Systemy HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning) pochłaniają 25–30% energii w typowym budynku komercyjnym, a w obiektach przemysłowych o dużym obciążeniu produkcyjnym – nawet więcej. 50% energii zużywanej przez systemy HVAC przypada na systemy chłodzenia.
Wybór systemów chłodzenia musi być dostosowany do wymagań obiektu. Zaczyna się od konfiguracji przyrostowych lub modułowych, a kończy na systemach centralnych w dużych zakładach. Projekt ostatecznego rozwiązania zazwyczaj zależy od wymagań związanych z oczekiwanym obciążeniem, kosztami instalacji oraz utrzymania.
W obecnych trendach dominuje zasada projektowania, która łączy mniejsze, niezależne systemy modułowe. Jest to najczęściej spowodowane czynnikami ekonomicznymi i koncepcją, że małe jest lepsze, bardziej wydajne i… unika się wysokich kosztów utrzymania. W niektórych przypadkach łatwiej wymienić mniejsze komponenty modułowe, które uległy uszkodzeniu, niż doświadczyć katastrofalnej awarii dużego urządzenia. Taki sposób myślenia może mieć dobre strony, ale w niektórych zastosowaniach może oznaczać utracone szanse na maksymalizację wydajności całego rozwiązania dzięki zastosowaniu centralnego systemu wody lodowej.
Systemy centralne
Centralne systemy wody lodowej są zazwyczaj tak projektowane, aby dostarczały wodę lodową do różnych lokalizacji z jednego centralnego punktu dystrybucyjnego. Instrukcja systemów i wyposażenia HVAC ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) 2008 sugeruje, aby tego typu systemy stanowiły około 25% zastosowań. Takie systemy są zazwyczaj używane w dużych obiektach komercyjnych, placówkach ochrony zdrowia, kampusach uniwersyteckich, budynkach przemysłowych oraz innych obiektach mających zróżnicowane zapotrzebowanie na chłodzenie.
Aby podjąć decyzję o wdrożeniu systemu centralnego, należy wziąć pod uwagę kilka czynników. Po pierwsze, czy zróżnicowane obciążenie jest wystarczające? Po drugie, czy rzeczywiście zostaną osiągnięte korzyści z posiadania skonsolidowanego rozwiązania w jednym miejscu? Po trzecie, czy użytkownik końcowy będzie dysponował kadrą zdolną obsługiwać i utrzymać system? Ostatnim i najbardziej istotnym czynnikiem jest koszt i zwrot z inwestycji w porównaniu z alternatywnymi rozwiązaniami. Gdy te kwestie zostaną rozwiązane, można kontynuować projektowanie systemu.
Istnieje kilka rodzajów urządzeń, które mogą produkować wodę lodową, dwa główne – to chłodzone wodą i powietrzem. W ramach każdego typu istnieje wiele rodzajów sprężarek, takich jak tłokowa, spiralna, śrubowa i odśrodkowa. Najczęściej w dużych zastosowaniach występuje chłodziarka sprężarkowa, odśrodkowa. Dzięki nowoczesnym technologiom udało się zmaksymalizować wydajność tych urządzeń poprzez zastosowanie sprężarek o zmiennej prędkości, aby lepiej dostosować je do zmiennego zapotrzebowania na chłodzenie. Równie często stosowane są chłodziarki absorpcyjne, używające pary, gazu ziemnego albo gorącej wody. Istnieją nawet urządzenia, które używają wody podgrzanej panelami słonecznymi. Stosowane są na razie na mniejszą skalę, szczególnie na południowym zachodzie USA, niemniej ta technologia ma duży potencjał.
Sukces wdrożenia i wydajność systemu zależy od „odpowiedniego zwymiarowania”. Innymi słowy – wielkość systemu powinna dokładnie odpowiadać zaprojektowanemu obciążeniu. Powinna także istnieć możliwość utrzymania wysokiego poziomu wydajności w zależności od zmiennych wymagań na chłodzenie wynikających z bieżących potrzeb.
Obliczanie rozmiaru
Analiza rozpoczyna się od określenia zróżnicowania systemu. Przykładem może być duży kompleks biurowy, w którym każdy budynek ma osobne zapotrzebowanie na chłodzenie uzależnione od lokalizacji, rodzaju konstrukcji i użytkowania. Byłoby dziwne, gdyby wszystkie budynki jednocześnie potrzebowały 100% wydajności chłodzenia. Modelowanie komputerowe to najefektywniejszy sposób przeanalizowania wszystkich zmiennych. Każdy budynek będzie miał projekt zapotrzebowania na chłodzenie i czas, w którym to zapotrzebowanie się pojawia. Obliczenie obciążenia dla wszystkich budynków wskaże czas maksymalnego obciążenia dla całego systemu. Podobnie jak w przypadku projektu systemu zmiennej ilości powietrza, wszystkie strefy lub budynki nie będą miały szczytowego obciążenia w tym samym czasie. Obciążenie blokowe to maksymalne obciążenie wywierane na budynek, które jest mniejsze niż suma obciążeń szczytowych. Ta zasada sprawdza się dla projektów systemów wody lodowej i jest powszechnie znana jako „zróżnicowanie”. To ćwiczenie pomaga w określeniu łącznej pojemności systemu i jest niezbędne do zwymiarowania parametrów chłodziarki.
Przed rozpoczęciem tego procesu należy rozważyć wymagania związane z nadmiarowością oraz szanse na obniżenie szczytowego obciążenia poprzez przechowywanie lodu lub zastosowanie innych rozwiązań, które mogłyby zostać włączone do projektu. Do innych opcji można zaliczyć maszyny zasilane silnikiem, maszyny absorpcyjne lub ich kombinacje.
Tradycyjnie preferowane są chłodziarki absorpcyjne, jeśli mamy do czynienia z nadmiarem ciepła – możliwe jest wtedy osiągnięcie wyraźnych oszczędności na poziomie operacyjnym, w zależności od stopnia użyteczności lub ograniczeń zapotrzebowania na energię elektryczną.
Proces rozpoczyna się od oceny ilości, typu i wydajności potrzebnych maszyn, wliczając w to pojemność spoczynkową. W celu zilustrowania procesu wyboru można się posłużyć przykładem, gdy potrzebne jest obciążenie na poziomie 3200 ton HVAC (1 tona HVAC to ok. 3,5 kW). Rozwiązaniem mogą być maszyny 1000-tonowe, dwie maszyny 1500-tonowe i jedna 500-tonowa lub jedna 2000-tonowa i jedna 1500-tonowa. Kombinacje i różnice w wydajności mogą być mylące.
Warto również wziąć pod uwagę obciążenie sezonowe. Zapotrzebowanie na chłodzenie wiosną lub jesienią może być dużo mniejsze niż latem. Przy uwzględnieniu liczby godzin poza czasem najwyższego zapotrzebowania w cyklu oraz wydajności chłodziarki może się okazać, że lepszym rozwiązaniem będzie wybór mniejszego urządzenia dla tego okna czasowego niż dużego, działającego w warunkach niepełnego obciążenia i osiągającego niepełną wydajność. Oczywiście, temperatura na zewnątrz nie zawsze jest wyznacznikiem, ponieważ w wybranych lokalizacjach powinien być brany pod uwagę także poziom wilgotności. Projektant powinien więc uwzględnić wszystkie czynniki.
Ustanawianie standardu
Do określenia wydajności chłodziarki używa się kilku standardów. W przypadku chłodziarek zasilanych elektrycznie używane są wskaźniki określające zużycie energii (w kW/tonę) przy pełnym lub częściowym obciążeniu. System chłodziarek rzadko będzie obciążony w 100% w sposób ciągły, z wyjątkiem chłodzenia na potrzeby procesów. W związku z ograniczonym czasem, w którym chłodziarka pracuje pod pełnym obciążeniem, istotne jest zidentyfikowanie wielkości zużycia energii pod częściowym obciążeniem oraz liczby godzin, w których urządzenie działa pod częściowym obciążeniem. Te wartości mogą być powiązane z harmonogramami zajętości, warunkami pogodowymi lub zmianami w rozkładzie obciążenia.
Standard Instytutu Klimatyzacji i Chłodnictwa (ARI – Air-Conditioning and Refrigeration Institute) – ARI 550/590 – jest stosowany do określenia wydajności chłodziarek tłokowych, śrubowych i odśrodkowych. W celu ustalenia średniej wydajności chłodziarki w standardzie wykorzystany jest wzór znany jako Zintegrowana Wartość Obciążenia Częściowego (IPLV – Integrated Part-Load Value). Jest on oparty na czterech wskaźnikach operacyjnych, wykorzystujących „procent zaprojektowanego obciążenia” (obciążenia chłodzącego) oraz części głównej odnoszącej się do ciśnienia chłodnicy i jest funkcją wskazań termometru suchego – dla urządzeń chłodzonych powietrzem – i wskazań termometru wilgotnego, mających wpływ na chłodziwo w urządzeniach chłodzonych wodą.
Wzór zakłada procentowy udział czasu pracy pod obciążeniem 100%, przy temperaturze wpływającej wody lodowej (ECWT – Entering Chilled Water Temperature) na poziomie 30°C, przez 42% czasu system działa pod obciążeniem 75% przy 24°C ECWT, przez 45% czasu system jest obciążony na 50% przy 18,5°C ECWT i przez 12% czasu system działa pod obciążeniem 25% przy 18,5°C ECWT. Inne parametry modelu to temperatura wypływającej wody lodowej na poziomie 6,7°C, 30°C ECWT przy temperaturze zewnętrznej termometru suchego na poziomie 35°C, przepływ chłodziwa na poziomie 3 gpm oraz przepływ wody lodowej na poziomie 2,4 gpm na tonę.
Zmiana każdego z tych czynników modyfikuje profil obciążenia (kW/tona). Aby przyjąć te warunki, ARI wyróżnia również wskaźnik niestandardowej wartości obciążenia częściowego (NPLV – Nonstandard Part Load Value). Istnieją raporty techniczne, które wskazują, że siłą napędową wydajności chłodziarki jest część główna, będąca funkcją czynników pogodowych i ma jednakowy wpływ na wiele chłodziarek jednocześnie. Obie metody dają w naturze zbieżne rezultaty i obie są akceptowalnymi metodami do określania wydajności pod częściowym obciążeniem.
Branych jest pod uwagę kilka czynników mających wpływ na ocenę. Po pierwsze, wewnętrzne chłodzenie stanowi 35–45% obciążenia, co może zostać określone przez odpowiednie obliczenia. Po drugie, ponieważ wewnętrzne obciążenie jest relatywnie stabilne i biorąc pod uwagę warunki obciążenia, warunki pogodowe będą miały większy wpływ na działanie chłodziarki. Z tego powodu stosunek wskaźników IPLV/NPLV wyrażany jest w wartościach 25%, 50%, 75% i 100%, a odpowiednie wykresy wydajności są stosowane do określenia przewidywalnego zużycia energii.
Chłodnie wieżowe
Wydajność chłodni wieżowych może zostać łatwo pominięta w projekcie. Istnieją dwa podstawowe typy: wieża bezpośredniego kontaktu lub otwarta, która wystawia ciecz bezpośrednio na kontakt z powietrzem, i wieża zamkniętego obiegu, która zakłada pośredni kontakt między cieczą a powietrzem. Wybór rodzaju wieży zależy od temperatury podejścia. W przypadku wieży otwartej jest to różnica między zewnętrzną temperaturą termometru wilgotnego i wymaganą temperaturą chłodziwa wpływającego, zazwyczaj 30°C. W celu osiągnięcia temperatury cieczy na poziomie 30°C maksymalna temperatura termometru wilgotnego nie może przekroczyć 26°C, przy 4°C temperatury podejścia. Wieże o zamkniętych obiegach mają tę przewagę, że utrzymują chłodziwo w zamkniętej pętli, co minimalizuje straty parowania i koszty chemikaliów. Wydajność tych jednostek jest ograniczona do temperatury termometru suchego. W niektórych przypadkach ciecz wewnątrz osadnika jest rozpylana na spiralę w celu zapewnienia chłodzącego odciążenia. Skutkuje to nieco zimniejszym chłodziwem. Wciąż ograniczeniem jest czynnik materiałowy (chłodnica spiralna), który oddziela powietrze od chłodziwa. Najczęściej wybieranym rozwiązaniem jest otwarta chłodnia wieżowa.
Wybór chłodni wieżowej przywodzi na myśl określenie „wytworny” – wieża lub wieże nie powinny być zbyt duże, istnieje również kilka prostych nisko- lub bezkosztowych elementów, które mogą przynieść finansowe korzyści. Jak w przypadku wielu dużych elementów wyposażenia, istnieją standardowe obudowy i wielkości. Chłodnie wieżowe są wybierane na podstawie temperatury podejścia i zewnętrznej temperatury termometru wilgotnego. Ilość materiału wypełniającego określa czas wstrzymania cieczy w obudowie wieży oraz rozmiar wiatraków wymaganych do wzmocnienia chłodzącego efektu parowania. Zwiększając temperaturę termometru wilgotnego lub lekko podwyższając obciążenie, możemy zyskać okazję do dodania nieco większej ilości wypełnienia do standardowej obudowy, zwiększając tym samym powierzchnię. Przy maksymalizacji jej obszaru, konwekcyjny przepływ powietrza opóźni działanie zainstalowanych w chłodni wiatraków, co ograniczy zużycie energii. Do innych możliwości maksymalizacji wydajności należy zaliczyć zastosowanie napędów wiatraków o zmiennej prędkości. Różne strategie zakładają wykorzystanie wszystkich wiatraków o zmiennej prędkości lub tylko z pierwszych i ostatnich partii. Zależy to od kosztów i lokalnych warunków pogodowych. Kontrola wiatraków zazwyczaj bazuje na temperaturze wody wypływającej. Zwyczajową praktyką jest wytwarzanie możliwie najchłodniejszej cieczy, co skutkuje maksymalizacją wydajności chłodziarki.
Jeśli działanie w warunkach zimnej pogody jest brane pod uwagę, wewnętrzny osadnik cieczy powinien również być rozważany. Innym rozwiązaniem jest utrzymywanie ogrzewania osadników wewnątrz wieży lub osuszanie osadnika za każdym razem, kiedy zachodzi ryzyko oblodzenia. Każde z tych rozwiązań może być kosztowne, zarówno pod względem zużycia wody, jak i chemikaliów.
Istnieje kilka strategii wyboru i obsługi pomp chłodziwa. Najprostsze projekty zakładają wykorzystanie indywidualnych pomp dla każdej chłodziarki przyporządkowanej do pojedynczej wieży. Taki sposób myślenia można określić jako starą szkołę, zakładającą oddzielone obwody (ograniczające w ten sposób ryzyko uszkodzenia całego systemu) i jednakowe czasy działania wszystkich urządzeń. Jakkolwiek taka filozofia może być wciąż uzasadniona w niektórych zastosowaniach, nowsze projekty zapewniają bardziej elastyczne kombinacje urządzeń.
Pompy i zawory
W niektórych zastosowaniach napędy o zmiennej prędkości wykorzystywane są do ograniczenia kosztów pompowania. Kontrola nad pompami jest realizowana poprzez monitorowanie ciśnienia głowicy lub temperatury cieczy. W tym momencie ważna jest gruntowna analiza ich wpływu na wydajność chłodziarki. Należy pamiętać, że standardowe wskaźniki IPLV/NPLV bazują na standardowych warunkach ARI: 3gpm/tona przy 30, 24, 18,5 i 13°C ECWT. Przy zmianach przepływu zmieniają się również temperatura wody i ciśnienie głowicy. Oszczędności w zużyciu energii przez pompy powinny być równoważone wydajnością chłodziarki, co będzie wymagać gruntownej analizy prowadzonej z udziałem producenta chłodziarki i odpowiedniego modelu komputerowego.
Należy mieć na uwadze fakt, że niektórzy producenci nie będą honorować gwarancji lub odpowiadać za niewystarczającą wydajność, jeśli minimalny przepływ nie jest zapewniony. Częściej stosuje się rozwiązanie, w którym każdej chłodziarce odpowiada jedna pompa i – o ile to możliwe – dodatkowa, w stanie spoczynku. Te pompy mogą być połączone ze sobą i włączone do cyklu uruchamiania chłodziarki. Jednostki wieży są połączone z automatycznymi zaworami mającymi na celu kontrolę temperatury. W miarę jak temperatura rośnie, każda komórka może być aktywowana, aby powiększyć powierzchnię chłodzącą. Wraz z odpływem wody wiatraki są zasilane, aby osiągnąć odpowiedni próg działania. Jak w przypadku każdego systemu otwartego, przy wyborze pomp niezbędne jest uwzględnienie naddatku antykawitacyjnego (NPSH – Net Positive Suction Head). Jest to różnica pomiędzy ciśnieniem na wejściu a najniższą wartością ciśnienia wewnątrz pompy. Wyraża straty ciśnienia występujące w części korpusu pompy na jej wlocie.
Pompy wody lodowej są wybierane w podobny sposób jak pompy chłodziwa. Współczesne strategie pompowania zakładają kilka konfiguracji pracy pomp, takie jak konfiguracja podstawowa-wtórna (rys. 3), zróżnicowane przepływy podstawowe czy systemy rozdzielcze.
System podstawowy-wtórny składa się z podstawowej pompy o stałej prędkości, która spełnia wymagania dotyczące przepływu dla każdej chłodziarki. Pompy wtórne mogą zostać skonfigurowane jako indywidualne pompy pełnego przepływu, działające w stanie gotowości lub równolegle, aby zapewnić przepływ cieczy odpowiedni do potrzeb systemu wody lodowej. Zwrotnice używane są do zrównoważenia warunków przepływu występujących w przypadku częściowego obciążenia, kiedy przepływ wtórny rozmija się z podstawowym. Temperatura wypływającej wody lodowej jest regulowana zgodnie z harmonogramem BAS. Z historycznego punktu widzenia utrzymywanie możliwie najniższej temperatury wypływającej cieczy i najwyższej różnicy temperatur dla zminimalizowania energii pomp może przynosić korzyści.
Zmienny przepływ podstawowy jest hybrydą systemu podstawowego-wtórnego. W takiej konfiguracji nie używa się pomp o stałej prędkości, co pozwala na ustawienie różnej zmienności przepływu wody lodowej w każdej chłodziarce. Rura stanowiąca obejście i zawór zapewnia utrzymanie minimalnych wymaganych przepływów w chłodziarkach. W odpowiedzi na różnice w przepływach należy wziąć pod uwagę wskaźniki poszczególnych chłodziarek.
Rozdzielcze systemy pomp zostały zaprojektowane w celu zapewnienia obiegu wody lodowej wewnątrz systemu centralnego. Każdy budynek zawiera system pomp zwymiarowany tak, aby zapobiec spadkom ciśnienia między systemem centralnym a punktem użycia. Ma to swoje zalety w rozwiązaniach wielobudynkowych, z długimi systemami przesyłowymi. Jeśli system pomp w centrali ma za zadanie przeciwdziałać spadkom ciśnienia w całym systemie przesyłowym, jest wielce prawdopodobne, że budynki najbliżej centrali będą miały problemy z podwyższonym ciśnieniem i kontrolą temperatury.
Inną kwestią wartą rozważenia jest wysokość statyczna podnoszenia cieczy. Dotyczy to wszystkich dużych, wielobudynkowych systemów pomp. Jeśli planowane są wysokie budynki, należy rozważyć łączną wysokość statyczną podnoszenia cieczy w systemie. Będzie to miało bezpośredni wpływ na klasyfikację ciśnienia zaworów, rur, kołnierzy etc., które mogą generować dodatkowe koszty.
Lepszym rozwiązaniem może być wymiennik ciepła w miejscu użytkowania. Centrala systemu będzie w takim przypadku producentem i będzie podlegała mniejszym ciśnieniom, a sam wymiennik będzie jedynym komponentem wystawionym na działanie wysokiego ciśnienia. Jest to efektywna metoda kontroli wyposażenia i kosztów materiałów.
Zak jest szefem Graef-USA Inc. (USA). Jest członkiem ASHRAE i NCEES oraz doradą w czasopiśmie Consulting-Specifying Engineer.
Autor: Peter D. Zak, Graef-USA Inc.