Charlie Martin z firmy Advanced Energy odpowiada na pytania z takich tematów, jak: silniki trójfazowe, konserwacja central wentylacyjnych, systemy o wysokiej sprawności energetycznej oraz klimatyzatory ewaporacyjne.
Czy system trójfazowe są bardziej sprawne energetycznie?
Generalnie jest to prawdą. W warunkach przemysłowych zasilanie trójfazowe jest łatwo dostępne, zaś sprzęt HVAC ma tendencję do posiadania stosunkowo dużych gabarytów oraz większych silników. A sprzęt z silnikami trójfazowymi jest sprawniejszy energetycznie od podobnego sprzętu z silnikami jednofazowymi. Silniki jednofazowe nie są normalnie dostępne w dużym sprzęcie HVAC. Jednak silniki jednofazowe są bardziej ekonomiczne dla mniejszego sprzętu HVAC, takiego jak zwykle wykorzystywany w budynkach mieszkalnych. Tak więc mały klimatyzator z silnikiem jednofazowym może posiadać większy znamionowy współczynnik efektywności energetycznej chłodzenia (EER, Energy Efficiency Ratio), niż podobnej wielkości klimatyzator z silnikiem trójfazowym. Ponadto producenci sprzętu HVAC, którzy obsługują rynek małych klimatyzatorów przeznaczonych dla budynków mieszkalnych, będą mieli większy wybór jednofazowych klimatyzatorów i pomp ciepła, obejmujących urządzenia o większej sprawności. A mogą oni także oferować jedynie urządzenia trójfazowe o standardowej sprawności.
Który producent wytwarza systemy o największej sprawności energetycznej?
Wszyscy głowni producenci oferują wersje o wysokiej sprawności. Normy Departamentu Energii USA (DOE) wprowadzają minimalne wymagania dotyczące sprawności energetycznej urządzeń HVAC. W przypadku sprawności mniejszego sprzętu z bezpośrednim odparowaniem (DX, direct expansion) ważne jest skoncentrowanie się na podawanych przez producenta urządzenia wartości współczynników: EER, IEER (zintegrowanego współczynnika efektywności energetycznej, Integrated Energy Efficiency Ratio) oraz SEER (sezonowego współczynnika efektywności energetycznej, Seasonal Energy Efficiency Ratio). W przypadku chillerów należy skoncentrować się na wartościach: pełnego obciążenia oraz zintegrowanego obciążenia częściowego (IPLV, integrated part load value), podanych w kW/tonę według norm AHRI (Air-Conditioning, Heating, & Refrigeration Institute, stowarzyszenia obejmującego producentów z branży klimatyzacji, ogrzewania i chłodzenia), a nie na nazwie producenta.
Jakie procedury, jeżeli wchodzą tu w grę, zaleca Pan dla celów prac związanych z konserwacją central wentylacyjnych (AHU, air handling unit), takich jak sprawdzanie stopnia zabrudzenia filtrów za pomocą pomiaru spadku ciśnienia oraz wymiana filtrów?
Jeśli posiadamy system zarządzania budynkiem (BMS, building management system) to dobrze jest, aby system ten w sposób ciągły monitorował spadek ciśnienia statycznego w systemie wentylacji (delta P) oraz wyzwalał alarm, gdy wartość tego spadku ciśnienia staje się wysoka. Ponieważ filtry stopniowo ulegają zabrudzeniu, to wartość tego spadku ciśnienia rośnie. W przypadku systemów klimatyzacyjnych typu VAV (variable air volume, ze zmienną ilością powietrza nawiewanego i wywiewanego) możemy także monitorować moc pobieraną przez silnik wentylatora. Gdy wartość spadku ciśnienia wzrośnie, to wentylator będzie musiał zwiększyć prędkość obrotową aby skompensować zwiększony spadek ciśnienia na filtrze, co oznacza zwiększony pobór mocy przez silnik. Wartość wymaganego wzrostu ciśnienia zmienia się. Tak więc trudno jest powiedzieć przy jakiej wartości ciśnienia trzeba już wymienić filtr. Początkowo należy dokonywać kontroli wizualnych i monitorować spadek ciśnienia. Gdy filtry staną się już dostatecznie zabrudzone należy zanotować wartość występującego wtedy spadku ciśnienia. Następnie możemy ustawić wyzwalanie alarmu, gdy spadek ciśnienia zbliża się do tej zanotowanej wartości. Jeżeli nie posiadamy systemu BMS lub możliwości monitorowania spadku ciśnienia, to pozostaje nam tylko dokonywanie wizualnych kontroli stanu filtra i okresowej jego wymiany.
Jakie jest typowe podejście do konieczności czyszczenia rur i lameli skraplacza i parownika?
Każdy producent chillerów powinien dostarczyć specyfikacje projektowe dotyczące różnicy temperatur na wlocie i wylocie parownika i skraplacza (approach temperature). Przy pełnym obciążeniu chłodniczym te różnice temperatur zwykle będą większe, niż przy mniejszych obciążeniach chłodniczych. Tak więc będziemy musieli zanotować warunki obciążeniowe wraz ze związanymi z nimi różnicami temperatur. Dobrą wartością różnicy temperatur dla obciążenia chłodniczego na poziomie 40% może być 1 – 2 ° F (0,56 – 1,1 °C), zaś przy obciążeniu przy zabrudzonym wymienniku ciepła może to być pomiędzy 2 a 3 °F (1,1 – 1,7 °C). Tak więc jeżeli różnica temperatur przy obciążeniu na poziomie 40% wzrasta o 4 – 5 °F (2,2 – 2,8 °C) to prawdopodobnie nadszedł czas na wyczyszczenie wymiennika ciepła. Jeżeli w chillerze ze sprężarką o stałej prędkości obrotowej zaprojektowana różnica temperatur pomiędzy gorącą wodą na wylocie skraplacza, a zimną wodą na wylocie chillera (ang. lift) wynosi 55 °F (30,8 °C), zaś wartości różnicy temperatur pomiędzy wlotem a wylotem zarówno skraplacza jak i parownika wzrosły o 2 °F (1,1 °C), to różnica temperatur wody pomiędzy skraplaczem a chillerem wzrosła teraz do 59 °F (33 °C). Wynikiem tego jest wzrost różnicy temperatur wody o 7% i pobieranej mocy o około 10%.
Czy poda Pan jakieś zalecenia dotyczące małych schładzaczy ewaporacyjnych?
Odnosząc się do bezpośrednich schładzaczy ewaporacyjnych, zwanych często w USA “schładzaczami bagiennymi” (swamp cooler), zużywają one stosunkowo mało energii, ponieważ silnik wentylatora zwykle jest tu jedynym urządzeniem elektrycznym. Tak więc sprawność silnika wentylatora jest najważniejszym czynnikiem do rozważenia i powinna być ona stosunkowo wysoka. Ponadto wkład nasączany wodą musi być okresowo czyszczony oraz wymieniany, jeśli to konieczne. Działa on zarówno jak filtr powietrza jak i element chłodzący powietrze. Gromadzący się brud zwiększa ciśnienie statyczne i powoduje, że wentylator zwalnia obroty oraz pracuje gorzej. Ponadto, ponieważ wkład jest mokry, to w miarę gromadzenia zanieczyszczeń i gdy wentylator wyłącza się, może stać się on dobrym środowiskiem dla rozwoju mikroorganizmów. Jeśli więc wkłady nie są prawidłowo czyszczone lub wymieniane, to może to doprowadzić do zagrożenia zdrowia ludzi.
Czy może Pan zacytować jakieś wartości współczynników efektywności energetycznej?
W przypadku nowych lub wymienianych urządzeń oraz innego jednolitego sprzętu z bezpośrednim odparowaniem powinniśmy skoncentrować się na efektywności energetycznej przy pełnym obciążeniu – znamionowym współczynniku EER oraz efektywności sezonowej lub przy częściowym obciążeniu – znamionowych współczynnikach SEER lub IEER. Im wyższe te współczynniki tym bardziej sprawne energetycznie jest urządzenie. Można tu podać następujące przykłady:
- Typowo wartość współczynnika EER równa 12 lub większa preferowana jest dla sprzętu lżejszego od 20 ton, wraz z wartością współczynnika SEER ponad 16 oraz współczynnika IEER większego od wartości 13 – 14.
- Dostępne są chłodzone powietrzem chillery o wysokiej sprawności, posiadające wartość współczynnika EER przy pełnym obciążeniu większą od 10,3 i współczynnika IPLV przy częściowym obciążeniu większą od 1,4.
- Dostępne są posiadające wysoka sprawność, chłodzone wodą chillery ze sprężarką śrubową i spiralną. Urządzenia te posiadają sprawność przy pełnym obciążeniu mniejszą od 0,6 kW/tona oraz sprawność przy obciążeniu częściowym mniejszą od 0,5 kW/tona.
- Dostępne są posiadające wysoką sprawność, chłodzone wodą chillery ze sprężarką odśrodkową. Urządzenia te posiadają sprawność przy pełnym obciążeniu mniejszą od 0,55 kW/tona oraz sprawność przy obciążeniu częściowym mniejszą od 0,4 kW/tona.
Na wysokim poziomie: ile energii moglibyśmy zaoszczędzić zwiększając nastawę temperatury klimatyzatora o 1 °F (0,56 °C)?
Oczywiście wielkość oszczędności uzyskanych dzięki zwiększeniu nastawy temperatury klimatyzacji zmienia się w dużym zakresie, w zależności od wielu czynników, takich jak: temperatura podstawowa, liczba godzin pracy systemu, sprawność energetyczna sprzętu HVAC, natura obciążenia chłodniczego oraz relacji pomiędzy obciążeniem chłodniczym a wydajnością sprzętu HVAC. Jednak na wysokim poziomie możemy spodziewać się uzyskania oszczędności kosztów energii w wysokości 3-4% na każdy stopień F (czyli 6 – 8 % na każdy stopień C) zwiększanej temperatury, utrzymywanej przez klimatyzator.
W jaki sposób radzi Pan usprawnić sprężarkowy obieg chłodniczy?
Co do cyklu chłodniczego istnieje kilka sposobów usprawnienia działania układów klimatyzacji i chillerów DX. Należy:
- Zmniejszyć różnicę temperatur pomiędzy gorącą wodą na wylocie skraplacza, a zimną wodą na wylocie chillera, jeśli to jest możliwe. Oznacza to utrzymywanie temperatury skraplacza na tak niskim poziomie, jak to jest praktyczne oraz temperatury parownika na tak wysokim poziomie, jak to jest praktyczne.
- Wykorzystywać urządzenia ze sprężarką o jak najwyższej sprawności oraz stosować dobre praktyki konserwacji, aby utrzymać tę wysoką sprawność.
- W odpowiednim czasie uzupełniać czynnik chłodniczy oraz jak najszybciej naprawiać sprzęt w przypadku stwierdzenia wycieków czynnika.
- W sprzęcie niskociśnieniowym zapewnić, że urządzenia odpowietrzające znajdują się w dobrym stanie technicznym i mogą usuwać nie skraplające się gazy z systemu.
- Wykorzystywać chillery wielostopniowe, które zawierają intercoolery i sprężarki wielostopniowe, co zmniejszy zapotrzebowanie na moc sprężania i zwiększy wydajność chłodzenia.
Charlie Martin – Senior Energy Engineer at Advanced Energy
