Climatisation stockage de glace - Ice storage air conditioning

Illustration d'une unité de climatisation à stockage de glace en production.

La climatisation à stockage de glace est le processus d'utilisation de la glace pour le stockage d'énergie thermique . Le processus peut réduire l'énergie utilisée pour le refroidissement pendant les périodes de pointe de demande électrique . Les sources d'énergie alternatives telles que l'énergie solaire peuvent également utiliser la technologie pour stocker de l'énergie pour une utilisation ultérieure. C'est pratique en raison de la grande chaleur de fusion de l'eau : une tonne métrique d'eau (un mètre cube) peut stocker 334 mégajoules (MJ) (317 000 BTU ) d'énergie, équivalant à 93 kWh (26,4 tonnes-heures).

La définition originale d'une « tonne de capacité de refroidissement » (flux de chaleur) était la chaleur nécessaire pour faire fondre une tonne de glace en 24 heures. Ce flux de chaleur est ce à quoi on s'attendrait dans une maison de 3 000 pieds carrés (280 m 2 ) à Boston en été. Cette définition a depuis été remplacée par des unités moins archaïques : une tonne de capacité HVAC ou frigorifique équivaut approximativement à 3520 Watts . Une petite installation de stockage peut contenir suffisamment de glace pour refroidir un grand bâtiment d'un jour à une semaine, que cette glace soit produite par des refroidisseurs d' ammoniac anhydre ou transportée par des charrettes tirées par des chevaux.

La congélation au sol peut également être utilisée; cela peut être fait sous forme de glace là où le sol est saturé. Les systèmes fonctionneront également avec de la roche pure. Partout où la glace se forme, la chaleur de fusion de la formation de glace n'est pas utilisée, car la glace reste solide tout au long du processus. La méthode basée sur la congélation du sol est largement utilisée pour l'exploitation minière et le creusement de tunnels pour solidifier les sols instables lors des fouilles. Le sol est gelé à l'aide de trous de forage avec des tuyaux concentriques qui transportent la saumure d'un refroidisseur à la surface. Le froid est extrait de la même manière à l'aide de saumure et utilisé de la même manière que pour le stockage de glace conventionnel, normalement avec un échangeur de chaleur saumure-liquide, pour amener les températures de travail à des niveaux utilisables à des volumes plus élevés. Le sol gelé peut rester froid pendant des mois ou plus, permettant un stockage au froid pendant de longues périodes à un coût de structure négligeable.

Le remplacement des systèmes de climatisation existants par un stockage de glace offre une méthode de stockage d'énergie rentable, permettant de stocker l'énergie éolienne excédentaire et d'autres sources d'énergie intermittentes pour une utilisation ultérieure dans le refroidissement, peut-être des mois plus tard.

Stockage, expédition et production précoces de la glace

Avant l'avènement de la réfrigération mécanique, la glace était coupée des lacs ou des rivières gelés et transportée vers les villes pour être utilisée comme liquide de refroidissement. La glace était largement expédiée et stockée toute l'année dans des glacières . S'il n'y avait pas de source de glace facilement accessible, des piscines peu profondes et ombragées étaient souvent construites à proximité et la glace en était retirée pendant la saison de gel.

Climatisation

La forme la plus largement utilisée de cette technologie se trouve dans les systèmes de climatisation à l'échelle du campus ou dans les systèmes d'eau glacée des grands bâtiments. Les systèmes de climatisation, en particulier dans les bâtiments commerciaux, sont les principaux contributeurs aux pics de charges électriques observés lors des chaudes journées d'été dans divers pays. Dans cette application, un refroidisseur standard fonctionne la nuit pour produire un tas de glace. L'eau circule ensuite à travers la pile pendant la journée pour produire de l'eau réfrigérée qui serait normalement la sortie diurne du refroidisseur.

Un système de stockage partiel minimise l'investissement en capital en faisant fonctionner les refroidisseurs près de 24 heures par jour. La nuit, ils produisent de la glace pour le stockage et pendant la journée, ils refroidissent l'eau pour le système de climatisation. L'eau circulant à travers la fonte des glaces augmente leur production. Un tel système fonctionne généralement en mode de fabrication de glace pendant 16 à 18 heures par jour et en mode de fonte de glace pendant six heures par jour. Les dépenses d'investissement sont réduites au minimum car les refroidisseurs peuvent représenter seulement 40 à 50 % de la taille nécessaire pour une conception conventionnelle. Un stockage de glace suffisant pour stocker une demi-journée de chaleur rejetée est généralement suffisant.

Un système de stockage complet minimise le coût de l'énergie pour faire fonctionner ce système en éteignant complètement les refroidisseurs pendant les heures de pointe. Le coût en capital est plus élevé, car un tel système nécessite des refroidisseurs un peu plus gros que ceux d'un système de stockage partiel, et un système de stockage de glace plus grand. Les systèmes de stockage de glace sont suffisamment bon marché pour que les systèmes de stockage complets soient souvent compétitifs avec les conceptions de climatisation conventionnelles.

L'efficacité des refroidisseurs de climatisation est mesurée par leur coefficient de performance (COP). En théorie, les systèmes de stockage thermique pourraient rendre les refroidisseurs plus efficaces car la chaleur est évacuée dans l'air nocturne plus froid plutôt que dans l'air diurne plus chaud. En pratique, la perte de chaleur surpasse cet avantage, car elle fait fondre la glace.

Il a été démontré que le stockage thermique de la climatisation est quelque peu bénéfique dans la société. L'électricité en heures creuses est moins chère, car la demande est plus faible. Cela réduit également la demande aux heures de pointe, qui est souvent fournie par des sources coûteuses et non environnementales.

Une nouvelle version de cette technologie utilise la glace comme moyen de condensation pour le réfrigérant . Dans ce cas, le réfrigérant ordinaire est pompé vers les serpentins où il est utilisé. Plutôt que d'avoir besoin d'un compresseur pour le reconvertir en liquide, la basse température de la glace est utilisée pour refroidir le réfrigérant en liquide. Ce type de système permet à l'équipement CVC à base de réfrigérant existant d'être converti en systèmes de stockage d'énergie thermique, ce qui ne pouvait pas être facilement fait auparavant avec la technologie de l'eau réfrigérée. De plus, contrairement aux systèmes d'eau glacée refroidis à l'eau qui ne connaissent pas une énorme différence d'efficacité du jour à la nuit, cette nouvelle classe d'équipement remplace généralement le fonctionnement diurne des unités de condensation refroidies à l'air. Dans les zones où il existe une différence significative entre les températures diurnes maximales et les températures creuses, ce type d'unité est généralement plus économe en énergie que l'équipement qu'il remplace.

Refroidissement de l'entrée d'air de la turbine à gaz de combustion

Le stockage d'énergie thermique est également utilisé pour le refroidissement de l'entrée d'air des turbines à gaz à combustion . Au lieu de déplacer la demande électrique vers la nuit, cette technique déplace la capacité de production vers le jour. Pour générer de la glace la nuit, la turbine est souvent reliée mécaniquement au compresseur d'un grand refroidisseur. Pendant les pics de charge diurnes, l'eau circule entre le tas de glace et un échangeur de chaleur devant l'admission d'air de la turbine, refroidissant l'air d'admission à des températures proches du point de congélation. Comme l'air est plus froid, la turbine peut comprimer plus d'air avec une quantité donnée de puissance de compresseur. En règle générale, la puissance électrique générée et le rendement de la turbine augmentent lorsque le système de refroidissement d'admission est activé. Ce système est similaire au système de stockage d'énergie à air comprimé .

Voir également

Les références