Chłodzenie wyparne (ewaporacyjne) redukuje koszty eksploatacji kompresorów używanych w systemach klimatyzacji, obsługujących obiekty komercyjne i przemysłowe. Zastosowanie chłodzenia wyparnego do powietrza chłodzącego skraplacz zwiększa wydajność systemów HVAC, obniżając jednocześnie zużycie energii elektrycznej.

Użycie chłodzenia wyparnego redukuje koszty dzięki temu, że kompresor nie musi pracować pod pełnym obciążeniem tak często, jak w przypadku rozwiązań standardowych.

Dane kompresora głównego są monitorowane i przesyłane przez Internet do stacji roboczej, gdzie są analizowane przez oprogramowanie analityczne. Wynikiem zastosowania technologii Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT) jest monitorowanie i pomiar wydajności systemu chłodniczego przez Internet.

Jeżeli w modelu dodatkowo wykorzysta się dane historyczne z istniejącej instalacji, można uzyskać znaczące rezultaty. Niestety, takie dane są często niezbyt szczegółowe do opracowania rozwiązania wzorcowego, ale już użycie danych z podobnych instalacji umożliwia przewidywanie zachowań badanego obiektu. Możliwe jest również oszacowanie kosztów eksploatacji systemu klimatyzacji wyposażonego w chłodzenie wyparne lub bez niego.

Działanie systemu

Przypomnijmy zasadę działania standardowego systemu klimatyzacji. System ten przetłacza powietrze z pomieszczenia przez parownik pochłaniający ciepło napływające z powietrzem. Temperatura gazu chłodniczego rośnie do poziomu wyższego niż temperatura otoczenia, a gaz jest przetłaczany do zewnętrznego skraplacza. Wentylator tłoczy powietrze zewnętrzne na skraplacz, chłodząc go, a gaz cyrkulujący w skraplaczu oddaje przenoszone ciepło i skrapla się w ciecz. Schłodzona ciecz jest następnie tłoczona i rozprężana w parowniku, po czym cały cykl się powtarza.

Jeżeli temperatura zewnętrzna wzrośnie, sprężarka musi pracować bardziej intensywnie w celu zapewnienia dostatecznej różnicy temperatur na skraplaczu. I odwrotnie – gdy temperatura otoczenia spada, poprawia się odprowadzanie ciepła w skraplaczu.

System chłodzenia wyparnego działa podobnie jak standardowy układ klimatyzacji w chłodny dzień. Przy niższej temperaturze na zewnątrz sprężarka nie musi pracować zbyt intensywnie, aby osiągnąć założony efekt schładzania. Aby obliczyć oszczędności, konieczne jest zainstalowanie czujników na wejściu skraplacza, czujników temperatury otoczenia, licznika godzin pracy sprężarki, miernika wielkości przepływającego prądu oraz czujników innych parametrów. Zamiana generowanych przez nie danych w wartościowe informacje wymaga technologii Przemysłowego Internetu Rzeczy, dzięki której inżynierowie wyposażeni w stosowne narzędzia diagnostyczne stworzą właściwy algorytm wspierany przez informacje historyczne.

Odpowiednie oprogramowanie umożliwia projektantom i ekspertom współpracę w wykorzystywaniu otrzymanych danych. Skorygowanie niektórych z nich może być niezbędne, gdy przykładowo o określonej porze dnia temperatura zewnętrzna jest zakłócana przez promienie słońca padające bezpośrednio na czujnik temperatury.

Budowa modelu

Model procesu zawiera wszystkie niezbędne parametry i jest zbudowany na bazie aktualnego doświadczenia. Czujniki przesyłają aktualne dane do modelowego algorytmu, określające bieżący stan obiektu. Porównanie kosztów pracy systemu z chłodzeniem wyparnym i bez niego jest główną korzyścią i zarazem najważniejszym narzędziem dla użytkownika.

Model zużycia energii elektrycznej stworzony przez firmę Evaporcool przy użyciu narzędzi dostarczonych przez firmę Seeq okazał się dokładny na poziomie wartości regresji R = 0,98 (im wartość regresji jest bliższa 1, tym model lepiej opisuje proces rzeczywisty).

Po uruchomieniu systemu użytkownicy mogą śledzić zużycie energii zdalnie (przez Internet) i w czasie rzeczywistym. Infografika pokazuje aktualny stan w porównaniu ze stanem instalacji pracującej bez zastosowania chłodzenia wyparnego. Analiza wykresów umożliwia identyfikację potencjalnych obszarów dalszych oszczędności, a stosowna aplikacja wylicza oszczędności w różnych przedziałach czasowych.

Zebrane dane mają również dodatkową wartość. Niektóre z nich są wykorzystywane w diagnostyce urządzeń. Przykładowo, jeżeli prąd silnika kompresora ma stałą tendencję wzrostową bez żadnych przyczyn procesowych, możliwe jest, że następuje zacieranie się łożysk. Po określeniu parametrów krytycznych podlegających pomiarom ustala się następnie dolny i górny limit ich zmienności oraz przyporządkowane im alarmy. Kierownictwo obiektu może monitorować proces zdalnie, używając komunikacji IIoT, a obiekty rozproszone geograficznie mogą być monitorowane z jednej centralnej sterowni.

Zastosowanie narzędzi analitycznych umożliwia obserwację procesu i wyliczenie jego wydajności przy zastosowaniu chłodzenia wyparnego i bez niego w każdym momencie cyklu technologicznego. Źródło: Evaporcool

Mechanizm IIoT

W przypadku obiektów rozproszonych każdy budynek ma regulator nadrzędny zarządzający komunikacją z usługami w chmurze, korzystając z mobilnej Wirtualnej Sieci Prywatnej VPN. Takie połączenie wykorzystujące sieci lokalne jest wspólne dla wszystkich obiektów, gdzie każdy zespół klimatyzatora HVAC pełni w sieci rolę klienta.

Każdy klient przesyła zapisane dane do kontrolera głównego, który konsoliduje dane i przesyła je do serwera w chmurze. Tam dane są magazynowane, analizowane i udostępniane przez portal Evaporcool. Ta sama infrastruktura umożliwia dostęp do danych czasu rzeczywistego w celu testowania i diagnostyki online oraz zmian parametrów procesowych.

Kierownicy obiektów mogą wykorzystywać portal do monitorowania wydajności urządzeń i kosztów energii. Zastosowanie protokołu komunikacyjnego BACnet (Building Automation and Control Networks) pomaga integrować informacje procesowe z poszczególnych systemów HVAC w lokalnych systemach zarządzania budynkiem. Stosowny interfejs może udostępnić informacje dla kadry zarządczej z możliwością ich dystrybucji w dół, na niższe poziomy zarządzania. Prosta modyfikacja pozwala dostosować interfejs do wizualizacji wymaganych informacji (np. kierownik działu energetycznego potrzebuje innych informacji niż kierownik utrzymania ruchu).

Dane generowane z odpowiednią rozdzielczością przez czujniki są gromadzone przez punkty centralnego monitorowania w celu ich weryfikacji i tworzenia trendów. Narzędzia analityczne identyfikują trendy i stopniowe zmiany występujące w pracujących systemach i obiektach z dużą efektywnością. Na przykład wyodrębnienie danych w okresach szczególnych warunków pogodowych lub ocena efektów zmian strategii ustawień termostatów pozwala na dokładną i obiektywną ocenę procesu.

Rozszerzenie modelu

Dysponując dokładnym modelem procesu, możliwe jest zastosowanie go także wówczas, gdy dane historyczne nie są dostępne. Przykładowo, gdy kierownik obiektu wykorzystuje technologię chłodzenia wyparnego w jednej lokalizacji, przez modyfikację kilku parametrów można przeanalizować, jak system będzie pracował w innej lokalizacji. Dane historyczne temperatury i stanu pogody dla jednej lokalizacji mogą być dodane do modelu i połączone z danymi o wydajności procesu, co pozwala z dużą dokładnością oszacować przyszłe oszczędności.

Bez możliwości pozyskiwania danych do analizy użytkownicy w celu przeprowadzenia stosownych analiz musieliby odwołać się do skomplikowanych i czasochłonnych arkuszy kalkulacyjnych. Łącząc komunikację internetową z algorytmami matematycznymi i aplikacjami IIoT, można osiągnąć znaczące korzyści przy umiarkowanych kosztach.

Chris Curry jest prezesem firmy Evaporcool. Ma tytuł inżyniera Amerykańskiej Akademii Wojskowej w West Point oraz ukończone studia MBA na Uniwersytecie Michigan Ross School of Business.