بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مجموعه مقالات چهارمین کنفرانس بینالمللی گرمایش، سرمایش و تهویه مطبوع 25 – 23 خرداد 1391، ایران، تهران، هتل المپیک
چکیده
چیلرها از مهمترین تجهیزات تولید برودت در ساختمانهاي بزرگ محسوب می شوند و شناخت صحیح از این ماشین ها، عامل اساسی در انتخاب تجهیزات و بهینه سازي مصرف انرژي در ساختمان می باشد. در این مقاله ابتدا چیلر هاي مایع1 معرفی گشته است و برخی از مزایا و مشکلات آنها از قبیل آلایندگی، مصرف انرژي، راندمان، فضاي مورد نیاز، تجهیزات جانبی مورد نیاز و ... ذکر گردیده است . در نهایت براي یک ساختمان با بار برودتی حدود 1000 تن تبرید، 4 نوع چیلر سانتریفیوژ دور ثابت، دور متغیر، پیچی و جذبی شعله مستقیم دو اثره انتخاب گشته است و اقدام به طراحی سیستم سرمایشی ساختمان براساس هر نوع چیلر گشته است و پس از ریزمتره هر سیستم به تفکیک، به مقایسه فنی و اقتصادي و تحلیل انرژي این انتخابها پرداخته شده است. البته مقایسه بین این سیستم ها تنها در حالتی که امکان استفاده از تمامی آنها امکان پذیر باشد، صورت گرفته است.
کلمات کلیدي: چیلر، جذبی، تراکمی، اسکرو، سانتریفیوژ، مقایسه فنی، برآورد اقتصادي
-1 مقدمه
مقایسه میزان مصرف انرژي بین ساختمانهاي کشور با مقدار متناظر آن در کشورهاي توسعه یافته، گویاي فاصله زیاد این دو مقدار است که این تفاوت، تجدید نظر اصولی در سیاستهاي مصرف انرژي در بخش ساختمان را ضروري میسازد .[1] توجه به عوامل گوناگونی که در میزان مصرف انرژي گرمایشی وسرمایشی ساختمان نقش دارند، در ارائه راهکارهاي صرفه جویی در بخش ساختمان و کاهش مصرف انرژي در بخش خانگی، تاثیر فراوانی میگذارد.
بررسیهاي صورت گرفته در کشور بیانگر این واقعیت می باشد که بخش خانگی با مصرف بیش از % 40 از کل انرژي مصرفی کشور، بالاترین سهم را در میان سایر بخشهاي اقتصادي به خود اختصاص داده، که از این میان بیشترین میزان مصرف مربوط به گاز طبیعی و بیشترین ارزش انرژي مصرفی مربوط به نفت سفید بوده است .[1] شرایط اقلیمی و آب و هوایی، معماري ساختمان، مصالح ساختمان، راندمان سیستمهاي گرمایشی و سرمایشی، انتخاب صحیح تجهیزات و همچنین کنترل سیستمهاي تهویه مطبوع از عوامل موثر در میزان مصرف انرژي در ساختمان محسوب میشوند.. بررسی چیلر هاي تراکمی و جذبی از دیدگاه انرژي همواره مورد علاقه مهندسین و دست اندرکاران صنعت ساختمان بوده است. میلانی و همکاران در تحقیقی که انجام دادند، به این نتیجه رسیدن که چیلر هاي جذبی را تنها در مواقعی باید به کاربرد که منابع رایگان انرژي مانند خورشید و زمین گرمایی در دسترس باشد .[2] نوروزي روي راندمان چیلرهاي جذبی تک اثره کار کرد و تاثیر دماهاي اجزاي سیکل بر روي راندمان را نشان داد .[3] عابدي و همکاران به مقایسه فنی و اقتصادي چیلر تراکمی پیچی و جذبی تک اثره پرداختند و میزان انرژي مصرفی، فضاي مورد نیاز و هزینه هاي اولیه و راهبري آنها را مورد مطالعه قرار دادند .[4]
متاسفانه تاکنون پژوهشی در مورد چیلرهاي تراکمی سانتریفیوژ و مطالعه مزایا و معایب آنها نسبت به سایر ماشین ها نشده است. در این مقاله یک ساختمان مسکونی با بار برودتی 1000 تن تبرید در تهران مورد مطالعه قرار داده شد. چهار نوع چیلر تراکمی سانتریفیوژ دور ثابت و دور متغیر، جذبی شعله مستقیم و پیچی براي تامین بار برودتی ساختمان در نظر گرفته شد و سیستم سرمایش بر مبناي این 4 نوع چیلر، طراحی شد. میزان مصارف انرژي هر سیستم، هزینه هاي مصارف انرژي هر سیستم، هزینه خرید و نصب تجهیزات محاسبه شد و مورد مقایسه قرار گرفت. لازم بذکر است که در این ساختمان، امکان طراحی سیستم سرمایشی ساختمان براساس تمامی 4 نوع چیلر براي تامین بار برودتی امکان پذیر بوده است.
-2 چیلرها; مزایا، معایب و پارامترهاي موثر در انتخاب
از چیلر ها براي تامین برودت مورد نیاز در پروژه هاي بزرگ به عنوان یک گزینه ارزشمند و اقتصادي به راحتی نمی توان چشم پوشید. چیلرهاي تراکمی با استفاده از انرژي الکتریکی و چیلرهاي جذبی با استفاده از انرژي حرارتی، تولید سرما می کنند، لذا بسته به شرایط آب و هوایی، منطقه جغرافیایی، هزینه انرژي مصرفی، هزینه تامین آب و ... تنها استفاده از برخی از انواع چیلرها وجود خواهد داشت. کاربرد اصلی چیلر جذبی عموماً جهت بازیابی حرارت مازاد و پرت نیروگاه ها، کوره هاي القایی و ...، جهت پروژه هاي CCHP (تولید سرمایش،گرمایش و برق توامان) و یا استفاده از انرژهاي تجدید پذیر مانند انرژي زمین گرمایی و خورشید می باشد و کمتر جهت راه اندازي این چیلرها از انرژي حاصل از سوزاندن مستقیم گاز طبیعی استفاده می گردد. با توجه به قیمت پایین تر گاز نسبت به برق و عدم شناخت صحیح مهندسین از کاربرد اصلی چیلر جذبی، استفاده از چیلرهاي گازسوز کشور توسعه یافته است که این موضوع علاوه بر آلوده سازي هواي شهرها، سبب هدرروي و استفاده نامناسب از این انرژي ارزشمند شده است. در شکل 1 سیکل کارکرد هر دو ماشین آورده شده است.
در جدول 1، انواع چیلرهاي جذبی و تراکمی از نظر راندمان ، ظرفیت و قابلیت ذخیره انرژي مورد مقایسه قرار گرفته است .[5] چیلرهاي تراکمی راهبري بسیار ساده تري دارند. به علت اینکه سیستم فشرده سازي گاز، الکتریکی است، لذا کنترل بیشتري می توان روي فرایند داشت و می توان در حالت پاره بار با تمهیداتی، راندمان را افزایش داد. در حالی که در چیلر هاي جذبی در حالت نیمه بار، راندمان افت می کند. راه اندازي چیلر هاي جذبی زمان و هزینه بیشتري دارد. تنظیم مشعل به کمک آنالیزورگاز، بسیار وقت گیر و نیازمند فرد متخصص است و عدم تنظیم صحیح مشعل، باعث تولید گازهاي نسوخته، کاهش راندمان احتراق، ایجاد آلودگی و مصرف سوخت بیشتر می شود. جهت تامین انرژي حرارتی چیلر هاي گازسوز، نیازمند گازکشی در سطح شهر و ساختمان هستیم که خطرات این مسئله در هنگام وقوع حوادث طبیعی با توجه به قرارگیري کشور روي گسل هاي فعال، غیر قابل تصور
است. به دلیل اینکه چیلر هاي جذبی به کمک حرارت، تولید برودت می کنند، لذا حجم بسیار بالایی از حرارت در داخل ماشین موجود است که براي ادامه کارکرد دستگاه باید به طریقی از دستگاه خارج شود. به علت حجم بسیار بالاي این حرارت، ناگزیر به استفاده از سیستم آب خنک هستیم. براي تامین این آب، از برج هاي خنک کن که بر مبناي سرمایش تبخیري کار می کنند استفاده می کنیم.
در سیستم هاي تبخیري، به علت حجم بسیار بالاي تبخیر آب، هزینه بسیار بالایی براي تامین آب ازدست رفته به مصرف کننده اعمال می شود. لازم به ذکر است که تبخیر آب باعث به جا گذاشتن رسوبات در داخل برج خنک کن می شود که منجر به تغییر دائمی کیفیت و افزایش سختی آب در حین کارکرد می شود. مضافا که هزینه هاي تامین آب نرم و جداسازي رسوبات، تاسیسات جداگانه اي را می طلبد که هزینه هاي نصب و بهره برداري را به شدت افزایش می دهد. در حالی که در چیلرهاي تراکمی به علت ماهیت مکانیکی عمل فشرده سازي، حجم بسیار کمتري از حرارت تولید میشود که منجر به کاهش سایز برج خنک کن، پمپها و تاسیسات نرم سازي آب می شود. تفاوت اصلی چیلرهاي تراکمی درکمپرسور مورد استفاده در آن است. کندانسور چیلرهاي تراکمی به دو صورت هوا خنک و آب خنک ساخته می شوند. نوع کندانسور تاثیر اساسی در طراحی چیلر دارد. کندانسور هاي هوا خنک، حرارت مبرد در گردش در داخل کویل را به هوا منتقل می کنند. ضریب انتقال حرارت جابجایی روي کویل به دبی هواي درحال گذر از روي کویل و دماي خشک منطقه بستگی دارد. به دلیل تغییر دماي خشک در طول روز، میزان حرارت قابل انتقال، تغییر می کند که باعث کاهش COP چیلر در طول روز می شود. در کندانسورهاي آب خنک به دلیل اینکه در سمت بیرون آب جریان دارد، ضریب انتقال حرارت بالاتر است و لذا در ظرفیت یکسان چیلر، اندازه کندانسور آب خنک کوچکتر است و یا با در نظر گرفتن اندازه اولیه کندانسور، به دلیل کاهش دبی جرمی مورد نیاز در کندانسور، سایز کمپرسور کوچکتر می شود. به دلیل اینکه می توان به کمک کندانسور آب خنک به دماي پایین تري رسید، لذا فشارتخلیه کمپرسور کمتر می شود که این مسئله منجر به کوچکتر شدن کمپرسور، کاهش مصرف برق، بالا رفتن COP سیکل، افزایش عمر کمپرسور و افزایش قابلیت اعتماد سیستم می شود. به طور معمول 2 عامل طراح را ملزم به انتخاب کندانسور هوا خنک می کند. هزینه هاي تهیه آب نرم و دماي مرطوب منطقه که امکان کارکرد برج خنک کن را نمی دهد. البته باید در نظر داشت که دماي خشک بالاي منطقه، امکان استفاده از کندانسور هواخنک را نیز سلب می کند. در جدول 2 مزایا و معایب این دو کندانسور بیان شده است [5] و . [6 ]
در حالت کلی براي انتخاب یک نوع چیلر پارامترهاي متعددي تاثیر گذار است. پارامترهاي چون قیمت انرژي، هزینه نگهداري، عمر مفید تجهیزات، زمان و ترتیب روشن و خاموش شدن، ارتباط بین سرمایش و گرمایش در سیستم، اندازه، تجهیزات پیرامونی، هزینه نصب، هزینه بیمه و مالیات دستگاه، هزینه انرژي مصرفی، هزینه تامین آب برج خنک کن و آب در گردش در سیستم و هزینه هاي سختی گیري از آب از آن جمله اند . به دلیل اینکه در اکثر ساعات روز ، بار ساختمان کمتر از بار زمان پیک می باشد، لذا نحوه کارکرد چیلر در حالت پاره بار، در هنگام انتخاب نوع چیلر، باید درنظرگرفته شود. در کمپرسور هایی که بار را به طور منقطع دنبال می کنند مانند کمپرسورهاي رفت و برگشتی، براي هماهنگی بین چیلر و بار، مجبور به استفاده از کنارگذر هستیم. کنارگذر باعث تلف شدن انرژي درسیستم می شود و لذا COP این سیستم ها در حالت پاره بار کاهش می یابد. کمپرسورهاي رفت وبرگشتی، اسکرال، روتاري از این دسته اند. در کمپرسور هایی که بار را به طور پیوسته می توانند دنبال کنند، در حالت پاره بار، به دلیل کاهش دبی در گردش مبرد در سیکل، کار مصرفی کمپرسور کاهش می یابد و لذا COP افزایش می یابد.کمپرسورهاي سانتریفیوژ و اسکرو از این دسته اند. در کمپرسورهاي سانتریفیوژ از طریق کاهش دبی ورودي کمپرسور و درکمپرسورهاي اسکرو از طریق اسلاید ولو اینکار را انجام می دهند.
اهمیت میزان COP در حالت پاره بار قبلا ذکر گردید. در استاندارد ARI 550/590-98 براي مشخص کردن میزان متوسط این عدد در طول روز از معیاري به اسم IPLV2 استفاده نموده اند. لازم به ذکر است که ضرایب این رابطه تابع شرایط اقلیم است و براي شهر تهران این رایطه به شکل زیر نوشته می شود .[7]
-3 نتایج عددي و بحث
در اینجا براي بهتر مشخص شدن مزایاي چیلر هاي تراکمی سانتریفیوژ دور متغیر نسبت به سایر چیلرها در تناژهاي بالاي 500 تن تبرید، یک ساختمان مسکونی با بار برودتی 1000 تن تبرید در تهران مورد مطالعه قرار داده شد. چهار نوع چیلر تراکمی سانتریفیوژ دور ثابت و دور متغیر، جذبی شعله مستقیم و پیچی با ظرفیت واقعی 1000 تن تبرید براي مقایسه در نظر گرفته شد. براي محاسبه بار از نرم افزار کریر استفاده گردید و روز اول مرداد به عنوان گرمترین روز سال در نظر گرفته شد. میزان بار برودتی زمان پیک و بار 24 ساعت ساختمان را از نتایج کریر استخراج کرده و براي کاهش اثر مقدار عددي بار در محاسبات انرژي، بار هر ساعت را نسبت به بار زمان پیک بی بعد کرده و به صورت درصد بیان کردیم. سپس براساس بار زمان پیک و نوع چیلر، سیستم تهویه مطبوع مربوطه طراحی گشت و تجهیزات متناسب با آن انتخاب گردید. در اینجا به دلیل اینکه هزینه هاي مربوط به فضا و فونداسیون دستگاه ها بستگی به پارامترهاي متعددي دارد، لذا تنها مقدار فضاي اشغالی و وزن دستگاه ها مورد بررسی قرارگرفته است. مجموع مصارف انرژي برق، گاز و آب هر سیستم به طور جداگانه محاسبه شد و در نهایت با یکدیگر مورد مقایسه قرار گرفت.. در اینجا نیز براي بهتر مشخص کردن میزان مصارف انرژي، آنها بر حسب بیشترین مقدار بی بعد کرده و به صورت درصد بیان کردیم. همچنین براي این پروژه، هزینه هاي خرید و نصب براي هر کدام سیستم ها براساس قیمت هاي سال 91 محاسبه شد و مورد مقایسه قرار گرفت . بخشی از تجهیزات مانند فن کویل ها و لوله کشی بین فن کویل ها در چهار نوع سیستم یکسان است. لذا این تجهیزات از مقایسه حذف شد و تنها تجهیزات غیرمشترك در نظر گرفته شد. مدت زمان کارکرد هر سیستم به صورت یک دوره 1 ماه ، هر روز 24 ساعت کار در نظر گرفته شد. باید توجه داشت که میران بار برودتی ساختمان نمونه در طول یک شبانه روز، برابر سطح زیر نمودار 1 ضرب در 1000 تن تبرید می باشد .لذا با توجه به IPLV هر ماشین در طول یک روز می توان مقدار انرژي مصرفی هر ماشین براي تولید این میزان انرژي برودتی را بدست آورد . مجموع مصارف برقی هر سیستم شامل مصارف پمپها، چیلر و فن برج خنک کن در نظر گرفته شده است . مجموع مصارف آبی هر سیستم نیز شامل آب جبرانی و بلودان است. پس از بدست آوردن بار در طول 24 ساعت شبانه روز، نتایج در نمودار (1) ترسیم گردید. همچنین میزان COP ماشین سانتریفیوژ دور متغیر در بارهاي جزئی براساس میزان بار مورد تقاضا در نمودار مشخص گردید.
