氷蓄熱空調

氷蓄熱空調は、氷を使って熱エネルギーを蓄えるプロセスです。このプロセスにより、電力需要がピークになる時間帯に冷却に使用されるエネルギーを削減できます。^[1]太陽光などの代替エネルギー源でも、この技術を使用してエネルギーを蓄え、後で使用するために使用できます。^{[1]この方法が実用的なのは、水の}融解熱が大きいためです。1メートルトンの水 (1 立方メートル) には、334メガジュール(MJ) (317,000 BTU ) のエネルギーを蓄えることができ、これは 93 kWh (26.4 トン時間)に相当します。 ^[2]

「冷却能力1 トン」（熱流量）の元々の定義は、24 時間で 1 トンの氷を溶かすのに必要な熱でした。この熱流量は、夏のボストンの 3,000 平方フィート（280 m ²）の住宅で予想されるものです。この定義は、それ以降、より古風でない単位に置き換えられました。1 トンのHVACまたは冷蔵能力は、およそ 3520ワットに相当します。小さな貯蔵施設には、無水アンモニア冷却装置で生成された氷であっても、大きな建物を 1 日から 1 週間冷却するのに十分な氷を保管できます。

地面の凍結も利用することができます。地面が飽和している場所では、氷の形で凍結を行うことができます。システムは純粋な岩石でも機能します。氷が形成される場所では、氷はプロセス全体を通じて固体のままであるため、氷の形成の融解熱は使用されません。地面の凍結に基づく方法は、掘削中に不安定な地面を固めるために採掘やトンネル掘削に広く使用されています。地面は、地表の冷却装置から塩水を運ぶ同心円状のパイプを備えた掘削穴を使用して凍結されます。塩水を使用して同様の方法で冷気を抽出し、従来の氷貯蔵と同じように使用して、通常は塩水から液体への熱交換器を使用して、作業温度を高容量で使用可能なレベルまで上げます。凍結した地面は数か月以上冷たいままであるため、構造コストを無視して長期間の冷気貯蔵が可能です。^{[3] [4]}

既存の空調システムを氷蓄熱システムに置き換えると、コスト効率の高いエネルギー貯蔵方法が提供され、余剰の風力エネルギーやその他の断続的なエネルギー源を貯蔵して、数か月後に冷却に使用できるようになります。

機械による冷却装置が登場する前は、凍った湖や川から氷を切り出し、冷却剤として使用するために都市に輸送していました。^[5]氷は広く出荷され、一年中氷室に保管されていました。氷の入手が容易でない場合は、近くに浅くて日陰のあるプールが作られ、凍結期にそこから氷が取り除かれることがよくありました。

この技術が最も広く使用されているのは、キャンパス全体の空調システムや、大きな建物の冷水システムです。空調システム、特に商業ビルの空調システムは、さまざまな国の暑い夏の日に見られるピーク電力負荷の最大の原因です。このアプリケーションでは、標準的なチラーが夜間に稼働して氷の山を作ります。その後、日中は水が氷の山を循環して、通常はチラーの昼間の出力となる冷水を生成します。

部分的な貯蔵システムでは、冷却装置をほぼ 1 日 24 時間稼働させることで、資本投資を最小限に抑えます。夜間は貯蔵用の氷を製造し、日中は空調システム用の水を冷却します。溶けた氷を循環する水によって生産量が増大します。このようなシステムは通常、製氷モードで 1 日 16 ～ 18 時間、氷溶解モードで 1 日 6 時間稼働します。冷却装置は従来の設計に必要なサイズの 40 ～ 50% で済むため、資本支出が最小限に抑えられます。通常は、半日分の排熱を貯蔵できる氷貯蔵で十分です。

完全貯蔵システムは、ピーク負荷時にチラーを完全に停止することで、そのシステムを稼働させるエネルギー コストを最小限に抑えます。このようなシステムでは、部分貯蔵システムよりもやや大きなチラーと、より大きな氷貯蔵システムが必要になるため、資本コストは高くなります。

空調チラーの効率は、性能係数(COP) で測定されます。理論上は、熱が暖かい昼間の空気ではなく、冷たい夜間の空気に放出されるため、蓄熱システムによってチラーの効率を高めることができます。しかし、実際には、熱損失によって氷が溶けるため、この利点は上回ります。

空調蓄熱は、社会にとってある程度有益であることがわかっています。需要が低いため、オフピーク時の電力は安価です。また、高価で環境に優しくない電源によって供給されることが多いピーク時の需要も削減します。

この技術の新たな展開として、冷媒の凝縮媒体として氷を使用するものがある。この場合、通常の冷媒は、使用されるコイルにポンプで送られる。しかし、冷媒を液体に戻すためにコンプレッサーを必要とするのではなく、氷の低温を利用して冷媒を冷却して液体に戻す。このタイプのシステムにより、既存の冷媒ベースの HVAC 機器を熱エネルギー貯蔵システムに変換することができる。これは、これまで冷水技術では簡単にはできなかったことである。さらに、昼夜を問わず効率に大きな差がない水冷式冷水システムとは異なり、この新しいクラスの機器は、通常、空冷式凝縮ユニットの昼間の動作に取って代わる。日中のピーク時の気温とオフピーク時の気温に大きな差がある地域では、このタイプのユニットは通常、交換する機器よりもエネルギー効率が高い。^[6]

熱エネルギー貯蔵は、燃焼ガスタービンの吸気口冷却にも使用されます。この技術では、電力需要を夜間にシフトする代わりに、発電能力を昼間にシフトします。夜間に氷を生成するために、タービンは多くの場合、大型のチラーのコンプレッサーに機械的に接続されます。日中のピーク負荷時には、氷の山とタービンの吸気口の前の熱交換器の間で水が循環し、吸気を氷点近くまで冷却します。空気が冷たいため、タービンは一定のコンプレッサー電力でより多くの空気を圧縮できます。通常、吸気口冷却システムが作動すると、生成される電力とタービンの効率の両方が上昇します。このシステムは、圧縮空気エネルギー貯蔵システムに似ています。

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