Wskaźnik ESEER a realne koszty eksploatacji

Systemy klimatyzacji komfortu cechują się wysoką amplitudą zmienności zysków ciepła zarówno w ciągu doby, jak i całego sezonu. Towarzyszące maksymalnej temperaturze zewnętrznej zyski ciepła stanowią punkt odniesienia w doborze urządzeń klimatyzacyjnych. Jednak maksymalne zyski ciepła występują jedynie przez bardzo krótki okres w ciągu sezonu i deklarowanie przez producentów wskaźników EER (odnoszących się do pracy urządzeń klimatyzacyjnych z pełnym obciążeniem cieplnym) w systemach klimatyzacji komfortu nie obrazuje rzeczywistej efektywności energetycznej urządzeń.

Zagadnienie i problematyka efektywności energetycznej dla częściowych obciążeń cieplnych zostały zauważone także przez producentów innych urządzeń klimatyzacyjnych, np. klimatyzatorów, dla których sporządzane będą nowe charakterystyki uwzględniające zmienność efektywności energetycznej w zależności od obciążenia obiektu klimatyzowanego.

Wprowadzone w 2008 r. do programu certyfikacji agregatów chłodniczych (LCP – Liquid Chilling Packages) na stronach Euroventu wskaźniki ESEER, obok ówcześnie publikowanych wskaźników EER, pozwoliły na dokładniejszą analizę przyszłych kosztów eksploatacji agregatów wody ziębniczej. Z uwagi na to, że agregaty chłodnicze są często wykorzystywane w systemach klimatyzacji komfortu, wprowadzone wskaźniki ESEER umożliwiły zobrazowanie efektywności energetycznych agregatów dla bardziej rzeczywistych warunków pracy.

Oczywiście nie należy automatycznie bagatelizować i obniżać rangi wskaźników efektywności energetycznej EER liczonych dla warunków pełnego obciążenia cieplnego, gdyż charakterystyka wielu systemów oscyluje wokół maksymalnego obciążenia (80–100%) utrzymującego się przez dłuższy czas (serwerownie, procesy technologiczne itp.). Dla takich instalacji wskaźnik EER będzie dalej zasadniczym wykładnikiem efektywności energetycznej.

Liczony dla warunków zmiennego obciążenia cieplnego wskaźnik ESEER powinien być brany pod uwagę przy weryfikacji kosztów eksploatacji systemów charakteryzujących się zmiennym obciążeniem cieplnym, a w szczególności systemów klimatyzacji komfortu.

Definicja ESEER wg Euroventu

Wskaźnik ESEER oraz sposób jego obliczania został zdefiniowany w programie certyfikacji Eurovent. Program ten definiuje osiągi i cechy charakterystyczne urządzeń dla jednakowych warunków pracy. Warunki odniesienia zostały sprecyzowane i dotyczą każdego urządzenia podlegającego certyfikacji, co pozwala na wiarygodne porównanie agregatów chłodniczych różnych producentów.

W tabeli 1 przedstawiono warunki odniesienia, dla których deklarowane są osiągi urządzeń. Wartość wskaźnika ESEER jest obliczana na podstawie efektywności energetycznej dla danego obciążenia cieplnego, tj. 100, 75, 50 i 25%, przy zachowaniu odpowiedniej wagi współczynników. Danemu obciążeniu cieplnemu odpowiada konkretna temperatura powietrza zewnętrznego (dla agregatów chłodzonych powietrzem) lub wody (dla agregatów chłodzonych cieczą), zgodnie z tabelą 2.

Wskaźnik ten kalkulowany jest z wykorzystaniem poniższej zależności:

z zachowaniem tabelarycznych wartości wskaźników wagowych:

Patrząc na powyższy wzór, można odnieść wrażenie, że wskaźnik ESEER może być z łatwością policzony dla każdego agregatu wody ziębniczej na podstawie parametrów wydajności chłodniczej oraz poboru mocy elektrycznej przez sprężarki. Dane te są zazwyczaj deklarowane dla różnych temperatur wody w biuletynach technicznych głównych producentów. Niestety sposób kalkulacji jest bardziej skomplikowany. Rzeczywisty i szacunkowy koszt zużycia energii przez agregaty Rzeczywisty koszt zużycia energii elektrycznej przez agregat wody ziębniczej będzie wynikał z kosztów poniesionych przez użytkownika systemu. Można jednak prognozować, jak będzie się kształtowało zużycie energii m.in. na podstawie deklarowanego przez producentów wskaźnika ESEER.

Nie jest on idealny (dotyczy z góry narzuconych parametrów pracy instalacji), ale obecnie jest jedynym i najlepszym wskaźnikiem pomocnym przy sporządzaniu kalkulacji zużycia energii elektrycznej przez agregaty wody ziębniczej dla systemów klimatyzacji komfortu (w porównaniu do wskaźników EER definiowanych dla warunków pełnego obciążenia).

Szacunkowy koszt zużycia energii elektrycznej związany z pracą agregatu wody ziębniczej może być skalkulowany na podstawie następującego wzoru:

gdzie:

ΣE_el – sumaryczne zużycie energii elektrycznej [kWh],

ΣE_ch – sumaryczne zapotrzebowanie na energię chłodniczą [kWh],

ESEER – europejski sezonowy współczynnik efektywności energetycznej [–].

W poprzednim artykule [1] na podstawie tego wzoru przedstawiono przykładowy sposób kalkulacji sumarycznego zużycia energii elektrycznej przez pracujący agregat chłodniczy. Zapotrzebowanie na energię chłodniczą do schłodzenia pomieszczenia lub powietrza świeżego powinno być jednak każdorazowo kalkulowane dla rozpatrywanego obiektu. Autor przedstawił obliczenia dla parametrów pracy instalacji według Eurovent i poinformował, że dla parametrów pracy instalacji odbiegających od warunków podawanych przez Eurovent konieczne jest określenie nowej wartości wskaźnika ESEER dla projektowych warunków pracy systemu klimatyzacyjnego. Jak wynika z doświadczenia autora, kalkulacje takie są jednak dość skomplikowane dla inżyniera niemającego doświadczenia w tej dziedzinie.

Skomplikowana kalkulacja ESEER

Dla innych parametrów pracy niż określone i zdefiniowane w programie certyfikacji Eurovent zmieni się wartość wskaźnika ESEER. W publikacjach i materiałach producentów zazwyczaj nie są przedstawiane bardziej szczegółowe założenia, dla których kalkulowane są te wskaźniki. Natomiast parametrom wody i powietrza przedstawionym w programie certyfikacji Eurovent towarzyszą takie dodatkowe założenia.Wydajność chłodnicza przy częściowym obciążeniu cieplnym oraz zmienne temperatury płynów chłodzących skraplacz mające na nią wpływ w odniesieniu do warunków znamionowych muszą dodatkowo spełniać następujące wymagania:

1. dla agregatów wody ziębniczej chłodzonych powietrzem:
   1. wyjściowa temperatura wody z parowacza musi być ustawiona na 7°C,
   2. strumień wody przepływającej przez parowacz odpowiada znamionowemu strumieniowi wody (jest stały),
   3. strumień powietrza chłodzącego skraplacz jest regulowany przez układ automatyki agregatu;
2. dla agregatów wody ziębniczej chłodzonych powietrzem:
   1. wyjściowa temperatura wody z parowacza musi być ustawiona na 7°C,
   2. strumień wody przepływającej przez parowacz i skraplacz odpowiada znamionowym przepływom wody przez te wymienniki (jest stały),
   3. strumień wody przepływającej przez skraplacz jest regulowany przez układ automatyki agregatu. Jeśli agregat nie pozwala na jego regulację, strumień wody chłodzącej skraplacz odpowiada znamionowemu przepływowi wody przez skraplacz.

Te pozornie niewygórowane warunki zdecydowanie komplikują kwestię kalkulacji efektywności energetycznych dla różnych obciążeń cieplnych i dla odmiennych od warunków Eurovent parametrów pracy. Przy założeniu stałego przepływu przez parowacz oraz stałej temperatury wody na wyjściu z parowacza częściowe obciążenia cieplne oznaczają, że temperatura wody powracającej z instalacji będzie się zmieniać.

Zakładając Δt wody na poziomie 5°C, zmianom obciążeń co 25% (zgodnie z Eurovent) towarzyszą zmiany temperatury wody na powrocie co 1,25 K (5 K/0,25 = 1,25 K). Przy takich założeniach temperatura wody powracającej z instalacji dla częściowych obciążeń cieplnych będzie wynosić:

• dla obciążenia 100%: 7/12°C,
• dla obciążenia 75%: 7/10,75°C,
• dla obciążenia 50%: 7/9,5°C,
• dla obciążenia 25%: 7/8,25°C.

Oznacza to, że efektywność energetyczna dla różnej temperatury powietrza i wody chłodzącej skraplacz powinna być odczytywana dla danego obciążenia w odniesieniu do powyższych temperatur i ?t na parowaczu. Pojawia się tu problem, gdyż dane podawane w biuletynach technicznych producentów są co prawda deklarowane dla różnych temperatur wody i powietrza chłodzącego skraplacz, ale dotyczą stałej Δt wody na parowaczu, zazwyczaj równej 5 K (tab. 3).

Wartości wydajności chłodniczej i poboru mocy elektrycznej odczytane z biuletynów technicznych producentów, np. dla parametrów powietrza chłodzącego skraplacz 35, 30, 25 i 20°C (agregaty chłodzone powietrzem), będą dotyczyć Δt wody na parowaczu w wysokości 5 K, zatem dla warunków częściowego obciążenia cieplnego i różnych temperatur powrotu cieczy z instalacji będą się one różniły (należy również pamiętać o wymogu stałej temperatury wody na wyjściu z parowacza w wysokości 7°C). Efektywności agregatu EER dla odpowiednich obciążeń cieplnych (100, 75, 50 i 25%) oraz zmiennych temperatur wody na parowaczu towarzyszących zmiennym obciążeniom cieplnym będą niższe (tab. 4).

Wartości temperatury odparowania dla wody na parowaczu równej 7/12°C będą wyższe niż np. dla wody o temperaturze 7/8,25°C. Jednak, co najważniejsze, należy pamiętać, że agregaty chłodnicze przeznaczone do systemów charakteryzujących się zmiennym obciążeniem cieplnym cechują się wzrostem efektywności energetycznej w miarę zmniejszania się obciążenia cieplnego systemu klimatyzacyjnego.

Wartość wskaźnika ESEER będzie wzrastać w miarę wyłączania poszczególnych stopni regulacji wydajności. Agregat pracuje w takich warunkach z przewymiarowanymi powierzchniami parowacza i skraplacza, co wpływa na wzrost efektywności. To również powoduje niemożność przewidzenia wzrostu wskaźnika efektywności przy obciążeniu częściowym. Reasumując, obydwa powyższe zjawiska wzajemnie na siebie wpływają, co skutecznie uniemożliwia określenie wartości wskaźnika ESEER dla innych niż Euroventu parametrów pracy na podstawie danych zawartych w biuletynach technicznych producentów (Δt = 5 K).

Określanie wskaźnika ESEER dla innych niż Euroventu parametrów pracy systemu

Z przytoczonych w poprzednim podrozdziale informacji wynika, że określenie wskaźnika ESEER dla parametrów różniących się od warunków zdefiniowanych w programie certyfikacji Eurovent jest problematyczne. Trudność ta nie dotyczy tylko powyższych przykładów.

Jak wspomniano, Eurovent definiuje konieczność utrzymania stałej temperatury wyjściowej z parowacza agregatu równej 7°C. Przykładowo jeden z producentów agregatów wody ziębniczej oferuje funkcję tzw. Dynamic Supply Temperature – DST (zmienna temperatura wyjściowa) [3]. Funkcja ta jest zasadna dla systemów i rozwiązań, w których nie ma konieczności utrzymania stałej temperatury wody wejściowej (np. zasilanie klimakonwektorów wentylatorowych).

Rozwiązanie to nie powinno być stosowane w przypadku systemów, w których realizowane jest osuszanie powietrza (wymóg stałej temperatury zasilania chłodnicy), i procesów technologicznych wymagających stałej temperatury zasilania itp. Działanie tej funkcji polega na tym, że agregat steruje zespołem sprężarek w funkcji temperatury wody powracającej z instalacji (wlot na parowacz), a nie temperatury wody wyjściowej (wylot z parowacza).

Gdy temperatura wody powracającej z instalacji, np. przy nastawie 7/12°C, wzrasta powyżej 12°C, załączana jest pierwsza sprężarka lub pierwszy stopień regulacji wydajności. Przy pracującej jednej sprężarce i dalszym wzroście temperatury do ponad 12°C załączana jest kolejna sprężarka lub kolejny stopień regulacji wydajności.

Funkcja ta pozwala na dodatkowe oszczędności energetyczne, gdyż przy zmniejszonym obciążeniu cieplnym temperatura wody w instalacji będzie utrzymywana na wyższym poziomie niż przy stałej temperaturze wody wyjściowej na poziomie 7°C. Będzie ona po prostu oscylować wokół temperatury 12°C. Podobnie jak poprzednio, można wyznaczyć dla tej funkcji temperatury wody w instalacji odpowiadające zmiennemu obciążeniu cieplnemu:

• dla obciążenia 100%: 12/7°C,
• dla obciążenia 75%: 12/8,25°C,
• dla obciążenia 50%: 12/9,5°C,
• dla obciążenia 25%: 12/10,75°C.

Takie temperatury na parowaczu będą generowały wyższe efektywności energetyczne niż w przypadku stałej temperatury wody wyjściowej równej 7°C. Producent deklaruje efektywności dla różnych obciążeń cieplnych według Euroventu przy niespełnieniu tylko jednego warunku – utrzymania stałej temperatury wody wyjściowej (tab. 4).

Jeżeli jednak nie ma przeciwwskazań co do parametrów instalacji, nierozsądnym byłoby niewykorzystanie tej funkcji w celu pozyskania dalszych oszczędności energetycznych przez system klimatyzacji. Z kolei jeśli funkcja ta zostanie wykorzystana podczas pracy systemu klimatyzacji, może ona przysparzać osobie bez doświadczenia dodatkowych problemów związanych z określeniem wskaźnika ESEER dla takiego sposobu regulacji agregatu chłodniczego.

W celu oszacowania wskaźnika ESEER przez osobę z odpowiednim wykształceniem i wiedzą techniczną konieczne jest publikowanie przez producentów bardziej szczegółowych informacji na temat zmian efektywności energetycznej dla różnych stopni regulacji wydajności agregatu (zmienne obciążenie cieplne odpowiadające parametrom pracy instalacji) oraz temperatur powietrza zewnętrznego lub wody chłodzącej skraplacz. Przykładowe szczegółowe dane przedstawione zostały przez jednego z producentów w biuletynie technicznym.

W tabelach 5 i 6 można zaobserwować przebieg zmian efektywności energetycznej dla różnej temperatury powietrza wlotowego na skraplacz (typoszereg agregatów chłodzonych powietrzem) oraz dla różnych dostępnych stopni regulacji wydajności. Dane te zostały przedstawione dla warunków pracy Euroventu, a także z uwzględnieniem zastosowania opisanej powyżej funkcji zmiennej temperatury wody wyjściowej (DST). Im więcej szczegółowych danych, tym łatwiejsze będzie oszacowanie wartości wskaźnika ESEER dla różnych warunków pracy systemu klimatyzacji.

Podsumowanie i wnioski

Wskaźnik ESEER definiowany w programie certyfikacji Eurovent umożliwia wiarygodne porównanie urządzeń różnych producentów i wskazanie tego, który będzie generował najniższe koszty eksploatacji (najwyższy wskaźnik ESEER). Jednak przedstawiona w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury metodologia obliczania charakterystyki energetycznej budynku [4] w sposób marginalny opisuje kalkulacje dotyczące pracy systemów chłodzenia.

Konieczne jest wprowadzenie definicji nowej wartości wskaźnika – ESEER’ – kalkulowanego dla innych niż Euroventu parametrów pracy (‘ – dla nowych warunków pracy systemu). Przyjęcie wartości wskaźników ESEER z katalogów producentów dla warunków pracy innych, niż zostały określone przez Eurovent, wprowadza zafałszowanie w kalkulacji zużycia energii przez źródło chłodu na cele chłodnicze.

Konieczne staje się oszacowanie nowych wartości wskaźników dla obliczeniowych warunków pracy systemów klimatyzacyjnych (parametry wody ziębniczej, ?t wody na parowaczu, różne algorytmy sterowania, w tym w funkcji temperatury wody wejściowej do agregatu itp.). Jest to możliwe w przypadku opublikowania przez producentów bardziej szczegółowych danych technicznych urządzeń (wydajność chłodnicza, pobór mocy elektrycznej dla każdego stopnia regulacji wydajności itp.).

Kalkulacje te powinny być przeprowadzane na podstawie wiarygodnych danych technicznych, przez osoby mające odpowiednią wiedzę i doświadczenie praktyczne. Obecne praktyki spotykane na rynku, w tym przypadki podawania nieprawdziwych danych w kartach doborów technicznych urządzeń przez niektórych przedstawicieli producentów,  powodują konieczność weryfikacji przez projektantów i innych zainteresowanych wiarygodności deklarowanych wskaźników (np. w Eurovent i w biuletynach technicznych producentów).

Literatura

1. Adamski B., Wartość wskaźnika ESEER a realne koszty eksploatacji, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2010.
2. www.eurovent-certification.com.
3. Biuletyny techniczne firmy Clivet.
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość technicznoużytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (DzU nr 201/2008, poz. 1240).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!