Energooszczędne systemy wody lodowej

– zagadnienia projektowe i prawne

Wymagania stawiane systemom wody lodowej są wynikiem stale rosnących oczekiwań klientów oraz zmieniających się wytycznych w świetle obowiązującego prawa. Głównymi czynnikami determinującymi zmiany w podejściu do wyboru rozwiązań projektowych są dynamicznie rosnące ceny energii elektrycznej oraz konieczność ograniczania negatywnego wpływu instalacji na otaczające środowisko. W niniejszym artykule omówiono główne zagadnienia projektowe i prawne, zrozumienie których pozwoli na projektowanie energooszczędnych systemów wody lodowej spełniających oczekiwania najbardziej wymagających klientów. Konkretne rozwiązania projektowe poparto szczegółową analizą wynikowych korzyści, które niewątpliwie powinny wpływać na świadome wybory już na etapie projektowania.

Zmienny przepływ przez agregat szansą czy zagrożeniem?

Kluczowym dla osiągnięcia maksymalnej energooszczędności źródła chłodu jest zrozumienie, iż sezonowy współczynnik efektywność SEER w dużym stopniu zależy od średniorocznej temperatury powrotu czynnika z instalacji. Dlatego tak ważnym jest, aby przyjmowane rozwiązania projektowe gwarantowały maksymalizację wartości tego konkretnego parametru. Aby mogło się tak stać należy przede wszystkim bazować na zaawansowanych technologicznie urządzeniach, które dopuszczone są do  pracy w określonym zakresie zmiennego przepływu przez parownik agregatu wody lodowej. Z tego powodu właśnie należy każdorazowo sprawdzić możliwości pracy konkretnego urządzenia w instalacji, w której przepływ zmienia się wraz ze spadającym zapotrzebowaniem na chłód. Rozwiązania projektowe bazujące na zmiennym przepływie przez agregat wody lodowej są bardzo często pewnego rodzaju barierą związaną z dotychczasowymi przyzwyczajeniami oraz wytycznymi producentów chillerów. Z pewnością rozwiązania gwarantujące stały przepływ przez agregat są prostsze z punktu widzenia projektowego, ale wpływają niekorzystnie na efektywność źródła obniżając średnioroczną temperaturę powrotu.

Tab. 1 Porównanie rocznych kosztów eksploatacyjnych dla systemów stało- i zmiennoprzepływowych

Wybór systemu zmiennoprzepływowego pozwala ograniczyć roczne koszty eksploatacyjne nawet od 10 do 15% w odniesieniu tylko do energii niezbędnej do pracy chillerów. Do tego dochodzą jeszcze oszczędności z tytułu ograniczenia ilości pomp obiegowych oraz możliwości uwzględnienia współczynnika niejednoczesności. Warto pamiętać również o tym, że na maksymalizację temperatury powrotu czynnika do urządzenia oprócz zastosowania zmiennego przepływu ma wpływ również dokładna regulacja mocy odbiorników końcowych (np. za pomocą zaworów niezależnych od ciśnienia współpracujących z siłownikami do regulacji płynnej). Aby wykorzystać potencjał zaawansowanych technologicznie rozwiązań zastosowanych w konkretnym urządzeniu należy przewidzieć właściwe rozwiązania po stronie instalacji. W przeciwnym razie, deklarowany przez producenta wysoki współczynnik SEER w praktyce będzie dużo niższy. Istnieje wiele programów służących do symulacji rocznych kosztów eksploatacji systemów wody lodowej, natomiast większość z nich bazuje wyłącznie na parametrach nominalnych, deklarowanych przez producenta. Takie analizy bez uwzględnienia strony instalacyjnej nie są precyzyjne, ponieważ ten sam agregat w zupełnie odmiennym systemie dystrybucji hydraulicznej będzie generował inne koszty. Za pomocą zaawansowanego narzędzia Energy Cooling Calculator firmy LG Electronics możliwe jest precyzyjne określenie rocznych kosztów eksploatacyjnych oraz parametrów pracy instalacji dla kompletnego systemu chłodniczego.

Rys. 1 Schemat ideowy systemu zmiennoprzepływowego

Interaktywność i kompatybilność hydrauliczna w systemach wody lodowej

Jednym z ważniejszych parametrów energooszczędnej eksploatacji systemów wody lodowej jest ich niezawodność. Brak możliwości osiągnięcia warunków projektowych często łączony jest z awarią źródła chłodu, ale niejednokrotnie źródło problemów leży po stronie instalacyjnej. Aby zrozumieć przyczyny możliwych nieprawidłowości, należy w pierwszej kolejności poznać podstawowe zagadnienia, takie jak interaktywność i kompatybilność hydrauliczna. W każdej instalacji, w której mamy co najmniej dwa agregaty wody lodowej występuje interaktywność, czyli wzajemne oddziaływanie obiegów w warunkach zmiennego zapotrzebowania na chłód. Jest to niekorzystne zjawisko polegające na tym, że w wyniku zmiany przepływu przez instalację następuje zmniejszenie oporów instalacji, co skutkuje wahaniami przepływu przez poszczególne obiegi z agregatami po stronie źródła. Chillery wyposażone w zaawansowaną automatykę sterującą i systemy zabezpieczające dopuszczają zmianę przepływu nawet do ok. 30% na minutę, ale większość urządzeń dopuszcza tylko kilkuprocentową zmianę przepływu na minutę. Dlatego nie bez znaczenia jest sposób rozmieszczenia pomp obiegowych, który to ryzyko minimalizuje.

Rys. 2 Ryzyko wystąpienia interaktywności hydraulicznej w systemach wody lodowej

Największa interaktywność hydrauliczna pojawi się w przypadku rozwiązania projektowego z kilkoma chillerami i jednym zestawem pompowym na wspólnym odgałęzieniu, gdzie opory po stronie instalacji stanowią co najmniej 40% wysokości podnoszenia pompy obiegowej. Wówczas interaktywność hydrauliczna spowoduje przyrost przepływu przez 1 obieg powyżej 20% i będzie przyczyną niestabilnej pracy urządzeń skutkującej stanami awaryjnymi.

Rys. 3 Przyrost przepływu o 33% przez obieg agregatu wskutek wyłączenia sąsiadującego obiegu

Rozwiązaniem, które minimalizuje zjawisko interaktywności jest zastosowanie rozdziału hydraulicznego na stronę pierwotną i wtórną za pomocą sprzęgła hydraulicznego. Niestety takie rozwiązanie wpływa na zwiększone koszty eksploatacji z uwagi na obniżenie średniorocznej temperatury powrotu oraz eksploatację pomp w trybie stało przepływowym po stronie pierwotnej.

Rys. 4 Zjawisko obniżenia średniorocznej temperatury powrotu wskutek rozdzielenia hydraulicznego

Podział obiegów hydraulicznych wymaga również spełnienia warunku kompatybilności przepływów tak, aby zabezpieczyć instalację przed niekontrolowanym mieszaniem czynnika w obrębie sprzęgła hydraulicznego. Aby to osiągnąć należy zwrócić szczególną uwagę na konieczność zrównoważenia hydraulicznego obiegów za pomocą właściwej armatury równoważącej.

Wymagania prawne wpływające na zwiększenie efektywności energetycznej

Na wzrost efektywności energetycznej systemu wody lodowej, poza rozwiązaniami projektowymi po stronie instalacyjnej, niewątpliwie ma wpływ wybór samego agregatu w obrębie źródła. W tym przypadku istnieją regulacje prawne, które określają minimalne współczynniki sezonowej efektywności SEER lub SEPR w zależności od aplikacji. Zgodnie z dyrektywą unijną Ecodesign 2016/2281 od 1 stycznia 2021 wszyscy producenci agregatów są zobligowani do spełnienia następujących kryteriów:

Tab. 2 Minimalne wartości SEER wymagane dla agregatów pracujących w instalacjach klimatyzacji komfortu

Tab. 3 Minimalne wartości SEPR wymagane dla agregatów pracujących w instalacjach przemysłowych

Przedstawione regulacje prawne powodują konieczność wdrażania innowacyjnych rozwiązań inżynierskich gwarantujących coraz wyższą efektywność energetyczną urządzeń. Należy jednak pamiętać, iż wartości deklarowane przez producentów dotyczą urządzeń testowanych w określonych warunkach eksploatacyjnych. Aby projektować energooszczędne systemy wody lodowej należy przyjmować właściwe rozwiązania po stronie instalacji, dzięki którym istnieje możliwość wykorzystania potencjału dobranych urządzeń.

Poruszając wątek wymagań prawnych i wytycznych dotyczących agregatów wody lodowej nie sposób pominąć regulacje w zakresie wycofywania czynników chłodniczych z grupy HFC (Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady UE Nr 517/2014 z dnia 16 kwietnia 2014 r.) Nadrzędnym celem tych regulacji jest przeciwdziałanie pogłębianiu się efektu cieplarnianego, a środkami do jego realizacji są wszelkie zabiegi zmniejszające emisje czynników chłodniczych z grupy HFC do atmosfery oraz radykalne ograniczenie ilości tych związków chemicznych wykorzystywanych w branży chłodniczej, klimatyzacyjnej i pomp ciepła. Zgodnie z nowymi unijnymi wytycznymi, po 1 stycznia 2025 roku, obowiązywać będzie zakaz stosowania czynników chłodniczych o GWP większym lub równym 750 w urządzeniach zawierających czynnik w ilości do 3 kg. Pomimo, że ten przepis w praktyce dotyczy tylko niewielkich urządzeń klimatyzacyjnych, to można zaobserwować również trend na rynku agregatów wody lodowej polegający na sukcesywnym wypieraniu czynników o wyższym GWP przez czynniki bardziej ekologiczne.

Podsumowanie – w jaki sposób zapewnić maksymalną wydajność systemu chłodniczego?

Energooszczędne systemy wody lodowej powinny bazować przede wszystkim na spójnym rozwiązaniu dla źródła chłodu i strony instalacyjnej z wykorzystaniem wysoce wydajnych agregatów wody lodowej. Tylko kompleksowe podejście do procesu projektowego umożliwia osiągnięcie najwyższej rzeczywistej wydajności urządzeń, minimalizując w ten sposób energochłonność systemu oraz negatywny wpływ na środowisko. Zrozumienie zagadnień związanych z dystrybucją hydrauliczną jest kluczowym dla wyboru optymalnych rozwiązań projektowych. LG Electronics, dzięki globalnemu doświadczeniu w segmencie systemów dystrybucji wody lodowej, proponuje energooszczędne rozwiązania w zakresie chillerów w standardzie przystosowanym do pracy w warunkach zmiennego przepływu przez parownik. Swoją ekspercką wiedzę wykorzystujemy przy wsparciu procesu projektowego z użyciem profesjonalnych narzędzi. Uczestniczymy w optymalizacji rozwiązań projektowych w zakresie maszynowni chłodu lub kompletnej instalacji wody lodowej tak, aby zagwarantować maksymalną efektywność całego systemu. Ponadto LG jest niezawodnym partnerem na każdym etapie realizacji inwestycji oferując pełne wsparcie podczas uruchomienia urządzeń, a także w późniejszym czasie eksploatacji.