительных периодов при незначительной стоимости конструкции. [3] [4]
Замена существующих систем кондиционирования воздуха на накопители льда представляет собой экономически эффективный метод хранения энергии, позволяющий сохранять излишки энергии ветра и других непостоянных источников энергии для последующего использования в целях охлаждения, возможно, через несколько месяцев.
До появления механического охлаждения лед вырубали из замерзших озер или рек и перевозили в города для использования в качестве охладителя. [5] Лед широко перевозился и хранился круглый год в ледниках . Если не было легкодоступного источника льда, то поблизости часто строили мелкие затененные бассейны, и лед из них удаляли в течение сезона заморозков.
Наиболее широко используемая форма этой технологии может быть найдена в системах кондиционирования воздуха или охлажденной воды в больших зданиях. Системы кондиционирования воздуха, особенно в коммерческих зданиях, являются крупнейшими источниками пиковых электрических нагрузок, наблюдаемых в жаркие летние дни в разных странах. В этом приложении стандартный охладитель работает ночью, чтобы производить ледяную кучу. Затем вода циркулирует через кучу в течение дня, чтобы производить охлажденную воду, которая обычно была бы дневным выходом охладителя.
Система частичного хранения минимизирует капитальные вложения, работая охладителями почти 24 часа в сутки. Ночью они производят лед для хранения, а днем охлаждают воду для системы кондиционирования воздуха. Вода, циркулирующая через тающий лед, увеличивает их производство. Такая система обычно работает в режиме производства льда в течение 16–18 часов в сутки и в режиме таяния льда в течение шести часов в сутки. Капитальные затраты минимизируются, поскольку охладители могут быть всего на 40–50 % от размера, необходимого для обычной конструкции. Обычно достаточно запаса льда, достаточного для хранения половины отброшенного тепла за полдня.
Система полного хранения минимизирует затраты энергии на работу этой системы, полностью отключая охладители в часы пиковой нагрузки. Капитальные затраты выше, так как такая система требует несколько более крупных охладителей, чем те, что используются в системе частичного хранения, и более крупной системы хранения льда.
Эффективность охладителей воздуха измеряется их коэффициентом полезного действия (COP). Теоретически системы хранения тепла могли бы сделать охладители более эффективными, поскольку тепло выбрасывается в более холодный ночной воздух, а не в более теплый дневной. На практике потери тепла перевешивают это преимущество, поскольку они растапливают лед.
Теплоаккумулирование воздуха в кондиционерах, как было показано, приносит некоторую пользу обществу. Электроэнергия вне пикового времени дешевле, так как спрос ниже. Она также снижает спрос в часы пик, который часто обеспечивается дорогими и неэкологичными источниками.
Новый поворот в этой технологии использует лед в качестве конденсирующей среды для хладагента . В этом случае обычный хладагент закачивается в змеевики, где он используется. Однако вместо того, чтобы использовать компрессор для его обратного превращения в жидкость, низкая температура льда используется для охлаждения хладагента обратно в жидкость. Этот тип системы позволяет преобразовать существующее оборудование HVAC на основе хладагента в системы хранения тепловой энергии, что ранее было невозможно легко сделать с помощью технологии охлажденной воды. Кроме того, в отличие от систем с водяным охлаждением, которые не испытывают огромной разницы в эффективности днем и ночью, этот новый класс оборудования обычно вытесняет дневную работу конденсаторных агрегатов с воздушным охлаждением. В районах, где существует значительная разница между пиковыми дневными температурами и непиковыми температурами, этот тип агрегата, как правило, более энергоэффективен, чем оборудование, которое он заменяет. [6]
Тепловое хранение энергии также используется для охлаждения воздуха на входе в турбину сгорания газа . Вместо того, чтобы смещать спрос на электроэнергию на ночь, эта технология смещает генерирующую мощность на день. Для генерации льда ночью турбина часто механически подключается к компрессору большого охладителя. Во время пиковых дневных нагрузок вода циркулирует между ледяной грудой и теплообменником перед воздухозаборником турбины, охлаждая всасываемый воздух до температур, близких к температуре замерзания. Поскольку воздух холоднее, турбина может сжимать больше воздуха при заданном количестве мощности компрессора. Обычно и генерируемая электрическая мощность, и эффективность турбины повышаются при активации системы охлаждения на входе. Эта система похожа на систему хранения энергии сжатого воздуха .