Универсальный метод оценки энергетической эффективности холодильных систем

В Германии создана рабочая группа из ведущих компаний про производству холодильного оборудования под руководством СНМ (Союза немецких машиностроителей), которая осуществляет деятельность по разработке нового метода, позволяющего проводить более общее и универсальное сравнение схем применения холодильных установок. В результате общей инициативы была создана техническая спецификация СНМ №24247 «Энергоэффективность систем охлаждения», которая предоставляет общее описание расчетного метода определения энергетической эффективности каждой системы охлаждения, как для определения общего значения показателя всей системы, так и для определения энергетической эффективности работы компрессионных установок, теплообменников, систем распределения жидкости и холода, как таковых. Данная статья описывает метод расчета для новых нейтральных и широко сопоставимых ключевых показателей эффективности систем охлаждения. Кроме того, данный метод может быть использован в качестве инструмента быстрого и легкого определения потенциала оптимизации существующих и проектируемых систем охлаждения.


1. Актуальность


Фактическими целями разработки новых и улучшения уже существующих систем охлаждения являются сокращение прямых выбросов хладагентов в атмосферу и повышение энергоэффективности систем. Данная деятельность соответствует глобальной цели ограничения воздействия систем охлаждения на окружающую среду и снижения потребления природного газа и нефти в целом. Энергопотребление систем охлаждения и кондиционирования воздуха составляет 14% (77 000 ГВт , по данным на 1999 год) от общего энергопотребления Германии. В результате работы данных систем около 43,9 млн. тонн CO2 ежегодно выбрасывается в атмосферу. Таким образом, существует огромный потенциал экономии энергии при применении новых технологий работы систем охлаждения. Взяв за основу фактическое потребление энергии в настоящее время, проводимые исследования показывают, что для такой страны, как Германия, это может означать экономию электроэнергии до 40% и сокращение ежегодных выбросов CO2 до 17 600 000 тонн. Важным вопросом, требующим ответа, является необходимость найти оптимальное соотношение суммы сэкономленных средств к инвестиционным затратам.


Существующие расчетные методы, такие как «коэффициент преобразования» (СОР) действительны только для конкретных нагрузок на систему при определенных значениях температур кипения и конденсации. Данный метод предполагает простое сравнение различных систем охлаждения с точки зрения энергетической эффективности, с использованием только значений COP. Для преодоления этих трудностей применяется более общий подход для исследования компрессионных холодильных машин с помощью определения относительного показателя между реальным процессом производства холода с потерями и идеальным обратимым процессом. Понятие «производство холода» используется для описания процесса передачи теплоты от низкотемпературного уровня на уровень с более высокими температурами с помощью термодинамического цикла, и означает, что преобразование теплоты, поступающей из окружающей среды, на более низкий температурный уровень создает эффект охлаждения.


2. Энергетическая эффективность работы компрессионных холодильных машин


Работа системы охлаждения требует (электрической) входной мощности Pges. Тепловой поток, преобразуемый системой охлаждения, используется для обозначения холодопроизводительности нетто QoN. Эффективность системы охлаждения описывается соотношением "пользы" и "затраченных усилий". Соотношение – это коэффициент преобразования (в данном случае - холодильный коэффициент) или СОР. Холодильный коэффициент определяется по формуле (1).


Обратный цикл Карно при работе в идеальных условиях достигнет максимального СОР в процессе работы при температуре Tn (температура источника теплоты) и температуре окружающей среды Тu (температура конденсации) согласно формуле (2)


Цикл Карно используется в качестве стандартного процесса. Таким образом, соотношение общего СОР, или общей энергоэффективности, конкретной системы охлаждения в отношении к идеальному циклу Карно, можно отобразить в следующей формуле (3)


Данный коэффициент включает технические характеристики оценки работы системы. Он описывает эффективность системы в (конкретной) указанной рабочей точке, но может также применяться для каждой (стационарной) рабочей точки. Выводы об энергоэффективности, например, в течение одного года, могут быть сделаны из расчета данных всех режимов работы и их продолжительность в течение рассматриваемого периода времени. Но данный коэффициент не позволяет сделать выводы об эффективности работы отдельных компонентов или процессов и их взаимодействии, исходя из общей степени энергоэффективности.


Для более детальной оценки процесса производства холода, температурных различий при теплопередаче и энергозатрат при осуществлении теплопередачи, определяют четыре коэффициента энергоэффективности, позволяющие производить отдельную оценку эффективности компонентов системы.


(1) Эффективность процесса производства холода ηKC: Эффективность процесса производства холода оценивается в отношении к обратному циклу Карно.


(2) Эффективность теплообмена ηWT: Температурный напор в теплообменных аппаратах увеличивает разницу температур в процессе производства холода. Это снижает эффективность цикла Карно по сравнению идеальным циклом Карно без подобных температурных перепадов.


(3) Эффективность транспортировки хладоносителя ηFT: Энергозатраты на транспортировку хладоносителя (например, хладагента, воздуха, раствора солей, воды) увеличивают общие затраты электроэнергии системы охлаждения. Требуемая мощность для системы охлаждения оценивается по отношению к общей холодопроизводительности.


(4) Эффективность использования холода ηQo: Холодопроизводительность нетто – это холодопроизводительность, уменьшенная на величину потерь, которая оценивается по отношению к общей холодопроизводительности.


Общий уровень энергоэффективности ηges холодильной установки является производным четырех коэффициентов, формула (4).


Согласно дифференцированному методу оценки проектировщик и конечный пользователь имеют возможность определять соотношение и возможные варианты улучшения энергетической эффективности новых и существующих систем. Границы оценки эффективности использования электроэнергии могут отличаться от системы к системе. Оценка эффективности использования электроэнергии требует четкого определения границы. Она должна быть определена пределами СОР системы охлаждения.


3. Эффективность процесса производства холода ηKC


«Производство холода» требует затрат энергии для функционирования в режиме обратного термодинамического цикла.


Холодильное оборудование передает теплоту с температурного уровня Т0 на уровень Тс. Данный процесс, в связи с КПД электроприводного оборудования, требует затрат электроэнергии. Холодильный коэффициент СОРос описывает отношение холодопроизводительности Q0 к количеству электроэнергии, потребляемой компрессором Poc-et между температурными уровнями T0 и Тс, формула (5).


Цикл Карно между температурой кипения T0 и температурой конденсации Тс показывает максимально возможный холодильный коэффициент, формула (6).


Эффективность процесса производства холода ηKC характеризует соотношение холодильного коэффициента данного холодильного оборудовании к обратному циклу Карно, формула (7)


Температуры процесса Tc, и T0 соответствуют температурам насыщения t0 и tc, которые соответствуют давлению компрессора на входе и давлению на выходе. Соответствующая температура применяется для хладагентов, имеющих температурный гистерезис до 10 К. Цикл Карно не может быть использован для сравнения с транскритическими циклами, поэтому для такого сравнения должен быть выбран соответствующий цикл.


4. Эффективность процесса теплообмена ηWT


Эффективность теплообмена ηWT характеризует влияние всех перепадов температур на энергетическую эффективность холодильной установки. Разница температур в теплообменниках и нагрев при транспортировке хладоносителя увеличивает разницу температур для производства холода.


Эффективность теплообмена ηWT определяется как холодильный коэффициент цикла Карно при температуре кипения T0 и температуре конденсации Тс, деленный на холодильный коэффициент цикла Карно при температуре TN и температуре окружающей среды Tc (см. Рисунок 2: T, s-диаграмма циклов Карно для (T0\TC) и (Тnu), и для промежуточных температурных различий на холодной стороне ΔtK и на теплой стороне Δtw.


Таким образом, ηWT характеризует теоретический процесс, имеющий разницу температур для теплообмена, связанный с процессом, не имеющим температурной разницы.


Эффективность теплообмена ηWT использует температурные данные только для осуществления расчета, формула (8).


5. Эффективность транспортировки хладоносителя ηFT


Механическая энергия, затрачиваемая вспомогательными устройствами, необходимыми для транспортировки хладоносителя, должна рассматриваться с точки зрения баланса общей энергии холодильной установки, так как она влияет на общую эффективность системы.


Эффективность транспортировки хладоносителя ηFT характеризует энергозатраты осуществления процесса перемещения жидкости, формулы (9) и (10).


Poc-et - энергозатраты компрессором без учета вспомогательных устройств.


ΣPFT-K - потребление электроэнергии всеми вспомогательными устройствами, необходимыми для работы теплообменников и распределения жидких хладоносителей на «холодной» стороне, например, насосов и вентиляторов, а также электрозатраты на оттайку испарителей.


ΣPFT-W - потребление электроэнергии всеми вспомогательными устройствами, необходимыми для работы теплообменников и распределения жидких теплоносителей на «теплой» стороне, например, насосов и вентиляторов. В зависимости от расположения приводных двигателей, сумма всех вспомогательных устройств на «холодной» стороне производит дополнительный теплоприток на входе ΣQFT-k «холодной» стороны, таким образом, данное значение может отличаться от ΣPFT-k


6. Эффективность использования холода ηQo


Полезная холодопроизводительность нетто Qon - это холодопроизводительность, необходимая для фактического охлаждения. Все электрические вспомогательные устройства на «холодной» стороне, применяемые для управления холодильной установкой, генерируют поток теплоты на входе в дополнение к основному тепловому потоку, подаваемому для охлаждения. Входной тепловой поток из окружающей среды во всасывающий канал, в случае не соответствующего устройства изоляции канала, также уменьшит полезную холодопроизводительность на величину, равную Qiso (изоляционные потери), формула (11).


Tvi: Входная температура на стороне всасывания компрессора


T02: Температура на выходе испарителя (или температура на выходе внутреннего теплообменника)


Более высокая холодопроизводительность Qo требуется для компенсации данных теплопритоков, формула (12).


В случае оттайки горячим газом, должна быть учтена часть теплопритока ΣQH-K на «холодной» стороне. Электрозатраты на оттайку входят в коэффициент ΣQFT-k.


Влияние на энергоэффективность рассматривается с точки зрения эффективности процесса производства холода, формула (13).


7. Общий уровень энергоэффективности ηges


Общий уровень энергоэффективности ηges описывается как показатель общего СОР холодильной установки со всеми вспомогательными устройствами, деленый на теоретическую эффективность цикла Карно при рабочей температуре и температуре окружающей среды ТN и Тu, формула (14).


Альтернативный метод, формулы (15) и (16).


Общий уровень энергетической эффективности холодильной установки можно рассчитать с помощью отдельных коэффициентов энергии в границе системы между рабочей температурой и температурой окружающей среды, с учетом всех энергетических потоков.


8. Образец проведения расчета


Нижеприведенный пример демонстрирует предложенный метод расчета энергоэффективности системы. Для вычисления уровня энергоэффективности холодильной установки, взятой в качестве примера, используются исходные значения, указанные в таблице 1. Соответствующие значения энергетической эффективности, полученные согласно данному расчету, приведены в таблице 2.


Полученные коэффициенты энергетической эффективности системы представлены на Рисунке 6.


На Схеме 7 показаны фактические энергетические потери при охлаждении.


Данный рисунок также дает нам представление о потенциальных возможностях оптимизации отдельных элементов системы (теплообменник, компрессор, регулятор, вспомогательные устройства для транспортировки хладоносителя или теплопередачи).


9. Принципы применения новых технологий проектирования холодильных установок


При проектировании и после ввода в эксплуатацию, энергетические коэффициенты позволяют дифференцированно отражать эффективность даже очень сложных систем. Данные показатели отображают потенциал усовершенствования уровня энергоэффективности системы в процессе генерации холода и теплообмена. В случае установленного минимального значения эффективности производства холода СОРoc рассчитывается следующим образом, формула (17).


и итоговая входная мощность, формула (18).


для необходимой общей холодопроизводительности системы Qo.


Для достижения минимальных значений СОРoc при высокой температурной разнице между температурой кипения (T0 ) и температурой конденсации (Tc ) может потребоваться применение многоступенчатых систем. Минимальное значение СОР, СОРmind, всей холодильной установки могут быть рассчитаны после уточнения значения общего минимального показателя энергоэффективности, формула (19).


Если пользователь знает соответствующие данные о:


• холодопроизводительности


• рабочей температуры


• температуры окружающей среды


, соответствующая максимальная суммарная мощность потребляемой электрической энергии может быть рассчитана, в соответствии с требуемой холодопроизводительностью, формула (20).


Не во всех случаях существует возможность проектирования холодильных установок исключительно в соответствии с критериями энергоэффективности. Но введенные коэффициенты эффективности, помогают в принятии решений о выборе компонентов, и уже на стадии проектирования показывают их влияние на эксплуатационные расходы. Кроме того, данный метод позволяет рассчитать влияние отдельных компонентов на общую энергетическую эффективность холодильной установки. Данный метод применим как для уже существующих, так и для проектирования новых систем охлаждения, также он позволяет производить дифференцированный анализ эффективности при полной и частичной нагрузках.


10. Итоги и перспективы


Представленный метод позволяет осуществлять дифференцированную оценку энергетической эффективности холодильной установки и ее компонентов с помощью простых коэффициентов энергоэффективности. Соотношение между коэффициентами энергоэффективности показывает возможности оптимизации экономии энергии. Более того, метод предоставляет возможность проведения измерений для сравнения энергетической эффективности холодильных установок, даже если условия их работы различны. Представленный метод применим для всех режимов работы, даже при полной и частичной нагрузках. Мониторинг некоторых значений измерений позволяет получить ясную оценку работы существующих систем.


В будущем планируется использовать метод для классификации холодильных установок в соответствии с их энергетической эффективностью, как это обычно указывается на специальных маркировках бытовых холодильников. По этой причине определение приемлемого уровня эффективности работы холодильных установок является неоспоримо важным.


11. Список использованной литературы


Союз немецких машиностроителей. Спецификация №24247 «Энергоэффективность холодильных установок»


Союз немецких машиностроителей. Спецификация №24247 Часть 2: «Требования к проектированию системы и компонентам»

Теги: Метод расчета, энергетическая эффективность, энергоэффективность Авторы: Ромер З., Мосеманн Д., Яхн К.   |   7 Ноября 2013
Комментарии 0

Комментариев пока нет