W niniejszym artykule przedstawiona została analiza energetyczna energochłonności agregatów chłodzonych powietrzem jako podstawa wyboru odpowiedniego rozwiązania w instalacjach wody lodowej, na przykładzie układu w Szpitalu Pediatrycznym WUM w Warszawie.

Dobór najlepszego źródła chłodu dla instalacji, ze względu na mnogość dostępnych rozwiązań, często bywa nie najprostszym zadaniem. Coraz większy udział nowych technologii w rynku chłodu z jednej strony umożliwia dobór odpowiedniego urządzenia dla konkretnej instalacji lub aplikacji, z drugiej jednak utrudnia to zadanie ze względu na specyfi kę komponentów użytych do ich budowy. Duży wybór jest niewątpliwie korzystny zarówno dla Inwestora, użytkownika obiektu, jak i dla projektantów, konsultantów oraz wszystkich pozostałych osób zaangażowanych w proces decyzyjny.

Osoby wymienione w pierwszej kolejności mają swoje założenia jakościowe, w prostej linii przekładające się na budżet, natomiast ci ostatni mają dodatkowe utrudnienie w postaci konieczności wyboru zarówno najbardziej energooszczędnego rozwiązania chłodzenia budynku, jak i uzasadnienia dlaczego wybrali taki, a nie inny wariant urządzenia. Zadanie to nie jest do końca łatwe, gdyż to co teoretycznie powinno zaoszczędzić cenne kilowaty energii elektrycznej może spowodować efekty odwrotne do pierwotnie zakładanych.

Dobrym przykładem mogą być układy free-cooling, często forsowane do zastosowania w instalacjach klimatyzacji komfortu. Każdy dodatkowo zastosowany element, jak np. dodatkowy wymiennik układu FC, oprócz oczywistych korzyści w postaci wykorzystywania potencjału chłodzącego powietrza zewnętrznego, powoduje dodatkowe straty hydrauliczne – zarówno po stronie wodnej (pompa), jak i powietrznej (wentylatory). Straty te są często wyższe niż spodziewane zyski energetyczne. Nie zawsze więc sprawdza się to, co wydaje się być korzystne na pierwszy rzut oka.

W szybkim wyborze odpowiedniego źródła chłodu może pomóc porównanie parametrów urządzenia w warunkach unormowanych, np. wg metodologii Eurovent (wskaźnik ESEER). Metoda ta ma jednak kilka podstawowych ograniczeń, takich jak stała obliczeniowa temperatura wody lodowej oraz z góry przyjęte czasy pracy w danym obciążeniu termicznym. Ze względu na fakt, iż prawie każdy budynek jest na swój sposób oryginalny i w efekcie ma różną charakterystykę temperaturową (profi l chłodzenia), współczynnik ESEER nie zawsze będzie najlepszym i jedynym słusznym wskaźnikiem eksploatacyjnym. Inny profi l temperaturowy stosuje się dla szpitala, inny dla Data Center, inny dla galerii handlowych, budynków biurowych itp. Dodatkowym utrudnieniem mogą być indywidualnie dobrane parametry medium chłodzącego – zastosowanie czystej wody lub glikoli o temperaturze różnej od standardowo przyjętych przez Eurovent.

Podstawowe założenia, możliwości

Analiza sporządzona za pomocą Spectrum szacuje zużycie energii agregatów wody lodowej oraz pomp ciepła, wyposażonych w sprężarki oraz pompy z silnikami elektrycznymi. Profil obciążenia termicznego jest zasymulowany za pomocą formuł, które uwzględniają kilka współczynników. Wszystkie określają udziały składowych całkowitego obciążenia wyrażonego w kilowatach, m.in. dla:

• ciepła procesowego, stałego w czasie (np. serwerownia);
• zapotrzebowania na chłód na potrzeby komfortu, bezpośrednio powiązanego z obecnością ludzi w budynku i nieznacznie zależnego od warunków zewnętrznych (np. oświetlenie, obciążenie wg. temperatury termometru mokrego);
• zysków z zewnątrz, powstałych na skutek przenikania ciepła, powyżej przyjętej temperatury.

Kombinacja wyżej wymienionych wartości oraz zestawienie ich z charakterystyką danego urządzenia pozwala oszacować, jakich efektów można się spodziewać przy eksploatacji agregatu przez część, lub w ciągu całego roku.

Profil obciążenia budowany jest dla każdego miesiąca z wykorzystaniem ogólnodostępnych baz danych pogodowych (zgodnie ze średnią-niską oraz średnią-wysoką temperaturą termometru suchego) dla konkretnej lokalizacji, w danym miesiącu. Pozwala to na uniknięcie tworzenia profilu dla zbyt wysokiej, lub zbyt niskiej temperatury powietrza zewnętrznego. Baza opiera się na statystykach dostępnych w serwisie www.weatherbase.com. 

W celu udoskonalenia tworzenia profi lu temperaturowego możliwe jest wybranie trzech różnych profi li godzinowych (typowe dni „A”, „B”, „C”) oraz zmiana wartości współczynnika w formułach definiujących procentowe obciążenie termiczne. Możliwe jest również przyjęcie różnych stawek za energię elektryczną, obowiązujących w danych przedziałach czasowych oraz oszacowanie poboru energii elektrycznej przez pompy obiegowe. W celu doprecyzowania wyniku, zakłada się stały przepływ przez wymienniki pracujących urządzeń – całkowite straty hydrauliczne układu są kalkulowane na bazie nominalnego spadku ciśnienia na parowniku (z akcesoriami) oraz określonego wymaganego ciśnienia dyspozycyjnego pompy obiegowej.

Istnieje możliwość sprawdzenia pracy kombinowanej wielu urządzeń (tego samego typu lub różnych) w tej samej instalacji poprzez podanie ilości urządzeń pracujących sekwencyjnie, równolegle, lub w trybie pracy kombinowanej z obu powyższych opcji. Funkcja pracy równoległej przewiduje maksymalną ilość pracujących urządzeń w relacji do obciążenia termicznego oraz uwzględnia możliwości jednostek do pracy z odciążeniem. Praca sekwencyjna przewiduje wykorzystanie pełnej wydajności chłodniczej danego urządzenia przed włączeniem kolejnego. Reguły te można później wprowadzić do jednostki nadrzędnej RC GROUP 'SEQ', kontrolera typu PLC, podłączanego do sterowników maszyn różnych typów.

Szpital Pediatryczny WUM w Warszawie

(...)

Podsumowanie

Wyniki przedstawione w tabelach 2. i 3. potwierdzają, iż urządzenia ze sprężarkami śrubowymi są sprawniejsze, gdy pracują w trybie sekwencyjnym, gwarantującym warunki robocze z pełnym dociążeniem w jak największej liczbie pracujących urządzeń. W trybie pracy równoległej, lepiej sprawują się urządzenia ze sprężarkami odśrodkowymi. Zgodnie z przewidywaniami, gdyby układ był wyposażony w agregaty z wbudowanym free-coolingiem urządzenia te miałyby sumaryczne wyższe zużycie energii niż agregaty w wersji Turbo, pracujące na czystej wodzie – mimo osiągania bardzo wysokiej sprawności przy niskich wartościach temperatury otoczenia osiąganych przez urządzenia z free-coolingiem. Porównanie sprawności dla wariantu free-coolingowego przedstawiono na rysunku 3.

W układzie chłodzenia w Szpitalu Pediatrycznym WUM, oprócz wysokosprawnych agregatów przewidziano dodatkowe moduły free-coolingowe (Dry Coolery), dochładzające wodę lodową gdy jest to możliwe, redukując czas pracy sprężarek w agregatach i zapewniając jeszcze większe oszczędności energetyczne niż wykazano w powyższych tabelach. Przewidywany okres pracy tych urządzeń, w trybie całkowitego free-coolingu wynosi około 3 miesięcy, przy odprowadzaniu ok. 1,4 MW ciepła.

***

Wszystkie tabele oraz kalkulacje przedstawione w tym artykule zostały przeprowadzone za pomocą materiałów własnych RC Group, RC Polska, oraz autorskiego modułu kalkulacyjnego Spectrum, wersja 2.5.30 – 2.5.31.

Michał URASIŃSKI
Doradca Techniczno-Handlowy,
RC Polska Sp. z o.o.