Systemy grzewcze, wentylacyjne oraz klimatyzacyjne (HVAC) zużywają ogromne ilości energii budynku. Ocenia się, że od 35 do 65 procent zapotrzebowania energetycznego budynków zużywa się w pomieszczeniach grzewczych, chłodniach i zamrażarkach.

 Wraz ze wzrostem kosztów energii oraz wciąż ambitniejszymi celami środowiskowymi, rozwiązania wspomagające zmniejszanie zużycia energetycznego oraz zwiększanie całkowitej wydajności systemów HVAC stają się coraz bardziej popularne pośród właścicieli i użytkowników budynków handlowych, instytucjonalnych oraz przemysłowych.

W ostatnich latach zaobserwowano znaczny wzrost zainteresowania systemami zmiennych przepływów przez parownik (VPF), gdyż to dzięki ich zastosowaniu możliwe jest generowanie oszczędności przez właścicieli budynków i kierowników zapleczy produkcyjnych. W porównaniu do tradycyjnych systemów, zastosowanie systemów chłodzenia wody lodowej zapewnia zarówno mniejsze koszty instalacji, jak i możliwość redukcji zużycia energii. Ponadto zastosowanie systemu VPF pozwala właścicielom budynków na zmniejszanie emisji gazów z instalacji wody lodowej.

Rys. 1. System „rozdzielony” (stały przepływ przez parownik-zmienny przepływ w obwodzie dystrybucyjnym)

Czym jest System VPF?

Zasadniczo, system zmiennego przepływu przez parownik jest podobny do systemu stałego przepływu przez parownik i zmiennego przepływu w obwodzie dystrybucyjnym, bardziej znanego pod nazwą systemu „rozdzielonego”. Porównanie schematów zawartych na rysunkach 1 i 2 ukazuje podobieństwa pomiędzy systemem „rozdzielonym” a systemem VPF. Przykładowo, w obu przypadkach wymagane jest zastosowanie obejścia. Każdy z pokazanych agregatów chłodniczych posiada odpowiednią pompę przypisaną do konkretnego agregatu chłodniczego. Różnice pomiędzy tymi systemami stają się widoczne dopiero po dokładniejszym rozpoznaniu.

W celu spełnienia wymagań dotyczących obciążenia grzewczego w pomieszczeniu, system „rozdzielony” (rysunek 1) wykorzystuje stały przepływ wody przez każdy z parowników oraz zmienny przepływ wody przez każdą z wężownic chłodniczych. Wdrożenie tego systemu wymaga zastosowania:

• pompy o stałej prędkości i koniecznie o stałej przepustowości (oraz zaworu zwrotnego) dla każdego agregatu chłodniczego;
• zaworów dwudrożnych do regulowania ilości wody lodowej podawanej do wężownic chłodniczych;
• pompy rozdzielczej o zmiennym przepływie doprowadzającej medium do wężownic (zmienność przepływu uzyskuje się zazwyczaj w wyniku zainstalowania pompy z napędem o zmiennej częstotliwości);
• obejścia, służącego do hydraulicznego rozdziału systemu podstawowego (produkcyjnego) i pomocniczego (dystrybucyjnego).

Zważywszy, że każdy z dwudrożnych zaworów umożliwia regulację przepływu wody lodowej przez wężownicę zależnie od zapotrzebowania na chłodzenie, pompa rozdzielająca reguluje ilość podawanej wody lodowej. W celu utrzymania równowagi podczas pracy systemu, woda przepływa przez obejście w obu kierunkach.

W systemie VPF (rysunek 2), woda jest podawana wzdłuż całego systemu przepływem zmiennym, czyli do parownika każdego pracującego agregatu chłodniczego oraz do wężownic chłodniczych.

Rys. 2. System zmiennego przepływu przez parownik-zmiennego przepływu dystrybucyjnego (VPF)

Dwudrożne zawory regulacyjne, zawory zwrotne (lub izolacyjne) oraz obejście są niezbędne do wdrożenia systemu VPF. Niemniej jednak:

• zastosowanie pomp o zmiennym przepływie czynnika chłodzącego eliminuje potrzebę instalacji dodatkowej pompy rozdzielczej;
• obejście można zainstalować zarówno we współprądzie, jak i w przeciwprądzie wężownic chłodniczych;
• zawór regulacyjny zamontowany na obejściu powoduje, że ilość medium, która zostaje zawrócona do pracującego(ych) agregatu(ów) chłodniczego(ch), nigdy nie spadnie poniżej dolnej granicy.

Zmiana paradygmatu

Przez dłuższy czas producenci agregatów wymagali od projektantów instalacji chłodniczych oraz użytkowników budynków zachowania stałego przepływu wody przez parownik agregatu. Działo się tak dlatego, że szybkie zmniejszenie natężenia przepływu wody zależnie od zmienności warunków panujących w budynku mogło wywoływać zagrożenie dla działania mechanizmu zabezpieczeń agregatu chłodniczego, co mogło z kolei prowadzić do niepożądanych przestojów pracy instalacji. Przestoje mogły być wywoływane zamrożeniem oraz pęknięciem rurek parownika.

Postęp w dziedzinie sterowania wpłynął korzystnie na stabilne działanie agregatów chłodniczych, dzięki czemu przepływ przez parownik pozostaje niezakłócony. Czujniki umieszczone w miejscach strategicznych oraz zastosowanie układów reagowania w czasie rzeczywistym powodują, że obecnie stosowane systemy sterowania umożliwiają pełne wykorzystanie agregatu chłodniczego, czyli wytwarzanie zimnej wody nawet przy zmiennych prędkościach przepływu w parowniku.

Wady i zalety systemu

(...)

Wymagania

(...)

Wdrażanie systemu VPF

(...)

Nie stosować systemu VPF, gdy:

(...)

Rozważyć zastosowanie systemu VPF, gdy:

• Prędkość przepływu medium w systemie można zredukować o przynajmniej 30 procent w stosunku do prędkości projektowej;
• W wyniku przeprowadzonej analizy z wykorzystaniem stosownych narzędzi okazuje się, że zapewni on większe oszczędności niż rozwiązanie „rozdzielone”;
• Użytkownicy systemu zrozumieją zasadę jego użytkowania i będą używać go w sposób właściwy;
• System będzie odporny na umiarkowane zmiany temperatury wody;
• Pojedynczy agregat podlega wymianie, a przepływ podstawowy może być przepływem zmiennym. Chociaż wcześniej tego typu rozwiązania uznano za „zbyt skromne”, mogą one być idealne w systemach VPF.

Podczas etapu projektowania i instalacji:

(...)

Podczas eksploatacji instalacji:

• Utrzymywać zakresy robocze przepływu przez parownik pomiędzy wartościami górnymi i dolnymi. Należy poprosić wytwórcę agregatu chłodniczego o dostarczenie danych technicznych aparatury;
• Utrzymywać odchyłki wartości prędkości przepływu przez parownik w zakresach określonych przez wytwórcę. Stosując zaawansowane układy sterowania agregatów chłodniczych, 30-procentowa zmiana prędkości przepływu w ciągu minuty nie powinna sprawiać technicznych problemów w większości aplikacji;
• Jeśli zajdzie taka potrzeba, operatorzy obsługujący agregat muszą przechodzić dodatkowe szkolenia;
• Gdy będzie to konieczne, w razie zastosowania przepływomierzy należy dokonywać ich kalibracji;
• Wykorzystywać system automatycznego monitorowania pracy agregatu (chłodziarki i pompy). Dokumentować koszty operacyjne.

Uwagi dla użytkownika...

Zmienny przepływ przez parowniki agregatu chłodniczego nie jest niczym nadzwyczajnym, gdyż układ sterowania jest w stanie błyskawicznie reagować na zmieniające się warunki układu. W celu określenia ekonomicznej sprawności podstawowego przepływu zmiennego należy stosować narzędzia do prowadzenia analiz. W razie konieczności, zaproponować powyższe rozwiązanie właścicielowi budynku lub jego użytkownikowi jako wartość dodaną projektowanego systemu.

Piotr KRYSZTOFIK
dyrektor serwisu Trane na Europę Środkową, Wschodnią i Rosję

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 12/2013