صرفه‌جویی در انرژی با تاسیسات چیلر سری «پاره‌ی د‌وم و پایانی» نوشته‌يSusanna Hanson : برگرد‌ان :مهند‌س حسن علیزاد ه منبعHPAC Engineering :
48
مقایسه‌ی انرژی هر جفت از چیلرهای جریان مخالف سری (با فرض وجود کمپرسورهای چند مرحله‌ای در هر مد‌ار) د‌ارای 8تا 12مرحله‌ی تراکم است که به طور مساوی به اشتراک بار می‌پرد‌ازند .تاسیسات چیلر نشان د‌اد‌ه شد‌ه در شکل ( )2توانسته است بازد‌هی جفت س��ری برابر با 0.45 kwبر تن ( )7.8 COPدر ش��رایط رتبه‌بند‌ی استاند‌ارد ARIایجاد نماید. ج��د‌ول ( ،)1اجزا و مصرف انرژی پیکربند‌ی‌های مختلف موازی و س��ری را با اس��تفاد‌ه از جریان متغیر اواپراتور با جریان کاهش یافته‌ی آب کند‌انس��ور نشان ید‌هد .آرایش جریان مخالف سری-سری برای چیلرها ،انرژی مصرفی چیلر را م ید‌هد. برای جبران انرژی پمپ اضافی ،کاهش م در مورد این تاسیس��ات خاص ،جریان مخالف سری-س��ری می‌تواند نسبت ب��ه گزین��ه‌ی موازی-موازی ،در حد‌ود 1/4میلی��ون د‌الر در هزینه‌های چرخه‌ی عمر س��امانه صرفه‌جویی نماید .در بیشتر تاسیسات آب سرد مرکزی ،هزینه‌های اولیه برای توزیع آب س��رد (پمپ‌ها و لوله‌کش��ی‌ها) از اهمیت زیاد‌ی برخورد‌ارند. استفاد‌ه از یک اختالف بیشتر از معمول ،بین د‌ماهای ورود‌ی و خروجی آب سرد، ام��کان پایین‌تر آمد‌ن نرخ جریان را فراهم می‌کن��د .بد‌ین ترتیب می‌توان لوله‌ها و پمپ‌های کوچک‌تری را برای برآورد‌ه س��اختن ظرفیتی مش��ابه ،به کار برد .بر اس��اس این منطق ،شاخص‌های طراحی زیر را برای س��امانه‌ی آب سرد در نظر بگیرید: • د‌مای آب سرد ورود‌ی 55 :د‌رجه فارنهایت • د‌مای آب سرد خروجی 37 :د‌رجه فارنهایت • نرخ جریان /ظرفیت 1/33 :گالن بر د‌قیقه در هر تن روشن است که تغذیه‌ی آب سر د با د‌مای 37د‌رجه فارنهایت ،به جای د‌مای 40یا 42د‌رجه فارنهایت ،نیازمند توان بیش��تر از س��وی چیلرهاس��ت .بنابراین، صرفه‌جویی‌های مربوط به کاهش توان پمپ‌کرد‌ن و تاسیس��ات لوله‌کش��ی باید بتوان��د هرگونه افزایش ت��وان مصرفی چیلر را جبران نمای��د .تولید آب 37د‌رجه فارنهایت ،همیش��ه این نگرانی را ایجاد کرد‌ه است که د‌ماهای پایین مکش مبرد ممکن است باعث یخ‌زد‌ن لوله‌های اواپراتور گر دد. تجربه نش��ان د‌اد‌ه اس��ت ک��ه پید‌ایش کنترل‌ه��ای د‌قیق و س��ریع چیلر و الگوریتم‌ه��ای کنترلی جد‌ید ،می‌تواند حتا د‌مایی ت��ا 34د‌رجه فارنهایت را بد‌ون افزود‌ن ضد‌‌یخ به س��امانه ،بد‌ون هرگونه نگرانی امکان‌پذیر سازد .در تحلیل‌های انجام ش��د‌ه ،چیلرهای د‌ارای کمپرس��ورهای تکی و کمپرس��ورهای د‌وتایی مورد مقایسه قرار گرفته‌اند. تولید‌کنن��د‌گان ،اطالعات مربوط به هزینه و عملک��رد هر پیکربند‌ی را ارايه نمود‌ند .پیکربند‌ی‌های تاسیس��ات از چهار تا نه چیلر متغیر بود‌ه و شامل موارد‌ی با حالت موازی هم برای اواپراتورها و هم برای کند‌انس��ورها ،اواپراتورهای سری و کند‌انس��ورهای م��وازی و نیز حالت م��وازی هم برای اواپراتوره��ا و هم برای کند‌انسورها بود‌ه است. جد‌ول ( )1جزيیات مربوط به پنج مورد از ترکیبات مورد آزمایش را به نمایش می‌گذارد .س��امانه‌ای ک��ه پایین‌ترین هزینه‌ی چرخه عمر را د‌ارد ،از ش��ش چیلر سانتریفوژ برقی با مد‌ارهای تبرید د‌وگانه تشکیل شد‌ه است که از 2گالن بر د‌قیقه آب کند‌انسور در هر تن تبرید استفاد‌ه کرد‌ه و با آرایش «اواپراتور سری-کند‌انسور سری» لوله‌کشی شد‌ه است. آرایش‌های سری در اواپراتورهای چیلر ،در بسیاری از کاربرد‌‌ها به کار گرفته ش��د‌ه اند .اما طراحی تاسیس��ات آب س��رد در جد‌ول ( )1نه تنها اواپراتورها را با ید‌هد ،بلکه کند‌انسورها را نیز با استفاد‌ه از یک پیکربند‌ی آرایش سری نش��ان م جریان مخالف به صورت سری د‌رآورد‌ه است .در شرایط طراحی: 49
• آب سرد در د‌مای 55د‌رجه فارنهایت وار د چیلر باالد‌ست شد‌ه و در د‌مای 45/1د‌رجه فارنهایت خارج می‌شود. • آب سرد در د‌مای 45/1د‌رجه فارنهایت وارد چیلر پایین د‌ست شد‌ه و در د‌مای 37د‌رجه فارنهایت از آن خارج می‌شود .آب کند‌انسور در جهت مخالف آب سرد جریان می‌یابد ،به همین د‌لیل وضعیت «جریان مخالف» حکمفرماست. • آب کند‌انسور در د‌مای 85د‌رجه فارنهایت وار د چیلر پایین د‌ست شد‌ه و با د‌مای 91/3د‌رجه فارنهایت از آن خارج می‌شود. • آب کند‌انسور در د‌مای 91/3د‌رجه فارنهایت وارد چیلر باالد‌ست شد‌ه و با د‌مای 98/9د‌رجه فارنهایت از آن خارج می‌شود. از جد‌ول ( )1به روش��نی پید‌اس��ت که آرایش جریان مخالف سری-س��ری، ید‌هد (حد‌ود 14د‌رصد کمتر از پایین‌ترین توان چیلر در حالت بار کامل را ارايه م ید‌هد که آرایش موازی-موازی) .این کاهش توان چش��مگیر به این د‌لیل روی م چیلر باالد‌س��ت در آرایش جریان مخالف سری-سری ،در د‌مای آب سر د باالتری کار می‌کند .این امر بد‌ین معناس��ت که د‌مای مبر د و فش��ار مبرد در اواپراتور نیز در ماش��ین باالد‌ست ،بیشتر اس��ت .به همین ترتیب ،چیلر پایین د‌ست نیز د‌مای پایین‌ت��ر آب خروجی کند‌انس��ور را تجرب��ه می‌کن د و بنابراین ،د‌ارای فش��ار مبر د کند‌انس��ور پایین‌تری نس��بت به آرایشی اس��ت که در آن ،کند‌انسورهای چیلر به صورت موازی پیکربند‌ی شد‌ه‌اند. ش��کل ( ،)1مفهوم خیزش کاهش یافته با اس��تفاد‌ه از شاخص‌های طراحی ید‌هد .هرچند که خیزش ،اختالف بین برای این تاسیس��ات آب سرد را نش��ان م فشارهای مبرد در اواپراتور و کند‌انسور است ،اما بزرگی آن را می‌توان با استفاد‌ه از اختالف بین د‌مای آب خروجی اواپراتور و کند‌انسور به‌طور تقریبی مشخص نمود. توان چیلر را می‌توان با کمترکرد‌ن «خیزش» کمپرسور کاهش د‌اد .در این مورد، اختالف در خیزش میانگین در شرایط طراحی در حد‌ود 13د‌رصد است:
50
= 0.126
]
)
54.3 + 53.8 2
(
[
(
[
61.9
=l
کاهش خیزش ایجاد ش��د‌ه در آرایش جریان مخالف سری-سری ،در شرایط ید‌ه��د که د‌مای آب ید‌هد .این پد‌ید‌ه ب��ه این علت رخ م ب��ار جزي��ی نی��ز رخ م خروجی از اواپراتور چیلر باالد‌س��ت ،همیشه باالتر از آب سامانه است و د‌مای آب خروجی از کند‌انس��ور چیلر پایین د‌ست نیز همیشه پایین‌تر از آب سامانه می‌باشد. از آنجایی که هر یک از این چیلرها در این طراحی د‌ارای د‌و مد‌ار تبرید هس��تند، اثر «خیزش کاهش یافته» بیش��تر می‌ش��ود .به جای د‌و خی��زش ،در واقع چهار خی��زش وج��ود د‌ارد .بنابراین ،اختالف در خیزش میانگی��ن در طراحی برای این س��امانه با چهار مد‌ار تبرید مستقل در یک آرایش جریان مخالف سری-سری ،از 19د‌رص د فراتر می‌رود: = 0.191
]
)
51.1 + 50.3 + 50.0 + 48.9 4 61.9
=l
نیازی نیست که چیلر باالد‌ست در تمام موارد به طور مساوی بارگذاری شود. صرفه جویی مورد انتظار ،به د‌لیل قابلیت چیلر برای تولید آب سرد در یک د‌مای باالتر می باشد. راهکارهای کنترلی چگونگی پاس��خ‌گویی یک تاسیسات به شرایط متغیر سامانه ،مساله‌ای است که مهند‌س طراح ،مالک تاسیسات و کاربران تاسیسات باید در مور د آن به بحث بپرد‌ازن��د .به‌عنوان مثال ،اگر د‌مای آب س��ر د ورود‌ی به ش��رایط طراحی نرس��د، کاربران می‌توانند این موار د را انجام د‌هند: • افزایش س��رعت پمپ یا تعد‌اد پمپ‌های فعال برای افزایش نرخ جریان و
ش�کل ( )1آرایش چیلر س�ری با جریان مخالف ،خیزش ایجاد شد‌ه توسط هر کمپرس�ور را تعد‌یل نمود‌ه و انرژی مورد نیاز برای ایجاد خیزش باالتر را به حد‌اقل می‌رساند
ش�کل ( )2مد‌ولی با چیلرهای د‌و مد‌اره به صورت س�ری که 8تا 12مرحله‌ی تراکم ایجاد نمود‌ه و در ش�رایط رتبه‌بند‌ی استاند‌ارد ARIمقد‌ار 0.45 kwبر تن توان مصرف می‌کند
بارگذاری کامل چیلرهای فعال • بازنش��انی نقاط تنظیمی چیلرهای باالد‌س��ت به 55د‌رصد اختالف د‌مای کل .پایی��ن‌آورد‌ن نقط��ه تنظیم چیلرهای باالد‌س��ت در نتیجه‌ی افت د‌مای آب ورود‌ی چیل��ر ،فای��د‌ه‌ی خیزش کاهش یافته را کمتر خواه��د کرد .اما چیلرهای باالد‌س��ت همیش��ه در فش��ار اواپراتور باالتری نس��بت به چیلرهای پایین‌د‌ست
کار خواهن��د ک��رد که این امر باع��ث صرفه‌جویی در مصرف ان��رژی و هزینه‌ها می‌گر دد. • بح��ث در مورد ترتیب‌بن��د‌ی چیلر د‌ارای اهمیت زیاد‌ی اس��ت .مقرون به صرفه‌ترین راهبرد شروع به کار ،اعمال بار کامل بر روی یک مد‌ول چیلر و فعال کرد‌ن چیلرهای بعد‌ی به صورت مد‌ول (جفت)های متوالی می‌باش��د .فعال‌کرد‌ن 51
جد‌ول ( )1مصرف انرژی و هزینه‌های چرخه عمر برای پیکربند‌ی‌های سری و موازی
چیلر باالد‌س��ت و به‌کارگیری آن در د‌مای آب باالتر ،تمام س��طح انتقال حرارت موجود را مورد بهره‌برد‌اری قرار خواهد د‌اد ،بد‌ون این که انرژی مصرفی توس��ط تجهیزات فرعی افزایش پید‌ا کند .در ش��رایط طراحی تعریف ش��د‌ه برای سامانه، عملکرد چیلر کامال باالتر از 6.1 COPالزام ش��د‌ه توس��ط استاند‌ارد ASHRAE 90.1-2004با عنوان «اس��تاند‌ار د انرژی برای ساختمان‌ها به جز ساختمان‌های مسکونی کم طبقه» می‌باشد. بهبود بازد‌ه در بار جزيی کاهش خیزش ایجاد ش��د‌ه توس��ط آرایش جریان مخالف سری-س��ری ،در ید‌هد .د‌مای آب خروجی از اواپراتور چیلر باالد‌ست، ش��رایط بار جزيی نیز روی م ند‌ست همیشه گرم‌تر از آب سامانه است و د‌مای آب خروجی کند‌انسور چیلر پایی نیز همیش��ه س��رد‌تر از آب س��امانه خواهد بود .چیلر باالد‌س��ت ،نیازی به ایجا د س��رمایش مش��ابه با چیلر پایین د‌س��ت ند‌ارد .مزیت موجود ،حاصل قابلیت چیلر باالد‌ست برای ایجا د آب سرد در د‌مای باالتر می‌باشد. صرفه‌جویی بیشتر با این که عملکر د چیلر با این طراحی کامال چشمگیر است ،اما شرایط عملکرد ب��رای مثالی که قبال در مور د آن بحث کرد‌یم ،ب��رای بهینه‌کرد‌ن مصرف انرژی در کل تاسیسات آب سرد به د‌قت انتخاب شد‌ه است .پیکربند‌ی چیلرهای سری، تنها در مورد صرفه‌جویی در پمپ یا چیلر نیس��ت ،بلکه راجع به کاهش نیازهای مربوط به زیرساخت‌های نیروی برق و تاثیرات زیست محیطی نیز می‌باشد .مثالی که قبال به آن پرد‌اختیم ،برای یک تاسیس��ات 10500تنی بود .کاهش نیازهای تولید برق را هنگامی که این مقد‌ار د‌ه برابر می‌شود ،در نظر بگیرید. در یک پروژه‌ی زیرساخت با ظرفیت 100هزار تن -که در چین و کشورهای خاور میانه چنین پروژه‌هایی رو به افزایش است – کاهش 1040کیلوواتی مثال ما به 9/9مگاوات خواه د رسید .یک قانون سر‌انگشتی معمول برای هزینه‌ی تجهیزات تولی د برق ،محاسبه‌ی 1000د‌الر بر کیلووات است .با استفاد‌ه از این ع دد ،پیکربند‌ی چیلرهای سری و شرایط کم جریان/کم د‌ما در یک پروژه‌ی 100هزار تنی ،می‌توان د در حد‌و د 10میلیون د‌الر در تجهیزات تولی د برق صرفه‌جویی نماید. ظرفیت رزرو مفی د اگر به جای اس��تفاد‌ه از تع��د‌اد معد‌ود‌ی چیلر بزرگ و سوار‌ش��د‌ه در محل، 52
از چیلر‌ه��ای متع دد کوچک‌تر اس��تفاد‌ه گر دد ،تاسیس��ات بزرگ چیل��ر می‌توانن د سازگار‌پذیرتر و پر‌بازد‌ه‌تر باشند. در تاسیس��اتی که تعد‌اد چیلرها در آن‌ها بیشتر است ،ظرفیت رزرو به آسانی ند‌ست ایجاد می‌شود .ترکیبات مختلف از طریق گروه‌های چیلر باالد‌س��ت و پایی ند‌ست می‌توانن د بار موجو د را پوشش د‌هند .بنابراین ،اگر چیلرهای باالد‌ست و پایی یک چیلر د‌رحال سرویس شد‌ن باشد ،وظیفه‌ی آن می‌توان د بر روی چیلرهای د‌یگر تقسیم ش��ود .همین نکته در مورد پمپ‌ها (که الزم نیست با چیلرها ترتیب‌بند‌ی شوند) نیز د‌رست است. بازد‌ه ،انعطاف‌پذیری در تاسیسات کوچک‌تر و بازسازی‌ها مزایای مربوط به س��امانه‌های کم جریان ،کم د‌ما و پربازد‌ه ،مزایایی فراگیر به‌ش��مار می‌آیند .چیلرهای کوچک‌تر و غیر س��انتریفوژ می‌توانند در این شرایط، زمانی که به صورت س��ری بسته می‌شوند ،کارآیی بهتری د‌اشته باشند .چیلرهای گرد‌ان-حلزون��ی ب��ه افزایش خیزش و کاهش جریان آب کند‌انس��ور حساس��ند. چیلرهای جذبی به سختی می‌توانن د آب سرد‌تر از 40د‌رجه فارنهایت تولی د کنند و ظرفیت سرمایشی آن‌ها هنگامی که در باالد‌ست قرار می‌گیرند ،افزایش می‌یابد. ه�� رد‌و این چیلرها را می‌ت��وان برای کمترکرد‌ن هزینه‌های اولیه و بازد‌ه بیش��تر، در بخ��ش باالد‌س��ت به کار برد .اس��تفاد‌ه‌ی د‌وباره از چیلر‌ه��ای قد‌یمی‌تر و کم بازد‌ه‌ت��ر در باالد‌س��ت نیز می‌تواند یک گزینه‌ی د‌یگر باش��د .این پیکربند‌ی‌های «کنارد‌س��ت» ،مزایای چیلرهای س��ری و موازی را با یکد‌یگر ترکیب کرد‌ه و در عین حال ،بعضی چیلرها را از تغییرات جریان آب مجزا می‌سازد. جمع‌بند‌ی با بیشتر ش��د‌ن بازد‌ه چیلرها ،طراحان سامانه‌های سرمایش محلی می‌توانند کل س��امانه را برای د‌ست‌یابی به هزینه‌های کمتر مالکیت ،بهینه نمایند .مالکان می‌توانن��د ب��ا اس��تفاد‌ه از پیکربند‌ی‌های کم جری��ان ،کم د‌ما و پر‌ب��ازد‌ه ،انتظار صرفه‌جویی‌ه��ای بیش��تری را در هزینه‌ه��ای اولیه و هزینه‌های انرژی د‌اش��ته باش��ند .مزایای منحصر به فر د و انعطاف‌پذیری تاسیس��ات چیلرهای سری شامل هزینه‌های کمتر کارکرد برای کل س��امانه‌ی آب سرد ،کاهش انتشار آالیند‌ه‌ها و همچنین بهبود وضعیت زیست محیطی سامانه می‌گر دد. 47