W technice chłodniczej i klimatyzacyjnej – w celu regulacji temperatury skraplania – stosowane są dotychczas prawie wyłącznie regulatory proporcjonalne typu P lub proporcjonalno-całkujące typu PI, które wykazują jedną lub dwie stałe wartości zadane. W niniejszym artykule przedstawiono dwie strategie regulacji, z których jedna jest już dobrze znana, a druga całkiem nowa. Ich zastosowanie umożliwia uzyskanie znacznej oszczędności energii w porównaniu z regulacją standardową.

Powszechnie wiadomo, że wybór temperatury skraplania w obiegach chłodniczych ma duży wpływ na wartość współczynnika COP instalacji. Im niższa jest temperatura skraplania, tym wyższy jest współczynnik sprawności instalacji i tym mniejszy jest pobór energii w celu uzyskania danej wydajności chłodniczej. Zwykle pod uwagę bierze się pobór mocy przez sprężarkę – często przy uwzględnieniu jej współczynnika sprawności jako jedynej dostarczanej mocy. Jeżeli przy całkowitym poborze mocy instalacji chłodniczej / klimatyzacyjnej uwzględni się również moc elektryczną wentylatorów skraplaczy, wówczas wyżej wymienione zależności – w przypadku warunków projektowych – tzn. przy pełnym obciążeniu, są na wstępie prawidłowe. Jeżeli jednak występują stany częściowego obciążenia instalacji chłodniczej i zmienne warunki pracy, takie jak np. wysokie temperatury otoczenia, wówczas pobór mocy przez wentylatory skraplacza może zwiększyć się do wielkości mocy rzędu tej pobieranej przez sprężarki lub nawet go przewyższać. W takich okolicznościach bardziej korzystne pod względem energetycznym byłoby zmniejszenie prędkości obrotowej wentylatorów skraplaczy. Prowadzi to wprawdzie do wzrostu temperatury skraplania, a tym samym do wzrostu poboru mocy przez sprężarkę, który to jednak wzrost wraz ze zmniejszeniem energii pobieranej przez wentylator skraplacza musi zostać odpowiednio wyważony, aby móc ocenić, czy możliwa jest oszczędność poboru energii całkowitej.

Przesunięcie wartości zadanej w zależności od temperatury zewnętrznej

Podczas pracy instalacji chłodniczych i klimatyzacyjnych ze świadomie niską pod względem energetycznym wartością zadaną temperatury skraplania, uważni użytkownicy instalacji za każdym razem stwierdzali, że podczas ciepłych dni można zaobserwować stany pracy, w których prędkość obrotowa wentylatorów skraplaczy nieoczekiwanie była wysokia, chociaż instalacja – na przykład z powodu przerw w produkcji – znajdowała się w niskim zakresie obciążenia częściowego. Zwracano uwagę na ten stan rzeczy dopiero wtedy, kiedy obciążenie instalacji było w sposób oczywisty znane, ponieważ w związku z wysoką temperaturą zewnętrzną prawdopodobne jest wystąpienie wysokiej prędkości obrotowej wentylatorów skraplaczy. W instalacjach o wysokiej wartości zadanej skraplania, a tym samym związanej z większym nakładem energetycznym, takie przypadki nie występowały, ponieważ wentylatory skraplaczy już wcześniej przechodziły do pracy regulacyjnej, aby nie osiągnąć stanu poniżej ustawionej wartości zadanej temperatury skraplania. Zależność tę można prześledzić łatwo przy pomocy wykresu (rys. 1.).

Rys. 1. Standardowa regulacja skraplania z tc_zadane = 25°C w przypadku pracy urządzenia z dt1 = 12 K

W tym przykładzie przyjęto, że skraplacz został zaprojektowany dla różnicy temperatury wlotowej, tzn. różnicy między temperaturą skraplania a temperaturą powietrza wlotowego, wynoszącej 12 K. Tym samym temperatura skraplania, w przypadku pełnego obciążenia, jest zawsze o 12 K wyższa od temperatury powietrza wlotowego. Analiza ta w pierwszej fazie przebiega w sposób uproszczony, niezależnie od bezwzględnej temperatury powietrza wlotowego. Przykładowo, przy temperaturze powietrza wlotowego wynoszącej 28°C i przy pełnych prędkościach obrotowych wentylatorów skraplaczy, temperatura skraplania ustawi się na 40°C. Poza tym przyjmuje się, że wartość zadana skraplania została ustawiona na regulatorze na 25°C. Jeżeli temperatura powietrza wlotowego spadnie poniżej 13°C, wówczas również regulator, przy pełnym obciążeniu instalacji, zacznie zmniejszać prędkości obrotowe wentylatorów skraplaczy tak, aby wartość zadana skraplania nie zmniejszyła się poniżej jej wartości minimalnej. Obniżenie poniżej wartości minimalnej mogłoby naruszyć warunki projektowe zaworów ekspansyjnych i spowodować straty mocy w parownikach. 

Jeżeli instalacja znajduje się w stanie częściowego obciążenia (np. podczas weekendu potrzebna jest niewielka ilość niskiej temperatury w celach produkcyjnych), wówczas przy założeniu, że wentylatory pracują w sposób niezmieniony ze swoimi znamionowymi prędkościami obrotowymi, zmniejszy się różnica temperatury wlotowej. Przyczyną tego jest fi zyczna zależność – moc wymiennika ciepła, przy zachowaniu takich samych parametrów dla innych warunków brzegowych, jest w pierwszej kolejności skalowana z rosnącą różnicą temperatury. 

Przypadek ten został przedstawiony na rysunku 1. Regulator przy temperaturze powietrza wlotowego wynoszącej 23°C zaczyna zmniejszać prędkości obrotowe wentylatorów. Jeżeli wartość temperatury powietrza wlotowego jest wyższa, wówczas występuje sytuacja niepożądana, przy której wentylatory pracują z pełnymi prędkościami obrotowymi, chociaż potrzebna jest niska moc chłodnicza i klimatyzacyjna. Może to doprowadzić, że wentylatory skraplaczy zaczną zużywać więcej energii niż sprężarka, co z punku widzenia energetycznego jest bardzo niekorzystne. Ten stan rzeczy można opisać również w taki sposób, że począwszy od określonej temperatury zewnętrznej, standardowa regulacja skraplania nie może już dłużej wykonywać regulacji w zależności od obciążenia lub nie rozpoznaje już stanu obciążenia instalacji chłodniczej / klimatyzacyjnej. 

W celu złagodzenia tej sytuacji, już od wielu lat w regulatorach ciśnieniowych skraplania firmy Güntner stosowany jest opcjonalny tryb pracy „przesunięcie wartości zadanej w zależności od temperatury zewnętrznej“. W tym celu na regulatorze, tak jak miało to miejsce dotychczas, wprowadzana zostaje wartość zadana, która powinna zostać jak najbardziej sensownie ustawiona na poziomie dozwolonej minimalnej temperatury skraplania, jak również druga wartość „przesunięcia“ – podana w stopniach Kelwina. Dodatkowo regulator potrzebuje aktualnej temperatury powietrza wlotowego, która sprawdzana jest za pośrednictwem czujnika temperatury. Opis tej metody brzmi następująco: 

„Wartość zadana stosowana do regulacji prędkości obrotowej wentylatora powinna być stałą wartością ustawioną na regulatorze, poza przypadkiem, kiedy suma przesunięcia i temperatury powietrza wlotowego jest większa od tej wartości. Wówczas należy wykorzystać tę sumę jako nową wartość zadaną“.

Aktualna wartość zadana skraplania nie jest już liczbą stałą, lecz począwszy od określonej temperatury zewnętrznej, ze stałą różnicą temperatury – przesunięciem – przesuwana jest do góry, do aktualnej temperatury powietrza wlotowego. Ustawione w ten sposób warunki pracy zostały przedstawione na rysunku 2. 

Rys. 2. Przesunięcie wartości zadanej w zależności od temperatury zewnętrznej z tc_zadane = 25°C oraz przesunięciem 4 K w przypadku urządzenia zaprojektowanego dla dt1 = 12 K

Warunki projektowe i warunki brzegowe zostały zachowane w taki sposób, w jaki to zostało podane na rysunku 1., tzn. tc_ min = 25°C i dt1 = 12 K. Dla nowo dodanego przesunięcia została przyjęta wartość 4 K. Podczas pracy z wysokim obciążeniem chłodniczym / klimatyzacyjnym nie zmieniają się prędkości obrotowe wentylatorów skraplaczy. W przypadku pełnego obciążenia temperatura skraplania pozostanie o 12 K wyższa od temperatury powietrza wlotowego, a tym samym będzie zachowywała się dokładnie tak samo, jak ma to miejsce w przypadku regulacji standardowej. Tak jak dotychczas, w przypadku temperatury powietrza wlotowego o wartości poniżej 13°C, prędkości obrotowe wentylatorów poddano regulacji wstecznej. Jeżeli następnie – ze względu na niższe obciążenie chłodnicze lub klimatyzacyjne – różnica temperatur wlotowych na skraplaczu zostanie znacznie zmniejszona, wówczas temperatura skraplania, powstająca przy pełnych prędkościach obrotowych wentylatorów, przy wysokiej temperaturze powietrza wlotowego, będzie mniejsza niż suma temperatury powietrza wlotowego i przesunięcia. Ponieważ suma ta w trybie regulacji „przesunięcie wartości zadanej w zależności od temperatury zewnętrznej“ stanowi aktualną wartość zadaną, to regulator musi zmniejszyć prędkość obrotową wentylatorów tak, by osiągnąć nową wartość zadaną. Prędkość obrotowa, a tym samym pobór mocy wentylatorów skraplaczy jest zmniejszany przy częściowym obciążeniu instalacji, chociaż temperatura skraplania jest wyższa niż na stałe ustawiona wartość zadana 25°C.

Należy jednak przy tym uwzględnić, że współczynnik COP instalacji chłodniczej pogorszył się w porównaniu z regulacją standardową, ponieważ należy przyjąć do wiadomości fakt zwiększenia temperatury skraplania z powodu zmniejszenia prędkości obrotowej wentylatora. Całkowity pobór mocy instalacji chłodniczej, czyli suma elektrycznego poboru mocy sprężarki i wentylatorów skraplaczy, może jednak bez problemu być na niższym poziomie, niż ma to miejsce w przypadku bez „przesunięcia wartości zadanej w zależności od temperatury zewnętrznej“, tzn. przy 100% prędkości obrotowej wentylatorów.

Ten bardzo ważny efekt związany jest z faktem, że pobór mocy wentylatorów wzrasta wraz z funkcją potęgową trzeciego stopnia dotyczącą prędkości obrotowej, podczas kiedy strumień objętościowy powietrza wzrasta wraz z prędkością obrotową tylko według funkcji liniowej. Całkowite zużycie energii przez instalację chłodniczą wyznaczane jest między innymi przez wysokość termicznego obciążenia częściowego na skraplaczu, przez współczynnik COP instalacji chłodniczej i energetyczną klasę wydajności skraplacza lub wentylatora skraplacza. Od tych parametrów zależna jest również możliwa do zaakceptowania wartość przesunięcia.

Wysokość przesunięcia może zostać obliczona lub oszacowana na podstawie danych dotyczących instalacji, bądź też uzyskana na podstawie wartości wynikających z doświadczeń. Zasadniczo obowiązuje zasada, że wybrane powinno zostać tym większe przesunięcie, im większa jest wartość COP instalacji chłodniczej / klimatyzacyjnej, ponieważ przy wysokim COP moc sprężarki – w porównaniu z poborem mocy przez wentylatory – staje się coraz mniejsza. Oznacza to, że wpływ poboru energii przez wentylatory skraplaczy zawsze wzrasta w większym stopniu niż pobór energii przez całą instalację. A więc przy zastosowaniu instalacji klimatyzacyjnej przesunięcie powinno być większe niż w przypadku zastosowań wykorzystujących głębokie chłodzenie, w których można całkowicie zrezygnować z przesunięcia, ponieważ całkowity pobór mocy instalacji jest zawsze zdominowany przez sprężarkę.

Poza tym w przypadku skraplaczy o niższej klasie wydajności energetycznej sensowne przesunięcie będzie zawsze większe niż ma to miejsce w przypadku skraplaczy o wysokiej klasie wartości energetycznej. Jest to oczywiste, ponieważ klasa wydajności energetycznej defi niowana jest jako stosunek znamionowej mocy skraplacza Q_c_nom do poboru mocy elektrycznej wentylatorów P_el. W przypadku certyfi kowanych producentów skraplaczy Eurovent, wartość ta podawana jest dla każdego urządzenia.

Skraplacz o klasie wydajności energetycznej E w porównaniu ze skraplaczem o wydajności energetycznej klasy A, w celu osiągnięcia takiej samej mocy termicznej, zużywa ponad trzykrotnie więcej elektrycznej energii napędowej. Tym samym wentylatory o niższej klasie wydajności energetycznej powinny zmniejszać swoje prędkości obrotowe wcześniej niż ma to miejsce w przypadku urządzeń o wyższej klasie wydajności energetycznej.

Na rysunku 3. zostały zebrane niektóre możliwe do przyjęcia wartości dotyczące przesunięcia wartości zadanej dla określonych termicznych warunków brzegowych i skraplacza zaprojektowanego dla 12 K.

Rys. 3. Możliwe do przyjęcia wartości dotyczące przesunięcia wartości zadanej w zależności od temperatury zewnętrznej w przypadku przyrządu zaprojektowanego dla dt1 = 12 K i dla izoentropowego współczynnika sprawności sprężarki wynoszącego 0,7

„Przesunięcie wartości zadanej w zależności od temperatury zewnętrznej“ stanowi prosty sposób zmniejszenia całkowitego zużycia energii przez instalację chłodniczą / klimatyzacyjną w zakresie obciążenia częściowego. Jednak jest to tylko pierwszy krok do przeprowadzenia rzeczywistej optymalizacji. 

Funkcja równowagi energetycznej

(...)

Konkretne wyniki dla funkcji równowagi energetycznej

(...)

Podsumowanie

W niniejszym artykule wykazano, że zoptymalizowana pod względem energetycznym regulacja prędkości obrotowych wentylatorów skraplaczy w porównaniu z regulacjami standardowymi, dokonywanymi wyłącznie przy użyciu regulatorów P lub PI, może przyczynić się do znacznej oszczędności energii rozumianej jako suma mocy napędów sprężarek i skraplaczy. W szczególności przy częściowym obciążeniu instalacji, wysokiej temperaturze powietrza wlotowego i niskiej minimalnej temperaturze skraplania, regulacja tzw. zoptymalizowana prowadzi do bardzo wydajnych pod względem energetycznym stanów pracy. Oszczędność energii uzyskuje się dzięki temu, że pobór mocy wentylatora wzrasta zgodnie z funkcją trzeciego stopnia jego prędkości obrotowych, natomiast strumień objętościowy powietrza wzrasta w przybliżeniu zgodnie z funkcją liniową. W celu uzyskania regulacji zoptymalizowanej pod względem energetycznym konieczna jest – poza stosowaną już temperaturą skraplania – również znajomość temperatury powietrza wlotowego na skraplaczu, aby możliwe było dopasowanie mocy skraplaczy do mocy instalacji chłodniczej / klimatyzacyjnej, która w znany już sposób określana jest przez czynnik chłodniczy, poziomy ciśnienia i współczynniki sprawności sprężarek.

Peter ROTH
Kierownik ds. podstawowych badań naukowych,
Dział badań i rozwoju,
Güntner GmbH & Co. KG