אגירת אנרגיה תרמית PHASE CHANGE MATERIALS. THERMAL ENERGY STORAGE

חומרים משני פאזה (PCM)

אגירת אנרגיה תרמית (TES)

מדריך למשתמש

תוכן עניינים

Plus-ICETM

כדוריות פלדת אל-חלד

לאגירת אנרגיה תרמית

מדריך למשתמש

1.0. מבוא

   1.1. אגירת אנרגיה תרמית

   1.2. יחס בין אספקת חשמל לעומס קירור

   1.3. יתרונות TES

   1.4. קריטריונים לתכנון

2.0. טכנולוגיות אגירת אנרגיה תרמית עדכניות

   2.1. מערכות אגירה במים

   2.2. מערכות אגירה בקרח

   2.3. יישומים מיוחדים

   2.4. מערכות אגירת אנרגיה אוטקטיות (PCM)

3.0. טכנולוגיית Plus-ICE לאגירת אנרגיה תרמית

   3.1. כללי

   3.2. רקע לגבי אוטקטים (PCM)

   3.3. תמיסות Plus-ICE לשינוי פאזה

   3.4. קונספט ה- TES של Plus-ICE

     3.4.1. קונספט TubeICE

     3.4.2. קונספט BallICE

     3.4.3. קונספט FlatICE

     3.4.4. אפשרויות מיכלי אגירה

     3.4.5. מיכל אחסון אטמוספרי

   3.5. התקנת המיכל ותפעולו

4.0. יישומי אגירת אנרגיה תרמית של Plus-ICE

   4.1. בנייה חדשה

   4.2. יישומי השבחה

   4.3. מערכות קירור

   4.4. יישומי קירור חופשי

   4.5. יישומי דחיית חום של TES

   4.6. יישומים אחרים

5.0. מערכות בקרה

   5.1. בקרה ושליטה

1.0. מבוא

1.1. אגירת אנרגיה תרמית

פרופיל עומס הקירור הטיפוסי באיור 1.1.1 נחשב בתור דפוס הקירור האוניברסאלי עבור כל יישום קירור נתון. דפוס זה תלוי במיקום/פוזיציה, דפוס השימוש וביצועי חום פנימיים ספציפיים, אך בעיקרון, מערכת אגירת האנרגיה התרמית (TES) עוסקת באזור עומס הקירור הכולל, כלומר ביקוש kWh (Ton-hr) על פני תקופה מסוימת, בניגוד לשיא עומס שהוא הקריטריון העיקרי לעומס של תכנון רגיל.

אגירת אנרגיה תרמית (TES) פירושה אגירה זמנית של אנרגיה בטמפרטורה גבוהה או נמוכה עבור שימוש מאוחר יותר. אגירה זו מגשרת על פער הזמן בין הביקוש לאנרגיה לשימוש באנרגיה. רוב יישומי ה- TES כוללים מחזור אגירה של 24 שעות, וניתן לראות אסטרטגיית הסטת עומס TES אופיינית באיור 1.1.2. בעוד שהפלט של TES הוא תמיד אנרגיה תרמית, אנרגיית הקלט יכולה להיות תרמית או חשמלית.

איור 1.1.1 – פרופיל אופייני של עומס בניין.

איור 1.1.2 – אסטרטגיית הסטת עומס TES.

1.2. יחס בין אספקת חשמל/עומס קירור

ניתן להמיר מקורות אנרגיה ראשיים כמו מים, גז, פחם ודלקים גרעיניים באופן ישיר לחשמל, כמקור כוח למכשירים ביתיים וציוד תעשייתי. באופן עקרוני, יש לאזן בין ייצור החשמל לבין זמן הצריכה המדויק על מנת לענות על התנודות בביקוש בעלות הנמוכה ביותר.

עם זאת, תופעה זו יוצרת בעיות משל עצמה. מצד אחד, תנודות תמידיות בביקוש, בין אם עונתיות או בזמנים ספציפיים, אשר אינן נמצאות בשליטתנו, ומצד שני, דרישות התפעול הספציפיות של תחנות הכוח המייצרות חשמל, אשר אינן בהכרח תואמות את הביקוש.

חברות חשמל שואפות לייצר חשמל באמצעות מקורות אנרגיה ראשיים שונים על מנת לקזז את ביקושי השיא, וניתן לראות דפוס ייצור חשמל אופייני בבריטניה באיור 1.2.1.

איור 1.2.1 – פרופיל אופייני של ייצור חשמל יומי בבריטניה.

עומס הקירור באיור 1.1.1 וייצוא החשמל באיור 1.2.1 מציגים,באופן כללי, את אמצע היום או שעות הערב. בכמעט כל החברות המודרניות ניתן לראות ביקושי שיא לחשמל באמצע היום או בשעות הערב המאוחרות.

ביקושים אלו מאלצים את יצרני החשמל להקים תחנות כוח נוספות על מנת להתמודד עם ביקושי השיא, הדורשות השקעה נכבדת ופועלות רק בתקופות של ביקושי שיא, ומפסיקות לפעול בשאר הזמן. תחנות אלו משתמשות במקורות אנרגיה ראשיים יקרים וכוללות עלויות תחזוקה סטנדרטיות, וכתוצאה מכך עלויות הייצור לכל kWh הן גבוהות פי 3-4 מאשר עלות ייצור החשמל בעומסי בסיס סטנדרטיים. הרמה הממוצעת של עלות החשמל בבריטניה מפורטת באיור 1.2, ועלות נוספת זו מועברת ישירות למשתמש הקצה באמצעות גביית דמי ביקוש.

איור 1.2.2 – מחירי מאגר יומיים אופייניים של שימוש בחשמל בבריטניה.

בהתחשב בהשפעה של העומס הנכבד של מיזוג אוויר בבניין משרדים מודרני או קירור תעשייתי על רשת אספקת החשמל הכללית, יצרני החשמל מיקדו את תשומת ליבם בניסיון להפחית את ביקוש השיא הקצר, לצד בניית תחנות כוח חדשות ויקרות.

ספקי תשתיות במרבית העולם המפותח כבר הגיעו לשיאם, והסטת ביקוש השיא הקצר לחשמל הפכה לחלק מהותי באסטרטגיית ההפצה שלהם. כתוצאה מכך, ספקי התשתיות פיתחו מספר תוכניות תמריץ בכדי לתמוך בסוגים שונים של יישומי חיסכון באנרגיה והסטת עומס, באמצעות סבסוד עלות ההשקעה הראשונית והצעת תעריפים מוזלים על בסיס שעות שפל.

1.3. יתרונות :TES

1.3.1. תעריפי חשמל זולים:

באופן עקרוני, ה- TES מנצל אנרגיית חשמל עודפת מהרשת הלאומית בזמן תקופות שפל, על מנת להפחית את הביקוש בזמן שעות השיא. כתוצאה מכך, ספקי התשתיות בדרך כלל מציעים תמריצים שונים על ידי הפחתת עלויות החשמל בזמן שעות השפל עבור יישום תוכניות כאלו. עם זאת, מבנה התעריף ותקופות ביקוש השיא תלויות באופן משמעותי במדינה הנתונה, ואפילו באזורים שונים באותה מדינה.

באנגליה, תקופת השפל היא בין 12:00 PM ו- 7:00 AM בתעריף ממוצע של 2.68 p/kWh, מול עלות סטנדרטית של 7.35 p/kHw. בארצות הברית, בשל עומס מיזוג האוויר הגדול, מבנה זה מחולק באופן כללי לתעריפי חורף וקיץ, אך עדיין מוצעים תמריצים דומים לתעריפי ביקוש נמוך, 2.75 cent/kWh בחורף ו- 3.40 cent/kWh בקיץ, מול עלות סטנדרטית של 5.45 cent/kWh בחורף ו- 6.75 cent/kWh בקיץ, בהתאמה.

ניתן לראות בבירור כי עלויות הקירור השוטפות בשעות השפל הן כמעט חצי מאלו של מערכת רגילה, מבלי לקחת בחשבון את דמי הביקוש הנוספים המטים גם הם את האיזון לכיוון מערכת ה- TES.

1.3.2. תפעול בטמפרטורה חיצונית נמוכה

במדינות רבות, השינוי בטמפרטורות החיצוניות בין היום והלילה מגיע ל- 10-15 מעלות C וכתוצאה מכך, כל סוג של ציוד דחיית חום פועל באופן יעיל יותר.

לחץ הראש (לחץ עיבוי) משתנה בהתאם לטמפרטורה החיצונית וככל שהטמפרטורה החיצונית נמוכה יותר, כך פוחת לחץ העיבוי שניתן להשיג באמצעות כל סוג של קירור מכני.

איור 1.3.2.1 מציג דוגמא אופיינית של נתוני תפעול של מערכת קירור מול טמפרטורת עיבוי. באקלים שבו הטמפרטורה החיצונית בשעות הלילה יורדת מתחת לטמפרטורת האגירה התרמית, ניתן לטעון את מערכת האגירה באמצעות קירור חופשי המגיע מציוד דחיית חום קיים כמו מעבים ומגדלי קירור.

איור 1.3.2.1 – השפעת הטמפרטורה החיצונית על יעילות מכונות קירור בסופרמרקט.

הערות:

1) התאיידות מצנן HVAC ב- 3oC, קרר R134a.

2) התאיידות מצנן TES/HVAC ב- -13oC, קרר R134a.

3) התאיידות מזון מקורר ב- -13oC, קרר R404a.

4) התאיידות מזון קפוא ב- -35oC, קרר R404a.

שיטה זו מתאימה במיוחד עבור מערכות אגירה תרמית במים צוננים ומערכות אוטקטיות (PCM) מוחשיות. איורים 1.3.2.2 ו- 1.3.2.3 מציגים את נתוני מזג האוויר השנתיים ואת פרופיל הטמפרטורה החיצונית היומית של לונדון, בהתאמה.

תוכניות קירור חופשי הן מועילות במיוחד עבור בניינים רבים שבהם יש עומסי קירור חורפיים יומיים, כמו משרדים ממוחשבים גדולים, בנקים, חדרי עסקאות, אולמות ספורט, בתי חולים, תיאטראות וכדומה, מפעלי עיבוד מזון כמו מחלבות ומבשלות, ויישומי עיבוד תעשייתי.

אסטרטגיית קירור חופשי מספקת קירור עם הפעלה מועטה בלבד של המצנן או ללא הפעלתו כלל, וכתוצאה מכך מאפשרת חיסכון משמעותי באנרגיה. ניתן ליישם את הקירור החופשי לגבי רכיב המים הצוננים ורכיב דחיית החום של המערכת, והוא מציע ביצועי מערכת כוללים שאין שני להם.

איור 1.3.2.2 – טמפרטורות שנתיות ממוצעות.

איור 1.3.2.3 – פרופיל אופייני של טמפרטורת קיץ חיצונית יומית בבריטניה. טמפרטורות גולה יבשה ולחה שעתיות בחודש יולי, לונדון, אנגליה.

1.3.3. מצנן קטן/הרצה בעומס מלא

מצננים של יישומי אגירה תרמית הם בדרך כלל 30-60% קטנים יותר מאשר מצננים של מערכת רגילה, בשל זמני ההרצה הארוכים יותר וקיבולת אגירת החום הכמוס הגדולה, על מנת לענות על הביקוש המקסימאלי. בשל כך, המצננים פועלים במשך רוב תוחלת החיים הצפויה שלהם בעומס מלא בזמן מצב הטעינה, ובמקרה שנדרשת הפעלה נוספת עבור אסטרטגיית אגירה חלקית.

1.3.4. קיבולת מורחבת נוספת/עתידית

ניתן לענות בקלות על כל ביקוש עתידי או נוסף לקירור/חימום באמצעות שינוי אסטרטגיית האגירה התרמית עבור המערכת. באופן עקרוני, ניתן לספק את הקיבולת הנוספת על ידי מעבר מאגירה מלאה למערכת אגירה חלקית או אפילו אגירה שבועית, בהתאם לקיבולת הנוספת הדרושה מעבר לגבולות הקיבולת הנוכחיים.

1.3.5 עומס כבד קצר טווח

מערכת ה- TES היא חיונית עבור דרישות אנרגיה גבוהות לתקופות קצרות. דוגמאות לכך הן כנסיות, אולמות ספורט, תיאטראות וכדומה, עבור מיזוג אוויר ועיבוד מזון, חלב ואלכוהול, ועבור קירור האוויר הנכנס לטורבינת גז לשם יישומים תעשייתיים.

משך הזמן של ביקוש השיא הוא בדרך כלל מספר קטן יחסית של שעות ביום. למרות זאת, יש לתכנן את המערכת הרגילה כך שתענה על הביקוש המקסימאלי, מצב שאינו דרוש רוב הזמן. אם ניתן לפזר את עומס הקירור באמצעות TES, נוכל להפחית את פעולת הקירור בצורה דרמאטית.

1.3.6. קיבולת כוננות מלאה

האנרגיה התרמית שנאגרה יכולה לספק בקלות תקופות ביטחון סבירות עבור תיקוני חירום או תחזוקה שגרתית, ללא הפרעה למערכת. קיבולת כוננות מלאה הינה חיונית עבור יישומים תעשייתיים או מיזוג אוויר קבוע.

1.3.7. אפשרות ידידותית לסביבה

באופן מפתיע, גישה של תכנון TES משולב אינה מספקת רק התקנה ראשונית בעלות נמוכה, אלא מציעה בנוסף תועלת סביבתית משמעותית על ידי הפחתת ההשפעה הישירה על ההתחממות הגלובלית באמצעות הפחתת התפעול של ציוד הקירור, ובשל כך, הפחתה בצורך בטעינת קרר, והפחתה בהשפעה הבלתי ישירה על ההתחממות הגלובאלית המשויכת לפליטת CO2 הקשורה בייצור חשמל.

אם נוכל להסיט את ביקוש השיא של הקירור באמצעות אגירת אנרגיה תרמית לתקופות שפל, לא רק שהמערכת תפעל בעלויות נמוכות יותר בשל עלויות האנרגיה הנמוכות והירידה בתעריפי ביקוש השיא, אלא בנוסף מערכות הקירור יסתמכו פחות על תחנות כוח מבוססות פליטת CO2 וכתוצאה מכך פליטת ה- CO2 הכללית של המערכת תפחת גם היא, כפי שניתן לראות באיור 1.3.7.1.

איור 1.3.7.1 – פרופיל פליטת ה- CO2 היומית של ייצור החשמל באנגליה ובווילס.

בנוסף, הטמפרטורות החיצוניות הנמוכות המוצגות באיורים 1.3.2.2 ו- 1.3.2.3 מובילות לצריכת אנרגיה נמוכה יותר בשל תפעול טמפרטורת עיבוי נמוך ואפשרות השימוש בציוד קירור קטן יותר. כתוצאה מכך, ניתן להפחית את ההשפעות הישירות והעקיפות של המערכת על ההתחממות הגלובאלית עבור כל מערכת נתונה כחלק מחישוב ה- TEWI, בנוסף לתועלת הכלכלית.

1.4. קריטריונים לתכנון

באופן עקרוני, כל מערכות ה- TES הן בעלות אותם קונספטים בסיסיים, וכוללות את הציוד הבסיסי הדומה הבא:

1) מכונת הקירור מספקת קיבולות מקור קירור או חימום, היכולות להתאים לעומס באופן ישיר, או לחילופין לשמש לאגירה.

2) מערכת אגירה המסוגלת לקבל קיבולת קירור/חימום עודפת ממקור הקירור/חימום, או לאפשר אספקה לסוג עומס נדרש.

3) עומס מסוים, המסוגל לקבל קירור/חימום מציוד הקירור/חימום או ממערכת האגירה באופן נפרד, או בתפעול משולב.

הכלל העיקרי הבא הינו רלוונטי ללא קשר לסוג המערכת או סוגי הרכיבים המשמשים לצורך מענה על הביקוש.

“הקיבולת של מקור הקירור/חימום במשך תקופת התכנון חייבת להיות זהה לעומסי המערכת פלוס הפסדי המערכת במשך כל תקופת התכנון”

במחזור יומי, הקיבולת של מקור הקירור/חימום במשך 24 שעות חייבת להיות זהה לעומסי המערכת פלוס הפסדים במשך תקופה של 24 שעות, וניתן ליישם את אותו קונספט בסיסי בנוגע למערכות אגירה שבועיות או עונתיות.

באופן עקרוני, “הביצועים של כל סוג של מערכת TES יהיו פונקציה של עומס, קצב זרימת המים, הטמפרטורות של סירקולציית המים והטמפרטורות החיצוניות”.

1.4.1. שיטות אגירה

במשך השנים, מתכננים מכל רחבי העולם פיתחו טכניקות שונות ויישומים ייחודיים רבים, אך קריטריון התכנון העיקרי נותר זהה: “אגירה מלאה” או “אגירה חלקית“.

מערכות אגירה מלאה מסיטות את עומס הקירור/חימום הכולל לתקופת השפל, ומקור הקירור/חימום לעולם אינו מנוצל בזמן תקופת השיא, על מנת להגיע לחיסכון מקסימאלי. מערכת מסוג זה מובילה למקור קירור/חימום קטן יותר אך לנפח אגירה גדול יותר.

מערכות אגירה חלקית מנצלות את מקור הקירור/חימום בזמן תקופות שיא על מנת להפחית את קיבולת האגירה הראשונית. מערכות מסוג זה משמשות באופן נרחב על מנת להפחית את הביקוש במהלך תקופת השיא, ושיטה זו נקראת

הגבלת ביקוש, סוג מסוים של מערכת אגירה חלקית שבה הקיבולת העודפת זוכה לגיבוי של מקור TES על מנת להישאר מתחת לגבול ביקוש החשמל המקסימאלי.

ניתן להשתמש בכל אחת מהשיטות המצוינות מעלה במהלך מחזור יומי (אגירה יומית חלקית/מלאה) או במהלך תקופה ארוכה יותר, שבועית או עונתית (אגירה שבועית חלקית/מלאה).

באופן עקרוני, אגירה מלאה מאפשרת את העלות השוטפת החסכונית ביותר, על חשבון עלות ההשקעה הראשונית ודרישת נפח (חלל) גדולה יותר, כשהעלות של אגירה חלקית היא אמנם זולה יותר בהשוואה לאגירה מלאה, אך עלותה השוטפת עלולה להיות גבוהה יותר.

ניתן ליישם את שתי השיטות הללו עבור מערכת קיימת, או עבור התקנה חדשה. היישומים הפרקטיים מראים כי כאשר מיישמים מערכת TES באופן שקול, תוך תיאום מלא עם ספק התשתיות, ניתן להחזיר את עלות ההשבחה של המערכת הקיימת בזמן קצר ביותר, כל עוד ניתן לספק את היישום וההתקנה החדשה באותן מגבלות תקציביות כמו מערכת קונבנציונלית.

2.0. טכנולוגיות אגירת אנרגיה תרמית עדכניות

ניתן להסביר את אגירת האנרגיה התרמית (TES) באופן פשוט בתור “אגירת אנרגיה בטמפרטורה גבוהה או נמוכה לצורך שימוש מאוחר יותר, על מנת לגשר על פער הזמן בין זמינות האנרגיה לבין השימוש בה”.

מים וחומרים משני פאזה (PCMs) מהווים את אמצעי האגירה העיקרי עבור מטרות HVAC וקירור, אך סלילים, סלעים וחומרים מוצקים משמשים גם הם כאמצעי לאגירה.

2.1. אגירה במים

היתרונות של מים על פני מערכות אחרות הם זמינות אוניברסאלית, עלות נמוכה ויכולת שינוע, וכעקרון, אגירת האנרגיה התרמית הפשוטה ביותר היא מיכל מים, המסוגל לאגור מים חמים או קרים במהלך תקופות שפל ושניתן לנצלו במהלך תקופות שיא.

קיימות שיטות יישום רבות של אגירה במים, אך ניתן לתאר את הקריטריון העיקרי בתור “ערבוב המים החוזרים עם הנפח שנאגר, כך שניתן יהיה לספק טמפרטורות אספקה אחידות למערכת”. השיטות הבאות יושמו בהצלחה באופן מסחרי בכל העולם.

שיטת המבוך:

מערכת זו פותחה על ידי מהנדסים יפנים ומיושמת בהצלחה בבניינים מסחריים מאז 1950. המים זורמים הלוך ושוב דרך חרכים גבוהים ונמוכים בתאים משרדיים סמוכים, על מנת לצמצם את תנודות הטמפרטורה עבור מי האספקה.

ריבוד טמפרטורות:

המים החוזרים מהמערכת צפים באופן נורמאלי מעל המים הצוננים שנאגרו, וניתן ליישם את אותו עיקרון עבור אספקת מים של +45oC (+113oF) המסוגלים לצוף בהצלחה מעל מים חוזרים של +39oC (+102oF), מכיוון שההבדל בצפיפות הוא גדול בהרבה.

דיאפרגמות גמישות:

ניתן להחליף את ריבוד הטמפרטורות הטבעי ביריעה של דיאפרגמת בד מצופה, המעוגנת בבטחה בנקודת האמצע של המיכל, צפה מעלה ומטה בהתאם לאספקת המים ונפחי ההחזרה, וכתוצאה מכך משפרת באופן משמעותי את האגירה ואת דיוק טמפרטורת האספקה הקבועה.

תפיסת המיכל הריק:

תפיסת המיכל הריק פירושה התקנה של מחיצות רבות ככל האפשר במיכל, המשמשות לשאיבת מים צוננים הלוך ושוב בין כל התאים. שיטה זו מאפשרת הפרדה מצוינת של הטמפרטורות עבור יישומי HVAC.

2.2. מערכות אגירה בקרח

ניתן לחלק את השיטות השונות לייצור קרח לשתי קבוצות עיקריות: מערכות “דינאמיות” ו”סטאטיות“. ניתן להשתמש בקרח המיוצר באופן ישיר או עקיף לצורך קירור המוצר או המערכת.

השימוש הישיר הוא בדרך כלל בסקטור המזון, בקירור מוצרים כמו דגים, ירקות, בשר, עוף וכדומה. השימוש העקיף מיושם בעיקר עבור אפקט קירור חום מושהה, בקירור תהליכים כמו אחסון קרח, מערכות TES למיזוג אוויר, וקירור תהליך בתור אמצעי קירור משני.

2.2.1. מערכות ייצור קרח סטאטיות

שיטה זו היא ככל הנראה הוותיקה ביותר בשימוש. באופן עקרוני, יצירת הקרח והמסתו מתרחשות ללא הסרה פיזית של הקרח. השיטות הנפוצות ביותר בשימוש הן:

קרח על סליל

קרר או תמיסת גליקול בטמפרטורה בין -4oC ל- -10oC עוברים סירקולציה בתוך סליל מפותל, השקוע בתוך מיכל מים מבודד על מנת ליצור בתוכו קרח. מיכל ייצור הקרח בנוי ממשאבת אוויר בלחץ נמוך או להב משוט הבוחש את המערכת על מנת לקבל פיזור שווה של הצטברות הקרח והמסתו. עובי הקרח נמדד בעזרת חיישן בכדי לפקח על הפעולה, והפרטים הרלוונטיים מוצגים באיור 2.2.1.

איור 2.2.1 – קונספט ייצור הקרח.

צוברי קרח

צובר הקרח מורכב ממחלף חום דחוס וצפוף, עשוי צינור פוליאתילן. תמיסת גליקול בטמפרטורה נמוכה עוברת סירקולציה דרך הצינורות, ומקפיאה את המים סביבם. בסוף מחזור הטעינה, המים במיכל המבודד קפואים כמעט לחלוטין. ניתן לפקח על המערכת באמצעות חיישן רמת הקרח הנמצא במיכל. מי המערכת עוברים סירקולציה דרך המיכל בשתי השיטות, על מנת לענות על הביקוש לקירור (איור 2.2.2).

איור 2.2.2 – אגירת קרח באמצעות מערכת צוברי קרח.

ניתן לפקח על מחזור הטעינה והפריקה דרך מפלס המים במיכל מלאי הנתון לשינויים בגובה הנובעים מהתרחבות והתכווצות הקרח במהלך ההקפאה וההמסה, בהתאמה, או דרך טמפרטורות נוזל התהליך.

2.2.2. מערכות ייצור קרח דינאמיות

הקרח מציוד ההקפאה נאסף מעת לעת במיכל אחסון, והאנרגיה האצורה משוחזרת באמצעות סירקולציה של מים דרך הקרח במיכל על מנת לאפשר אספקה למערכת המים הצוננים במהלך תפעול נורמאלי. קיים מספר רב של מערכות מסחריות זמינות בשוק, והמערכות הנפוצות ביותר בשימוש הן:

מקצרת קרח

הקרח מצטבר על משטח אנכי, שהוא רכיב האידוי של מערכת הקירור. המים עוברים סירקולציה ממיכל האגירה, על פני הפלטות, עד שנוצר עובי מסוים של קרח, בדרך כלל 8-10 מ”מ. תהליך הקפאה זה נמשך בדרך כלל כ- 20 דקות. הקרח נאסף באמצעות מעקף גז חם מפתח היציאה לפלטות האידוי על מנת לחמם את השטח לכ- +5oC, מה שגורם לקרח הבא במגע עם הפלטות להימס וליפול לתוך אגן או מיכל קרח, אליו מגיעה סירקולציה של מים צוננים מהמערכת.

איור 2.2.4 – מקצרת קרח.

קרח צינורי

בעקרון, שיטה זו היא זהה למקצרת הקרח, כשההבדל היחיד הוא כי הקרח נוצר בתוך צינור, בניגוד לפלטות. יישומי המערכת והאגירה הם זהים לשיטת מקצרת הקרח.

פתיתי קרח

מכשיר הקפאה סיבובי מייצר פתיתי קרח באופן רצוף, ופתיתי הקרח נאספים באגן התחתון של המכונה לשימוש מאוחר יותר באמצעות סירקולציה של מים צוננים דרך מיכל הקרח, על מנת לענות על הביקוש לקירור.

תרחיף קרח

במערכת זו, תמיסה בינארית מקוררת מתחת לטמפרטורת הקפיאה שלה בתוך מחלפי חום מסוג שכבה נופלת, מגרד, ואקום או קירור-על, כפי שמוצג באיור 2.2.5. הקרר שעובר סירקולציה מחוץ לצינורות גורם לקירור-על של התמיסה הבינארית למיליוני גבישים, שלאחר מכן נשאבים למיכל אגירה לשימוש מאוחר יותר, או באופן ישיר על מנת לענות על עומס התהליך. במהלך מצב הקירור, תמיסה חמימה עוברת סירקולציה דרך מיכל האגירה, שם היא מקוררת על ידי התמיסה הגבישית ולאחר מכן נשאבת ישירות על מנת לאפשר את מחזור המים הצוננים של מיזוג האוויר.

איור 2.2.5 – סוגים שונים של מחוללי תרחיף קרח.

2.3. יישומים מיוחדים

אגירה עונתית

סוג מערכת זה שואף לנצל את הפרשי הטמפרטורה העונתיים על פני תקופות ארוכות, לצורך שימוש מאוחר יותר. מרבית המחקרים בתחום התמקדו באגירת חום ממקור סולארי לצורך חימום ואגירת קרח/שלג למטרת מיזוג אוויר, אך גם שריפת פסולת, מי קירור גרעיניים ופליטות חום תעשייתיות משמשות לאגירה תרמית עונתית.

מערכת בורי חפיר באוניברסיטת אילנוי ומערכת מיכלי קרח באוניברסיטת קנזס יושמו בהצלחה עבור אגירה מקוררת. ניתן בנוסף לאגור אנרגיה עונתית דרך אגירת חום מוחשי, והיישומים הנפוצים ביותר הם אגירה באגמים, מיכלים ובורות למטרות קירור או חימום.

קנדה ושוודיה הן המדינות המובילות בנושא מערכות אלו. בריכות סולאריות הן נפוצות בישראל, שוויץ ואנגליה לצורך אגירת מים חמים, וחלק מהיישומים משתמשים באגם מלאכותי, הנבנה מול הבניין במיוחד עבור ה- TES בשביל מערכת המים הצוננים של מיזוג האוויר .

אגירה צמודת קרקע

האדמה משמשת בתור אמצעי אגירה המספק מקור חום לשימוש, בדרך כלל עבור מיזוג אוויר. בפרקטיקה, יושמו שני סוגים של אגירה צמודת קרקע, קירור/חימום ישיר ומערכות שאיבת חום.

המערכת הישירה אוגרת חום ו/או קור זמין באמצעי קבור, כלומר כלי קיבול או נפח אדמה מקומי, וניתן להשתמש באנרגיה האצורה על מנת לענות על הביקוש, לפי מידת הצורך. מהצד השני, מערכת שאיבת החום מסירה חום מאמצעי האגירה הקרקעי, או מקרינה אליו חום לצורך מיזוג אוויר.

מצעי סלע צפוף

נתין להשתמש במגוון חומרים מוצקים, בעיקר סלעים, על מנת לאגור אנרגיה תרמית לצורך שימוש מאוחר. מצע סלע צפוף, הנקרא גם מצע חלוקים או אגירת מערום סלע, מנצל את האנרגיה התרמית הזמינה באמצעות סירקולציה דרך מצע סלע צפוף על מנת להוסיף או להסיר חום מהמערכת, לשם טעינה או פריקה, בהתאמה. ניתן להעביר את האנרגיה באמצעות נוזל, אך המערכות הנפוצות ביותר משתמשות באוויר, בשל מקדם מעבר החום הגבוה בין אוויר וסלע.

מערכת אגירת CO2 בטמפרטורה נמוכה

פחמן דו-חמצני מציע את מערכת אגירת החום הכמוס הקומפקטית ביותר, בשל הנקודה המשולשת הזמינה בצורה מסחרית, המאפשרת שימוש בחומר בודד בתור חום כמוס סטאטי של אגירת היתוך, ובו זמנית, הזנת היתר של הנוזל ממשיכה את פעולת הפריקה וטכנולוגיית דחיסת האדים לצורך טעינת המערכת.

ניתן לאגור פחמן דו-חמצני בנקודה המשולשת שלו של -57oC (-70oF) ו- 518 kPa עם שבר מוצק של 70-80% על ידי מסה, והמערכת מסוגלת לספק קיבולת אגירה תרמית של 140 kJ/Kg בתוך הנפח הדרוש של 166.6 MJ/m3.

קוגנרציה

קוגנרציה מאפשרת ניצול של החום השיורי המגיע מהמנוע, שהוא הכוח המניע של המחוללים, או לחילופין, לאפשר שימוש במערכות אלו על פני תקופה של 24 שעות המשפרת את הקיימות הכלכלית שלהן. בפרקטיקה, קיימים שני סוגים של מערכות קוגנרציה שיושמו בהצלחה בתעשייה.

סוג המערכת הראשון מנצל את החום השיורי המגיע מהמנוע על מנת להפעיל מצנן ספיגה לצורך קירור או אגירת חום ישיר.

סוג המערכת השני מנצל את האנרגיה החשמלית העודפת על מנת להניע מצנן חשמלי ו/או משאבת חום בכדי לטעון כל סוג של אגירה תרמית, או דרישות קירור/חימום ישיר. חימום מוצלח באמצעות מערכת קוגנרציה יושם בהצלחה ברחובות דה-מוין, אייווה, שבה בניינים גדולים רבים מנצלים את מחוללי הכוננות שלהם בתור תחנות קוגנרציה על מנת להניע מצנני ספיגה ו/או מצננים חשמליים לצד מצנני מיזוג האוויר הסטנדרטיים שלהם בזמן תקופות של ביקוש שיא.

במילים אחרות, הם מייצרים חשמל משל עצמם במהלך תקופות של ביקושי שיא ואפילו, במקרים מסוימים, מוכרים את הכוח העודף חזרה לרשת החשמל. באמצעות תכנון זהיר, מערכת הקוגניציה מציעה את החזר ההשקעה הכלכלי ביותר.

אגירת אנרגיה תרמו-כימית

המחקרים האחרונים מראים כי כהלים וקטונים שונים מהווים אמצעי אגירה תרמו-כימיים אפשריים, אך בשל העלות והמורכבות היחסית, לא קיימות כיום מערכות מסחריות ברות-קיימא.

דוגמאות אופייניות הן תערובת של חומצה גופרתית ומים ונתרן הידרוקסידי ומים, מערכות בהן המים מופרדים על ידי קלט החום בתערובת, וברגע ששני החומרים מתערבבים, התגובה הכימית של החומרים משחררת חום.

2.4. אגירת אנרגיה באמצעות אוטקטים (חומר משנה פאזה)

כל חומר נתון יכול להתקיים במצב מוצק, נוזל או גז, בהתאם לטמפרטורה והלחץ של תנאי האחסון. שלושת הפאזות יכולות להתקיים יחד בשיווי משקל, אך בפרקטיקה, לרוב משתמשים בשני מצבי פאזה. ניתן לנצל את השינוי הלטנטי של חומרים מסוימים על מנת לאגור חום או קור, לשם שימוש מאוחר יותר.

החומרים המשמשים לאגירת חום כמוס נקראים “חומרים משני פאזה (PCMs)”, והיתרונות שלהם הם גודל קטן, טמפרטורה קבועה בזמן שינוי פאזה והפסדי המתנה נמוכים יותר בהשוואה לחומרי אגירת אנרגיה מוחשיים.

הצורה הנפוצה ביותר של שינוי פאזה היא החום של ההיתוך בין פאזות מוצק ונוזל, למרות שניתן להשתמש גם בשינויי פאזה מוצק/מוצק ונוזל/גז.

חומרים משני פאזה (PCMs) ואוטקטים

הצורה הבסיסית והנפוצה ביותר של PCMs היא שינוי פאזת מים/קרח ב- 0oC (+32oF) . הידראטי מלח, תרכובות אורגניות וקלאתראטים משמשים גם הם באופן נפוץ בתעשייה.

הידראטי מלח הם תרכובות של מלח ומים, והם בעלי יתרון של חום היתוך כמוס גבוה בשל תכולת המים הגבוהה שלהם, אך המלחים גורמים בנוסף לחסרונות של מחזור החיים, דרך הפרדת הפאזה במהלך מצבי הטעינה והפריקה המובילה לכך שהמלחים הכבדים שוקעים לתחתית התמיסה, וכתוצאה מכך קיבולת ה- TES של התמיסה משתנה. התהליך הוא פרוגרסיבי ובלתי הפיך.

אוטקטים, מצד שני, הם תערובות של שני חומרים או יותר, המתערבבים כך שמתאפשרת נקודת ההמסה/הקפאה הרצויה. התערובת נמסה לחלוטין בטמפרטורה המתוכננת והיא בעלת קומפוזיציה כללית בפאזות הנוזל והמוצק שהיא הקריטריון העיקרי של PCM.

תרכובות אורגניות הן בעלות צפיפות נמוכה והולכה תרמית דלה. הן יקרות יחסית ודליקות. הדוגמא העיקרית היא שעוות פרפין.

קלאתראטים (הידראטי גז) הם תערובות של חומרים כימיים שבהם חומר כימי אחד מקושר בתוך האחר, באופן דמוי-כלוב. בפרקטיקה, מים יוצרים את המבנה הקושר של הקלאתראטים עבור יישומי אגירת אנרגיה תרמית. הקלאתראטים הנפוצים ביותר הם קררי R-11, R-12 ו- R-13.

חומרים משני פאזה מוצק/מוצק העוברים מעבר פאזה מוצק/מוצק עם הספיגה והשחרור של כמויות גדולות של חום הקשורים בכך, הם התוספת האחרונה לטווח ה- PCM. חומרים אלו משנים את המבנה הגבישי שלהם מקונפיגורציית סריג אחת לאחרת בטמפרטורה קבועה ומוגדרת היטב, והטרנספורמציה יכולה לערב חום כמוס השווה ל- PCMs מוצק/נוזל היעילים ביותר.

חומרים אלו הם שימושיים מכיוון שבניגוד ל- PCMs מוצק/נוזל, הם אינם דורשים גירעון בכדי למנוע קירור-על. בנוסף, מכיוון שמדובר בשינוי פאזה מוצק/מוצק, לא קיים שינוי נראה לעין במראה של ה- PCM (מלבד התרחבות/התכווצות קלה), ולא קיימות בעיות הקשורות בטיפול בנוזלים, כמו הכלה, נזילות אפשריות וכדומה. כיום, טווח זה נשאר בין 25oC (77oF) עד +180oC (356oF).

3.0. טכנולוגיית PlusICE לאגירת אנרגיה תרמית

3.1. כללי

מערכת PlusICE (PCM בטמפרטורה חיובית) מיישמת תערובות של תמיסות אוטקטים (חומרים משני פאזה) לא-טוקסיות בעלות נקודות המסה והקפאה גבוהות מאלו של מים. אמצעי אגירת אנרגיה תרמית זה מקופל בתוך עיצוב קורה גלילית ייחודי היכול לשמש עבור כל סוג של יישום מסחרי, תעשייתי ומוסדי המסתמך על מים צוננים, מים חמים וקררים ביישומי ה- HVAC, הקירור או התהליכים שלו.

מערכת PlusICE, בדומה לכל טכנולוגיית TES אחרת, אוגרת את עודפי הקיבולת של הקירור/חימום, בדרך כלל בשעות הלילה תוך ניצול הטמפרטורה החיצונית הנמוכה, בנוסף לתעריפי החשמל בשעות השפל. אם הטמפרטורות החיצוניות הן נמוכות מספיק, המערכת מאפשרת טעינת TES חופשית ללא הפעלת המצננים.

בנוסף, ניתן להתגבר על החסרונות של מצנני HVAC קונבנציונאליים ומערכות אגירה בקרח (מי קרח) על ידי ניצול קיבולת החום הכמוס של תערובות אוטקטיות שונות, ללא צורך בסירקולציה בטמפרטורות מינוס.

לבסוף, טווחי הטמפרטורה החיוביים (פלוס) אותם מציעות תמיסות ה- PlusICE פותחים אופקים חדשים ומאתגרים ליישומי דחיית החום והשבת החום של TES.

3.2. רקע לגבי אוטקטים (חומרים משני פאזה)

למרות שהמונח “אוטקטי” משמש באופן נרחב לתיאור החומרים בהם אנו עוסקים, תיאור מוצלח יותר יהיה “חומרים משני פאזה (PCMs)”. אוטקט אמיתי הינו תערובת של שני כימיקלים או יותר, שכאשר מערבבים אותם ביחס מסוים, הם בעלי נקודת המסה/הקפאה נמוכה יותר מאשר נקודת ההמסה/הקפאה התואמת של הרכיבים הכימיים. בזמן תהליך ההקפאה/המסה (שינוי פאזה), ההרכב של פאזות המוצק והנוזל הוא זהה.

למרבה הצער, רק חלק קטן ביותר מה- PCMs המתועדים (חלק מהם מוצגים בטבלה 3.2.1) הם אוטקטים אמיתיים, ורבים מהם דורשים מודיפיקציות על מנת לקבל חומר מתאים לשימוש ארוך טווח.

טבלה 3.2.1 – הטווח של PCMs הנמצאים בשימוש נפוץ.

ניתן לחלק את ה- PCMs באופן כללי לשתי קטגוריות: “תרכובות אורגניות” (כמו פוליאתילן גליקול) ו”מוצרים מבוססי מלח” (כמו מלחי גלאובר). לכל קבוצה של PCM0073 יש יתרונות וחסרונות, שחלקם מפורטים בטבלה 3.2.2.

טבלה 3.2.2 – מאפייני PCMs.

	יתרונות	חסרונות
אורגניים	קלים לשימוש לא-מאכלים אין קירור-על אין סוכן גירעון	יקרים יותר באופן כללי צפיפות/חום כמוס נמוכים טווח המסה נרחב לעתים קרובות עלולים להיות דליקים
מבוססי מלח	זולים באופן כללי צפיפות/חום כמוס טובים שינוי פאזה מוגדר היטב טמפרטורה אינם דליקים	דורשים הכנה זהירה דורשים תוספים לצורך שימוש ארוך טווח נוטים לקירור-על עלולים להיות מאכלים עבור מתכות מסוימות

עבודה רבה נערכה במשך השנים לגבי PCM מסוים, שהוא מלחי גלאובר, או נתרן גופרתי דקאהידראט. מלח זה הוא זמין, זול, לא-מאכל, ולא-טוקסי (למרות שהיסטורית, הוא שימש כחומר משלשל). באופן נורמאלי, הוא קופא ב- +32.5oC (+90.5oF), מה שהופך אותו לאידיאלי לשימוש ביישומי חימום סולארי ודחיית חום. ניתן לדכא את טמפרטורת שינוי הפאזה לטווחי מי HVAC צוננים קונבנציונאליים של +5 (+41oc) ~ +13oC (+55oF) על ידי הוספת מלחים אחרים.

יחד עם זאת, מלחי גלאובר נמסים באופן לא מתואם, כלומר, בעת ההמסה, המלח נוטה להיפרד לתמיסה רוויה עם גבישי נתרן גופרתי אנהידריטים לא-מסיסים. גבישים אלו הם כבדים יותר מהתמיסה הרוויה ולכן הם שוקעים מחוץ לתמיסה בשל הגרביטציה. כאשר ה- PCM קופא, גבישים אלו אינם מסוגלים לעבור רקומבינציה עם התמיסה הרוויה, מה שמוביל לאובדן בקיבולת ה- TES. מצב זה מתרחש בכל מחזור הקפאה/המסה, ומוביל לירידה מתמשכת בביצועים.

נעשו מספר ניסיונות להתגבר על סגרגציה זו, במידות שונות של הצלחה. הבסיס לעבודה זו היה להסמיך את התערובת במידה כזו, כך שהגבישים הנוצרים במהלך ההמסה מרחפים בתמיסה. אם ניתן להשיג זאת, הגבישים יעברו רקומבינציה עם הגוף העיקרי של ה- PCM במהלך מחזור ההקפאה הבא, כך שלא נגרמת כל ירידה בביצועים.

מספר רב של חומרים מסמיכים נוסו בעבר, אך היסטורית, החומר הנפוץ ביותר בשימוש הינו חומר דמוי-חמר המתנהג באופן דומה לחול טובעני. כאשר מוסיפים אותו לתמיסה מימית, כמו תערובת ה- PCM, ומערבבים אותו באופן נמרץ, התערובת היא דלילה וניתנת למזיגה, אך אם היא עומדת, החמר סופג את התמיסה בחללים בין חלקיקיו ולוכד אותה במבנה נוקשה למדי, וכך מונע מהגבישים האנהידריטים לשקוע החוצה. אם תערובת זו עוברת בחישה לאחר מכן, היא חוזרת להיות נוזל דליל. חומר מסמיך דמוי-חמר זה שימש באופן נרחב בהתפתחות המוקדמת של ה- PCM, אך יישומי שטח מאוחרים יותר הראו כי ההפרדה היא עדיין בעייתית.

מחקרים עדכניים יותר התמקדו בשימוש בחומרים מסמיכים אחרים, ובפרט ג’ל פולימר סינתטי. זוהו מספר פולימרים מתאימים המסוגלים לתפקד באופן יעיל בסביבה הקשה של תערובות PCM.

3.3. תמיסות PCM של PlusICE

לאחר מחקר מקיף, חברת PCM הצליחה לזהות מספר של PCM ושילובי PCM ופולימר משביעי רצון, המתאימים לרוב היישומים של מיזוג אוויר וקירור. הרכב ה- PCM האוטקטי של PlusICE הוא לא-טוקסי, לא-דליק ואי-אורגני. מרבית הידראטי המלח אינם עוברים שינויי נפח כלשהם, כלומר התפשטות או התכווצות בזמן תהליך שינוי הפאזה ולפיכך, אין לחץ תרמי על הקורה של PlusICE.

מלחים אוטקטיים משמשים בתור אמצעי ליישומי אגירה תרמית מאז שנות ה- 1800 המאוחרות. מלחים אלו שימשו ביישומים מגוונים כמו שינוע מקורר ברכבות וכבישים, ולפיכך, התכונות הפיזיות שלהם מוכרות היטב.

הידראטי מלח PlusICE שפותחו והונחו במיכלי PlusICE נבדקו באופן קפדני בתכניות מחזור חיים מואצות וביישומים שונים. הידראטי המלח הציגו ביצועים אמינים ללא התדרדרות כלשהי בקומפוזיציה או בקיבולת האגירה. ניתן לצפות כי כל רכיבי ה- PlusICE ישוו או יעלו על תוחלת החיים של המצנן הקשור שלהם, ועל זו של ציוד התהליך. טווח הטמפרטורה הרלוונטי והפרטים הטכניים של טווח ה- PlusICE מוצגים בטבלה 3.3.1.

טבלה 3.3.1 – תמיסות PlusICE.

עקומת הקפאה והמסה אופיינית של PCM מוצגת באיור 3.3.1, עבור סוג A8. תמיסות אחרות מציגות אף הן דפוס דומה של עקומות הקפאה והמסה, בתוך טווח הטמפרטורה המיועד שלהן.

מספר רב של מבחני הקפאה/המסה מואצים המדמים מצב טעינה ופריקה יומי עבור מערכת TES אופיינית נערכו על מנת לאמוד את הביצועים במהלך כל משך החיים הצפוי, וניתן לראות דוגמא אופיינית של מחזור הקפאה/המסה של קורת PlusICE באיור 3.3.2.

איור 3.3.1 – עקומת הקפאה והמסה של PlusICE/A8.

נתוני ההקפאה/המסה נאספו באמצעות אמבט תרמי ב- 2C ו- 12C.

החומרים משני הפאזה של PlusICE (PCM) מפותחים בטווח רחב של טמפרטורות פעולה בין +4oC ל- 89oC, ומכסים את רוב היישומים של מים צוננים, השבת חום וחימום.

הטווח הרחב של טכנולוגיית PlusICE מאפשרת למתכנן ליישם את מירב הפעולות של אגירת אנרגיית קירור חופשי. ניתן ליישם טכניקה זו לא רק לגבי מעגל המים הצוננים, אלא גם עבור רכיב דחיית החום של המערכת אותו ניתן לטעון על מנת לקזז את צריכת החשמל בשעות השיא של היום.

איור 3.3.2 – מחזור הקפאה/המסה אופייני של קורות PCM של PlusICE (E-10).

החום הכמוס של ההיתוך מהידראטי המלח מאפשרת למערכת PlusICE קיבולת אגירת אנרגיה תרמית גדולה יותר בהשוואה לגודלה הפיזי, ולפיכך דרישות חלל האגירה יכולות להיות קטנות ב- 1/4 ממערכת אגירת המים הצוננים, כפי שמוצג באיור 3.3.3. ניצול חלל זה הוא דומה לזה הקיים במערכת אגירה בקרח קונבנציונאלית, עם יתרון מוסף של פעולה יעילה ביותר מבחינת אנרגיה וטווחי טמפרטורה קונבנציונליים, ללא צורך במערכת גליקול ו/או קירור יקרה ומורכבת.

איור 3.3.3 – קונספט אגירת אנרגיה תרמית עם PCM.

בניגוד למערכת האגירה בקרח, לעומת זאת, ניתן להשתמש במערכת PlusICE עם כל מצנן מים קונבנציונלי, גם עבור יישומים חדשים וגם עבור השבחות. מעבר הפאזה בטמפרטורה חיובית מאפשר שימוש במצנני צנטריפוגה וספיגה בנוסף למערכות מצנן בורג או בוכנה קונבנציונליות, או אפילו תנאים חיצוניים נמוכים תוך שימוש במגדל קירור או קירור יבש לצורך טעינת מערכת ה- TES.

טווח הטמפרטורות אותו מציעה טכנולוגיית ה- PlusICE מספק אופק חדש עבור תעשיית הבנייה ומהנדסי קירור, בכל הנוגע ליישומי אגירת אנרגיה בטמפרטורות בינוניות או גבוהות. ההיקף של יישום אנרגיה תרמית זה הוא נרחב, וכולל חימום סולארי, מים חמים, דחיית חום, מגדלי קירור, ויישומי אגירת אנרגיה תרמית בקירור יבש.

3.4. קונספט ה- TES של PlusICE

3.4.1. תרשים TubeICE

רעיון ה- TubeICE מבוסס על קונטיינרים מותאמים אישית מפלסטיק, המכילים את תמיסות החומרים משני הפאזה של PluseICE, שהן בעלות טמפרטורת תפעול של -50oC (-49oF) עד +117oC (+273oF). ניתן לערום אותם במיכלים גליליים/מלבניים עבור מערכות אטמוספריות/לחץ, למגוון של יישומי אגירת אנרגיה תרמית.

קונטיינרי הפלסטיק HDPE בהתאמה אישית של TubeICE מתמלאים בתמיסות PCM של PlusICE כשפתח המילוי נאטם לחלוטין לאחר מכן, לצורך תפעול אמין ובטיחותי. התכנון של קונטיינר הפלסטיק משלב עמודות תמיכה פנימיות בנוסף למעגלי הכוונה חיצוניים, כך שניתן לערום את הקונטיינרים זה על גבי זה וכך ליצור מחלף חום גדול בהרכבה עצמית בתוך המיכל עצמו. ניתן ליישם את רעיון הערימה העצמית לגבי מעגלי מים ואוויר, והחלל בין כל קונטיינר מספק מעבר זרימה אידיאלי עם שטח חלופת חום גדול.

מיכלי ה- TES של TubeICE מגיעים בשלל צורות וגדלים, לפי צרכי האתר. נפחי המיכל מחושבים בהתאם לקיבולת ה- TES הדרושה ולאחר מכן מעוצבים בהתאם למבנה האתר ומגבלותיו. המיכלים יכולים להיות מיכלי לחץ או אטמוספרה, עד 10 Barg (145 Psig).

ניתן לבנות את המיכלים מפלסטיק, ברזל או בטון, ואפשר להתקינם עבור יישומים עיליים ותת-קרקעיים כאחד. כדוריות PlusICE מועברות לתוך מיכל ה- TES דרך כיסוי המיכל או דרך פתחי שירות, מלמעלה ומהתחתית. הפתח התחתון נוסף במקרים בהם יש להוציא את הכדוריות לצורך תחזוקה.

ניתן להתקין ראשי אספקה והשבה במיכלים, וכך לאפשר תנאי זרימה אידיאליים בתוך המיכל בהתאם לטווח הטמפרטורות וסוג ה- PCM. אפשרות זו אינה מספקת רק מעבר חום הדדי אידיאלי, אלא גם מאפשרת את שינוי איזון המשקל ותפעול ה- PCM על מנת לספק תנאי ריבוד תרמי אידיאליים עבור המיכל באופן כולל. ה- PCM מציע מגוון סטנדרטי של מיכלי מחיצה גליליים ומלבניים המותאמים לתכנון ה- TubeICE בכדי לענות על כל סוג של יישום מים צוננים, השבת חום, חימום והשבת חום סולארית.

טבלת קיבולת TubeICE

מיכל ה- TubeICE הסטנדרטי שלנו הוא בקוטר של 50 mm (2”) ואורך של 1000 mm (39”) ולאחר שבוססה קיבולת ה- TES הרצויה באמצעות הטבלה למעלה, ניתן לבחור במספר הקונטיינרים הרצוי של TubeICE עבור טווח טמפרטורות התפעול.

לאחר שבחרנו במספר הקונטיינרים הרצוי של TubeICE ניתן להמשיך ולפתח את תרשים המיכל בכדי להתאים את ראשי הדיפיוזר של הכניסה והיציאה, וניתן להשתמש בנוסחא הבאה בכדי לקבוע את קריטריון התרשים הבסיסי.

מערכת TubeICE מתאימה במיוחד למיכלים גליליים, מכיוון שהיא מתאימה באופן טבעי לקימורי המיכל, כשצד אחד של הכלי מתוכנן להחזיק את דיפיוזר הכניסה ולספק זרימה שווה דרך הקונטיינרים, ודיפיוזר היציאה הזהה מבטיח כי קיים זרם מים אחיד ויציב ברחבי הקונטיינרים בכל רגע נתון.

גודל צינורות הכניסה/יציאה, וכמו גם המספר והגודל של החורים ופלטות הדיפיוזר, חייבים להיות מתוכננים כך שיתאימו לשיעורי זרימת המים בסירקולציה של המערכת, וצוות המהנדסים שלנו ישמח לסייע לכם לעצב תרשים מותאם אישית העונה על דרישות התפעול והמערכת שלכם.

עקומות ביצועים אופייניות של הקפאה/המסה של TubeICE מול הפרשי טמפרטורה שונים בין המים המקיפים ותמיסת ה- PCM מוצגות באיורים 3.4.1.1 ו- 3.4.1.2, בהתאמה.

איור 3.4.1.1 – פרופיל הקפאה של TubeICE.

איור 3.4.1.2 – פרופיל המסה של TubeICE.

ניתן לייצר את המיכלים הגליליים הסטנדרטיים ביחסי רוחב-גובה של עד 1:5. מיכלי הפלדה נשלחים במצבם הרגיל ועוברים בדרך כלל בידוד באתר, אך את מיכלי הפלסטיק ניתן לספק כשהם כבר כוללים בידוד 50 mm (2”) או בצורתם הסטנדרטית.

המיכלים המלבניים, הכוללים מחיצות פנימיות ואגן, מגיעים בגודל של 1m X 0.5m ו- 1m X 1m (3.28′ X 1.64′ ו- 3.28′ X 3.28′), יחד עם מחיצות מבודדות בעובי 50mm (2”) והם נבנים בשטח לפי דרישות האתר.

פעולת מיכל אופיינית

3.4.3. תרשים BallICE

קונספט כדורית הגומי PCM של BallICE מבוסס על תערובות פלסטיק תבניתי בהתאמה אישית המכילות את תמיסות החומרים משני הפאזה (PCM) האורגניות של PlusICE. קונספט כדורית הגומי PCM שלנו מתוכנן לשימוש בקנה מידה קטן, בעיקר יישומי אגירת חום כמו מיכלי חימום ביתיים וסולאריים.

באופן עקרוני, ניתן לייצרן בכל קוטר ועל בסיס כל אחת מתמיסות ה- PCM האורגניות שלנו, אך הגודל האופטימאלי של 40 mm בקוטר תוך שימוש בתמיסות PCM של +50oC (+122oF) ו- +82oC (+180oF) הן האופציות האטרקטיביות ביותר ליישומי מים חמים ואגירת חום, בהתאמה.

ניתן להשתמש ב- BallICE במיכלים גליליים ומלבניים כאחד ועבור מערכות אטמוספרה/לחץ, לצורך מגוון יישומי אגירת אנרגיה תרמית.

ניתן ליישם את BallICE עבור שימושים חדשים ועבור שיפורים, על ידי מילוי המיכל באמצעות כל חיבור לצינור מים גדול כאשר הוא ריק, ומכיוון שהכדוריות קלות ממים, הן צפות וממלאות את כל נפח המיכל, כשהמים עוברים דרך הכדוריות עבור חלופת חום מהירה. טווחי קיבולות ה- TES של BallICE הם כדלקמן:

ניתן לחשב את מספר ה- BallICE באמצעות נוסחת קיבולת אגירת האנרגיה הבאה:

3.4.3 תרשים FlatICE

באמצעות יישומים שונים של תמיסות PlusICE מותאמות אישית ניתן להשיג תמיסת TES חסכונית על ידי שימוש בקונטיינרים שטוחים מפלסטיק (FlatICE), כפי שניתן לראות באיור 3.4.3.1.

איור 3.4.3.1 – בניית קונטיינר FlatICE מכיל PCM של PlusICE.

חלופת החום בין המים/קרר המקיפים, או לחילופין אוויר הזורם מחוץ לקונטיינרים, לבין תמיסות ה- PCM האטומות, מתרחשת בשטח החיצוני של הקונטיינרים.

מכיוון ש- FlatICE מתוכנן בעיקר עבור תמיסות PCM כבדות, זמני ההקפאה וההמסה הממוצעים הרלוונטיים עבור קונטיינר מלא ב- PCM מוצגים באיורים 3.4.3.2 ו- 3.4.3.3 בהתאמה, מול הפרשי טמפרטורה שונים בין המים הסובבים ל- PCM.

איור 3.4.3.2 – ביצועי ההקפאה של FlatICE.

איור 3.4.3.3 – ביצועי ההמסה של FlatICE.

החומר משנה הפאזה של PlusICE נאטם לצמיתות בתוך קונטיינר הפלסטיק השטוח, וניתן למקם את הקונטיינרים במיכל בכל צורה רצויה על מנת לאפשר למים או לאוויר לעבור סביבם וכך לספק קיבולת חלופת חום.

הקונטיינרים הסטנדרטיים של FlatICE מיוצרים בגודל של 500 mm (19.6”) X 250 mm (10”) X 32 mm (1.25”), אך ניתן גם לייצר את הקונטיינרים בכל גודל רצוי אחר על מנת לענות על יישומים ספציפיים.

ניתן לערום את הקונטיינרים זה על גבי זה בתוך המיכל על מנת לספק קונספט אגירת אנרגיה תרמית ממורכז, וניתן לראות תרשים אופייני של מיכל PlusICE באיור 3.4.3.4.

איור 3.4.3.4 – סידור מיכל FlatICE.

8 קונטיינרים לשכבה; 25 שכבות לפאלט; 200 קונטיינרים ל- 3 m (5.6 קונטיינרים ל- 3 ft); 0.24 kWh לקונטיינר (0.043 TRh לקונטיינר); 4.0 kg לקונטיינר (8.8 lbs לקונטיינר); 57 kWh ל- 3 m (0.462 TRh ל- 3 ft); 800 kg ל- 3 m (164 lbs ל- 3 ft).

מעגלי הנעילה העצמית הייחודיים של הקונטיינרים מהפלסטיק, הכוללים אטמים מורחבים, מיועדים לספק חיבור מקסימאלי בין הקונטיינרים ולשמור על חלל אחיד ביניהם לשם מעבר זרימה שווה ברחבי המיכל. משטחים חיצוניים אלו מיועדים בנוסף לספק אזור נוסף וליצור שינוי בכיוון הזרימה לצורך יעילות חלופת חום מקסימאלית ברחבי המיכל.

עיצוב הקונטיינרים של FlatICE מציע גמישות רבה, וניתן לתכנן מיכל גדול יותר ולהוסיף קונטיינרים לפי כל דרישה שתעלה בעתיד.

שילוב אופייני של קונטיינר פלסטיק FlatICE ממורכז ויישום אגירת אנרגיה תרמית במים צוננים מוצג באיורים 3.4.3.5 ו- 3.4.3.6 עבור יישומי מים ואוויר של TES.

איור 3.4.3.5 – יישום אופייני של קונטיינר פלסטיק FlatICE ו- TES במים.

בשעות הלילה, המצננים מספקים מים צוננים בטמפרטורה קונבנציונלית של 5oC (41oF) העוברים דרך מיכל ה- TES של PlusICE על מנת לטעון את המערכת. אפקט הקירור הנובע ממעגל המים הצוננים נספג על ידי החומר משנה הפאזה וכך מקפיא את התמיסה האוטקטית בנקודת שינוי הפאזה שלה. במהלך שעות היום, מים חמימים החוזרים מהבניין זורמים דרך מיכל ה- TES על מנת להשיב את קיבולת החום הכמוס האצורה של החומרים משני הפאזה לפני שהם שבים למעגל הצינון.

מי הסירקולציה זורמים בתוך המיכל, בין הקונטיינרים, במהלך מחזורי הקפיאה וההמסה כאחד. מערכת ה- PlusICE היא קלה לתפעול ולשליטה תודות לאופי הסטאטי של התכנון וכמעט שאינה דורשת כלל תחזוקה.

ניתן לארגן את תחלופת החום המוצגת מעלה גם עבור מעגלי אוויר, על מנת לאגור אנרגיה בתקופות שפל או בצורה חופשית במהלך הלילה, ועיקרון תחלופת החום הוא זהה למעגלי המים. ניתן לראות TES אוויר אופייני המשתמש בקונטיינרים של FlatICE באיור 3.4.3.6.

איור 3.4.3.6 – יישום אופייני של קונטיינר פלסטיק FlatICE ו- TES אוויר.

ככלל אצבע, 200 קונטיינרים סטנדרטיים ממלאים נפח של מיכל אחד של 3 מטר. בהתבסס על טווח קיבולת זה, ניתן לבחור את גודל המיכל ואת מספר הקונטיינרים על מנת לענות על טווח טמפרטורת התפעול. טבלה 3.4.3.1 מציגה את הקיבולת הממוצעת של הקונטיינרים תוך שימוש בתמיסת ה- PlusICE הסטנדרטית.

טבלה 3.4.3.1 – טבלת קיבולת של קונטיינרי הפלסטיק של FlatICE.

ניתן לערום את הקונטיינרים רק עד גובה של (2.6 m (8 1/2 ft ולפיכך גובה המיכל מוגבל לכ- 3 m (10 ft) ויש להתאים את גודל המיכל בהתאם למגבלה זו. באופן עקרוני, ככל שהמיכל ארוך יותר כך גדל הפרש הטמפרטורה אותו ניתן לקבל ברחבי המיכל, וניתן להתאים את יחס הרוחב-גובה על מנת לענות על דרישות האתר.

בנוסף, אם קיבולת האגירה היא גדולה מדי והתוכנית דורשת מספר מיכלים, ניתן לסדרם בצורה מקבילה או סדרתית על מנת לענות על דרישות היישום והחלל הקיים. בדרך כלל, עומק המיכל יהיה 2.6 m (8 1/2 ft) בחלקו הפנימי, כלומר תכולה של בערך 65 קונטיינרים בגובה וחלל של 150 mm (6”) מעליהם. לפיכך, על מנת לאמוד את גודל המיכל וצורתו ניתן להשתמש בנוסחא הבאה, התואמת את ערכי הקיבולת של טבלה 3.4.3.1:

כאשר ניתן לחלק את הרוחב ב- 250 mm (9.842”) והאורך מעוגל למספר הזוגי הקרוב ביותר. מימדי האורך והרוחב הפנימיים של המיכל נגזרים מהגודל הנומינלי של קונטיינר FlatICE בגודל 250 mm (10”) X 500 mm (20”). יש לוודא כי תרשימי הבנייה מצייתים למגבלות אלו, במיוחד בכל הנוגע לרוחב, שהוא בעל סיבולת קריטית מכיוון שחיוני להימנע ממעקף של כל זרימה אפשרית העלולה לגרום לפגיעה בתפקוד המיכל.

האורך הוא בעל סיבולת גדולה יותר, והוא פחות קריטי מנקודת מבט תפעולית. בדרך כלל, מומלץ לכלול 1 m (3.28 ft) טולרנס של חלל פתוח בכל קצה, לטובת ההתקנה של ראשי הכניסה והיציאה.

3.4.4. אפשרויות מיכלי אגירה

המאפיינים הגמישים וטווח הטמפרטורה הרחב של הקונטיינרים מאפשרים למתכנן גמישות בכל הנוגע לצורה, גודל ומיקום מיכל האגירה בקרח. ניתן לחלק את המיכלים לשתי קבוצות – מיכלים שנבנו במפעל ומיכלים הנבנים באתר. בדרך כלל, יחידות הנבנות במפעל מיוצרות מפוליאסטר מחוזק בזכוכית (GRP) או מפלדה.

עבור קיבולות קטנות יותר, ניתן ליישם את מיכלי המחיצות הגליליים והמלבניים שלנו, עשויי GRP נטול CFC ומבודדים מראש, על מנת להכיל את הקונטיינרים תוך התאמת ראש קלה בלבד, בהשוואה ליישומים של BallICE.

עם זאת, האופי של FlatICE מוביל ליישום של אפשרויות קיבולת TES גדולה וטמפרטורת התפעול של תמיסות ה- PlusICE כשהן מיושמות עבור ה- FlatICE הופכות את מיכלי הבטון להתקנה החסכונית והמעשית ביותר. חיוני לספק מערכת אטימת צינורות מתאימה למיכל, זרימת המים וראשי ההשבה עבור תפקוד שוטף ונטול בעיות.

מיכלים שנבנו במפעל

ניתן לתכנן את מיכלי המחיצה עשויי GRP לצורך הרכבה באתר, כך שתתאפשר גמישות יישומית, וכל מיכלי האגירה חייבים לציית לחוקי העזר המקומיים הנוגעים למים.

מומלץ להטמיע קונספט בנייה הכולל מיכל GRP נטול CFC עם אגן פנימי (TIF) על מנת לאפשר יישומי חלל צר ותפעול חלק ותקין.

כלי אגירת PluseICE בקרח חייבים לכלול גישות לעובדים ופתחי בטיחות לאוורור, ניקוז ומיסוך, ומערכת ראשי כניסה ויציאה התואמת את היישום הדרוש.

תרשימי מיכלים

חברת PCM Products Ltd. מציעה מגוון של מיכלי מחיצות גליליים ומלבניים המתאימים לכל יישום אפשרי, כחלק מהיצע ה- FlatICE שלנו. פרטי המימדים הרלוונטיים מוצגים בטבלה 3.4.4.1 וטבלה 3.4.4.2 עבור מיכלים מלבניים וגליליים, בהתאמה.

טבלה 3.4.4.1 – מימדי מיכל מלבני סטנדרטי.

טבלה 3.4.4.2 – מימדי מיכל גלילי סטנדרטי.

ראשי הכניסה והיציאה ממוקמים בנקודות גבוהות ונמוכות, לפי הצורך. איורים 3.4.3.1 ו- 3.4.2.3 מציגים דוגמאות אופייניות של תרשימי מיכל גלילי אופקי ומיכל בטון מלבני, בהתאמה.

איור 3.4.3.1 – תרשים אופייני של מיכל TES גלילי המכיל קונטיינרי פלסטיק FlatICE.

מיכלים הנבנים באתר

יישומים של מיכל בטון דורשים תשומת לב רבה בכל הנוגע ליחס ההתכווצות של חומרי מיכל שונים. בפרט, מערכת אטימת הצינורות חייבת להיות מסוגלת לאפשר תפעול ללא נזילות עבור מגוון טמפרטורות תמיסה שונות. מערכת אטימת צינורות הולמת חייבת להיות מותקנת, בין אם מדובר בשיפור מערכת קיימת או בהתקנת מיכל בטון מותאם לאתר.

האתגר הטכני העיקרי הוא לשמור את זרימת המים הפנימית במיכל אחידה בכל חלקיו. על מנת להשיג זרימה אחידה זו כך שכל קונטיינר ינוצל כהלכה, מומלץ להתקין דיפיוזרים בכניסה והיציאה, לפני ואחרי החלקים המכילים את הקונטיינרים.

איור 3.4.2.3 מציג מיכל בטון אופייני המכיל קונטיינרים של FlatICE.

איור 3.4.2.3 – תרשים אופייני של מיכל TES מבטון המכיל קונטיינרי פלסטיק FlatICE.

עם זאת, העומסים הכבדים דורשים מיכלים מותאמים אישית, ובאופן כללי המיכלים החסכוניים ביותר הם מיכלי בטון, אותם ניתן להתקין באופן תת-קרקעי או עילי.

בפרט, המיכלים התת-קרקעיים מציעים את הפתרון האפקטיבי ביותר, לא רק במונחי תמיכה והתקנה אלא גם בכך שהם מבטלים את הצורך בחלל גדול עבור המיכל, וכך ניתן לנצל את השטח העילי שנותר לצרכים שונים כמו חנייה או גינה המתאימה לדרישות האדריכליות המקומיות.

3.5. התקנת המיכל ותפעולו

3.5.1. מצבי תפעול

מכיוון שמיכלי הבטון מיועדים ללחץ אטמוספרי, הם דורשים צנרת שונה מזו של מיכלי לחץ. מצבי התפעול של מיכל ה- TES PlusICE האטמוספרי מוצגים באיורים 3.5.5.1 ו- 3.5.1.2 עבור מצבי טעינה ופריקה באגירה מלאה, בהתאמה.

איור 3.5.5.1 – מצב טעינה באגירה מלאה.

איור 3.5.1.2 – מצב פריקה בטעינה מלאה.

מצבי התפעול של מיכל ה- TES PlusICE האטמוספרי עבור תפעול אגירה חלקית מוצגים באיורים 3.5.1.3 ו- 3.5.1.4 עבור מצבי טעינה ופריקה, בהתאמה.

איור 3.5.1.3 – מצב טעינה באגירה חלקית.

איור 3.5.1.4 – מצב פריקה באגירה חלקית.

3.5.2. מיקום המיכל

באופן כללי, מיכלי בטון נבנים באופן תת-קרקעי או עילי, וכשמדובר בהתקנה תת-קרקעית האזור מעל המיכל משמש לחנייה או גינון, או לחילופין, כשמדובר במרתף, כחלק מהיסודות.

עדיף למקם את המיכלים קרוב ככל האפשר למצנן ומקור העומס על מנת לצמצם בצנרת ובאנרגיית השאיבה.

3.5.3. בניית המיכל

מיכלי בטון לאגירת אנרגיה נבנים בדרך כלל מבטון מזוין. ניתן להשתמש בבטון התזה, בלוקים, tilt-up, בטון טרומי או בטון המוכן באתר בתור אפשרויות לבניית המיכל. המיכל יכול להיות גלילי או מלבני, לפי הצורך.

עם זאת, בטון בייצור פניאומאטי הוא צורת ההכנה החסכונית והיעילה ביותר. בנייה זו היא אמינה וחסכונית, ומציעה סיבולת ופיניש מצוינים. יש להתייחס לכל מיכל באופן נפרד על מנת לענות על צרכי האתר והיישומים הרצויים, ולשקול בזהירות את המימדים המדויקים, דרישות העומס ומצב הקרקע, ולכן על המתכנן להתייחס לכל מיכל באופן אינדיבידואלי וליצור מודל העונה על דרישות אלו.

3.5.4. אטימת המיכל למים

מערכת האטימה המומלצת היא בטנת פוליאורתן רב-שכבתית גלילית. התוצאה היא ציפוי עמיד ואלסטי, בעובי של כ- 3 mm (1/8”), המתוכנן למתיחה של לפחות 3 mm (1/8”) ללא נזק כלשהו. באופן זה הממברנה מקבלת גמישות המסוגלת להכיל סדקי כיווץ ושקיעה קטנים העלולים להיווצר במהלך חיי המיכל.

3.5.5. דפוס זרימת מים

חיוני לכוון את זרימת המים בצורה נכונה, מכיוון שביצועי חלופת החום תלויים לחלוטין בכמויות זרימה שוות על פני הקונטיינרים, כך ששטח חלופת החום של הקונטיינרים מנוצל כהלכה.

המים נכנסים מקצה אחד, ונלקחים לקצה המנוגד במצב מעבר בודד. התכנון מבוסס על מהירות נוזל של 0.3 m/s ~ 0.6 m/s (1 ft/min ~ 2 ft/min) על פני קונטיינרי ה- FlatICE, וחלופת נוזל מלאה אחת נמשכת 25 ~ 35 דקות. הקונטיינרים מעתיקים כ- 2/3 מנפח המיכל אל קו המים.

3.5.6. ראשי הכניסה

ראש כניסת הנוזל מיוצר תוך שימוש בחומרי צנרת מצויים מסוגים שונים, אך צינורות פלסטיק הם המעשיים ביותר בשל משקלם הקל המקיף את רוחב המיכל, באופן מקביל לרצפה, בתוך החלל הריק של 1 m (3.28 ft) הנמצא לפני ערימות הקונטיינרים.

הראש העליון ממוקם מעט מתחת למפלס המים והראש השני ממוקם במחצית הדרך בין קו המים לתחתית המיכל. שני הראשים חייבים לעבור פרפורציה שגרתית שווה על מנת לספק זרימה שווה לרוחב המיכל ולגובהו. יש להתייעץ עם צוות החברה לקבלת תרשים ראש מתאים.

3.5.7. ראשי יציאה

ראש יציאת הנוזל מיוצר תוך שימוש בחומרי צנרת מצויים מסוגים שונים, אך צינורות פלסטיק הם המעשיים ביותר בשל משקלם הקל המקיף את רוחב המיכל באופן מקביל לרצפה בתוך החלל הריק של 1 m (3.28 ft) הנמצא לפני ערימות הקונטיינרים.

הראש התחתון ממוקם 450 mm (18”) מעל תחתית המיכל והראש השני ממוקם במחצית הדרך בין קו המים וקו המים העליון של המיכל. שני הראשים חייבים לעבור פרפורציה שגרתית שווה על מנת לספק זרימה שווה לרוחב המיכל ולגובהו. יש להתייעץ עם צוות החברה לקבלת תרשים ראש מתאים.

3.5.8. כיסוי המיכל

הכיסוי תלוי בסוג היישום, ואם מדובר בהתקנה תת-קרקעית, מוטב להשתמש בקורות בטון כפופות ודרוכות לרוחב המיכל עם איטום מלא. אם המיכל מותקן באופן עילי, ניתן להשתמש בקורות בטון דרוך או קורות פלדה.

חיוני להתייעץ עם מהנדס המבנה לגבי תכנון המיכל ויש לוודא כי התכנון מונע זיהום חיצוני של המיכל.

3.5.9. העמסת המיכל

חיוני להתקין דיפיוזרים וראשי כניסה ויציאה מתאימים על מנת להבטיח זרימת מים שווה ואחידה ככל הניתן ברחבי המיכל המלבני ובפרט, בין כל אחד ואחד מהקונטיינרים, מכיוון שכך מובטח כי כל קיבולת ה- PCM של המיכל תעבור טעינה ופריקה.

כל תכנון של מיכל אטמוספרי צריך להבטיח כי לא יהיו חלקים בלתי פעילים במיכל וכי זרימת המים ברחבי החלקים תישאר אחידה. לפיכך, דיפיוזר כניסה ויציאה מותאם אישית יספק זרימת מים שווה בכל חלקי המיכל. צד אחד יחובר למשאבת הסירקולציה המייצרת לחץ שלילי על חלק היציאה, וחיוני בנוסף לספק לחץ חיובי על צד דיפיוזר הכניסה כך שהפרש הלחצים בין חלק הכניסה לחלק היציאה ידחוף את המים דרך פלטות הדיפיוזר ויפזר את המים באופן שווה, בדומה למקלחת.

למרות שנפילת הלחץ ברחבי ה- FlatICE היא נמוכה ביותר, עדיין חיוני לאפשר לפחות 50 kPa (8 Psig) לחץ זמין עבור המיכל כחלק מקריטריון תרשים המשאבה כך שלחץ זה ידחוף את המים דרך פלטות הדיפיוזר בצד הכניסה ובצד הנגדי על המים היוצאים מהמיכל כתוצאה מפעולת השאיבה, וכך נוצר לחץ שלילי השואב את המים דרך פלטות הדיפיוזר. קונספט דחיפה-שאיבה זה אמור לספק זרימה שווה בחלקי המיכל וזרימה שווה על פני כל אחד ואחד מהקונטיינרים כך ששטח חלופת החום ינוצל במלואו וקיבולת אגירת האנרגיה של המיכל תהיה מלאה.

איור 3.5.9.1 מציג תרשים מיכל מלבני אופייני.

איור 3.5.9.1 – תרשים מיכל מלבני אופייני.

במידה והמערכת דורשת מיכל לחץ, יהיה זה מעשי בהרבה להשתמש במיכלים גליליים, ובדומה למיכל אטמוספרי מלבני, חיוני לספק דיפיוזרים וראשי כניסה ויציאה מתאימים על מנת להבטיח זרימת מים אחידה ושווה ככל הניתן במיכל הגלילי, ולנקוט בצעדים מתאימים על מנת להבטיח כי הקצה המעוגל לא ימחץ את הקונטיינרים וישמור אותם שטוחים.

בדומה למיכל המלבני, דיפיוזרים כניסה ויציאה מותאמים אישית דרושים על מנת לספק זרימת מים אחידה בכל חלקי המיכל. צד אחד יחובר למשאבת הסירקולציה המייצרת לחץ שלילי על חלק היציאה, וחיוני בנוסף לספק לחץ חיובי על צד דיפיוזר הכניסה כך שהפרש הלחצים בין חלק הכניסה לחלק היציאה ידחוף את המים דרך פלטות הדיפיוזר ויפזר את המים באופן שווה, בדומה למקלחת.

למרות שנפילת הלחץ ברחבי ה- FlatICE היא נמוכה ביותר, עדיין חיוני לאפשר לפחות 50 kPa (8 Psig) לחץ זמין עבור המיכל כחלק מקריטריון תרשים המשאבה כך שלחץ זה ידחוף את המים דרך פלטות הדיפיוזר בצד הכניסה ובצד הנגדי על המים היוצאים מהמיכל כתוצאה מפעולת השאיבה, וכך נוצר לחץ שלילי השואב את המים דרך פלטות הדיפיוזר. קונספט דחיפה-שאיבה זה אמור לספק זרימה שווה בחלקי המיכל וזרימה שווה על פני כל אחד ואחד מהקונטיינרים כך ששטח חלופת החום ינוצל במלואו וקיבולת אגירת האנרגיה של המיכל תהיה מלאה.

תרשים מיכל גלילי אופייני מוצג באיור 3.5.9.2.

איור 3.5.9.2 – תרשים מיכל גלילי אופייני.

3.5.10. טיפול במים

בהתאם לדפוס התפעול של המערכת, העשוי לכלול מצבים בהם המיכל מלא במים עומדים, יהיה זה חיוני ליישם פיקוח מתאים על ביוצידים. חברת PCM תשמח לייעץ ולספק פיתרונות מתאימים כחלק מהמחויבות שלנו ללקוחות.

בנוסף, מרבית יישומי ה- PlusICE משתמשים אך ורק במים, ולפיכך יש להגן על המערכת ההידראולית מפני קורוזיה הקשורה במעגל המים. בפרט, שיעורי הקורוזיה גדלים אקספוננציאלית עם הטמפרטורה ולפיכך חיוני להשתמש בסוג מתאים של מעכבים בכדי על מנת לספק את הגנת הקורוזיה הדרושה. הצוות של PCM ישמח להמליץ ולספק חבילת מעכבי קורוזיה המתאימה ליישום הדרוש.

3.5.11. העמסת המיכל והסמכתו

יש להעמיס את המיכלים במרחק שווה מפלטות הדיפיוזר בשני החלקים, ובמרחק שווה מהקצוות. במקרה של FlatICE, יש לערום אותם בדפוס שתי וערב, כלומר שורה אחת לאורך והשורה מעליה לרוחב, כך שכל הערימה בתוך המיכל תהיה יציבה.

יש לערום את המיכל מהשורה התחתונה ומעלה, עד שמגיעים לשורה האחרונה. לאחר שהקונטיינרים ממוקמים בתוך המיכל ואפשר לטעון את המערכת, חיוני למלא אחר הצעדים הבאים:

1) יש לקחת דגימה של המים הנכנסים למיכל (מים טהורים או מים עם תמיסה נוגדת-קיפאון) ולמדוד את המוליכות החשמלית ולתעדה כחלק מתהליך ההסמכה.

2) יש למלא את המיכל במים וליישם את הלחץ המתוכנן באמצעות לחץ חיצוני, כלומר ללא סירקולציה ברחבי המערכת, ולוודא כי אין דליפות, במיוחד בפתחי השירות של העובדים. לאחר סירקולציה של התמיסה בתוך המיכל יש לקחת דגימה נוספת ולהשוות בין דגימת הסירקולציה לבין הדגימה המקורית הזכה ולוודא כי המוליכות לא השתנתה. במידה והמוליכות עלתה, פירוש הדבר כי ייתכן וחלק מהקונטיינרים של PCM ניזוקו במהלך ההעמסה. במידה וזהו אכן המצב, יש לרוקן את המערכת ולהחליף את הקונטיינרים הפגומים, ולוודא כי אין כלל קונטיינרים נוזלים במיכל.

3) יש לטעון את המערכת במלואה ולהריצה בהתאם לתכנון, לקחת דגימה נוספת מהמערכת ולהשוות את המוליכות לדגימת המים הזכים המקורית, ולתעד את הקריאות כחלק מתהליך ההסמכה.

4) אם תוצאות צעד 3 תואמות לצעד 1, יש לבצע סירקולציה של המים בהתאם לתוכנית. אם תוצאות חלק 3 גבוהות בהרבה מאלו של צעד 1, ייתכן וחלק מהקונטיינרים ניזוקו בזמן ההעמסה, ובהתאם להפרש, יש לרוקן את המים ולתקן את הנזקים עד שהתוצאות יהיו קרובות יותר זו לזו לפני ביצוע סירקולציה נוספת של המים במערכת. יש לתעד את כל הקריאות כחלק מרישומי ההסמכה.

5) לאחר מספר ימי תפעול, כלומר מספר מחזורים של הקפאה והמסה, יש לקחת דגימת נוזל נוספת מסירקולציית המערכת ולהשוותה לתוצאות המוליכות המקוריות, ולתעד את התוצאות ברישומי ההסמכה.

6) לפני המסירה, חיוני לקיים לפחות שלוש קריאות מוליכות חשמלית, כלומר מצב זך, מצב הסמכה ומצב מסירה, ויש להדגיש כי פעולה זו הינה חיונית עבור הבטיחות והאמינות ארוכת הטווח של המערכת. קריאות הנוזל הזך ישמשו בתור אמת המידה, קריאות ההסמכה ישמשו כהוכחה לכך שאין קונטיינרים פגומים במיכל, וקריאות המסירה, כלומר לאחר מספר ימים של תפעול מתוכנן (מספר מחזורי הקפאה והמסה), ישמשו בתור רישומי הביצועים של המערכת.

לבסוף, אנו ממליצים בחום לשלב את פעולות ההעמסה וההסמכה המפורטות מעלה כחלק ממסמכי התכנון והמכרז כך שהמתקינים יהיו מודעים לחלוטין לאופן התקנת המערכת.

4.0. יישומי PlusICE

כאשר עולה צורך להגדיל את קיבולת בשל אחת הסיבות הבאות;

– פרויקט חדש;

– הרחבת המתקן;

– עומסי החימום/קירור/תהליך הפנימיים גברו;

– נדרשת קיבולת קירור למצב כוננות או חירום;

– החלפת ציוד הקירור/צינון בסוף משך החיים השימושי שלו;

– החלפת ציוד החימום הקיים בסוף משך החיים השימושי שלו;

ובהתחשב בדרישות הלקוח, ניתן לתכנן את קונספט ה- PlusICE כך שיספק אגירה תרמית מלאה או חלקית. בכל מקרה, מערכת PlusICE הינה תוספת פשוטה יחסית ללולאות המים החמים/צוננים הקונבנציונליות. בפרט, בכל הנוגע ליישומי השבחה, שבהם ניתן להשתמש בציוד הצינון/חימום הקיים עם מודיפיקציות מינימאליות בלבד בצנרת ובציוד העזר. לפיכך, מערכת PlusICE מספקת פתרון תכנוני חסכוני ביותר עם תקופות גמול רצויות.

אגירה תרמית עם מלחים אוטקטים מציעה יתרון כפול עבור יישומי שיפור, על ידי הפחתת עלות ההון עבור ציוד הצינון וחיסכון מתמשך הנגרם תודות לשימוש בתעריפי שפל ואפילו קירור חופשי במהלך החורף.

הבעיה הנפוצה והמגבלה העיקרית של הרחבת עומס המערכת היא דרישה לצריכת כוח נוספת מלוח החשמל, ובמקרים מסוימים, אין דרך לספק דרישה זו או שנדרשות התאמות יקרות המובילות לדמי ביקוש גבוהים שישפיעו באופן ישיר על מבנה תעריף החשמל הכללי וכתוצאה מכך, יובילו לחשבון חשמל גבוה יותר. מערכת PlusICE עונה על בעיות אלו בדרך הבאה:

ראשית, אם נבחר לשמור על המצנן הקיים, קיבולת המערכת תגדל ב- 30%  בהשוואה למצב התפקוד הנורמאלי שלה תודות לטמפרטורה החיצונית הנמוכה בשעות הלילה, וכתוצאה מכך, נדרש זמן הרצה קצר יותר בכדי לטעון את האגירה התרמית, וכך נוצר חיסכון נוסף באנרגיה. ניתן בנוסף ליישם את מערכת האגירה של PlusICE לגבי מעגלי חימום וחלק דחיית החום של המערכת עבור חיסכון נוסף.

שנית, אם נדרש להחליף את המצנן הקיים, ניתן להחליפו במצנן קטן יותר הדורש כוח מועט יותר ומספק חיסכון נוסף באנרגיה, בזמינות ובדמי הביקוש המקסימאליים.

4.1. בנייה חדשה

יתרונות עלות ראשונית

ניתן לצמצם את ציוד הקירור הראשוני בהשוואה למערכות אגירה בקרח על מנת להשיג הפחתה מרבית של העלות הראשונית. השילוב של ציוד צינון קטן, תפעול שעות שפל בטמפרטורת מים צוננים גבוהה יותר, וטמפרטורה חיצונית נמוכה יותר בזמן תפעול לילי, מוביל לחיסכון נכבד באנרגיה וכתוצאה מכך המערכת בכללותה מאפשרת החזר מוצלח על ההשקעה במערכת אגירת אנרגיה תרמית של PlusICE.

יעילות אנרגטית

בבנייה חדשה, כדוריות PlusICE מציעות יעילות תפעול מצוינת על ידי הפעלת מצנן קונבנציונלי בטמפרטורת מים יוצאים צוננים של +5oC (+41oF). ניתן לבנות את דרישת אגירת האנרגיה התרמית בתור מודול, בדומה למערכת צוברי קרח ממורכזת קונבנציונלית.

פשטות תפעול, בקרה ותחזוקה

מערכת PlusICE היא קלה לתכנון, תפעול ותחזוקה. המערכת אינה כוללת חלקים נעים כלשהם, ציוד לעיבוי קרח, בקרת מפלס או צנרת קירור. מערכת PlusICE היא קונספט כמעט נטול-תחזוקה, והשליטה במערכת היא פשוטה להפליא וכוללת למעשה רק שעון ושסתומי תפעול להפעלה וכיבוי המצננים. ניתן לצייד את מערכת PlusICE עם מלאי BMS נוסף ומערכת בקרה.

4.2. יישומי השבחה

השבחה קלה ופשוטה

מערכת PlusICE היא אידיאלית ליישומי בנייה, חימום, השבת חום, יישומים סולאריים, יישומי קירור ויישומי השבחת תהליך. כל מערכת צינון, צנטריפוגה, בוכנה או בורג יכולה לפעול בטווח טמפרטורת הפעולה הקונבנציונלית שלה של 5oC ולתת למים הצוננים להקפיא את החומרים משני הפאזה.

לפיכך, בניגוד למערכת אגירה בקרח, ניתן להטמיע את מערכת PlusICE ללא מודיפיקציות נוספות במצנן או בציוד הקירור על מנת להפחית את טמפרטורת התפעול בכדי להפיק תמיסות גליקול בטמפרטורות מינוס.

כאשר מדובר ביישומי שיפור והשבחה, הקונספט של PluseICE מתגבר על החסרונות של מערכות צינון בגליקול, הכוללות פעילות מועטה יותר במהלך שעות היום בהשוואה למערכת מים צוננים של 5oC ובנוסף, הגליקול גורם לנפילות לחץ משמעותיות במערכת המובילות לצורך בשאיבות נוספות.

הסירקולציה הגבוהה הנגרמת מהוספת הגליקול תוביל באופן בלתי נמנע לצריכת חשמל גדולה יותר מצד משאבת הסירקולציה, בהשוואה למשאבת מים העובדת באותה רמת קירור. בנוסף, חלק ממערכות האגירה בקרח דורשות מחלף חום בין המערכת למעגל הקרח. פירוש הדבר התקנת משאבות נוספות עבור מחלף החום המובילה לעלויות התקנה ותפעול גבוהות יותר.

בו-זמנית, הירידה ביעילות הפעולה של מערכת TES קרח קונבנציונלית הנגרמת מטמפרטורות אידוי נמוכות יותר תוביל בנוסף לשעות תפעול ארוכות יותר שיגרמו לעלויות אנרגיה נכבדות. טמפרטורות התפעול הקונבנציונליות של מערכת אגירת האנרגיה התרמית של PlusICE גוברות על סוגיות אלו.

אין צורך במצנני גליקול בטמפרטורות נמוכות

ניתן לטעון את הקורות של PlusICE תוך יישום טמפרטורות מים צוננים קונבנציונליות ולפיכך הן מובילות לחסכון בעלויות וניתן ליישמן בקלות במערכת צינון מים קיימת ללא שינויים משמעותיים במצננים, במערכות האוויר או בצנרת.

היעילות הנגרמת כתוצאה מטמפרטורות יציאה גבוהות יותר מוצגת באיורים 4.2.1 ו- 4.2.2, עבור פעולת קירור באוויר ובמים של מצנן קונבנציונלי במהלך טעינת לילה ופעילות יום, בהשוואה למערכת TES של PlusICE.

איור 4.2.1 – השוואה בין מערכת PlusICE לפעולת מערכת TES קרח קונבנציונלית עם מצנן מים.

איור 4.2.2 – מערכת PlusICE מול פעולת מערכת TES קרח קונבנציונלית עם מצנן מים.

שיקולי מקום

כפי שציינו מעלה, ניתן לבנות את מיכלי ה- TES המכילים כדוריות PlusICE בתור קונספט אגירת אנרגיה תרמית מרכזי, וניתן בנוסף ליישם מיכלים אינדיבידואליים כחלק מרשתות צנרת. ניתן להתקין את מיכל האגירה המרכזי מתחת לבניין, לצידו, בתוכו או על הגג, או לחילופין, להתקינו באופן תת-קרקעי כחלק מהנוף.

4.3. מערכות קירור

ניתן לשפר את יעילות מחזור הקירור על ידי יישום של מכשירי קירור, דחיסה, עיבוי, אידוי והתפשטות שונים, אך הכלל העיקרי של ניצול אנרגיה הוא “לחצי עיבוי נמוכים וטמפרטורות אידוי גבוהות, תת-קירור גדול ושאיבת חום שחון מבוקרת מובילים לצריכת אנרגיה נמוכה יותר עבור פעולת קירור נתונה, ולפיכך, על המתכננים לכלול דרישות אלו בעת תכנון המערכת הנתונה”.

טווח הטמפרטורות אותו מציעה מערכת PlusICE מאפשר למתכננים ליישם את כדוריות PlusICE כחלק ממערכת הקירור המשנית, כפי שניתן לראות באיור 4.3.1, על מנת להשיג יעילות תפעול מקסימאלית של מעגל הקירור על ידי הרצת המיכון הקיים בזמן תנאי עומס נמוכים ולאחר מכן לשחרר אנרגיה זו בזמן שעות השיא כדי למטב את ציוד הקירור.

איור 4.3.1 – יישומי קירור של PlusICE.

השילוב של TES של PlusICE מאפשר למתכנן לשמר מעטפת קירור קבועה ויציבה המובילה לשיפור היעילות, חסכון בעלויות השוטפות, ואמינות רבה יותר של המערכת. יתרון נוסף של מערכת אגירת האנרגיה התרמית של PluseICE הוא ניצול תנאי הטמפרטורה החיצונית הנמוכה בשעות הלילה להשגת מקדם יעילות כוללת גבוה יותר.

4.4. יישומי קירור חופשי

באקלים שבו הטמפרטורות בשעות הלילה צונחות מתחת לנקודת הקיפאון של התמיסה האוטקטית של PlusICE, ניתן לטעון את המערכת מבלי להריץ את המצנן על ידי הפעלת מערכת דחיית החום, כלומר מגדל הקירור, מאדה הקירור, או לחילופין, מעגל הקירור היבש.

באמצעות שינויים קלים בצנרת ובמערכת הבקרה, ניתן בקלות לספק מחזור קירור חופשי המנצל את הטמפרטורה החיצונית הנמוכה של שעות הלילה על ידי הפעלת משאבות הסירקולציה וציוד דחיית החום בלבד על מנת לטעון את מערכת אגירת האנרגיה התרמית של PlusICE.

ניתן ליישם את אותו רעיון לגבי רכיב דחיית החום של המערכת על ידי הוספת מערכת אגירת אנרגיה תרמית בכדי להתגבר על השיאים בלחצי העיבוי במהלך שעות היום, וכך ניתן להפחית את צריכת האנרגיה.

יישום טעינת הקירור החופשי של מערכת TES הוא מועיל במיוחד עבור יישומי הקירור והתהליכים של בניינים רבים עם עומסי קירור גבוהים במהלך ימי החורף, ושיטת הקירור החופשי מסוגלת לספק קירור ללא הפעלה של המצנן או הפעלה מועטה שלו, וכתוצאה מכך ניתן לקבל חסכון משמעותי באנרגיה. ניתן לראות תרשים אופייני של מעגל קירור חופשי באיור 4.4.1.

איור 4.4.1 – קונספט קירור חופשי אופייני.

מערכת טעינת TES בקירור חופשי יכולה לפעול במשך תקופה סבירה ללא צורך בהפעלת המצנן בהתאם למיקום ופרופיל הטמפרטורה החיצונית היומית/עונתית, ופוטנציאל היישום עבור בנקים, בנייני משרדים, חדרי עסקאות, מחשוב, תעשייה ותהליכים שונים הוא עצום בהשוואה למערכות מצנן, מים צוננים ו- TES  בקרח.

4.5. יישומי דחיית חום של אגירת אנרגיה תרמית

טווח הטמפרטורות אותו מציעה מערכת אגירת האנרגיה התרמית של PlusICE מספק מגוון רחב של יישומי  TES הנוגעים לדחיית חום והשבת חום, עבור יישומי טמפרטורות בינוניות וגבוהות. איור 4.5.1 מציג יישום דחיית חום אופייני של TES.

איור 4.5.1 – יישומי דחיית חום של PlusICE.

ניתן לאגור את דחיית החום ממצנן מים קונבנציונלי וכמו גם ממפעל קירור דרך מערכות ה- TES של PlusICE במהלך שעות השפל, ולאחר מכן לנצל את האנרגיה האצורה בכדי לשלוט ברכיב דחיית החום של המעגלים על מנת לשפר את יעילות המערכת בכללותה.

בנוסף, ניתן להוסיף את קורות PlusICE למערכות ביתיות ומרכזיות על מנת לענות על ביקושי שיא. אם אנרגיה שנאגרה בכדוריות PlusICE משוחררת חזרה למעגל דחיית החום במהלך ביקושי שיא חיצוניים, הקיבולת הנוספת תוביל לירידה של טמפרטורות הזרימה, וניתן לראות את חסכון האנרגיה הקשור בקירור נוסף זה באיור 4.5.2, עבור יישומים של מצנן מקורר מים.

איור 4.5.2 – השפעת דחיית החום של TES על מקדם היעילות.

4.6. יישומים נוספים

קוגנרציה ויישומי חום עודף

התפיסה הכללית היא כי מערכת PlusICE היא רבת ערך כאשר מיישמים אותה יחד עם מפעלי קוגנרציה, חימום סולארי או יישומי חום עודף תעשייתיים. אם הקוגנרטור דורש עומס אגירה תרמית יציב במהלך הלילה על מנת לשמור על כדאיות, או אם מערכת העיבוד התעשייתי היא קבועה ומייצרת חום עודף (לדוגמא קיטור) במשך הלילה על מנת לענות על צרכי מעגל הקיטור הראשי, ניתן להפעיל מצנני ספיגה באמצעות החום העודף בשעות הלילה.

מצנני הספיגה מסוגלים לאגור את קיבולת הקירור שלהם במלחים האוטקטים. האגירה התרמית יכולה לספק קירור עבור הבניין/תהליך במשך היום למחרת. מכיוון שמצנני ספיגת המים Li-BR או NH3 הנפוצים ביותר מתוכננים להפיק מים צוננים בטמפרטורה של 5.5oC (42oF), קיימת התאמה טבעית עם טמפרטורת הטעינה המומלצת עבור מערכת PlusICE.

איור 4.6.1 – יישום ספיגה אופייני של PlusICE TES.

גישה זו מאפשרת את הקטנת מצנן הספיגה. בנוסף, היא עשויה לאפשר צמצום של כלל מערכת הקוגנרציה, וכך להפוך את הפרויקט כולו לחסכוני יותר.

בנוסף, אם המערכת מיועדת לאגירה חלקית, ניתן להפעיל את מצנן הקוגנרציה/ניצול חום עודף הקיים במהלך שעות השיא וכך להשיג חסכון נוסף באנרגיה ותקופות תגמול רצויות.

חברת PCM תשמח לסייע לכם בכל הנוגע למחקרי קיימות או ניהול אגירת אנרגיה תרמית ובתכנון מערכות כאלו בעזרת המבחר הממוחשב שלנו, על מנת לצמצם את זמן העבודה הידנית המבוזבז על תרחישים והשערות, בכדי להשיג את נקודת האיזון האופטימאלית הרצויה עבור מערכת האגירה התרמית ומצנני הספיגה.

חימום סולארי

הקורות של PlusICE יעילות במיוחד עבור יישומי חימום סולארי בקנה מידה גדול, באמצעות אגירת האנרגיה במשך תקופת השיא של אמצע היום, שבה הביקוש למים חמים הוא הנמוך ביותר.

מצב זה משתנה במהלך שעות הבוקר ושעות הערב המאוחרות, במיוחד עבור בתי מלון. ניתן לאזן את ההיצע והביקוש של הדרישה למים חמים על ידי שימוש בקורות PlusICE כדי לקזז את הביקוש של שעות השיא, באמצעות טעינה פשוטה של מערכת אגירת האנרגיה התרמית במשך תקופת השיא של היום.

למרבה הצער, כאשר הזמינות של האנרגיה הסולארית היא בשיאה, הביקוש למים חמים הוא בשפל עבור רוב היישומים הביתיים והמסחריים. ניתן למלא את פער הזמן בין זמינות האנרגיה לשימוש בה על ידי שימוש במערכת PlusICE בכדי לאגור את האנרגיה במשך שעות היום ולשחררה במהלך הבוקר ושעות הערב המאוחרות.

ניתן לאגור חום זה עבור רכיבי הפקת החום וחימום המים של המערכת, וניתן לראות יישום חימום סולארי אופייני של מערכת PlusICE באיור 4.6.2.

איור 4.6.2 – קונספט חימום סולארי משולב של PlusICE.

למרות שחימום סולארי קונבנציונאלי עלול שלא לספק כמות מספקת של חום בכדי לענות על הביקוש למים חמים, אגירת אנרגיה של PCM ב- 27oC (oF) בשילוב עם חימום תת-רצפתי פנימי או חימום חיצוני עם מיכל אגירת מים היא אידיאלית לניצול החום הסולארי במשך היום, אפילו במהלך החורף, תוך יישום מערכת חימום מים סולארית אטומה קונבנציונלית. דוגמא ליישום אופייני כזה מוצגת באיור 4.6.3.

איור 4.6.3 – יישום של חימום סולארי מבוסס PCM.

שירותי HVAC&R משולבים

טווח טמפרטורת שינוי הפאזה של PlusICE, בין +4oC (+39oF) ל- 89oC (+192oF), פותח דרך חשיבה חדשה בכל הנוגע להסטת העומס עבור יישומי קירור וחימום נתונים. השילוב של מים צוננים ודחיית החום של TES מקטין את גודל המכונות וניצול החשמל בהשוואה לקונספט TES קונבנציונלי. מערכת TES משולבת המאוזנת בקפידה מספקת לא רק חסכון בעלות ההתקנה הראשונית, אלא בנוסף עלות ההפעלה הכוללת של המערכת פוחתת באופן משמעותי.

איור 4.6.4 מציג קונספט אופייני של מערכת HVAC&R משולבת לאגירת אנרגיה תרמית של PlusICE, עבור יישומים אופייניים של סופרמרקט. עם זאת, מספר השילובים השונים האפשרי הוא למעשה אינסופי, וחברת PCM תשמח לבחון את מידת ההתאמה של PlusICE עבור כל סוג של יישום ספציפי וייחודי שלא פורט במדריך זה.

איור 4.6.4 – יישום כדור TES משולב של PlusICE.

5.0. מערכות בקרה

5.1. בקרה ושליטה

הכלל העיקרי של מערכת בקרת TES הולמת הוא כדלקמן:

“אגור את מירב האנרגיה בזמן תקופת השפל, השתמש במקור הקירור/חימום במידה המינימאלית בתקופת השיא, ונצל את אנרגיה האצורה בסוף תקופת הקירור/חימום”.

ניתן לשלוט ביישומי מערכת ה- TES במידה מסוימת, באמצעות בקרה אלקטרו-מכאנית קונבנציונלית בתוך זמן מוגדר ללא צורך במתקן פיקוח כלשהו.

עם זאת, הפיתוחים האחרונים בתעשייה האלקטרונית, בעיקר בכל הנוגע למערכות בקרה בעזרת מיקרו-מעבדים, מספקים את החוליה החסרה עבור הדרישה החיונית של פיקוח ודפוסי למידה עצמית הנוגעים להתאמת המערכת (כלומר מקור הקירור/חימום) ליחס האגירה והביקוש בהתאם לשינויים במזג האוויר ובפרופיל העומס של הבניין הנתון.

מכיוון שרוב תמיסות ה- PCM מבוססות מלח, חיוני לנטר את מצב נוזל הסירקולציה על בסיס קבוע על ידי התקנת מתמר מוליכות חשמלית כחלק ממערכת ה- BMS. אנו ממליצים בחום לשלב קריאות מוליכות קבועות אלו כך שכל זיהום במי הסירקולציה הנגרם מנזק לקונטיינרים יזוהה במהירות, וככל שזיהום מלח או דליפה כלשהי יתגלו מוקדם יותר כך יהיה בטוח וקל יותר לטפל בכל בעיית קורוזיה שעשויה להתעורר.

שימוש קבוע בנתוני המוליכות החשמלית כחלק מה- BMS מקנה למערכת יכולת התרעה מוקדמת כך שכל זיהום במי הסירקולציה מתגלה במהירות לפני שהוא גורם לבעיות הקשורות בקורוזיה.

הקלטים הנפוצים ביותר עבור מערכת TES הם:

– דפוס העומס;

– קצב זרימת המים;

– טמפרטורות מי הכניסה/יציאה;

– דפוס/טמפרטורה חיצונית;

– מצב ציוד הקירור/חימום;

– מצב אמצעי האגירה;

– קריאות מוליכות חשמלית.

בהתבסס על הקלט הנ”ל, מערכת הבקרה חייבת לספק את הפונקציות הבאות:

– שליטה על מקור הקירור/חימום וכל הציוד הקשור;

– משאבות ושסתומי בקרה;

– מערכת האגירה;

– פונקציות זמן;

– מצב הציוד/התרעות.

מערכת בקרה קונבנציונלית של TES יכולה להיות טיימר פשוט, או לחילופין מערכות ניהול מבנים (BMS) חדשניות, בהן ניתן להשתמש בשל הגמישות והדיוק שלהן. בהתחשב בזאת, חברת PCM פיתחה קונספט בקרת PlusICE העונה גם על דרישות בקרה/שליטה פשוטות וגם, בתוספת פונקציות אופציונאליות, כחלק ממערכת בקרת BMS משולבת.