2020. november 11. |
Andrássy Zoltán, dr. Szánthó Zoltán |
|
1 |
A hőenergiatárolás kapcsán általában a fűtési és HMV rendszerek kerülnek az előtérbe, viszont a hűtési rendszerekben a hőenergia tárolás sokkal fontosabb feladat. A hűtési rendszerek hatékonysága nagyban függ a külső hőmérséklettől, a hűtési rendszer részterhelésétől, és komoly potenciál adódik az energia-megtakarításra a hűtési csúcsigények kiváltására hűtési hőenergia tárolóval. A vizes puffertárolók általában nem versenyképesek a hűtési rendszerekben, ezért van szükség a fázisváltó anyagokat alkalmazó hőtárolási technológiákra.
A hőenergia tárolására több lehetőség is rendelkezésre áll:
szenzibilis vagy érzékelhető hőtárolás: víz (vagy egyéb hőközvetítő közeg) hőmérsékletének változtatása, például puffertároló,
látens vagy nem érzékelhető hőtárolás: fázisváltozás révén megvalósuló tárolás (fázisváltás = halmazállapot váltás, vagy halmazállapot váltás nélküli molekulaszerkezet átalakulás), ide tartozik a jég-víz fázisváltást kihasználó hőtároló is,
kémiai hőenergia tárolás: a kémiai reakciók segítségével létrehozott hőelnyelés és hőkibocsátás ciklusa.
A hűtési rendszerek általában szűk hőmérséklet tartományon működnek (például egy klasszikus 7/12-es fan-coil rendszer, vagy egy 17/22 °C mennyezethűtési rendszer). A szenzibilis és a látens hőenergia tároló hőkapacitását a következő összefüggések segítségével lehet meghatározni:
(1)
ahol, Hszenzibilis a szenzibilis hőtárolás, Talsó és Tfelső a működésihőmérséklet-tartomány alsó és felső határértéke, és cszenzibilis a hőtároló anyag fajhője,
valamint
(2)
ahol Hteljes,látens a hőtároló teljes látens hőtárolása, Lolv a látens hő.
Éljünk azzal a feltételezéssel, hogy a látens hőtároló anyag úgy lett méretezve, hogy teljes látens hőtároló képességét ki tudja használni a hűtési rendszer. A valóságban ez legtöbbször nem következik be, erről egy későbbi cikkben majd bővebben beszámolunk [1]
Ha a hőtárolással a teljes tartományt ki lehet használni, akkor a szenzibilis vizes hőtároló esetén a 4,2 kJ/kg K fajhővel az 1000 kg/m3 sűrűséggel és 5 °C-os hőmérsékletkülönbséggel számolva 1 m3 víz 21 MJ vagy 5,83 kWh hőenergiát tud maximum eltárolni.
Egy átlagos fázisváltó anyaggal (Phase Change Material – PCM) 3 kJ/kg K-es fajhővel, 200 kJ/kg látens hővel, 850 kg/m3 sűrűséggel számolva az 5 °C hőmérsékletkülönbség mellett 182,75 MJ, azaz 50,76 kWh hőenergiát lehet eltárolni. Ez azt jelenti, hogy a vízzel azonos térfogatú fázisváltó anyag 8,7-szer annyi hőt képes eltárolni ugyanabban a hűtési rendszerben. 50 °C hőmérsékletkülönbség esetén – például fűtési puffer esetében – a vízzel nagyobb hőmennyiség lenne tárolható, de egy hűtési rendszerben nem engedhetünk meg ekkora hőmérsékletkülönbséget.
Hűtési rendszerek energiahatékonysága
A hűtési rendszerek energiafelhasználásának elemzése miatt szükséges a folyadékhűtők hatékonyságát tárgyalni.
A folyadékhűtők hatékonyságának legelterjedtebb meghatározása:
(3)
(4)
ahol az EER a hűtési energiahatékonyság, Pkompr, Pvent,kond, Psziv és Pvent,beltéri rendre a kompresszor, kondenzátorventilátor, hűtési keringtetőszivattyú és a beltéri ventilátor villamos teljesítményfelvétele.
Az éves hűtési energiafelhasználás számításánál használható a szezonális hatékonyság (SEER) értéke:
(5)
ahol Ekompr, Event,kond, Esziv és Event,beltéri rendre a kompresszor, kondenzátorventilátor, hűtési keringtetőszivattyú és a beltéri ventilátor éves villamos fogyasztása. (Megtévesztő lehet az angolszász számítás, mert ők a BTU-t osztják el Wh-val, ami 3,4-es szorzót jelent, így könnyen kijöhet 10 fölötti SEER érték is az angolszász katalógusokban.)
A folyadékhűtők hatékonysága különböző paraméterektől függ:
külső hőmérséklet (kondenzátor hőmérséklet),
részterhelés (RT),
szabályozási logika.
A szakirodalomban számtalan szakcikk foglalkozik a felsorolt paraméterektől való függés számszerűvé tételével. A folyadékhűtő gyártók általában 35 °C-os külső hőmérséklet és 40%-os relatív páratartalom esetén adják meg a berendezéseik hűtési kapacitását, villamosenergia felvételét (ami sok esetben csak a kompresszorra vonatkozik) és az EER értéket (sok esetben a számításban csak a kompresszort figyelembe véve).
Az [2-5] szakcikkek mérési eredményekre alapozva mutatják be különböző folyadékhűtők hatékonyságfüggését. Közel azonos eredményt mutatnak be a folyadékhűtők hatékonyságára a részterhelés és a külső hőmérséklet függvényében. Az 1. ábra szerint a folyadékhűtők 70%-os részterhelés mellett üzemelnek a leghatékonyabban. Magasabb külső hőmérséklet alacsonyabb hatékonyságot jelent. Az EERmax jelenti a katalógusban megadott hatékonyság értéket, azaz 35 °C külső hőmérséklet esetén mérhető, laborkörülmények között mérhető hatékonyság értéket. 0 és 0,3, azaz 30% alatti részterhelés esetén a vizsgált folyadékhűtők leállnak, ki-be kapcsolva látják el az igényeket.
1. ábra. A folyadékhűtők hatékonysága részterhelés és különböző külső hőmérsékletek mellett [2]
A 2. ábra mutatja be az EN14511 és az EU/2281/2016 alapján a külső hőmérséklet gyakoriságot, illetve a klíma hatékonyságát. A külső hőmérséklet esetén külön szerepel a szabványban használt adatsor (megközelítőleg megegyezik Németország északi részének hőmérsékletével), a 2015-2019 közötti magyarországi átlagnak megfelelő adatsor. Az EER értéke 4 pontban volt megadva, 20 °C, 25 °C, 30 °C és 35 °C külső hőmérséklet mellett. A korrigált EER tartalmazza a részterhelések miatti EER csökkenést, ami azzal a feltételezéssel lett meghatározva, hogy a hűtést igénylő épületnek télen is van hűtési igénye (részterhelésen üzemel a folyadékhűtő, vagy szélső esetben ki-be kapcsol).
2. ábra. EER és korrigált EER egy adott klíma esetén
A hűtési hőtárolók célja
Bármilyen hőenergia tárolóról legyen szó, nagyon fontos a tárolás céljának a definiálása. Amennyiben a cél az energia- vagy költségmegtakarítás, a tároló feltöltésére azt az időszakot kell választani, amikor az energiát energia- vagy költséghatékonyan lehet előállítani, vagy hulladékhő áll rendelkezésre. Hűtési rendszereknél a leghatékonyabb időszak általában az éjszakai, amikor free-cooling (szabadhűtés) segítségével, vagy magasabb hűtési hatékonysággal lehet a hűtési energiát előállítani mint a nappali üzemben. Költséghatékony időszak továbbá, amikor ki lehet használni a völgyidőszakban alacsonyabb villamosenergia árat (jelenleg ez Magyarországon nem elterjedt modell az ipari felhasználók számára, de mint opció érdemes megemlíteni).
Az energiatároló kisütésére, a hűtési energia felhasználására több lehetőség is adódik, melyeket egy folyadékhűtő esetén mutatok be [6-9] (3. ábra):
Teljes tároló: a tároló a teljes csúcsidőszakot ki tudja szolgálni, a folyadékhűtő ebben az időszakban teljesen kikapcsolhat. Ehhez szükséges a legnagyobb kapacitású tároló, de az energiamegtakarítás itt a legjelentősebb.
Részleges kiegyenlítő tároló: a folyadékhűtő folyamatosan azonos teljesítmény mellett üzemel (csúcs- vagy optimális üzemállapot), a tároló kiegészíti a rendszert amikor nagyobb a hűtési igény, mint amit a folyadékhűtő el tud látni.
Részleges csúcskorlátozó tároló: a folyadékhűtő teljesítményét vissza kell venni a nap közepén található csúcs idején, vagy energiamegtakarítás vagy a túl magas villamosenergia felhasználás miatt (például a limitált villamos betáplálás).
Mindhárom ábra esetében igaz, hogy az A és C területekkel jellemzett hőmennyiségek megegyeznek, azaz a csúcsban azt az A hőmennyiséget használjuk fel, amit a csúcson kívül C hőmennyiségként jobb hatékonysággal vagy olcsóbban megtermelünk.
3. ábra. Tároló kisütési logikák
Hűtési hőtárolók energiamegtakarítási potenciálja
Hűtési esetre a következő algoritmus segítségével lehet a tárolót rendszerbe illeszteni és maximalizálni az villamosenergia megtakarítást.
A tároló nélküli esetben a hűtési villamosenergia fogyasztás meghatározásának algoritmusát az 4. ábra szemlélteti. Adott a külső (Tk) és belső hőmérséklet (Tb), a belső hőterhelés (QHb) és a hűtőgép típusa és a hatékonysága (EER).
A teljes hőterhelés (QH) a belső és a külső hőterhelések összegéből adódik:
(6)
A hűtőgép részterhelése (RT) meghatározható a teljes hőterhelés és a beépített hűtési csúcsteljesítmény (QHmax) segítségével:
(7)
Az EER meghatározható a külső hőmérséklet és a részterhelés segítségével.
A hűtési villamosenergia fogyasztás (EH):
(8)
A hőtároló célja a villamosenergia megtakarítás maximalizálása. Ehhez két célt kell megvalósítani:
minél hatékonyabban, azaz minél kevesebb villamosenergia befektetéssel kell feltölteni a tárolót,
abban az időszakban kell kisütni a tárolót, amikor a hűtési rendszer hatékonysága a legalacsonyabb.
A célfüggvény egynapi üzem esetén:
(9)
ahol FT,n, FT,t és FT,ks rendre a tároló nélküli, a tároló töltési és a tároló kisütési üzem segédmátrixai, melyek a vizsgálati időintervallumokon 1 értéket vesznek fel, ha az aktuális üzem valósul meg és 0-t, ha másik üzem valósul meg. Az EER értékek meghatározhatók a külső hőmérséklet és a részterhelés segítségével.
A segédfüggvények értéke 1 órás bontásban, ha a leghatékonyabb feltöltés 22:00–5:00 között tud megvalósulni és a tároló kisütése 11:00–17:00 között történik:
(10)
(11)
(12)
Az algoritmust órás bontásra mutatjuk be.
Azzal a feltételezéssel élünk, hogy egy napon belül a legmelegebb órák, illetve a lehidegebb órák egymás mellett találhatók. Feltöltésnél ki kell választani a nap leghidegebb óráját, ebben az órában biztosan tölteni kell a tárolót. Megvizsgáljuk a szomszédos órák hatékonyságát és azon az órában folytatódik a töltés, amelyiknél alacsonyabb a külső hőmérséklet. A következő lépésben tovább vizsgáljuk a szomszédos órákat (például 2:00–4:00 között már biztosan tölt a tároló, a szomszédos órák alatt az 1:00–2:00 és 4:00–5:00 közötti intervallumok értjük). A vizsgálat addig folytatódik, amíg a tároló teljesen fel nem tölt. Ezzel a logikával meghatározhatóak azok az időtartamok, amikor a hűtőgép a leghatékonyabban üzemel.
Kisütésnél az algoritmus ennek a fordítottját vizsgálja, hasonló elveket követve.
Az algoritmus pontossága növelhető a vizsgált intervallumok hosszának csökkentésével.
Az optimalizáció megfelelő működését egy telekommunikációs bázisállomásra telepített fázisváltó anyaggal töltött tárolóval igazoltam [10]. 2019-es egész éves üzem alatt a hűtési villamosenergia felhasználás 57,6%-kal csökkent. Tároló nélküli esetben 18.682,3 kWh, tárolós esetben pedig 7.926 kWh az éves hűtési villamosenergia fogyasztás. 2019-ben fél évig 3-3 napi váltásban mérésekkel vizsgáltam a telephely fogyasztását, majd szimulációkkal kiegészítettem a hiányzó napok adatait. 2019 második fél évében csak a tárolós üzemet vizsgáltam, a tároló nélküli eset fogyasztásait szimuláltam.
Hűtési hőtárolók gyakorlati alkalmazása
A gyakorlatban például az 5. ábrán látható kapcsolás segítségével lehet a hőtárolót egy hűtési rendszerbe kötni.
5. ábra. Párhuzamos előremenő/soros visszatérő
A kapcsolás a következők szerint működik egy 7/12 °C-os hűtési rendszerben, ahol a fázisváltási hőmérséklettartomány 8–9,5 °C:
A tároló feltöltése
A folyadékhűtőből érkező 7 °C-os hűtőfolyadék egy része átáramlik a tárolón a V1 szelepen keresztül (V2 zárva). A tárolóban lévő fázisváltó anyag megszilárdul, azaz feltöltődik hűtési energiával. A folyamat során a tárolóból kilépő hűtőfolyadék a hűtési rendszer visszatérő ágába érkezik. A tároló ebben az esetben fogyasztóként van jelen a rendszerben, a folyadékhűtő a visszatérő hőmérséklet alapján érzékeli a megnövekedett igényt és növeli a hűtési teljesítményét.
A tároló kisütése
A visszatérő 12 °C-os hűtőfolyadék a V2 szelep segítségével a tárolón keresztül áramlik át (V1 zárva). A tárolóban lévő fázisváltó anyag megolvad, miközben a 12 °C-os visszatérő hűtőfolyadékot előhűti 9-11 °C-osra, a tároló hűtési energia termelőként vesz részt a rendszerben, a folyadékhűtő ezért visszább szabályoz.
A rendszer részét képezi egy szabályozó elektronika, ami a kapcsoláson szereplő hőmérsékletérzékelők jele alapján nyitja-zárja a V1 és V2 szelepeket. Az elektronika adatgyűjtést is végez, továbbá képes becsatlakozni meglévő épületfelügyeleti rendszerbe, vagy internetkapcsolat biztosítása esetén (GSM, ethernet, Wifi) a felhőben tárolja az adatokat, ahol egy grafikus platformon keresztül nyomon követhetőek a folyamatok. A folyadékhűtőt (jelen esetben hőszivattyút) nem szabályozza közvetlenül (mert az a visszatérő hőmérséklet alapján tudja, mit kell tennie), hanem a fentebb leírtak alapján indirekt módon.
Összegzés
A hűtési hőtárolóknak komoly villamosenergia megtakarítási potenciálja van. Ennek kiaknázáshoz pontosan ismerni kell az energiamegtakarítás elvét és módját. A fázisváltó anyagokat felhasználó hűtési energiatárolók mérete sokkal kisebb, mint a vizes tárolóké, mert a víz hőkapacitása a hőmérsékletkülönbség függvénye, ami hűtési rendszerek esetén azonban csak nagyon alacsony érték. A megfelelően kiválasztott fázisváltó anyag a teljes látens hőkapacitását ki tudja használni a hőtárolásban, ami többszöröse a vizes puffertárolókénak. Megfelelő kapcsolással és megfelelő optimalizációs algoritmussal kiaknázhatók a hőtárolókban rejlő lehetőségek.
Irodalomjegyzék
Zoltan Andrassy, Zoltan Szantho. Energy storage potential of phase change materials. 12th International Symposium on Exploitation of Renewable Energy Sources and Efficiency Proceedings; 2020:24–28.
F.W Yu, K.T. Chan. Advanced control of condensing temperature for enhancing the operating efficiencyof air-cooled chillers. Building and Environment; 2005:40.
Luca Cecchinato. Part load efficiency of packaged air-cooled water chillers with inverter driven scroll compressors. Energy Conversion and Management; 2010:51.
Jia Yang, K.T. Chan, Xiangsheng Wu, F.W. Yu, Xiaofeng Yang. An analysis on the energy efficiency of air-cooled chillers with water mist system. Energy and Buildings; 2012:55.
Bharath Seshadri , Adam Rysanek, Arno Schlueter. High efficiency ‘low-lift’ vapour-compression chiller for high-temperature cooling applications in non-residential buildings in hot-humid climates. Energy and Buildings; 2019:187.
Vincent Lemort. A numerical comparison of control strategies applied to an existing ice storage system. Energy Conversion and Management; 2006:47.
Alessandro Beghi, Luca Cecchinato, Mirco Rampazzo, Francesco Simmini. Energy efficient control of HVAC systems with ice cold thermal energy storage. Journal of Process Control; 2014:24.
Gregor P. Henze, Moncef Krarti, Michael J. Brandemuehl. Guidelines for improved performance of ice storage systems. Energy and Buildings; 2003:35.
B.A. Habeebullah. Economic feasibility of thermal energy storage systems; 2007:39.
Andrássy Zoltán, Szánthó Zoltán. Fázisváltó anyaggal töltött energiatároló alkalmazása adatközpontok hűtési energiafelhasználásának csökkentésére. Magyar Épületgépészet; 2019/1–2:67.
Hosszabban most nem tudom részletezni, de valójában csak akkor van értelme hidegenergia tárolásnak, ha rövid időre kell nagy teljesítmény - például fejőállomásokon a tej hűtése, amikor 1 óra üzemidő van egy egész napban - vagy olyan nagyfogyasztóról van szó, ahol a csúcs villamos energia lekötés és költség optimalizálható, esetleg valami speciális kényszer van – például nem biztosítható a csúcshűtéshez a villamos energia igény csak irreális költségekkel. A többi esetben olyan jelentős helyigény és plusz beruházási költség merül fel, amit a külső hőmérséklet miatt adódó hatásfok biztos, hogy nem tud kompenzálni. Természetesen ez sem egy örök érvényű dolog. Ha a hidegenergia tárolók ára drasztikusan lecsökkenne, vagy a villamos energiagazdálkodásban jelentős változások történnek, akkor újra érdemes megvizsgálni a tervezendő megoldásokat. Felmerül bennem, hogy a nyári csúcshűtés pont nappal, akkor van, amikor a megújuló napelemek bőséggel termelik a villamos energiát. Azaz, a jövőben az is lehet, hogy az éjszakai áram lesz a drágább, de az is, hogy olyan hullámzás lesz a villamosenergia árában, hogy azért célszerű hidegenergia tárolásban gondolkodni, hogy az éppen olcsó villamosenergia időszakában lehessen betárolni a hidegenergiát. Sajnos, jelenleg Magyarország nagyon-nagyon le van maradva az intelligens villamosenergia fogyasztás és termelés területén, pedig ez ugyan olyan fontos lenne, mint a megújulók felhasználása és a fogyasztás csökkentése.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
