Zastosowanie systemu zmienno-przepływowego bez uprzedniej analizy wpływu na cały system klimatyzacyjny może powodować nawet, w niektórych warunkach pracy systemu, efekt całkowicie odwrotny – wzrost zapotrzebowania na moc elektryczną przez system klimatyzacyjny.

 Coraz częściej na łamach czasopism branżowych można znaleźć informacje propagujące rozwiązania systemów zmienno- przepływowych jako tych generujących zmniejszone zapotrzebowanie na energię elektryczną. Również w stosunkowo niedawno opublikowanym Dzienniku Ustaw [1] dodano ustęp, że: „pompy obiegowe w obiegach chłodzących i ogrzewczych instalacji klimatyzacji powinny być regulowane według obciążenia cieplnego”.

Można jednak zauważyć, że zarówno powyższy zapis jak też szereg artykułów na ten temat całkowicie pomijają wpływ zmiennego wydatku pompy na inne pozostałe elementy systemów klimatyzacyjnych (np. agregaty chłodnicze).

Jest oczywistym, że zastosowanie zmiennego przepływu w instalacji wody chłodniczej wpływa korzystnie na pobór mocy elektrycznej przez układ pompowy. Ze wzorów na prawa proporcjonalności i podobieństwa dla pomp jak i wentylatorów chociażby wynika jednoznacznie, że zmiana prędkości obrotowej wirnika generuje zmianę zapotrzebowania na pobór mocy pompy (wentylatora) w trzeciej potędze zmiany obrotów wirnika. Redukując obroty pompy przy zmniejszonym obciążeniu systemu klimatyzacji, zmniejszamy zużycie energii elektrycznej przez system klimatyzacyjny. Jest to całkowicie bezsporny i bezsprzeczny fakt.

Rys. 1. Przykładowy wbudowany układ wielopompowy w obieg parowacza agregatu chłodniczego

Jednak propagowanie systemów zmienno-przepływowych przez poszczególnych producentów agregatów wody chłodniczej skupione jest tylko i wyłącznie na powyższym fakcie. Brak jest w tych analizach weryfikacji wpływu zmiany obrotów pompy na pracę centralnego źródła chłodu, jakim zazwyczaj jest sprężarkowy agregat chłodniczy.

Nie można skupiać się tylko i wyłącznie na efekcie w postaci zmniejszonego zużycia energii elektrycznej przez pompę, gdy z drugiej strony w pewnych przypadkach (może do nich dojść przy bezkrytycznym przyjmowaniu za pewnik, że zmniejszenie obrotów pompy zawsze przynosi wymierne korzyści energetyczne) zużycie energii elektrycznej przez system klimatyzacji może wzrosnąć, nawet pomimo zmniejszonych nakładów na koszty eksploatacji związanych z pracą układu pompowego.

Już kilka lat temu można było zauważyć tendencje niektórych producentów do faworyzowania systemów zmienno-przepływowych. Agregaty takie posiadały często pojedyncze sprężarki śrubowe i osiągały bardzo słabe wskaźniki efektywności energetycznej przy obciążeniach częściowych ESEER, przez co skupienie się tylko i wyłącznie na układach pompowych przez projektantów powodowało, że gubiono ideę efektywnego systemu klimatyzacyjnego.

Zastosowanie zmiennego przepływu przez np. kilka pracujących agregatów i generowane w ten sposób oszczędności mogą być nieporównywalnie niskie, niż te wynikające z oszczędności poprzez odpowiednie sterowanie poszczególnymi sprężarkami w poszczególnych agregatach chłodniczych.

Dla przykładu jeżeli mamy do czynienia np. z agregatami chłodniczymi załóżmy o mocy rzędu 1 000 kW, to pobór mocy pomp będzie wynosił około 30÷40 kW, podczas gdy pobór mocy sprężarek będzie wynosił 330 kW. Chciałbym zwrócić uwagę na skalę wartości: 330 kW do 30 kW. Zużycie energii elektrycznej jest iloczynem zużycia mocy elektrycznej oraz czasu. Jeżeli mówimy o oszczędnościach to przede wszystkim należy ich szukać tam, gdzie jest najwięcej do zaoszczędzenia, dopiero w dalszej kolejności należy skupiać się na oszczędnościach dodatkowych. Reasumując, przy 100% wyprodukowanej mocy chłodniczej pobór mocy elektrycznej przez sprężarki wynosi 30% tej mocy, podczas gdy pobór mocy elektrycznej przez układy pompowe będzie wynosił tylko ok. 3% tej wartości.

Oczywiście autor jest zwolennikiem poszukiwania oszczędności energetycznych w energochłonnych systemach klimatyzacyjnych (w tym poprzez zastosowanie systemów zmienno- przepływowych), ale pod warunkiem, że w analizach takich bierze się pod uwagę przede wszystkim optymalizację pracy układów sprężarkowych.

Rys. 2. Przykładowy wbudowany zbiornik buforowy w agregat chłodniczy. Zbiornik buforowy może być podłączony w układzie sprzęgła hydraulicznego pozwalającego na odseparowania układu zmiennoprzepływowego na instalacji od układu parowacza agregatu chłodniczego

Wpływ zmiany przepływu cieczy chłodzącej na parowacz

(...)

Ograniczenia w przepływie wody przez parowacz i możliwe układy hydrauliczne

Większość dostępnych agregatów chłodniczych nie wymaga zachowania stałego przepływu przez parowacz. Przepływ ten może się zmieniać, ale warunek jest jeden. Konieczne jest zachowanie takich przepływów, które zazwyczaj odpowiadają spadkowi temperatury cieczy na parowaczu rzędu 3÷8 K (czasami do 10 K zależnie od producenta).

Można zauważyć, że stosując tę zasadę możliwym jest zastosowanie zmiennego wydatku przez parowacz agregatu w określonym zakresie, poprzez bezpośrednie połączenie pompy o zmiennym wydatku z parowaczem agregatu chłodniczego i zmieniać wydajność pompy w zakresie przepływów odpowiadających wspomnianej Δt wody od 3 do 8 K. Proszę pamiętać, że jeżeli w przypadku systemów zmiennoprzepływowych, agregat dobierany jest na Δt wody równą 5 K, a dopuszczalny przepływ wody przez parowacz agregatu wynosi 8 K, to zakres regulacji przepływów przez parowacz agregatu będzie możliwy praktycznie tylko w tym zakresie temperatury. Co to oznacza? Jeżeli mamy agregat o mocy chłodniczej równej 100 kW i został on zaprojektowany na Δt wody równą 5 K, to przepływ znamionowy agregatu będzie wynosił: 4,77 l/s (czysta woda). Dla Δt wody równej 8 K dopuszczalny przepływ wyniesie: 2,98 l/s. Zatem praktycznie regulacja będzie możliwa w zakresie wydajności systemów pomiędzy 100% a 62%. Poniżej tej wartości nie jest możliwa regulacja przepływu w dół, bo zakres dopuszczalnej Δt wody będzie poza ograniczeniami wymiennika. Konieczna jest w takim wypadku modyfikacja na bardziej złożony system.

Pytanie jest zasadnicze: czy rozpatrując wpływ zmiennego i stałego wydatku pompy na pracę parowacza agregatu chłodniczego, nie lepsze jest rozwiązanie w postaci stałego przepływu na parowaczu dobranego od początku na Δt wody równej 8 K oraz przy założeniu z poprzedniego punktu tj. regulacji agregatu w funkcji temperatury wody powracającej z instalacji? System ciągle pracuje z minimalnym przepływem i minimalnymi oporami na instalacji. Dodatkowo małe przepływy w instalacji pozwalają na niższe koszty zakupu samej instalacji (mniejsze średnice rurociągów, mniejsza armatura itp.). Według autora zawsze powinien być rozpatrywany wpływ zastosowanego układu hydraulicznego na sprężarkowy układ chłodniczy agregatu wody ziębniczej.

Powyżej przedstawione uwagi dotyczyły wpływu zastosowanego systemu stało- i zmiennoprzepływowego, ale w obrębie parowacza agregatu chłodniczego. W praktyce rozwiązań układów hydraulicznych jest wiele. Można rozpatrywać systemy stałoprzepływowe, zmiennoprzepływowe, jak też powiązać te dwa rozwiązania w jednym układzie hydraulicznym.

Przed dokonaniem wyboru odpowiedniego systemu hydraulicznego, należy zwrócić uwagę na cały szereg zagadnień związanych z optymalnym wyborem:

• preferowany sposób regulacji odbiorników chłodu (klimakonwektory wentylatorowe, chłodnice w centralach klimatyzacyjnych);
• zakres dopuszczalnych zmian przepływów przez parowacz agregatu i możliwość zabezpieczenia parowacza agregatu chłodniczego przed możliwymi do wystąpienia zmianami przepływów poza zakres dopuszczalnej charakterystyki wymiennika;
• wybór zastosowanego sposobu regulacji agregatu (regulacja w oparciu o temperaturę wody na wlocie lub wylocie z parowacza);
• wpływ zastosowanego układu hydraulicznego na pobór mocy nie tylko pompy, ale w głównej mierze na pobór mocy sprężarek w agregacie chłodniczym.

Uwzględniając powyższe aspekty, możemy rozróżnić następujące wersje układów hydraulicznych:

• systemy ze stałym przepływem w obiegu pierwotnym (tzw. CPF – „Constant Primery Flow”);
• systemy ze stałym przepływem w obiegu pierwotnym i zmiennym przepływem w obiegu wtórnym (CPF / „VSF” – „Variable Secondary Flow);
• systemy ze zmiennym przepływem w obiegu pierwotnym (tzw.: VPF – „Variable Primery Flow)

Omówienie poszczególnych systemów hydraulicznych, zastosowanie kart master/slave w agregatach chłodniczych, jak też wpływ pozostałych zagadnień związanych z efektywnością energetyczną systemów stało- i zmienno-przepływowych zostanie przedstawione w kolejnej części artykułu.

Bartłomiej ADAMSKI
PZITS oddział Kraków

LITERATURA:

[1] Dziennik Ustaw Rzeczypospolitej polskiej z dnia 13 sierpnia 2013 roku poz. 926 – Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 04/2014