تاسیسات نوین | دوره آموزش و طراحی تاسیسات مکانیکی ساختمان شامل نرم افزار تاسیسات، کتابهای تاسیسات و مقالات آموزشی در این مقاله و مقالات بعدی به مبحث Ice Storage در سیستم های هیدرونیک در تاسیسات مکانیکی اشاره شده است.
ذخیره سازی حرارتی در سیستم های هیدرونیک به مبحث Ice Storage
آب یکی از بهترین مواد برای ذخیره حرارت است. حجم مشخصی از آب می تواند حدود 3500 برابر حرارت بیشتری را نسبت به همان حجم از هوا هنگامی که هر دو تحت تغییر دمای یکسانی قرار می گیرند جذب نماید. توانایی خارق العاده آب، در ذخیره حرارت آن را تبدیل به “واسطه” ای ایده آل برای موقعیت هایی می کند که در آنها نرخ تولید حرارت نسبت به نرخی که در آن حرارت توسط یک بار حرارتی مورد نیاز است تولید می شود.
یک مثال رایج آبگرمکن برقی 30 گالنی است. منبع گرمایش در بیشتر آبگرمکن های با این سایز، نرخ تولید حرارت به میزان 3.8kW یا 12,969 Btu/hr دارند. فرض کنید آب سرد در دمای 45 درجه فارنهایت وارد این آبگرمکن شود و دمای مورد نیاز آب گرم ما 110 درجه فارنهایت باشد، یک نرخ ورود حرارت kW 3.8 تنها می تواند دمای مدنظر برای آب گرم را در مقادیر جریان تا 0.4 گالن در دقیقه (gpm) برقرار کند.
برای در نظر گرفتن این موضوع، یک سردوش با جریان کم به طور معمول در 1.5 تا 2 gpm فعالیت می کند. در نتیجه، راهی وجود ندارد که یک منبع حرارتی kW 3.8 ، توسط خودش، بتواند حتی یک عدد سردوش را تامین کند. پس چگونه میلیون ها گرمکن این چنینی به شکلی موفقیت آمیز در وسایل حرارتی مسکونی مورد استفاده قرار می گیرند؟
جواب در همان آب ذخیره شده 30 گالنی هست. آب تا دمای بالاتر مشخص شده ای توسط المنت حرارت می بیند، حتی زمانی که تقاضایی هم زمان برای آب داغ خانگی نباشد. این ذخیره حرارتی اجازه می دهد نرخی را داشته باشیم که در آن انرژی حرارتی از آبگرمکن حذف می شود که در نتیجه، آن را از نرخی که در آن المنت برقی حرارت به مخزن اضافه می کند بسیار متفاوت است. همچنین این اجازه را می دهد که زمان روشن بودن المنت، متفاوت از زمان تقاضای آب گرم باشد. موقعیت های مشابهی اغلب در سیستم های حرارتی هیدرونیک اتفاق میفتد. نرخ و زمان بندیِ تقاضای حرارت، می تواند از نرخ تولید حرارت بسیار متفاوت باشد. میزان این تفاوت و همچنین ویژگی های عملیاتی منبع حرارت و تعادل سیستم، تعیین می کند که آیا عملیات حاصل از فعالیت منبع حرارت قابل قبول است یا خیر.
یک اثر نامطلوب که به علت تطبیق نداشتن تولید حرارت و حرارت مورد تقاضا به وجود می آید، “چرخه کوتاه” منبع حرارت است. این شرایط، وضعیتی را توصیف می کند که در آن منبع حرارت، تنها برای مدت زمانی کوتاه روشن می ماند. “چرخه خاموشِ” منبع حرارت نیز به طور نسبی کوتاه خواهد بود. کوتاه شدن چرخه، راندمان حرارتی اکثر منابع حرارتی را کاهش می دهد. همچنین تشعشعات را بالا برده، نیاز به تعمیرات را افزایش داده و عمر دستگاه را کوتاه می کند.
رایج ترین شیوه برای جلوگیری از کوتاه شدن چرخه، فراهم کردن جرم حرارتی (thermal mass) کافی در سیستم حرارتی است. بخاطر خصوصیات ذخیره حرارت عالی آب، اضافه کردن آن به سیستم، بهترین روش برای افزایش جرم حرارتی سیستم است. وسیله ای که حاوی این آب است اغلب بافر تانک نامیده می شود، زیرا کمک می کند تا منبع حرارت در برابر اثرات نامطلوب چرخه کوتاه محافظت شود.
مزایای جانبی ذخیره حرارتی به مبحث Ice Storage
فراتر از توانایی در حذف چرخه کوتاه و اثرات نامطلوب متعاقب آن، مخزن های ذخیره، اگر بطور مناسب در سیستم های هیدرونیک خاص مورد استفاده قرار گیرند، می توانند مزایای متعدد دیگری نیز ارائه کنند. این مزایا شامل:
- کاهش اندازه منبع حرارت نسبت به اوج بار.
- فراهم کردن جرم حرارتی برای محافظت از بارهای حرارت آب خانگی.
- اجازه دادن به بارهای حرارتی کوچک و کوتاه مدت تا بدون الزام به فعال شدن منبع حرارت، تامین شوند.
- فراهم کردن جداسازی هیدرولیکی بین سیرکولاتورها
- فراهم کردن منبع حرارت موقت برای سیستم توزیع در صورتی که منبع حرارت اصلی برای تعمیرات خاموش باشد.
- توانایی ذخیره حرارت تامین شده با استفاده از روش مصرف برق “زمان استفاده” با هزینه پایین تر.
- توانایی ذخیره حرارت تولید شده توسط منابع حرارت قابل تجدید از جمله کلکتور گرمایی خورشیدی یا دیگ های بخار چوبی
- توانایی ذخیره حرارت اضافی تولید شده توسط یک سیستم تولید همزمان گرما و برق (CHP)
این مقاله وضعیت های متعددی را بررسی می کند که در آنها این مزایا، موجب بهبود فعالیت سیستم های حرارتی و خنک کننده هیدرونیک می شود. همچنین توضیح می دهد که چگونه مخازن ذخیره حرارتی با اندازه مناسب را برای کاربردهای مختلف تهیه کرد. بعلاوه شیوه های لوله کشی خاصی را نشان می دهد که به مخازن ذخیره حرارتی اجازه عملکرد با توان حداکثری را می دهد.
یک جنبه تاریخی موضوع ذخیره حرارتی در سیستم های هیدرونیک
بسیاری از دیگ های بخار مورد استفاده در سیستم های هیدرونیک آمریکای شمالی در بیشتر قرن بیستم، از مقادیر زیاد فولاد و چدن ساخته شده بودند. شکل 1-2 یک بلوک از دیگ چدنی را نشان می دهد که برای دیگ های گازسوز یا نفت سوز در آن زمان بکار می رفته و امروزه نیز همچنان بکار می رود. این جزء اصلی یک دیگ چدنی است.
حتی دیگ های چدنی و فولادی کوچک اغلب حاوی صدها کیلوگرم فلز هستند و 10 تا 30 گالن آب را در خود نگه می دارند. این مواد، منبع حرارتی را می سازند که می توان آن را “خود حائل” توصیف کرد. جرم حرارتی این دیگ ها به خصوص در مقایسه با دیگ های مدرن دیواری، قابل توجه است. برای مثال، یک دیگ چدنی حاوی 200 کیلوگرم چدن و 15 گالن آب تقریبا 30 برابر جرم حرارتی بیشتری نسبت به یک دیگ مدرن راحت و فشرده حاوی 5 کیلوگرم فولاد ضدزنگ و یک گالن آب دارد. یک مثال از مورد آخر در شکل 2-2 نشان داده شده است. بیشتر سیستم های توزیع هیدرونیک مورد استفاده منازل در آمریکای شمالی پیش از دهه 80 میلادی، یک تا سه زون داشتند.
این موضوع طبیعتا، تقاضای حرارتی یک زون مجزا را نسبت به ظرفیت خروجی دیگ خانگی، محدود و کوچک می نماید. ساطع کننده های حرارت مورد استفاده در سیستم های هیدرونیک معمولا، رادیاتورهای چدنی یا قرنیزهای چدنی بودند. این دستگاه ها به طور قابل ملاحظه ای حاوی فلز و آب بیشتری نسبت به ساطع کننده های حرارت امروزی، مثل قرنیزهای فین تیوب، رادیاتورهای پنلی یا فن کویل ها بودند.
حتی لوله کشی مورد استفاده در سیستم های هیدرونیک قدیمی، اغلب حاوی فلز و آب بیشتری نسبت به لوله کشی سیستم های امروزی است. این مسئله مخصوصا زمانی صدق می کند که لوله کشی اصلی برای یک سیستم، از نوع “ثقلی” طراحی شده باشد (بدون سیرکولاتور)، یا سیستمی که برای گرمایش با بخار طراحی شده و بعدا به گرمایش با آب تبدیل شده است. جرم حرارتی بالای سیستم های هیدرونیک قدیمی، طبیعتا می تواند حرارت تولیدی مازاد دیگ بخار که در همان لحظه مورد نیاز بار نیست را ذخیره کند. چنین ویژگی، این اجازه را به اکثر سیستم های هیدرونیک قدیمی می دهد تا به شکل قابل قبولی با ثبات فعالیت کنند.
این مطلب ادامه دارد …