بررسی شرایط افزایش بازده چیلر


معمولا سامانه‌های HVAC دارای سهم تقریبی ۷۰ درصدی از انرژی مصرفی ساختمان می‌باشند. از میان ۷۰ درصد مذکور، انرژی مصرفی چیلرها برای تولید آب سرد کاربردی در تهویه مطبوع، ۳۵- ۲۵ درصد است. بنابراین بازده چیلر و بهینه سازی کارآیی آنها در داخل سامانه‌های HVAC دارای ارزش بسزایی برای دست‌یابی به کارآیی بالا می‌باشد.

اکثر چیلرهای سامانه‌های HVAC در چرخه تراکمی بخار کار می‌کنند. در چرخه تراکمی بخار، برای تولید آب سرد، سردساز (مبرد) از طریق یک کمپرسور از میان مبدل‌های حرارتی به گردش در می‌آید و یک چگالنده نیز گرمای دریافتی سردساز (‌گرمای جذبی از آب) را دفع می‌کند. بنابراین چیلرها وابسته به چگونگی دفع گرما می‌توانند از نوع هوا خنک و یا آب خنک باشند.

چیلرهای آب خنک، متراکم‌تر، کم صداتر، دارای عمر عملیاتی بالاتر و بازده انرژی بیشتری در قیاس با چیلرهای هوا خنک می‌باشند. به عنوان یک قانون کلی، چیلرهای قدیمی‌تر از ۱۵ سال معمولا حاوی «سردسازهای تهی ساز لایه اوزون‌» می‌باشند. بنابراین جایگزینی آنها با واحدهای به روزی با کارایی بالاتر و حاوی سردسازهایی با پتانسل تهی سازی لایه اوزون صفر و پتانسیل گرمایش جهانی پایین‌تر الزامی است.

adbanner

اغلب چیلرهای گریز از مرکز که تا قبل از سال ۱۹۹۵ میلادی ساخته شده‌اند از ۱۱-CFC و ۱۲-CFC و یا ۱۲-HCFC استفاده نموده‌اند که همینطور که قبلا بیان شد، این موارد باعث تخریب لایه استرانو‌سفوریک (ازن) می‌شوند.

مقاله مرتبط: کاربرد مبرد برای چیلر چیست؟

» بازده چیلر

غالباً تمرکز مهندسان و کارشناسان کنترل‌ها بر بهبود بازده چیلرها دارای تأثیرهای زیان باری بر انرژی مصرفی تجهیزاتی نظیر برج‌های خنک کن، بادزن‌های توزیع هوا، پمپ‌های آب سرد و آب چگالنده است. در مواردی برآیند خالص بهبود بازده چیلرها منجر به افزایش انرژی مصرفی کلی می گردد. بنابراین کاربرد دیدگاه کلی نگرانه‌تری برای کل سامانه در زمان اتخاذ هر گونه تصمیمی برای بهبود بازده چیلرها الزامی است.

بازده سرمایشی یک چیلر به عنوان ضریب کارآیی (Coefficient Of Performance) COP، یا نسبت بازده انرژی EER (Energy Efficiency Ratio) برابر ظرفیت برودتی در بار کامل (در واحد وات) تقسیم بر توان ورودی الکتریکی (در وات) بیان می‌گردد. اصولاً بازده چیلرها با نرخ ثابتی به دلیل بهبودهای کمپرسور و فناوری مبدل حرارتی، به همراه کاربرد کنترل‌های بهتر افزایش یافته است.

شرکت GHD یکی از شرکت‌های خدمات رسانی در بازارهای جهانی آب، انرژی و منابع، محیط زیست، املاک و ساختمان و حمل و نقل است. شرکت مذکور، سرویس‌های مهندسی معماری، زیست محیطی و ساختمان سازی را برای مشتریان بخش‌های خصوصی و عمومی تأمین می‌کند.

با توجه به عدم کارکرد غالب چیلرهای سامانه‌های HVAC تحت شرایط بار کامل، معیار بهتری برای ارزیابی بازده چیلرها «مقدار بار جزئی یکپارچه (IPLV)» است.

برای محاسبه COP چیلرها نباید فقط به مقدار آن در بار کامل اکتفا نمود بلکه بهتر است از میانگین آن در شرایط و بارهای گوناگون استفاده کرد. برای تعیین میزان متوسط COP در طول روز از معیاری به نام IPLV استفاده می‌شود. نحوه محاسبه IPLV به شرح زیر است:

IPLV = 0.13a + 0.29b + 0.43c + 0.15d

که در آن a مقدار cop در ۱۰۰ ٪ بار , b مقدار cop در ۷۵ ٪ بار , c مقدار cop در ۵۰ ٪ بار ,d مقدار cop در ۲۵ ٪ بار است. مفهوم ضرایب بالا به این صورت است:

  • ۱۳ ٪ ساعت در ۱۰۰٪ بار
  • ۲۹ ٪ ساعت در ۷۵٪ بار
  • ۴۳ ٪ ساعت در ۵۰٪ بار
  • ۱۵ ٪ ساعت در ۲۵٪ بار

IPLV توسط «انجمن تهویه مطبوع، گرمایش و تبرید (AHRI) آمریکا توسعه یافته است و به عنوان AHRI 551/591 استاندارد شده است.

adbanner

در ادامه IPLV ،COPهای یک چیلر در بارهای ۲۵، ۵۰، ۷۵، ۱۰۰درصدی را در شرایط عملیاتی گوناگون در نظر می‌گیرد و معیار بهتری برای کارآیی یک چیلر در طول یک فصل سرمایشی متداول است.

شکل بالا نشان میدهد که تقاضای چیلر در ساختمان‌های نوع اداری متداول برای اکثر طول سال پایین می‌باشد و بنابراین ارزش ارزیابی بازده چیلرها در بار جزئی و تحت شرایط غالب محیطی و نه در بار کلی (مشابه شیوه‌های قدیمی) را نشان می‌دهد.

برای بهینه سازی گزینش چیلر برای ساختمان‌های کارآیی – بالا، دقیق‌ترین روش شامل شبیه سازی حرارتی ساختمان برای تعیین پروفیل بار سرمایشی سالانه تحت شرایط محیطی گوناگون است. برای ساختمان‌های موجود (قدیمی)، پروفیل بار سرمایشی را می‌توان از طریق کاربرد داده‌های سامانه مدیریت ساختمان (BMS) تعیین نمود. سامانه مدیریت ساختمان (BMS)، داده‌های مذکور را از طریق اندازه‌گیری و پایش کافی انرژی و بار حرارتی تأمین می‌سازد.

مقاله مرتبط: مدیریت هوشمند ساختمان BMS و تهویه مطبوع HVAC

» قوانین بازده چیلر

از دسامبر ۲۰۱۲، چیلرهای با ظرفیت‌های بالاتر از ۳۵۰kW تحت فروش در استرالیا باید منطبق با قوانین «استانداردهای کارآیی انرژی کمینه  the Minimum Energy Performance Standards) MEPS) » باشند. جدول مورد اشاره در پایین، رتبه‌های انرژی با لزوم دست یابی چیلرها به آنها در زمان اجرای آزمایش چیلرها بر طبق ۴۷۷۶ AS/NZS را نشان می‌دهد. چیلرهایی با ظرفیت‌های پایین تر از ۳۵۰kW نیز به وسیله «کد ساختمان سازی ملی استرالیا» پوشش داده می‌شوند.

برای چیلرهای آب خنک، COP کمینه برابر ۴/۲ و IPLV کمینه برابر ۵/۲ است و برای چیلرهای هواخنک نیز COP کمینه برابر ۲/۵ و IPLV کمینه برابر ۳/۴ است.

» چیلرهای آب خنک در برابر چیلرهای هواخنک

به طور کلی چیلرهای آب خنک در قیاس با چیلرهای هواخنک، متراکم‌تر، کم صداتر، کارایی انرژی بالاتر و دارای عمر عملیاتی بالاتری هستند. با این حال، هزینه‌های دوره عمر چیلرهای مذکور باید در نظر گرفته شوند. گزینش نهائی چیلرها به عواملی نظیر ناحیه اقلیمی، ساعت‌های بهره برداری، پروفیل بار سرمایشی، الزام‌های زائد سامانه، فضای در دسترس، هزینه‌های اولیه و عملیاتی، بازده انرژی، هزینه‌های آب مصرفی و هزینه‌های پالایش آب بستگی دارند.

برای مثال در مناطق اقلیمی سردتر، به ویژه برای ساختمان‌هایی با کاربرد شبانه و در زمان‌هایی با دمای محیطی پایین، صرفه جویی‌های انرژی ناشی از چیلرهای آب خنک می‌تواند کمینه باشد. چیلرهای آب خنک دارای هزینه‌های دوره عمر پایین‌تری در مناطق اقلیمی گرم‌تر، در ساختمان‌هایی با بهره برداری طولانی مدت چیلرها و در مکان‌هایی با ظرفیت چیلر بالاتر از ۱/۵MW می‌باشند. بازده آب نیز در واقع یک عامل عملیاتی کلیدی در ساختمان‌هایی با کاربرد چیلرهای آب خنک است.

یک گزینه در دسترس برای سامانه‌های کوچک‌تر استفاده از یک سامانه هوا خنک به همراه لایی‌های (سطوح) آدیاباتیک می‌باشد. لایی‌های آدیاباتیک در واقع سطوح تبخیری پیش سرمایشی است که در مقابل مبدل حرارتی نصب می‌شوند. عبور جریان هوا از میان لایی‌های مرطوب آدیاباتیک پیش از ورود به مبدل حرارتی پیش سرمایش جریان هوا می‌شود.

» آب چگالنده و بارتنظیم دمای آب سرد

بازده چیلرها به ویژه در زمان کاربرد کمپرسورهای سرعت متغیر، در هنگام کاهش دمای چگالشی (دفع گرما) و یا در هنگام افزایش دمای تبخیری (آب سرد) به طور چشم‌گیری افزایش می‌یابد. انرژی مصرفی را می‌توان وابسته به نوع چیلر تا میزان (C°) ۱/۵ – ۲/۵ کاهش داد.

به طور سنتی، برج‌های خنک کن برای نگهداشت دمای آب ورودی به چیلر در دمای ثابت (C°) ۲۹ استفاده شده‌اند. در چیلرهای پیشرفته کنونی، دمای آب چگالنده می‌تواند تا میزان اندک (C°) ۱۵ نیز در زمان و قوع شرایط مطلوب محیطى غالب کاهش یابد.

به طور مشابه، در طول بازه‌های زمانی تقاضای سرمایشی پایین، برای دست یابی به بازده بالاتر، دمای آب سرد تنظیمی در (C°) ۶  (تنظیم سنتی) را می‌توان تا دمای بالاتری نیز باز تنظیم کرد. با این حال اطمینان طراحان از عدم تأثیر منفی افزایش بازده بر انرژی مصرفی بالاتر ناشی از توان موردنیاز مصرفی بیشتر بادزن‌های برج‌های خنک کن و بادزن‌های واحد هواساز برای نگهداشت سطح آسایش مشابه ساکنان ساختمان در دمای هوای بالاتر الزامی است.

» پمپاژ متغیر

در ساختمان‌های بزرگ، انرژی مورد نیاز برای گردش (پمپاژ) آب سرد، سهم بالایی از کل انرژی مصرفی سامانه آب سرد را  در بر می‌گیرد. بنابراین طراحان سامانه‌ها باید گزینه‌های در دسترس برای پمپاژ آب سرد جریان متغیر قابل دست‌یابی از طریق یک سامانه اولیه و یا یک سامانه اولیه و ثانویه را در نظر بگیرند.

به علاوه انرژی پمپاژ را می‌توان علی رغم کاهش بازده چیلر، از طریق نرخ‌های جریان آب سرد پایین‌تر کاهش داد. به طور سنتی چیلرها به کاهش نرخ‌های جریان آب حساس بوده‌اند. با این حال چیلرهای پیشرفته کنونی، به شرط نگهداشت نرخ تغییر مذکور در گسترده مقادیر قابل قبول، دارای انعطاف‌پذیری بسیار بالاتری می‌باشند.

  • تولید کنندگان امروزی گزینه‌هایی شامل طرح ذیل را پیشنهاد می‌دهند:

اتصال سری چیلرها و جریان معکوس آب سرد و آب چگالنده از میان چیلرها. با وجود پتانسل بالای گزینه فوق و گزینه‌های دیگر برای افزایش بازده انرژی، مشاوره طراحان با تولید‌کنندگان برای دست‌یابی به درک کاملی از سامانه‌ها و مشکل‌ها برای جلوگیری از خطرها و اشکال‌های بالقوه احتمالی در آینده، الزامی است.

» نگهداری و پایش

فرایند نگهداری صحیح برای نگهداشت بازده عملیاتی اوج تأسیسات آب سرد، الزامی و حیاتی است. ملاحظاتی نظیر کالیبراسون حس گرهای کنترلی و پاکیزه نگهداری مبدل‌های حرارتی دارای تأثیر چشم‌گیری بر بازده انرژی دارد. در هنگام کاربرد برج‌های خنک کن مدار باز، چگالنده‌های چیلر باید برای وارسی رسوب گذاری، پایش گردند.

یک لایه رسوب ۰/۶mm (شامل خاکه، چرک، گرده و رطوبت و غیره) بر روی کویل‌های پره‌دار مبدل حرارتی منجر به افزایش توان مصرفی تا میزان حداکثری ۲۰ درصدی می‌شود.

BMS دارای نقشی کلیدی در پایش انرژی مصرفی چیلر و COP می‌باشد، به علاوه برنامه پذیرسازی BMS برای تولید گزارش‌های خودکار موارد غیر نرمال (استثناءها)، در زمان فراتر روی شاخص‌های کارآیی کلیدی از حدود قابل قبول نیز امکان‌پذیر است.

یک نمونه موردی: باز اصلاح ساختمان اداری

چیلر نصبی در یکی از ساختمان‌های اداری شهر کانبرای استرالیا دارای ظرفیت ۴۲۰kW، به همراه «کمپرسورهای سانتریفیوژ نوع دوقلوی توربوکور twin Turbocor type centrifugal compressors» یاتاقان‌های مغناطیسی غیر روغنی و درایوهای سرعت – متغیر داخلی (‌یکپارچه) است.

COP چیلر مذکور برابر ۴/۰۳ و IPLV چیلر مذکور برابر ۷/۱ می‌باشد. به دلیل سایز نسبتا کوچک چیلر، چیلر مذکور از نوع هوا خنک با لایی‌های آدیاباتیک داخلی و نه از نوع چیلر آب خنک متصل به یک برج خنک کن است. گزینه مذکور منجر به کاهش هزینه‌های سالانه پالایش آب و آب مصرفی تا میزان تقریبی ۳۰۰۰ دلاری می‌شود. اصولا سامانه مذکور به عنوان یک واحد هوا خنک، با لایی‌های پیش سرمایشی آدیاباتیک کاربردی در طول شرایط محیطی دما – بالا عمل می‌کند.

به دلیل محتوای مواد داخلی نسبتاً پایین آب مصرفی سامانه آب سرد، از یک مخزن تنظیمی (تانک بافر) ۱m برای بهبود کنترل چیلر استفاده گردید. مخزن تنظیمی (تانک بافر) مجهز به حسگرهای دمایی داخلی در ترازهای تحتانی و فوقانی مخزن برای تشخیص (حس) شرایط شارژ مخزن و شرایط عایق حرارتی فوق ضخیم مخزن برای کاهش تلفات حرارتی از مخزن بود.

سامانه پمپاژ آب سرد شامل تنها یک مدار جریان ثابت اولیه، با جریان سامانه کمینه‌ای بود که از طریق ۳ شیر دهانه‌ای تنظیم می‌گردید. به دلیل طبیعت متراکم سامانه آب سرد مذکور، از آرایش نوع اولیه و ثانویه استفاده نگردید. برای نگهداشت ساده کنترل‌ها، سامانه مذکور برای جریان ثابت پیکربندی (طرح ریزی) شده بود.

با این حال سخت افزارهای الزامی نظیر تجهیز ارتباطی تراز بالای HLI (High Level Interface ): ابزاری که امکان پایش و کنترل مستقیم تجهیزها از طریق شبکه ارتباطی BMS را فراهم می‌کند. برای مثال یک چیلر یا ژنراتور) چیلر، جریان سنج آب سرد، حسگرهای دمایی و حسگرهای فشار دیفرانسیلی برای بهینه سازی بیشتر از طریق کاربرد پیکربندی تازه‌ای برای جریان متغیر شدند.

» سامانه‌های بازده بالای گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع

استراتژی سامانه های بازده بالای گرمایش ، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC HESS) در واقع استراتژی ۱۰ ساله‌ای تحت «استراتژی ملی بازده انرژی» است که برای پیگیری اقدام‌های اصلاحی بلند مدتی برای افزایش بازده انرژی سامانه‌های HVAC در سراسر کشور استرالیا طرح‌ریزی شده است. استراتژی مذکور شامل لحاظ دورنمای عمر کاری سامانه‌ها در هدف‌گذاری بهبود بازده HVAC، در برگیری مراحل طراحی، تولید، نصب، راه‌اندازی مقدماتی، بهره برداری و نگهداری در بازه عمر سامانه HVAC است.

همچنین این استراتژی شامل تعدادی از اقدام‌های تکمیلی است که در ۳ گروه وسیع قرار می‌گیرد: مردم، اقدام‌ها و سامانه‌ها. همچنین استراتژی مذکور یکی از مجموعه‌ گزارش توسعه یافته برای تأمین بازبینی کلی سریع و مرجعی برای اطلاع رسانی، آموزش و تشویق صنایع HVAC برای بهبود بازده انرژی است.

منبع: Factsheet Chiller Efficiency

Heating, Ventilation & Air-Conditioning High Efficiency Systems Strategy (HVAC HESS)

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

18 − 14 =

    خانهداکت اسپلیتتماس با ما