Rozważania o regulacji układów chłodzenia to temat bardzo szeroki i niekoniecznie prosty w analizie, gdyż mówiąc o układzie chłodzenia powinniśmy uwzględnić nie tylko element kompleksowości, ale także indywidualności w podejściu do sterowania poszczególnymi elementami, ujmując ich specyfi kę funkcjonowania i sterowania.

Rozważania dotyczące efektywności regulacji układów chłodzenia możemy opisać szeregiem pojęć i wzorów matematycznych, które zawężą spektrum rozumienia klasyfi kując je według kategorii sposobu ujęcia tematu do wąskiej grupy specjalistów, lub poprzez użycie prostych defi nicji i opisu poszczególnych funkcji elementów układu regulacji, pozwoli skierować te rozważania i wnioski z nich wynikające do szerszej grupy odbiorców, utrzymując jednocześnie pośród nich wspomnianą grupę specjalistów. Drugie podejście do tematu jest również bardziej celowe, gdyż mówiąc o efektywności układów regulacji nie można zawężać się jedynie do budowy, funkcji oraz sposobów transmisji danych, pomiędzy odbiornikami i regulatorami. Dlatego też, nie całkowe wskaźniki jakości regulacji, ani też rozważanie o samych układach regulacji uwzgledniających wartości zadane, uchyb regulacji, zakłócenia, wielkości regulowane, transmisja regulatora będzie tematem niniejszych rozważań, a raczej omówienie rezultatu dopasowania elementów układów chłodzenia, którego wskaźnikiem jest efektywność regulacji.

Wieże chłodnicze w układach chłodzenia pełnią specyfi czną rolę, czasami kwestionowaną co do zasadności ich użycia, jako urządzeń odpowiedzialnych za odprowadzenie ciepła. Niewątpliwie jednak ich wykorzystanie dla określonej grupy rozwiązań staje się coraz częstsze – zwłaszcza w aspekcie poprawy efektywności układu chłodniczego. Efektywność regulacji w oparciu o wieże chłodnicze jest determinowana dla układów chłodzenia parametrami kosztów eksploatacji oraz zużycia energii powiązanych z zastosowanym rozwiązaniem technologicznym, a sam sposób regulacji pracą wież chłodniczych decyduje o bezpieczeństwie i stabilności pracy całego układu chłodniczego.

Regulacja jest procesem odnoszącym się do układów zamkniętych sterowania, w których sygnał biegnie w dwóch kierunkach odzwierciedlających powiązanie wszystkich podłączonych elementów układu: od wejścia do wyjścia oraz sprzężenie zwrotne (od wyjścia do wejścia) (rys.1.). Informacje otrzymywane przez sprzężenie zwrotne wskazują stan wielkości wartości wyjściowej lub stan elementu (obiektu) podlegającego regulacji. Na układ regulacji oddziaływają czynniki zakłócające zewnętrzne, powodując zniekształcenia wpływające na jakość regulacji powiązaną z okresem odpowiedzi czasowej uchybu regulacji (innymi słowy: czas reakcji na zmianę wielkości wartości wyjściowej) oraz sam obiekt regulacji, wykazujący swoiste cechy niestabilności wynikającej z jego specyfiki.

Rys. 1. Schemat regulacji (uproszczony) ze sprężeniem zwrotnym (opracowanie własne)

W przypadku regulacji układów chłodniczych mamy więc do czynienia z dwoma istotnymi elementami składowymi, wpływającymi na efektywność regulacji, które stanowią:

1) odpowiedni dobór systemu sterowania oraz jego logiki działania; 

2) element składowy w postaci urządzeń odpowiedzialnych za wymianę ciepła.

Dobór systemu sterowania zależny jest od wielu czynników, pośród których można wyróżnić indywidualne preferencje, potrzeby technologiczne, aspekt ekonomiczny oraz prognostyczne podejście do rozbudowy układu. Największy jednak wpływ na efektywność regulacji układów chłodzenia ma odpowiedni dobór i konfi guracja obiektów (odbiorników) odpowiedzialnych za wymianę ciepła. Efektywność regulacji zależy od czynników bezpośrednio zależnych od zastosowanego systemu sterowania i jego logiki działania oraz od charakterystyki zastosowanych urządzeń, a także od czynników niezależnych, pośród których możemy wymienić między innymi: warunki klimatyczne, koszty energii itp.

Jednym ze sposobów opisywania i mierzenia efektywności regulacji układów chłodniczych jest metoda bilansu energetycznego, w którą wpisuje się analiza wskaźnikowa efektywności energetycznej. Można założyć, iż mówiąc o efektywności regulacji układów chłodniczych będziemy mówić o efektywności energetycznej, która przemawia wspólnym językiem, zrozumiałym dla wszystkich, gdyż jej wartość wyrażona jest z reguły poprzez wskazanie wydatków inwestycyjnych (ang. Capex – capital expenditures) i kosztów operacyjnych (ang. Opex – operational expenditures. Koszty operacyjne oznaczają zarówno wydatki związane z obsługą i remontami, ale także koszty eksploatacyjne związane z wydatkami na pokrycie kosztów zużytej energii. Te ostatnie wydatki traktowane są z reguły, jako koszty „nieuniknione” albo „zastane” i wiążą się z brakiem możliwości wymiany urządzeń na mniej energochłonne w krótkim czasie po dopuszczeniu ich do ruchu (potocznie proces nazywany „odbiorem”). Dopiero po uzyskaniu statusu zużycia moralnego lub w wyniku poważnej awarii inwestor decyduje się na wymianę elementów instalacji. W przypadku wież chłodniczych, podjęcie decyzji o ich wymianie następuje z reguły po okresie minimum około 12–15 lat, a docelowo w zależności od materiału konstrukcyjnego, należy rozważyć okres zużycia moralnego urządzeń jako 20–25 lat dla stali galwanizowanej lub 25–30 dla wież wykonanych ze stali nierdzewnej (na podstawie producenta: Marley – SPX Cooling Technologies). 

W analizie wskaźnikowej efektywności energetycznej najważniejszym elementem, który powinien być brany pod uwagę, jest rzetelność i adekwatność w podejściu do przeprowadzanych analiz. Wiąże się to z koniecznością podejścia obiektywnego, niezależnego od preferencji i przyzwyczajeń, dalekich od cech subiektywnych sposobów ocen. Dane wyjściowe do ewaluacji i oceny wymagają stosowania certyfikowanych urządzeń przez niezależne instytucje certyfikujące: w przypadku wież chłodniczych certyfikacje wydajnościowe przeprowadza Eurovent i CTI. Stosowanie niecertyfikowanych pod względem wydajności urządzeń zmusza projektanta do zastosowania dodatkowego kryteria, które należy nazwać współczynnikiem bezpieczeństwa. Oznacza on mnożnik stosowany do uwzględnienia ryzyka związanego z brakiem wydajności urządzeń lub ich pracy przy skrajnych warunkach wymiany ciepła (np. maksymalne zbliżenie do temperatury wilgotnego termometru obniży sprawność wymiany ciepła wieży chłodniczej, a nie uwzględnienie silnych wiatrów w miejscu instalacji spowoduje podniesienie współczynnika podsysania wilgotnego powietrza, prowadzącego w konsekwencji do obniżenia wydajności wieży chłodniczej). Idealizowanie układów poprzez uwzględnianie najwyższych parametrów wydajnościowych urządzeń chłodniczych lub zakładanie najbardziej optymalnych scenariuszy ich wykorzystania zniekształca uzyskane wyniki efektywności energetycznej. Tym samym na systemie regulacji spoczywać będzie realizacja podstawowych funkcji (sterowanie wartościami zadanymi, zbieranie danych zwrotnych, przetwarzanie i korygowanie nastaw wartości zadanych oraz funkcji pomocniczych, takich jak stałe monitorowanie parametrów pracy, a szczególnie optymalizacja funkcji i regulacji obiektów w układzie regulacji). Systemy regulacji otrzymują więc zadanie takiego dopasowania parametrów sterowania układem chłodniczym, aby wykorzystać najbardziej optymalny punkt pracy zainstalowanych urządzeń, odzwierciedlony w ich efektywności energetycznej. Przy rozważaniach sumy efektywności energetycznej urządzeń w układzie chłodniczym rola, jaką pełnią wieże chłodnicze, jest szczególnie ważna, gdyż odpowiadając za odprowadzenie ciepła pozwalają one kompensować ewentualne błędy projektowe na etapie wyboru urządzeń, przy ich stosunkowo niewielkich kosztach inwestycyjnych.

W zależności od rodzaju zastosowanej technologii wież chłodniczych, efektywność energetyczna układów chłodzenia i możliwość oddziaływania na parametry z nią powiązane, zmienia się w odniesieniu do dwóch podstawowych parametrów: elastyczności dopasowania hydraulicznego do obciążenia oraz energochłonności. Jednocześnie, zarówno współczynnik dopasowania hydraulicznego do rzeczywistego obciążenia, jak i energochłonność (zużycie energii) rozpatrywane winny być w powiązaniu z modelem wież chłodniczych pracujących w przeciwprądzie (ang. counterflow) oraz z poprzecznym przepływem powietrza (ang. crossflow). Dla przypomnienia, woda zawsze spływa w dół złoża zraszającego, a powietrze może być tłoczone w kierunku przeciwnym do opadającej wody w rozwiązaniu pracy w przeciwprądzie lub poprzecznie do opadającej wody, w rozwiązaniach wież z poprzecznym przepływem. Szczegóły konstrukcyjne różnorodnych rozwiązań w przypadku wież chłodniczych omawiane już były na łamach CH&K.

Analiza doboru

(...)

Układy w trybie free-cooling

Warto dodatkowo wspomnieć o możliwości stosowania wież chłodniczych do pracy układu w funkcji free-coolingu – w tym przypadku wartość zadana w układach chłodniczych występuje z dwoma punktami regulacji (dla lata i dla okresu zimowego). Punkt pracy w funkcji free-cooling zostanie obniżony do wartości oczekiwanej przez układ pierwotny regulacji (ang. primary circuit), a przed silnikami wentylatorów stać będzie zadanie utrzymania pełnej wydajności wentylatorów. Oznacza to pracę silników z pełną mocą, a zwykle jest to moc zwiększona, przy zachowaniu poprawności doboru opartego o parametry termodynamiczne odpowiednie dla okresu zimowego.

Regulacja pracą wież chłodniczych i całego układu chłodniczego stanie przed dwoma wyzwaniami: 

1) utrzymaniem stałej wydajności chłodniczej dla wież chłodniczych,

2) zabezpieczeniem przed zamrożeniem złoża zraszalnika wieży.

Dobór wież chłodniczych dla pracy w funkcji pracy free-cooling wymaga ingerencji w system hydrauliczny regulacji i wprowadzenie dwustopniowej logiki sterowania – zarówno wydajnością wież jak i systemu hydraulicznego. 

Regulacja hydrauliczna

Ważnym dla podkreślenia jest element odniesienia zasad regulacji silników wentylatora do pomp obiegowych w układzie chłodniczym. Ich silniki, przy założeniu zastosowania silników trójfazowych asynchronicznych i zastosowaniu częstotliwościowego sposobu regulacji wydajnością, pozwalają na spore oszczędności energetyczne. Wartość oszczędności zależeć będzie od specyfiki funkcjonowania instalacji i konfiguracji układu chłodniczego w ujęciu metody odprowadzania ciepła: układ bezpośredni lub/i układ pośredni. Układ bezpośredni angażuje wieże chłodnicze i pompy obiegowe umieszczone bezpośrednio w układzie chłodniczym, bez zastosowania pośrednich wymienników ciepła. Regulacja wydajnością chłodniczą w przypadku pośrednich wymienników ciepła stawia przed wieżami chłodniczymi wymóg stosowania uproszczonego schematu regulacji – z reguły pracują one z zadaniem utrzymania stałych parametrów temperaturowych, w celu zapewnienia stabilnej pracy wymienników. W układach bezpośrednich, regulacja wydajności wież przebiegać będzie według podobnego schematu, ale bezpośrednim zadaniem będzie dopasowanie się do wydajności chłodniczej całego układu i systemu regulacji, z uwzględnieniem dopasowania hydraulicznego.

Regulacja hydrauliczna wydajnością chłodniczą dla wież jest specyficzna dla wybranego modelu funkcjonowania wieży chłodniczej. W przypadku wyboru wież z poziomym przepływem powietrza, akceptowalnym jest regulacja wydajności przez zmianę przepływu wody od 30% do 100%, w zależności od wielkości uchybu temperatury (dla przypomnienia: uchyb to różnica między wartościami temperatury zmierzonej i zadanej). Regulacja hydrauliczna przepływem przez wieżę jest możliwa dzięki zastosowaniu grawitacyjnego przepływu wody oraz budowie zraszalnika i systemu rozprowadzenia wody na powierzchni złoża, które gwarantuje równomierny przepływ wody przez złoże zraszalnika przy obniżonym przepływie. Jest to istotny element regulacji, gdyż nierównomierne rozprowadzenie wody na złożu może prowadzić do powstania przestrzeni niezraszanych, co z kolei spowoduje obniżenie sprawności wymiany ciepła i dodatkowo odkładanie się kamienia i osadów na powierzchni złoża zraszalnika (w konsekwencji do obniżenia sprawności wymiany ciepła). Regulacja hydrauliczna przepływem przez wieżę pozwala dopasować także w okresie zimowym wydajność chłodniczą wieży do wydajności całego układu. Zapobiega to powstawaniu ryzyka zamrożenia instalacji oraz wpływa na efektywność regulacji, mierzonej wspomnianą energochłonnością i dopasowaniem wartości zadanej do chwilowego obciążenia cieplnego całej instalacji. W przypadku wyboru wież chłodniczych pracujących w przeciwprądzie, regulacja hydrauliczna ograniczona zostaje do regulacji przepływem od 70% do 100% (regulowanie przepływem od 50% do 100% jest możliwe przy zastosowaniu dwustopniowego systemu tryskaczy) przepływu nominalnego lub też wymaga zastosowania instalacji wielocelkowej wież chłodniczych. W tym przypadku ograniczenie regulacji przepływu ogranicza elastyczność systemu regulacji pracą wież chłodniczych i całego systemu, wpływając na zwiększenie kosztów energii elektrycznej. Łatwo to policzyć stosując zasadę odnoszącą się do regulacji wydajności silnikami asynchronicznymi trójfazowymi i wprowadzając funkcję regulacji płynnej pracą wentylatora oraz jednostopniową (funkcja włącz/wyłącz – jednostopniowy sposób regulacji wieżą chłodniczą). Wyniki przedstawione zostały w tabeli regulacji wydajnością silnika wentylatora wież chłodniczych (rys. 7.).

Rys. 7. Regulacja wydajności płynnej i stopniowej silnikiem wentylatora (oprac. własne)

Podsumowanie

Reasumując, efektywność regulacji w przypadku regulacji wydajności pracy wieży chłodniczej opisywana jest bezpośrednio zużyciem energii przez wieżę chłodniczą oraz dodatkowo ewentualnym kosztem zużycia wody, a w przypadku regulacji przepływem – efektywnością dopasowania do potrzeb chwilowych instalacji, co przekłada się na koszt pracy systemów pompowych. Efektywność energetyczna układów chłodniczych w przypadku zastosowania wież chłodniczych mierzona jest bezpośrednio kosztem zużycia energii elektrycznej, co z kolei przekłada się na możliwość określania energochłonności całej instalacji.

Ostatnim pytaniem, jakie się pojawia jest przyszłość regulacji i same wieże chłodnicze. Na tym polu oczekiwana jest ewolucyjna zmiana w kierunku stosowania silników bezszczotkowych (ang. BLDC – brushless direct current motor), które pozwolą na wyeliminowanie układów pośrednich napędu wentylatora i uproszczą sterowanie wydajnością silników. Wpłynie to pozytywnie na efekt regulacji układami chłodniczymi obniżając ich koszt bezpośredni, a równocześnie pozostawiając logikę funkcjonowania całego systemu. Umożliwi to także modernizację samych wież chłodniczych w kierunku wymiany silników na nowoczesne konstrukcje. Wspomniany sposób regulacji stopniowej silnikami elektrycznymi został prawnie uregulowany dyrektywą europejską, a implementacja zmian w systemach regulacji układami chłodniczymi wiąże się z potrzebą identyfikacji stopnia energochłonności instalacji, potwierdzanych odpowiednim certyfikatem. O ile kwestia ta została uregulowana prawnie przepisami dotyczącymi eksploatowanych lub oddawanych do użytku budynków, o tyle efektywność regulacji instalacjami chłodniczymi i decyzyjność w zakresie wyboru technologii chłodzenia i systemu regulacji pozostaje nadal w gestii użytkownika.

Jerzy KOT
Dyrektor Sprzedaży EEU & CIS,
SPX Cooling Technologies

LITERATURA:
[1] Podstawy teorii wież chłodniczych (Cooling Tower Fundamentals), dostępne : http:// spxcooling.com/library/detail/cooling-tower-fundamentals
[2] Zarządzenie zużyciem energii przez wieże chłodnicze (Cooling Tower Energy and Its Management), dostępne http://spxcooling.com/library/detail/cooling-tower-energy-and-its-management
[3] Program doboru Update fi rmy SPX Cooling Technologies: www.spxcooling.com
[4] ASHRE i wyzwania w kierunku oszczędności energetycznych. Geneza standardu 90.(ASHRE takes on energy standards), dostępne na: www.ashre.com
[5] Strona producenta silników elektrycznych i systemów sterowania: http://www.schneider-electric.com