صرفه جویی انرژی با کمپرسورهای سرعت متغیر

به مدت چندین دهه، کارخانجات فرآوری پلاستیک مجبور بوده اند چیلر ها را بر اساس مقتضیات ظرفیت سرمایشی حداکثر خود انتخاب کنند.گرچه این رویکرد ظرفیت زیاد چیلر را تضمین می کند، اما همیشه انرژی کارآمد نیست.این بدین خاطر است که چیلر ها معمولأ به کمپرسور های سرعت ثابت (موتور های سرعت ثابت)مجهز می شوند که صرف نظر از بار، با حداکثر سرعت و ظرفیت کار می کنند.برای اجتناب از سرمایش بیش از حد در بار های کمتر از ظرفیت کامل، اکثر چیلر ها از بای پس گاز داغ بهره می برند تا یک بار سرمایشی مصنوعی اضافی را تحمیل کند.در نتیجه، مصرف توان با این چیلر ها در یک سطح بالا ثابت می ماند؛ صرف نظر از مقتضیات سرمایشی واقعی فرآیند.

جهت تأمین سرمایش فرآیندی با راندمان انرژی بیشتر برای بار های کمتر از ظرفیت بار کامل چیلر، سازندگان تجهیزات جانبی فناوریهای جدید کمپرسور را بررسی و اجرا کرده اند.اولین پیشرفت در این زمینه، کمپرسور های اسکرول دیجیتال اولین کمپرسور هایی بودند که چیلر ها را قادر ساختند تا ظرفیت سرمایشی خود را جهت سرویس دهی به بار های کوچک تر پایین آورده و مصرف توان را کاهش دهند.چیلر های مجهز به کمپرسور های اسکرول دیجیتال نیز از موتور های سرعت ثابت بهره می برند؛ اما می توانند ظرفیت سرمایشی را با کمک کنترل های دیجیتال مدوله کنند.ابتدا، کنترل ها تقاضای سرمایش از بار را حس می کنند، سپس ظرفیت را توسط میانگین گرفتن زمان درگیری اسکرول های کمپرسور با موتور مدوله می کنند تا اینکه تقاضا تأمین شود.وقتی ظرفیت سرمایشی مورد نیاز نباشد، اسکرول ها از درگیری خلاص می شوند :

از ظرفیت سرمایشی کاسته می شود، بار موتور کاهش می یابد و صرفه جویی های مصرف توان به دست می آیند.گرچه کمپرسور اسکرول دیجیتال اولین فناوری بود که ظرفیت متغیر چیلر ها را بدون نیاز به بای پس گاز داغ امکان پذیر می ساخت،  اما موفقیت آن در دستیابی به صرفه جویی های انرژی محدود شده است.مصرف انرژی نسبت به خروجی چیلر برای اکثر بار های جزئی کماکان نسبتأ بالا باقی می ماند.

یک روش جایگزین برای تغییر ظرفیت سرمایش استفاده از چیلر های مجهز به کمپرسور های سرعت متغیر است.به جای عملکرد موتور در یک سرعت ثابت با سیک های مدوله شده روشن/خاموش (همانطور که یک کمپرسور اسکرول دیجیتال عمل می کند)، کمپرسور های سرعت متغیر قادرند سرعت موتور را تغییر دهند تا با بار سرمایشی منطبق شود.این قابلیت که از طریق کنترل های پیشرفته PLC (کنترل با منطق برنامه پذیر)مدیریت می شود، سرعت کمپرسور را مداومأ پایش کرده و برای حداکثر راندمان تنظیم می کند و ظرفیت چیلر را بر حسب نیاز تغییر می دهد.نتیجه استفاده از کمپرسور های سرعت متغیر، صرفه جویی های انرژی مداوم و متناسب در سراسر دامنه ظرفیت چیلر است.

مقایسه فناوری کمپرسور و صرفه جویی های انرژی

قابلیت ترکیب صرفه جویی های توان با تأمین بار های کم، جزئی و کامل از جمله دلایلی هستند که باعث شد تا یکی از سازندگان چیلر، فناوری کمپرسور سرعت متغیر را برای چیلر های پرتابل 10 تنی و 20 تنی آب خنک و هوا خنک خود انتخاب کند.در تست هایی که در برابر چیلر های 10 تنی و 20 تنی مجهز به کمپرسور های سرعت ثابت صورت می گیرند، چیلر های سرعت متغیر صرفه جویی های انرژی را در دامنه ای از شرایط واقعی فراهم می کنند.

یکی از سازندگان چیلر، سه مقایسه سر به سر تحت شرایط واقعی انجام داد تا تفاوت ها در راندمان های کمپرسور را تعیین کند.برای این تست ها، کمپرسور های سرعت ثابت، اسکرول دیجیتال و سرعت متعیر بر روی چیلر های یکسان با بارهای یکسان نصب شدند.در ادامه، نتایج این تست ها بررسی می شوند :

تست 1 : چیلر سرعت ثابت در برابر چیلر سرعت متغیر 10 تنی

شکل 1 نشان می دهد که هنگام عملکرد در بار 40 درصد، کمپرسور سرعت متغیر 10 تنی 39 درصد توان بار کامل را مصرف می کند. در همین بار، چیلر سرعت ثابت 89 درصد توان بار کامل را به مصرف می رساند.کمپرسور های سرعت متغیر صرفه جویی های انرژی را فراهم می کنند، و سطح راندمان بالا می تواند متناسبأ در سراسر دامنه ظرفیت تداوم یابد.

تست 2 : چیلر سرعت ثابت در برابر چیلر سرعت متغیر 20 تنی

چیلر سرعت متغیر 20 تنی، یک کمپرسور سرعت متغیر 10 تنی را با یک کمپرسور سرعت ثابت 10 تنی ترکیب می کند(شکل 2). این ترکیب کمپرسور صرفه جویی های انرژی را در سراسر دامنه ظرفیت در مقایسه با یک چیلر 20 تنی مجهز به دو کمپرسور سرعت ثابت 10 تنی حاصل می کند.توجه کنید که جهش ها در مصرف توان از 45 تا 50 درصد ظرفیت برای هر دو چیلر اتفاق می افتند زیرا آن ها کمپرسور دوم خود را فعال می سازند تا بارهای بیشتر از 10 تن را در دست بگیرند.

اما به محض اینکه کمپرسور دوم سرعت ثابت روی خط می آید، چیلر سرعت متغیر مجددأ خروجی خود را تنظیم می کند تا مصرف توان را به حداقل رسانده و صرفه جویی های کلی توان را به حداکثر برساند.در دامنه بار بین 50 تا 70 درصد، چیلر سرعت متغیر 20 درصدی توان کمتری از چیلر سرعت ثابت مصرف می کند.بنابراین، چیلر پرتابل سرعت متغیر 20 تنی صرفه جویی های توان را در بار های جزئی از 3 تا 8 تن و 11 تا 16 تن فراهم می کند.

تست 3 : چیلر اسکرول دیجیتال در برابر چیلر سرعت متغیر 10 تنی

کمپرسور های اسکرول دیجیتال در مقایسه با کمپرسور های سرعت ثابت سنتی می توانند راندمان انرژی چیلر را در بار های جزئی بهبود بخشند.اما هنگام عملکرد تحت یک بار جزئی، کمپرسور های سرعت متغیر راندمان توان بالاتری نسبت به کمپرسورهای اسکرول دیجیتال فراهم می کنند.

همانطور که در شکل 3 مشاهده می شود،راندمان توان یک چیلر 10 تنی با کمپرسور اسکرول دیجیتال به اندازه یک چیلر با کمپرسور سرعت متغیر نیست.گرچه هردوی این گزینه ها از چیلر های سرعت ثابت کارآمدترند، یک چیلر10 تنی با کمپرسور اسکرول دیجیتال در بار 30 درصد، 58 درصد توان بار کامل و در بار 70 درصد، 86 درصد توان بار کامل را مصرف می کند.این در حالی است که کمپرسور سرعت متغیر در چیلر 10 تنی سرعت متغیر در بار 30 درصد، 36 درصد توان بار کامل و در بار 70 درصد، 62 درصد توان بار کامل را به مصرف می رساند.

صرفه جویی های انرژی ایجاد شده توسط کمپرسور های سرعت متغیر در چیلر های سرعت متغیر منافع متعددی را فراهم می کند(به جداول 1،2،3 توجه کنید)این منافع عبارتند از :

صرفه جویی در هزینه های سرمایش فرآیند؛

بهره وری بیشتر و کاهش ضایعات به واسطه کنترل بهینه دمای فرآیند؛

امکان تعویض چند اندازه چیلر با یک چیلر منفرد و حذف هزینه های نگه داری وابسته.

موارد فوق به همراه سایر منافع فناوری کمپرسور سرعت متغیر به معنی استهلاک سریع سرمایه گذاری است؛ مخصوصأ در شرایطی که سرمایش تحت بار کم و بار جزئی، سهم بالاتری از مقتضیات سرمایش را تشکیل می دهند.در این موارد، صرفه جویی ها بیشتر شده و استهلاک هزینه سریع تر صورت می گیرد.

استهلاک هزینه یک چیلر سرعت متغیر معمولأ ظرف یک سال یا کمتر اتفاق می افتد.

برگرفته از انجمن صنعت تأسیسات

از : Tim Miller

مأخذ : Process Heating, Sep. 20

ترجمه : دکتر سید علی اکبر طباطبایی