W dotychczasowych publikacjach autor przy wyborze rozwiązania instalacji hydraulicznej zwrócił uwagę na konieczność weryfi kacji wpływu pomp zmiennego wydatku na pracę sprężarkowych agregatów chłodniczych. Podkreślił, że rodzaj regulacji sprężarkowego agregatu chłodniczego ma znaczenie przy wyborze optymalnego systemu hydraulicznego. W niniejszej publikacji kontynuowana jest poruszona wcześniej problematyka i przedstawione są kolejne zagadnienia warte uwagi przy podejmowaniu decyzji o wyborze systemu: stało- lub zmiennoprzepływowego. 

Podsumowanie dotychczasowych zagadnień

W ostatniej publikacji [1] autor przedstawił swoje wnioski. Przyjęcie regulacji układu sprężarkowego agregatu chłodniczego od temperatury wody ziębniczej na wlocie do agregatu chłodniczego lub na jej wylocie ma wpływ na efektywność energetyczną sprężarkowego agregatu chłodniczego. Z uwagi, iż wybór rodzaju regulacji agregatu ma taki sam wpływ na system stałoprzepływowy i mieszany, autor przy porównaniu tych systemów wskazał system mieszany jako korzystniejszy pod kątem kosztów eksploatacji. Za system mieszany autor przyjął rozwiązanie w postaci układu stałoprzepływowego w obiegu pierwotnym oraz układu zmiennoprzepływowego w obiegu wtórnym instalacji hydraulicznej.

W tej samej publikacji autor wskazuje na utrudnienia dotyczące porównania systemów mieszanych (bądź stałoprzepływowych) z systemami zmiennoprzepływowymi. Do kluczowych utrudnień należy brak deklaracji osiągów agregatów chłodniczych pracujących pod zmiennym przepływem cieczy w parowaczu. Każdorazowo bowiem przy publikacji osiągów agregatów chłodniczych w biuletynach technicznych przez producentów podawane są parametry przy założeniu m.in. stałego, niezmiennego w czasie przepływu cieczy przez agregat chłodniczy (a dokładniej przez parowacz agregatu).

Profi l temperatury cieczy w parowaczu

W celu dokonania porównania systemu mieszanego (bądź stałoprzepływowego) z systemem zmiennoprzepływowym pod kątem energetycznym, wymagana jest znajomość parametrów agregatu chłodniczego pracującego pod zmiennym przepływem cieczy. W systemie mieszanym (bądź stałoprzepływowym) w zależności od zmiennego obciążenia, znany jest profi l temperatury dla każdego z obciążeń cieplnych instalacji hydraulicznej.

Dla systemu zmiennoprzepływowego, z reguły niezależnie od zmian obciążenia w instalacji hydraulicznej, profi l temperatury cieczy na parowaczu będzie się nie zmieniał w stosunku do tego charakteryzującego pełne obciążenie. Dla przykładu jeśli instalacja została zaprojektowana na parametry wody ziębniczej 7/12°C to przy pełnym obciążeniu, jak też przy tym malejącym, profi l temperatury praktycznie pozostanie bez zmian.

O ile w przypadku znajomości profi lu temperatury w systemach pracujących ze stałym przepływem (w oparciu o deklaracje producentów) pewne charakterystyki energetyczne da się wykreślić, o tyle w przypadku systemów zmiennoprzepływowych jest to utrudnione, bo takich charakterystycznych parametrów dla zmiennego przepływu przez parowacz nie ma.

Dla przykładu jeśli mamy do czynienia z systemem pracującym z charakterystycznym profi lem w instalacji hydraulicznej 7/12°C przy pełnym obciążeniu, to dla warunków 50% obciążenia na parowaczu:

1. w systemie mieszanym (bądź stałoprzepływowym) regulowanym od powrotu cieczy z instalacji profi l temperatury cieczy na parowaczu i w instalacji wynosić będzie 12/9,5°C. Efektywność dla przykładowego agregatu chłodniczego jednego z producentów (fi rma CLIVET, typ agregatu: WSAT-XSC2-E 180F) wynosić będzie EER = 5,21;

2. w systemie mieszanym (bądź stałoprzepływowym) regulowanym od zasilania cieczy na instalacji profi l temperatury cieczy na parowaczu i w instalacji wynosić będzie 9,5/7,0°C. Efektywność dla takiego samego agregatu chłodniczego jak w punkcie 1 powyżej (firma CLIVET, typ agregatu: WSAT-XSC2-E 180F) wynosić będzie dla tych warunków EER = 4,73.

3. w systemie zmiennoprzepływowym profi l temperatury wody w parowaczu i w instalacji będzie wynosić 7/12°C, ale przy przepływie wynoszącym 50% w stosunku do dwóch powyższych przypadków 1 i 2. Wiadomym jest, że zmniejszony przepływ przez parowacz będzie miał wpływ na pogorszenie współczynników wymiany ciepła i spadek efektywności agregatów. Patrząc na sam profi l temperaturowy w stosunku do dwóch wymienionych przypadków, nasuwa się myśl, że dla takiego systemu zmiennoprzepływowego efektywność agregatu będzie równa średniej arytmetycznej pomiędzy przypadkiem 1. i 2. powyżej, czyli EER = 4,97. Pomija się jednak przy tym fakt, że przepływ nie jest stały, ale wynosi: 50%, zatem efektywność winna być mniejsza. O ile? Nie można tego określić, bo jak uprzednio stwierdzono, charakterystyki w biuletynach technicznych producentów nie uwzględniają zmiennego przepływu na parowaczu.

Porównanie systemów z chłodnicą w centrali klimatyzacyjnej jako odbiornikiem chłodu

To rozwiązanie instalacji hydraulicznej charakteryzujące się pewnymi cechami. Centrale klimatyzacyjne wymagają załączenia układów chłodzenia zazwyczaj tylko przez stosunkowo krótki okres czasu w ciągu roku. Jeśli zadana temperatura nawiewu wynosi: 16°C, to ograniczenie pracy agregatów chłodniczych odnosić się będzie do tej temperatury zewnętrznej. Tylko przy temperaturze zewnętrznej powyżej 16°C będą załączone agregaty chłodnicze. Liczba godzin pracy agregatu chłodniczego oraz instalacji hydraulicznej jest stosunkowo niewielka. Podobnie jak liczba godzin systemu pracującego dla każdego ze zmniejszonych obciążeń.

W niektórych rozwiązaniach systemów klimatyzacyjnych dla central klimatyzacyjnych przyjmowane są temperatury nawiewu jako bardziej neutralne w stosunku do zadanej, docelowej temperatury powietrza w pomieszczeniu. Jeżeli przyjęta zostanie temperatura nawiewu w okresie letnim na poziomie 20÷24°C, wówczas liczba godzin pracy sprężarkowego agregatu chłodniczego oraz instalacji hydraulicznej będzie jeszcze krótsza.

Pytanie nasuwa się samo. Czy zastosowanie systemów zmiennoprzepływowych przy tak krótkim czasie pracy systemu ma sens?

Poniżej, w tabelach od 1. do 5. przedstawiono szybką i uproszczoną symulację jak potencjalnie będzie zachowywać się system dla różnych układów hydraulicznych dla rozwiązania z chłodnicą w centrali jako odbiornikiem chłodu. Porównano w tych tabelach dwa skrajne rozwiązania tj. systemu stałoprzepływowego oraz zmiennoprzepływowego. Skrajne dlatego, że system stałoprzepływowy nie ma żadnych korzyści i oszczędności wynikających z pracy pompy. Takie natomiast mogą występować dla systemów mieszanych, gdzie w obiegu pierwotnym agregatu jest zamontowana pompa stałego przepływu a w obiegu wtórnym pracuje pompa zmiennego wydatku. Przy zmniejszonym obciążeniu dodatkowo będą występowały oszczędności wynikające z pracy pompy zmiennego wydatku w obiegu wtórnym instalacji.

W tabeli 1. podano ogólne dane dotyczące warunków powietrza zewnętrznego. Kolejne tabele od 2. do 5. zawierają kalkulacje dla różnych systemów i uwzględniają pracę układów pompowych (pobór mocy elektrycznej) oraz efektywność energetyczną agregatu chłodniczego dla określonych przedziałów częstości występowania powietrza zewnętrznego o danej temperaturze. Po uwzględnieniu liczby godzin pracy dla każdego z przedziału temperatur zewnętrznych obliczono zapotrzebowanie na energię elektryczną dla układu pompowego oraz agregatu chłodniczego.

Wartości EER dla systemów stałoprzepływowych przyjęto z danych technicznych agregatów chłodniczych jednego z producentów. Dla systemu zmiennoprzepływowego przyjęto ją jako średnią arytmetyczną dla systemu stałoprzepływowego regulowanego od temperatury zasilania oraz regulowanego od temperatury powrotu cieczy z instalacji. Autor przyjął bowiem w tym wypadku, że zmniejszony przepływ nie będzie miał wpływu na efektywność agregatu, a wynikać ona będzie tylko z innego profi lu temperatury wody na parowaczu i w instalacji.

Jak uprzednio podano, wartości te są hipotetyczne, bo byłoby one właściwe, gdyby przepływ przez parowacz pozostawał niezmienny, a tak w praktyce niestety nie jest. Kolejne tabele będą jednak ten wpływ zmiennego przepływu na efektywność agregatu uwzględniać.

W tabeli 2. zawarto kalkulacje dla agregatu chłodniczego pracującego w instalacji hydraulicznej ze stałym przepływem, ale regulowanego od temperatury wody wyjściowej z agregatu chłodniczego (w tym systemie utrzymywana jest stała temperatura zasilania odbiornika chłodu niezależnie od zmian obciążenia chłodnicy).

W tabeli 3. zawarto kalkulacje dla systemu zmiennoprzepływowego, ale przy hipotetycznym założeniu, że pompy mogę być regulowane bez ograniczeń (jeśli chodzi o parowacz agregatu) w pełnym zakresie obrotów silnika i pompy tj. od 0 do 100%.

W tabeli 4. zawarto kalkulacje dla systemu zmienno przepływowego, ale z uwzględnieniem, że zakres regulacji pompy zmiennoprzepływowej podlega pewnym ograniczeniom i wynosi on od 60÷100%. W praktyce taki zakres najczęściej występuje i wynika on z dopuszczalnych przez producentów przepływów cieczy przez parowacz.

W tabeli 5. zawarto dane dla systemu stałoprzepływowego takie jak dla tabeli 2., ale z tą jedną różnicą, że parametrem regulowanym jest temperatura wody powracająca z instalacji. Zależnie od zmian obciążenia temperatura wody na powrocie do agregatu będzie stała, zaś temperatura cieczy na zasilaniu będzie się zmieniała dynamicznie, zależnie od stopnia obciążenia chłodnicy.

Dokonując krótkiego podsumowania tabel 1÷5, można zauważyć, że zakładając efektywność agregatu w systemie zmiennoprzepływowym równą średniej arytmetycznej efektywności agregatu dla systemu stałoprzepływowego regulowanego od temperatury wody powracającej oraz regulowanego od temperatury wody na zasilaniu agregatu, system zmiennoprzepływowy będzie systemem korzystniejszym eksploatacyjnie w stosunku do systemu stałoprzepływowego. Niezależnie od tego czy parametrem regulowanym jest temperatura wody wyjściowej czy powracającej z instalacji. Nadmienić jednak należy, że przyjęto do kalkulacji założenie, że efektywność agregatu w systemie zmiennoprzepływowym jest wyznaczona od samego profi lu temperatury na parowaczu bez uwzględnienia zmniejszonego przepływu przez parowacz, co miało by wpływ na jego efektywność (agregatu).

Porównanie systemów z chłodnicami w klimakonwektorach jako odbiornikami chłodu

(...)

Jaki ma wpływ zmniejszony przepływ przez parowacz na efektywność energetyczną agregatu chłodniczego?

(...)

Od redakcji:

W tabelach przedstawiono szybką i uproszczoną symulację jak potencjalnie będzie zachowywać się system dla różnych układów hydraulicznych dla rozwiązania z chłodnicą w centrali jako odbiornikiem chłodu (tab. 1. - 5.), z chłodnicą w klimakonwektorze jako odbiornikiem chłodu (tab. 6. - 10.) W tabelach 11. - 15. oraz 16. - 20. przedstawiono wpływ spadku efektywności energetycznej agregatu wywołany zmniejszonym przepływem cieczy przez parowacz na analizę całego systemu.

Podsumowanie

Jak wspomniano w poprzednich tak również w tej publikacji autor chciałby zwrócić uwagę, że nie jest możliwym dokonanie dokładnego porównania systemów zmiennoprzepływowych z systemami stało-przepływowymi bądź mieszanym, z uwagi na fakt, iż nie ma dostępnych materiałów (od producentów) mogących stanowić podstawę do takiej analizy. Dokładnie autor ma na myśli tabele z osiągami agregatów chłodniczych (moc chłodnicza, pobór mocy elektrycznej) dla warunków zmniejszonego przepływu cieczy przez parowacz.

Jednak jak widać z załączonych tabel, przy założeniu spadku efektywności o 15% dla systemów zmiennoprzepływowych w wyniku zmniejszenia przepływu przez parowacz wynika, że system stałoprzepływowy regulowany od temperatury wody na powrocie z instalacji okazuje się albo porównywalnym albo korzystniejszym energetycznie.

Zastosowanie systemów mieszanych cechujących się podobnymi właściwościami jeśli chodzi o efektywność agregatów chłodniczych dla różnych warunków pracy systemu i różnych rodzajów regulacji agregatu będzie generowało dalsze oszczędności z uwagi na pracę pompy zmiennego wydatku po stronie wtórnej instalacji. Zastosowanie tych systemów jest wskazane jako korzystniejsze pod kątem kosztów eksploatacji w odniesieniu do systemów stałoprzepływowych.

Jeśli systemy zmiennoprzepływowe będą wykazywały się wyższymi kosztami inwestycyjnymi i dodatkowo system może pracować z temperaturą cieczy powracającej z instalacji jako parametrem regulowanym, wówczas zastosowanie systemów zmiennoprzepływowych traci sens, szczególne w odniesieniu do systemów mieszanych.

Jak duże mogą być różnice w kosztach eksploatacji pomiędzy różnymi rodzajami systemów można wykazać tylko przy dostępnych deklaracjach producentów, co do osiągów przy zmniejszonym przepływie. Nie należy jednak zapominać, że zmniejszenie przepływu cieczy przez parowacz powoduje spadek efektywności energetycznej agregatów.

Po publikacji takich danych autor dokona porównania takich systemów zmiennoprzepływowych z systemami mieszanymi.

Autor życzył by sobie, by w dalszych analizach i porównaniach systemów hydraulicznych weryfi kowane były również efektywności energetyczne agregatów jako te mające wpływ na ogólne koszty eksploatacji systemów i instalacji hydraulicznych. W szczególności dotyczy to systemów pracujących również w niższych temperaturach zewnętrznych z załączonym układem sprężarkowym agregatu chłodniczego.

Bartłomiej ADAMSKI,
– PZITS Kraków,
Kliweko Sp. z o.o.

LITERATURA:
[1] Bartłomiej ADAMSKI: Systemy stałoczy zmiennoprzepływowe? − kompendium”. Rynek Instalacyjny. 05/2017.
[2] Bartłomiej ADAMSKI: Systemy stałoczy zmiennoprzepływowe cz. 1. Chłodnictwo i Klimatyzacja. 04/2014.
[3] Bartłomiej ADAMSKI: Systemy stałoczy zmiennoprzepływowe − kompendium. Referat Forum Wentylacja − Salon Klimatyzacja 2017.