W artykule przedstawiono zastosowania technologii inwerterowej w technice klimatyzacyjnej. W szczególności odniesiono się do małych i dużych urządzeń klimatyzacyjnych oraz wytwornic wody lodowej. Przytoczono wyniki badań eksperymentalnych na realnych obiektach i w laboratoriach. Pokazują one, że stosowanie technologii inwerterowej może przynosić oszczędności w użytkowaniu energii, ale ma ona także swoje ograniczenia.

Technika inwerterowa to stosunkowo nowoczesna, ale stosowana już powszechnie metoda różnicowania wydajności danego urządzenia za pomocą przetwornika częstotliwości, który moduluje pracę silników elektrycznych. Maszyny nie pracują już tylko w trybie włącz/wyłącz, ale za pomocą algorytmów sterujących potrafią w sposób płynny dostosowywać swoją wydajność do danego chwilowego zapotrzebowania. W odpowiednio zachowanych warunkach metoda ta daje bardzo pozytywne wyniki w postaci zwiększania efektywności energetycznej. Istnieją przypadki, w których prosty czas zwrotu inwestycji można mierzyć nawet w miesiącach, niekoniecznie w latach [1], ale posiada także swoje ograniczenia. W przypadku niewłaściwego doboru inwertera, przy problemach ze sterowaniem lub przy szybkim i zbyt dużym zapotrzebowaniu na określoną wydajność urządzenia, efektywność energetyczna potrafi być mniejsza od konwencjonalnie stosowanych układów. W technologii klimatyzacyjnej stosuje się urządzenia te do:

• ƒnapędu sprężarek chłodniczych stosowanych w:
  • małych klimatyzatorach typu split o małej mocy chłodniczej,
  • agregatach sprężarkowych o średniej mocy,
  • dużych systemach klimatyzacyjnych typu VRF (z ang. Variable Refrigerant Flow) i VAV (z ang. Variable Air Volume),
  • wytwornicach wody lodowej,
  • pompach ciepła o różnymi dolnych i górnymi źródłami ciepła w wielu możliwych konfiguracjach.
• ƒƒnapędu wentylatorów stosowanych w parownikach, skraplaczach powietrznych,ƒƒ pompach cieczy, ƒƒ sprężarkach powietrza
• ƒƒsilnikach elektrycznych do napędu klimatyzacji samochodowej.

Technika ta polega na wykorzystaniu urządzenia zwanego falownikiem (z ang. inverter), które moduluje częstotliwość, a ta przekłada się na możliwość płynnej regulacji szybkością obrotową silnika elektrycznego mogącego napędzać np. sprężarkę lub wentylator [1]. W przypadku sprężarki możliwa jest ciągła regulacja wydajności chłodniczej, a przez to zadanej temperatury w pomieszczeniu. Zmiana częstotliwości umożliwia w sposób płynny zwiększać lub obniżać wydajność chłodniczą lub cieplną (pompa ciepła). W przypadku wentylatorów inwerter pozwala płynnie regulować wydatek powietrza. 

Napędy inwerterowe stworzono głównie z myślą o wzroście efektywności energetycznej: im mniej włączeń w porównaniu do tradycyjnego trybu pracy ON/OFF, tym mniejsze zużycie energii ze względu na duży prąd rozruchowy w trakcie załączania sprężarki/wentylatora. Ze zmniejszoną ilością włączeń (duże obciążenie wytrzymałościowe elementów sprężarki w trakcie załączania) powiązano zmniejszenie ilości nagłych wyłączeń awaryjnych i wydłużenie czasu pracy elementów składowych urządzenia. Stwierdzono także cichszą pracę urządzeń z napędem inwerterowym.

Wadą technologii są zwiększone nakłady inwestycyjne, natomiast w sprzyjających warunkach są one równoważone przez zmniejszone koszta eksploatacyjne. Ograniczenia w stosowaniu tej technologii polegają również na tym, że nie zawsze z punktu widzenia procesu produkcyjnego istnieje wskazanie do znacznego obniżania wydajności urządzenia np. sprężarki powietrza, pompy cieczy. Może to spowodować utratę sterowalności układu i zwiększyć zapotrzebowanie na energię napędową. Należy pamiętać także o dobrze dobranym oprogramowaniu napędu inwerterowego. To ono jest odpowiedzialne za płynną sterowalność wydajnością danego urządzenia. Poza tym obniżona wydajność przepływu czynnika chłodniczego przez wymiennik ciepła może powodować zmniejszenie współczynników wnikania ciepła, co przekładać się może na zmniejszenie wydajności cieplnej np. parownika lub skraplacza w urządzeniu chłodniczym, klimatyzacyjnym.

Poniżej przedstawiono wybrane zastosowania technologii inwerterowej oraz dostępne dane z badań i analiz eksperymentalnych dotyczące eksploatacji systemów, w których tę technologię zastosowano.

Klimatyzacja pomieszczeń biurowych za pomocą urządzeń typu split

Badania dotyczyły pomieszczeń w Uniwersytecie Technicznym w stolicy Turcji Istambule [2]. Każde z nich miało powierzchnię użytkową około 25 m² o wysokości 3 m z oknami po stronie wschodniej. Zamontowano w nich po dwa urządzenia klimatyzacyjne typu split – konwencjonalne pracujące w trybie ON/OFF i napędzane inwerterem o płynnej regulacji wydajności chłodniczej. Split konwencjonalny miał nominalną wydajność chłodniczą 3,2 kW oraz współczynnik EER wynoszący 3,21. Z kolei split z napędem inwerterowym miał deklarowaną wydajność chłodniczą 3,52 kW i współczynnik EER na poziomie 3,23. Test trwał 43 dni, w trakcie których urządzenia pracowały z przerwami. Celem prowadzonych badań były przede wszystkim pomiary realnych wartości zużycia energii. Dla porównywalnych profili temperatury w kolejnych dniach załączano na przemian split konwencjolany i napędzany inwerterem. Należy wspomnieć, że w celach porównawczych w jednym pokoju żądana nastawa temperatury wewnętrznej wynosiła 27°C, zaś w drugim 25°C. 

Rys. 1. Pomieszczenia uniwersyteckie, w których zamontowano badane urządzenia. (na podstawie Fig. 1 z pracy [2])

Wyniki prowadzonych eksperymentów wykazały istotne oszczędności energii w przypadku stosowania splita napędzanego inwerterowo, co uwidoczniono w tabeli 1. Warto zwrócić uwagę na fakt, że różnica dwóch stopni w nastawie temperatury wewnętrznej spowodowała wzrost zapotrzebowania na energię w przypadku splita ON/OFF o 82,2%, a w przypadku splita napędzanego inwerterowo wartość ta wyniosła 78%.

Systemy VRF

(...)

Wytwornice wody lodowej

(...)

Podsumowanie

Przedstawione wyżej przykłady zastosowania napędów z przetwornikami częstotliwości prądu zasilającego układy sprężarkowe urządzeń stosowanych w chłodnictwie i klimatyzacji pozwalają patrzeć optymistycznie na ich dalszy rozwój. Prezentowane wyniki nie są jednostronne, pokazują, że układy inwerterowe potrafią być bardzo efektywne [5, 6], ale w niesprzyjających warunkach pracy urządzenia efektywność ta może być nawet mniejsza od klasycznych napędów typu ON/OFF.

Według autora niniejszego opracowania przedstawiana problematyka jest interesująca, o czym świadczy m. in. zwiększone zainteresowanie techniką inwerterową w branży motoryzacyjnej. Doniesienia naukowe podają, że rozważa się wymianę tradycyjnego napędu samochodowego systemu klimatyzacji na silnik elektryczny z przetwornikiem częstotliwości [7, 8]. Dowiedziono, że może to wyraźnie wpłynąć za zwiększenie efektywności zużycia paliwa w trakcie poruszania się pojazdu [9].

Dr inż. Adam RUCIŃSKI
Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa,
Instytut Techniki Cieplnej,
Politechnika Warszawska

LITERATURA:

[1] MARTIN J.: Energy savings from inverter driver in the efficient building. World Pumps, 3, 2008, str. 32-34.
[2] BERKER YURTSEVEN M., ERKIN E., ACUNER E., METE S., ONAYGIL S.: An experimental investigation of energy saving potentials forroom type variable-speed air conditioners in public offices: A case study from Istanbul. Energy and Buildings, 68 (2014) str. 165–171.
[3] AYNUR T. N.: Variable refrigerant flow systems: A review. Energy and Buildings, 42 (2010) str. 1106–1112. 
[4] CECCHINATO L.: Part load efficiency of packaged air-cooled water chillers with inverter driven scroll compressors. Energy Conversion and Management, 51 (2010) str. 1500–1509.
[5] GOMES A., HENGGELER ANTUNES C., MARTINHO J.: A physically-based model for simulating inverter type air conditioners/heat pumps. Energy, 50 (2013) str. 110-119. 
[6] GRIGNON-MASSE L., RIVIERE P., ADNOT J.: Strategies for reducing the environmental impacts of room air conditioners in Europe. Energy Policy, 39 (2011) str. 2152–2164.
[7] CUEVAS C., FONSECA N., LEMORT V.: Automotive electric scroll compressor: Testing and modeling. International Journal of Refrigeration, 35 (2012) str. 841-849.
[8] ALKAN A., HOSOZ M.: Comparative performance of an automotive air conditioning system using fixed and variable capacity compressors. International Journal of Refrigeration, 33 (2010) str. 487-495.
[9] ASHRAE Senior Project Report: A Performance Study on Electric Powered Vehicle Air Conditioning System. National Taipei University of Technology (NTUT), 2012.