W artykule przedstawiono wyniki obliczeń współczynników efektywności energetycznej wytworzenia chłodu przy użyciu modelu dynamiki sprężarkowego urządzenia do chłodzenia wody ze skraplaczem chłodzonym powietrzem. Wyniki obliczeń porównano z danymi technicznymi oferowanego na rynku urządzenia o podobnej budowie i wydajności. Zaprezentowano także możliwości urealnienia współczynnika ESEER obliczanego zgodnie z wytycznymi Eurovent Certification poprzez symulację działania systemu klimatyzacji dla zmiennych w czasie: obciążenia cieplnego i temperatury powietrza chłodzącego skraplacz.

Obowiązek sporządzania świadectw energetycznych dla lokali mieszkalnych i budynków od 1 stycznia 2009 r. wymaga stosowania jednoznacznych metodologii obliczeń zapotrzebowania na energię końcową [1]. W przypadku budynków wyposażonych w instalacje chłodniczą niepoślednią rolę odgrywa w tych obliczeniach średni europejski współczynnik efektywności energetycznej wytworzenia chłodu (ESEER – European Seasonal Energy Efficiency Ratio) zgodny z wytycznymi Eurovent Certification [2].

Współczynnik ten stosuje się dla urządzeń do chłodzenia wody na potrzeby klimatyzacji, wyposażonych w sprężarki chłodnicze i skraplacze chłodzone powietrzem lub wodą. Obliczanie ESEER opiera się na założeniu, że w okresie wymagającym klimatyzacji występuje ściśle określone zapotrzebowanie na wydajność chłodniczą przy ściśle określonej temperaturze medium chłodzącego skraplacz [7].

Zwraca uwagę fakt, że od początku pojawiły się krytyczne uwagi [3, 4, 5], czy tak obliczany ESEER jest wystarczająco dokładny by mógł być stosowany dla potrzeb sporządzania świadectw energetycznych. Wydaje się, że komentarz zamieszczony w [2] nie pozostawia wątpliwości – współczynnik ESEER nie może być stosowany do obliczania dokładnego zapotrzebowania na energię napędową w konkretnym przypadku i dla konkretnej pozycji geograficznej. Jest natomiast lepszym od zwykłego EER narzędziem do porównywania efektywności różnych agregatów wody lodowej, ponieważ uwzględnia uśrednione dla Europy sezonowe warunki pracy.

W niniejszym artykule opisano możliwość wyznaczenia na drodze obliczeniowej sezonowego współczynnika efektywności, którego wartość byłaby bardziej zbliżona do rzeczywistej. Cel ten osiągnięto stosując model dynamiki sprężarkowego urządzenia do chłodzenia wody współdziałającego z systemem klimatyzacji budynku. Wykorzystano przy tym dane meteorologiczne dla konkretnej lokalizacji oraz typowe charakterystyki obciążenia cieplnego budynku biurowego.

Rys. 1. Schemat ideowy urządzenia do chłodzenia wody

Obliczeniowe charakterystyki statyczne i współczynniki ESEER urządzenia

W celu dokonania obliczeń założono, że modelowany agregat wody będzie odpowiadał budową urządzeniu, jakie jest obecnie oferowane na rynku przez uznanych producentów. Schemat ideowy urządzenia przedstawia rysunek 1.

Jako punkt odniesienia wybrano model 30RBS100 firmy Carrier o wydajności nominalnej rzędu 100 kW, dla którego dostępna jest obszerna dokumentacja typoszeregu [6].

Przyjęto następujące główne założenia i dane techniczne modelowanego urządzenia do obliczeń: trzy sprężarki spiralne

• o wydajności objętościowej 29,4 m^3/h każda,
• czynnik chłodniczy R410A,
• termostatyczny zawór rozprężny utrzymujący stałe przegrzanie pary za parowaczem,
• nominalny strumień chłodzonej wody = 5,12 kg/s,
• parowacz płytowy o nominalnym współczynniku k_A = 15,1 kW/K,
• nominalny strumień powietrza chłodzącego = 10,1 kg/s,
• skraplacz chłodzony powietrzem o nominalnym współczynniku k_A = 22,1 kW/K,
• nominalna moc elektryczna pobierana oprócz sprężarek = 1,5 kW.

W obliczeniach zastosowano charakterystyki wydajności chłodniczej i pobieranej mocy sprężarek jako funkcje temperatury parowania i skraplania w postaci wielomianów zgodnie z PN-EN 12900:2007P.

Z uwagi na to, że ostatecznym celem obliczeń była ocena ESEER systemu w zmiennych w czasie warunkach pracy – model obliczeniowy sformułowano w postaci nieliniowego układu równań różniczkowych zwyczajnych, wynikającego z równań bilansu energii z akumulacją energii. W tym celu urządzenie zostało podzielone na kilka podukładów (ścianki wymienników ciepła i czynniki robocze) o określonych pojemnościach cieplnych. Model taki umożliwia obliczenie poszczególnych wartości temperatury zarówno w stanie nieustalonym jak i ustalonym. Jako narzędzie obliczeń zastosowano pakiet Simulink zintegrowany z językiem programowania wysokiego poziomu Matlab.

(...)

Symulacja sezonowego współdziałania agregatu wody lodowej z klimatyzowanym obiektem

W tej części opisano przykład oceny rozbieżności pomiędzy ESEER obliczanym według [2] a efektywnością wyznaczoną na podstawie symulacji działania urządzenia w sezonie klimatyzacyjnym, z wykorzystaniem danych meteorologicznych dla konkretnego miejsca.

Jako klimatyzowany obiekt wybrano budynek biurowy o kubaturze rzędu 5 tys. m3, zlokalizowany we Wrocławiu. Schemat ideowy modelowanego obiektu wraz z pośrednią instalacją chłodzenia powietrza przedstawia rysunek 5. Bilans cieplny budynku uwzględnia następujące pozycje:

• przenikanie ciepła przez przegrody,
• promieniowanie słoneczne przez okna umieszczone od strony południowej,
• wentylację,
• wewnętrzne źródła ciepła (ludzie, oświetlenie, urządzenia).

(...)

Podsumowanie

• Zaproponowany model umożliwia przeprowadzenie obliczeń symulujących zarówno działanie sprężarkowego urządzenia do chłodzenia wody w warunkach ustalonych, jak i jego współdziałanie z obiektem klimatyzowanym w warunkach nieustalonych. Porównanie obliczeniowych charakterystyk statycznych z dostępnymi charakterystykami produkowanego urządzenia podobnej wielkości potwierdza poprawność modelu.
• Sezonowy bilans cieplny klimatyzowanego budynku obliczony dla rzeczywistej temperatury w klimacie Polski daje w wyniku wartości mniejsze od zakładanych przy obliczaniu wartości ESEER wg [2]. Głównym powodem tego są niższe rzeczywiste temperatury otoczenia (od +5 do +30°C) w porównaniu z normatywnymi (+20 do +35°C ).
• Z tego samego powodu obliczeniowy sezonowy współczynnik efektywności energetycznej sprężarkowego agregatu wody lodowej jest większy od ESEER wg [2]. Przyjmowanie w tym przypadku wartości ESEER zgodnie z rozporządzeniem [1] może zatem prowadzić do zawyżenia zapotrzebowania na energię końcową.
• W rozpatrywanym przykładzie zakładano utrzymywanie temperatury wody zasilającej instalację chłodzenia powietrza w budynku na stałym poziomie +7°C, ponieważ takie są założenia obliczania ESEER wg [2]. W rzeczywistości należy wykorzystać rezerwę pola powierzchni urządzenia do chłodzenia powietrza i dla wydajności mniejszych od nominalnych (a tak jest przez większość sezonu) podnieść temperaturę zimnej wody, co pozwoli podwyższyć temperaturę parowania i tym samym efektywność instalacji (działanie systemu np. wg „krzywej chłodzenia” dla budynku lub innego algorytmu, także ze zmienną w czasie zadaną temperaturą komfortu). Uzyskana tą metodą oszczędność energii napędowej może być łatwo oceniona przy użyciu zastosowanego modelu obliczeniowego.
• Alternatywą dla wymagań określonych w rozporządzeniu [1] odnośnie stosowania ESEER może być indywidualne obliczanie współczynnika efektywności energetycznej wytworzenia chłodu dla każdego budynku, w oparciu o dostatecznie dokładne modele systemu oraz dane klimatyczne dla przewidywanej lokalizacji.

LITERATURA
[1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. (Dz.U. Nr 201, poz. 1240.
[2] www.eurovent-certification.com
[3] ADAMSKI B.: Wartość wskaźnika ESEER a realne koszty eksploatacji. Studium przypadku i propozycja analizy kosztów eksploatacji agregatów chłodniczych w dobie certyfikacji energetycznej budynków. Rynek Instalacyjny. 01/02 2010.
[4] ADAMSKI B.: Czy ESEER jest wiarygodnym wskaźnikiem kosztów eksploatacji. Rynek Instalacyjny. 03/2012.
[5] ADAMSKI B.: Wartość ESEER dla odmiennych od EUROVENT parametrów pracy. Chłodnictwo i Klimatyzacja. 08/2012.
[6] www.carrier.com.pl
[7] Energy Efficiency and Certification of Central Air Conditioners (EECCAC). Final report. April 2003. Vol. 1, 2 & 3. Study for the D.G. Transportation-Energy (DGTREN) of the Commission of the E.U. Co-ordinator: Jerome ADNOT, assisted by Paul WAIDE.
[8] www.transport.gov 

dr inż. Stefan RESZEWSKI
dr inż. Marek ŻAK
Zakład Chłodnictwa i Pomp Ciepła,
Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów,
Politechnika Wrocławska

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 10/2013