نکاتی برای بهبود عملکرد در چیلر سانتریفیوژ (گریز از مرکز)

با استفاده از نکاتی که قصد داریم در ادامه این مقاله ارایه دهیم، می توان عملکرد تاسیسات چیلری که در سه تا پنچ سال گذشته راه‌اندازی شده است را بهبود بخشید و مانند ابتدای شروع بکار انتظار بازدهی مناسبی داشت. درواقع سعی داریم تا با ارایه این نکات به دستاوردهای زیر برسیم:

• مصرف انرژی در تاسیسات چیلر را کاهش داده،
• قابلیت اطمینان به تاسیسات را بیشتر کرده،
• عمر تجهیزات قدیمی را طولانی تر کنند،
• تاسیسات با دقت بیشتری کنترل شود،

و اطلاعات بیشتر و دقیق‌تری برای مدیریت انرژی ساختمان از سوی مهندسان و تکنیسین مربوطه تهیه شود.

این روش‌ها در اصل برای تاسیساتی که از چیلرهای سانتریفوژ برقی با تناژ بالا استفاده می کنند، کارآیی دارد و از ایجاد تغییراتی کوچک در کارکرد تاسیسات، تا تغییراتی پیچیده و حتی تعویض برخی تجهیزات را شامل می‌شود. فرض بر این است که روش‌های نگهداری اولیه (مانند اجرای برنامه‌های سرکشی روزانه) به خوبی اجرا شده است و چیلرها، پمپ‌ها و برج‌های خنک کن در شرایط مطمئنی کار کنند و برای تامین موثر بارهای سرمایشی متغیر، به خوبی ترتیب بندی شده‌اند.

ابتدا باید اشاره کنیم که در دو روش اولی که مورد بحث قرار می‌گیرند، شامل تغییر نحوه‌ی کارکرد تاسیسات، نسبت به وضعیت اولیه‌ی طراحی است که در صورت نیاز، چند قطعه از تجهیزات نصب شده در تاسیسات نیز ممکن است تغییر داده شوند، ولی در باقی روش‌ها برای رسیدن به بهترین عملکرد، تغییراتی گسترده در تجهیزات ایجاد خواهد شد.

۱- تنظیم مجدد دمای آب سرد و کندانسور

چیلرها معمولا کمتر از ۱ درصد از ساعات کاری خود را در شرایط “طراحی شده” طی می‌کنند و در بقیه‌ی ساعات در شرایط «خارج از طراحی ( off – design )» قرار دارند، که با معتدل‌تر شدن دماهای بیرون و یا درجات رطوبت کمتر، رخ می‌دهد. شرایط خارج از طراحی ممکن است به این معنی باشد که بار سرمایش و یا دمای آب ورودی به کندانسور، کمتر از مقدار طراحی است. بهره برداری کامل از این شرایط، یکی از راه‌های کاهش مصرف انرژی است. ایده‌ی کلی تنظیم مجدد (ریست) دمای آب سرد، گذشته وجود داشته است.

در بارهای کمتر از بار طراحی، کویل‌های سرمایشی حتی در دمای آب سرد بالاتر هم می‌توانند سرمایش مورد نیاز را تامین کنند، زیرا به رطوبت‌گیری کمتر احتیاج است. معمولا‌، بالابردن دمای آب سرد خروجی، بار کمپرسور را کاهش داده و در نتیجه مصرف انرژی را پایین خواهد آورد.

این روش را می‌توان در مورد چیلرهای سانتریفیوژ سرعت ثابت به کار برد و در بارهای ۴۰ تا ۸۰ درصد بار طراحی، به ازای هر درجه افزایش دمای آب سرد خروجی ۵ ،۰ تا  ۷۵ ،۰ درصد مصرف انرژی کاهش خواهد یافت. از سویی دیگر، چیلرهای سانتریفوژی که به راه اندازهای سرعت متغیر الکترونیکی (VSD) در روش سوم، در مورد این راه اندازها بیشتر گفتگو خواهیم کرد) مجهز شده‌اند، به تنظیم مجدد دمای آب سرد، بهتر پاسخ می‌دهند.

در بارهای کمتر از ۸۰ درصد ، یک چیلر سرعت متغیر، به ازای هر درجه فارنهایت افزایش دمای آب سرد خروجی، ۲ تا ۳ درصد انرژی کمتری مصرف می‌کند و این رابطه تا بارهای ۱۰ درصد طراحی نیز صدق می‌کند. تنظیم مجدد دمای آب سرد، در یک سامانه HVAC که برای جریان آب سرد ثابت طراحی شده است، موجب می شود مصرف انرژی به نسبت درصدهایی که در بالا به آنها اشاره شد، کاهش یابد.

ولی اگر سامانه برای جریان آب سرد متغیر طراحی شده باشد، قبل از تنظیم مجدد دمای آب سرد، باید مطالعات بیشتری انجام شود. اگر چه افزایش دمای آب سرد، مصرف انرژی را در چیلر کاهش می‌دهد، ولی مصرف انرژی در پمپ را افزایش خواهد داد زیرا برای تولید همان مقدار سرمایش، جریان آب سرد بیشتری باید بر قرار شود. جبران بالارفتن مصرف انرژی در پمپ‌ها در ازای کاهش مصرف انرژی در چیلر (ناشی از بالابردن دمای آب سرد خروجی)، در سامانه‌های مختلف ممکن است متفاوت باشد.

در صورت امکان، کاهش دمای آب ورودی به کندانسور نیز می‌تواند به اندازه‌ی بالابردن دمای آب سرد خروجی، مصرف انرژی را کاهش دهد. ولی بیشتر تولید کنندگان، یک مقدار حداقل برای دمای آب ورودی به کندانسور تعریف می‌کنند. طراحی چیلرهای جدیدتر به گونه‌ای است که اجازه می‌دهند دمای آب ورودی به کندانسور تا حد زیادی کاهش داده شود، که این قابلیت موجب می‌گردد دما و فشار تقطیر مبرد، تا حد زیادی پایین بیاید.

در نتیجه، فشار کمپرسور پایین‌تر آمده و مصرف انرژی توسط موتور آن، کاهش خواهد یافت. به ازای هر درجه فارنهایت کاهش دمای آب ورودی به کندانسور، مصرف انرژی در بارهای کامل به اندازه‌ی ۱،۵ درصد کاهش خواهد یافت. در بارهای جزیی چ، به خصوص اگر چیلرها به راه اندازهای فرکانس متغیر مجهز شده باشند چ، کاهش مصرف انرژی بهبود خواهد یافت.

۲- تبدیل سامانه به یک سامانه اولیه‌ی متغیر

با به کارگیری چیلر در محدوده‌ی حداکثر ظرفیت، که در آن بار واقعی روی چیلر بیش از ظرفیت اعلام شده‌ی آن است، می‌توان در مصرف انرژی صرفه جویی کرد. این ظرفیت اضافی که تا ۴۰ درصد ظرفیت اسمی آن نیز می‌رسد هنگامی قابل دستیابی است که دمای آب ورودی به کندانسور، کمتر از دمای طراحی آن باشد و معمولا مصرف انرژی را کاهش می‌دهد.

این روش بر اساس یک سری مطالعات فنی ابداع شده است که نتیجه ی آنها به طور خلاصه به شرح ذیل است:

1. بازده یک چیلر در محدودهی حداکثر ظرفیت، بیش از دو چیلر در بارهای جزیی است.
2.  مصرف انرژی به این دلیل کاهش می‌یابد که برج خنک کن و پمپ آب کندانسور ثانویه، خاموش باقی می‌مانند.
3. بیشتر تاسیسات چیلر موجود می‌توانند از مزیت کارکردن در این شرایط، بهره ببرند.

تاسیسات آب سرد مرکزی معمولی، بیشتر به صورت اولیه ثانویه طراحی می‌شوند. متاسفانه این سامانه‌ها نمی‌توانند در تمام محدوده‌ی حداکثر ظرفیت کار کنند، زیرا چیلرها همیشه به صورت مرحله‌ای در مدار قرار می‌گیرند. چاره‌ی کار در این است که این سامانه‌ها، به سامانه‌های اولیه‌ی متغیر تبدیل شوند.

زیرا در سامانه‌های اولیه‌ی متغیر می‌توان با تغییر جریان و دما، شرایط کاری بی شماری را به وجود آورد. برای تبدیل سامانه‌های اولیه ثانویه به سامانه‌های اولیه‌ی متغیر، باید یک شیر یک طرفه در خط کنار گذر (بای پس) نصب کرد و برنامه‌ی کنترل چیلر را نیز تغییر داد.

با این تبدیل، بازده چیلر به طور متوسط تا ۱۵ درصد بهبود می‌یابد (و صرفه جویی در هزینه‌ی انرژی به ۲۵ درصد خواهد رسید که دوره‌ی برگشت سرمایه این تبدیل را بسیار کوتاه می‌کند).

با مقالات جامع و معتبر تهویه مطبوع لوگرانو همراه باشید:

1. چیلر
2. کولر گازی
3. داکت اسپلیت
4. فن کویل

۳- افزودن راه اندازهای سرعت متغیر به چیلرهای سانتریفوژ

با توجه به این که بیشتر سامانه‌های چیلر فعلی در شرایط خارج از طراحی کار می‌کنند، که استفاده از راه اندازهای الکترونیکی سرعت متغیر ضروری به نظر می‌رسد. اضافه کردن یک راه انداز سرعت متغیر به یک چیلر سانتریفوژ، می‌تواند مصرف انرژی را به طور متوسط تا ۳۰ درصد کاهش دهد. راه اندازهای سرعت متغیر، سرعت موتور کمپرسور را به طور پیوسته و مطابق با تقاضای واقعی سرمایش، تنظیم می‌کنند و در عین حال «تیغه‌های پیش چرخش – Prerotation vane» نیز کنترل می‌شوند تا جریان مبرد درون کمپرسور تنظیم گردد.

بنابراین، چیلری که به راه انداز سرعت متغیر مجهز شده باشد، به شکلی استثنایی در شرایط خارج از طراحی، پربازده خواهد بود و موجب می‌شود مصرف توان چیلر در شرایط بار و دماهای آب خارج از طراحی، کاهش یابد. نسل‌های جدید راه اندازهای سرعت متغیر که مخصوص چیلرهای سانتریفوژ طراحی شده اند، سامانه کنترل ظرفیت سازگار شونده – Adaptive capacity control » را به خدمت گرفته‌اند که می تواند سرعت بهینه‌ی کمپرسور را برای تمام شرایط کاری، ایجاد کند.

این منطق کنترل، در طول اولین سال بهره برداری، برای خود یک «نقشه» از کارکرد کمپرسور ایجاد می‌کند و سپس بر اساس شرایط کاری چیلر، به طور پیوسته شرایط کاری راه انداز سرعت متغیر را اصلاح می‌نماید.

سامانه کنترل ظرفیت سازگار شونده – Adaptive capacity control، برای تعیین این که سرعت راه انداز سرعت متغیر تا چه اندازه می‌تواند کاهش یابد (و کم‌ترین مقدار برق ممکن را مصرف کند)، سرعت کمپرسور و آرایش تیغه‌های پیش چرخش را تنظیم کرده و در همان حال، چیلر را در وضعیت کاری مطمئنی نگاه می‌دارد (یعنی در وضعیتی که دچار فراتاخت (Surge) جریان نشود.

به محض شروع تقاضا برای سرمایش، راه انداز فرکانس متغیر، به آرامی چیلر را راه اندازی می‌کند، به طوری که جریان برق هیچ گاه از ۱۰۰ درصد بار کامل تجاوز نخواهد کرد.

سرعت چیلر در ابتدا با یک شیب تند افزایش می‌یابد و تیغه‌های پیش چرخش تنظیم می‌شوند تا با بار مورد نیاز هماهنگی پیدا کنند، در نتیجه کنترل بر روی مدار آب سرد به سرعت بر قرار می‌شود. در این زمان، سامانه کنترل ظرفیت سازگار شونده، شاخص‌های کاری را ارزیابی کرده و کاهش سرعت مناسب را تعیین می‌کند. سپس، در حالی که تیغه‌های پیش چرخش را تنظیم می‌کند تا دمای تنظیم شده‌ی آب سرد خروجی ثابت باقی بماند، سرعت چیلر را تا زمانی که به حداقل سرعت کاری مناسب برای آن شرایط کاهش می‌دهد.

سامانه کنترل ظرفیت سازگار شونده، بهترین سرعت برای هر ترکیبی از شرایط کاری را در حافظه‌ی خود نگاه می‌دارد. هنگامی که آن شرایط دوباره اتفاق بیفتد، این سامانه سرعت و موقعیت تیغه‌ی مناسب را به راه‌انداز سرعت متغیر،دستور خواهد داد.

 ۴- بروز کردن سامانه کنترل چیلر

عملکرد یک چیلر قدیمی که از نظر مکانیکی در شرایط خوبی قرار داشته باشد، با نوسازی مرکز کنترل آن بهبود خواهد یافت. مراکز کنترل گرافیکی مدرن با داشتن یک رابط گرافیکی، اطلاعاتی مانند شاخص‌های کارکرد و متغیرهای کنترلی را به سرعت در اختیار اپراتور قرار می‌دهند.

به این ترتیب اپراتورها می‌توانند فعالیت چیلر را به آسانی و با دقت تنظیم کرده و در صورت نیاز به بازرسی و تعمیر، قبل از شدید شدن خرابی‌ها به آنها رسیدگی کنند. همچنین ثبت رخدادها ساده‌تر شده و روند کار را می‌توان مشاهده، چاپ و نگهداری کرد.

به علاوه در صورت تمایل، مراکز کنترل مدرن می‌توانند چندین عملیات مختلف را به صورت خودکار در آورند. از جمله‌ی این عملیات می‌توان به الگوریتم‌های کنترلی شامل آشکارسازی ضربه‌ی جریان، گزینه‌های راه اندازی آرام سامانه و محدود کردن تقاضا – که برای کاهش هزینه‌های بهره برداری و کاهش زمان توقف چیلر، بدون ایجاد اختلال در شاخص‌های ایمنی به کار می‌روند اشاره کرد.

روش‌های ارتباطی می‌توانند موجب یکپارچه شدن کامل سامانه‌های کنترل چیلر با سامانه خودکارسازی موجود و امکان برقراری ارتباطات از راه دور و مشاهده‌ی فعالیت‌های چیلر شوند. ضمنا سامانه‌های کنترل نوین، همان طور که در روش بعدی توضیح داده خواهد شد، ممکن است بخشی از مجموعه‌ی خودکارسازی تاسیسات چیلر باشند.

۵- اضافه کردن سامانه خودکارسازی تاسیسات چیلر

سامانه خودکارسازی تاسیسات چیلر، یک سامانه مدیریت انرژی است که به طور اختصاصی برای بهینه سازی فعالیت تاسیسات چیلر شامل چیلرها، پمپ‌ها و برج‌های خنک‌کن، طراحی می‌شود و اغلب با یک سامانه خودکارسازی بزرگ‌تر مانند سامانه خودکار سازی ساختمان، هماهنگ می‌گردد.

مقاله مرتبط: مدیریت هوشمند ساختمان BMS و تهویه مطبوع HVAC

این سامانه‌های خودکار سازی در سال‌های اخیر بسیار توانمند و پیشرفته شده و در عین حال از نظر ابعاد فیزیکی کوچک‌تر و از نظر اداره و بهره برداری، ساده‌تر شده‌اند. یک سامانه خودکارسازی تاسیسات چیلر، می‌تواند یک یا چند فعالیت از فعالیت‌های زیر را کنترل کند:

1. محدود کردن تقاضا: پایش تقاضای کل ساختمان و محدود کردن تقاضای چیلر به صورت خودکار، طبق یک برنامه‌ی کنترلی از پیش تعیین شده.
2. تنظیم مجدد دمای آب سرد: برای کاهش مصرف انرژی، اگر شرایط موجود اجازه دهد، دمای آب سرد خروجی به صورت خودکار ریست می‌شود.
3. روشن و خاموش کردن بر اساس اوقات روز: با استفاده از دمای هوای بیرون و همچنین سایر عوامل، سرمایش مورد نیاز را پیش بینی کرده و روشن و خاموش شدن تجهیزات را کنترل می‌کنند، به طوری که تاسیسات با بیشترین بازده کار کنند.
4. بهترین ساختاردهی: بر اساس شرایط بار، ترکیب مناسبی از چیلرها، پمپ‌ها و برج‌های خنک‌کن به کار گرفته می‌شود.
5. نیازهای مربوط به نگهداری سامانه: اساس اطلاعات ثبت شده در زمینه‌ی عملکرد تاسیسات، اقدامات نگهداری مورد نیاز تعیین و اعلام می‌شوند، در نتیجه تاسیسات چیلر را می‌توان همواره در شرایط اوج بازده حفظ کرد.

توماس هارتمن، یکی از اعضای ASHRAE، برای تامین بار مورد نیاز و داشتن بهترین بازده، پیشنهاد کرده است که از یک شبکه‌ی کنترلی ساده و با صرفه برای اداره و ترتیب دهی خودکار تاسیسات چیلر که شامل چیلرها، پمپ‌ها و پنکه‌های مربوط به برج‌ها می‌گردد، استفاده شود.

هارتمن این روش خود را با عبارت «راهکار بهره برداری با تمرکز بر روی بازده» می‌نامد که در تاسیسات کوچک‌تر می‌تواند به صورت دستی انجام شود. این روش، می‌تواند بهبود قابل توجهی در عملکرد سامانه ایجاد کرده و در عین صرفه اقتصادی، در راستای “محیط زیست سبز” نیز گام بردارد.

• صرفه جویی در مصرف آب با جایگزینی سیستم‌های DX
• سیستم‌های بازیافت انرژی ERV چیست؟
• آشنایی با سیستم‌‌های بازیابی حرارت (HRV)
• مزایای سیستم‌های کنترل تهویه بر حسب نیاز(DCV)

۶- با یک خط رانش جدید کمپرسور، تاسیسات چیلر را نوسازی کنید

اگر چه مجهز نمودن یک چیلر قدیمی به یک خط رانش ( Driveline ) جدید در حالی که پوسته‌ی مبدل‌های حرارتی به صورت اولیه حفظ می‌شود، روشی نیست که معمولا در نوسازی‌ها به کار گرفته می‌شود، ولی معمولا تحت یک یا چند مورد از شرایط زیر‌، شایسته‌ی بررسی است:

۱- به دلیل رعایت روش‌های صرفه جویی در مصرف انرژی، ظرفیت چیلر از حداکثر بار کنونی در ساختمان بیشتر باشد. در این شرایط، کوچک کردن خط رانش موجب می‌شود ظرفیت چیلر با بار واقعی تطابق یافته و در نتیجه بهره برداری از آن با بازده بیشتری انجام شود.

حفظ پوسته‌ی مبدل‌های موجود و کوچک کردن کمپرسور جدید، بازده را افزایش می‌دهد زیرا اندازه‌ی پوسته بیش از حد بزرگ فعلی، سطح انتقال حرارت بیشتری ایجاد کرده و در نتیجه فشار کمتری برای کمپرسور مورد نیاز خواهد بود. بازده موتور کمپرسور جدید نیز بیشتر از موتور کمپرسور قبلی خواهد بود.

 ۲- چیلر کهنه شده است و هزینه‌های نگهداری که شامل تعمیر و قطعات مورد نیاز است، در حال افزایش است. از آنجایی که سامانه رانش کمپرسور، بخش عمده‌ای از هزینه‌های نگهداری را تشکیل می‌دهد، یک خط رانش جدید خود به تنهایی می‌تواند به طور چشمگیری موجب به روز شدن تاسیسات چیلر شود و هزینه‌ی آن نیز بسیار کمتر از تعویض کامل تاسیسات است.

بعضی از کمپرسورهای جدید نیازی به بازرسی روغن توسط اپراتور ندارند و خود این مساله یکی از مزیت‌های نوسازی خط کمپرسور است.

۳- هنگامی که دسترسی به موتورخانه مشکل باشد. بعضی از چیلرهای قدیمی به گونه‌ای نصب شده‌اند که برای جدا کردن آنها از پایه‌ها، نیاز به تخریب و بازسازی مجدد بخشی از ساختمان است! از آنجایی که پوسته‌ی مبدل‌های حرارتی بزرگترین بخش از سامانه چیلر هستند، یکی از راه حل‌های رفع مشکلات مربوط به نوسازی، جابه جا نکردن آنها است.

بخش‌های جدید خط رانش نیز معمولا به اندازه‌ای هستند که به آسانی از طریق درب‌ها وارد موتور خانه می‌شوند.

۴- مبرد چیلر باید با یک نوع HFC جایگزین شود. تبدیل مبرد در چیلرهای سانتریفیوژ قدیمی را می‌توان تنها با تعویض خط رانش و با هزینه‌ای بسیار کمتر از جایگزینی کل تاسیسات چیلر، انجام داد. این روش، به خصوص اگر یکی از سه شرط بیان شده در بالا به طور هم زمان انجام گیرد، همواره شایسته‌ی توجه بسیار است.

۷- جایگزینی چیلرها

در نهایت اگر یک چیلر قدیمی نتواند عملکرد مورد انتظار را داشته باشد، راه حل اساسی تعویض کل سامانه چیلر خواهد بود. بازده چیلرها در سال‌های اخیر، به دلیل استفاده از مبدل‌های حرارتی، کمپرسورها، موتورها و سامانه‌های کنترلی نوین که قبلا شرح داده شد، به طور چشمگیری افزایش داشته است. در طراحی سامانه‌های چیلر امروزی، همواره سعی می‌شود از مبردهایی مانند HFC – ۱۳۴a استفاده شود که به لایه‌ی ازن آسیب نمی‌رسانند.

علاوه بر این، چیلرهای غیر برقی نیز وارد بازار شده‌اند که از سایر منابع انرژی استفاده کرده و می‌توانند به صورت مجزا یا مختلط با چیلرهای برقی مورد استفاده قرار گیرند. از جمله‌ی این چیلرهای غیر برقی می‌توان به چیلرهای جذبی شعله مستقیم و همچنین چیلرهای سانتریفوژ موتور گازی و توربین بخار اشاره کرد. البته تعویض یک چیلر نیازمند صرفه هزینه‌ی بسیار زیادی است که باید قبل از اقدام به این کار، به دقت مورد ارزیابی قرار گیرد.

برای این منظور، باید هزینه‌های بهره برداری مربوط به تاسیسات کنونی بر حسب تن سرمایش برآورد شده و با هزینه‌های پیش بینی شده برای یک سامانه جدید مقایسه گردد. سپس باید هزینه‌ی لازم برای خرید تاسیسات جدید با کاهش هزینه‌های بهره برداری ناشی از استفاده از تاسیسات جدید، مقایسه شود.

به طور خلاصه، هر نوع تغییر در نحوه‌ی بهره برداری از تاسیسات چیلر، که شامل نوسازی و استفاده از تجهیزات جدید نیز می‌شود، باید با در نظر گرفتن نیازهای کلی عملیاتی و کاربری ساختمانی که تاسیسات به آن سرویس می‌دهد، انجام گیرد.

نگهداری صحیح و روش‌های اداری تاسیسات به عهده‌ی مالکان است. سپس مهندسان باید با استفاده از یک یا چند مورد از روش‌های بالا، بازده سامانه را بالا ببرند. بهترین روش معمولا بهره‌گیری از ترکیبی از روش‌های فوق است و البته یافتن بهترین ترکیب به عهده‌ی مهندس تاسیسات خواهد بود. موفق باشید.