Układy hydrauliczne w klimatyzacji – stały czy zmienny przepływ?

Uproszczony podział instalacji hydraulicznych

Na potrzeby artykułu można dokonać podziału instalacji hydraulicznych pomiędzy źródłem chłodu a odbiornikami chłodu na:

• systemy stałoprzepływowe,
• systemy zmiennoprzepływowe,
• systemy mieszane.

Systemy stałoprzepływowe to systemy, w których przykładowo źródłem chłodu jest agregat chłodniczy, a przepływ wody w instalacji zapewnia pompa pracująca ze stałą prędkością obrotową. Pompa stałego wydatku może być częścią modułu hydraulicznego agregatu chłodniczego, może też być umieszczona poza obrysem agregatu chłodniczego i sterowana np. z układu automatyki agregatu.

Odbiorniki chłodu są wyposażone w zawory regulacyjne trójdrogowe, które w zależności od zapotrzebowania na moc chłodniczą kierują przepływ cieczy raz na wymiennik chłodzenia, raz na obejście wymiennika, zapewniając niezależnie od położenia zaworu stały przepływ w instalacji hydraulicznej. Jest to najprostszy, najczęściej stosowany układ hydrauliczny.

Systemy zmiennoprzepływowe to takie, które mają pompę zmiennego wydatku wpiętą bezpośrednio do instalacji łączącej agregat i odbiornik chłodu. Odbiorniki chłodu wyposażone są w elementy regulacyjne w postaci zaworów dwudrogowych (przelotowych) – zmiana stopnia otwarcia zaworu powoduje zmianę przepływu w instalacji hydraulicznej.

Systemy takie podlegają ograniczeniom związanym z utrzymaniem minimalnego przepływu agregatu chłodniczego przez parowacz.

Systemy mieszane to systemy, w których występuje odseparowanie źródła chłodu od odbiorników chłodu. Takim elementem separującym może być zbiornik buforowy w układzie sprzęgła hydraulicznego, jak też wymiennik pośredniczący czy też przewód obejściowy.

Najpopularniejszy jest układ, w którym w obiegu agregatu pracuje pompa stałego wydatku, a w obiegu odbiorników chłodu pompa zmiennego wydatku. Zmiana przepływu w obiegu odbiorników chłodu nie jest obarczona ograniczeniem przepływu cieczy w obiegu agregatu chłodniczego z uwagi na zastosowanie sprzęgła lub wymiennika pośredniczącego.

Efektywność energetyczna systemu agregat chłodniczy – układ pompowy

Analizując zmniejszone zużycie energii elektrycznej przez pompy zmiennego wydatku, nie można pomijać jego wpływu na agregat chłodniczy. Zdaniem autora, żeby system był efektywny energetycznie nie tylko na papierze, ale i w rzeczywistości, należy każdorazowo dokonywać weryfikacji całego układu agregat–układ pompowy oraz przydatności jego zastosowania dla określonego profilu obciążenia obiektu w czasie.

Z analiz katalogów producentów wynika, że układy pompowe ze zmiennym wydatkiem zawsze będą przynosić oszczędności energetyczne. Oczywiście tak będzie, gdy będziemy analizowali tylko pracę samej pompy i wpływ zmiennej prędkości obrotowej na pobór mocy przez silnik elektryczny zasilający pompę.

Efektywność agregatów chłodniczych jest obecnie wyrażana za pomocą wskaźników efektywności energetycznej dla warunków pełnego obciążenia cieplnego (typowy wskaźnik to EER) oraz dla warunków zmniejszonego obciążenia (wskaźniki ESEER oraz IPLV).

Jeżeli profil obiektu cechuje się zmiennym obciążeniem chłodniczym w czasie (budynki biurowe itp.), mogą wówczas pojawić się korzyści wynikające z zastosowania systemów zmiennoprzepływowych. Dla takich systemów przeznaczone są agregaty chłodnicze o zwiększonych wskaźnikach efektywności energetycznej ESEER.

W przypadku obiektów cechujących się stałym obciążeniem chłodniczym w czasie (serwerownie, obiekty typu data center itp.) systemy zmiennoprzepływowe mogą nie przynosić spodziewanych rezultatów ekonomicznych. Dla takich obiektów korzystniejsze jest zastosowanie agregatów o wysokich wskaźnikach EER. Agregaty o najwyższych wartościach EER powinny być rozpatrywane i weryfikowane w pierwszej kolejności.

Dla obiektów o zmiennym profilu obciążenia chłodniczego, zarówno dobowym, jak i sezonowym, warto przeanalizować rodzaj regulacji zastosowanego agregatu chłodniczego (regulacja od temperatury zasilania lub od temperatury powrotu). Nowoczesne agregaty chłodnicze cechuje możliwość wyboru obu opcji regulacji i może być ona dowolnie zmieniona przez użytkownika bądź autoryzowany serwis.

Wszędzie tam, gdzie nie ma konieczności dotrzymania stałej temperatury wody na wyjściu z agregatu chłodniczego, dla zmniejszonych obciążeń chłodniczych zastosowanie regulacji układu sprężarkowego od temperatury cieczy powracającej z instalacji przynosi oszczędności energetyczne; niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z systemem stałoprzepływowym, czy też mieszanym.

Zastosowanie regulacji agregatu od temperatury cieczy na powrocie z instalacji powoduje, że dla mniejszych obciążeń temperatura cieczy w instalacji i na parowaczu w agregacie będzie oscylowała wokół temperatury cieczy na powrocie, a nie na wyjściu z agregatu. Wyższa temperatura wody na parowaczu przyniesie wyższe efektywności energetyczne sprężarkowego układu chłodniczego agregatu.

Przykładowo, gdy przyjęte parametry cieczy w instalacji (stałoprzepływowej i mieszanej) wynoszą 12/7°C, a obciążenie systemu 50%, przy regulacji od powrotu cieczy temperatura wody w instalacji będzie wynosiła 12/9,5°C. Takie same parametry będą występowały na parowaczu w agregacie. Przy takich samych warunkach pracy, ale przy regulacji za pomocą temperatury na wyjściu cieczy z agregatu temperatura wody w instalacji i na parowaczu wynosić będzie 7/9,5°C.

Dużo niższe parametry cieczy na parowaczu przy zastosowaniu regulacji agregatu od temperatury wyjściowej cieczy z parowacza przełożą się na niższą efektywność układu sprężarkowego.

Warto mieć na uwadze, że wszystkie agregaty chłodnicze sprężarkowe dostępne na rynku, nawet te przeznaczone tylko dla systemów zmiennoprzepływowych, wymagają zachowania minimalnego przepływu przez parowacz agregatu chłodniczego.

Minimalna wartość przepływu jest określona przez producenta indywidualnie dla każdej wielkości agregatu w typoszeregu. Dla większości przypadków wartość minimalnego przepływu nie powinna być mniejsza niż 60% przepływu dla warunków nominalnych i Dt równej 5 K na parowaczu.

W artykule omówione zostały zagadnienia dotyczące pojedynczego agregatu chłodniczego współpracującego z danym rozwiązaniem układu hydraulicznego i typem układu pompowego. Dla niektórych przypadków stosuje się kilka agregatów chłodniczych pracujących z jedną instalacją hydrauliczną. Często w momencie zmniejszonego obciążenia chłodniczego wyłączane są kolejno agregaty chłodnicze i przypisane im indywidualne układy pompowe.

Autor chciałby zwrócić uwagę, że czasami zastosowanie agregatów chłodniczych wielosprężarkowych o wysokich wskaźnikach ESEER może przynieść więcej oszczędności energetycznych przy zastosowaniu wszystkich załączonych agregatów i pracujących ze zmniejszonym obciążeniem oraz utrzymywanym stałym przepływem niż wyłączanie kolejnych agregatów chłodniczych i przypisanych im układów pompowych.

Za każdym razem należy szczegółowo weryfikować wpływ zmiany obciążenia chłodniczego na pracę i pobór energii elektrycznej przez układ pompowy i przede wszystkim zwracać uwagę na efektywność agregatu chłodniczego. Taka analiza powinna dotyczyć pełnego zakresu zmian obciążenia chłodniczego budynku.

Wpływ zmiennego obciążenia chłodniczego na pracę instalacji hydraulicznej stałoprzepływowej i mieszanej

W zależności od obciążenia chłodniczego w instalacji hydraulicznej dla każdego z opisanych powyżej systemów będą następowały zmiany temperatury cieczy krążącej w instalacji albo jej ilości przepływającej przez tę instalację. Na rys. 1., rys. 2., rys. 3. i rys. 4. zilustrowano charakterystyczne parametry pracy uprzednio wymienionych rozwiązań instalacji hydraulicznych w zależności od obciążenia systemu. Pozwala to na usystematyzowanie przez projektantów wiedzy, jak zachowuje się dany system dla zmiennych warunków obciążenia.

Na rys. 1., rys. 2., rys. 3. i rys. 4. przedstawiono system stałoprzepływowy i zmiany temperatury wody dla różnych warunków obciążenia chłodniczego. Na każdym z nich przeanalizowano pracę z obciążeniem 100, 75, 50 i 25%. Analiza ta jest prowadzona w dwóch aspektach dla układu sterowania sprężarkami agregatu, tj. od temperatury zasilania i powrotu cieczy z instalacji na parowacz agregatu chłodniczego.

Pod rysunkami przedstawiono korzyści wynikające z regulacji od temperatury cieczy na powrocie z instalacji w postaci konkretnych wskaźników efektywności energetycznej EER dla każdego z przyjętych obciążeń.

Dla identycznych obciążeń chłodniczych dokonano próby weryfikacji w przypadku alternatywnego systemu hydraulicznego – mieszanego, będącego połączeniem systemu stało- i zmiennoprzepływowego (rys. 5., rys. 6., rys. 7., rys. 8. i rys. 9.). W obiegu pierwotnym agregatu przyjęto pompę stałego wydatku, a w obiegu wtórnym pompę zmiennego wydatku.

Pomiędzy obydwie pompy wpięto przewód obejściowy, przez który przepływa nadmiar cieczy przy zredukowanym przepływie przez odbiorniki chłodu w obiegu wtórnym. Analiza dotyczy również przyjętych uprzednio obciążeń chłodniczych: 100, 75, 50 oraz 25%.

Na rysunkach zilustrowano wpływ rodzaju regulacji dla każdego z obciążeń chłodniczych. Korzyści przedstawiono w postaci wskaźników EER.

Można zauważyć, że zastosowanie regulacji od temperatury powrotu z instalacji ma wpływ na zwiększenie wskaźników efektywności energetycznej EER agregatów chłodniczych dla obu analizowanych systemów stałoprzepływowych oraz mieszanych.

Wartości EER przedstawiono w tab. 1.

W obu analizowanych systemach (stałoprzepływowym i mieszanym) zastosowanie rodzaju regulacji od temperatury cieczy powracającej z instalacji przynosi jednakowy wzrost efektywności energetycznej agregatu chłodniczego.

Przy zastosowaniu pompy zmiennego wydatku w systemie mieszanym do korzyści wynikających ze wzrostu EER agregatu chłodniczego można dodać korzyści związane ze zredukowanym poborem mocy przez układ pompowy w obiegu wtórnym.

Jeśli zastosuje się formułę Euroventu na określenie wskaźnika ESEER agregatu chłodniczego, można wyliczyć wartości wskaźnika ESEER agregatów chłodniczych dla obu rodzajów regulacji (tab. 1).

Różnicę w stosunku do wytycznych Euroventu przy obliczaniu wartości wskaźnika ESEER dla regulacji od temperatury powrotu z instalacji będzie stanowił tylko jeden wyjątek, a mianowicie brak dotrzymania stałej temperatury wody na wyjściu z agregatu chłodniczego przy zmniejszonym obciążeniu chłodniczym systemu.

Dla warunków Euroventu przy badaniu agregatów chłodniczych i obliczaniu na ich podstawie wartości wskaźników ESEER utrzymywana jest stała temperatura wody na wyjściu, równa 7°C.

Wpływ zmiennego obciążenia systemu na pracę instalacji zmiennoprzepływowej

Przed przystąpieniem do analizy tego rodzaju instalacji hydraulicznej należy dokonać podsumowania cech dotyczących agregatów chłodniczych. Wpięcie bezpośrednie pompy zmiennego wydatku w parowacz agregatu chłodniczego pozwoli na regulację przepływu przez parowacz agregatu chłodniczego, ale podlega pewnym ograniczeniom. Musi zostać zapewniony minimalny przepływ cieczy przez parowacz agregatu chłodniczego.

W praktyce zakres zmian przepływów cieczy przez parowacz odpowiada zakresowi spadkowi temperatury cieczy na parowaczu Δt od 3 do 10 K. Im większe „delta t" cieczy na parowaczu, tym mniejszy przepływ, czyli minimalne przepływy odpowiadają maksymalnej cieczy na parowaczu.

Jeżeli system tradycyjny oparty jest na założeniu Δt wody na parowaczu i w instalacji równej 5 K, oznacza to, że dopuszczalny zakres regulacji przepływu przez parowacz wyniesie ok. 60–100%.

Przy zastosowaniu zatem Δt wody w systemie równej 10 K występuje brak możliwości regulacji przepływu cieczy na parowaczu w agregacie w dół. Przy występowaniu na obiekcie obciążeń chłodniczych poniżej ok. 60% konieczne jest zastosowanie odpowiednich zabezpieczeń.

Dla przykładu można posłużyć się danymi technicznymi agregatu chłodniczego typ WSAT-XSC3-E 240.4 SC. Jego przepływ znamionowy dla warunków nominalnych Euroventu (czysta woda bez domieszek glikolu 12/7°C, Δt = 5 K, powietrze zewnętrzne 35°C) wynosi 32,4 l/s.

Dla tego agregatu zakres dopuszczalnych przepływów na parowaczu odczytany z biuletynu technicznego producenta to od 16,4 do 44 l/s. W tym wypadku zakres dopuszczalnych przepływów wynosi 50–100%. Przy mniejszym przepływie może nastąpić awaryjne wyłączenie agregatu chłodniczego.

Można zatem wykorzystać pompę zmiennego wydatku w obiegu pierwotnym agregatu chłodniczego, ale należy zastosować zabezpieczenie w postaci przewodu obejściowego (lub zbiornika buforowego w konfiguracji sprzęgła hydraulicznego). Mamy w takim przypadku do czynienia z dwoma układami pompowymi zmiennego wydatku, przy czym układ pompowy po stronie wtórnej agregatu chłodniczego (za przewodem obejściowym) może być regulowany w pełnym zakresie zmian obciążeń chłodniczych, a ten w układzie pierwotnym agregatu w zakresie dopuszczalnych zmian przepływów przez parowacz agregatu.

Przy zmniejszającym się obciążeniu instalacji, np. od 100 do 60% (rys. 10.), układ pompowy po stronie pierwotnej będzie obniżał swój przepływ wraz ze zmianą przepływu układu pompowego po stronie wtórnej (jest to możliwe poprzez regulację przepływu w obiegu pierwotnym od stałej Δt wody na parowaczu).

Przy mniejszych obciążeniach po stronie wtórnej układ pompowy może zmniejszać przepływ do wartości niższych niż wyznaczona powyżej wartość graniczna 60% (uwaga na zakres możliwości regulacyjnych falownika), a po stronie pierwotnej układ pompowy dalej będzie utrzymywał przepływ minimalny równy 60% przepływu nominalnego.

Na rys. 10. przedstawiono przypadek, w którym obciążenie systemu obniża się do wartości 40%, a układ pompowy w obiegu pierwotnym agregatu redukuje swój przepływ do wartości minimalnej, tj. np. 60%, a pompy zmiennego wydatku po stronie wtórnej pracują z przepływem stanowiącym 40% przepływu znamionowego.

Rys. 10. ilustruje przypadek, w którym agregat o przepływie znamionowym 24,7 l/s pracuje dla obciążenia 40%. W przewodzie obejściowym występuje przepływ stanowiący różnicę pomiędzy przepływem w obiegu pierwotnym i wtórnym. Należy tu zwrócić uwagę na fakt, że zmiana przepływu po stronie pierwotnej o 40% redukuje pobór mocy przez układ pompowy aż o 78%.

Wnioski są zatem następujące:

• W systemie zmiennoprzepływowym (rys. 10.) w pełnym zakresie zmian obciążeń będą utrzymywane stałe i takie same jak określone dla warunków pełnego obciążenia parametry pracy instalacji;
• Jeśli system ma pracować dla parametrów 12/7°C, to niezależnie od zmian obciążenia (np. 50%) parametry na parowaczu i w instalacji będą takie same. W systemie stałoprzepływowym i mieszanym przy regulacji od powrotu będą one wynosiły 12/9,5°C (korzystniejsze od zmiennoprzepływowego), a przy regulacji od zasilania 7/9,5°C (mniej korzystne od zmiennoprzepływowego).

Drugi ważny wniosek: w systemie zmiennoprzepływowym dla zmniejszonych obciążeń przepływ przez parowacz agregatu będzie mniejszy niż dla pełnego obciążenia, co wpłynie na zmniejszone współczynniki wymiany ciepła na parowaczu. (rys. 11.)

Wybór optymalnego układu hydraulicznego

Analizując dwa pierwsze omawiane rozwiązania, można zauważyć, że pod względem energetycznym system mieszany będzie korzystniejszy od stałoprzepływowego.

Praktycznie te same możliwości wpływu rodzaju regulacji od temperatury cieczy na parowacz agregatu chłodniczego na system hydrauliczny oraz dalsza redukcja poboru mocy przez układ pompowy w obiegu wtórnym przemawiają na korzyść systemu mieszanego. Decyzja, czy system mieszany zostanie ostatecznie zastosowany, wymaga przeanalizowania wszystkich dodatkowych kosztów inwestycyjnych związanych z jego zastosowaniem (zawory dwudrogowe przy odbiornikach chłodu, zawory równoważące, falownik przy pompie zmiennego wydatku w obiegu wtórnym itp.).

Dzieląc nadwyżkę kosztów inwestycyjnych związanych z zastosowaniem systemu mieszanego przez różnicę kosztów sezonowych w poborze energii elektrycznej dla obu systemów, uzyskamy prosty czas zwrotu kosztów inwestycyjnych. Jeśli wynik nie jest satysfakcjonujący, wyborem optymalnym będzie system mieszany.

Autor nie dokonuje tutaj szczegółowej analizy, którą może przeprowadzić projektant w oparciu o wybrane przez niego rozwiązania. Przedmiotem analizy jest weryfikacja pod względem oszczędności energetycznych różnych rozwiązań systemów hydraulicznych, zatem jeśli analiza kosztów inwestycyjnych systemu mieszanego będzie satysfakcjonująca, to zdaniem autora warto ten system wybrać.

Jeśli jednak autor miałby dokonać wyboru ze względów energetycznych pomiędzy systemem mieszanym i zmiennoprzepływowym (z rys. 10.), posłużyłby się wnioskami ze swoich uprzednich publikacji [1, 2], przytoczonymi pokrótce poniżej.

Należy zauważyć, że zastosowanie systemu zmiennoprzepływowego będzie powodowało w pełnym zakresie obciążeń utrzymanie stałej Δt wody na parowaczu niezależnie od zmian obciążenia systemu. Nie mamy tutaj korzyści wynikającej ze zwiększonej efektywności energetycznej agregatu, jaka występuje np. dla systemu mieszanego regulowanego od temperatury cieczy powracającej z instalacji w warunkach zmniejszonego obciążenia chłodniczego systemu. Dodatkowo efektywność agregatu w systemie zmiennoprzepływowym zmniejszy się, bo przepływ będzie mniejszy niż dla obciążenia 100% (mniejsze współczynniki wymiany ciepła).

Dokonując porównania obu systemów, można zauważyć, że:

• w systemie mieszanym z agregatem chłodniczym regulowanym od temperatury wody na powrocie z instalacji przy zmniejszonych obciążeniach profil temperatury na parowaczu (odpowiednio 12/7; 12/8,25; 12/9,5; 12/10,75°C dla obciążeń 100, 75, 50, 25%) jest bardziej korzystny niż dla systemu zmiennoprzepływowego (12/7°C dla każdego z obciążeń 100, 75, 50, 25%) i agregat cechować się będzie wyższymi wskaźnikami efektywności energetycznej w systemie mieszanym;
• w systemie mieszanym regulowanym od temperatury wody na wyjściu z agregatu chłodniczego profil temperatury na parowaczu dla zmniejszonych obciążeń systemu (odpowiednio 12/7; 10,75/7; 9,5/7; 8,25/7°C dla obciążeń 100, 75, 50, 25%) będzie bardziej korzystny dla systemu zmiennoprzepływowego i agregaty w tym systemie powinny się cechować wyższą efektywnością energetyczną. Należy uwzględnić dodatkowo wpływ zmniejszonego przepływu na współczynniki wymiany ciepła w systemie zmiennoprzepływowym.

Niestety w momencie powstania tego artykułu nie jest możliwe dokładne przedstawienie szczegółowych analiz, które rozwiązanie – system hydrauliczny mieszany czy zmiennoprzepływowy – będzie jednoznacznie korzystniejsze, gdyż producenci agregatów chłodniczych nie publikują szczegółowych danych z osiągami swoich urządzeń dla zmniejszonych przepływów cieczy przez parowacz. Utrudnia to dokładne porównanie systemów hydraulicznych mieszanych i zmiennoprzepływowych. Jednak opisane powyżej rozwiązania regulacji agregatów chłodniczych powinny być zawsze brane pod uwagę obok kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych różnych układów pompowych.

Podsumowanie

W artykule omówiono i porównano różne rozwiązania układów hydraulicznych, które są najczęściej stosowane w projektach systemów klimatyzacyjnych. Niestety brak szczegółowych danych w dokumentach technicznych na temat osiągów agregatów chłodniczych dla warunków zmniejszonych przepływów przez parowacz uniemożliwia dokładniejsze analizy systemów mieszanych oraz zmiennoprzepływowych. Podawanie takich danych w dokumentach technicznych urządzeń umożliwiłoby projektantom dokonywanie szerszych analiz różnych układów hydraulicznych w klimatyzacji i przyczyniłoby się do zwiększenia efektywności energetycznej tych systemów i redukcji zużycia energii.

• Zastosowany sposób regulacji agregatu ma zdecydowany wpływ również na koszty eksploatacyjne systemu. Brak uwzględnienia w analizach porównawczych systemów mieszanych i stałoprzepływowych z systemami zmiennoprzepływowymi jest sporym niedopatrzeniem.
• Niewątpliwie osobnych rozważań wymagają rozwiązania, w których instalację hydrauliczną stanowi układ stałoprzepływowy zwymiarowany już dla początkowych założeń maksymalnej Dt cieczy w instalacji, np. równej 10 K. Zagadnienia te będą tematem kolejnych artykułów.

Literatura

1. Adamski B., Systemy stało- czy zmiennoprzepływowe. Cz. 1, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 4/2014.
2. Adamski B., Systemy stało- czy zmiennoprzepływowe. Cz. 2, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 7/2014.