آیس بانک چیست؟ کاربرد آن در صنایع غذایی و تهویه مطبوع

آیس بانک (Ice bank) یا به عبارتی سیستم ذخیره سازی انرژی برودتیِ یخ، مکانیزمی است نسبتاً جدید به منظور بهینه سازی مصرف انرژی که در تهویه مطبوع و برودت صنعتی، در کنار چیلر تراکمی به منظور کاهش مصرف برق مورد بهره برداری قرار می گیرد. همچنین این سیستم، مشخصاً در صنایع غذایی بخصوص صنعت لبنیات نیز بسیار پرکاربرد بوده و در فرایند های مختلفِ تولید محصولات لبنی مورد استفاده قرار می گیرد.

آیس بانک
آیس بانک

توجه داشته باشید که آیس بانک یک روش ذخیره سازی انرژی گرمایی (Thermal Energy Storage = TES) در دمای پایین می باشد. ممکن است این موضوع کمی در ابتدا عجیب به نظر برسد که چطور یک مکانیزم تولید سرما، نوعی سیستم ذخیره سازی گرما محسوب می شود؟ اما دلیل این موضوع ساده است. سرما مفهوم فیزیکی ندارد و در واقع نبود یا کاهش انرژِی گرمایی سبب کاهش دما و ایجاد سرما می شود. به همین دلیل آیس بانک یک نوع سیستم ذخیره سازی گرما در دمای پایین به حساب می آید. به عبارت دیگر، تولید یخ در آیس بانک نتیجه و محصول نبود گرماست و ما در این روش پس از تولید یخ (ذخیره گرما در دمای پایین) سعی داریم از انرژی برودتی آن در زمان دیگری استفاده کنیم.

در تهویه مطبوع و برودت صنعتی یکی از چالش های موجود، میزان مصرف برق چیلرهای تراکمی است، اعم از چیلر تراکمی هوا خنک، چیلر تراکمی آب خنک و یا حتی مینی چیلرها. کمپرسور موجود در سیکل تبرید تراکمیِ این دستگاه ها، بیشترین سهم برق مصرفی را دارد.

از طرفی چون کاربرد چیلرها در سرمایش واحدهای مسکونی، تجاری، اداری و حتی برودت صنعتی مدام رو به افزایش بوده و استفاده از آنها بسیار رایج شده است، بکارگیریِ آیس بانک ها (بخصوص در پروژه های بزرگ) نیز روز به روز در حال توسعه می باشد. بعلاوه افزایش هزینه و تعرفۀ انرژی ها از جمله انرژی الکتریسیته (برق) سبب گسترش بیشتر استفاده از آیس بانک ها شده است. آیس بانک در تهویه مطبوع با عنوان سیستم ذخیره سازی یخ (Ice storage system) نیز شناخته می شود.

پیشنهاد مطالعه:

بررسی کارکرد، کاربرد و شناخت انواع چیلر

بررسی فنی، کاربرد و نحوه عملکرد چیلر تراکمی هوا خنک

بررسی عملکرد و کاربرد چیلر تراکمی آب خنک

البته باید توجه داشته باشیم که آیس بانک ها در مدل های مختلفی تولید می شوند و این تکنولوژی در صنایع دیگری از جمله صنایع غذایی به ویژه کارخانه های لبنیات و سالن های تولید قارچ نیز کاربرد دارد. اما در این مقاله عمدۀ بررسی های ما بر روی آیس بانک های قابل استفاده در پروژه های تهویه مطبوع خواهد بود. به همین دلیل ابتدا یک سیستم سرمایشی رایج که در آن از چیلر استفاده شده است را بررسی می کنیم.

همانطور که در مقاله چیلر توضیح داده بودیم، بار برودتی که همان گرمای موجود در داخل ساختمان بوده و یا می تواند ناشی از یک فرآیند صنعتی باشد، از طریق جریان آبی که توسط چیلر خنک شده است جذب می شود. اینگونه دمای آب بالا رفته، مجدداً برای خنک شدن به چیلر باز می گردد و این سیکل به همین ترتیب تکرار می شود.

سیستم چیلر بدون آیس بانک
سیستم مرسومِ استفاده از چیلر برای جذب بار برودتی (بدون آیس بانک)

در تصویر زیر چیلر، این بار بهمراه مخزن آیس بانک برای جذب بار برودتی استفاده شده اند. بنابراین می توان بار برودتی را به سه روش جذب نمود:

  1. صرفاً به وسیله خود چیلر
  2. صرفاً از طریق آیس بانک
  3. با استفادۀ همزمان از چیلر و آیس بانک
آیس بانک یا سیستم ذخیره سازی یخ
مکانیزم استفاده از چیلر و آیس بانک برای جذب بار برودتی

در ساعت هایی از طول روز که مصرف برق بالاست و تعرفۀ قیمت آن نیز بمراتب بیشتر است، سعی می کنیم به وسیله آیس بانک فرآیند سرمایش (جذب بار برودتی) را به طور کامل یا جزئی انجام داده و از طرفی در ساعت هایی که مصرف و هزینۀ برق پایین است (فاصلۀ شب تا صبح)، از چیلر برای تولید یخ استفاده کنیم. این روش در روزهای گرم سال مانند فصل بهار و به ویژه فصل تابستان به خوبی باعث کاهش هزینه های مصرف برق خواهد شد.

در سیستم های تهویه مطبوع، آیس بانک گلیکولی (Glycol-Based) بسیار رایج است. گلیکول در واقع  یک نوع ترکیب از خانواده الکل است و به همین دلیل در ساخت ضد یخ های صنعتی بسیار پر کاربرد می باشد. زمانی که قرار است آب را به یخ تبدیل کنیم به مایعی نیاز داریم که قاعدتاً دمای انجماد آن کمتر از دمای انجماد آب یعنی صفر درجۀ سانتی گراد (در فشار 1Bar) باشد.

در ادامۀ این مقاله اجزای آیس بانک ها، انواع آن و نحوۀ عملکردشان را به طور کامل و جامع بررسی کرده و مزایای آن ها را مرور خواهیم کرد.

اجزا و ساختار آیس بانک

آیس بانک ها شامل اجزا و ساختار پیچیده ای نیستند و مهم ترین قسمت تشکیل دهندۀ آن همان مخازن ذخیره یخ و کویل برودتیِ موجود در این مخازن می باشد. البته تعدادی شیر کنترلی نیز در مدار دستگاه نصب می شوند. ممکن است با توجه به نوع سیستم و فرآیندی که قصد داریم در کنار آن ها از مخزن یخ استفاده کنیم، یک سری قطعات جانبی اضافه یا حذف شوند، اما مخزن و کویل یا همان مبدل جرارتی موجود در مخزن دو مؤلفۀ اصلی آیس بانک ها به حساب می آیند.

تانک یخ و کویل آن در سیستم آیس بانک
تانک یخ و کویل موجود در آن

تانک یا مخزن یخ در سیستم های ذخیره سازی یخ (آیس بانک) در انواع گوناگون، مطابق با فضای موجود و البته نیاز پروژه در نظر گرفته می شود، اما رایج ترین آن ها در سیستم های گلیکولی، مخازن استوانه ای استاتیک است که کویل یا مبدل حرارتی در داخل آن قرار می گیرد. لوله های کویل داخل مخزن معمولا از جنس فولاد، پلی اتیلن یا پلی پروپیلن می باشند.

اجزای آیس بانک
ساختار و اجزای آیس بانک

با توجه به شکل فوق مشخص است که در طول روز، بار برودتی داخل ساختمان از طریق فن کویل ها و یا هواسازها جذب شده و جریان آبی که گرمای داخل ساختمان را جذب کرده مجدداً به چیلر باز می گردد تا دمایش از طریق دفع گرما به محیط کاهش یابد. به همین دلیل چیلر را یک ماشین انتقال گرما یا پمپ انرژی می نامند. اما تفاوت مکانیزم فوق در مقایسه با شرایط مرسوم این است که بخشی از کاهش دمای آب برگشتی از ساختمان، توسط آیس بانک و به کمک ذوب یخ های ذخیره شده اتفاق می افتد. در ادامه توضیح خواهیم داد که این نوع از ذخیره سازی یخ را Partial storage (ذخیره سازی جزئی) می نامند.

اگرچه آیس بانک ها ساختارساده ای دارند، اما می بایست توجه داشت که طراحی و تولید اصولی آنها، رعایت الزامات مربوط به اتصالات و همچنین اعمال درست فرآیندهای کنترلیِ لازم، اهمیت بسیاری در بهره برداری درست از سیستم ذخیره سازیِ یخ خواهند داشت.

نحوۀ عملکرد و کارکرد آیس بانک

پس از آشنایی با اجزا و نحوۀ بکارگیریِ آیس بانک، ممکن است این سؤال برای شما پیش بیاید که یخ موجود در آیس بانک ها چگونه و با چه روشی تولید می شود؟

در سال های گذشته، آیس بانک های بکار رفته در صنعت، عمدتاً از نوع DX بوده اند. به این معنا که بجای چیلر از کندانسینگ یونیت برای تولید یخ در آنها استفاده می شد. اما، امروزه در تمامی پروژه های تهویه مطبوع و حتی در برودت صنعتی، آیس بانک های گلیکولی، بکار گرفته می شوند. یعنی برای آنکه بتوان بجای مبرد، جریان آب را با دمای مورد نیاز (حدود 5- درجۀ سانتی گراد) توسط چیلر تولید نمود و برای تولید یخ از داخل کویل آیس بانک عبور داد، درصدی گلیکول (ضد یخ) به جریان آب اضافه می شود. این چنین با عبور آب و گلیکولِ 5- درجۀ سانتی گرادی از داخل لوله های کویل آیس بانک، آب موجود در مخزن یخ زده و آمادۀ ذخیره سازی خواهد شد.

به طور معمول ماده گلیکولی 25% و آب 75% این ترکیب را تشکیل می دهند. نقطه انجماد این محلول حدود منفی 12 درجه سانتی گراد است.

هدف اصلی از بکارگیری آیس بانک در پروژه های تهویه مطبوع، کاهش هزینه های تأمین و مصرف برق می باشد. اما، سؤال اینجاست که مگر برای تولید یخ در آیس بانک از خود چیلر استفاده نمی شود. پس چطور میزان برق مورد نیاز و نیز هزینه های برق مصرفی در سیستم دخیره سازی یخ کاهش می یابد؟

پیش از این نیز توضیح داده شد که تعرفۀ برق در ساعات کم مصرف (شب تا صبح) بمراتب کمتر از طول روز است. نمودار زیر مربوط به منحنی بار برودتیِ یک ساختمان در طول 24 ساعت می باشد. همانطور که مشاهده می کنید، از حدود ساعت 6 بعد از ظهر به بعد، بار برودتی به شدت کاهش یافته و در ساعات 12 شب تا 6 صبح تقریباً بار برودتی صفر است. ساعاتی که مصرف برقِ شبکۀ شهری حداقل بوده و بهمین علت تعرفۀ برق بین 2 تا 5 برابر ارزانتر است. تولید یخ در آیس بانک درست در همین ساعات اتفاق می افتد. بنابراین ما با هزینۀ بسیار کمتری یخ را تولید کرده و از انرژی برودتی آن در طول روز (بخصوص ساعات اوج بار برودتی) که هزینۀ مصرف برق به مراتب بیشتر است، استفاده می کنیم.

علاوه بر کاهش هزینۀ برق مصرفی، به کمک سیستم ذخیره سازی یخ (آیس بانک) می توان مقدار برق مورد نیاز برای پروژه (Demand) را نیز کاهش داد و به این ترتیب کارفرما در راه اندازی پروژه مبلغ کمتری را برای خرید برق ساختمان پرداخت خواهد کرد.

بار برودتی ساختمان و کاربرد آن در آیس بانک
منحنی بار برودتی ساختمان

منحنی یا گراف بار برودتی بر اساس کاربری ساختمان (مسکونی، اداری، تجاری، خدماتی و …) می تواند متفاوت باشد و از آنجا که شکل نوسانات بار برودتی در طراحی و ظرفیت سنجیِ آیس بانک نقش بسیار مهمی دارد، می بایست این نوسانات را با توجه به کاربری ساختمان به دقت بررسی نمود.

محدوده های زمانی پر مصرف و کم مصرف ( On-peak vs Off-peak)

محدوۀ ساعاتی که مصرف برقِ شبکۀ شهری بالاست را ناحیه پیک یا اوج بار (On-peak) و محدوۀ ساعاتِ خارج از آن را ناحیه کم مصرف یا غیر پیک (Off-peak) می نامند.

بهمین دلیل در بازۀ زمانی پیک یا پر مصرف، تعرفه و هزینۀ بیشتری از سمت دولت یا شرکت های تولید کنندۀ برق به منظور کاهش مصرف و به دنبال آن کاهش فشار بر روی شبکه تولید و توزیع برق در نظر گرفته می شود. همچنین طرح های تشویقی دولت برای تولید لامپ های کم مصرف، تخفیف بیشتر به مشتریان کم مصرف و خرید تضمینی برق از نیروگاه های CHP از جمله اقداماتی است که در راستای کاهش فشار شبکۀ تولید و توزیع صورت می گیرد.

نمودار زمانی اوج مصرف برق

با توجه به توضیح فوق دو راه کار و استراتژی مشخص برای کاهش هزینه های مصرف برق وجود دارد:

  • کاهش میزان تقاضای برق در زمان پیک مصرف (Peak shaving)
  • انتقال بار الکتریکی مورد تقاضا به ناحیه کم مصرف یا غیر پیک (Load shifting)

در واقع سیستم ذخیره سازی یخ یا آیس بانک می تواند از جمله مصداق های ویژه ای باشد که هر دو استراتژی Peak shaving و Load shifting را شامل می شود. بطوریکه با کوچک شدن و یا حتی حذف چیلر در مقایسه با شرایط مرسوم، میزان تقاضای برق در زمان پیک مصرف به حداقل رسیده و از طرف دیگر بخشی یا تمام بار الکتریکی موجود در زمان پیک مصرف به ساعاتِ غیر پیک منتقل می شود که این چنین همانطور که قبلاً هم گفته شد، علاوه بر کاهش هزینۀ مصرف برق، کارفرما پول کمتری را در ابتدای راه اندازیِ پروژه برای تأمین برق مورد نیاز پرداخت می کند.

مقایسۀ پیک سایی و جابجایی بار (Peak shaving vs Load shifting)

ممکن است در نگاه اول اینطور تصور شود که هر دو استراتژیِ پیک سایی و انتقال بار الکتریکی مشابهِ یکدیگر هستند. اما در واقع این دو روش با هم تفاوت دارند و بسته به نوع ذخیره سازی یخ در آیس بانک (جزئی و کامل) و شکل پروفیل بار برودتی، می توان هر دو روش را پیاده کرد. در ادامه تفاوت این دو استراتژی را بررسی می کنیم.

عملکرد آیس بانک
مقایسه استراتژی های پیک سایی و جابجایی بار در آیس بانک

در استراتژی پیک سایی همانطور که از نامش پیداست، به دنبال کاهش میزان تقاضای برق در زمان پیک مصرف هستیم. یعنی سیستم آیس بانک فقط زمانی یخ موجود در مخازن را ذوب و از سرمای آن استفاده می کند که میزان برق مصرفیِ شبکۀ شهری در حالت ماکزیمم خود قرار دارد. به منظور دستیابی به این قابلیت حتماً بایستی تا انتهای ساعات پیک مصرف، یخ در داخل مخازن آیس بانک وجود داشته باشد. اگر به گراف سمت چپ تصویر فوق با دقت نگاه کنید، متوجه خواهید شد که یخ در طول روز به کمکِ چیلر آمده و اینگونه در بازه زمانی پیک (On-peak) سبب کاهش تقاضای برق (Electrical demand rate) شده است. از طرفی چند ساعت از شب را چیلر جهت تولید یخ روشن است.

این روشِ کاهشِ بار تقاضا (Demand load) را به اصطلاح پیک سایی (Peak shaving) می نامند. این تکنیک برای زمان هایی مناسب است که میزان تقاضای برق بالاست (kW) اما میزان مصرف برق (kWh) مشابه بازه زمانی غیر پیک (Off-peak) است.در حقیقت روش پیک سایی به دنبال یافتن یک نقطه تعادل بهینه بین میزان تقاضای برق در بازۀ زمانی پیک و میزان مصرف برق در بازۀ زمانی غیر پیک هست.

اما در روش انتقال یا جابجایی بار الکتریکی (Load shifting) فقط تایم کاری چیلر را از روز و بازۀ پیک مصرف، به بازۀ زمانیِ شب تا صبح (غیر پیک) منقل می کنیم. در این روش سیستم آیس بانک سعی دارد تا حد ممکن در طول روز از یخ استفاده کند و چیلر را در کم ترین ظرفیت برودتی خود قرار دهد. از طرفی چیلر در طول شب به هیچ وجه خاموش نمی شود و از ساعت 12 شب تا 6 صبح روز بعد کاملاً در شرایط تولید یخ قرار دارد. اگر به گراف سمت راست شکل فوق دقت کنید، متوجه این موضوع خواهید شد که چیلر در طول شب به طور کامل مشغول به تولید یخ است و در طور روز نیز حداکثر استفاده از یخ انجام می گیرد.

در حقیقت این روش به دنبال کاهش مصرف برق چیلر (kWh) در طول روز و ساعات پیک مصرف برق است. این روش زمانی استفاده می شود که میزان مصرف برق (kWh) در بازۀ زمانی پیک و غیر پیک اختلاف زیادی داشته باشند.

در ذخیره سازی نوعِ کامل (Full storage) که در ادامه به طور کامل توضیح داده خواهد شد، تقاضای برق در زمان پیک مصرف کاملاً به ساعاتِ غیر پیک منتقل می شود (Load shifting). اما میزان تقاضای برق را هر چند در محدودۀ زمانیِ کم مصرف، افزایش می دهد. بنابراین در این روش از ذخیره سازی یخ، هزینۀ مصرف برق به شدت کاهش یافته، اما هزینۀ خرید برق افزایش می یابد.

در ذخیره سازی نوع جزئی (Partial storage) هر دو استراتژی پیک سایی و جابجایی بار عملی می شود.

انواع آیس بانک

آیس بانک ها معمولاً به دو روش دسته بندی می شوند:

  • بر اساس نحوۀ ذوب شدن یخ موجود در آیس بانک
  • بر اساس نحوۀ ذخیره سازی یخ (سیکل کاری)
انواع آیس بانک
انواع آیس بانک

ذخیره سازی کامل یخ (Full ice storage)

اگر آیس بانک طوری طراحی شود که در زمان اوج مصرف برق، تمام بار برودتی ساختمان به وسیله یخ تولید شده جذب شود، این نوع آیس بانک را سیستم ذخیره سازی کامل یخ می نامند. همانطور که در شکل زیر مشاهده می کنید تمام بار برودتی (در زمان پیک مصرف) تنها با ذوب شدن یخی که در ساعات 12 شب تا 6 صبح تولید شده است، جذب خواهد شد.

آیس بانک با سیستم ذخیره سازی کامل
آیس بانک با سیستم ذخیره سازی کامل

به دلیل افزایش سایز چیلر و مخزن آیس بانک در روش ذخیره سازی کامل، معمولاً از این روش در پروژه هایی استفاده می کنند که ساعات وجود بار برودتی بسیار کوتاه باشد.

ذخیره سازی جزئی یخ (Partial ice storage)

اگر آیس بانک طوری طراحی شود که در ساعات پیک مصرف برق، تنها جذب بخشی از بار برودتی را بر عهده داشته باشد و مابقی به وسیلۀ چیلر جذب شود، این نوع آیس بانک را سیستم ذخیره سازی جزئی یخ می نامند. در واقع آیس بانک با سیستم ذخیره سازی جزئی یخ، نوعی تقویت کننده و حامی برای چیلر مرکزی ساختمان بحساب می آید.

در شکل زیر مشاهده می کنید که در ساعات اوج مصرف برق، چیلر حدود 40% بار برودتی ساختمان را پوشش می دهد و مابقی آن یعنی حدود 60% توسط ذوب یخ جذب می شود. بنابراین، در این نوع از روش ذخیره سازی یخ، وجود آیس بانک سبب می شود که بتوان از چیلر با ظرفیت کوچک تری استفاده نمود که علاوه بر کاهش تقاضای برق در زمان پیک مصرف (Peak shaving) منجر به انتقال بخشی از بار الکتریکی به ساعات کم مصرف (Load shifting) نیز می شود؛ در نتیجه در کاهش هزینۀ مصرف برق هم می تواند مؤثر باشد.

آیس بانک با سیستم ذخیره سازی جزئی
آیس بانک با سیستم ذخیره سازی جزئی

در اغلب پروژه های تهویه مطبوع از آیس بانک با سیستم ذخیره سازی جزئیِ یخ استفاده می شود؛ چراکه بواسطۀ کوچک تر شدن سایز چیلر و مخزن آیس بانک، هم هزینۀ خرید این تجهیزات کاهش یافته و هم فضای کمتری از پروژه اشغال می شود.

موضوع دیگری که می بایست در تعریف روش های ذخیره سازی در نظر گرفت این است که الگوی استفاده از چیلر و آیس بانک برای جذب بار برودتی ساختمان در ساعات غیر پیک نیز می تواند یکی از هر سه حالت متفاوت زیر باشد:

  • تولید برودت از طریق ذوب یخ (Ice melting)
  • تولید برودت از طریق چیلر (Chiller)
  • تولید برودت از طریق ذوب یخ و چیلر بطور همزمان (Ice melting+Chiller)

بکارگیری چیلر در سیستم های ذخیره سازی یخ

چیلرهایی که برای تولید یخ در آیس بانک ها استفاده می شوند، اساساً بر پایۀ محلول آب و گلیکول زیر صفر درجه (به عنوان سیال عامل برای تولید یخ) طراحی می شوند. در سیستم ذخیره سازی جزئی یخ (Partial ice storage)، می توان از یک چیلر جداگانه و اختصاصی، صرفاً برای تولید یخ در آیس بانک استفاده نمود که در این صورت می بایست چیلر دیگری نیز برای جذب درصدی از بار برودتیِ ساختمان پیش بینی شود. روش دیگر، بکارگیری تنها یک چیلر می باشد. بطوری که در ساعات شب تا صبح یخ تولید می کند و در طول روز در کنار آیس بانک، بار برودتی ساختمان را جذب می کند. بنابراین، چنین چیلری بایستی قابلیت کارکرد در دمای زیر صفر و بالای صفر را داشته باشد.

در سیستم ذخیره سازی کامل یخ (Full ice storage)، غالباً از یک چیلر که صرفاً وظیفۀ تولید یخ را بعهده دارد، استفاده می شود. مگر آنکه میزان بار برودتی ساختمان در طول شب تا صبح به حدی باشد که نیاز به استفاده از چیلر دیگری نیز داشته باشیم.

آیس بانک گلیکولی
آیس بانک گلیکولی

زمانی که سیال عاملِ انتقال حرارت (محلول آب و گلیکول) توسط چیلر به زیر صفر درجه سانتی گراد رسید (حدود 5- درجۀ سانتی گراد)، به وسیله پمپ سیرکولاسیون به یک یا چند تانک یا مخزن یخ فرستاده می شود و چون دمای آن کم تر از صفر درجه سانتی گراد است به مرور باعث یخ زدن آب موجود در آیس بانک خواهد شد. دقت کنید که محلول ورودی به مخزن هرگز با آب موجود در آن ترکیب نمی شود و صرفاً فرایند انتقال حرارت اتفاق می افتد. بطوریکه محلول آب و گلیکول از داخل لوله های کویلِ موجود در مخزن عبور کرده و از آن طرف آبی که در مخزن وجود دارد، دور تا دور کویل را احاطه می کند. بنابراین در ساعات پیک مصرف برق (On-peak) می توان بجای استفاده از چیلر (Full storage) یا در کنار چیلر (Partial storage)، بار برودتیِ ساختمان را از طریق ذوب کردن یخ تولیدشده جذب نمود.

اینکه در پروژه ای از یک یا دو دستگاه چیلر استفاده شود به پارامترهای مختلفی از جمله، پروفیل بار برودتیِ ساختمان، نحوۀ ذخیره سازی یخ و بودجۀ کارفرما بستگی دارد.

مقایسۀ ذوب داخلی و خارجی (Internal melting vs External melting)

در اشاره به انواع آیس بانک ها و سیستم های ذخیره سازی یخ گفتیم که نحوۀ ذوب شدن یخ یکی از معیارهای دسته بندی انوع آیس بانک ها به حساب می آید که بر این اساس آیس بانک ها یا ذوب از داخل می باشند یا ذوب از خارج.

فرض کنید از داخل لوله های کویل موجود در مخزن آیس بانک، مایع انتقال گرما (محلول آب و گلیکول با دمای 5- درجۀ سانتی گراد) عبور می کند. با گذشت زمان، آبِ اطراف کویل کم کم منجمد می شود و معمولاً به ضخامت حدود 3cm، یخ در اطراف لوله های کویل ایجاد می شود. اگر آبی را که قرار است به وسیله یخ خنک کنیم، به طور مستقیم از روی یخ عبور دهیم، یخ تشکیل شده روی لوله ها از لایه های خارجی شروع به ذوب شدن می کند؛ به همین دلیل چنین آیس بانکی را، سیستم ذخیره سازی یخ با ذوب خارجی یا External melting می نامند. به دلیل آنکه در روش ذوب از خارج، آب گرم ورودی به مخزن و یخ موجود بر روی لوله ها به طور مستقیم با هم در ارتباط هستند، این نوع آیس بانک را با نام تماس مستقیم یا Direct contact نیز می شناسند. بهمین دلیل در آیس بانک های ذوب از خارج می توان آب سردتری (حدود یک درجۀ سانتی گراد) تولید نمود.

آیس بانک با ذوب خارجی
آیس بانک با ذوب خارجی

در شکل زیر می توانید گراف دمایی آیس بانک با ذوب خارجی را مشاهده کنید.

نمودار دمایی آیس بانک با ذوب خارجی
نمودار دمایی آیس بانک با ذوب خارجی

اما اگر آبی که قصد داریم آن را به وسیله یخ خنک کنیم، از داخل لوله های کویلی که توسط یخ احاطه شده اند عبور دهیم، یخ از لایه های داخلی شروع به ذوب شدن می کند و به همین دلیل این نوع آیس بانک را سیستم ذخیره سازی یخ با ذوب داخلی یا Internal melting می نامند. از آنجا که در روش ذوب از داخل، آب گرم ورودی و یخ تشکیل شده بر روی لوله ها، به طور مستقیم باهم در تماس نیستند، این نوع آیس بانک ها را با عنوان تماس غیر مستقیم یا Indirect contact نیز می شناسند. بهمین دلیل در آیس بانک های ذوب از داخل، دمای آب سرد خروجی از مخزن در مقایسه با آیس بانک های ذوب از خارج، حدود یک تا دو درجۀ سانتی گراد بیشتر است.

توجه داشته باشید که جریان آب عبوری از داخل لوله های کویل، همان جریانی است که در ساعات شب تا صبح با دمای حدود 5- درجۀ سانتی گراد برای تولید یخ، از داخل لوله های عبور می کند. بنابراین جریان مایعی که در طول روز قرار است توسط یخ سرد شود، نیاز به شارژ گلیکول خواهد داشت.

آیس بانک با ذوب داخلی
آیس بانک با ذوب داخلی

در طراحی سیستم ذخیره سازی یخ با ذوب داخلی می توان به ازای یک حجم یکسان، یخ بیشتری را در مقایسه با آیس بانک های ذوب از خارج تولید کرد. اما می بایست توجه داشت، به منظور جلوگیری از آسیب دیدن مخازن یخ، محاسبات را طوری لحاظ نمود که 95% آب موجود در آن ها به یخ تبدیل شود و یک فضای کمی بین یخ و دیواره مخزن باقی بماند.

در شکل زیر نمودار دمایی آیس بانک با ذوب داخلی نشان داده شده است.

نمودار دمایی آیس بانک با ذوب داخلی
نمودار دمایی آیس بانک با ذوب داخلی

در پروژه های تهویه مطبوع غالباً از آیس بانک های ذوب از داخل (Internal melting) و در پروژه های برودت صنعتی، عمدتاً از آیس بانک های ذوب از خارج (External melting) استفاده می شود.

مزایای استفاده از آیس بانک

 از آنجا که سهم قابل توجهی از مصرف برق مجتمع های مسکونی، اداری، تجاری، بهداشتی، گردشگری و بعضاً صنعتی مربوط به سیستم های سرمایشی یا تهویه مطبوع است، سازندگان و تولید کنندگان و البته کارشناسان سیستم های انرژی در سرتاسر دنیا همواره به دنبال راه کارهای کاهش مصرف برق در این سیستم ها می باشند. چیلرهای تراکمی بعنوان یکی از کاربردی ترین سیستم های سرمایشی (خصوصاً در پروژه های بزرگ) از جمله مصرف کننده های اصلی برق محسوب می شوند که با وجود سیستم ذخیره سازی یخ یا همان آیس بانک می توان بخوبی مصرف برق آنها را بهینه سازی نمود. امروزه استفاده از این فناوری در کنار چیلرهای تراکمی سبب شده است که هم نگرانی کارفرما بابت تأمین برق مورد نیازِ پروژه و هم نگرانی بهره بردار بابت هزینۀ مصرف برق بر طرف شود.

در پروژه های بسیار بزرگ، بکارگیریِ آیس بانک در کنار چیلرهای تراکمی راه کاری است که جایگزین استفاده از چیلرهای جذبی شده است.

در ادامه این مطلب مزایای سیستم ذخیره سازی یخ (آیس بانک) را گام به گام بررسی می کنیم:

کاهش تقاضای بار الکتریکی (Demand load)

یکی از عواملی که سبب افزایش هزینه های اولیه در احداث یک پروژۀ ساختمانی می شود، افزایش میزان تقاضای بار الکتریکی (Demand load) است. بر اساس پژوهش های صورت گرفته مشخص شده است که سیستم تهویه مطبوعِ یک ساختمان، به طور میانگین حدود 40% از میزان مصرف برق را به خود اختصاص می دهد. بنابراین بکارگیری روش های پیک سایی از جمله سیستم ذخیره سازی یخ (آیس بانک) می تواند تأثیر قابل توجهی در کاهش میزان برق مورد نیاز برای راه اندازی پروژه داشته باشد.

سهم مصرف برق ساختمان
تقسیم بندی مصرف برق ساختمان

در شکل زیر مشاهده می کنید که میزان تقاضای برق در زمان اوج یا پیک تقاضا (On-Peak) در ساختمانی حدود 600kW کاهش یافته است. این 600kW از تقاضای بار مربوط به سیستم سرمایشی بوده که تماماً به دلیل استفاده از آیس بانک با ذخیره سازیِ کامل یخ (Full storage) کاهش یافته است. در شکل سمت راست مشاهده می کنید که بین ساعات نیمه شب تا شش صبح، چیلر تولید یخ کرده و در طول روز انرژیِ ناشی از ذوب یخ بجای چیلر استفاده شده است.

به طور تقریبی بررسی ها نشان داده است که آیس بانک می تواند سهم سیستم تهویه مطبوع ساختمان از تقاضای بار الکتریکی (Demand load) را تا نزدیک به 40% کاهش دهد.

آیس بانک و کاهش مصرف برق
کاهش مصرف برق با سیستم آیس بانک

کاهش میزان مصرف برق (Power consumption)

در قسمت های پیشین که تفاوت دو استراتژی پیک سایی و انتقال بار را توضیح دادیم، فرق بین تقاضای بار الکتریکی (kW) و مصرف برق (kWh) را شناختیم. در واقع مصرف برق برابر است با حاصلضرب تقاضای بار الکتریکی در مدت زمان مصرف. بنابراین با توجه به این تعریف و شکل زیر اگر بتوانیم میزان تقاضای برق (Demand load) و یا مدت زمان مصرف این تقاضا را کاهش دهیم، میزان مصرف برق را کاهش داده ایم.

کاهش مصرف برق به وسیله آیس بانک
کاهش مصرف برق با کمک آیس بانک

دوباره یادآوری می کنیم که در سیستم ذخیره سازی یخ اگر هدف کاستن مقدار تقاضای بار الکتریکی بود، از روش پیک سایی استفاده می کنیم و از این طریق انرژِی گران تر و پر هزینه تر در طول روز کم تر مصرف می شود. اما اگر هدف این باشد که مصرف انرژِی را به ناحیه غیر پیک که قیمت و هزینه مصرف انرژی در آن پایین است منتقل کنیم، از روش انتقال بار استفاده می کنیم.

استفاده از چیلر با ظرفیت کمتر (Downsized chiller)

در بررسی فنی و توضیحات عملکرد آیس بانک ها متوجه شدیم که از لحاظ فنی می توان از چیلرها یا سیستم های برودتی با ظرفیت کمتری در مقایسه با شرایط معمول استفاده کرد. در واقع یخ به عنوان ذخیره انرژی گرمایی سبب می شود که بخشی از بار برودتی توسط آن تامین شود و در نتیجه ظرفیت چیلر کم تر می شود. چیلر با ظرفیت کمتر علاوه بر اینکه می تواند قیمت کمتری داشته باشد، می تواند انرژی کمتری نیز مصرف کند که هم برای کارفرما و هم برای بهره بردار سودمند خواهد بود.

اگرچه شرایط پروژه و همچنین نوع طراحی سیستم آیس بانک در میزان کاهش ظرفیت برودتی چیلر اثر گذار است، اما مطالعات تجربی نشان داده است که سیستم های ذخیره سازی یخ حدود 40% ظرفیت برودتی چیلر مورد نیازِ پروژه را کاهش می دهند.

چیلر کوچکتر و آیس بانک
کاهش ظرفیت برودتی چیلر با کمک آیس بانک

طراحی و فروش انواع آیس بانک

شرکت مهندسی تهویه نگار با تکیه بر دانش علمی و تجربیِ کارشناسان خود همواره سعی دارد، بهینه ترین سیستم های برودتی و تهویه مطبوع را متناسب با تمامی شرایط پروژه ،برای مشتریان خود در نظر بگیرد. سابقۀ طراحی و تولیدِ انواع آیس بانک برای صنایع غذایی به ویژه کارخانجات لبنی، کاهش شدید تقاضا برای خرید چیلرهای جذبی و البته مطالعات و بررسی های گستردۀ این مجموعه در استفاده از آیس بانک برای مصارف تهویه مطبوع، سبب شده است که این شرکت آمادگی خود را برای طراحی، تولید و اجرای سیستم های ذخیره سازیِ یخ اعلام کند تا این چنین بتواند در کاهش هزینه های کارفرما برای خرید برق و نیز در کاهش هزینه های بهره بردار در مصرف برق، قدم بزرگی بردارد.

برای ارتباط با کارشناسان شرکت مهندسی تهویه نگار، انجام مشاوره رایگان و استعلام قیمت با ما در تماس باشید.

کارشناس فروش (عمادی) 09904494274

2 پاسخ
  1. حسن خلجی
    حسن خلجی می گوید

    من با چندین سال تجربه در اجرا و نصب انواع چیلر و سیستم های تهویه مطبوع تازه دو ماه پیش این سیستم آیس بانک رو تو یک ساختمون اداری و تجاری دیدم و خیلی برام جالب بود

    پاسخ
    • تهویه نگار
      تهویه نگار می گوید

      با سلام. آیس بانک یا ذخیره سازی یخ در ایران بیشتر در فرآیندهای صنعتی استفاده شده اما با توجه به مزایای آیس بانک این سیستم در تهویه مطبوع هم در حال رشد هست و مشتریان استقبال خوبی داشته اند

      پاسخ

پاسخ دهید

میخواهید به بحث بپیوندید؟
مشارکت رایگان.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *