چیلرها و مصرف انرژی

چیلرها به عنوان یک جز مهم در تهویه مطبوع در انواع وسیعی برای مصارفی هم چون امکانات تجاری از جمله هتل‌ها، رستوران‌ها، بیمارستان‌ها، سالن‌های ورزشی، کارخانجات صنعتی و تولیدی و … تبدیل شده‌اند. این صنعت عمده‌ترین مصرف کننده انرژی در سیستم‌های تهویه مطبوع مرکزی است. در ساختمان‌های تجاری، که سیستم‌های تهویه مطبوع تقریباً نیمی از کل برق مصرفی را تشکیل می‌دهند. در این بین چیلرها بزرگترین مصرف کننده‌ها هستند؛ بطوریکه به راحتی بیش از 50 درصد کل مصرف برق را در دوره‌های فصلی مصرف می‌کنند.

طبق اعلام وزارت انرژی ایالت متحده (DOE)، چیلرها می‌توانند با هم ترکیب شوند و تقریباً 20 درصد از کل برق تولید شده در آمریکای شمالی را استفاده کنند. علاوه بر آن (DOE) تخمین می‌زند که چیلرها به دلیل ضعف‌هایی در بخش عملیاتی، می‌توانند تا 30 درصد مصرف انرژی اضافی داشته باشند. با انجام بعضی از کارها، می‌توان این مصرف انرژی را کاهش داد. بنابراین در هنگام استفاده از آن‌ها باید میزان کارایی و بازده چیلرها مورد توجه قرار گیرد. میزان کارایی چیلر به عوامل مهمی از جمله شرایط محیطی، طراحی نصب و … بستگی دارد، اما می‌توان کارایی چیلر را با چند پارامتر مهم محاسبه و تخمین زد و در صورت لزوم سیستم را بهینه نمود.

محاسبه کارایی چیلر

کارایی چیلر معمولاً بر اساس ضریب عملکرد COP آن اندازه گیری می‌شود که به صورت زیر بیان می‌شود:

COP/گرمای جذب شده توسط اواپراتور=[(گرمای رانده شده توسط کندانسور)-(گرمای جذب شده توسط اواپراتور)]

بازده چیلر به نوع کمپرسور در چیلر و استفاده از خنک کننده هوا یا آب نیز بستگی دارد، ضریب عملکرد می‌تواند در چیلرهای کوچک در حدود 5.2 و در چیلرهای بزرگ، آب سرد و گریز از مرکز تا 7 باشد. چیلرهای جذبی ضریب عملکردی 2.1 تا 4.0 دارند. شرکت تبادل گستر هیراد ارائه دهنده انواع چیلر است و فروش برج خنک کننده یکی از خدمات ویژه این شرکت است.

نسبت راندمان انرژی EER

اما فاکتور مهم دیگر در بیان بازده و کارایی چیلر ها با مفهومی با عنوان EER بیان می‌شود:

هر چقدر نسبت راندمان انرژی بیشتر باشد، نشان دهنده مصرف کمتر انرژی و کاهش هزینه در آن است.

IPLV یا NPLV

میزان کارایی یک چیلر به میزان بسیار بالایی بر روی سیستم کلی تهویه مطبوع تاثیر گذار است. یک معیار مفیدتر بر چیلر، بررسی IPLV (مقدار بار یک پارچه قطعه) یا NPLV ( مقدار بار غیر استاندارد) آن است. مقدار بار یک پارچه قطعه (IPLV) یک ویژگی عملکردی است که توسط موسسه تهویه مطبوع، گرمایش و برودت  تعریف شده است. معمولاً برای توصیف عملکرد چیلر با قابلیت تلفیق ظرفیت استفاده می‌شود.

از این رابطه کاملاً واضح است که هر در طول زمان کارکرد خود، در حدود 1 درصد در بار کامل کار می‌کند و انتخاب یک چیلر تنها براساس COP و EER امری اشتباه است. اما به طور کلی می‌توان گفت که تقریباً هیچ چیلری در طول عمر کارکرد خود در حالت 100 درصد بار نخواهد بود؛ بلکه بیش از 75 درصد از زمان کارکرد چیلر در 50 درصد بار و کمتر از آن است.

یکی دیگر از روش‌های کاهش مصرف این چیلرها استفاده از هوای خنک محیط باز است. بیشتر چیلرها، حتی قدیمی‌ترها، می‌توانند از کاهش دمای آب کندانسور در هوای خنک تر بهره مند شوند. ابعاد چیلر ممکن است بر اساس آب 85 درجه فارنهایت از برج های خنک کننده باشد که برای ساعات بسیار کمی از آب و هوا در سال لازم است. برای بقیه سال، به راحتی و با کارآیی می‌تواند آب خنک‌تری را تأمین کند. چیلرها می‌توانند از آب سردتر بدون خطر برای صرفه جویی در مصرف انرژی استفاده کنند.

مقایسه چیلرهای تراکمی و جذبی از نظر مصرف انرژی ، قيمت اوليه و مشكلات آنها

با توجه به اهميت هر چه بيشتر انرژی و مخصوصا انرژی های سوخت های فسيلی كه تمام شدنی هستند و در بسياری از كشورهای دنيا نيز يافت نمی شوند و پيرو طرح هدفمند سازی یارانه ها، ارزش انرژی بيش از پيش خود را نمايان ساخته است. انرژی مورد نياز برای راه اندازی يک سيستم چيلر تراكمی برق و آب می باشد و در سيستم چيلر جذبی گاز و برق و آب است. لذا در اين تحقيق مقايسه ای جامع بین چیلرهای تراکمی و جذبی از نظر ميزان مصرف انرژی اين دو چيلر به همراه مقايسه قيمت اوليه، هزينه تعميرات و نگهداری خواهیم داشت و همچنين آلايندگی محيط زيست را نیز بررسی می کنیم.

چنانچه با انواع چیلرها آشنایی کافی ندارید، پیشنهاد می کنیم که قبل از اینکه خواندن این مقاله را شروع کنید، ابتدا این مقاله ⇐ را مطالعه بفرمایید. همچنین در صورتی که با ساختار و طرز کار چیلرهای جذبی آشنا نیستید می توانید این مقاله ⇐ را مطالعه کنید.

محاسبه مصارف انرژی :

حال به محاسبه ميزان مصارف مختلف انرژی های گاز، برق و آب در چهار نوع چيلر تراكمی ، چيلر جذبی تک اثره ، چيلر جذبی دو اثره و چيلر جذبی شعله مستقيم می پردازيم.

1 . میزان مصرف برق چیلرهای تراکمی و جذبی :

محاسبه مصرف برق كمپرسورهای چیلر تراکمی

با فرض COP = 4.5 برای یک چيلر تراكمی آب خنک با ظرفیت خنک کاری 150 تن تبرید (یا 527.5 کیلووات Kw)، توان الکتریکی ورودی (Power Input) به آن در حالت ماکزیمم برابر است با :

Power Input = 527.5 / 4.5 =117.2 Kw

محاسبه مصرف برق پمپ های برج خنک کننده

چون ميزان دبی جریان بر حسب گالن بر دقیقه یا همان GPM و اختلاف درجه حرارت برج های چيلرهای جذبی از چيلرهای تراكمی بيشتر است لذا برای گردش آب برج به پمپ های با مصرف برق بالاتری نياز است. خروجی دمای آب در هر چهار نوع چيلر 85 درجه فارنهایت و اختلاف درجه حرارت ورودی و خروجی آب برای چیلرهای تراكمی 10 درجه، برای جذبی تک اثره 15 درجه و برای جذبی دو اثره و شعله مستقيم 18 درجه فارنهايت است.

با توجه به شرايط ذكر شده و با استفاده از كاتالوگ های شركت پمپ ايران، برای چيلر تراكمی دو عدد پمپ مدل 65-315 و برای چيلرهای جذبی دو عدد پمپ 80-315 كه مقادير مصرف برق الكتروموتورهای آنها در جداول زير (جداول 1 تا 4) برای مدار گردش آب برج و كندانسور آورده شده است. برای مثال در شکل زیر جایگاه پکینگ برج خنک کننده(پمپ آب گرم یا ولرم) مربوط به یک چیلر تراکمی نوع آب خنک را مشاهده می کنید.

محاسبه مصرف برق فن های برج خنک کننده

با توجه به اعداد ذكر شده در بالا برای چيلر تراكمی يک عدد برج خنک کننده 220 تن تبرید، برای چيلر جذبی تک اثره يک عدد برج 340 تن تبرید، برای چيلر جذبی دو اثره يک عدد برج 450 تن تبرید و برای چيلر جذبی شعله مستقيم يک عدد برج 500 تن تبرید بايد در نظر گرفته شود كه ميزان برق مصرفی آنها در جداول 1 الی 4 آورده شده است.

محاسبه برق مصرفی پمپ آب ژنراتور چیلر جذبی

با استناد به كاتالوگ های كارخانه های سازنده ، مقادير گذر آب گرم ژنراتور در چيلرهای جذبی تک اثره در مارک های مختلف با يكديگر متفاوت هستند ولی تقريب 5 GPM برای هر تن تبرید عدد مناسبی است كه می شود حدود 750 GPM كه اگر كارخانه پمپ ايران را ملاک قرار دهيم، پمپ مدل 100-200 مناسب خواهد بود كه ميزان مصرف برق آن در جداول 1 الی 4 آورده شده است.

محاسبه مصرف برق پمپ های اواپراتور

پس به ميزان 360 GPM آب در گردش برای اواپراتور نياز داريم که اگر از شركت پمپ ايران انتخاب كنيم دو عدد پمپ مدل 65-200 انتخاب می شود كه ميزان مصرف برق آنها در جداول 1 الی 4 آورده شده است.

2 . میزان مصرف گاز چیلرهای جذبی :

محاسبه مصرف گاز چيلرهای جذبی

1 . برای نوع جذبی تک اثره ميزان ظرفيت مورد نياز گرمايی برابر است با :

2 . برای نوع جذبی دو اثره ميزان ظرفيت مورد نياز گرمايی برابر است با :

3 . برای چيلر جذبی شعله مستقيم ميزان ظرفيت مورد نياز گرمایی برابر است با :

مصرف گاز بر حسب متر مكعب بر ساعت

2 . برای نوع جذبی دو اثره ميزان مصرف گاز برابر است با :

3 . برای نوع جذبی شعله مستقيم ميزان مصرف گاز برابر است با :

(نکته : در چیلرهای تراکمی مصرف گاز وجود ندارد)

3 . میزان مصرف آب چیلرهای تراکمی و جذبی :

مصرف آب برای برج خنک كننده

با در گرفتن 2% تبخير آب از سطح برج ، نتايج مطابق اعداد جداول 1 الی 4 بدست خواهد آمد.

حال با توجه به نرخ حامل های انرژی بعد از اصلاح يارانه ها به مقايسه مصارف ريالی اين نوع چيلرها می پردازيم . قابل توضيح است كه مصرف واقعی كليه چيلرها به دليل تغيير ظرفيت در دماهای مختلف پايين تر از اين مقدار است ولی چون درصد كاهش تقريبا برابر است و هدف اين گزارش فقط مقايسه می باشد لذا نتايج مصرف ريالی مطابق جدول زير می باشد.

نتيجه گيری از مقایسه چیلرهای تراکمی و جذبی :

1 . از مقايسه چیلرهای تراكمی و جذبی و قیمت پکینگ نت اسپلش این نتیجه را می گیریم که با توجه به هزينه اوليه خريد چيلر ، برج خنك كننده و تجهيزات بزرگتر پمپاژ برج و تجهيزات اضافه (مانند ديگ بخار و آب گرم در سيستم های غير شعله مستقيم)، هزينه خريد و نصب كليه تجهيزات يک چيلر جذبی حدود سه برابر تراكمی خواهد بود. در صورتی كه مصرف كل انرژی تراكمی نسبت به جذبی، مقداری نيز كمتر است. هزينه نگهداری چيلرهای جذبی حدود 15 برابر چيلرهای تراكمی است.

2 . چيلر جذبی قابليت خنک كردن آب تا دماهای پايين و زير صفر را ندارد ولی در چيلرهای تراكمی به راحتی می توان اين كار را انجام داد.

3 . چيلرهای جذبی به دليل راندمان بسيار پايين برج خنک كننده در مناطق مرطوب آب و هوايی، قابليت كار در چنين محيط هايی را ندارند ولی چيلرهای تراكمی با كندانسور هوايی (چیلر تراکمی هوا خنک) به راحتی درچنين محيط هايی مورد استفاده قرار می گیرند.