در حالی که مشاغل از ابتکارات زیست محیطی برای صرفه جویی در هزینه استقبال می کنند ، مدیران تاسیسات و مجریان ساختمان فشار را برای افزایش کارایی ساختمان احساس می کنند. فری کولینگ نوعی مکانیزم است که اجازه می دهد تا بار ساختمان از خنک کننده مکانیکی عبور کند و گرمای آن را با دمای پایین تر در هوای خارج عوض کند ، اغلب به عنوان یک روش مساعد برای محیط زیست قرار دارد که به صرفه جویی در هزینه ها نیز کمک می کند.
یک شرکت تهویه مطبوع معتبر به تازگی فری کولینگ خشک را در دو محیط ساختمان مجزا که بارهای داخلی سبک و بارهای داخلی زیادی را نشان می دهد ، شبیه سازی کرده است تا در تعیین این امکان و مقدار فری کولینگ در این تنظیمات کمک کند. این شبیه سازی شامل داده های ساختمانی از چندین منطقه آب و هوایی و جغرافیایی برای تغییر در آب و هوا در ایالات متحده است و از دو مدل فری کولینگ یکپارچه – جایی که یک کویل آب مستقیماً بر روی چیلر هواخنک نصب می شود – و فری کولینگ ، که کولرهای خشک در آن قرار دارد ، مدل سازی شده است. جدا از چیلرهای هواخنک.
نتایج شبیه سازی نشان می دهد که مزایای هزینه فری کولینگ اغلب فقط در شرایط خاص تحقق می یابد. نوع ساختمان و آب و هوا به طور چشمگیری بر همزیستی فری کولینگ تأثیر می گذارد ، و در بسیاری از موارد ، انتخاب خنک کننده های خشک مستقل به جای فری کولینگ نیز می تواند به طور مثبت بر صرفه جویی در هزینه تأثیر بگذارد.
فری کولینگ در مقابل خنک کننده خشک مستقل
این شبیه سازی متمرکز بر روش های فری کولینگ غیر تبخیری (خشک) است که در آن سیستم آب سرد مستقیماً با استفاده از مبدل حرارتی هوا به آب ، یا در یک چیلر هواخنک یا از طریق یک خنک کننده خشک مستقل ، تبادل گرما می کند. دو روش مفصل در اینجا شامل: 1) فری کولینگ به عنوان بخشی از چیلر خنک کننده هوا و 2) استفاده از خنک کننده های خشک جداگانه.
فری کولینگ از یک کویل اضافی استفاده می کند ، که معمولاً به کویل کندانسورچیلر اولیه متصل است ، برای خنک کردن مایع فرآیند با استفاده از هوای محیط دمای پایین ، همانطور که در شکل 1 در زیر مشاهده می شود. به جای خنک سازی مکانیکی با مبرد که از طریق کویل کندانسور در گردش است ، آب فرآیند ساختمان از طریق کویل فری کولینگ هدایت می شود ، که مبادله گرما با هوای خارج می شود تا بار ساختمان را به طور کامل یا جزئی قبل از بازگشت آن به ساختمان بدست آورید. به نوبه خود ، این فرایند به خنک کننده مکانیکی کمتری نیاز دارد.
کویل های یکپارچه همچنین فضای کمتری نسبت به یک خنک کننده خشک جداگانه اشغال می کنند و این باعث می شود که آنها برای مکان های کاری که فضای محدودی دارند جذاب باشند. با این حال ، هنگامی که در حالت فری کولینگ نیست ، کویل سیال یکپارچه باعث محدودیت جریان هوا در سراسر کویل مبرد کندانسور اولیه می شود و بنابراین باعث کاهش عملکرد چیلر می شود. تأثیر بر کارایی چیلر می تواند قابل توجه باشد (در محدوده 10-15٪) .
پیشنهاد ویژه: خرید فن کویل گرین
کولرهای خشک یک مبدل حرارتی مایع به هوا است که آب حلقه خنک کننده ساختمان را مستقیماً عبور می دهد ، چیلر را دور می زند و سپس گرما را با هوای خارج عوض می کند تا آب حلقه را قبل از بازگرداندن به ساختمان خنک کند ، همانطور که در شکل مشاهده می شود 2 در زیر برای رسیدن به این مهم ، شیر سه طرفه اتصال حلقه آب خنک کننده ساختمان به چیلر و سیال خنک کننده ، خط را به چیلر بسته می کند و باعث می شود بار ساختمان مستقیماً به خنک کننده خشک برسد. بنابراین ، استفاده از یک خنک کننده خشک جداگانه برای انجام فری کولینگ ، جریان هوا را از طریق حلقه کندانسور در حالت خنک کننده آزاد محدود نمی کند ، زیرا خنک کننده خشک در مکانی جدا از چیلر قرار دارد. این همچنین به شما امکان می دهد اندازه فری کولینگ از اندازه چیلر مستقل باشد و محدود به سطح کندانسور چیلر نباشد.
در هر دو نوع این برنامه های فری کولینگ می توان انرژی کمتری نسبت به سیستم فقط چیلر در شرایط دمای کم محیط که فری کولینگ زیست پذیر است (قابل استفاده است) ، استفاده کرد و باعث کاهش مصرف انرژی و هزینه های عملیاتی در آن زمان می شود. مثال زیر ، میزان مصرف انرژی و هزینه کارکرد چیلر اسکرو هواخنک 300 تن تبرید با و بدون خنک کننده یکپارچه و با خنک کننده ی خشک جداگانه را بررسی می کند.
مطالعه بیشتر: مقایسه چیلر و سیستم VRF به صورت کاربردی
این شبیه سازی مقایسه استفاده از فری کولینگ یکپارچه ، فری کولینگ مستقل یا هیچ کدام از این دو سیستم ، برای بیمارستان و مرکز داده است.
مدل بیمارستان نمایانگر ساختمانی با بارهای داخلی نسبتاً سبک است در حالیکه مدل مرکز داده بارهای داخلی زیادی را نشان می دهد. تفاوت در بارهای داخلی نقش زیادی در تجزیه و تحلیل برای تعیین اثر فری کولینگ برای هر برنامه دارد.
شکل 3 مصرف انرژی چیلر سالانه را برای مدل بیمارستان با فری کولینگ یکپارچه نشان می دهد. این تفاوت در مصرف انرژی چیلر بین ماه های خنک تر و گرم را نشان می دهد. ماه های خنک تر در سمت چپ و راست نمودار قرار دارند و ماه های گرمتر به سمت وسط نمودار هستند. هنگامی که بار خنک کننده بر روی ساختمان وجود دارد و دمای هوا برای فری کولینگ بسیار گرم است ، چیلر بیشتر در ماه های گرم کار خواهد کرد. از آنجا که بار سیستم به دلیل کم بودن بارهای خنک کننده داخلی در ساختمان کم است ، در ماه های خنک کننده پتانسیل زیادی برای فری کولینگ وجود ندارد. با توجه به نمودار، استفاده بین ماه های نوامبر و مارس می بینیم که اساساً هیچ بار خنک کننده ای وجود ندارد.
شکل 4 مصرف انرژی چیلر را برای شبیه سازی بیمارستان نشان می دهد.
نتایج فری کولینگ یکپارچه : بارهای داخلی سبک
در نمودار بالا (شکل 4) ، میله های آبی نشان دهنده یک چیلر استاندارد و بدون خنک کننده یکپارچه است. میله های قرمز و سبز نشان دهنده یک چیلر با یک کویل خنک کننده یکپارچه است. میله های بنفش نشان دهنده یک چیلر استاندارد با یک خنک کننده خشک جداگانه با استفاده از فری کولینگ تا آنجا که ممکن است در آن آب و هوا نوار قرمز فرض می کند که کویل فری کولینگ یکپارچه به هیچ وجه استفاده نمی شود (که بدترین حالت چیلر را با کمبود عملکرد کویل یکپارچه اما بدون صرفه جویی در انرژی فری کولینگ به ما می دهد) ، در حالی که نوار سبز با استفاده از فری کولینگ شبیه سازی می شود تا آنجا که ممکن است در آن آب و هوا مقایسه قرمز به آبی نشان می دهد که میزان خنک کننده عملکرد در چیلر به دلیل اضافه شدن سیم کویل خنک کننده وجود دارد. مقایسه قرمز با سبز نشان دهنده مزیت فری کولینگ یکپارچه است. به همین ترتیب ، مقایسه آبی تا بنفش مزیت استفاده از یک خنک کننده خشک جداگانه برای فری کولینگ را نشان می دهد. با اشاره به اینکه نوار آبی همیشه پایین تر از نوار سبز است ، می توانیم به سرعت ببینیم که چیلر بدون فری کولینگ یکپارچه در واقع از انرژی کمتری استفاده می کند. علاوه بر این ، میله بنفش همیشه کمتر از نوار آبی است که نشان می دهد چیلر با یک خنک کننده خشک جداگانه برای فری کولینگ ، کمی انرژی کمتری مصرف می کند.
شبیه سازی بیمارستان، ساعت فری کولینگ نسبتاً کمی بین چیلر یکپارچه با استفاده از فری کولینگ و همان چیلر یکپارچه بدون استفاده از فری کولینگ را نشان می دهد ، همانطور که در شباهت های بین میله های قرمز و سبز در شکل 4 دیده می شود. تفاوت جزئی بین میله های قرمز و سبز دورتر از مناطق گرم تر افزایش می یابد.
این نشان می دهد که فری کولینگ برای تأثیرگذار بودن به آب و هوای سردتر احتیاج دارد ، که در تفاوت بین میله های آبی و بنفش نیز دیده می شود.
تفاوت بین نوارهای آبی و قرمز نشان می دهد که چیلر فاقد فری کولینگ یکپارچه سالانه انرژی کمتری نسبت به چیلر مشابه با سیستم فری کولینگ مصرف می کند. این امر به دلیل محدود شدن جریان هوا از طریق کویل خنک کننده از سیستم فری کولینگ یکپارچه است ، و اجزای دیگر چیلر را برای رسیدن به خنک سازی هدفمند کار سخت تری می کند.
در شکل 4 ، میله های آبی (چیلر بدون فری کولینگ) مصرف انرژی سالانه بیشتری را نسبت به همان چیلر استفاده می کنند که از یک خنک کننده خشک جداگانه برای همه مکان ها به جز “میامی” استفاده می کند ، جایی که دمای گرم باعث کاهش فری کولینگ می شود. برخی از صرفه جویی ها با خنک کننده خشک جداگانه حاصل می شود زیرا بر خلاف کویل یکپارچه ، عملکرد چیلر را کمرنگ نمی کند ، بنابراین حتی وقتی سود انرژی اندک است ، هرگز با کاهش کارایی چیلر جبران نمی شود. با این حال ، صرفه جویی در مصرف انرژی خنک کننده خشک جداگانه فقط کمی انرژی سالانه را جبران می کند.
شکل 5 صرفه جویی مربوط به فری کولینگ یکپارچه برای هر مکان بیمارستان را نشان می دهد.
توجه داشته باشید که هیچ یک از مکان ها با در نظر گرفتن فری کولینگ یکپارچه در طول سال صرفه جویی خالص نداشته اند ، همانطور که مشاهده می شود چگونه خط سبز هرگز از خط 0 دلار در محور y عبور نمی کند. چیلر به دلیل کاهش جریان هوا در کندانسور از کارایی کمتری برخوردار است و کویل فری کولینگ یکپارچه در ماه های تابستان بیش از جبران کننده صرفه جویی در ماه های زمستان به دلیل کم بودن ساعت کار است.
بنابراین ، فری کولینگ یکپارچه یک گزینه ارزش گرا برای این سناریو نیست.
نتایج خنک کننده خشک: بارهای داخلی سبک
خط بنفش در شکل 5 نشان می دهد که تمام مکان ها ، به جز شهر میامی ، هنگام استفاده از یک خنک کننده خشک جداگانه برای دستیابی به فری کولینگ ، صرفه جویی خالصی را در طول سال نشان داده اند. این صرفه جویی در مقایسه با هزینه کلی خنک کننده خشک نسبتاً ناچیز است و به دلیل بازپرداخت بیش از حد طولانی ، شاخص خوبی برای اجرای خنک کننده خشک برای شبیه سازی بیمارستان نخواهد بود.
برعکس ، تجزیه و تحلیل مرکز داده داستان بسیار متفاوتی را بیان می کند. این بیشتر به دلیل داده های ارائه شده در شکل 6 است ، که مصرف انرژی چیلر سالانه را برای مدل مرکز داده با فری کولینگ یکپارچه نشان می دهد.
شکل 6 نشان می دهد که مصرف انرژی چیلر در طول سال در مقایسه با شبیه سازی بیمارستان سازگارتر است. ماه های خنک تر در سمت چپ و راست نمودار قرار دارند ، در حالی که ماه های گرمتر به سمت وسط نمودار هستند. هنوز هم باید انتظار داشت که چیلر در ماه های گرم به دلیل بار گرمای خارجی اضافی ساختمان ، کار بیشتری برای خنک کردن ساختمان انجام دهد ، که در شکل 6 مشخص است. بار داخلی ثابت تر در شبیه سازی مرکز داده ، پتانسیل بیشتری را ایجاد می کند برای فری کولینگ در ماه های خنک تر.
شبیه سازی بارهای داخلی بالا:
شکل 7 داده های مصرف انرژی را برای شبیه سازی مرکز داده نشان می دهد ، که برای شبیه سازی فری کولینگ در یک محیط بار داخلی بالا انجام شده است.
نوارهای آبی ، قرمز ، سبز و بنفش منعکس کننده همان گزینه های چیلر مورد استفاده در شبیه سازی بیمارستان هستند ، اما نشان دهنده شبیه سازی مرکز داده هستند. شبیه سازی مرکز داده در مقایسه با شبیه سازی بیمارستان ، به ویژه برای آب و هوای خنک تر ، به طور قابل توجهی ساعات فری کولینگ بیشتری را نشان داد.
نتایج فری کولینگ یکپارچه : بار داخلی زیاد
طبق شبیه سازی بیمارستان ، یک چیلر با کویل یکپارچه که از پتانسیل فری کولینگ استفاده نمی کند ، انرژی بیشتری نسبت به چیلر بدون فری کولینگ یکپارچه مصرف می کند. این روند به ترتیب در ارتفاع های مختلف میله های قرمز و آبی در شکل 7 به تصویر کشیده شده است. سنت لوئیس ، بوستون ، مینیاپولیس و دالوت تنها مکان هایی بودند که هنگام استفاده از فری کولینگ یکپارچه در ماه های خنک ، صرفه جویی در انرژی نشان می دادند. بار داخلی بیشتر در ماه های سردتر ، همانطور که قبلا در شکل 6 مشاهده شد ، امکان دسترسی بیشتر برای فری کولینگ را فراهم می کند ، بنابراین منجر به صرفه جویی در انرژی بیشتر می شود.
این نشان می دهد که فری کولینگ یکپارچه برای محیط های با بار داخلی زیاد گزینه قابل قبول تری است. به طور کلی ، شبیه سازی مرکز داده از فری کولینگ یکپارچه در ماه های خنک کننده بسیار سود بیشتری می برد و بیش از این است که کاهش عملکرد چیلر در ماه های گرم را جبران کند. نتایج استفاده از سیستم های فری کولینگ یکپارچه را برای برنامه هایی که دارای ساعت اجرای بار خنک کننده در زمستان هستند ، اعتبار می دهد.
شکل 8 صرفه جویی مربوط به فری کولینگ یکپارچه را برای هر مکان مرکز داده نشان می دهد.
لازم به ذکر است که در مناطق سردسیر (دالوت ، مینیاپولیس ، بوستون و سنت لوئیس) با در نظر گرفتن فری کولینگ یکپارچه ، در طول سال صرفه جویی قابل توجهی صورت گرفته است. آب و هوای گرمتر (میامی ، هوستون و آتلانتا) خسارت خالصی را تجربه کرده و کاندیداهای خوبی برای برنامه های فری کولینگ یکپارچه نیست.
به طور کلی ، فری کولینگ یکپارچه تنها زمانی مناسب است که بار ساختمان در زمستان به اندازه کافی بزرگ باشد و آب و هوا به اندازه کافی سرد باشد که بتواند صرفه جویی قابل توجهی در فری کولینگ داشته باشد تا جبران کننده عملکرد چیلر کویل یکپارچه شود.
نتایج خنک سازی خشک: بار داخلی زیاد
شکل 8 همچنین نشان می دهد که همه مکان هایی که سالانه هنگام صرفه جویی در خنک کننده خشک جداگانه برای دستیابی به فری کولینگ ، با صرفه جویی قابل توجهی بیشتر در آب و هوای خنک کننده ، صرفه جویی خالص دارند بسته به هزینه کولر خشک و محل کار ، استفاده از کولر خشک احتمالاً بازدهی سودآوری را در عوض استفاده از چیلر برای خنک سازی سالانه نشان می دهد ، در حالی که اقلیم های خنک کننده بازپرداخت های مطلوب تری را تجربه می کنند.
یکی دیگر از مزایای اضافه شده این است که خنک کننده های خشک جداگانه همان فرصت را برای فری کولینگ برای جبران کردن ساعتهای کارکرد چیلر فراهم می کنند و هنگامی که از خنک کننده استفاده نمی شود ، از آنجا که خنک کننده خشک از لحاظ جسمی از کویل کندانسور چیلر جدا نیست ، عملکرد چیلر را مهار نمی کند.
این ممکن است به یک خنک کننده خشک جداگانه امکان ذخیره انرژی اضافی را در سیستم هایی مانند بیمارستان هایی بدهد که کاهش عملکرد خنک کننده فری کولینگ ممکن است بیش از حد باعث صرفه جویی در انرژی کویل خنک کننده یکپارچه شود.
به طور خلاصه ، هر دو نوع آب و هوا و نوع ساختمان تأثیر چشم گیری در همزیستی فری کولینگ با استفاده از کویل های خشک دارند. در اقلیم هایی که هوا به اندازه کافی سرد است و در برنامه هایی که تعداد ساعات کار در زمستان به اندازه کافی زیاد است ، هم کویل های یکپارچه و هم خنک کننده خشک جداگانه می توانند صرفه جویی در مصرف انرژی ایجاد کنند ، اما در همه موارد ، صرفه جویی در انرژی با خنک کننده خشک مستقل بیشتر است اثرات آن بر عملکرد چیلر تابستان. مشخصات بار ساختمان در تعیین دوام فری کولینگ بسیار مهم است ، زیرا ساختمان هایی که دارای بار زمستان کم هستند از هر نوع فری کولینگ بهره کمتری خواهند برد.
علم اصول :
این شبیه سازی با استفاده از داده های هواشناسی موجود برای ارزیابی هر یک از مناطق آب و هوایی ASHRAE ، تأثیر فری کولینگ یکپارچه بر کارایی و عملکرد چیلر را در طول سال مدل سازی کرده است. این تجزیه و تحلیل از نرم افزار Daikin’s Energy Analyzer II با موتور شبیه سازی EnergyPlus نسخه 8.1 خود برای مدل سازی یک سیستم چیلر اسکرو هواخنک 300 تنی استفاده کرده است. این روش برای توصیف اطلاعات کاهش کارایی ارائه شده در این مقاله ، از عملکرد یک چیلر تجاری موجود با فری کولینگ یکپارچه استفاده می کند. داده های ساعتی به مدل مربوط به دمای لامپ خشک T_DB ، بار چیلر و برق مصرفی چیلر کشیده شد ، در حالی که کل کیلووات ساعت سالانه برای هر دو مدل چیلر محاسبه شد. برخی از فرضیات در این تجزیه و تحلیل استفاده شد ، از جمله:
- 100 درصد فری کولینگ در T_DB کمتر از 37 درجه فارنهایت فرض شد
- 50 درصد فری کولینگ در T_DB از 37-42 درجه فارنهایت فرض شد
- انرژی پمپ از محاسبه خارج شد.
- برای سهولت مقایسه ، از همان پارامترهای فری کولینگ فرض شده در بالا برای هر دو مدل بیمارستان و مرکز داده استفاده شد.
- نرخ برق مورد استفاده برای هر دو مدل بیمارستان و مرکز داده 0.10 دلار در کیلووات ساعت بود. نرخ برق خاص شهر در این تجزیه و تحلیل گنجانده نشده است.
درصد فری کولینگ فرض بر این است که خنک کننده های خشک تنها زمانی می توانند ظرفیت کامل بار را برآورده کنند که دمای لامپ خشک در فضای باز 7 درجه فارنهایت (3.89 درجه سانتیگراد) پایین تر از دمای آب سرد خنک باشد. با فرض دمای سیال 44 درجه فارنهایت (6.67 درجه سانتیگراد) برای خنک سازی راحت ، دمای بیرون باید کمتر از 37 درجه فارنهایت (2.78 درجه سانتیگراد) باشد تا بتواند خنک سازی کامل را بدست آورد. بین 37-42 درجه فارنهایت (2.78-5.56 درجه سانتیگراد) فرض بر این بود که 50 درصد فری کولینگ برای سادگی شبیه سازی قابل دستیابی است.
