Métodos de ahorro de energía para el almacenamiento y derretimiento del hielo
Introducción técnica
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Los acondicionadores de aire con almacenamiento de hielo utilizan electricidad para almacenar hielo en un dispositivo de almacenamiento de hielo por la noche, cuando la carga es baja, y liberan el almacenamiento. a través del derretimiento del hielo durante el día. La capacidad de enfriamiento reduce la carga de energía del aire acondicionado y la capacidad instalada del sistema de aire acondicionado durante las horas pico de la red eléctrica. Representa la dirección de desarrollo del aire acondicionado central en el mundo actual.
1. Deslastre de carga y equilibrio de cargas eléctricas.
2. Mejorar la eficiencia del grupo electrógeno y reducir la contaminación ambiental.
3. Reducir la capacidad instalada de la unidad y ahorrar en las facturas de electricidad de los usuarios de aire acondicionado.
4. Mejorar la eficiencia operativa de la unidad de refrigeración.
5. El sistema de aire acondicionado frigorífico es especialmente adecuado para lugares con cargas concentradas y grandes cambios, como estadios, teatros, salas de conciertos, etc.
6. La aplicación de la tecnología de aire acondicionado de almacenamiento en frío puede ampliar el área de uso del aire acondicionado.
7. Adecuado para entornos donde se ubican equipos de emergencia, como salas de ordenadores, instalaciones militares, salas de telefonía, almacenes de materiales inflamables y explosivos, etc.
Ventajas
(1) Ahorro de energía.
(2) Ahorra el costo de los equipos eléctricos y la molestia de usar electricidad.
(3) El aire acondicionado con almacenamiento térmico tiene una alta eficiencia.
(4) Ahorre el coste del equipo de agua fría.
(5) Ahorre el coste del equipo de descarga de cajas de aire acondicionado.
(6) Buen efecto de deshumidificación.
(7) Cuando se corta la energía, el generador generalmente puede mantener funcionando el aire acondicionado interior.
(8) Puede lograr rápidamente un efecto refrescante.
(9) Ahorra costes de mantenimiento en aire acondicionado y equipos eléctricos.
(10) Reducir el ruidoso flujo de agua fría y el aire en circulación, es decir, reducir la vibración y el ruido de las bombas de agua y las unidades de aire acondicionado.
(11) Larga vida útil.
Desventajas
(1) Para los sistemas de almacenamiento de hielo, su eficiencia operativa se reducirá.
(2) Aumenta el coste de los equipos de refrigeración y su espacio ocupado.
(3) Incrementar el coste del aislamiento de tuberías de agua y conductos de aire.
(4) Se reducirá el coeficiente de rendimiento (COP) de la unidad de refrigeración del sistema de aire acondicionado con almacenamiento de hielo.
Estrategia de operación
La llamada estrategia de operación se refiere al cálculo del sistema de almacenamiento en frío en función de la carga y las características del período de diseño (como el día de diseño o la semana de diseño). y en base a la estructura tarifaria de electricidad y otras condiciones de funcionamiento óptimo. Generalmente, se puede resumir en estrategia de refrigeración completa y estrategia de refrigeración parcial.
Modo de trabajo
El modo de trabajo del sistema de almacenamiento en frío se refiere a si el sistema está cargando o suministrando refrigeración, y si el dispositivo de almacenamiento en frío y la unidad de refrigeración funcionan de forma independiente o conjunta durante enfriamiento. El sistema de almacenamiento térmico debe funcionar en un modo específico para cumplir con los requisitos de carga de enfriamiento. Los modos de trabajo más utilizados son los siguientes:
(1) Modo de fabricación de hielo unitario
(2) Modo de fabricación de hielo y enfriamiento simultáneos
(3) Refrigerador individual modo de enfriamiento
(4) Modo de enfriamiento de hielo derretido único
(5) El refrigerador y el hielo derretido proporcionan enfriamiento al mismo tiempo
Suministro de enfriamiento
Aquí, en este modo de trabajo, el refrigerador y el dispositivo de almacenamiento de hielo funcionan al mismo tiempo para satisfacer la demanda de enfriamiento. Según la estrategia de operación de almacenamiento en frío parcial, este modo de trabajo es necesario para satisfacer las necesidades de refrigeración en las estaciones cálidas. El modo de trabajo se divide en dos situaciones: prioridad de unidad y prioridad de derretimiento de hielo.
Prioridad de la unidad
Después de que el refrigerador preenfría la solución de etilenglicol caliente devuelta, fluye a través del dispositivo de almacenamiento de hielo para derretirse y enfriarse a la temperatura establecida.
Prioridad de derretimiento de hielo
La solución de etilenglicol caliente que regresa del extremo de carga del aire acondicionado se enfría primero a una cierta temperatura intermedia mediante el dispositivo de almacenamiento de hielo y luego se enfría a la temperatura temperatura establecida junto al refrigerador.
Categoría de producto
La máquina para fabricar hielo con aire acondicionado y almacenamiento de hielo consiste en refrigeración de bolas de hielo, bobina de acero interna (externa) para derretir hielo, lodo de hielo, núcleo de hielo y otros métodos de fabricación de hielo. /p >
Selección de proceso
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Cuando el sistema de aire acondicionado con almacenamiento de hielo está funcionando, el refrigerador puede tener dos condiciones de funcionamiento, a saber, condición de almacenamiento de hielo y condición de refrigeración. En condiciones de almacenamiento de hielo, la solución de etilenglicol a baja temperatura enfriada por el refrigerador ingresa al intercambiador de calor de almacenamiento de hielo del tanque de almacenamiento de hielo, y el agua sin gas en el tanque de almacenamiento de hielo se enfría y congela en hielo. Cuando se complete el proceso de almacenamiento de hielo, el agua de todo el equipo de almacenamiento de hielo estará básicamente completamente congelada.
Al derretir hielo, la solución tibia de etilenglicol devuelta por el sistema ingresa al intercambiador de calor de almacenamiento de hielo después de ser intercambiada por el intercambiador de calor de placas, lo que reduce la temperatura de la solución de etilenglicol y luego se envía de regreso al extremo de carga para satisfacer las necesidades de la carga de refrigeración del aire acondicionado.
El sistema de solución de etilenglicol tiene dos procesos: proceso paralelo y proceso en serie.
Proceso paralelo
En este proceso, el refrigerador y el tanque de almacenamiento de hielo están conectados en paralelo en el sistema, y pueden proporcionar enfriamiento conjuntamente cuando la carga es máxima. Al mismo tiempo, este proceso se puede utilizar para almacenamiento en frío, almacenamiento en frío para enfriamiento, enfriamiento de hielo derretido simple y enfriamiento directo del enfriador.
Flujo en serie
Es decir, el frigorífico y el tanque de almacenamiento de hielo se conectan en serie durante el proceso, y se utiliza un conjunto de bombas de circulación para mantener el flujo y la presión en el sistema para suministrar la carga básica requerida por el aire acondicionado. La configuración de transmisión se controla adecuadamente y se pueden cambiar varias condiciones de trabajo.
El proceso paralelo tiene un buen equilibrio al aprovechar al máximo las capacidades de enfriamiento del refrigerador y el tanque de almacenamiento de hielo. Al almacenar agua fría por la noche, solo necesita encender la bomba de primer nivel de baja potencia, que ahorra más energía y tiene un funcionamiento más flexible. El sistema de flujo en serie es simple y tiene una capacidad de enfriamiento constante, y es adecuado para proyectos más pequeños y sistemas de enfriamiento con grandes diferencias de temperatura.
Seleccionar modo
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A excepción del aire acondicionado y la refrigeración, el resto del tiempo se utiliza para refrigeración, lo que puede reducir la capacidad del host a el mínimo.
La determinación de la proporción de almacenamiento en frío es un eslabón muy importante. Generalmente, inicialmente se seleccionan varios valores típicos (como 30%, etc.) en el diseño del programa y finalmente se selecciona un mejor valor de proporción en función de factores como la política energética local, la inversión inicial y los costos operativos.
Tanque de almacenamiento de hielo
Capacidad del tanque de almacenamiento de hielo
q′= N2 * q * T2
Selección del intercambiador de calor de placas
f = Q/(K×δTM)
En la fórmula, q es la transferencia de calor total; k es el coeficiente de transferencia de calor; δTM es la diferencia de temperatura promedio logarítmica;
Bomba de agua
En el sistema de almacenamiento de hielo, debido al alto precio del etilenglicol, se requiere que el rendimiento de sellado de la bomba de agua sea alto. Generalmente se recomienda utilizar una bomba de agua con sello mecánico, que puede reducir o casi evitar las fugas.
Selección de bomba: según el proceso, determine la resistencia máxima y el caudal en diversas condiciones de trabajo para ahorrar energía, intente elegir varias bombas.
Este proyecto adopta flujo paralelo y el caudal de la bomba principal = q/c×δt.
Altura de presión P (estimada) = P host + P tanque de almacenamiento en frío + P tubería + P válvula.
Altura de presión P = P intercambiador de calor + P depósito frigorífico + P tubería + P válvula.
Después de seleccionar la bomba de agua, es necesario cooperar con el profesional de control automático para verificar el flujo y la distribución de resistencia en diversas condiciones de trabajo, y si la capacidad de ajuste de la válvula de tres vías puede cumplir con los requisitos. requisitos de las condiciones de trabajo.
Factores de consideración
a) Al utilizar un sistema de conexión en serie aguas arriba del host, el agua de retorno aguas arriba del host fluye primero a través del host, de modo que el host funciona a una temperatura más alta. , lo que mejora la eficiencia del compresor y reduce el coste del consumo de energía del compresor.
B) Tanque de almacenamiento de hielo estándar FAFCO. El tanque de almacenamiento de hielo estándar FAFCO tiene las siguientes ventajas: garantiza la conductividad térmica, elimina por completo los riesgos de corrosión y es liviano, utiliza el método de refrigeración incompleta para proporcionar refrigerante estable a baja temperatura, lo que reduce el caudal de la bomba de agua en circulación y el; diámetro de las tuberías correspondientes y reducción de la inversión inicial en la estructura externa Hielo, sin tensión interna, larga vida útil; gran área de transferencia de calor, velocidad estable de congelación y descongelación del hielo, alta eficiencia operativa del host de refrigeración;
C] El modo de prioridad del host se adopta el día del diseño. El host siempre funciona a plena carga, la utilización de la unidad es alta, la capacidad del host y la bobina de almacenamiento en frío es la más pequeña y la inversión. es el más económico.
d) Todas las bombas son productos importados de alta calidad y funcionan con frecuencia variable. Durante todo el período de refrigeración, la mayor parte del tiempo es carga parcial. La bomba adopta una regulación de velocidad y conversión de frecuencia continuas, y el efecto de ahorro de energía es obvio.
Índice del sistema
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Temperatura de evaporación
Los sistemas de aire acondicionado con almacenamiento de frío, especialmente los sistemas de aire acondicionado con almacenamiento de hielo, generalmente reducen la evaporación Temperatura de la unidad de refrigeración. Teóricamente, por cada disminución de 1°C en la temperatura de evaporación, la tasa promedio de consumo de energía de la unidad de refrigeración aumenta en un 3%. Por lo tanto, al configurar el sistema y seleccionar el equipo de almacenamiento en frío, la temperatura de evaporación de la unidad de refrigeración debe aumentarse tanto como sea posible. Para los sistemas de almacenamiento de hielo, el principal factor que afecta la temperatura de evaporación de la unidad de refrigeración es el espesor del hielo. Cuanto más fino sea el hielo, mayor será la temperatura de evaporación de la unidad de refrigeración y menos energía consumirá. Pero si el espesor del hielo es demasiado fino, el área de intercambio de calor del serpentín del equipo de almacenamiento de hielo aumentará y el volumen del tanque de agua también aumentará. Por lo tanto, se debe considerar un espesor económico para controlar la temperatura de evaporación del sistema de refrigeración.
Capacidad de refrigeración
Capacidad de almacenamiento nominal
La capacidad de almacenamiento nominal se refiere a la capacidad de almacenamiento teórica del equipo de refrigeración definida por el fabricante del equipo de refrigeración (generalmente mayor que la capacidad neta de almacenamiento disponible). La capacidad neta de almacenamiento en frío disponible se refiere a la capacidad máxima real de almacenamiento en frío que el equipo de almacenamiento en frío puede proporcionar cuando es igual o menor que la temperatura de la fuente de frío disponible en un ciclo determinado de almacenamiento en frío y de liberación en frío.
Capacidad de almacenamiento disponible
El porcentaje de la capacidad de almacenamiento neta disponible respecto de la capacidad de almacenamiento nominal es un indicador importante de los equipos de refrigeración. Cuanto mayor sea la proporción, mayor será la tasa de utilización del equipo de almacenamiento en frío. Por supuesto, este valor se ve afectado por muchos factores del sistema de almacenamiento en frío, como la configuración del sistema de almacenamiento en frío, las temperaturas de entrada y salida del equipo, etc. Para los sistemas de almacenamiento de hielo, este valor puede aproximarse mediante la velocidad de fusión del hielo.
Tasa de producción/fusión de hielo
La tasa de producción de hielo (IPF) tiene dos definiciones. Una es cuando hay hielo en el recipiente de almacenamiento de hielo cuando se completa un ciclo de almacenamiento en frío en el frigorífico. El otro es la relación entre el volumen de fabricación de hielo en el tanque de almacenamiento de hielo y el volumen del tanque de almacenamiento de hielo. La tasa de derretimiento del hielo se refiere al porcentaje de hielo derretido en el recipiente de almacenamiento de hielo después de completar un ciclo de derretimiento y enfriamiento del hielo. La tasa de producción de hielo y la tasa de derretimiento del hielo son dos valores muy importantes para evaluar los equipos de almacenamiento de hielo en los sistemas de almacenamiento de hielo. La velocidad a la que se derrite el hielo depende de la configuración del sistema. Para los sistemas posteriores a una unidad de refrigeración en serie, el equipo de almacenamiento de hielo tiene una tasa de derretimiento de hielo más alta. Al contrario, es más bajo. La velocidad de fusión del sistema paralelo se encuentra en algún punto intermedio.
Características
Normalmente, la temperatura de almacenamiento en frío del sistema de almacenamiento en frío depende de la velocidad de almacenamiento en frío y de las características del estado del tanque de almacenamiento en frío en este momento. Para los sistemas externos de derretimiento de hielo, esto se refiere a la cantidad de hielo en la pared del tubo interior. Para los sistemas de almacenamiento de hielo con un tiempo de almacenamiento en frío corto, generalmente se requiere una velocidad de almacenamiento en frío más alta, es decir, se utiliza una temperatura de almacenamiento en frío más baja (promedio) para el almacenamiento en frío, por el contrario, la velocidad de almacenamiento en frío es lenta y la temperatura de almacenamiento en frío es; alto. En términos generales, los fabricantes de equipos de refrigeración pueden proporcionar temperaturas mínimas de refrigeración a distintas velocidades de refrigeración. Para los equipos de almacenamiento en frío, como los de tipo contenedor, de sal de alta calidad, etc., el sobreenfriamiento se producirá en la etapa inicial del proceso de almacenamiento en frío. Este fenómeno solo ocurrirá cuando el equipo de almacenamiento en frío se haya enfriado y no queden residuos. hielo en el interior. El resultado es una reducción de la tasa de transferencia de calor en la etapa inicial del almacenamiento en frío. La adición de agentes nucleantes puede reducir el sobreenfriamiento. Según información extranjera, un agente nucleante patentado puede limitar el grado de subenfriamiento a -3 ℃ ~ -2 ℃.
Para el sistema de almacenamiento de hielo, durante el ciclo de enfriamiento, si la temperatura de enfriamiento permanece sin cambios, el enfriamiento disminuirá gradualmente o cuando la velocidad de enfriamiento permanece sin cambios, la temperatura de enfriamiento aumentará gradualmente; Esto es especialmente obvio para equipos de refrigeración completamente congelados y de tipo contenedor, porque la mayor parte del hielo fuera del serpentín y dentro de la bola de hielo se derrite mediante el intercambio de calor con una capa de agua, y el área de intercambio de calor cambia dinámicamente para la fabricación de hielo; Equipo de almacenamiento en frío tipo deslizable y tipo serpentín de refrigerante, agua tibia y hielo están en contacto directo para derretir el hielo, y la temperatura de enfriamiento permanece relativamente estable.
De hecho, los equipos de almacenamiento en frío rara vez mantienen constante la velocidad de enfriamiento. La velocidad de enfriamiento real depende de la curva de carga del aire acondicionado, especialmente el valor de la carga del aire acondicionado en las últimas horas es el más importante, lo que determina. la duración del ciclo de enfriamiento. Valor máximo de temperatura de enfriamiento. Por lo tanto, para el mismo tipo de equipo de almacenamiento en frío, cuanto más tiempo lleve mantener una temperatura de enfriamiento constante a la velocidad de enfriamiento real, mejor será el rendimiento del equipo.
Espacio ocupado
El espacio ocupado por los equipos de almacenamiento en frío es una consideración importante para propietarios y diseñadores, especialmente en áreas urbanas con muchos edificios de gran altura. A veces, para aumentar el número de plazas de aparcamiento, se abandona el sistema de aire acondicionado con almacenamiento de refrigeración. Por lo tanto, el volumen o área ocupada por la capacidad de almacenamiento disponible de una unidad de equipo de almacenamiento en frío es un indicador importante para medir el equipo de almacenamiento en frío. Se debe dar prioridad a los equipos de almacenamiento en frío que ocupen menos espacio y tengan un diseño flexible.
Pérdida de calor
Al diseñar un tanque de almacenamiento en frío, se debe prestar atención a: el tanque debe tener la resistencia suficiente para superar la presión estática del agua, la mezcla de agua helada u otro tipo de frío. Los medios y el tanque deben tener un tratamiento anticorrosión e impermeable para evitar la evaporación del agua. Para los tanques de almacenamiento térmico subterráneos, el tanque también debe resistir la presión del suelo y del agua superficial alrededor del tanque. Generalmente, la pérdida de energía diaria de un tanque de almacenamiento en frío es L-5%, y su valor depende del área del tanque, el coeficiente de transferencia de calor y la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior del tanque. El diseño de los tanques de almacenamiento en frío subterráneos debe considerar la pérdida de enfriamiento y el coeficiente de transferencia de calor suele ser de 0,58 ~ 1,9 W/m2.k. El material del tanque puede ser estructura de acero, hormigón, fibra de vidrio o plástico.
Seguridad
Los sistemas de aire acondicionado con almacenamiento en frío se utilizan principalmente en edificios comerciales, especialmente en zonas densamente pobladas. Lo primero a considerar es la seguridad del sistema. Por lo general, el mantenimiento de los equipos de refrigeración es muy pequeño, como el tipo interno para derretir hielo, el tipo contenedor, el tipo con alto contenido de sal, etc.
Sin embargo, para el sistema de serpentín de refrigerante, dado que el refrigerante se evapora directamente en el equipo de almacenamiento en frío, el área de evaporación es grande y la demanda de refrigerante es grande, por lo que la seguridad y confiabilidad del equipo de almacenamiento en frío son muy importantes. Preste atención al mantenimiento mecánico de los portaobjetos para fabricar hielo y del equipo de refrigeración de cristales de hielo.
Vida
Generalmente, la vida útil de los sistemas de aire acondicionado convencionales es de 15 a 25 años, y la vida útil de los equipos de almacenamiento en frío también debe limitarse a al menos 15. años para garantizar la confiabilidad del equipo. Por ejemplo, para un sistema de sal avanzado, su ciclo de vida útil debe ser superior a 3000 veces y aún así mantener la capacidad de enfriamiento nominal original y la capacidad de enfriamiento neta disponible del sistema.
Económico
La inversión inicial de un sistema de aire acondicionado de almacenamiento en frío suele ser mayor que la de un sistema de aire acondicionado convencional, lo que requiere que los diseñadores comprendan correctamente las características que varían en el tiempo del La carga de aire acondicionado del edificio y determinar el equipo de almacenamiento en frío razonable y su configuración del sistema, formular estrategias de operación del sistema y realizar análisis económicos precisos permiten a los inversores recuperar el exceso de inversión en un corto período de tiempo en forma de conservación de energía. En términos generales, en un sistema de refrigeración bien diseñado, se puede medir por el costo por unidad de capacidad de almacenamiento disponible. Además, la configuración del sistema de refrigeración también afecta al tamaño del equipo de refrigeración.
10. Respecto a la selección del refrigerante en el almacenamiento de hielo; 1) Se requiere que el refrigerante esté en estado líquido a la temperatura de funcionamiento sin cambio de fase. 2) Se requiere que la temperatura de solidificación del refrigerante sea al menos 4 ~ 8 °C menor que la temperatura de evaporación del refrigerante, y la temperatura de evaporación estándar sea mayor que la temperatura máxima que puede alcanzar el sistema de refrigeración. El calor específico es grande Cuando se transfiere una cierta cantidad de calor, puede reducir el volumen de circulación del refrigerante, reducir el consumo de energía de la bomba que suministra el refrigerante y reducir el consumo de las tuberías, mejorando así la economía de circulación. Además, cuando una determinada cantidad de fluido transporta una determinada cantidad de calor, un calor específico mayor puede reducir la diferencia de temperatura de la transferencia de calor. 3) Una mayor conductividad térmica puede aumentar el efecto de transferencia de calor y reducir el área de transferencia de calor del equipo de intercambio de calor. 4) La viscosidad debe ser pequeña para reducir la resistencia al flujo y la potencia de la bomba. 5) Se requieren propiedades químicas estables. El refrigerante no se descompone a la temperatura de funcionamiento; no se mezcla con los óxidos del aire y no corroe los equipos ni las tuberías. Gracias a los profesores de la Escuela de Medio Ambiente e Ingeniería de la Universidad de Donghua por brindarnos información.
Estado de desarrollo
Editor
En los países desarrollados, más del 60% de los edificios han adoptado tecnología de almacenamiento de hielo. Hay un sistema de refrigeración urbano en Chicago, EE.UU. Hay cuatro estaciones de refrigeración que cubren más de 6 millones de metros cuadrados de edificios. La ciudad proporciona refrigeración centralizada. Entre ellos, cuando la capacidad de almacenamiento de hielo de la Estación de Enfriamiento Urbano No. 3 de Chicago es de 6,5438+0,25 millones de toneladas, la carga de energía es de 438 MW y la capacidad de producción diaria de hielo es de 4.700 toneladas. A juzgar por la aplicación en los Estados Unidos, Japón, Corea del Sur y otros países, la tecnología de almacenamiento de hielo puede usarse ampliamente en áreas con cargas concentradas de aire acondicionado, grandes diferencias entre picos y valles y edificios relativamente concentrados. En la actualidad, la superficie de nueva construcción de mi país es de aproximadamente 2 mil millones de metros cuadrados cada año, de los cuales 800 a 900 millones de metros cuadrados son nuevos edificios urbanos residenciales y públicos, lo que proporciona un enorme mercado para la promoción y aplicación de la tecnología de almacenamiento de hielo. La superficie de edificios públicos de nueva construcción en China es de aproximadamente 300 millones de metros cuadrados cada año. Por ejemplo, el 30% de los nuevos edificios públicos adoptan sistemas de aire acondicionado con almacenamiento de hielo, que pueden ahorrar 654,38+5 mil millones de kilovatios hora de electricidad cada año.