Nowoczesne budownictwo w coraz większym stopniu zwraca uwagę na koszty eksploatacyjne budynków. Wynika to z faktu, że inwestorzy postrzegają wartość budynku jako wypadkową kosztów inwestycyjnych (fizyczna substancja budynku, lokalizacja) i kosztów utrzymania.

Budynki o niskim zużyciu energii elektrycznej, cieplnej i chłodniczej posiadają wysoką klasę efektywności energetycznej co powoduje wzrost ich wartości. Najbardziej energochłonymi systemami budynków są układy klimatyzacji i wentylacji. Dostosowanie pracy tych instalacji do „potrzeb” budunków najmocniej wpływa na koszty eksploatacyjne.

Efektywność energetyczna jest również umocowana prawnie. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 06.11.2008 r. określa sposób kalkulowania zapotrzebowania na energię przez systemy klimatyzacji i wentylacji w oparciu o wskaźnik ESEER.

Współczynnik ten wylicza się, zakładając zmienne temperatury otoczenia budynku, a co za tym idzie zmienne obciążenie instalacji klimatyzacyjnej. Model zmian temperatury w ciągu sezonu zakłada pracę z pełną wydajnością 100% przy temperaturze otoczenia 35°C przez 3% czasu, z wydajnością 75% przy temperaturze otoczenia 30°C przez 33% czasu, z wydajnością 50% przy temperaturze otoczenia 25°C przez 41% czasu i z wydajnością 25% przy temperaturze otoczenia 20°C przez 23% czasu.

Jak widać kwestia regulacji wydajności instalacji klimatyzacyjnej nabiera pierwszorzędnego znaczenia. Jednym ze sposobów podniesienia efektywności energetycznej instalacji klimatyzacyjnej jest łączenie sprężarek w zespoły.

  Rys. 1. Zależność ESEER od sposobu łączenia sprężarek

Jak widać na rysunku 1. im więcej stopni regulacji, tym wyższy współczynnik ESEER. Ideałem jest regulacja bezstopniowa, dopasowująca pracę sprężarki do aktualnego zapotrzebowania budynku.

Firma Emerson producent sprężarek Copeland bada możliwości łączenia sprężarek klimatyzacyjnych serii ZR (R407C) i ZP (R410A) w tandemy i trio. Wyniki tych prac są dostępne w postaci rysunków montażowych. Opracowane konfiguracje można stosować, mając pewność co do poprawności działania takiego zestawu sprężarkowego i oszczędzając sobie, często kosztownego, eksperymentowania. Sposób łączenia sprężarek jest zależny od typu.

Tandemy jednolitych sprężarek ZR48-ZR81 oraz ZP41-ZP91 (Quest) BOM -422

Łączenie sprężarek w tandem musi uwzględniać specyfikę pracy dwóch sprężarek w jednym obiegu chłodniczym. Krążący w instalacji czynnik niesie ze sobą olej, który gromadzi się w dwóch „zbiornikach” czyli karterach sprężarek. Jakiekolwiek różnice w strumieniach czynnika docierających do sprężarek powodują różnice w ilości powracającego oleju. Po pewnym czasie taka sytuacja doprowadzi do zgromadzenia się oleju w jednej sprężarce. Druga ulegnie zatarciu. Z tego powodu kluczowym zagadnieniem w przypadku budowy tandemu jest zapewnienie wystarczającej ilości oleju każdej sprężarce.

Rys. 2. Rozmieszczenie przyłączy w tandemie sprężarek. Kolektor wyrównania poziomu oleju ma średnicę 3/8”. Według powyższych zasad można łączyć wyłącznie sprężarki tego samego typu

Sprężarki ZR48-ZR81 oraz ZP41-ZP91 w wersji do pracy równoległej mają końcówkę oznaczenia -422 np. ZR61KCE-TFD-422. Sprężarki te w stosunku do wersji przeznaczonej do pracy pojedynczej mają dodatkowe króćce umieszczone na korpusie sprężarki. W górnej części korpusu na wysokości króćca ssawnego znajduje się przyłącze kolektora wyrównania ciśnienia ssania w korpusach sprężarek. Przyłącze to bywa mylone z króćcem ssawnym, gdyż ma tą samą średnicę. Króciec ssawny znajduje się jednak bliżej przyłącza tłocznego sprężarki, patrząc od góry (rys. 2.). Kolektor wyrównania ciśnienia w korpusach nie dopuszcza do powstania nadmiernej różnicy ciśnień w karterach. Wykonuje się go z rury 7/8”. W dolnej części korpusów znajdują się przyłącza kolektora wyrównania poziomu oleju. Tą drogą olej przemieszcza się ze sprężarki do sprężarki, zachowując wymagany poziom.

Budowę tandemu należy rozpocząć od wykonania kolektora ssawnego i tłocznego. Ramiona kolektora ssawnego powinny być symetryczne, tak by spadki ciśnienia, a tym samym strumienie czynnika, były podobne. Podczas montażu wyrównania oleju należy pamiętać, że poziom oleju w sprężarkach sięga przyłączy wyrównania oleju. Żeby nie rozlać oleju, należy odchylić sprężarki od pionu i w tej pozycji przylutować kolektor wyrównania poziomu.

Rys. 3. Schemat przepływu gazu i oleju przez kolektor wyrównania olejowo-gazowego. Kolektor wyrównania gazowo-olejowego należy prowadzić poziomo pomiędzy adapterami wzierników oleju

Tandemy jednolitych sprężarek ZR94-ZR190 oraz ZP90-ZP182 BOM -455

W tandemach sprężarek ZR90-ZR190 i ZP90-ZP182 zastosowano inny sposób wyrównania ciśnień i poziomów oleju. Zarówno gaz jak i olej przemieszczają się ze sprężarki do sprężarki wspólnym kolektorem wyrównania olejowo-gazowego. W dolnej części kolektora przepływa olej a w górnej gaz jak to pokazano na rysunku 3. W przypadku tych sprężarek montaż kolektora rozpoczyna się od wykręcenia wzierników oleju i zamontowania w ich miejsce adapterów z gwintem 1 ¼”, które umożliwiają łatwe przylutowanie rury o średnicy 1 1/8”. W rurze wyrównania gazowoolejowego (zwanej w dokumentacji Copeland – TPTL) dobrze jest zamontować wziernik oleju, który pozwala zachować możliwość wzrokowej kontroli poziomu oleju. Podczas pracy olej może być okresowo niewidoczny we wzierniku. Jednak po 2 minutach od zatrzymania sprężarek poziom oleju powinien zawierać się w przedziale od 1/3 do 2/3 wysokości wziernika.

Wyrównanie gazowo-olejowe wykonuje się po zamontowaniu kolektora ssawnego i tłocznego. Montaż wyrównania i kolektorów należy wykonywać szybko, gdyż olej znajdujący się w sprężarkach jest silnie higroskopijny i w krótkim czasie wchłania znaczne ilości wilgoci z powietrza.

W sprężarkach ZR94-ZR190 i ZP90-ZP182 można zastosować również alternatywny sposób wykonania wyrównania olejowego tzn. OEL – Oil Equalization Line. Kartery sprężarek łączymy rurką 3/8”, którą przepływa jedynie olej. Badania tego typu wyrównania, prowadzone przez Emerson, wykazały akceptowalne wahania lustra oleju w sprężarkach, pomimo braku wyrównania ciśnień w korpusach sprężarek, co pozwoliło na powszechne stosowanie tej metody. W celu wykonania połączenia OEL należy wykręcić zawory Schredera znajdujące się w dolnej części korpusów sprężarek.

Po wyjęciu zaworu w obudowie pozostaje wygodne przyłącze do przylutowania rurki 3/8”. Wygięcie rurki pozwala zamortyzować potencjalne naprężenia wynikające z montażu. W rurce dobrze jest zamontować zaworek Schredera, który pozwala uzupełniać olej. Kontroli poziomu oleju dokonuje się poprzez wzierniki oleju na sprężarkach.

Tandemy jednolitych sprężarek ZR250-ZR380 oraz ZP235-ZP485 BOM -522

(...)

Tandemy sprężarek ze sprężarkami Digital

(...)

Tandemy sprężarek ZR48-ZR81 oraz ZP61-ZP91 ze sprężarkami Digital

(...)

Tandemy sprężarek ZR125 oraz ZP103-ZP182 ze sprężarkami Digital

(...)

Tandemy sprężarek niejednolitych ZRU i ZPU

(...)

Rys. 13. Układ sprężarek trio

Układy sprężarek Trio

Połączenie trzech sprężarek znacząco rozszerza dostępny zakres mocy. W obecnej chwili zestaw trzech sprężarek ZP485 dysponuje wydajnością 264 kW dla warunków 0⁰C/50⁰C. Nowe sprężarki, które obecnie są opracowywane, rozszerzają ten zakres do 397 kW mocy chłodniczej.

Zespoły w układzie Trio łączy się również przy pomocy wyrównania gazowo-olejowego (rys. 13.). Po wykręceniu wzierników oleju wkręca się w to miejsce adaptery, które łączy się rurą miedzianą. Mimo że zespoły Trio wykonuje się tylko ze sprężarek jednakowego typu, to przepływy gazu w kolektorze ssawnym mają bardzo złożony charakter, wynikający ze zmiennych przepływów masowych i dynamiki gazu. Firma Emerson przeprowadziła badania konfiguracji układów Trio (rys. 14.).

Ich wynikiem są zalecenia odnośnie konstrukcji kolektorów ssawnych dla poszczególnych zestawów sprężarek. Równoważenie przepływu odbywa się po przez montaż kryz w kolektorze ssawnym. Na ilość i umiejscowienie kryz wpływ ma nawet kierunek wyprowadzenia rurociągu ssawnego z kolektora ssawnego. Na rysunku 15. widać, że przy wyprowadzeniu kolektora w prawo potrzebne są dwie kryzy a przy wyprowadzeniu w lewo tylko jedna.

Rys. 15. Umiejscowienie kryz w kolektorze ssawnym układu trio. Przykład opracowanych na podstawie testów konfiguracji trio w postaci rysunków złożeniowych i wykonawczych

Opisane powyżej metody stopniowej (zespoły tandem i trio) oraz bezstopniowej (sprężarki Digital) regulacji wydajności, obok wysokiej sprawności samych sprężarek, dają konstruktorom urządzeń klimatyzacyjnych możliwość budowania urządzeń o wysokiej sprawności. Pozwala to sprostać wymogom współczesnej urbanizacji. Wymagania te wzrastają coraz szybciej. Globalne ocieplenie wymusza redukcję emisji gazów cieplarnianych (CO2). Jedną z metod osiągnięcia tego celu jest zwiększanie efektywności energetycznej urządzeń, czyli osiąganie technicznego celu (np. temperatura, wilgotność w pomieszczeniach) przy użyciu jak najmniejszego nakładu energii. Wysoka efektywność energetyczna urządzeń jest już wymogiem prawnym.

Krzysztof DUNOWSKI
Emerson Climate Technologies GmbH

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