Ocena techniczna systemu FREE COOLING stosowanego w agregatach wody lodowej dla systemów klimatyzacji.

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA Wydział Mechaniczny Katedra Techniki Cieplnej Seminarium z Chłodnictwa Ocena techniczna systemu FREE COOLING stosowanego w agregatach wody lodowej dla systemów klimatyzacji. Jarosław Pokorski semestr VIII rok akademicki: 2006/2007 prowadzący: dr inż. Zenon Bonca Gdańsk 2007

2 SPIS TREŚCI 1. Informacje Ogólne Budowa układu 4 3. Zasada działanie Zasadność stosowania 9 5. Analiza ekonomiczna Literatura... 11

3 1.Informacje Ogólne Bardzo często spotykamy się z sytuacją, gdy bez względu na panującą porę roku jesteśmy zmuszeniu produkować wodę lodową wykorzystywaną w niektórych procesach technologicznych, lub do zapewnienia odpowiednich warunków termicznych w centrach komputerowych, telefonicznych itp. Normalnie do tego celu wykorzystywane są agregaty chłodnicze, efektywne ale nieekonomiczne. W celu obniżenia kosztów eksploatacji, w agregatach chłodniczych ze skraplaczami chłodzonymi powietrzem, instaluje się system o nazwie Free Cooling, co w wolnym tłumaczeniu oznacza darmowe chłodzenie. Free Cooling (darmowy chłód) jest systemem pozwalającym na wytwarzanie schłodzonej wody bez angażowania sprężarek chłodniczych, a wykorzystującym tylko niską temperaturę powietrza zewnętrznego w chłodnych porach roku. Standardowy agregat chłodniczy wytwarza wodę lodową o temperaturze około 7 C, która jest następnie wykorzystywana do chłodzenia w różnych systemach, takich jak klimatyzacja, komputery, serwerownie itp. Woda ta następnie wraca do agregatu chłodniczego podgrzana do temperatury ok. 12 C, co wymusza pracę sprężarek chłodniczych. Taka sytuacja ma miejsce nawet w przypadku, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa niż 12 C. W tym miejscu powstaje zasadnicze pytanie: Dlaczego nie skorzystać z darmowego źródła energii jakim jest chłodne powietrze do schładzania, lub wstępnego schładzania wody w powietrznym wymienniku ciepła? Analizy ekonomiczne przeprowadzone dla konkretnych urządzeń zainstalowanych w południowej części Finlandii wykazały, że zwiększone koszty zakupu związane z zastosowaniem systemu Free Cooling zwracają się już po jednym sezonie, a to oznacza duże oszczędności w zużyciu energii elektrycznej, a więc obniżenie kosztów eksploatacji, jak też przedłużenie żywotności sprężarek także w naszym klimacie. Oczywistym jest, iż tak szybki zwrot kosztów tej inwestycji jest wynikiem średnich temperatur panujących w tym regionie. Poza tym wiadomo, że system ten nie będzie znajdował zastosowania w każdym miejscu na Ziemi z uwagi na różne strefy klimatyczne. Jednakże wszędzie tam, gdzie warunki klimatyczne na to pozwalają stosownym jest rozważenie zastosowania tego systemu w projektowanej, bądź modernizowanej instalacji.

4 2.Budowa układu. System realizowany jest w ten sposób, że w standardowym agregacie chłodniczym montowany jest dodatkowy płaszcz chłodnicy powietrznej i zawór trójdrogowy, a cały układ sterowany jest mikroprocesorem. W zależności od temperatury zewnętrznej i temperatur wody wchodzącej i wychodzącej z chłodnicy wodnej agregatu, monitorowanych przez czujniki temperatury sterownika, realizowana jest w pełni automatyczna praca samych sprężarek chłodniczych, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest wysoka. Jeśli temperatura powietrza zewnętrznego spada poniżej temperatury wody wracającej do agregatu chłodniczego (+12 C), sterownik otwiera zawór trójdrogowy i woda jest wstępnie schładzana w chłodnicy powietrznej, a następnie jest dochładzana przez sprężarki chłodnicze do temperatury 7 C. Przy temperaturach powietrza zewnętrznego +5 C i niższych, układ sterowniczy agregatu chłodniczego wykorzystuje do schładzania wody tylko wymiennik powietrzny free coolingu, a sprężarki chłodnicze pozostają wyłączone.

5 3 drogowy wymiennik zawór regulacyjny free-cooling FREE COOLING Standardowy agregat chłodniczy dostarczenie I wytworzenie wody ziębniczej o temp. ok. 7 C woda ziębnicza odbiera ciepło w stopniu zależnym od potrzeb instalacji i powraca do agregatu o temp. wyższej zazwyczaj o ok. 5 C schłodzenie wody uzyskuje się wykorzystując termodynamiczny obieg chłodniczy cechujący się COP wyższym od 3 (1) Powrót wody ziębniczej z instalacji (2) Wylot wody ziębniczej na instalację (3) Wymiennik Free-Cooling (4) Skraplacz (5) Sprężarki (6) Parowacz (7) Pompa cyrkulacyjna (8) Zawór trójdrogowy (9) Wentylatory (10) Zawory rozprężne (11) Powietrze zewnętrzne na wlocie do wymiennika

6 Instalacja z zastosowaniem systemu free cooling dodatkowy trójdrogowy zawór regulacyjny specjalny wymiennik ożebrowany typu powietrze/woda 3. Zasada działania. Sezonowe warunki klimatyczne warunkują pracę urządzenia na zasadniczo 3 różne tryby pracy: ü Praca latem ü Praca w okresie przejściowym ü Praca w okresie zimowym 1. Praca w okresie letnim zasilanie podzespołów: sprężarki: ON (załączone) w zależności od obciążenia, zależnie od potrzeb systemu; pompa: ON (załączone); wentylatory: ON (załączone) zmienny przepływ powietrza, zależnie od temperatury powietrza zewnętrznego; chłodzenie wody jest zapewnione poprzez obieg chłodniczy z pracującymi sprężarkami; wymiennik Free-Cooling pozostaje wyłączony; jest tylko jedna różnica w odniesieniu do standardowych urządzeń, w obiegu wodnym nie znajduje się czysta woda lecz mieszanina wody z glikolem z przyczyn opisanych powyżej.

7 2. Praca w okresie przejściowym zasilanie podzespołów: sprężarki: załączone, zależnie od wydajności chłodniczej odzyskanej przez wymiennik Free-Cooling pompa: załączona wentylatory: załączone oszczędności energetyczne zmienne pomiędzy 0 do 100%, zależnie od różnicy pomiędzy temperaturą powietrza zewnętrznego i potrzebami instalacji; urządzenie pracuje w trybie Free-cooling, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest odpowiednia: trójdrogowy zawór regulacyjny zmienia swoje położenie powodując, że medium przepływa przez wymiennik Free-Cooling zanim nastąpi jego przepływ przez parowacz wentylatory obracają się z maksymalną prędkością aby uzyskać maksymalną wydajność chłodniczą z wykorzystaniem chłodu zawartego w powietrzu o niskiej temperaturze; rozwiązanie to umożliwia w pierwszej kolejności wykorzystanie naturalnego i darmowego chłodu w następnym etapie woda jest chłodzona przy użyciu obiegu chłodniczego z pracą sprężarek przy częściowym obciążeniu (zużycie energii jest proporcjonalne do ilości załączonych stopni pracy sprężarek

8 jeśli temperatura powietrza zewnętrznego ponownie wzrasta sterownik mikroprocesorowy automatycznie przełącza pracę systemu na tryb letni, zapewniając właściwe parametry pracy instalacji 3. Praca w okresie zimowym zasilanie podzespołów: sprężarki wyłączone pompa załączona wentylatory załączone - zmienny przepływ, zależnie od temperatury powietrza zewnętrznego zawór trójdrogowy jest w takiej samej pozycji jak w poprzednim przykładzie powietrze zewnętrzne o niskiej temperaturze schładza na wymienniku Free-Cooling medium na wylocie do żądanej temperatury sterownik mikroprocesorowy zatrzymuje pracę sprężarek (5) dostarczając całkowitą moc chłodniczą przy ZEROWYCH KOSZTACH, w przeciwieństwie do standardowych urządzeń jeśli różnica pomiędzy temperaturą powietrza zewnętrznego a żądaną temperaturą wody na wyjściu z wymiennika Free-Cooling (3) spowoduje, że temperatura wody na wyjściu obniży swoją wartość poniżej wartości zadanej (nie powoduje to niebezpieczeństwa z uwagi na obecność glikolu w instalacji), sterownik mikroprocesorowy zmniejszy prędkość obrotową wentylatorów aż do ich całkowitego zatrzymania. Jeśli wszystkie wentylatory pozostają wyłączone a temperatura wody dalej

9 obniża swoją wartość, zawór trójdrogowy przyjmuje pozycję do pracy letniej, pozwalając na utrzymanie żądanej nastawy. 4.Zasadność stosowania. Zasadność stosowania tego typu instalacji jest ściśle związana z czasem występowania temperatur otoczenia pozwalających na realizację procesu wymiany ciepła pomiędzy otoczeniem a chłodziwem. W przypadku Polski można stwierdzić, że free-coling jest jak najbardziej uzasadniony, ponieważ jak wskazują badania, okres występowania temperatur pozwalających na realizacje procesu jest długi.

10 Wrocław przy temperaturach czynnika ziębniczego 5/10 C jego przygotowanie przez naturalne chłodzenie jest możliwe przez 18-21% czasu rocznej eksploatacji oraz dodatkowo przez 17-19% czasu rocznej eksploatacji naturalne chłodzenie może być jako wspomagające przy temperaturach czynnika ziębniczego 10/15 C naturalne ochładzanie może zapewnić jego przygotowanie przez 35-40% czasu rocznego ponadto przez 17-19% cyklu rocznego może być wspomagającym pracę urządzenia ziębniczego 5.Analiza ekonomiczna. Firma Montair w latach przeprowadził kompleksowe badania, przyjmując do analizy 100 kw agregat chłodniczy, pracujący 24 godziny na dobę i produkujący wodę o parametrach 12 7 C przez jeden rok. W ciągu roku wykorzystując do schładzania wody system Free Cooling zamiast pracy tradycyjnych sprężarek zaoszczędzono kwh. Przyjmując COP o wartości 2,9, zaoszczędzono kwh energii elektrycznej, co przy koszcie 0,119 Euro za jedną kwh we Włoszech, daje oszczędność w skali roku w wysokości Euro. Opierając się na tej samej metodzie obliczeń, z danych temperaturowych uzyskanych dla Warszawy wynika, że zaoszczędzono kwh energii elektrycznej, co przy średnim koszcie 0,35 PLN za jedną kwh daje oszczędność w skali roku w wysokości PLN.

11 Literatura: 1. BIAŁKO B., KRÓLICKI Z., RESZEWSKI S.: System bezpośredni z zestawem sprężarkowym czy system pośredni - dylemat inwestora. Chłodnictwo & Klimatyzacja 11/ MONTAIR: Darmowe chłodzenie? Agregaty chłodnicze z zastosowaniem Free Cooling". Polski Instalator 9/ Przydróżny E.: Układy ziębnicze z systemem naturalnego chłodzenia w klimatyzacji. CHŁODNICTWO & Klimatyzacja 1-2/