Ocena cech użytkowych wytwornic wody lodowej

Z przeglądu konstrukcji i wyposażenia wytwornic wody lodowej, które pojawiają się na rynku, wynika, że ich nieustanny rozwój jest skutkiem „wojny urządzeń” (chillers wars). Co pewien czas pojawiają się innowacyjne rozwiązania konstrukcyjne, materiałowe, funkcjonalne oraz układów regulacji i sterowania, zmieniany jest także rodzaj czynnika chłodniczego, co jest skutkiem obowiązujących wymagań dotyczących ochrony środowiska.

Ciekawe wnioski na temat rozwoju produkcji urządzeń klimatyzacyjnych i tendencji związanych ze sprężarkami stosowanymi w wytwornicach wody lodowej można wysnuć na podstawie rys. 1. Został on opracowany przez EMI (Eurovent Market Intelligence) i dotyczy 13 lat (2004–2016). Widać, że w badanym okresie znacznie wzrosła liczba producentów urządzeń klimatyzacyjnych, a z rys. 1b wynika, że w roku 2015 udział sprężarek tłokowych w nowych urządzeniach drastycznie zmalał.

Nowoczesne wytwornice wody lodowej powinny się charakteryzować następującymi cechami użytkowymi:

• niskim zużyciem energii napędowej,
• elastycznością eksploatacyjną, tj. możliwością dopasowania mocy chłodniczej urządzenia do chwilowych obciążeń cieplnych zasilanej instalacji przy możliwie małych stratach regulacyjnych,
• wysoką niezawodnością i bezpieczeństwem eksploatacji oraz długim cyklem życia (LC),
• ograniczoną szkodliwością oddziaływania na środowisko (potęgowanie efektu cieplarnianego, hałas i wibracje),
• prostym montażem i obsługą oraz łatwym nadzorem działania i diagnostyki zakłóceń,
• niewielkimi wymiarami i małą masą,
• niskimi kosztami inwestycji i eksploatacji.

Uzyskanie powyższych cech, często przeciwstawnych, wymaga odpowiednich działań konstrukcyjno-technologicznych w odniesieniu do poszczególnych elementów składowych (sprężarek, wymienników ciepła, układów regulacji, wentylatorów itp.), jak również urządzenia jako całości (konstrukcja nośna, zabezpieczenia antykorozyjne i akustyczne itd.). Ostateczne cechy jakościowe i eksploatacyjno-ekologiczne urządzenia są superpozycją cech jego elementów składowych.

Cechy charakteryzujące wytwornice wody lodowej wymieniono w przypadkowej kolejności, gdyż niektóre z nich są przeciwstawne, a ich znaczenie (waga) zależy głównie od przeznaczenia urządzenia, stopnia jego wykorzystania, rodzaju zasilanej instalacji, możliwości finansowych inwestora itp. Analizę tych cech powinien przeprowadzić projektant i na postawie jej wyników dobrać urządzenie, które w największym stopniu spełnia lokalne uwarunkowania. Żeby ułatwić projektantom wybór, a także porównanie oferowanych urządzeń pod względem energetycznym i eksploatacyjnym, wprowadzono standardy dotyczące ich osiągów w określonych warunkach eksploatacji.

Standaryzację charakterystyk technicznych urządzeń przeznaczonych do chłodnictwa i klimatyzacji, w tym wytwornic wody lodowej, wprowadziła organizacja Eurovent w ramach programu certyfikacji. Zadaniem certyfikacji jest umożliwienie inwestorowi i projektantowi dokonania wyboru urządzenia, które będzie pracować zgodnie z potwierdzoną przez niezależną instytucję badawczą charakterystyką techniczną, a także oszacowania kosztów zużywanej energii.

Program certyfikacji wytwornic wody lodowej (LPC) obejmuje urządzenia zasilane energią elektryczną i wykorzystujące różne rodzaje czynników chłodniczych. Skraplacze tych urządzeń mogą być chłodzone powietrzem i wodą, przy czym dotyczy to zarówno urządzeń kompaktowych, jak i ze skraplaczem wyniesionym (zdalnym). W urządzeniach o działaniu rewersyjnym certyfikowany jest tryb pracy w układzie chłodzenia i grzania (pompy ciepła).

Program certyfikacji nie obejmuje urządzeń napędzanych silnikiem innym niż elektryczny, nierewersyjnych pomp ciepła oraz urządzeń zasilanych prądem o częstotliwości 60 Hz. Z programu wyłączono również certyfikację osiągów free coolingu oraz układów do odzyskiwania ciepła.

W programie certyfikacji Eurovent wyróżniono następujące warunki eksploatacji i obszary zastosowania wytwornic wody lodowej:

• klimatyzacja – temperatura wody lodowej odpływającej z LPC: 2–15°C,
• chłodzenie średniotemperaturowe (medium brine) – temperatura nośnika chłodu odpływającego z parowacza: od 3 do –12°C,
• chłodzenie niskotemperaturowe (low brine) – temperatura nośnika chłodu odpływającego z parowacza: od –8 do –25°C,
• klimatyzacja – płaszczyznowe chłodzenie/ogrzewanie (belki chłodzące/grzewcze).

Nominalne parametry odniesienia do certyfikacji mocy chłodniczej wytwornic wody lodowej (LPC) oraz kody oznaczeń podano w tabeli 1. Podstawowym parametrem do oceny LPC jest średnie łączne zużycie energii elektrycznej w określonym przedziale czasowym; obejmuje ono ilość energii pobieranej przez silnik sprężarki, wszystkie urządzenia sterujące i zabezpieczające oraz elementy dodatkowe (wentylatory, pompy itp.). Standardowe osiągi LPC, tj. moc chłodnicza i grzewcza, wyznaczane są na podstawie PN-EN 14511 oraz PN-EN ISO 9614, a parametry akustyczne wg Eurovent 8/1.

Efektywność energetyczną urządzenia w warunkach znamionowych określa współczynnik wydajności chłodniczej zdefiniowany wzorem (wg PN-EN 14511-1:2004(U)):

(1)

gdzie:
EER_100% – współczynnik wydajności chłodniczej przy 100% obciążeniu urządzenia,
Q_.o – użyteczna moc chłodnicza, kW,
N_s – pobór elektrycznej mocy napędowej, kW.

Ponieważ w czasie sezonu chłodzenia urządzenia pracują przy pełnym obciążeniu cieplnym przez krótki okres, wprowadzono wielkość określającą efektywność energetyczną przy średniorocznym obciążeniu urządzeń. Jest to European Seasonal EER (ESEER) (w pierwszej wersji EECCAC – Energy Efficiency and Certification of Central Air Conditioners) obliczany wg wzoru:

(2)

gdzie:
EER_100%; EER_75%; EER_50% i EER_25% – wartości EER uzyskiwane w warunkach 100, 75, 50 i 25% obciążenia urządzenia,
3; 33; 41 i 23 – względny czas pracy urządzenia z danym obciążeniem odniesiony do całkowitego czasu pracy w sezonie chłodzenia, %.

Wskaźnik ESEER uwzględnia wpływ zmian warunków eksploatacji na efektywność energetyczną urządzenia chłodniczego. Ponadto ze wzoru (2) wynika, że urządzenie chłodnicze w systemie klimatyzacji pracuje ze 100-proc. mocą tylko przez 3% czasu trwania sezonu chłodzenia.

W USA do energetycznej oceny wytwornic wody lodowej stosowany jest wskaźnik IPLV (Integrated Part Load Value – wg American Refrigeration Institute, ARI Standard 550/590):

(3)

Parametry pracy LPC przy wyznaczaniu wielkości ESEER podano w tabeli 2, a klasy energetyczne wytwornic wody lodowej eksploatowanych w trybie chłodzenia w tabeli 3.

Od 1 stycznia 2018 r. obowiązuje rozporządzenie UE 2016/2282 (ENER Lot 21), w którym określono nowe wymagania dotyczące urządzeń do ogrzewania powietrznego, urządzeń chłodniczych, wysokotemperaturowych urządzeń chłodniczych i klimakonwektorów wentylatorowych. Określono w nim minimalne wartości wskaźników efektywności energetycznej LPC o mocy do 2000 kW eksploatowanych przy temperaturze wody lodowej odpływającej z parowacza ≥ 2°C oraz przemysłowych LPC o mocy do 2000 kW eksploatowanych przy parametrach wody lodowej ≥ 2°C i ≤ 12°C.

W rozporządzeniu, z którego wyłączono część pomp ciepła i przemysłowych LPC, wskaźniki SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) zdefiniowano jako stosunek ilości chłodu wytworzonego w trakcie sezonu do ilości energii zużytej w tym czasie przez LPC. Wskaźnik ten oblicza się, uwzględniając zmienność obciążenia w sezonie od 0%, gdy temperatura zewnętrzna te < 17°C, do 100%, gdy te ≥ 35°C. Wskaźnik SEER wyznaczany jest przy stałym lub zmiennym przepływie wody oraz przy stałej lub zmiennej temperaturze wody odpływającej z parowacza. We wskaźniku tym uwzględniono zużycie energii przez dodatkowe elementy: systemy sterowania, grzałki oleju itp.

Wyznaczając minimalne wartości wskaźnika SEER, uwzględniono również sprawność energetyczną urządzeń w odniesieniu do energii pierwotnej h. Określa ją stosunek ilości chłodu wytworzonego w sezonie (indeks s,c) lub wytworzonej ilości ciepła (indeks s,h) do sezonowego zużycia energii pierwotnej; wartość h wyraża się w %.

W przypadku LPC wytwarzających chłód na potrzeby klimatyzacji komfortu przy wyznaczaniu przyjmuje się współczynnik konwersji przetwarzania energii pierwotnej w energię elektryczna wynoszący 2,5 (odpowiada to średniej sprawności wytwarzania energii elektrycznej w źródle 40%). W rezultacie sprawność energetyczną urządzenia oblicza się ze wzoru:

(4)

gdzie:
i_cor – korekta uwzględniająca jakość regulacji (i = 3).

W rozporządzeniu 2016/2281 wyróżniono dwa tryby eksploatacji LPC na potrzeby klimatyzacji:

1. parametry wody lodowej 12/7°C – zasilanie central klimatyzacyjnych i klimakonwektorów,
2. parametry 23/18°C – belki chłodzące, stropy/podłogi chłodzące.

Minimalne wartości sprawności energetycznej i wskaźników ­SEER12/7 oraz SEER23/18 wytwornic wody lodowej eksploatowanych w systemach klimatyzacji komfortu podano w tabeli 4.

W odniesieniu do przemysłowych LPC wprowadzono nowy wskaźnik efektywności energetycznej SEPR (Seasonal Energy Performance Ratio). Definicja tego wskaźnika jest identyczna jak wskaźnika SEER, zmieniają się jedynie warunki obciążenia urządzenia – przyjmuje się, że obciążenie zmienia się od 80%, gdy te < 5°C, do 100%, gdy te ≥ 35°C. Wprowadzając wskaźniki SEPR, przyjęto dwa tryby eksploatacji urządzeń:

1. temperatura nośnika chłodu t ≥ 2°C – SEPR12/7 (wysokotemperaturowe LPC);
2. temperatura nośnika chłodu t ≤ –8°C.

Minimalne wartości wskaźnika SEPR wysokotemperaturowych LPC podano w tabeli 5. Wartość wskaźnika SEPR zależy głównie od sprawności urządzenia w warunkach niskiej temperatury zewnętrznej, gdyż przyjmuje się, że LPC eksploatowana jest przez 75% czasu w temperaturze te < 17°C. SEPR to nowy wskaźnik do oceny energetycznej LPC w zastosowaniach przemysłowych – wskaźnik EER100% nie jest już w tym przypadku stosowany.

Literatura

1. PN-EN 14511 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do grzania i ziębienia.
2. PN-EN ISO 9614-1:2010 Wyznaczanie poziomów mocy akustycznej źródeł hałasu na podstawie pomiarów natężenia dźwięku. Część 1: Metoda stałych punktów pomiarowych.
3. Eurovent 8/1 Acoustic Measurements on Machines and Equipment in the free field or large rooms on a hard reflecting plane.
4. PN-EN 14511-1 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła do grzania i ziębienia oraz ziębiarki do procesów przemysłowych, ze sprężarkami o napędzie elektrycznym. Część 1: Terminy i definicje.
5. ARI Standard 550/590, American Refrigeration Institute.
6. Rozporządzenie Komisji (UE) 2016/2282 z dnia 30 listopada 2016 r. zmieniające rozporządzenia (....) w odniesieniu do dopuszczalnych odchyleń w procedurach weryfikacji (Dz.Urz. UE nr L 346/51).
7. Rubik Marian, Chłodnictwo, PWN, Warszawa 1985.
8. Rubik Marian, Pompy ciepła. Poradnik, Ośrodek Informacji „Technika Instalacyjna w Budownictwie”, Warszawa 2006.

Artykuł powstał na podstawie najnowszej książki Autora: Chłodnictwo i pompy ciepła, dostępnej m.in. na: ksiegarniatechniczna.com.pl

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!