اثر بار جزئي سيستم در بهينه سازي چيلر

نویسندگان :

میلاد خلیلی 1، کامران نیازی ۲

١- مدیر بخش HVAC شرکت گرین مایل، مسقط، عمان

۲- مدرس گروه مهندسی مکانیک، موسسه آموزش عالی زند، شیراز، ایران

۲- دپارتمان مهندسی مکانیک، ، دانشکده شهید رجایی، دانشگاه فنی و حرفه ای استان فارس، ایران

Email 1:hvac@greenmiletr.com Email 2: niazi8910@gmail.com

چکیده

به طور تقریبی نیمی از انرژی مصرفی یک ساختمان صرف فرآیند سرمایش و تهویه مطبوع می شود. بنابراین انتخاب بهینه سیستم سرمایش می تواند تاثیر بسیار زیادی در کاهش مصرف انرژی داشته باشد. یکی از تجهیزات مورد نیاز برای سرمایش ساختمان ها چیلر می باشد. در این مقاله به بررسی انتخاب چیلر بر اساس مشخصات سیستم از قبیل خصوصیات بار ساختمان، تعداد چیلر ها، ساعات کار کرد و … که میتواند نقش کلیدی در مصرف انرژی چیلر و بهينه سازي چيلر داشته باشد، پرداخته شد. در نهایت با انتخاب صحیح چیلر بر اساس موارد ذکر شده در یک ساختمان نمونه پیش بینی می شود که به طور سالیانه حدود ۱۲۰ میلیون تومان در هزینه های مصرف انرژی صرفه جویی شود.

1. مقدمه

افزایش مصرف انرژی و رشد فزاینده آن در کنار منابع محدود آن، توجه بسیاری از محققین به ضرورت راهکارهایی برای صرفه جویی در مصرف انرژی را جذب کرده است. استفاده منطقی از منابع انرژی با به کارگیری روش های بهینه سازی مصرف انرژی همواره بهترین رویکرد برای این امر بوده است.

با استفاده منطقی از انرژی نه تنها شاهد کاهش هزینه های مصرف انرژی خواهیم بود بلکه آثار مفیدی همچون کاهش آلودگی زیست محیطی، تداوم طول عمر منابع مالی و در نهایت توسعه اقتصادی کشور را به دنبال خواهد داشت [۱] به طور تقریبی ۴۰ درصد از انرژی مصرفی یک ساختمان صرف هزینه های سرمایش و تهویه مطبوع می شود.

متاسفانه در کشور ما، اقدامات انجام شده در سال های اخیر اثربخشی مورد انتظار را در زمینه کاهش مصرف انرژی بخش ساختمان نداشته است و تداوم این وضعیت تبعات اقتصادی و زیست محیطی جبران ناپذیری را برای کشور به دنبال خواهد داشت[8]۔ بنابراین انتخاب بهینه سیستم سرمایش، می تواند تاثیر بسزایی در کاهش مصرف انرژی و هزینه های ناشی از آن داشته باشد. یکی از تجهیزات مورد استفاده برای سرمایش ساختمان ها چیلر می باشد.

چیلر، یک مبدل حرارتی است که آب سرد در کویل های دستگاه های هواساز و یا فن کویل ها را تهیه می کند. چیلر ها از نظر سیستم تبرید به دو دسته تراکمی و جذبی تقسیم بندی می شوند[۱۰]. با توجه به انواع چیلر ها و تجهیزات آنها، به منظور راه اندازی چیلر ها از منابع مختلف انرژی از قبیل آب، برق، گاز و … باید مورد استفاده قرار گیرد و مصرف انرژی معمولا زیاد می باشد. از این رو صرفه جویی در مصرف انرژی و بهينه سازي چيلر می تواند باعث بهبود عملکرد آنها و کاهش هزینه های مصرفی و همچنین کاهش آلودگی زیست محیطی شود [۷] .

برای مقایسه کیفیت عملکرد چیلر ها، از شاخص های مختلفی استفاده می شود. هر کدام از این شاخص ها محدودیت های مربوط به خود را دارد. یکی از ساده ترین شاخص های مورد استفاده به منظور مقایسه عملکرد چیلرها، نسبت بازدهی انرژی EER ¹یا همان ضریب عملکرد سیستم COP² می باشد که به صورت نسبت راندمان انرژی برای دستگاه های خنک کننده تعریف می شود[۶ و ۷] و نسبت بازدهی انرژی، شاخصی برای اندازه گیری راندمان دستگاه دربار حداکثری است.

این در حالی است که چیلرها تنها یک درصد مواقع در حداکثر ظرفیت خود کار می کنند [۴ و ۹] بنابراین نسبت بازدهی انرژی شاخص خوبی برای مقایسه دستگاهها نیست. برای جبران محدودیت شاخص EER شاخص دیگری را تحت عنوان IPLV³ پیشنهاد شد. مزیت IPLV این است که با توجه به دمای هوای بیرون و میزان بارهای داخلی فضا، میزان بازدهی در بارهای جزئی را نیز مشخص می کند [۳ و ۵. IPLV، مقدار بار جزئی در شرایط استاندارد ARI این امکان را می دهد که بازدهی چیلر را در ظرفیتهایی غیر از ظرفیت حداکثر محاسبه کنیم. شاخص IPLV به صورت رابطه زیر تعریف می شود:

در رابطه ۱، A عکس نسبت بازدهی انرژی دربار ۱۰۰ درصد، B عکس نسبت بازدهی انرژی در بار ۷۵ درصد، Cعکس نسبت بازدهی انرژی در بار ۵۰ درصد و D عکس نسبت بازدهی انرژی در بار ۲۵ درصد می باشد[۳ و ۵. این رابطه به این معناست که چیلر تنها یک درصد مواقع در حداکثر ظرفیت خود، ۴۲ درصد مواقع در ۷۵ درصد ظرفیت، ۴۵ درصد مواقع در ۵۰ درصد ظرفیت و ۱۲ درصد مواقع در ۲۵ درصد ظرفیت خود کار می کند.

این شاخص، چندین سال به عنوان یک شاخص استاندارد، برای مقایسه عملکرد چیلر ها مورد استفاده قرار می گرفت. پس از آن این استاندارد مورد بازبینی محققان قرار گرفت. از آنجا که روش های طراحی متفاوت می توان برای چیلرها در نظر گرفت، در این بازبینی، استاندارد، این امکان را برای تولید کنندگان فراهم کرد با ضرایب وزنی رابطه IPLV را بر اساس نوع طراحی چیلر در جهت بالا بردن راندمان و بهينه سازي چيلر تغییر دهند. به عنوان مثال این امکان وجود دارد تا تولید کننده ای دستگاهی را طراحی کند که ۶۰ درصد مواقع در ۷۵ درصد ظرفیت خود کار کند.

شاخص جدید تحت عنوان NPLV⁴ نامگذاری شد. شاخص NPLVبه معنای مقدار بار جزئی در شرایط غیر استاندارد ARI است [۳]. به منظور درک بهتر از مفهوم NPLV، دو چیلر را با ظرفیت های برابر در نظر بگیرید که در یکی از چیلر ها دو کمپرسور و در دیگری سه کمپرسور قرار دارد. این دو می توانند IPLV و NPLV کاملا متفاوتی داشته باشند. برای یک چیلر بر اساس شاخص IPLV بیشترین بار چیلر در دمای 95°F (استاندارد35°C) (ARI) در نظر گرفته می شود.

این در حالی است که بر اساس شاخص NPLV محدودیت دمایی برای حداکثر بار چیلر وجود ندارد و بر اساس شرایط طراحی می توان دمای متناسب با راندمان بهینه در چیلر را در نظر گرفت که این امر در بهينه سازي چيلر نقش موثری را ایفا می نمانید . در اولین موردی که باید برای طراحی سیستم در نظر گرفت، محدودیت استانداردها می باشد. شاخص های IPLV و NPLV هر کدام به نوبه خود دارای محدودیت هایی در زمینه طراحی هستند. بنابراین باید از آنها تنها به عنوان نقطه آغاز طراحی استفاده کرد [۳].

همچنین این دو شاخص فقط برای طراحی یک چیلر می تواند مورد استفاده قرار گیرد و به طور کلی نمی تواند بهينه سازي چيلررا به منظور صرفه جویی در مصرف انرژی پیش بینی کند. بنابراین به منظور طراحی سیستم، باید اطلاعات و جزئیات کافی از قبیل شرایط آب و هوایی، موقعیت جغرافیایی، خصوصیات بار سرمایی، تعداد چیلر ها، ساعات کارکرد آنها، میزان مصرف انرژی پمپ ها و برج های خنک کننده و … وجود داشته باشد [۳] در این مقاله، تاکید بر طراحی سیستم به جای طراحی چیلر است. منظور از طراحی سیستم در نظر گرفتن همزمان تمام شرایط تاثیر گذار بر راندمان سیستم برای یک پروژه خاص است که کاری جدید و از لحاظ نوآوری می تواند مدنظر قرار گیرد.

در تحقیق حاضر، ابتدا یک ساختمان نمونه با بار سرمایی مورد نیاز ۱۰۰۰ تن تبرید (۳۵۱۶۵ کیلو وات) در نظر گرفته شد. برای این ساختمان دو چیلر با طراحی متفاوت در شرایط آب و هوایی مختلف مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج به صورت داده های عددی پس از انجام محاسبات و شبیه سازی در نرم افزار کریر به دست آمد و سپس با استفاده از نرم افزار متلب نمودارهایی برای مقایسه نتایج رسم گردید.

۲. شبیه سازی ساختمان نمونه برای تعیین شاخص انرژی

در ابتدا یک ساختمان نمونه با کاربری تجاری تفریحی در نظر گرفته شد. پس از محاسبات بار سرمایی توسط نرم افزار کریر بار حداکثر ۱۰۰۰ تن تبرید واقعی به دست آمد که این میزان بار سرمایی به عواملی همچون موقعیت جغرافیایی، تابش آفتاب، جهت گیری ساختمان، نوع کاربری، میزان روشنایی، جنس مصالح، تعداد افراد، ساعات کاربری و … بستگی دارد. برای این ساختمان نمونه پیشنهاد در تولید کننده در نظر گرفته شد.

در جدول(۱)، مشخصات تولید کننده های A و B آمده است. در این مقایسه همانطور که مشاهده می شود عکس نسبت بازدهی انرژی (EER) برای هر تولید کننده که از مبرد های متفاوتی استفاده کرده اند، یکسان است ولی شاخص NPLV که توسط تولید کننده ارائه شده است و به بار جزئی چیلر وابسته است متفاوت می باشد.

با توجه به اینکه میزان بار سرمایی ساختمان به عوامل متعددی بستگی دارد، بنابراین میزان بار ساختمان در طول روز و در طول سال متفاوت خواهد بود. در شکل (۱) شبیه سازی بار سرمایی ساختمان نمونه توسط نرم افزار متلب مشخص شده است. در این نمودار، محور افقی، درصد مورد نیاز بار سرمایی ساختمان و ستون سمت چپ تعداد ساعت های بار سرمایی مورد نیاز در طول یک سال است. با توجه به شکل مشاهده می شود که ۱۷۵۰۰۰ تن تبرید – ساعت در طول یک سال، چیلرها در ۷۰ درصد ظرفیت خود کار می کردند و همچنین مشاهده می شود که تنها ۱۲ ساعت در طول یک سال چیلرها در ۱۰۰ درصد ظرفیت خود کار می کنند.

یک اشتباه رایج در مورد راندمان چیلرها این است که تصور می شود زمانی که چیلر ها در حداکثر ظرفیت خود کار می کنند بیشترین راندمان را دارند؛ اما در حقیقت چیلر ها می توانند در نقطه طراحی بهینه که توسط طراح مشخص می شود، بیشترین راندمان را داشته باشند. به عنوان مثال در شکل (۲) زمانیکه چیلرها در ۴۰ درصد ظرفیت خود کار می کنند، بیشترین راندمان را دارند.

با توجه به نمودار اگر عدد مربوط به عکس نسبت بازدهی انرژی که با خطوط قرمز رنگ مشخص شده اند را در نظر بگیریم و نقطه عملکرد میانگین وزنی آن را محاسبه کنیم (خط سبز رنگ)، شاخص جدیدی به دست می آید که SPLV نامیده می شود. به منظور مقایسه بهتر تمام نمودارهای توضیح داده شده بطور همزمان در شکل (۳) رسم شده است. در این شکل، محور افقی درصد مورد نیاز بار ساختمان، ستون سمت چپ سرمایش بر حسب تن تبرید – ساعت در طول یک سال، ستون سمت عکس نسبت بازدهی انرژی (خطوط قرمز رنگ) و در نهایت، میانگین وزنی (SPLV) با خط چین سبز رنگ مشخص شده است.

این مقاله را نیز بخوانید : مقایسه عملکرد چیلر تراکمی و جذبی در خنک کاری هوای ورودی به توربین گاز

3.بحث در نتایج

به منظور صحت سنجی مبحث گفته شده، هشت شهر ایران به عنوان نمونه در نظر گرفته شده است که این ۸ شهر دارای شرایط آب و هوایی مختلف می باشند و عبارتند از یزد، تهران، بندر عباس، رشت، ساری، شهرکرد، همدان و مشهد (۲). ساختمان نمونه در نظر گرفته شده در قسمت قبل برای هر کدام از شهرهای ذکر شده و با دو تولید کننده A و B که در قسمت قبل شرایط آنها توضیح داده شد، مورد بررسی قرار گرفت.

شاخص های NPLV و SPLV برای هر کدام از شهرها محاسبه و نتایج در جدول (۲) به منظور مقایسه آمده است. در این مقایسه، شرایطی از قبیل پمپ ها، برجهای خنک کن و سیستم کنترلی چیلرها در همه شهرها یکسان در نظر گرفته شده است و همچنین چیلرها از لحاظ شاخص EER یکسان انتخاب شده اند. با توجه به جدول (۲) مشخص است که شاخص های EER و NPLV در تمام شهرهای در نظر گرفته شده یکسان است ولی شاخص SPLV متغیر می باشد

دلیل متغیر بودن این شاخص، متفاوت بودن شرایط آب و هوایی شهرهای در نظر گرفته شده است. با توجه به جدول (۲)، اگر مشخصات یکسانی که برای یک پروژه در بندر عباس آماده شده است را برای پروژه ای در مشهد استفاده کنید، عملکرد واقعی ممکن است تا ۱۹ درصد تحت تاثیر قرار گیرد.

همچنین وابسته به اینکه کدام یک از تولید کننده ها انتخاب می شود، بیشترین اختلاف عملکرد می تواند تا ۱۱ درصد در یک شهر به وجود آید. این در حالی است که هر دو چیلر نسبت بازدهی انرژی (EER) یکسانی داشتند. علاوه بر آن با انتخاب تولید کننده B، در شهر مشهد که از مبرد R134a استفاده کرده بود، به صورت میانگین مصرف انرژی kW/ton 0.445 خواهد بود. این شاخص به طور تقریبی ۱۷ درصد بهتر از شاخص NPLV و ۲۵ درصد بهتر از شاخص EER است و همانطور که مشاهده می شود با وجود اینکه شاخص

NPLV برای شهر مشهد با انتخاب تولید کننده A شاخص بهتری است، اما با توجه به شاخص SPLV ، انتخاب تولید کننده B عملکرد بهتری از لحاظ صرفه جویی در مصرف انرژی و  بهينه سازي چيلر  در پی خواهد داشت.

۴. جمع بندی

با توجه به مطالب گفته شده می توان به این نتیجه رسید که شاخص SPLV به عنوان آنالیز همه جانبه که منعکس کننده اطلاعات آب و هوایی واقعی، مشخصات بار ساختمان، تجهیزات صرفه جویی در مصرف انرژی در جهت بهينه سازي چيلر از قبیل اکونومایزر، خنک کننده روغن، سیستم کنترلی کمپرسورها و انرژی مورد استفاده توسط تجهیزات جانبی مثل پمپ ها و برج های خنک کننده است، می تواند معرفی شود.

۵. مراجع

1-مقررات ملی ساختمان ایران، مبحث نوزدهم، صرفه جویی در مصرف انرژی، نشر توسعه ایران، ۱۳۹۰ هوا و

۲. نشریه شماره ۲۷۱، شرایط طراحی (Design Conditions برای محاسبه تاسیسات گرمایی، تعویض تهویه مطبوع ویژه تعدادی از شهرهای کشور، معاونت امور فنی، دفتر تدوین ضوابط و معیارهای فنی، انتشارات سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور، ۱۳۸۲

3. Air-conditoning. Heating and Refrigeration Institute (AHRI). AHRI Standard 550/590: Performance rating of water chilling and heat pump water-heating packages using the vapor compression cycle, Author Press; 2011.

3. Austin SB. Optimum chiller loading. ASHRAE Journal July 1991;33,40-3.
4. Eurovent certification program, 2014. Available at http://www.curovent certification.com/
5. 6. Faye C.McQuiston, Jerald D.Parker, Jeffrey D.Spiter, Heating. Ventilating, and Air Conditioning Analysis and Design, sixth Edition, 2005 John Wiley & Sons, Inc.
6. E.W. Yu, K.T. Chan, R.K.Y. Sit and J. Yang, Review of standards for energy performance of chiller systems serving commercial buildings. The 6th International Conference on Applied Energy – ICAE2014
7. 8. Introduction to HVAC, industry overview, 01-01-TDP Carrier- Industry Overview, 2005 Carrier Corporation
8. Landman WJ. Off-design chiller performance. Trane Engineers Newsletter December 1996;25(5).