Chapter hvac engineering Fundamentals: Part 1 Introduction

210
Chapter Seven
Figure 7.12
Chilled water plant with thermal storage.
direct-expansion refrigeration. Another is to make ice on an evapora-
tor sheet and then periodically slough it off or scrape it off into a tank
which is part of the circulated chilled water system.
Design Procedures: Part 5
Downloaded from Digital Engineering Library @ McGraw-Hill (www.digitalengineeringlibrary.com)
Copyright © 2004 The McGraw-Hill Companies. All rights reserved.
Any use is subject to the Terms of Use as given at the website.

---

Design Procedures: Part 5
211
Many water-based and some ice-based thermal storage systems
wind up being ‘‘open,’’ or unpressurized. This creates problems of wa-
ter treatment, air venting, and possibly increased pumping head.
7.8.1
Sizing of thermal storage systems
Thermal storage is typically sized on the basis of ton-hours. That is,
the system will provide so many tons of cooling for so many hours of
time. The converse is that it will take a chiller of so many tons of
capacity so many hours to recharge the storage.
For an ice storage system, assume a desired capacity of 2000 ton
䡠
h (200 tons for 10 h). The amount of ice required will be (heat of fusion
alone)
2000 ton
䡠
h
⫻
12,000 Btu / (ton
䡠
h)
⫽
166,700 lb ice
144 Btu / lb
If the ice water can be utilized to a 60
⬚
F return water temperature,
the storage volume can be reduced somewhat:
2000 ton
䡠
h
⫻
12,000 Btu / (ton
䡠
h)
⫽
139,500 lb ice
144 Btu / lb
⫹
(60
⬚
F
⫺
32
⬚
F)
⫻
1 Btu / (lb
䡠
⬚
F)
For a water storage system of the same capacity, assuming water
stored at 40
⬚
F and utilized to 60
⬚
F,
2000 ton
䡠
h
⫻
12,000 Btu / (ton
䡠
h)
⫽
14,500 gal
(60
⬚
F
⫺
40
⬚
F)
⫻
8.3 lb / gal
⫻
1 Btu / (lb
䡠
⬚
F)
The benefit of highest possible return water temperature is imme-
diately obvious whether for ice or water storage. Higher return tem-
peratures are obtained with greater heat exchange surface at the load,
with counterflow as a required condition. Larger system temperature
differentials also allow reduced flow rates which can reduce pumping
energy as well as initial piping cost.
A difficult challenge in water storage system design is stratification.
Tanks are designed to have the coldest water on the bottom with
warmer water returned to or taken from the top. Failure to keep the
cold and warm water segregated results in loss of storage capacity.
Some early designs used a membrane to physically provide this sep-
aration. Sometimes multiple tanks in series can be used to create com-