Reklama
Reklama
 
 
 
Reklama
Systemy stało- czy zmiennoprzepływowe? Cz. 2.
Ocena użytkowników: / 6
SłabyŚwietny 
Data dodania: 24.02.2015

Zastosowanie systemu zmienno-przepływowego bez uprzedniej analizy wpływu na cały system klimatyzacyjny może powodować nawet, w niektórych warunkach pracy systemu, efekt całkowicie odwrotny – wzrost zapotrzebowania na moc elektryczną przez system klimatyzacyjny. Artykuł kontynuuje tematykę podjętą w 4/2014 str. 64.

W pierwszej części artykułu autor zwrócił uwagę, że bezpośrednie zastosowanie pompy zmiennego wydatku w sprężarkowym agregacie chłodniczym pozwala jedynie na ograniczone oszczędności związane z kosztami pracy układów pompowych (ograniczenie zakresu regulacji uwarunkowane zakresem spadku temperatury 3÷8 K na parowaczu) i może powodować zwiększone zużycie energii układu agregat–pompa. Zastosowanie zmiennego wydatku przez parowacz sprężarkowego agregatu chłodniczego w porównaniu np. z układem stałoprzepływowym (stały przepływ przez parowacz agregatu chłodniczego) z agregatem sterowanym od temperatury wody na wejściu do parowacza agregatu chłodniczego, powoduje wzrost temperatury odparowania, co przenosi się na wzrost poboru energii elektrycznej przez sprężarkę. Z uwagi na przytoczoną skalę poborów mocy przez sprężarkę (-i) oraz pompy, oszczędności pozyskane tytułem pracy pompy będą niwelowane i przekroczone przez wzrost kosztów energii elektrycznej związanej z pracą sprężarki.

 

 

Układy hydrauliczne

 

Systemów i rozwiązań hydraulicznych układów wody lodowej jest wiele. Do podstawowych należą: 

– układy ze stałym przepływem w obiegu pierwotnym (agregatu) CPF – Constant Primary Flow 

Przykładem takiego rozwiązania jest system, w którym odbiorniki chłodu są regulowane za pośrednictwem trójdrogowych zaworów regulacyjnych (regulacja ilościowa na odbiorniku). W zależności od obciążenia odbiornika chłodu zawór regulacyjny reguluje przepływ przez odbiornik, pozostała ilość wody kierowana jest na by-pass. W ten sposób utrzymywany jest stały przepływ w obrębie źródła chłodu (jest on sumą przepływów przez by-pass’y odbiorników chłodu oraz przepływów przez odbiorniki chłodu), niezależnie od zmian obciążenia. Pompy stałego wydatku mogą być zamontowane bezpośrednio w agregacie lub też na instalacji poza obrysem agregatu.

 

 

2015 0102 52 1

Rys. 1. Przykład systemu CPF [1, 2]

 

 

– układy ze stałym przepływem w obiegu pierwotnym i zmiennym przepływem w obiegu wtórnym P/S – Constant Primary Flow / Variable Secondary Flow

Tego typu rozwiązania polegają najczęściej na zastosowaniu zaworów dwudrogowych (przelotowych) jako elementów regulacyjnych przy odbiornikach chłodu (regulacja ilościowa). W zależności od zmian obciążenia odbiornika regulowana jest ilość wody przepływającej przez wymiennik odbiornika. W wyniku zastosowania zaworów dwudrogowych na całym obwodzie przepływ jest zmienny zarówno na odbiornikach jak również w obiegu agregatu. Z uwagi na zabezpieczenie minimalnych przepływów przez parowacz agregatu, dokonywana jest separacja układu hydraulicznego na pierwotny (agregat) oraz wtórny (odbiorniki chłodu). Elementem separacyjnym może być belka obejściowa, zbiornik buforowy w układzie sprzęgła hydraulicznego lub też wymiennik pośredniczący. Zastosowanie wymiennika pośredniczącego powoduje konieczność doboru parametrów w obiegu parowacza na niższe (spadek temperatury odparowania przez co wydajności i efektywności agregatu maleją), ale jest stosowane, gdyż pozwala np. na wyeliminowanie glikolu z instalacji. 

 

Po stronie wtórnego obiegu wykorzystywane są pompy zmiennego wydatku, w obiegu agregatu wykorzystywane są pompy o stałej wydajności.

 

 

2015 0102 52 2

Rys. 2. Przykład systemu P/S [1, 2]

 

 

– układy ze zmiennym przepływem w obiegu pierwotnym (agregatu) VPF – Variable Primary Flow

Omówiony w pierwszej części artykułu układ pozwala na zastosowanie zaworów dwudrogowych jako elementów regulacyjnych przy odbiornikach chłodu. Układ zbliżony do opisanego powyżej, różnicę stanowi brak elementu separacyjnego układu hydraulicznego na obieg pierwotny i wtórny. Zmienny przepływ występuje w całym układzie hydraulicznym. Z uwagi na ograniczenia zakresu przepływów na parowaczu regulacja zmiennego wydatku może odbywać się tylko w ograniczonym zakresie. Pompy zmiennego wydatku regulują przepływ w zależności od zmian ciśnienia wywołanych przymykaniem poszczególnych dwudrogowych zaworów regulacyjnych na odbiornikach chłodu. 

 

Zakres dopuszczalnej regulacji można określić na podstawie dobranej Δt wody na parowaczu i maksymalnej dopuszczalnej Δt wody na parowaczu określonej przez producenta agregatu chłodniczego. 

 

Dla przykładu dla dobranej Δt wody 5 K (parametry 12/7°C) oraz maksymalnej dopuszczalnej różnicy Δt wody określonej przez producenta, równej 8 K, dolny zakres regulacji wynosi: 5 / 8 = 62,5%. Dopuszczalny zakres zmian przepływów w systemie powinien się wahać pomiędzy 62,5 a 100%. Przy maksymalnej dopuszczalnej różnicy temperatury wody równej 10 K oraz dla obliczeniowych parametrów wody jak powyżej, dopuszczalny zakres zmian przepływów wody przez parowacz wyniesie: 50÷100%. 

 

Gdy na skutek przymykania się zaworów dwudrogowych przepływ będzie mniejszy od minimalnego – określonego jak powyżej, przekroczone zostaną dopuszczenia producenta.

 

 

2015 0102 53 1

Rys. 3. Przykład systemu VPF [1, 2]

 

 

Systemy o dużej wydajności – zastosowanie kart master-slave

(...)

 

 

Kalkulacje oszczędności/strat zużycia energii elektrycznej

 

Nim zostaną omówione koszty eksploatacji związane z zastosowaniem systemów stało- i zmiennoprzepływowych, chciałbym raz jeszcze przytoczyć wspomnianą w pierwszej części artykułu skalę problemu. Przy agregacie o mocy chłodniczej równej 1000 kW: 30% tej mocy to pobór mocy elektrycznej przez układ sprężarkowy (około 300 kW), zaledwie 3% to pobór mocy elektrycznej przez układy pompowe. Weryfi kacja jakichkolwiek rozwiązań bez uwzględnienia układu sprężarkowego nie jest wiarygodna. W celu oszacowania pewnych zależności można się posłużyć następującymi przykładami: 

 

Założenia: 

Zakładamy agregat o wydajności chłodniczej 1 000 kW 

Parametry wody 12/7°C bez domieszek glikoli 

Wysokość podnoszenia: około 150 kPa 

Przepływ masowy wody przez parowacz: 1 000 [kJ/s] / 4,19 [kJ/kgK] x 5 [K] = 47,7 kg/s = 171,72 m3/h

Sprawność ogólna układu pompowego (wirnika, silnika itp.): 0,65

Moc elektryczna pobierana przez układ pompowy: 171,72 [m3/h] x 150 000 [Pa] / 3600 x 0,65 = 11 007,7 W = 11 kW

Przewidywany czas pracy: 2 000 godz.

 

1) pompa zmiennego wydatku bezpośrednio jest podłączona do jednego agregatu chłodniczego (układ VPF):

  • Sezonowy wskaźnik efektywności energetycznej ESEER dla agregatu sterowanego w funkcji temperatury wody wlotowej do parowacza: 5,1
  • Sezonowy wskaźnik efektywności energetycznej ESEER dla agregatu sterowanego w funkcji temperatury wody wylotowej z parowacza: 4,6
  • Przyjęty uśredniony sezonowy wskaźnik efektywności energetycznej ESEER dla agregatu pracującego w układzie zmiennego przepływu na parowaczu (stała Δt wody na parowaczu): 4,85

 

Oszczędności tytułem zmiennego wydatku pomp (zakładamy zakres regulacji od 60 do 100% z uwagi na ograniczenia, co do zakresu dopuszczalnej Δt wody na parowaczu):

 

11 kW x (1 – 0,63) x 2 000 h = 17 248 kWh = ok. 6 900 PLN

 

Straty tytułem zastosowania zmiennego a nie stałego przepływu na parowaczu agregatu z regulacją w funkcji temperatury wody powracającej z instalacji:

 

(1000 kW / 5,1) x [(4,85 – 5,1) / 5,1)] x 2 000 h = -19 215 kWh = ok. -7 686 PLN

 

Reasumując, zastosowanie zmiennego przepływu powoduje wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną oraz wymierne straty, tytułem kosztów eksploatacyjnych przy agregacie o mocy chłodniczej 1 MW, rzędu 786 PLN. Co więcej, przy zastosowaniu zmiennego wydatku:

  • w powyższych kalkulacjach nie uwzględnia, się obok zmiany profilu temperatury na wymienniku, spadków współczynników wymiany ciepła na wskutek zmniejszonego przepływu cieczy w parowaczu.
  • należy uwzględnić bardzo wysokie koszty układów regulacji wydajności pomp cyrkulacyjnych. Ich koszt przy agregacie o mocy 1 MW jest gigantyczny i wiąże się z dalszym wzrostem wydatków ponad zwiększone koszty eksploatacyjne;
  • niezależnie od rozwiązania układu hydraulicznego, przepływy przez parowacz agregatu chłodniczego podlegają ograniczeniom. Przy mniejszych obciążeniach, przy których dochodzi do przekroczenia zakresu dopuszczalnych przepływów dla parownika, układ regulacyjny nie pracuje efektywnie, bo musi zostać zachowany stały, minimalny przepływ w obiegu parowacza agregatu chłodniczego (czyli musi pracować pompa o takiej mocy, by pozwoliła na utrzymanie minimalnego przepływu przez parowacz agregatu chłodniczego);
  • według autora publikacji [1] sugerowane jest obniżenie nastawy wartości zadanej agregatu chłodniczego, w celu przeciwdziałania zbyt małej Δt wody na parowaczu (i w rezultacie zwiększenie wydajności chłodniczej odbiorników chłodu). Jak wspomniano powyżej układ regulacyjny posiada w dalszym ciągu ograniczenia stałego minimalnego przepływu przez parowacz, w celu zachowania wymagań producenta i co najważniejsze, obniżenie nastawy wartości zadanej agregatu chłodniczego o każdy 1°C powoduje wzrost energochłonności przez układ sprężarkowy o około 2,5%.

 

Do momentu pisania niniejszej publikacji autor nie spotkał rozwiązania agregatu chłodniczego, pozwalającego na zmniejszenie przepływów przez parowacz ponad wskazany zakres Δt wody na parowaczu tj. 3÷8 (10) K. Regulacja wydajności po stronie freonowej odbywa się na zasadzie utrzymania wartości zadanej temperatury wody lodowej, a nie wynika z utrzymania minimalnego przepływu przez parowacz agregatu chłodniczego. 

 

Oczywiście autor spotkał próby przekroczenia przepływów poniżej minimalnych wartości deklarowanych przez producenta, ale po pierwsze w momencie ewentualnych uszkodzeń agregatu, producent nie podtrzyma warunków gwarancji, po drugie zaś określenie minimalnego przepływu wymaga przeprowadzenia szczegółowych prób laboratoryjnych i późniejszego zastosowania bardzo dokładnych elementów pomiarowych w zakresie minimalnych przepływów określonych drogą doświadczalną (jest to obarczone bardzo dużym ryzykiem zamarznięcia cieczy na parowaczu i w rezultacie pęknięciem wymiennika parowacza).

 

2) Przypadek trzech agregatów połączonych równolegle, każdy o parametrach jak w założeniach: 

a) wyłączony jeden agregat chłodniczy dla obciążenia równego 66% – 990 kW (0,66 x 3 000 kW = 1980 kW) dla systemu zmiennoprzepływowego.

Dwa agregaty pracują z pełną mocą chłodniczą, niższy wskaźnik efektywności energetycznej EER66%: 4,73 

Pobór mocy elektrycznej przez układ sprężarkowy 1980 kW / 4,73 = 418,6 kW

Wyłączona jedna pompa przy agregacie: oszczędność 11 kW

 

b) Przy rozwiązaniu stałoprzepływowym pracują trzy agregaty chłodnicze z wyższą efektywnością energetyczną z uwagi na mniejszą liczbę załączonych stopni regulacji wydajności EER66%: 5,21 

Pobór mocy elektrycznej przez układ sprężarkowy 1980 / 5,21 = 380,0 kW 

Załączone wszystkie pompy pracujące z pełną wydajnością: brak oszczędność z tytułu pracy pomp. 

Zachowując stały przepływ, regulację w oparciu o temperaturę wody powracającej z instalacji i zakładając pracę wszystkich trzech agregatów chłodniczych, pozwalamy na ich pracę z wyższą efektywnością (mniejsza liczba załączonych stopni regulacji wydajności wszystkich agregatów). Oczywiście powyższe stwierdzenie odnosi się do porównania do układu równoważnego, proponowanego przez autora publikacji [1] przy obciążeniu 66% (wyłączony jeden agregat i jedna pompa), oszczędności tytułem pracy układu sprężarkowego są niewspółmiernie wyższe niż te wynikające z wyłączenia jednej pompy i jednego agregatu.

 

3) W celu sprawdzenia wpływu zmiennego wydatku na zużycie energii elektrycznej można również się posłużyć prostym analitycznym rozumowaniem

Przez 90% czasu większość systemów klimatyzacyjnych pracuje z obciążeniem niższym niż 60% całkowitej mocy chłodniczej. 

 

Zakładając, że dla obciążenia równego 50% profil temperatury z pierwszej części artykułu dla systemów stałoprzepływowych wynosi: 12/9,5°C średnia temperatura wody będzie wynosić: 10,75°C. Stosując system zmiennoprzepływowy, profi l temperatury nie zmieni się i będzie wynosił 12/7°C – średnia temperatura wody wynosić będzie 9,5°C. 

 

Różnica pomiędzy średnimi temperaturami wody będzie wynosić około 1,25 K. 

 

Dla obciążenia 25% profile temperatury będą wynosić: 

System stałoprzepływowy, regulacja od powrotu: 12/10,75, średnia temperatura: 11,37°C

System zmiennoprzepływowy, parametry na parowaczu 12/7, średnia temperatura: 9,5°C

Różnica wynosić będzie około 1,9°C.

Już na podstawie powyższych profi li temperatury można stwierdzić, że dla systemu zmiennoprzepływowego temperatury odparowania będą niższe, co wiązać się będzie ze zwiększonym zużyciem energii elektrycznej. Różnice te będą jeszcze większe, jeśli uwzględni się zmniejszone przepływy i współczynniki wymiany ciepła dla systemów zmiennoprzepływowych w obiegu agregatu.

 

 

Wnioski

 

 

Jak wynika z przedstawionych w obu częściach artykułu informacji można wysnuć następujące wnioski:

  • Zastosowanie zmiennego przepływu, jak wskazuje Dziennik Ustaw [3], nie powinno być obligatoryjnie stosowane do wszystkich rozwiązań systemów klimatyzacyjnych
  • Przed podjęciem decyzji o zastosowaniu systemu zmiennoprzepływowego przede wszystkim należy się kierować jego wpływem na energochłonność układu sprężarkowego
  • Projektanci systemów klimatyzacyjnych powinni przede wszystkim zwracać uwagę na rodzaj regulacji agregatu chłodniczego. Wszędzie tam, gdzie jest to możliwe należy dążyć do regulacji agregatu w oparciu o temperaturę wody powracającej do instalacji. Ten rodzaj regulacji w powiązaniu z zachowaniem stałego przepływu w obiegu agregatu pozwala na uzyskanie oszczędności energetycznych, inwestycyjnych i eksploatacyjnych
  • Przy konieczności zastosowania regulacji agregatu w funkcji temperatury wody wyjściowej z parowacza (wymóg utrzymania stałej temperatury wody wyjściowej np. w układach technologicznych, procesach osuszania powietrza itp.) można dążyć do uzyskania zmiennego przepływu na parowaczu agregatu (oszczędności w takim wypadku wynikają z korzystniejszego dla częściowego obciążenia cieplnego profi lu temperatury na parowaczu i oszczędności energetycznych z pracy pompy o zmiennym wydatku
  • Przy systemach pracujących z pełnym obciążeniem cieplnym zużycie energii elektrycznej przez systemy stało- i zmiennoprzepływowe będzie takie samo (profi le temperatury na parowaczu, takie same maksymalne przepływy)
  • Korzyści wynikające z zastosowania zmiennego przepływu uwydatniają się przy zmniejszonych obciążeniach cieplnych, przy zastosowaniu z agregatami chłodniczymi regulowanymi od temperatury wody wyjściowej z parowacza, ale podlegają ograniczeniu z uwagi na dopuszczenia minimalnych przepływów przez producentów agregatów chłodniczych.

 

 

Bartłomiej ADAMSKI

 

 

LITERATURA:

[1] Roy S. HUBBARD: Porównanie układów hydraulicznych instalacji wody lodowej. Wpływ konfiguracji centralnej maszynowni wody lodowej na pobór energii elektrycznej systemu klimatyzacyjnego. Opracowanie: J. Mirkowicz. Chłodnictwo&klimatyzacja 5/2013. ss.42-46.

[2] Roy S. HUBBARD: Energy Impacts of Chilled-Water-Piping Confi guration. HPAC Engineering. November, 2011.

[3] Dziennik Ustaw Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 13 sierpnia 2013 r. poz. 926 rozporządzenie ministra transportu, budownictwa i gospodarki morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.

[4] B. ADAMSKI: Nowoczesne urządzenia i systemy klimatyzacyjne. Cz. 1. Agregaty wody ziębniczej.

 

 

Artykuł z miesięcznika Chłodnictwo&Klimatyzacja nr 01-02/2015

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2021

  • Pompy ciepła 2020-2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2020

  • Pompy ciepła 2019-2020

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

  • Pompy ciepła 2018

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2018

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.