Метод расчета энергоэффективности холодильных установок в процессе непрерывной работы

Во многих сферах, таких как промышленность, супермаркеты или коммерческие применения, на долю холодильных установок приходится значительная часть общего энергопотребления зданий. Согласно исследованию, проведенному Немецкой Ассоциацией по технологии искусственного охлаждения и кондиционирования (DKV), потребление электроэнергии для задач охлаждения составляет приблизительно 14% от общего потребления электроэнергии в Германии. Еще более удивителен тот факт, что до сих пор теме эффективной работы холодильных систем уделялось сравнительно мало внимания на практике. Одна из причин этого – отсутствие в Германии сформировавшихся и методически обоснованных методов для расчета энергоэффективности в ходе непрерывной работы холодильных систем. В данной работе будут представлены коэффициенты соотношения энергоэффективности для оценки холодильных систем за счет выбора соответствующих системных границ. В таком контексте эти коэффициенты могут использоваться также в качестве ориентировочных показателей для сравнения энергоэффективности различных холодильных систем.


В работе приводятся первые экспериментальные результаты с измерениями на различных холодильных установках, выполненными на основе данного прямого метода. Также будет представлена мобильная система измерения для расчета энергоэффективности действующих установок.


1. ВВЕДЕНИЕ


Во многих областях применения на долю холодильных установок приходится значительная часть общего энергопотребления зданий. Например, в супермаркетах процент энергии, используемой для охлаждения, составляет 50-60% от общего потребления электроэнергии. Согласно исследованию, проведенному DKV [1], потребление электроэнергии для охлаждения составляет приблизительно 14% от общего потребления электроэнергии в Германии. Еще более удивителен тот факт, что теме эффективной работы холодильных систем уделялось сравнительно мало внимания на практике. Одна из причин этого заключается в том, что большое количество установок работает за счет электричества, и их энергопотребление не измеряется отдельно. Кроме этого, на практике многие различные конструкции установок имеют широкий диапазон применений. В силу этого сложно систематически рассматривать различные установки в целях оценки сравнительной энергоэффективности и обеспечения оптимизации работы установки.


Благодаря непрерывному мониторингу потребления электроэнергии возможна реализация энергосберегающей и энергооптимизированной работы установки. До настоящего времени не существовало методов для систематического расчета и измерения энергоэффективности в ходе непрерывной работы. Для очевидного сравнения коэффициентов эффективности, рассчитанных так, как описано здесь, существуют три значительных препятствия:


• Четкая идентификация показателей энергоэффективности


• Четкое определение объема рассматриваемой системы с четким определением системных границ


• Разработка четких и ограничивающих принципов измерения


Рассмотрение этих проблем представлено ниже. Подробные сведения о роли автоматизации холодильных систем и принципах организации производственного процесса, положенных в основу анализа системы, приведены в [2] - [4]


2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ


2.1. Новые факторы энергоэффективности TCOP и TEPF


Существуют различные показатели эффективности для энергетической оценки холодильных компонентов или установок, основанные на различных стандартах или принципах и иногда применяемые неоднозначно, что зачастую приводит к путанице и непоследовательному употреблению в практическом использовании. Большинство этих показателей эффективности применяются исключительно для сертификации таких компонентов, как компрессоры или теплообменники, в стандартизованных условиях проведения испытания в лабораториях. В Германии отсутствует сформировавшийся метод для расчета энергоэффективности холодильной системы в целом под разносторонними влияниями в ходе непрерывной работы. Вот примеры различных показателей эффективности:


Параметры, основанные на мощности (соотношение «полезного эффекта» к потребляемой мощности


• COP (коэффициент преобразования)


• EER (коэффициент энергоэффективности) по ARI или EUROVENT


• ESEER (европейский сезонный показатель энергоэффективности) по EUROVENT


• IPLV (показатель суммарной неполной нагрузки) по ARI


Параметры, основанные на работе (соотношение эффективной энергии к энергопотреблению):


• SPF (сезонный показатель эффективности холодильного оборудования) (в Германии: Jahresarbeitszahl JAZ resp. β)


• SEER (сезонный показатель энергоэффективности) по ARI


Более подробные сведения о факторах энергоэффективности можно найти, например, в [3]. Вследствие имеющихся затруднений с классификацией существующих коэффициентов эффективности в данной работе предложены новые коэффициенты, определения которых даны таким образом, чтобы сделать возможным выполнение оценки холодильных систем в ходе непрерывной работы. На данном этапе очень важно то, что эти значения измеряются в ходе непрерывной работы, вместо значений, которые записываются в стандартизованных условиях проведения испытаний в лаборатории. Даны определения двух новых показателей эффективности для холодильных систем.


Для выполнения расчета показателей эффективности холодильная машина, установка или холодильная система в целом рассматривается как «черный ящик». Расчет факторов эффективности производится с использованием соотношения используемой и общей мощности или энергии. Важно, что в оценку включена электроэнергия, которая попадает в систему. Выгода определяется как холодопроизводительность, доступная на системной границе. Если в анализ включена система в целом, выгода определяется как холодопроизводительность, доступная для использования.

В пределах границы возможно выполнение оценки различных систем. Системы могут состоять из различных холодильных установок с различными холодильными агентами, компрессорами или внутренней проводкой и приборами автоматики. В этом контексте для соизмеримости коэффициента эффективности важно не всестороннее представление о системе, но, скорее, выбор соответствующей границы. Выбор границы рассматривается более подробно в разделе 2.2.


Коэффициент полезного действия TCOP (общий коэффициент преобразования) определяется как отношение полезной холодопроизводительности, деленной на общее потребление электроэнергии (формула 1).


TCOP является значением, основанным на мощности, и позволяет осуществлять фактическую оценку холодильных систем.


TEPF (общий фактор энергоэффективности) – значение, определяется как отношение холодопроизводительности к необходимой электроэнергии. (формула 2)


TEPF является сезонным фактором, для которого выбранным периодом времени может быть день, неделя, месяц, год или определенный период. TEPF позволяет осуществлять оценку холодильной машины, установки или холодильной системы в целом в ходе непрерывной работы за счет включения в коэффициент всей электрической энергии и полезной холодопроизводительности. Подробное рассмотрение эффективности таких элементов установок, как теплообменники, приводится в спецификационном документе VDMA 24247. Описанные факторы эффективности применяются к различным системным границам и обоим факторам эффективности. [5]


Для обоих представленных факторов эффективности возможно выполнить измерение и расчет для каждой холодильной системы. Принцип измерения для обнаружения и расчета факторов эффективности требует непрерывного наблюдения и регистрации данных по соответствующим технологическим и энергетическим параметрам, и имеет следующую структуру:


• Непрерывное и непосредственное измерение электрической мощности всех элементов (включая мощность собственных нужд)


• Непрерывное и непосредственное измерение используемой холодопроизводительности при помощи калориметра в качестве внешнего метода, или в качестве варианта


• Принцип косвенного измерения с методом уравновешивания холодильного цикла, например, с измерением значений давления и температуры, отображением холодильного агента и графиком характеристик компрессора


• Расчет TCOP и TEPF по уравнениям (1) и (2) на протяжении выбранного периода


2.2. Определение системных границ


Для оценки энергоэффективности энергетических систем важно четкое и очевидное определение системной границы, при котором будет возможно сравнение различных установок.


Чтобы присвоить границе факторы энергоэффективности, необходимо четко их обозначить, как предлагается на рис. 2.


Возможно выполнение расчета факторов эффективности. В формуле задействованы холодопроизводительность и общая электрическая мощность, необходимая в пределах системной границы. На рис. 3 показана типичная конфигурация холодильной системы для охлаждения зданий. Также показаны соответствующая диаграмма Сенкея и системные границы. При расширении границы используемая холодопроизводительность уменьшается. Причинами этого являются потери тепла и приток тепла от насосов и вентиляторов. Потребляемая электрическая мощность неуклонно возрастает с расширением системной границы. Это приводит к неуклонному уменьшению значений TCOP и TEPF.


3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ


В следующем разделе представлены первые экспериментальные результаты, полученные при использовании представленной ранее методики. Был выполнен анализ двух водоохладительных установок. Первая из них применяется для охлаждения серверного помещения. Вторая представляет собой экспериментальную установку в Университете прикладных наук г. Биберах. Для выполнения измерений на существующих установках в Университете прикладных наук г. Биберах была разработана мобильная система измерения cool.box, наряду с программным обеспечением cool.check, которое было адаптировано к специфическим требованиям данного проекта.


3.1. Применение 1: Водоохладительная установка (чиллер) для серверного помещения


Первая установка представляет собой водоохладительную установку для охлаждения серверного помещения. На рис. 4 показано схематическое изображение установки. Охлаждение установки выполняется при помощи «мокрой» градирни на крыше здания. Холодопроизводительность распределяется посредством системы подачи охлаждённой воды со встроенным накопителем тепловой энергии (TES).


Данная установка эксплуатируется в течение нескольких лет и уже оборудована некоторой измерительной аппаратурой. Из-за невозможности прерывания работы установки в целях выполнения оценки эффективности никакая другая измерительная аппаратура не устанавливалась. В силу этого произвести оценку холодильной системы можно только при данных условиях. Емкость для холодной воды и воздухоохладитель, таким образом, не включены в объем системы, что показано при помощи системной границы III на рис. 4. Холодильная установка находится в пределах системной границы II, а холодильная машина находится в пределах системной границы I. Для границ, показанных на рис. 4, была выполнена оценка эффективности на основании факторов эффективности, описанных в разделе 2.3.


На рис. 5 показаны коэффициент эффективности TCOP и фактор эффективности TEPF для соответствующих системных границ за период длительностью в один месяц. Как и ожидалось, наивысший коэффициент эффективности имеет холодильная машина, при значении TCOPI = 4. Причина этого заключается в том, что системная граница холодильной машины содержит наименьшее количество потребителей электроэнергии. При расширении границы коэффициент эффективности неизбежно уменьшается. Коэффициент эффективности для холодильной установки TCOPII = 3.6, а для холодильной системы был вычислен коэффициент эффективности TCOPIII = 3.4. Все факторы эффективности (TEPF) значительно ниже, чем коэффициенты эффективности (TCOP) для одной и той же системной границы. Причина этого - потери холостого хода в распределительных щитах и непрерывно работающих насосов.


3.2. Применение 2: Лабораторное экспериментальное оборудование в Университете прикладных наук г. Биберах


Экспериментальная установка в университете представляет собой водоохладительную установку с номинальной холодопроизводительностью 3 кВт. Измерения и оценки для установки производились также согласно представленному методу. Выбранные системные границы показаны на рис. 6. Как и в первом примере, аккумулирование теплоты и потребители не были включены в оценку.


На рис. 7 показаны измеренные значения для коэффициента эффективности и фактора эффективности в соответствии с системными границами. Коэффициент эффективности TCOP для холодильной машины согласно системной границе – TCOPI = 4.4. Расширение системной границы приводит к снижению коэффициента эффективности до TCOPII = 4 и затем до TCOPIII = 3.7. На настоящий момент не удалось выполнить какие-либо долгосрочные измерения, так как установка эксплуатируется в качестве экспериментального прибора. По этой причине для расчета фактора эффективности потребовалось построение предположений. Было предположено, что установка всегда работает при одних и тех же условиях в отношении T0 и Tс и эксплуатируется 4 часа в день.


При данных условиях, рассчитанный фактор эффективности - TEPFI = 4.2 для системной границы I и TEPFII = 3.8 для системной границы II. Фактор эффективности для холодильной системы TEPFIII = 2.5 значительно ниже соответствующего коэффициента эффективности по причине непрерывной работы насоса для холодной воды. Возможно значительное увеличение фактора эффективности за счет использования насоса с более высоким КПД или более эффективной системы управления.


3.3. Мобильная система измерения cool.box и программное обеспечение cool.check


Лишь немногие из существующих на сегодняшний день установок оборудованы соответствующей измерительной аппаратурой, которая позволила бы произвести их оценку при помощи представленного здесь метода. Небольшие холодильные машины, в частности, лишь очень редко оснащены соответствующей измерительной аппаратурой. Для обеспечения возможности проведения оценки таких систем очень удобны мобильные системы измерения. Подобная мобильная система измерения была разработана в Университете прикладных наук г. Биберах. В этой системе измерения, cool.box, имеется встроенное программное обеспечение под названием cool.check, разработанное для автоматической визуализации и анализа данных. При использовании этой измерительной аппаратуры возможно проведение измерения и оценки для любой холодильной установки в соответствии с представленной методикой.


Возможно подключение системы к температурным датчикам - до 16 шт., 6 датчикам давления и 4 трехфазным измерителям мощности. При помощи этой аппаратуры выполняется запись данных от каждого температурного датчика, датчика давления или измерителя мощности. В дополнение к этим источникам данных подключаются и записываются также аналоговые сигналы, например, от калориметров. Записанные данные автоматически обрабатываются и отображаются для пользователя на сенсорном экране. Программное обеспечение cool.check позволяет получить быстрый обзор коэффициентов и факторов эффективности. Измеренные данные также обрабатываются таким образом, чтобы эксперты, обладающие глубоким пониманием холодильной технологии, получали подробную информацию об условиях эксплуатации установки и холодильном цикле. На рис. 8 показана система cool.box с сенсорным экраном и интерфейсом пользователя ПО cool.check.


На текущий момент в разработке находится косвенный метод измерений, основанный на методе баланса энергии. Путем измерения значений давления, температуры и энергопотребления компрессора наряду со сведениями относительно холодильного агента возможно косвенное вычисление холодопроизводительности и коэффициентов эффективности.


4. ВЫВОДЫ


Из-за постоянно растущей стоимости электроэнергии и повышения внимания к охране окружающей среды значительно более важной становится энергоэффективная работа холодильных систем. Для сравнения холодильных систем в отношении энергоэффективности важно определить коэффициенты эффективности, измеряемые и вычисляемые в ходе непрерывной работы системы.


Необходимо определить четкие границы для энергетической оценки элементов, установок или систем. Сопоставительный анализ различных холодильных систем возможен только при четких системных границах. На основании соответствующих системных границ были представлены новые коэффициенты и факторы эффективности. Коэффициенты эффективности – это основанный на мощности показатель TCOP и основанный на энергии показатель TEPF, представляющие отношение полезной холодопроизводительности к затраченной мощности или энергии. Это показатели обладают тем преимуществом, что могут измеряться в ходе непрерывной работы.


В Университете прикладных наук г. Биберах разработана система измерения под названием cool.box с программным обеспечением cool.check для измерения и оценки эффективности существующих установок в соответствии с представленным методом. Приведенные примеры, основанные на экспериментальных исследованиях, показывают эффективность метода и потенциальную возможность для намеченных усовершенствований. Кажется разумным определить минимальные стандарты для эффективности холодильной установки (TCOP и TEPF) и отслеживать их в ходе непрерывной работы установки.


Здесь имеется двойное преимущество: за счет наблюдения и регулирования потребления энергии возможно снижение эксплуатационных расходов, а снижение энергопотребления позволяет внести значительный вклад в охрану окружающей среды и активную охрану климата. Для достижения этой цели необходимы всесторонние предварительные исследования, которые позволят получить практические знания в отношении достижимых коэффициентов эффективности холодильных систем в ходе непрерывной работы. Долговременная цель – предоставить оператору простой инструмент улучшения энергоэффективности для его установки. В окончательном варианте реализации это может быть “панель энергоэффективности” или “энергетические светофоры”, которые обеспечат пользователю возможность оценивать эффективность с одного взгляда.


5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


[1] Energiebedarf für die technische Erzeugung von Kälte. DKV Statusbericht Nr. 22, Juni 2002 (German Refrigeration and Air Conditioning Association)


[2] Becker, M.: Automatisierung kältetechnischer Anlagen auf Basis der mathematischen Modellierung des Gesamtsystems. Dissertation, Universität Kaiserslautern, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 19, Nr. 86, VDI-Verlag, Düsseldorf 1996.


[3] Becker, M.: Energetische Bewertung von Kälteanlagen und optimierte Betriebsführung von Kälteanlagen aus automatisierungstechnischer Sicht, Tagungsband Bd. II, DKV-Tagung Ulm, 19.-21. November 2008


[4] Becker, M.: Kap. 13 Anwendungen: Regelung von Kälteanlagen, In: Regelungs- und Steuerungstechnik in der Versorgungstechnik, VDE-Verlag, 6. Auflage 2010, S. 461-487


[5] Einheitsblätter VDMA 24247: Energieeffizienz von Kälteanlagen. http://www.vdma.org,

Теги: энергоэффективность, методы расчета, холодильные системы Авторы: Кёберле Т., Беккер М. П.   |   29 Октября 2013
Комментарии 0

Комментариев пока нет