Sprawność agregatów wody lodowej

Przez wiele lat dobór agregatów wody lodowej małych i średnich mocy (od 280 do 1400 kW) był prosty, ponieważ dostępne byty tylko agregaty ze sprężarkami tłokowymi. Dynamiczny rozwój technologii sprężarek śrubowych zmienił tę sytuację i dal nadzieję na zaniechanie kosztownych, okresowych napraw konserwacyjnych, wymaganych dla agregatów wody lodowej ze sprężarkami tłokowymi.

Jednak oszczędności wynikające z eliminacji kosztów konserwacji sprężarek tłokowych muszą się co najmniej zbilansować z kosztami zwiększonego zużycia energii elektrycznej, charakterystycznego dla większości agregatów wody lodowej ze sprężarkami śrubowymi. W typowych układach klimatyzacji lub pomp ciepła oszczędności w kosztach energii elektrycznej pobieranej przez agregaty wody lodowej ze sprężarkami tłokowymi mogą być 0 100-300% większe niż oszczędności wynikające z redukcji kosztów konserwacji agregatów ze sprężarkami śrubowymi.
YORK, podobnie jak kilka innych firm na świecie, produkuje obydwa typy agregatów wody lodowej mając świadomość, że każdy z nich ma swoje zalety, jak również wady. W prezentowanym artykule spróbujemy wyjaśnić, dlaczego agregaty ze sprężarkami tłokowymi zużywają mniej energii elektrycznej niż większość agregatów ze sprężarkami śrubowymi. Pokażemy również, że jakkolwiek agregaty mogą być „małe", to oszczędności w kosztach eksploatacyjnych wcale nie są małe.
Dla większości instalacji klimatyzacyjnych i pomp ciepła oszczędności w kosztach energii agregatów wody lodowej ze sprężarkami tłokowymi mogą być większe od oszczędności na konserwacji agregatów ze sprężarkami śrubowymi 0 100-300%.
Rozwój agregatów wody lodowej
Na rynku agregatów wody lodowej małych i średnich mocy już od dawna są preferowane sprężarki tłokowe. Podobnie jak w silniku samochodowym, wykorzystuje się w nich różne tłoki i zawory do regulacji stopnia sprężania i przepływu czynnika chłodniczego. W układach chłodniczych są one stosowane już od dziewiętnastego wieku. W efekcie sprężarki tłokowe są najbardziej rozpowszechnione ze wszystkich typów sprężarek.
Sprężarki śrubowe pojawiły się dość niedawno. Wprowadzone do klimatyzacji i chłodnictwa w latach trzydziestych, do sprężania czynnika chłodniczego wykorzystują wysokoobrotowe wirniki w kształcie śruby. Ponieważ występuje w nich tylko jeden zestaw wirników, a przy tym otwory tłoczny i ssący nie zmieniają swego położenia, istnieje mniej części ruchomych do konserwacji niż w sprężarce tłokowej.
Większość kosztów konserwacji agregatów tłokowych ma wartość zbliżoną do podobnych kosztów dla
agregatów śrubowych, jak np. koszty konserwacji wymienników ciepła, zespołów wentylatorowych czy układów regulacyjnych. Istnieje jednak jedna bardzo istotna różnica. Wynika ona z kosztów okresowej wymiany zaworów w sprężarkach tłokowych. Na podstawie doświadczeń firm sieci serwisowej YORK można stwierdzić, że koszty robocizny i wymiany zespołów zaworów podczas 20-letniego okresu eksploatacji agregatu wody lodowej ze sprężarkami tłokowymi wynoszą około 16 000 USD przy założeniu niewielkiego, 3-procentowego ogólnego wzrostu kosztów w tym okresie.
W sprężarce śrubowej z niezmiennymi otworami ssącym i tłocznym tego rodzaju koszty konserwacji są całkowicie wyeliminowane. Należy przy tym zwrócić uwagę na jeszcze jeden aspekt. W przypadku konieczności wykonania prac konserwacyjnych na sprężarce śrubowej, na ogół nie można ich wykonywać w miejscu eksploatacji sprężarki. Ze względu na precyzję wykonania zespołu śrub, sprężarki śrubowe muszą być wyłączane z eksploatacji i wysyłane do konserwacji przez producenta. Jest to procedura dosyć kosztowna, ponieważ użytkownik na czas remontu musi mieć rezerwowy cały agregat lub sprężarkę. Jednak, jak pokazuje praktyka, sprężarki śrubowe nie ulegają zbyt często awariom i ta poważna skądinąd niedogodność występuje rzadko.
Podczas gdy oszczędności na kosztach konserwacji spowodowały wzrost popularności agregatów ze sprężarkami śrubowymi, zapomniano o kosztach energii elektrycznej, które znacznie przekraczają oszczędności wynikające z redukcji kosztów konserwacji sprężarek tłokowych.
Aby wyjaśnić genezę powstawania różnic w kosztach zużywanej energii elektrycznej, poniżej scharakteryzujemy zasady działania sprężarek tłokowych i śrubowych.
Działanie sprężarki
W sprężarce tłokowej czynnik chłodniczy w stanie gazowym jest zasysany do cylindra przez otwór zaworu wlotowego. Przy zamkniętych zaworach wlotowym i wylotowym tłok przesuwając się w górę spręża gaz w cylindrze. Sprężony gaz, w chwili otwarcia zaworu wylotowego, jest wyrzucany przez otwór wylotowy do skraplacza. Następnie otwiera się zawór wlotowy i następna porcja nie sprężonego czynnika chłodniczego jest zasysana do cylindra i cykl pracy sprężarki powtarza się.


Zawór wylotowy w sprężarkach tłokowych zaczyna się otwierać wówczas, gdy ciśnienie wewnątrz cylindra
przekracza ciśnienie w skraplaczu. Jeżeli układ agregatu wody lodowej jest napełniony czynnikiem chłodniczym R 22 i pracuje na pełnym obciążeniu przy temperaturze powietrza zewnętrznego 35°C, to otwarcie zaworu wylotowego następuje przy ciśnieniu około 1,8 MPa (rys.1).
Rys. 1. Cykl tłoczenia w sprężarce tłokowej przy warunkach obliczeniowych.
W warunkach obliczeniowych zawór wylotowy zaczyna się otwierać w chwili, gdy ciśnienie w cylindrze przekracza cisnienie w skraplaczu. Następuje wtedy przepływ czynnika chłodniczego do skraplacza
W przypadku gdy ciśnienie w skraplaczu jest wyższe od założonego projektowego (wysoka temperatura), tłok będzie przesuwał się wyżej powodując wzrost ciśnienia w cylindrze do wartości wyższej, a co najmniej równej ciśnieniu w skraplaczu, zanim zawór wylotowy zacznie się otwierać. Gdy ciśnienie w skraplaczu jest niższe od projektowego (dobre warunki chłodzenia), zawór tłoczny otworzy się przy niższym położeniu tłoka i niższym ciśnieniu w cylindrze. W związku z opisaną własnością sprężarek tłokowych można stwierdzić, że mogą one pracować ze zmiennym stopniem sprężania i przy prawie stałym strumieniu objętościowym czynnika chłodniczego.
Na skutek zupełnie odmiennej konstrukcji sprężarki śrubowe, stosowane w agregatach wody lodowej, mają inny charakter pracy. Sprężarki te cechują się stałym przyrostem ciśnienia i zmiennym strumieniem objętościowym czynnika chłodniczego.


Przyrost ciśnienia, jak również ciśnienie na króćcu tłocznym są określane przez konstruktorów w fazie projektowej (dla konkretnych zastosowań) i zależne od geometrii sprężarki (śruba i korpus) oraz od prędkości obrotowej śruby (rys.2). Strumień objętościowy natomiast będzie zmienny i odwrotnie proporcjonalny do ciśnienia panującego w skraplaczu.
Rys. 2. Tłoczenie w sprężarce śrubowej w warunkach obliczeniowych.
W warunkach obliczeniowych ciśnienie tłoczenia dla sprężaki śrubowej odpowiada ciśnieniu projektowemu. Czynnik chłodniczy przepływa bez zakłóceń przez otwór wylotowy do skraplacza
Gdy agregat wody lodowej pracuje w warunkach obliczeniowych, ciśnienie tłoczenia pozostanie względnie stałe, a gazowy czynnik chłodniczy będzie bez zakłóceń przepływał do skraplacza.
Specjaliści od klimatyzacji i chłodnictwa zdają sobie jednak dobrze sprawę, że agregaty wody lodowej bardzo rzadko pracują w warunkach obliczeniowych.
Praca w warunkach odbiegających od obliczeniowych
Większość agregatów wody lodowej pracuje w warunkach odbiegających od obliczeniowych przez około 99% czasu ich eksploatacji. Niższa od obliczeniowej temperatura powietrza zewnętrznego i mniejsze obciążenia chłodnicze powodują obniżenie ciśnienia skraplania, co wpływa na wydajność agregatu.
Instytut Klimatyzacji I Chłodnictwa w USA ARI (Air-conditioning and Refrigeration Institute) opracował procedurę klasyfikacji dla lepszego doboru wydajności energetycznej agregatu w warunkach odbiegających od obliczeniowych. Zintegrowana Wartość Obciążenia Częściowego (Integrated Part-Load Value - IPLV) uwzględnia średnie ważone wartości parametrów meteorologicznych dla danej strefy, średnie ważone parametry eksploatacyjne w budynkach oraz wskaźnik EER (współczynnik wydajności chłodniczej) dla czterech punktów klasyfikacji obciążeń: 100%, 75%, 50% oraz 25%. Stosując równania opracowane przez ARI producenci i użytkownicy mogą określić wartość IPLV różnych agregatów wody lodowej, co daje możliwość bardziej precyzyjnego ich doboru. Dla agregatów wody lodowej małych i średnich mocy IPLV jest funkcją EER, czyli wyższe wartości IPLV są korzystniejsze.
Analiza parametrów katalogowych sprężarek różnych producentów wskazuje, że agregaty ze sprężarkami tłokowymi często uzyskują wartości IPLV 0 10=15% wyższe niż agregaty śrubowe o zbliżonej mocy (rys. 3).

Rys. 3. Typowe IPLV w standardowych warunkach ARI.
W standardowych warunkach ARI Zintegrowana Wartość Częściowego
Obciążenia agregatów tłokowych jest 10-15%
lepsza niż dla agregatów śrubowych
Taka różnica wydajności pociąga za sobą znacznie wyższe koszty eksploatacyjne agregatów śrubowych. Koszty te mogą wynosić nawet 67 000 USD w okresie eksploatacji agregatu wody lodowej chłodzonego powietrzem, o mocy 528 kW.
Porównanie zużycia energii
Przeanalizujmy tok obliczeń wykonanych w celu określenia wspomnianej wartości kosztów eksploatacyjnych. Porównano dwa agregaty chłodzone powietrzem, każdy o mocy 528 kW, o podobnym zużyciu energii elektrycznej w warunkach obliczeniowych, pracujące przez 12 godzin dziennie, 6 dni w każdym tygodniu i w czasie sezonu chłodzenia trwającego siedem miesięcy w roku. Daje to całkowity czas eksploatacji około 2500 godzin w roku i 50 000 godzin w okresie 20-letniej eksploatacji agregatu.
Tłokowy agregat wody lodowej (na podstawie wartości średniej dla agregatów pochodzących od różnych producentów) ma IPLV wynoszące 13,1 EER, co równa się poborowi mocy 137 kW. Śrubowy agregat wody lodowej (również średnia z modeli różnych producentów) ma IPLV wynoszące 11,6 EER lub 155 kW, czyli różnica wynosi 18 kW.
Przy założeniu ceny energii elektrycznej na poziomie 0,07 USD/kWh agregat tłokowy oszczędza, w porównaniu z agregatem śrubowym, energię elektryczną za kwotę około 3100 USD w ciągu roku. Zakładając skromny wzrost kosztów w wysokości 3% rocznie, przez 20-letni okres eksploatacji agregatów wartość zaoszczędzonej energii przez agregat tłokowy wyniesie łącznie około 83 000 USD. Nawet uwzględniając nieco wyższe od średnich koszty konserwacji, zastosowanie agregatu tłokowego może przyczynić się do zaoszczędzenia, w okresie eksploatacji, około 67 000 USD.
Dlaczego tak się dzieje?
Tak znacząca różnica wydajności energetycznej wynika z tego, że obydwa typy sprężarek różnie reagują na spadek ciśnienia w skraplaczu pracującym w warunkach innych niż parametry projektowe. Jako przykład przeanalizujmy sytuację różniącą się od projektowanej, kiedy ciśnienie w skraplaczu wynosi tylko 1,38 MPa.


Rys. 4. Sprężanie w agregacie tłokowym przy parametrach niższych niż obliczeniowe.
Poza warunkami konstrukcyjnymi ciśnienie skraplacza jest niższe, czyli 1,38 MPa. Zawór upustowy otwiera się wcześniej w cyklu ponownie pozwalając na sprawne wypływanie czynnika chłodniczego do skraplacza
W sprężarce tłokowej zawór tłoczny zacznie się otwierać w momencie, gdy ciśnienie w cylindrach przekroczy 1,38 MPa. Czynnik chłodniczy przepływa efektywnie do skraplacza i dodatkowy suw tłoka służy po prostu do wepchnięcia większej ilości czynnika chłodniczego do skraplacza przy tym samym ciśnieniu (rys. 4).


Rys. 5. Sprężanie w agregacie śrubowym przy parametrach niższych niż obliczeniowe.
W sprężarce śrubowej ciśnienie tłoczenia jest stałe, czyli wynosi 1,8 MPa. Poza warunkami konstrukcyjnymi ciśnienie skraplacza będzie niższe i sprężarka śrubowa będzie nadmiernie sprężała czynnik chłodniczy marnując energię
W sprężarce śrubowej natomiast stały stosunek objętości oznacza, że wtłoczenie czynnika chłodniczego jest stale utrzymywane przy ciśnieniu obliczeniowym 1,8 MPa. Gdy nadmiernie sprężony gaz opuszcza sprężarkę, ciśnienie wyrównuje się do ciśnienia w skraplaczu, wynoszącego 1,38 MPa (rys. 5). Praca zużyta na podniesienie ciśnienia czynnika chłodniczego od 1,38 do 1,8 MPa jest pracą nieefektywną i daje 1 X15% różnicę w IPLV pomiędzy agregatami tłokowymi i śrubowymi.
Podsumowując, jakkolwiek zużycie energii obydwu typów agregatów pracujących w warunkach obliczeniowych jest takie samo, to wydajność agregatów tłokowych w warunkach innych niż projektowe przynosi znaczne oszczędności energii.
Zużycie energii przy wysokiej temperaturze otoczenia
Wyobraźmy sobie teraz sytuację, że agregat tłokowy rozpoczyna pracę przy niskim zużyciu energii w warunkach obliczeniowych i sprawdźmy co się dzieje przy wzroście temperatury otoczenia.
Agregaty chłodzone powietrzem zarówno śrubowe, jak i tłokowe - są standardowo zaprojektowane na temperaturę otoczenia w zakresie od 35 do 37,8°C. W tych warunkach sprawność projektowa obydwu agregatów jest zbliżona. Jednak kiedy temperatura otoczenia wzrasta, sprawność obliczeniowa agregatów śrubowych spada szybciej niż agregatów tłokowych (rys. 6). Jest to wynikiem różnic w konstrukcji sprężarek.

Rys. 6. Obliczeniowy współczynnik EER w warunkach podwyższonej temperatury otoczenia.
W wyższej temperaturze agregaty tłokowe mają korzystniejszy
współczynnik obliczeniowy EER niż agregaty ze sprężarkami śrubowymi
Gdy rośnie temperatura otoczenia, zwiększa się również ciśnienie w skraplaczu. Sprężarki tłokowe, z ich zmiennymi stosunkami objętości, kontynuują sprężanie gazowego czynnika chłodniczego aż ciśnienie tłoczenia przekroczy ciśnienie skraplacza. Gdy ciśnienie jest wysokie (na przykład 2,41 MPa), tłok przesunie się wyżej w cylindrze do momentu aż ciśnienie tłoczenia przekroczy ciśnienie skraplania i zawór tłoczny zacznie się otwierać. Od tej chwili dalszy ruch tłoka swobodnie wytłacza czynnik chłodniczy z cylindra do skraplacza (rys. 7).


Rys. 7. Sprężanie w agregacie tłokowym w warunkach podwyższonej temperatury otoczenia.
W wyższej temperaturze agregaty tłokowe mają korzystniejszy współczynnik obliczeniowy EER niż agregaty ze sprężąrkami śrubowymi
Sprężarki śrubowe początkowo sprężają czynnik chłodniczy do projektowanego ciśnienia na króćcu tłocznym, a w naszym przykładzie do 1,8 MPa, a zatem, gdy następuje otwarcie króćca wylotowego, ciśnienie tłoczenia jest niższe niż ciśnienie w skraplaczu. Czynnik chłodniczy o wyższym ciśnieniu ze skraplacza szybko wraca do komory sprężania (rys. 8). Gdy nastąpi ostateczne sprężenie czynnika chłodniczego do ciśnienia skraplania, zmienny przepływ gazu jest nieefektywny pod względem termodynamicznym i wpływa na obniżenie ogólnej sprawności układu.


Rys. 8. Sprężanie w agregacie śrubowym w warunkach podwyższonej temperatury otoczenia.
W warunkach wysokiej temperatury otoczenia ciśnienie skraplacza będzie przewyższało ciśnienie wewnątrz wirników. Gdy następuje otwarcie króćca wylotowego, czynnik chłodniczy o wyższym ciśnieniu wraca ze skraplacza do komory sprężania. Gdy sprężarka ostatecznie spręży czynnik chłodniczy do wyższego ciśnienia skraplania, zmienny przepływ czynnika chłodniczego jest nieefektywny pod względem termodynamicznym i wpływa na obniżenie ogólnej sprawności układu
Program doboru ARI nie obejmuje temperatury powyżej 35°C, nie ma więc dogodnej metody bezpośredniego porównania różnych konstrukcji lub modeli w takich warunkach roboczych. Jednak według ostrożnej oceny, przy wysokiej temperaturze otoczenia tłokowe agregaty wody lodowej są od 15 do 25% efektywniejsze niż agregaty śrubowe. Wyniki są podobne, gdy agregaty wody lodowej pracują jako pompy ciepła, a to w wyniku wysokich ciśnień skraplania.
Posumowanie
Na rynku agregatów małych i średnich mocy, od 280 do 1400 kW, często są zalecane agregaty śrubowe z racji niższych kosztów ich konserwacji. W przytoczonym przykładzie chłodzony powietrzem agregat śrubowy o mocy 528 kW w czasie 20-letniej eksploatacji kosztuje w konserwacji o 16 000 USD mniej niż agregat tłokowy.
Ponieważ agregaty wody lodowej pracują w warunkach innych niż obliczeniowe przez około 99% czasu ich eksploatacji, agregaty tłokowe sprawniejsze w warunkach odbiegających od projektowych - mogą przynieść znaczne oszczędności zużycia energii elektrycznej. Oszczędności z tego wynikające przewyższają różnice w kosztach konserwacji obu rodzajów agregatów. W naszym przykładzie oszczędności energii osiągają około 83 000 USD. Nawet przy zwiększonych kosztach konserwacji, dobór agregatu tłokowego zamiast agregatu śrubowego daje oszczędności netto w okresie 20-letniej eksploatacji wynoszące około 67 000 USD.
Zatem każda ocena agregatów wody lodowej małej i średniej mocy powinna obejmować oprócz kosztów konserwacji również koszty zużytej energii. Należy również uwzględnić dodatkowe czynniki, takie jak konieczność konserwacji sprężarek śrubowych poza miejscem ich eksploatacji.
Na podstawie powyższych rozważań potencjalny nabywca agregatu wody lodowej ma możliwość uwzględnienia przedstawionych różnic i podjęcia korzystnej dla siebie decyzji o zakupie.
mgr inż. Bogumił GRĘDZIŃSKI
YORK INTERNATIONAL Chłodnictwo i Klimatyzacja Sp. z o.o.