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ICE BANK - Euroklimat
ICE BANK Introduzione tecnica alle applicazioni del sistema ad accumulo frigorifero Sistema “OPAC” Off Peak Conditioning: condizionamento fuori dai picchi di consumo IL RAFFREDDAMENTO CON ACCUMULO E’UNA NUOVA APPLICAZIONE DI UNA VECCHIA IDEA CHE PUO’DIMEZZARE I COSTI ENERGETICI DEL CONDIZIONAMENTO DELL’ARIA Il condizionamento degli edifici ad uso commerciale, durante le ore diurne estive rappresenta la causa maggiore dell’innalzamento dei picchi di energia elettrica richiesta. Soprattutto nel pomeriggio, quando il condizionamento è necessario per mantenere temperature confortevoli, l’assorbimento elettrico relativo va ad aggiungersi al consumo già impegnato da illuminazione, attrezzature in funzione, computers e molti altri utilizzi. Questo obbliga i fornitori di energia elettrica a realizzare impianti di produzione più costosi per far fronte all’accresciuto fabbisogno momentaneo. L’utenza commerciale, impegnando una notevole potenza elettrica per il condizionamento, costringe al sovradimensionamento degli impianti di generazione,trasformazione e trasporto di energia elettrica che in effetti sono impegnati solo per brevi periodi alla loro capacità massima. Un sistema di raffreddamento ad accumulo con Banca del Ghiaccio, comunemente detto Accumulo Energetico Termico, si fonda su una tecnologia che trasferisce il carico elettrico del condizionamento, alle ore di minimo consumo delle normali utenze. Esso utilizza un refrigeratore d’acqua standard per produrre ghiaccio durante la notte, quando la richiesta di energia elettrica nell’edificio condizionato è ridotta al minimo. Il ghiaccio è prodotto e immagazzinato in appositi serbatoi di accumulo modulari. Da questi si può ricavare energia frigorifera senza aumentare l’assorbimento elettrico quando serve alle normali attività produttive, perché il refrigeratore è utilizzato a capacità ridotta o addirittura si ferma. Il raffreddamento con accumulo è un metodo che ha dimostrato praticamente di essere capace di ridurre i costi di funzionamento di oltre 20.000 impianti in tutto il mondo. www.euroklimat.it I sistemi di raffreddamento con accumulo rappresentano l’opzione migliore per i fornitori di energia elettrica, contribuendo a distribuire nelle 24 ore il carico elettrico, contenendo così i costi per nuovi impianti di produzione, di trasporto e trasformazione dell’energia elettrica. I sistemi come le banche de Ghiaccio possono non solo dimezzare i costi di esercizio, ma anche ridurre in modo sostanziale gli investimenti destinati ai nuovi impianti, purché questi sistemi siano progettati in modo adeguato per i nuovi edifici ad uso commerciale e industriale. I Progettisti possono infatti prevedere refrigeratori d’acqua con potenze dimezzate,che funzionino per 24 ore al giorno anziché solo per otto o dieci ore. Nel caso di impianti pre-esistenti, un sistema di raffreddamento con accumulo come la Banca del Ghiaccio é in grado di rispondere ad un aumento di richiesta di raffreddamento, senza dover aumentare la potenza dei refrigeratori. Atlantic Southern Properties Mays Landing N.J.: Impianto costituito da 8 CALMAC Ice Bank Modello 1190.2 con refrigeratori di liquido condensati ad aria ciascuno da 525 kW. Tramite l’utilizzo di Ice Bank il picco di domanda è stato diminuito del 50%. www.euroklimat.it CONCETTO DEL SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO AD ACCUMULO Nel progettare i sistemi di condizionamento convenzionali, le potenze frigorifere in gioco sono misurate in termini di kW richiesti. I sistemi di raffreddamento ad accumulo, invece, si misurano in base ai kW-ore. Il diagramma 1 rappresenta un carico refrigerante ipotetico di 100 kW mantenuto per 10 ore,o più propriamente, un carico di raffreddamento di 1000 kW-ore. Ognuno dei 100 quadretti del diagramma 1 rappresenta 10 kW-ore. kW Diagramma 1 Ore In realtà nessun sistema di condizionamento funziona al 100% della sua capacità durante tutto il ciclo di raffreddamento giornaliero. Generalmente le richieste di potenza frigorifera hanno un picco nel pomeriggio, tra le 14 e le 16, quando anche le temperature esterne sono più alte. Il diagramma 2 rappresenta un tipico esempio di carico per il condizionamento di un edificio durante l’intera giornata. www.euroklimat.it kW Diagramma 2 Ore Come si vede, la piena potenza (100 kW) é richiesta solo per 2 ore del ciclo di raffreddamento. Per le restanti 8 ore, la richiesta è sempre inferiore alla potenza massima del refrigeratore. Se si contano i quadretti colorati, si ha un totale di 75 quadretti, rappresentanti ciascuno 10 kW. Il carico di punta richiede quindi l’impiego di un refrigeratore d’acqua avente una potenzialità di 100 kW, capace di fornire 1000 kW-ore durante le 10 ore di funzionamento. Il “Fattore di Diversita” (FD) si definisce in termini di rapporto tra il carico di raffreddamento reale (CR) e la capacità totale ricavabile dal refrigeratore (CT), espresso in percentuale, come segue: Carico di Raffreddamento Reale 750 ------------------------------------------------- = 0.75 Capacita Totale Refrigeratore 1000 Questo chiller ha dunque un Fattore di Diversità pari al 75%. Puo quindi arrivare a fornire 1000 kWore, quando invece ne sono richiesti soltanto 750. www.euroklimat.it Ad un fattore di diversità basso corrisponde un efficienza del capitale investito nell’impianto altrettanto basso. Più questo indice tende invece all’unità, migliore è l’utilizzo del capitale investito nell’impianto. Più è basso il Fattore di Diversità, maggiore è il beneficio potenziale che si può ricavare dall’adozione del sistema ad accumulo. Se si dividono i Kwh che rappresentano il carico totale dovuto al condizionamento dell’edificio per il numero di ore in cui il refrigeratore è in funzione, si ottiene il carico medio dell’edificio per tutto il periodo in cui è necessario il raffreddamento. Se il carico totale in Kwh, dovuto al solo condizionamento, fosse distribuito durante tutte le ore di consumo minimo , si renderebbe necessaria una minor potenza frigorifera dei refrigeratori e si potrebbe raggiungere il 100% di Fattore di Diversità , migliorando la resa dell’investimento. ACCUMULO TOTALE O PARZIALE? Benché vi siano numerose strategie di controllo che possono essere utilizzate per approfittare dei benefici provenienti dal raffreddamento ad accumulo, esistono tuttavia due criteri di base per la progettazione del sistema. Qualora vi siano convenienze tariffarie e sia necessario evitare la contemporaneità dei carichi, si deve spostare completamente il funzionamento del refrigeratore fuori dalle ore di massima richiesta d’energia. Questo è il sistema definito ad Accumulo Totale, spesso in uso negli impianti pre-esistenti che sfruttano la resa del refrigeratore installato. kW Diagramma 3 Ore www.euroklimat.it Il diagramma 3 mostra il profilo di carico per il condizionamento dello stesso edificio, ma col refrigeratore funzionante per 14 ore, fuori dalle 10 di massima richiesta d’energia. Il refrigeratore viene usato in questo caso per accumulare il ghiaccio nei serbatoi delle Banche durante la notte. L’energia accumulata nel ghiaccio a 0°c durante quelle ore, sarà in grado di fornire i 750 kW-ore richiesti per il raffreddamento diurno. II consumo medio risulta abbassato a 53,6 kW (750 kW-ore/14 = 53,6).Il refrigeratore non entra in funzione durante il giorno, il che riduce significativamente la potenza impegnata. Negli impianti di nuova costruzione, invece, il sistema definito ad Accumulo Parziale risulta solitamente la strategia di gestione del carico più pratica e con il massimo rendimento rispetto al costo dell’impianto. In questo caso si può utilizzare un refrigeratore molto più piccolo in funzione a qualsiasi ora del giorno, che caricherà i serbatoi di accumulo del ghiaccio di notte mentre, durante il giorno, soddisferà la richiesta di raffreddamento sommando la sua potenza a quella fornita dalla banca del ghiaccio. Estendendo il funzionamento del refrigeratore da 14 a 24 ore, il risultato è il più basso carico medio possibile : 750 kW-ore / 24 = 31,253 come illustrato dal diagramma 4. kW Diagramma 4 Ore I carichi richiesti sono ampiamente ridotti e la potenza del refrigeratore diminuisce spesso del 50-60 % e anche di più. Facciamo notare che sebbene il carico medio dell’impianto nell’arco delle 24 ore risulti essere 31,25 kW, la resa reale del refrigeratore è di poco più elevata di giorno e più bassa di notte. La discrepanza si deve ad una diminuzione di resa del refrigeratore del 30-35% durante la produzione del ghiaccio, come descritto nel paragrafo successivo. www.euroklimat.it COME FUNZIONA IL SISTEMA LEVLOAD La banca del ghiaccio Levload è un serbatoio di polietilene modulare, isolato e contenente un tubo di plastica a spirale che scambia calore con l’acqua che lo circonda Di notte la soluzione glicolata (75% acqua e 25% glicole) raffreddata da un refrigeratore standard,circola attraverso lo scambiatore ed assorbe il calore dall’acqua fino al suo completo congelamento. Nel serbatoio il ghiaccio si forma uniformemente grazie all’effetto della temperatura media che si realizza mediante la particolare circuitazione in controcorrente brevettata. Ritorno Testata del rifornimento Testata Fig. 5 Durante il congelamento, l’acqua non viene chiusa dal ghiaccio e si muove liberamente senza provocare danni al serbatoio. Tipici diagrammi di flusso per il Parziale Sistema di Stoccaggio sono mostrati nella figura 6 e 7. L’impianto con il collegamento in serie risulta di semplice esecuzione per il circuito idraulico e consente la massima semplicità di controllo. www.euroklimat.it Quello con il collegamento in parallelo, riduce il flusso di acqua glicolata attraverso i serbatoi e diminuisce le perdite di carico ma tende ad incrementare la differenza di temperatura fra ingresso ed uscita dell’acqua glicolata. I sistemi di raffreddamento con accumulo rappresentano l’opzione migliore per i fornitori di energia elettrica, contribuendo a distribuire nelle 24 ore il carico elettrico, contenendo così i costi per nuovi impianti di produzione, di trasporto e trasformazione dell’energia elettrica. I sistemi come le banche de Ghiaccio possono non solo dimezzare i costi di esercizio, ma anche ridurre in modo sostanziale i capitali destinati ai nuovi impianti, purché questi sistemi siano progettati in modo adeguato per i nuovi edifici ad uso commerciale e industriale. I progettisti possono infatti prevedere refrigeratori d’acqua con potenze dimezzate,che funzionino per 24 ore al giorno anziché solo per otto o dieci ore. Nel caso di impianti pre-esistenti, un sistema di raffreddamento con accumulo come la Banca del Ghiaccio é in grado di rispondere ad un aumento di richiesta di raffreddamento, senza dover aumentare la potenza dei refrigeratori. -3.3°C Ciclo di carica -0°C Fig. 6 Chiller Batteria Raffreddante -3.3°C -0°C Valvola inversione automatica Ice Bank Valvola modulazione temperatura www.euroklimat.it 11.1°C Ciclo di scarico 15.5°C Fig. 7 Chiller 15.5°C 23.8°C Batteria Raffreddante 11.1°C 15.5°C 18.0°C 6.6°C 6.6°C Valvola inversione automatica Ice Bank Valvola modulazione temperatura 6.6°C Bypass 12.7 - 15.5°C Fig. 8 Chiller 12.7 - 15.5°C 23.8°C Batteria Raffreddante 18.0°C 6.6°C 6.6°C Ice Bank Valvola inversione automatica Valvola modulazione temperatura Durante la notte la soluzione di acqua glicolata circola attraverso il refrigeratore e lo scambiatore della Banca del Ghiaccio, by-passando la batteria dell’unità di trattamento dell’aria. La soluzione è a -3.5°C e congela l’acqua che circonda lo “scambiatore” di calore. Durante il giorno la soluzione è raffreddata dalla banca del ghiaccio da 11°C a 1°C. Una valvola di modulazione della temperatura regolata a 7°C, tramite un by-pass della banca del ghiaccio, permette ad una quantità sufficiente di fluido ad 11 °C di miscelarsi con il fluido ad 1°C, per ottenere la desiderata temperatura di 7°C. Il fluido a 7°C entra nella batteria, dove raffredda l’aria da 24°C a 13°C. Il fluido esce dalla batteria a 16°C , entra nel refrigeratore e si raffredda a 11°C. www.euroklimat.it Bisogna considerare che, mentre si forma ghiaccio nella notte, il refrigeratore deve raffreddare la soluzione di acqua/glicole a - 3.5°C, dopo di che produce acqua a temperatura di 7°C come richiesto dai sistemi convenzionali del condizionamento. Questo ha l’effetto di dover sottostimare la capacità nominale dei refrigeratori di circa il 30%, durante il periodo in cui si accumula ghiaccio e cioè quando il refrigeratore produce soluzione a -3,5, con ritorno a 0°C. L’efficienza del compressore non si riduce ulteriormente perché durante la notte, sia le torri di raffreddamento che i condensatori ad aria sono favoriti nello scambio termico dalla ridotta temperatura esterna. La valvola di modulazione della temperatura con funzionamento in by-pass ha la possibilità di provvedere ad un completo controllo della capacità del sistema. Durante i tanti giorni di primavera ed autunno con miti temperature, il refrigeratore sarà capace di provvedere al raffreddamento necessario per l’edificio senza l’aiuto del ghiaccio immagazzinato nella banca. Quando l’edificio richiede una potenza frigorifera pari o inferiore a quella del refrigeratore, il flusso del fluido refrigerante by-passa la banca del ghiaccio e circola fra la macchina frigorifera e l’utilizzatore, come nella figura 8. Il glicole consigliato per la soluzione raffreddante è un etilene industriale, come il Dow Chemical Company’s Dowterm SR-1 oppure l’Union Cabride Corporation’s Ucatherm che sono specifici per una bassa viscosità e per le proprietà di trasmissione elevata di calore. Questi contengono un multi-componente inibitore della corrosione per la maggior parte dei materiali come l’alluminio, le plastiche, e il rame. A differenza dei tipi di sistemi anti congelamento, essi non producono pellicole e non contengono agenti anti-perdite che interferiscono con l’efficienza di trasmissione del calore e permettono l’uso di sistemi standard per pompe, connessioni , sfiati d’aria e batterie. Comunque, a causa della sottile differenza fra il coefficiente di trasferimento del calore e l’acqua glicolata, la capacità della batteria del condizionatore dovrebbe essere aumentata del 5%. E’ altresì importante che l’acqua ed il glicole siano ben miscelati prima del riempimento dell’impianto. www.euroklimat.it COSA RENDE LEVLOAD MIGLIORE DI ALTRI ACCUMULATORI FRIGORIFERI? 1) LEVLOAD usa il ghiaccio come mezzo di accumulo. 1 Kg di ghiaccio può accumulare 335 Kjoule di energia, mentre lo stesso peso d’acqua in un serbatoio stratificato immagazzina solo 30 Kjoule. Quindi, il sistema di accumulo con ghiaccio ha bisogno solo di un decimo di spazio per immagazzinare la stessa energia; un vantaggio importante per le applicazioni dove lo spazio è scarso. 2) LEVLOAD è un sistema chiuso . La soluzione di acqua glicolata circola in un circuito chiuso richiedendo una bassa potenza di pompaggio e non necessita di trattamenti di filtraggio o altro. La soluzione di acqua glicolata non viene mai a diretto contatto con il ghiaccio immagazzinato. Non c’è bisogno di uno scambiatore di calore intermedio fra l’impianto di aria condizionata e l’accumulo. 3) LEVLOAD è il più energeticamente efficiente fra i sistemi di stoccaggio del ghiaccio. I sistemi ad espansione diretta per l’accumulo di ghiaccio, che si forma direttamente su tubi metallici dell’evaporatore, sono stati progettati molti anni fa; questi sistemi sono comunemente indicati come “ fabbricatori di ghiaccio”. In alcuni casi il ghiaccio supera lo spessore di 7 cm ed è conservato su tubi sommersi in un serbatoio d’acqua. L’acqua nel serbatoio circondata dal ghiaccio è poi pompata all’impianto. La Figura 9 confronta il metodo LEVLOAD di fusione del ghiaccio col vecchio sistema. Fig. 9 Fabbricatore di ghiaccio Ghiaccio solido Area ghiaccio fuso Sistema refrigerante (Acqua-glicole) Refrigerante Acqua Refrigerata SISTEMA DI SCARICO DI UNA BANCA DEL GHIACCIO Notate che in questi fabbricatori , il ghiaccio fonde dall’esterno verso l’interno, mentre nelle Banche il ghiaccio fonde dall’interno all’esterno. Nel successivo ciclo di ricarica, le Banche del ghiaccio saranno in grado di raffreddare più velocemente, mentre nell’altro caso si dovrà superare l’effetto isolante del ghiaccio rimasto sui tubi dello scambiatore www.euroklimat.it A differenza delle Banche del ghiaccio, il “fabbricatore” richiede controlli di spessore per prevenire il congelamento totale che produrrebbe l’arresto dell’impianto. Il “fabbricatore di ghiaccio” è anche soggetto a parziali fusioni causate da un irregolare flusso d’acqua che nella circolazione interna segue il percorso di minor resistenza. Un altro metodo di stoccaggio è quello che produce ghiaccio su sottili piastre refrigeranti metalliche. Il ghiaccio è periodicamente raccolto in un bidone o in serbatoi d’acqua per il periodico distacco dovuto alla fusione sulle piastre metalliche. L’acqua refrigerata circonda il ghiaccio spezzato nel serbatoio e poi pompata nella serpentina di raffreddamento. Una delle ragioni per cui la raccolta del ghiaccio è meno efficiente del sistema LEVLOAD è che il ciclo di raccolta, dovendo rimuovere il ghiaccio dalle piastre, costa dal 4 all’8% di energia per perdite elettriche e termiche. In più la pompa di ricircolo richiede consumi dall’8 al 12% superiori a quelli del sistema LEVLOAD. 4) LEVLOAD immagazzina ghiaccio lontano dall’evaporatore. Questo lascia l’evaporatore libero di aiutare il raffreddamento durante le ore di occupazione (concetto di immagazzinamento parziale). La figura 10 mette a confronto la performance del refrigeratore nel sistema LEVLOAD in funzionamento di accumulo parziale (linea continua) con un Fabbricatore di ghiaccio (linea tratteggiata) in un tipico processo giornaliero. Si noti che, nel sistema che produce ghiaccio direttamente sull’evaporatore, la temperatura d’aspirazione si abbassa notevolmente e la macchina frigorifera funziona con un rendimento molto più basso; a parità di Kw elettrici impegnati corrisponde una forte riduzione dei Kw frigoriferi prodotti. Fig. 10 Potenza in raffreddamento (kW) -8C° Aspirazione - 65% 1,5C° Aspirazione - 100% 7C° Aspirazione - 115% Ore Ghiaccio (a distanza) dall’evaporatore Ghiaccio nell’evaporatore www.euroklimat.it 5) L’installazione di LEVLOAD è veloce e non dispendiosa. La banca del ghiaccio è compatta, completamente assemblata in fabbrica secondo un sistema modulare, con parti non mobili, facile da spedire ed installare. E’ usata con refrigeratori convenzionali e non è richiesto alcun funzionamento in bassa temperatura.Le banche del ghiaccio possono essere collocate sia all’aperto che all’interno, opportunamente impilate o sotterrate per non perdere spazio. La fotografia qui sotto mostra come è facile installare la banca del ghiaccio Modello 1500. E’ dotata di collegamenti idraulici fatti in fabbrica e collettori preisolati per l’ingresso e l’uscita del fluido refrigerante. Un sollevamento con barra in acciaio è usato per posizionarla. Solo richieste solo 2 connessioni; il tempo di installazione si riduce significativamente ed i costi sono ridotti dal 10 al 15% rispetto all’installazione di tre serbatoi separati. Calmac Modello 1500 www.euroklimat.it ALTRE POSSIBILITA’ DEL SISTEMA LEVLOAD Bassa temperatura per sistemi canalizzati Un sistema di condizionamento che usi aria primaria a 6°C anziché a 13°C permette un ulteriore enorme risparmio dei costi iniziali e di funzionamento. Questa bassa temperatura dell’aria è ottenibile inviando direttamente l’acqua glicolata a 1°C circa, dalle Banche del ghiaccio direttamente alla batteria di trattamento dell’aria invece di miscelarla con la soluzione by-passata, come dalla figura 7. L’aria a 6°C viene utilizzata come aria primaria e distribuita tramite ventilatore ai terminali moto-ventilanti per la miscelazione con aria di ricircolo per raggiungere la temperatura ambiente desiderata.L’aria primaria a 6°C richiede volumi molto inferiori che a 13°C e di conseguenza la dimensione ed il costo delle unità di trattamento e delle condotte . Il risparmio energetico del trattamento dell’aria è del 20% anche se aggiungiamo l’energia richiesta per i piccoli terminali motorizzati per la miscelazione. Sali eutettici Sali eutettici non tossici sono disponibili per abbassare il punto di raffreddamento dell’acqua nelle banche del ghiaccio Calmac sia a - 2 C° che a -11°C, conseguentemente, la temperatura del ghiaccio ottenuto è in grado di fornire aria primaria fredda e secca per diversi usi, comprese applicazioni lato aria con bassa temperatura. Il ghiaccio a - 11°C può essere usato per il raffreddamento a terra degli aeromobili, come mantenimento del ghiaccio delle piste di pattinaggio e per i processi industriali per raffreddare liquidi di vario genere. Altre temperature possono essere utili per specifiche applicazioni, come ad esempio i magazzini refrigerati. www.euroklimat.it Riscaldamento con i Refrigeratori Con refrigeratori condensati ad acqua che utilizzano torri di raffreddamento per smaltire il calore di condensazione, è sempre utile recuperare l’acqua calda prodotta, tutta o in parte e stoccarla in un serbatoio isolato per utilizzarla nei servizi dell’edificio ed eventualmente per il riscaldamento mattutino nelle medie stagioni. Quest’energia è il calore di scarto dei giorni precedenti prodotto nel ciclo di raffreddamento (materiali per l’ufficio, luci, computer, persone). Si tratta di energia che è già stata pagata, che può, quindi, essere usata anziché dispersa nell’atmosfera attraverso le torri di raffreddamento o altri sistemi di raffreddamento. Una buona progettazione del sistema può far risparmiare combustibile e ridurre l’inquinamento ambientale. Fig. 11 1. 2. 3. 4. 5. Unità aria espulsa Unità accumulo ghiaccio Unità trattamento aria Chiller liquido Evaporatore 6. Condensatore 7. Compressore 8. Acqua calda 9. Torre raffreddamento 10. Accumulo acqua calda www.euroklimat.it Dati tecnici Modello 1045 1082 1098 1190 Accumulo totale di calore kWh 170 341 405 670 Accumulo di calore sensibile kWh 26 53 61 100 Accumulo di calore latente kWh 144 288 344 570 Superficie tubazioni scambiatore m2/kW 0,31 0,34 0,34 0,34 Durata nominale dello scarico h 6+12 6+12 1+12 1+12 Temp. Max funzionamento °c 38 38 38 38 Press. Max funzionameno kPa 600 600 600 600 Volume lordo interno banca Lt 1,447 3,175 3,683 3,326 Volume occupato dallo scambiatore Lt 131 204 340 560 Dimensioni Diametro Ø mm 1.880 1.880 2.262 2.262 Altezza mm 1.117 2.083 1.730 2.540 Peso netto A vuoto kg 182 386 480 702 In esercizio kg 1.760 3.765 4.503 7.588 “sono disponibili altri modelli di banche del ghiaccio per particolari applicazioni - chiedere al nostro ufficio tecnico” www.euroklimat.it Parlamentsgabäude Lissabon, Portugal Universidad de Deusto, Spain Flughafen Malaga, Spain Kanonalbank Ganève, Swiitzerland Du Pont de Nemours int. SA, Genf, Switzerland www.euroklimat.it International Center Cointrin, Genf, Switzerland Rai Roma, Italia Flughafen Hamburg, Germany Banque International. Luxemburg Chemie Grünenthal, Germany www.euroklimat.it Euroklimat S.p.A. Via Liguria 8 - 27010 Siziano (PV) Codice Fiscale &Partita Iva 01808400186 tel.(+39).0382610282 r.a. fax.(+39).0382617782 www.euroklimat.it email:[email protected]