Pobór energii elektrycznej przez agregaty chłodnicze

Napięcie jest różnicą potencjałów pomiędzy dwoma punktami układu. Napięcie (podobnie jak sam potencjał) w układzie SI mierzymy w woltach [V] i z reguły oznaczane jest literą U. Napięcie różne od zera może występować tylko pomiędzy dwoma istotnie różnymi (przedzielonymi jakimś źródłem lub odbiornikiem prądu) punktami obwodu.

Prądem elektrycznym nazywamy zjawisko uporządkowanego ruchu ładunków elektrycznych. Nośnikami ładunku elektrycznego są:

• elektrony,
• jony dodatnie,
• jony ujemne. 

Elektron to cząstka materii, której przypisujemy ładunek ujemny. Jonem dodatnim nazywamy atom lub cząsteczkę pozbawioną co najmniej jednego elektronu. Najprostszym jonem dodatnim jest proton. Jonem ujemnym nazywamy atom lub grupę atomów, które przyłączyły co najmniej jeden elektron.

Warunkiem przepływu prądu elektrycznego jest równoczesne istnienie:

• pola elektrycznego
• i swobodnych nośników ładunku elektrycznego. 

Często zamiast mówić o nośnikach ładunku elektrycznego mówi się skrótowo o ładunkach elektrycznych. Podstawową wielkością opisującą prąd elektryczny jest natężenie prądu oznaczane literą i I.    

Średnie natężenie prądu elektrycznego definiujemy jako iloraz ładunku, który przepłynął w obwodzie przez czas przepływu tego ładunku:

gdzie:
I_sr – średnie natężenie prądu elektrycznego [A],
Q – ładunek, który przepłynął w obwodzie [C],
t – czas, w którym ten ładunek przepłynął [s].

Jednostką natężenia prądu jest amper [A].

W mowie potocznej wyraz natężenie bywa opuszczany, np. mówiąc „prąd elektryczny wynosi 100 A”, mamy na myśli natężenie prądu. Technicznie realizuje się przepływ prądu elektrycznego przez zbudowanie obwodu elektrycznego składającego się z:

• przewodników,
• źródła prądu (źródła napięcia),
• odbiorników prądu elektrycznego.

Źródłem prądu w agregatach chłodniczych jest napięcie zasilające jednofazowe 230 V o częstotliwości 50 Hz i/lub trójfazowe 400 V o częstotliwości 50 Hz. Pierwsze z wymienionych stosuje się do wartości zużycia energii elektrycznej odbiorników do 5 kW, powyżej tej wartości stosuje się napięcie trójfazowe 400 V.

Podana graniczna wartość zużycia energii elektrycznej dla urządzeń chłodniczych dotyczy maksymalnych dopuszczalnych warunków pracy agregatu (granicznych wartości temperatury skraplania i odparowania czynnika chłodniczego).

Dla warunków EUROVENT odpowiada to nominalnemu zużyciu energii elektrycznej sprężarek do ok. 3÷4 kW. Napięcie prądu zmiennego 24 V czasami jest wykorzystywane do zasilania automatyki chłodniczej, ale z reguły jest ono wytworzone poprzez transformator wbudowany w panel zasilający agregat chłodniczy.

Odbiorniki  energii elektrycznej w agregacie chłodniczym

Agregaty chłodnicze składają się z wielu komponentów, część z nich wymaga doprowadzenia energii elektrycznej. Do odbiorników energii elektrycznej w agregatach chłodniczych należą: sprężarka (sprężąrki), wentylatory, pompy oraz urządzenia automatycznej regulacji (element sterujący – sterownik, elementy wykonawcze – zawory itp.).

Najbardziej energochłonnym elementem są sprężarki. Najmniejsze zużycie energii elektrycznej związane jest z zasilaniem automatyki chłodniczej i z tego powodu zagadnienia z tym związane zostaną pominięte w dalszej części artykułu.

Zużycie energii elektrycznej przez pompę agregatu chłodniczego jest uzależnione m.in. od przyjętego układu hydraulicznego („samodopasowania” się układu pompowego do aktualnych warunków panujących w instalacji hydraulicznej), zapotrzebowania na chłód budynku (strumień objętościowy) oraz długości instalacji hydraulicznej (ciśnienie dyspozycyjne).

W zależności od przyjętego źródła chłodu dla systemu klimatyzacyjnego stosowane są wentylatory osiowe lub promieniowe. Wentylatory promieniowe stosowane są m.in. w monoblokowych agregatach chłodniczych i agregatach skraplających ze skraplaczem chłodzonym powietrzem, przeznaczonych do instalacji wewnętrznej. Do pozostałych rodzajów agregatów chłodniczych i agregatów skraplających wykorzystywane są wentylatory osiowe.

Przy zastosowaniu wentylatorów promieniowych zużycie energii elektrycznej będzie wyższe z uwagi na wyższe ciśnienie statyczne wentylatora wymagane do pokonania oporów przyłączonej instalacji kanałowej (strumień objętościowy przetłaczanego powietrza wymaganego do odprowadzenia ciepła z skraplacza będzie identyczny jak dla wentylatora osiowego).

We wszystkich rozwiązaniach należy dążyć do uzyskania lub zastosowania jak najbardziej sprawnych i efektywnych komponentów, gdyż iloczyn sprawności wszystkich komponentów jest ogólną sprawnością agregatu chłodniczego.

Sposoby  obliczenia zużycia energii elektrycznej

Zużycie energii elektrycznej (moc prądu elektrycznego mierzymy w watach [W]. Większe moce mierzymy w kilowatach [kW]. Jeżeli chcemy wyrazić moc w koniach mechanicznych, posługujemy się zależnością: 

Moc prądu stałego obliczamy ze wzoru:

gdzie:
P – moc elektryczna prądu stałego [W],
U – napięcie zasilające [V],
I – natężenie prądu elektrycznego [A].

Dla wyznaczenia mocy prądu zmiennego, oprócz wartości napięcia i natężenia prądu, musimy znać wartość współczynnika cos ϕ. Kąt ϕ odpowiada wartości przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem elektrycznym. Wzór na moc przyjmuje wówczas postać:

Jeżeli obwód elektryczny nie ma elementów o dużym oporze indukcyjnym lub pojemnościowym (tzn. cewek o dużej ilości zwojów nawiniętych na rdzeniach żelaznych lub kondensatorów), możemy obliczać moc, jak przy prądzie stałym, gdyż wówczas cos ϕ = 1.

Moc prądu zmiennego trójfazowego obliczamy ze wzoru: 

gdzie:
U – napięcie przewodowe [V],
I – natężenie prądu przewodowego [A],
cos ϕ – współczynnik mocy.

Przyrządy specjalne do pomiaru mocy nazywamy watomierzami (symbol W). Wykazują one wartość mocy uwzględniając wartości napięcia, natężenie prądu i cos ϕ. Stosując watomierze dokonujemy bezpośrednio pomiaru zużycia energii elektrycznej.

Innym sposobem jest pomiar pośredni z wykorzystaniem amperomierza (włączonego szeregowo z odbiornikiem), woltomierza (włączonego równolegle z odbiornikiem) oraz miernikiem cos ϕ przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem.

Wentylatory  osiowe

Zapotrzebowanie energii elektrycznej przez wentylatory można obliczyć korzystając z poniższej zależności: 

gdzie:
P – zużycie energii elektrycznej pobieranej z sieci elektrycznej [W],
V – strumień objętościowy powietrza przepływającego przez wentylator [m³/s],
d_p – spręż całkowity wentylatora [Pa],
η_c – całkowita sprawność wentylatora (wirnika, silnika, łożysk, przekładni – jeśli występuje, regulatora).

Strumień objętościowy jest zależny od ilości ciepła odprowadzanego ze skraplacza. Spręż dyspozycyjny wiąże się z pokonaniem oporów wymiennika skraplacza. Zatem, zasadnicze znaczenie patrząc z punktu widzenia zużycia energii elektrycznej ma dobór wentylatora o wysokiej sprawności.

Punkt maksymalnej sprawności wentylatora osiowego znajduje się w strefie, w której występuje stromy spadek charakterystyki ciśnieniowej. Istnieje wiele kryteriów doboru wentylatora (hałas, cena, zapotrzebowania miejsca, kształt charakterystyki itp.), zawsze jednak powinno dążyć się do tego, aby punkt przecięcia charakterystyki wentylatora z charakterystyką oporów sieci (instalacji) leżał w pobliżu maksymalnej sprawności.

Przy doborze wentylatorów osiowych do agregatów chłodniczych należy zwrócić szczególną uwagę na możliwe zmiany charakterystyki oporów instalacji. Należy unikać przysłonięcia otworów wlotowych i wylotowych powietrza do chłodzenia skraplaczy, gdyż w takich warunkach może dojść do przesunięcia punktu pracy wentylatora.

Oprócz spadku sprawności zjawisko to jest o tyle kłopotliwe i niebezpieczne, gdyż „nowy” punkt współpracy wentylatora z siecią może znaleźć się w obszarze pracy niestabilnej wentylatora (tzw. pompaż wentylatora). Jest to zjawisko niepożądane, gdyż praca w tym obszarze oprócz niskiej sprawności powoduje silne drgania strug gazu, które mogą zostać przeniesione na konstrukcję wentylatora oraz wzmożony hałas. Niekiedy może dojść nawet do uszkodzenia wentylatora.

Charakterystyki wentylatorów podawane przez producentów najczęściej odnoszą się do prób laboratoryjnych przeprowadzonych w określonych warunkach pomiarowych. Często jednak wentylator bywa różnie wbudowany i z tego powodu charakterystyki te mogą ulec zmianie.

Przy zabudowie wentylatorów należy dążyć do stworzenia optymalnych warunków przepływu, co równocześnie wpływa na oszczędności energii. Generalnie najlepsze rezultaty uzyskuje się, kiedy strumień powietrza łagodnie dopływa do wentylatora. Uzyskać to można m.in. w wentylatorach osiowych (wykorzystywanych do odprowadzenia ciepła z powierzchni skraplaczy) poprzez odpowiednio ukształtowaną krawędź leja wlotowego obudowy.

Oczywiście informacje te dotyczą ogólnie zabudowy wentylatorów osiowych i w przypadku agregatów chłodniczych nie zawsze ma się możliwość wpływu na konstrukcję gotowego urządzenia jednak podczas omawiania aspektów związanych z zużyciem energii elektrycznej przez wentylatory warto zwrócić na ten fakt uwagę. Rezultatem jest redukcja turbulencji przepływającego powietrza, wzrost sprawności wentylatora oraz obniżenie emisji hałasu do otoczenia.

W wielu aplikacjach wykorzystuje się ostre krawędzie wlotowe, przykładem mogą być wentylatory osiowe umieszczone w płaskiej, cienkiej ściance metalowej. Nie jest to metoda efektywna, chociaż uzyskuje się dostateczne wyniki, gdy wirnik wentylatora zamocowany jest w otworze z 2,5% lub mniejszą szczeliną (tip clearance) [1].

Optymalny współczynnik r/d wynosi 0,12, gdzie r jest promieniem krawędzi, a d jest średnicą wentylatora. W aplikacjach, w których współczynnik ten jest niemożliwy do zastosowania rekomenduje się wartość współczynnika z zakresu r/d = 0,07 do 0,12 [1]. We wszystkich zastosowaniach najwyższą sprawność osiąga się, kiedy szerokość szczeliny pomiędzy wirnikiem a obudową wynosi 0,5÷1% średnicy wentylatora.

W przypadkach, dla których nie jest to możliwe do zrealizowania, zaleca się, aby szczelina wynosiła od 1 do 2,5% średnicy wentylatora [1]. Na drodze strumienia powietrza znajduje się wymiennik ciepła, należy zatem koniecznie dążyć do wykorzystania całej powierzchni wymiennika, np. przez zastosowanie specjalnie ukształtowanego wymiennika, blach perforowanych, kierownic powietrza itp. [3].

Warto również zwrócić uwagę na właściwą lokalizację wirnika wentylatora w stosunku do krawędzi leja wlotowego obudowy. Na rys. 5. pokazano optymalną lokalizację wirnika wentylatora w stosunku do leja wlotowego dla różnych wykorzystywanych kształtów łopatek w wirniku [4].

Pompa

Należy zaznaczyć, iż niezależnie od warunków pracy przy załączonym agregacie, pompy pracują stale, podczas gdy sprężarka (sprężarki) załącza (załączają) się zależnie od temperatury wody w instalacji hydraulicznej. Wzór na zużycie energii elektrycznej przez pompę cyrkulacyjną: 

gdzie:
V – wydatek odczytany na wskaźniku przepływomierza [m³/s],
γ – ciężar właściwy wody = 104 N/m²,
H_p – użyteczna wysokość podnoszenia pompy,
η_c – całkowita sprawność pompy (wirnika, silnika, łożysk, przekładni – jeśli występuje, regulatora).

Zmniejszenie mocy pompy możliwe jest poprzez dobór pompy o wysokiej sprawności lub poprzez zmniejszenie wydatku pompy, np. poprzez zastosowanie większego spadku temperatury wody w instalacji hydraulicznej zasilającej odbiorniki chłodu i parowacz agregatu chłodniczego. Tę samą wydajność ziębniczą agregatu chłodniczego można uzyskać przy mniejszym przepływie i większej Δt wody na parowaczu: 

Zarówno dla pompy, jak i wentylatora zaleca się stosować urządzenia automatycznej regulacji pozwalające na zmniejszenie wydatku (i ciśnienia) maszyn przepływowych w momencie mniejszych obciążeń cieplnych. Zapotrzebowanie mocy zmienia się w trzeciej potędze zmiany prędkości obrotowej wirnika: 

gdzie:
P₂ – zapotrzebowanie mocy po zmianie prędkości obrotowej [kW],
P₁ – zapotrzebowanie mocy przez zmianą prędkości obrotowej [kW],
n₁ – prędkość obrotowa przez zmianą [kW],
n₂ – nowa prędkość obrotowa [kW].

W przypadku wentylatorów zmiana prędkości obrotowej wirnika powinna odbywać się w funkcji ciśnienia (temperatury) skraplania. W niektórych rozwiązaniach regulacja temperatury skraplania odbywa się na zasadzie zał./wył. wentylatorów skraplacza.

Pompa dla przykładu może być sterowana w funkcji ciśnienia na najbardziej oddalonym odbiorniku chłodu (w obiegu najbardziej niekorzystnym). Powyższe stwierdzenie dotyczy pompy w obiegu instalacji hydraulicznej zasilającej odbiorniki chłodu w układach zmiennoprzepływowych.

Sprężarka

Pobór mocy dla sprężarek tłokowych obliczany jest na podstawie mocy indykowanej. Moc indykowana sprężarek jednostopniowych wynosi:

gdzie:
N_i – moc indykowana [J/kg],
F – przekrój cylindra [m²],
s – skok tłoka [m],
n – prędkość kątowa wału [rd/s],
p_i – średnie ciśnienie indykowane o stałej wartości, odpowiadające polu wykresu indykatorowego [Pa].

Moc potrzebna do sprężania G kg gazu w przemianie:

• izotermicznej:

• adiabatycznej: 

• politropowej:

Wartość pracy można określić za pomocą odpowiedniego wykresu.

Do oceny pracy sprężarek służy współczynnik sprawności indykowany, określony następującymi wzorami dla poszczególnych przemian:

• izotermicznej:

• adiabatycznej:

• politropowej:

Moc na wale sprężarki:

Stąd współczynnik sprawności mechanicznej:

Moc do napędu silnika napędowego liczymy z zależności:

Współczynnik sprawności przekładni w na pędzie sprężarek tłokowych wynosi ηprzekł. = 0,96÷0,99.

Pobór mocy elektrycznej przez sprężarkę wirnikową oblicza się na podstawie wzoru:

przy czym:
V – rzeczywiste natężenie przepływu gazu [m³/s],
ΔH_u – przyrost ciśnienia w sprężarce [Pa],
η_c – współczynnik sprawności całkowitej.

Współczynnik sprawności całkowitej jest równy współczynnikowi sprawności ogólnej oraz silnika:

Dzieląc moc użyteczną (V×ΔH_u) poprzez samą sprawność ogólną otrzymalibyśmy wzór jedynie na moc na wale silnika. Sprawność ogólną wyliczamy korzystając z następującej zależności:

gdzie:
η_o – współczynnik sprawności ogólnej waha się w granicach 0,7÷0,94,
η_m – współczynnik sprawności mechanicznej waha się w granicach 0,98÷0,99,
η_h – współczynnik sprawności hydraulicznej przyjmuje wartość 0,75÷0,98,
η_v – współczynnik sprawności wolumetrycznej (na przecieki) osiąga wartość > 0,98.

Grzałki elektryczne

Czasami wykorzystywane jest ogrzewanie oporowe w postaci grzałek karteru sprężarki lub innych grzałek elektrycznych wykorzystywanych do podgrzania oleju w sprężarce, utrzymania stałej temperatury odparowania na parowaczu lub rozmrożenia wymiennika.

Prąd elektryczny, płynąc przez przewodnik, powoduje jego nagrzewanie. Ilość wytwarzanego przy tym ciepła obliczamy z następującego wzoru: 

gdzie:
Q – ilość ciepła [kcal],
U – napięcie na końcach przewodnika [V],
I – natężenie prądu elektrycznego [A],
t – czas pracy [godz.].

Korzystając z powyższej zależności możliwe staje się obliczenie zużycia energii elektrycznej przez grzałkę.

Współczynniki  EER, COP, ESEER

Do lat 2005/2006 parametrami określającym zużycie energii elektrycznej były współczynniki EER i COP (wg nomenklatury EUROVENT). EER określany jest jako stosunek wydajności ziębniczej agregatu do poboru energii elektrycznej przez sprężarki agregatu: 

gdzie:
EER – współczynnik efektywności energetycznej agregatu chłodniczego dla trybu chłodzenia [-],
Q_o – wydajność chłodnicza agregatu ziębniczego [kW],
P – zużycie energii elektrycznej przez sprężarki w agregacie chłodniczym towarzyszące wytworzeniu chłodu w ilości Q_c [kW].

Z kolei COP określany jest jako stosunek wydajności grzewczej (przekazywanej w skraplaczu) do poboru energii elektrycznej przez sprężarki:

gdzie:
COP – współczynnik efektywności energetycznej agregatu chłodniczego dla trybu grzania [-],
Q_k – wydajność grzewcza agregatu ziębniczego [kW],
P – zużycie energii elektrycznej przez sprężarki w agregacie chłodniczym towarzyszące wytworzeniu ciepła w ilości Q_k [kW].

Wartości współczynników EER i COP były określane dla ustandaryzowanych przez EUROVENT warunków pracy agregatów chłodniczych i dotyczyły one maksymalnych obciążeń cieplnych instalacji klimatyzacyjnych.

Agregaty pracują zazwyczaj przy pełnym obciążeniu cieplnym tylko podczas ograniczonego okresu czasu w ciągu roku. Tym samym parametry urządzenia przy obciążeniu częściowym są znacznie bliższe rzeczywistości. Z tego względu EUROVENT zadecydował o certyfikacji agregatów wspólnie z efektywnością przy pełnym obciążeniu cieplnym dla średniego rocznego obciążenia cieplnego agregatów.

Studium analizy częściowo sponsorowanego przez EUROVENT i opracowanego przez Komisję Europejską poprzez program zwany Save („Oszczędność”) stworzyło indeks zwany ESEER. Indeks ten podobny do IPLV (wartość zintegrowanego obciążenia częściowego: integrated part load value) wykorzystywany przez ARI w Stanach Zjednoczonych uwzględnia poszczególne parametry w odniesieniu do pracy agregatów dla warunków europejskich: dane pogodowe, charakterystyka obciążenia budynków, godziny pracy itp.

Tym samym ESEER jest rzeczywistym narzędziem, znacznie lepszym niż wartość EER określanego dla pełnego obciążenia cieplnego, wykorzystywanym do porównania średniej efektywności energetycznej dwóch agregatów chłodniczych. Jednakże musi zostać wspomniany fakt, iż ESEER nie może być wykorzystywany do obliczeń zużycia energii dla innych szerokości geograficznych.

Obliczenie ESEER opiera się na trzech wartościach EER dla obciążeń częściowych odpowiadających 25, 50 i 75% pełnego obciążenia cieplnego. Ta ogólna, pojedyncza wartość jest podawana w katalogach certyfikowanych produktów EUROVENT wspólnie z wydajnością chłodniczą i zużyciem energii elektrycznej dla standardowych warunków pracy przy pełnym obciążeniu cieplnym. Temperatury pracy i średnie ważone wartości współczynników dla Europy zostały podane w tab. 1.

Wartość współczynnika ESEER jest obliczana, jak poniżej:

O następującej wadze współczynników:

A = 0.03,
B = 0.33,
C = 0.41,
D = 0.23.

W tym przypadku korzysta się z funkcji wyboru właściwego agregatu chłodniczego dla danego zastosowania i stworzenia raportu pokazującego parametry i zasadnicze informacje o agregatach chłodniczych spełniających wymagania klienta. Dostępne agregaty mogą zostać zestawione według wartości współczynnika efektywności energetycznej (EER) lub europejskiego sezonowego współczynnika efektywności energetycznej (ESEER).

Czynniki wpływające na zużycie energii elektrycznej

W agregacie zużycie energii elektrycznej zależy w największym stopniu od zapotrzebowania na moc do napędu sprężarek w układzie chłodniczym. Moc ta zmienia się w zależności od różnych parametrów czynników po obu stronach wymienników (parowacza i skraplacza) układu chłodniczego.

W tabeli  2. przedstawiono podstawowe dane techniczne monoblokowego agregatu chłodniczego ze skraplaczem chłodzonym powietrzem WSAT-XSC firmy CLIVET, w zależności od różnych temperatur wody schładzanej i powietrza chłodzącego skraplacz. Podstawowe dane to: wydajności chłodnicze agregatu oraz zużycie energii elektrycznej potrzebne do ich osiągnięcia.

Zgodnie z zasadami fizyki efektywność układu chłodniczego zmienia się w zależności od parametrów dolnego i górnego źródła ciepła. Na rys. 1. i 3. przedstawiono graficzną interpretację potwierdzającą ten fakt. Im temperatura powietrza wlotowego na skraplacz jest wyższa, tym efektywność energetyczna układu chłodniczego w agregacie chłodniczym zmniejsza się (niższa temperatura skraplania czynnika chłodniczego).

Podobnie, im temperatura wody ziębniczej schładzanej na parowaczu w agregacie będzie wyższa (której towarzyszy wyższa temperatura odparowania czynnika chłodniczego), tym wyższa będzie również wartość współczynnika EER układu chłodniczego (rys. 3.). Powyższe dane dotyczą spadku temperatury wody na parowaczu Δt = 5 K i wynikowego przyrostu temperatury powietrza na skraplaczu.

Na podstawie powyższego stwierdzenia można odnieść wrażenie, że zużycie energii elektrycznej powinno zmniejszyć się przy malejącej temperaturze skraplania (powietrza chłodzącego skraplacz) lub wzrastającej temperaturze odparowania (wody ziębniczej). Potwierdza się to tylko dla zmian temperatury powietrza chłodzącego skraplacz (i towarzyszącym temu zmian temperatury skraplania czynnika chłodniczego).

Niestety, w przypadku wzrostu temperatury odparowania zużycie energii elektrycznej wzrasta. Wartości zużycia energii elektrycznej dla różnych temperatur powietrza chłodzącego skraplacz przedstawiono w formie graficznej na rys. 2., zaś dla różnych temperatur wody ziębniczej (na wylocie z agregatu, spadek temperatury wody 5 K) przepływającej przez parowacz agregatu zawarto na rys. 4. 

Należy zapamiętać, iż zużycie energii elektrycznej zmienia się w zależności od przyjętych warunków pracy agregatu chłodniczego.

Maksymalne dopuszczalne warunki pracy

Silniki elektryczne powinny być zabezpieczone przed zwarciem, przeciążeniem i zanikiem napięcia. Do zabezpieczenia silników przed zwarciem i przeciążeniem stosowane są wyłączniki samoczynne termiczno-elektromagnetyczne. Jeżeli wyłącznik ma tylko wyzwalacz termiczny, stosuje się bezpieczniki dla zabezpieczenia przed zwarciem. W tym przypadku bezpieczniki powinny być umieszczone pomiędzy wyłącznikiem i silnikiem.

Zabezpieczenie przed zanikiem napięcia konieczne jest tam, gdzie silnik wymaga specjalnych warunków rozruchu (rozrusznik, przełącznik gwiazda/ trójkąt oraz tam gdzie niespodziewane ruszenie maszyny roboczej jest niepożądane. Silniki zwarte małej mocy nie wymagają zabezpieczenia przed zanikiem napięcia.

Przy doborze zabezpieczeń układu zasilającego agregat należy uwzględnić m.in. zużycie energii elektrycznej przez agregat chłodniczy. Często producenci przekazują informację dotyczącą zużycia energii elektrycznej na podstawie zapotrzebowania mocy elektrycznej sprężarki dla danych konkretnych warunków pracy (temperatury wody ziębniczej 7/12°C i powietrza wlotowego 35°C).

Jest to jak najbardziej błędne podejście, bo jak uprzednio stwierdzono dla innych warunków panujących na instalacji, zużycie energii elektrycznej przez sprężarkę może zwiększyć się ponad wartości dla znamionowych warunków pracy.

Podawanie w ten sposób informacji bywa też przyczyną nieporozumień na etapie wyboru konkretnego urządzenia danego producenta. Autor osobiście miał do czynienia z przypadkiem, gdzie agregat chłodniczy oferowany przez innego producenta według danych podawanych w ofercie miał niższe zużycie energii elektrycznej niż proponowany przez autora, co było powodem ostatecznej decyzji inwestora o wyborze urządzenia o niższym zużyciu energii elektrycznej (przynajmniej tym na papierze).

Niestety nie brano pod uwagę faktu oraz próby wyjaśnienia, że dane oferowane przez firmę konkurencyjną dotyczą znamionowych warunków pracy, a nie danych dotyczących konkretnych warunków pracy systemu klimatyzacyjnego na obiekcie.

W rezultacie, podczas ważnego wydarzenia na wspomnianym obiekcie w okresie letnim doszło do awaryjnych wyłączeń bezpieczników agregatów chłodniczych. Powodem były podawane przez producenta zaniżone wartości zużycia energii elektrycznej. Jedynym rozwiązaniem było zastosowanie dodatkowych agregatów prądotwórczych na obiekcie, co wiązało się z dodatkowymi kosztami.

Dane elektryczne podawane przez producenta, jeżeli nie są podawane konkretne warunki pracy, powinny dotyczyć maksymalnych dopuszczalnych warunków pracy. Dopuszczalnych to znaczy odpowiadających granicznym wartościom temperatur skraplania i odparowania czynnika chłodniczego. Właściwie podawane dane elektryczne zawarto w tab. 3.

W przypadku, gdy wiemy, jakie powinny być projektowe temperatury obliczeniowe można podać dane elektryczne wynikające z danych warunków pracy: zużycie energii elektrycznej przez sprężarkę dla danej temperatury wody i powietrza, zużycie energii elektrycznej przez wentylatory oraz układ hydrauliczny (pompy). Warunkiem jest zweryfikowanie, czy podczas pracy lub możliwego przestoju w pracy nie wystąpią na instalacji temperatury inne od obliczeniowych.

Dla przykładu podczas dłuższego postoju monoblokowego agregatu chłodniczego na zewnątrz budynku temperatura wodnego roztworu glikolu może wzrosnąć, co spowoduje wzrost zapotrzebowania mocy elektrycznej sprężarek. Bardziej precyzyjne zalecane jest rozróżnienie i podawanie następujących wartości związanych z zużyciem energii elektrycznej:

• napięcie zasilające (wartość, liczba faz, częstotliwość sieci) [V, liczba faz, Hz],
• dopuszczalne odchyłki napięcia od wartości znamionowej [%],
• zużycie energii elektrycznej przez sprężarkę dla danych warunków pracy [kW],
• zużycie energii elektrycznej przez wentylatory [kW],
• zużycie energii elektrycznej przez układ hydrauliczny (pompy, grzałki w zbiorniku buforowym itp.) [kW],
• pobór mocy przy pełnym obciążeniu cieplnym w maksymalnych dopuszczalnych warunkach pracy dla całego agregatu [kW]; z uwzględnieniem granicznych temperatur pracy sprężarki (-ek), pomp, wentylatorów, i innych akcesoriów,
• zużycie prądu elektrycznego [A] przy pełnym obciążeniu cieplnym w maksymalnych dopuszczalnych warunkach pracy dla całego agregatu; z uwzględnieniem granicznych temperatur pracy sprężarki (-ek), pomp, wentylatorów i innych akcesoriów,
• maksymalny prąd rozruchowy [A]; maksymalne wartości prądu rozruchowego przy pełnym obciążeniu dla układów wielosprężarkowych dotyczą zużycia prądu elektrycznego wszystkich pracujących sprężarek dla danych warunków pracy oraz prądu rozruchowego ostatniej załączanej sprężarki.

Przekazując dane elektryczne w powyższej formie możemy być pewni doboru właściwego zabezpieczenia instalacji elektrycznej agregatu chłodniczego. Ostateczny dobór jest opierany na maksymalnym poborze mocy elektrycznej w taki sposób, by nie nastąpiło aktywowanie bezpieczników na wartości chwilowe podczas rozruchu (bezpieczniki o odpowiedniej zwłoce czasowej).

Należy zwrócić uwagę, że dane elektryczne w biuletynach technicznych mogą dotyczyć standardowego urządzenia (bez układu pompowego, funkcji free-cooling itp.) i w razie potrzeby należy uwzględnić zużycie energii elektrycznej pozostałych elementów systemu.

Sposoby  ograniczenia zużycia energii elektrycznej

Poniżej przedstawiono zalecane metody ograniczenia zużycia energii elektrycznej przez agregaty chłodnicze:

• zastosowanie do rozruchu agregatu układów typu soft-start lub przełączników gwiazdatrójkąt,
• zastosowanie kondensatorów do poprawy współczynnika mocy cos ϕ ≥ 0,9,
• zastosowanie poszczególnych komponentów o wysokiej sprawności,
• zastosowanie płynnej regulacji prędkości obrotowej wentylatorów do regulacji ciśnienia skraplania, co wpływa na zmniejszenie zużycia energii elektrycznej przy obciążeniach częściowych układu chłodniczego i poprawę warunków pracy samego agregatu,
• zastosowanie wentylatorów osiowych do chłodzenia skraplaczy z silnikami bezszczotkowymi,
• optymalna zabudowa wentylatora osiowego w agregacie chłodniczym,
• zastosowanie kompensacji wartości zadanej w zależności od entalpii, temperatury powietrza zewnętrznego lub zdalnego zadajnika wszędzie tam, gdzie jest to uzasadnione,
• zastosowanie funkcji free-cooling w obiektach, w których wymagane jest dostarczenie chłodu nawet w okresach występowania niskich temperatur powietrza zewnętrznego,
• zastosowanie pomp o płynnej regulacji prędkości obrotowej w układach hydraulicznych zmienno przepływowych, w układach stało- i zmienno przepływowych, gdy jest to możliwe zaleca się przyjmowanie większych wartości spadku temperatury na parowaczu w agregacie oraz na odbiornikach chłodu; dla uzyskania tej samej wydajności chłodniczej zwiększając spadek temperatury medium na parowaczu w agregacie zmniejszamy przepływ w instalacji, co redukuje zużycie energii elektrycznej przez pompę wody cyrkulacyjnej; dobór powinien być przeprowadzony w konsultacji z inżynierami produktów producentów agregatów chłodniczych, by nie przekroczyć dopuszczalnych warunków pracy agregatu oraz powinien być przeprowadzony w taki sposób, by średnia temperatura powierzchnia ścianki w odbiornikach chłodu (zależna od temperatury wody na zasilaniu i powrocie na parowaczu) odpowiadała standardowym warunkom pracy, tj. dla różnicy temperatury wody na odbiornikach i na parowaczu w agregacie: 5÷6 K, 
• stosowanie agregatów chłodniczych o wysokich wartościach współczynników ESEER, w przypadkach, gdy na obiekcie występują odbiorniki chłodu o zróżnicowanej temperaturze zasilania (klimakonwektory, chłodnice w centralach klimatyzacyjnych) bardziej efektywne eksploatacyjnie jest zastosowanie dwóch agregatów chłodniczych pracujących z różnymi temperaturami odparowania w parowaczu (uwarunkowane od temperatury wody na parowaczu), niż zastosowanie jednego agregatu pracującego na niższe wymagane parametry wraz z wymiennikiem pośrednim na obiegu zasilającym odbiorniki o wyższych parametrach zasilania, 
• dobór właściwej pojemności zbiornika buforowego.

Podsumowanie

W artykule zawarto podstawowe wzory oraz zagadnienia z zakresu elektrotechniki. Informacje te pozwolą na właściwe przekazywanie wytycznych branżowych na podstawie których dokonywane są obliczenia przekrojów poprzecznych przewodów zasilających oraz zabezpieczenia instalacji elektrycznych. W wielu przypadkach okazuje się, że dane nie zawsze przekazywane są we właściwy sposób, rezultatem czego są wyłączenia awaryjne zabezpieczeń elektrycznych agregatów chłodniczych szczególnie w okresach, kiedy warunki pracy systemu odbiegają od znamionowych (dłuższy postój w okresie letnim itp.).

Literatura

1. Multi-Wing Engineering Guide.
2. Multi-Wing Optimiser – program doboru wirników do wentylatorów osiowych firmy Multi-Wing.
3. Recknagel, Sprenger, Hönmann, Schramek, Poradnik Ogrzewanie + Klimatyzacja, Gdańsk 1994.
4. Harrisom A., Air moving experience, IVT International 2006.5. Biuletyny techniczne firmy CLIVET.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!