Накопление тепловой энергии

M. MacCracken, член Американского общества инженеров по отоплениию, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE), генеральный директор компании «CALMAC Manufacturing», США

Введение

Наиболее очевидной причиной использования систем накопления тепловой энергии является сокращение затрат на потребляемую энергию, поскольку стоимость энергии, потребляемой в периоды пиковых нагрузок, выше стоимости энергии, потребляемой в другое время. В ряде проектов с использованием систем накопления тепловой энергии, отмеченных премиями Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE) за технологические достижения, подробно рассматриваются аспекты, связанные со снижением затрат. Меньшее внимание уделяется уменьшению размеров оборудования и сокращению инфраструктуры.

Приводимый в этой статье анализ основывается на показателях следующих систем кондиционирования воздуха с накоплением тепловой энергии:

• Системы с чиллерами. В годы становления технологии TES успешно применялись разнообразные системы, включая системы подачи хладагента, оборудование производства льда и пр. Однако 99 % коммерческих систем кондиционирования воздуха с накоплением тепловой энергии используют для холодоснабжения стандартный чиллер. Это объясняется тем, что чиллеры отличаются простой, надежной и дешевой конструкцией, широким диапазоном производительности. Чиллеры используются для охлаждения воды или водного раствора гликоля.

• Накопители со льдом. В проектах, при реализации которых нет существенных ограничений по площадям, занимаемым инженерным оборудованием, широко применяется накопление охлажденной воды. Однако, поскольку системы климатизации часто устанавливаются в реконструированных зданиях, в которых пространство, занимаемое инженерным оборудованием, ограничено, более целесообразным является применение льда.

• Замкнутые системы. В больших системах холодоснабжения для накопления энергии и для теплообмена применяются вода и/или лед. Такие «открытые» системы создают дополнительные гидравлические проблемы, которые должны решаться самым тщательным образом. Однако большинство современных систем накопления тепловой энергии разделяют среду накопления энергии и жидкость для теплообмена, в результате чего характеристики таких систем аналогичны характеристикам систем с чиллерами.

Мифы о системах накопления тепловой энергии

Миф 1. Эти системы применяются нечасто, их применение рискованно

Если я скажу, что системы накопления тепловой энергии широко представлены на рынке и что вы используете их в настоящее время, вы, возможно, скажете, что я сошел с ума. Однако все-таки я прав, поскольку бытовые водонагреватели являются прекрасным примером демонстрации значения накопления тепловой энергии (в установках кондиционирования воздуха системы накопления тепловой энергии часто называют более наглядным термином «системы внепикового охлаждения», подразумевая систему охлаждения, сглаживающую пиковые нагрузки). Расчеты показывают, что для мгновенного нагрева воды для единственной душевой насадки с низким расходом требуется нагреватель мощностью 18 кВт (1) или 36 кВт для двух одновременно работающих насадок.

(1)

Даже в самых мощных электрических водонагревателях стоит нагревательный элемент мощностью максимум 4,5 кВт. Для такого нагревателя требуется в четыре раза меньшая инфраструктура, необходимая для кабельной проводки, и, соответственно, меньшее потребление энергии.

Никто не устанавливает бытовые водонагреватели, рассчитанные на максимальную мгновенную нагрузку. Аналогичная практика существует и для систем климатизации. Совершенно нет необходимости устанавливать систему с чиллером, соответствующим нагрузке, которая может быть в течение пары часов в году. Простая система частичного накопления энергии позволяет уменьшить размеры и производительность чиллера до величины, большей средней дневной пиковой нагрузки на определенное безопасное значение. В этом случае размер установки с чиллером обычно может быть уменьшен на 40—50 % (с соответствующим уменьшением инфраструктуры), аналогично водонагревательным системам.

Миф 2. Для этих систем требуется слишком много места

Много ли места занимает водонагреватель в вашем доме?

На основании уравнения 2 может быть дан расчет объема пространства, необходимого для системы максимально полного накопления тепловой энергии.

При полном накоплении =

При частичном накоплении (33 % от полного) = 0,70 x 33 % = 0,23 %,  (2)

где т. о. — тонн охлаждения.

Системы накопления тепловой энергии в установках, обслуживающих реконструированные здания, как правило, являются системами «с частичным накоплением». Они обычно рассчитываются на одну треть пиковой нагрузки, поэтому для них требуется пространство, составляющее 0,23 % общей площади. Например, в здании с общей площадью 93 000 м² система накопления будет занимать только около 214 м². В доме с общей площадью 186 м² водонагреватель занимает 0,5 м², или 0,25 % площади. Таким образом, для внепикового охлаждения при накоплении 33 % тепла для системы накопления тепловой энергии требуется примерно такое же пространство, как и для водонагревателя в доме.

A. Цикл расхода

Б. Полное накопление, прохладный день

В. Частичное накопление, приоритет отбора тепла у льда, теплый день

Г. Частичное накопление, приоритет использование чиллера, влажный жаркий день

Миф 3. Система слишком сложна

Обратимся вновь к примеру с водонагревателем. Водонагреватель совсем не сложен. Он содержит надежный нагревательный элемент, мощность которого ниже мощности, необходимой для обеспечения максимальных нагрузок. Нагреватель включается при уменьшении температуры воды ниже 95 % от заданной.

В системе внепикового охлаждения с частичным накоплением тепла надежный охлаждающий элемент (чиллер), мощность которого ниже мощности, необходимой для обеспечения максимальных нагрузок, включается при выходе температуры за пределы 95 % от заданной. Емкости таких систем являются простыми накопителями тепла, не имеющими никаких движущихся деталей. В системах с частичным накоплением тепла не может возникнуть отказ системы управления при пиковых нагрузках, поскольку в них отсутствует рассчитанный на максимальную нагрузку чиллер, который может случайно задать большое потребление электроэнергии. Определенные затруднения в системе могут возникнуть из-за несоответствия сложности системы управления и квалификации оператора. Установка чиллера с размерами и производительностью, уменьшенными до 50 % от максимальных величин, позволяет значительно сократить затраты на потребляемую энергию. Большая система внепикового охлаждения может обеспечить более сложную стратегию управления, но в таких системах постоянно возникают какие-либо проблемы. Проектировщику приходится затрачивать много времени, чтобы найти точный и логичный способ экономии затрат при работе со сложной структурой оценки. Достаточно просто подумать о том, какой непонятной может быть стратегия управления для оператора третьей смены при выходе из строя какого-либо датчика (см. врезку).

Миф 4. Отсутствие резервирования при частичном накоплении

Почти любая система внепикового охлаждения может удовлетворять тем же критериям резервирования, что и обычная система сравнимой стоимости. Естественно, плохо, если в обычной системе с одним чиллером этот чиллер выходит из строя. То же самое относится и к системе накопления тепловой энергии, имеющей один чиллер. Но давайте рассмотрим обычную систему с расчетной дневной нагрузкой 3 500 кВт. В этом случае подходящая обычная конструкция могла бы иметь три чиллера по 1 400 кВт, а эквивалентная система с частичным накоплением могла бы иметь два чиллера по 1 400 кВт и систему аккумуляции льда на 12 300 кВт•ч. На рис. 1 представлена максимальная производительность обеих систем в сравнении с профилем расчетной дневной нагрузки. Хотя система мощностью 4 220 кВт могла бы за 24 часа выработать большее количество энергии, ясно, что система накопления — это больше, чем нужно даже для расчетного дня.

Система накопления тепловой энергии: два чиллера по 1 400 кВт с системой аккумуляции льда на 12 300 кВт•ч

Рисунок 1. Максимальная производительность обычной системы и системы накопления тепловой энергии в сравнении с профилем расчетной дневной нагрузки

Следующей проблемой является выход из строя оборудования. На рис. 2 показано, что если в обычной системе чиллер выйдет из строя или в системе накопления не будет доступна система аккумуляции, то вся нагрузка ляжет на два чиллера по 1 400 кВт и в течение 6 из 11 часов в системе будет наблюдаться дефицит производительности. Если вышедшим из строя компонентом в системе накопления является чиллер, оставшийся чиллер и система накопления должны быть способны выдерживать полную нагрузку в течение 8 из 11 часов. Следовательно, системы совершенно сходны по своим параметрам производительности, и для обеспечения резервирования «n+1» в обеих системах вместо чиллеров номинальной мощностью 1 400 кВт необходимы чиллеры номинальной мощностью 1 760 кВт (три или два).

Система накопления тепловой энергии: один чиллер мощностью 1 400 кВт с системой аккумуляции льда на 12 300 кВт•ч

Рисунок 2. Сравнение производительности обычной системы и системы накопления тепловой энергии в расчетный период при отказе одного чиллера

Миф 5. Высокие капитальные затраты

Трудно получить действительные цены на оборудование, поскольку компании неохотно публикуют подобные данные. Хотя во многих исследованиях фигурируют низкие значения себестоимости, удобнее рассматривать стоимость установки с использованием некоторых упрощений. Обычно размеры и производительность системы чиллеров могут быть уменьшены на 40—50 %. Однако для следующего примера будем использовать показатель сокращения 33 %. В этом случае мы уменьшили производительность холодильной установки до 1 400 кВт, снизив производительность чиллера, башенных градирен, насосов градирен и электрическую мощность всех модулей. Используя в качестве удельной стоимости 256 долларов на кВт охлаждения, получаем стоимость установки всей системы:

Система без накопления тепловой энергии:

Три чиллера мощностью 1 400 кВт x 256 $/кВт охлаждения ≈ 1 080 000 $.

Система с частичным накоплением:

Два чиллера мощностью 1 400 кВт x 256 $/кВт охлаждения ≈ 720 000 $.

Система аккумуляции льда на 12 300 кВт•ч x 28 $/кВт•ч ≈ 350 000 $.

Итого: ≈ 1 070 000 $.

Некоторые особенности оборудования и местоположения установки могут приводить к изменению капитальных затрат, но главное мы выяснили: если подрядчики, имеющие опыт установки систем внепикового охлаждения, конкурируют за право реализации проекта (производительностью более 1 400 кВт), капитальные затраты могут быть сопоставимы. В проектах реконструкции объектов, в которых повышается эффективность использования почти всех видов энергии (за исключением затрат энергии на освещение), появляются дополнительные причины для сокращения сроков окупаемости капиталовложений, например, износ чиллера, замена фреона, расширение здания, дефицит электроэнергии и т. д.

Миф 6. Не обеспечивается экономия энергии

При проведении анализа экономии, полученной в результате использования внепикового охлаждения, необходимо рассматривать как энергию, потребляемую в самом здании, так и энергию, используемую в источнике ее производства на электростанции. Причина проста. Большая часть энергоэффективного оборудования снижает потребление энергии, но не изменяет времени, когда энергия используется. В системах внепикового охлаждения экономия энергии переносится «за счетчик». Экономия энергии на месте может быть, а может и не быть. Экономия энергии в источнике происходит почти всегда.

Экономия энергии на месте

Что является целью — экономия энергии или снижение затрат на энергию? Ясно, что ответом владельца здания будет последнее. Однако финансирование энергоэффективных мероприятий и технологий в большинстве стран производится на основе подсчета киловатт-часов. Системы накопления тепловой энергии позволяют экономить энергию, но часто это не эквивалентно снижению затрат на энергию. Рассмотрим схему, позволяющую увеличить экономию энергии в системах с воздушным и водяным охлаждением.

Прежде всего, рассмотрим чиллер с воздушным охлаждением, работающий при расчетных условиях ARI (ARI - Американский институт кондиционирования воздуха и холодильной техники) 35 °С/7 °С (точка А на рис. 3) и затрачивающий такое же количество энергии на тонну охлаждения, и при условиях формирования льда 26°С / –4°С (точка B на рис. 3).

Рисунок 3. Степень энергетической эффективности чиллеров с воздушным охлаждением (с отводом тепла)

Следовательно, при изменении температуры по сухому термометру на 9 °С обеспечивается такая же эффективность процесса формирования льда. На большей части США суточный перепад температур воздуха составляет 11 °С. Так как переход от дневной температуры к ночной производится по синусоидальному закону, средний перепад температур в период пиковых нагрузок и во время формирования льда лежит в диапазоне от 7 до 8 °С. При этом справедливо следующее:

1. Чиллеры с пониженными размерами и меньшей производительностью полностью загружены большую часть рабочего времени, что является для них наиболее эффективным режимом работы.

2. Чиллеры системы частичного накопления обычно расположены до системы аккумуляции льда. Поэтому они производят охлаждение во второй половине временного диапазона и имеют большую эффективность во время пиковых нагрузок, чем если бы они вырабатывали жидкость при температуре 7 °С (точка С на рис. 3).

3. Для предотвращения очевидно неэффективных коротких циклов работы оборудования чиллера (от 0 до 20 %) работа в экстремальных условиях частичной нагрузки производится полностью с использованием льда.

В системах внепикового охлаждения с водяным охлаждением аргументация экономии потребления энергии на месте вначале кажется менее очевидной. Температура окружающего воздуха по влажному термометру в ночное время уменьшается только на 3—4 °С по сравнению с дневной. Следовательно, такое понижение температуры не достаточно для достижения в испарителе температуры, необходимой для производства льда, и дает около 15 % «дефицита» (рис. 4) (от точки А к точке В).

Рисунок 4. Показатели чиллера с водяным охлаждением (только для сравнения)

Однако в данном случае самое важное заключается в количестве киловатт-часов в году, которое в системе, направленной на экономию энергии, обеспечивалось в действительности посредством льда. В случае приоритета использования чиллера для системы с частичным накоплением, в которой должен работать чиллер с размерами, уменьшенными до 50 %, а установлен чиллер с размерами, уменьшенными до 60 %, простой анализ показывает, что количество киловатт-часов в году в офисном здании или в школе, превышающее 60 %, составляет только 20 %.

Таким образом, с долей производства льда, для чиллеров с воздушным охлаждением составляющей спорную величину 0 %, а для чиллеров с водяным охлаждением — 15 %, общая доля производства льда для чиллеров с водяным охлаждением составляет 20 % от 15 %, или около 3 %. Даже при дополнительной подкачке, необходимой для доставки охлаждающей воды в систему накопления, при учете указанных выше факторов весьма маловероятно, что разность температур для системы с водяным охлаждением падает до нуля.

Повышенный размер чиллеров обусловливает превышение размеров соответствующих компонентов — насосов конденсаторов, градирен и трансформаторов, которые, вероятнее всего, никогда не будут работать при полной нагрузке в течение всего срока службы системы. Надлежащий выбор размеров и параметров производительности чиллера позволяет сэкономить значительное количество энергии. Наилучшим способом осознания эффективности использования энергии в системе с правильным выбором параметров и накоплением тепловой энергии является проведение сравнения ее характеристик с характеристиками системы, использующей частотно-регулируемые приводы (Variable Frequency Drives, VFD). VFD-приводы позволяют изменять скорость при частичной нагрузке, в то время как в системах с накоплением тепловой энергии изменяется время работы при полной нагрузке небольшой охлаждающей установки (которая может иметь VFD-приводы на чиллере, насосе конденсатора и вентиляторе градирни). Получаемые здесь основные преимущества должны быть проанализированы в количественном плане в процессе точного моделирования.

Экономия энергии в источнике

В 1996 году Энергетическая комиссия штата Калифорния выпустила отчет по двум коммунальным предприятиям. Этот отчет содержит вывод о том, что эффективность этих предприятий повышается на 8—30 % при производстве и доставке электроэнергии не в периоды пиковых нагрузок, а в другое время. Высокоэффективные электростанции, комбинация мер по снижению потерь в линиях электропередачи и при распределении электроэнергии обеспечивают более эффективное производство энергии в ночное время суток. Следовательно, если мы предположим, что в здании потребляется одинаковое количество электроэнергии как до, так и после установки системы внепикового охлаждения, каждый киловатт потребляемой энергии, «смещенный» в периоды пониженной нагрузки, обеспечивает значительную экономию «энергии в источнике». Кроме этого, существуют и экологические преимущества. В отношении системы внепикового охлаждения, установленной в Манхеттене, сотрудник «Natural Defense Council», заявляет: «Снижение пиковых нагрузок уменьшает уровень загрязнений, поскольку некоторые электростанции, предназначенные для удовлетворения потребности в электроэнергии в периоды пиковых нагрузок, являются одними из самых грязных в городе». В связи с этим предполагается, что в Калифорнии в нормативных документах 2005 года будет введена оценка относительной стоимости энергии для каждого часа в году (вместо равномерного тарифа), называемая также «оценка в зависимости от времени». Из-за того что тариф в послеполуденное время летом будет в 3—4 раза превышать тарифы в менее напряженные периоды, эти правила наверняка будут способствовать тому, что проектировщики будут использовать более эффективные способы потребления энергии в периоды пониженной нагрузки и системы внепикового охлаждения.

Миф 7. Тарифы на электроэнергию могут меняться, что может привести не к экономии, а к увеличению затрат

Тарифы на электроэнергию будут меняться. А условия предоставления и потребления энергии — нет. В прошлом коммунальные предприятия и службы, особенно монополистические, предоставляли электроэнергию по тарифам, основанным на опыте многих десятилетий и зависящим от времени. Электроэнергия в периоды повышенного энергопотребления более дорогая, хотя это относится только к коммерческим и промышленным потребителям. В счете за электроэнергию стоимость энергии, потребленной в периоды пиковой нагрузки, может составлять 50 % всех затрат, поэтому вопрос «когда вы потребляете энергию» почти так же важен, как и «сколько вы потребляете».

Программы использования энергии в зависимости от потребности, требующие снижения нагрузок в здании на 10 % в течение четырех часов, являются очевидным свидетельством этому и явным образом предназначены для систем внепикового охлаждения с частичным накоплением. Пока не будет достигнут определенный избыток генерирующих мощностей (не влияющий на экономическую эффективность) или пока потребление энергии днем и ночью не станет сравнительно равномерным (однако не стоит ожидать этого) будет существовать большая разница стоимости электроэнергии в периоды пиковых нагрузок и в остальное время. Могут, конечно, временно вводиться, в форме краткосрочных аномалий, равномерные тарифы, но на их длительное действие рассчитывать не стоит (даже равномерные тарифы учитывают коэффициент нагрузки здания, т. е. пониженные равномерные тарифы при лучшем коэффициенте нагрузки). Следует также помнить, что для новостроек действуют очень небольшие (или вообще отсутствуют) наценки на себестоимость, что также снижает критические затраты на электроэнергию.

Заключение

При охлаждении в периоды пониженного энергопотребления действуют пониженные тарифы на электроэнергию, что обеспечивает высокую эффективность производства энергии и снижение загрязнений окружающей среды, благодаря чему эта технология получила название «зеленой».

Технология накопления тепловой энергии уже достаточно развита. В ходе ее развития получено множество уроков, и теперь уже от производителей зависит использование на практике информации, полученной из этих уроков. Только наиболее передовым и добросовестным владельцам требуется система оптимального регулирования, позволяющая экономить средства. Для всех остальных пользователей сложность системы управления должна быть сравнима со сложностью работы с электрическим водонагревателем.

Может быть, наилучшим образом понять эту технологию и оправдать ее применение поможет следующее высказывание: вместо того, чтобы для каждого вида работы на охлаждающей установке добавлять к коэффициенту безопасности 20 % и платить дополнительную цену за повышенные размеры и параметры в течение всего срока службы здания, целесообразнее уменьшить действительные размеры на 20 % (а не на 40 или 50 %) и добавить систему накопления тепловой энергии. Без потери избыточности и при значительном сокращении затрат на электроэнергию и при работе с полной нагрузкой системы внепикового охлаждения обладают гибкостью и снижают нагрузку на систему энергоснабжения. Инвестиции производятся в используемое (систему накопления), а не в простаивающее (резервный чиллер) оборудование. Системы внепикового охлаждения достигают своих целей с использованием только части затрат, необходимых для внедрения других технологий (топливных элементов, микротурбин), требующих также длительного обучения. Применение накопления тепловой энергии в системах внепикового охлаждения является доказавшим свою эффективность, простым и практичным решением проблемы постоянно растущей стоимости энергии.

Перепечатано с сокращениями из журнала ASHRAE.

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Научное редактирование выполнено Н. В. Шилкиным, доцентом МАрхИ, тел. (095) 921-80-48