|
W artykule zaprezentowano podstawowe zagadnienia związane ze zużyciem energii elektrycznej przez agregaty chłodnicze. Często w wytycznych branżowych w projektach podawane są różne dane elektryczne, które nie zawsze odpowiadają rzeczywistym warunkom pracy agregatu, bądź nie uwzględniają ich możliwych zmian w trakcie pracy systemu klimatyzacyjnego. Ponadto przedstawiono wzory związane z poborem mocy elektrycznej przez różne komponenty agregatów chłodniczych oraz możliwości zmniejszenia zużycia energii elektrycznej w obecnych konstrukcjach wytwornic wody ziębniczej.
Odbiorniki energii elektrycznej w agregacie chłodniczym
Agregaty chłodnicze składają się z wielu komponentów, część z nich wymaga doprowadzenia energii elektrycznej. Do odbiorników energii elektrycznej w agregatach chłodniczych należą: sprężarka(i), wentylatory, pompy oraz urządzenia automatycznej regulacji (element sterujący – sterownik, elementy wykonawcze – zawory, itp.). Najbardziej energochłonnym elementem są sprężarki. Najmniejsze zużycie energii elektrycznej związane jest z zasilaniem automatyki chłodniczej i z tego powodu zagadnienia z tym związane zostaną pominięte w dalszej części artykułu. Zużycie energii elektrycznej przez pompę agregatu chłodniczego jest uzależnione m.in. od przyjętego układu hydraulicznego („samodopasowania” się układu pompowego do aktualnych warunków panujących w instalacji hydraulicznej), zapotrzebowania na chłód budynku (strumień objętościowy) oraz długości instalacji hydraulicznej (ciśnienie dyspozycyjne).W zależności od przyjętego źródła chłodu w systemie klimatyzacyjnym, stosowane są wentylatory osiowe lub promieniowe. Wentylatory promieniowe wykorzystywane są m.in. w monoblokowych agregatach chłodniczych i agregatach skraplających ze skraplaczami chłodzonymi powietrzem, przeznaczonych do instalacji wewnętrznej. Do pozostałych rodzajów agregatów chłodniczych i agregatów skraplających wykorzystywane są wentylatory osiowe. Po zastosowaniu wentylatorów promieniowych zużycie energii elektrycznej będzie wyższe z uwagi na wyższe ciśnienie statyczne wentylatora wymagane do pokonania oporów przyłączonej instalacji kanałowej (strumień objętościowy przetłaczanego powietrza wymaganego do odprowadzenia ciepła ze skraplacza będzie identyczny jak dla wentylatora osiowego). We wszystkich rozwiązaniach należy dążyć do uzyskania lub zastosowania jak najbardziej sprawnych i efektywnych komponentów, gdyż Iloczyn sprawności wszystkich komponentów jest ogólną sprawnością agregatu chłodniczego.
Sposoby obliczenia zużycia energii elektrycznej
Zużycie energii elektrycznej (moc prądu elektrycznego mierzymy w watach (W). Większe moce mierzymy w kilowatach (kW). Jeżeli chcemy wyrazić moc w koniach mechanicznych, posługujemy się zależnością: 1 KM = 0,736 kW.
Moc prądu stałego obliczamy ze wzoru:
gdzie:
P – moc elektryczna prądu stałego [W];
U – napięcie zasilające [V];
I – natężenie prądu elektrycznego [A].
W celu wyznaczenia mocy prądu zmiennego, oprócz wartości napięcia i natężenia prądu musimy znać wartość współczynnika cos φ. Kąt φ odpowiada wartości przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem elektrycznym.
Wzór na moc przyjmuje wówczas postać:
Jeżeli obwód elektryczny nie ma elementów o dużym oporze indukcyjnym lub pojemnościowym (tzn. cewek o dużej ilości zwojów nawiniętych na rdzeniach żelaznych lub kondensatorów), możemy obliczać moc, jak dla prądu stałego, gdyż wówczas cos φ = 1.
Moc prądu zmiennego trójfazowego obliczamy ze wzoru:
gdzie:
U – napięcie przewodowe [V];
I – natężenie prądu przewodowego [A];
cos φ – współczynnik mocy.
Przyrządy specjalne do pomiaru mocy nazywamy watomierzami (symbol W). Wykazują one wartość mocy uwzględniając wartości napięcia, natężenie prądu i cos φ. Stosując watomierze dokonujemy bezpośrednio pomiaru zużycia energii elektrycznej. Innym sposobem jest pomiar pośredni z wykorzystaniem amperomierza (włączonego szeregowo z odbiornikiem), woltomierza (włączonego równolegle z odbiornikiem) oraz miernikiem cos φ przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem.
Wentylatory osiowe
Zapotrzebowanie mocy elektrycznej przez wentylatory można obliczyć korzystając z poniższej zależności:
gdzie:
P – zużycie mocy elektrycznej pobieranej z sieci elektrycznej [W];
V – strumień objętościowy powietrza przepływającego przez wentylator [m3/s];
dp – spręż całkowity wentylatora [Pa];
ηc – całkowita sprawność wentylatora (wirnika, silnika, łożysk, przekładni – jeśli występuje, regulatora).
Strumień objętościowy jest zależny od ilości ciepła odprowadzanego z skraplacza. Spręż wentylatora wiąże się z pokonaniem oporów wymiennika skraplacza. Zatem zasadnicze znaczenie, patrząc z punktu widzenia zużycia energii elektrycznej, ma dobór wentylatora o wysokiej sprawności. Punkt maksymalnej sprawności wentylatora osiowego znajduje się w strefie, w której występuje stromy spadek charakterystyki ciśnieniowej. Istnieje wiele kryteriów doboru wentylatora (hałas, cena, zapotrzebowanie miejsca, kształt charakterystyki itp.) zawsze jednak powinno się dążyć do tego, aby punkt przecięcia charakterystyki wentylatora z charakterystyką oporów sieci (instalacji) leżał w pobliżu maksymalnej sprawności. Podczas doboru wentylatorów osiowych do agregatów chłodniczych należy zwrócić szczególną uwagę na możliwe zmiany charakterystyki oporów instalacji. Należy unikać przysłonięcia otworów wlotowych i wylotowych powietrza do chłodzenia skraplaczy, gdyż w takich warunkach dojść może do przesunięcia punktu pracy wentylatora. Oprócz spadku sprawności zjawisko to jest o tyle kłopotliwe i niebezpieczne, gdyż „nowy” punkt współpracy wentylatora z siecią może znaleźć się w obszarze pracy niestabilnej wentylatora (tzw. pompaż wentylatora). Jest to zjawisko niepożądane, gdyż praca w tym obszarze oprócz niskiej sprawności, powoduje silne drgania strug gazu, które mogą zostać przeniesione na konstrukcję wentylatora czego wynikiem jest wzmożony hałas. Niekiedy może dojść nawet do uszkodzenia wentylatora. Charakterystyki wentylatorów podawane przez producentów najczęściej odnoszą się do prób laboratoryjnych przeprowadzonych w określonych warunkach pomiarowych. Często jednak wentylator bywa różnie wbudowany i z tego powodu charakterystyki te mogą ulec zmianie.
Podczas zabudowy wentylatorów należy dążyć do stworzenia optymalnych warunków przepływu, co równocześnie wpływa na oszczędności energii. Generalnie najlepsze rezultaty uzyskuje się, kiedy strumień powietrza łagodnie dopływa do wentylatora. Uzyskać to można m.in. poprzez odpowiednio ukształtowaną krawędź leja wlotowego obudowy. Rezultatem jest redukcja turbulencji przepływającego powietrza, wzrost sprawności wentylatora oraz obniżenie emisji hałasu do otoczenia. W wielu aplikacjach wykorzystuje się ostre krawędzie wlotowe, przykładem mogą być wentylatory osiowe umieszczone w płaskiej, cienkiej ściance metalowej. Nie jest to metoda efektywna, chociaż uzyskuje się dostateczne wyniki, gdy wirnik wentylatora zamocowany jest w otworze z 2,5-procentową lub mniejszą szczeliną („tip clearance”) [1].
Optymalny współczynnik r/d wynosi 0,12, gdzie „r” jest promieniem krawędzi, a „d” jest średnicą wentylatora. W aplikacjach, w których współczynnik ten jest niemożliwy do zastosowania rekomenduje się wartość współczynnika z zakresu r/d = 0,07 do 0,12 [1].
We wszystkich zastosowaniach najwyższą sprawność osiąga się, kiedy szerokość szczeliny pomiędzy wirnikiem a obudową wynosi 0,5÷1% średnicy wentylatora. W przypadkach, dla których nie można tego zrealizować zaleca się, aby szczelina wynosiła od 1 do 2,5% średnicy wentylatora [1]. Na drodze strumienia powietrza znajduje się wymiennik ciepła. W związku z tym należy koniecznie dążyć do wykorzystania całej powierzchni wymiennika np. przez zastosowanie specjalnie ukształtowanego wymiennika, blach perforowanych, kierownic powietrza itp. [3]. Warto również zwrócić uwagę na właściwą lokalizację wirnika wentylatora w stosunku do krawędzi leja wlotowego obudowy.
Pompa (...)
Sprężarka (...)
Współczynniki EER, COP, ESEER
(...)
Wartości współczynników EER i COP były określane dla ustandaryzowanych przez EUROVENT warunków pracy agregatów chłodniczych i dotyczyły maksymalnych obciążeń cieplnych instalacji klimatyzacyjnych.
Agregaty pracują zazwyczaj przy pełnym obciążeniu cieplnym tylko podczas ograniczonego czasu w ciągu roku. Tym samym parametry urządzenia przy obciążeniu częściowym są znacznie bliższe rzeczywistości. Z tego względu EUROVENT zadecydował o certyfikacji agregatów z uwzględnieniem ich średniego rocznego obciążenia cieplnego. Studium analizy częściowo sponsorowanej przez EUROVENT i opracowanej przez Komisję Europejską poprzez program zwany Save („Oszczędność”) stworzyło indeks zwany ESEER. Indeks ten podobny do IPLV (wartość zintegrowanego obciążenia częściowego – integrated part load value) – wykorzystywany przez ARI w Stanach Zjednoczonych, uwzględnia poszczególne parametry w odniesieniu do pracy agregatów dla warunków europejskich: dane pogodowe, charakterystykę obciążenia budynków, godziny pracy itp. Tym samym ESEER jest rzeczywistym narzędziem, znacznie lepszym niż wartość EER określana dla pełnego obciążenia cieplnego, wykorzystywana do porównania średniej efektywności energetycznej dwóch agregatów chłodniczych. Jednakże musi zostać wspomniany fakt, iż ESEER nie może być wykorzystywany do obliczeń zużycia energii dla innych szerokości geograficznych. Obliczenie ESEER bazuje na trzech wartościach EER dla obciążeń częściowych odpowiadających 25, 50 i 75% pełnego obciążenia cieplnego. Ta ogólna pojedyncza wartość jest podawana w katalogach certyfikowanych produktów EUROVENT wspólnie z wydajnością chłodniczą i zużyciem energii elektrycznej dla standardowych warunków pracy przy pełnym obciążeniu cieplnym. Temperatury pracy i średnie ważone wartości współczynników dla Europy zostały stabelaryzowane. (...)
Czynniki wpływające na zmiany poboru i zużycia energii elektrycznej)
(...)
Pobór mocy elektrycznej przy maksymalnych warunkach pracy
(...)
Sposoby ograniczenia zużycia energii elektrycznej
W celu ograniczenia zużycia energii elektrycznej przez agregaty chłodnicze zaleca się zastosowanie:
● do rozruchu agregatu układów typu soft-start lub przełączników gwiazda-trójkąt;
● kondensatorów do poprawy współczynnika mocy cos φ >= 0,9;
● poszczególnych komponentów o wysokiej sprawności;
● wentylatorów o płynnej regulacji prędkości obrotowej do regulacji ciśnienia skraplania, co wpływa na zmniejszenie zużycia energii elektrycznej podczas obciążeń częściowych układu chłodniczego i poprawę warunków pracy samego agregatu;
● wentylatorów osiowych do chłodzenia skraplaczy z silnikami bezszczotkowymi;
● optymalnej zabudowy wentylatora osiowego w agregacie chłodniczym;
● kompensacji wartości zadanej w zależności od entalpii, temperatury powietrza zewnętrznego lub zdalnego zadajnika wszędzie tam gdzie jest to uzasadnione;
● funkcji „free-cooling” w obiektach w których wymagane jest dostarczenie chłodu nawet w okresach występowania niskich temperatur powietrza zewnętrznego;
● pomp o płynnej regulacji prędkości obrotowej w układach hydraulicznych zmienno przepływowych;
● agregatów chłodniczych o wysokich wartościach współczynników ESEER;
● zbiornika buforowego o właściwej pojemności,
Ponadto w układach stało- i zmienno przepływowych, gdy jest to możliwe zaleca się przyjmowanie większych wartości spadku temperatury na parowaczu w agregacie oraz na odbiornikach chłodu. Dla uzyskania tej samej wydajności chłodniczej zwiększając spadek temperatury medium na parowaczu w agregacie zmniejszamy przepływ w instalacji, co redukuje zużycie energii elektrycznej przez pompę wody cyrkulacyjnej. Dobór powinien być przeprowadzony w konsultacji z inżynierami produktów, producentów agregatów chłodniczych, aby nie przekroczyć dopuszczalnych warunków pracy agregatu oraz powinien on być przeprowadzony w taki sposób, aby średnia temperatura powierzchni ścianki w odbiornikach chłodu (zależna od temperatury wody na zasilaniu i powrocie na parowaczu) odpowiadała standardowym warunkom pracy tj. dla różnicy temperatury wody na odbiornikach i na parowaczu w agregacie: 5-6 K;
W przypadkach, gdy na obiekcie występują odbiorniki chłodu o zróżnicowanej temperaturze zasilania (klimakonwektory, chłodnice w centralach klimatyzacyjnych) bardziej efektywne eksploatacyjnie jest zastosowanie dwóch agregatów chłodniczych pracujących z różnymi temperaturami odparowania w parowaczu, niż zastosowanie jednego agregatu pracującego na niższe wymagane parametry wraz z wymiennikiem pośrednim na obiegu zasilającym odbiorniki o wyższych parametrach zasilania.
Podsumowanie
Poruszone w artykule zagadnienia pozwalają na ogólne zapoznanie się z problematyką zużycia energii elektrycznej przez agregaty chłodnicze, jak też przez jego poszczególne komponenty. Właściwy dobór zabezpieczeń instalacji elektrycznej zasilającej agregat, czy też wymiarowanie przekrojów poprzecznych przewodów zasi lających musi być poprzedzony rzetelną informacją od projektanta systemów klimatyzacyjnych odnośnie zużycia energii elektrycznej dla obliczeniowych warunków pracy, jak też dla innych warunków mogących wystąpić podczas pracy systemu. Przedstawiony w artykule sposób przedstawienia wytycznych elektrycznych pozwoli na właściwy dobór elementów instalacji elektrycznej.
|
