RETROFIT VENTILÁTORA KONDENZÁTORA

 

RETROFIT VENTILÁTORA KONDENZÁTORA

*študentská práca ocenená Slovenským zväzom pre chladiacu a klimatizačnú techniku

 

*Bc.Peter Vavro, **Richard Sebera, ***Doc. Ing. Peter Tomlein, PhD.

*STU, SjF, ÚESZ, **Riservis, s.r.o., Bratislava, ***SZ CHKT Šamorín

 

Abstrakt

EC motory sú jednou z najnovších inovácií ventilátorov. Kondenzačná jednotka je súčasťou chladiaceho okruhu, ktorý je určený na chladenie miestností. Cieľom práce s podporou spoločnosti Ziehl Abegg s.r.o. bolo vykonať merania na porovnanie ventilátorov kondenzačnej jednotky s AC motorom s prúdovým regulátorom na základe kondenzačného tlaku a EC motorom za rovnakých podmienok a porovnať ich energetickú efektívnosť, vyhodnotiť ekonomické, ekologické a energetické parametre ventilátora a tiež chladiaceho okruhu pred a po retrofite. Popísať technickú, ekonomickú náročnosť a realizovateľnosť retrofitu ventilátorov. Meraniami sú vyhodnotené možné úspory energie ako aj vplyv retrofitu ventilátora kondenzátora na ovládanie chladiaceho okruhu.

 

Úvod

EC motory oproti AC motorom s prúdovým regulátorom na základe kondenzačného tlaku môžu dosahovať až 30 % úsporu energie. Majú vysokú životnosť, neprehrievajú sa a majú nižšiu hlučnosť. Dôležitým faktorom je aj cena EC motora, ktorá je nižšia v porovnaní s AC motorom s frekvenčným meničom. V prípade, že ventilátory s AC alebo EC motormi bežia na nižšie otáčky  ich príkon klesá exponenciálne s otáčkami. Prednosťou EC motorov používaných vo ventilátoroch je i schopnosť pracovať pri veľmi nízkych otáčkach. EC motory dosahujú vyššie účinnosti ako AC motory. Hlavným rozdielom a teda výhodou EC ventilátorov je, že majú synchrónne otáčky a teda nenastávajú u nich straty sklzom. Synchrónne otáčky znamenajú, že otáčky rotora sú totožné s otáčkami magnetického poľa. So stále rastúcimi požiadavkami na energetickú efektívnosť sú nové typy EC motorov v nových výrobkoch žiadané. 

Výmena ventilátora a jeho ovládania v existujúcom chladiacom okruhu ovplyvňuje aj chod chladiaceho okruhu, ktorý závisí najmä od ovládania kompresora. Kompresor on/off nedokáže naplno využiť  možnosti plávajúcej kondenzačnej teploty v závislosti od vonkajšej teploty. Vplyv retrofitu ventilátora  na energetickú efektívnosť chladiaceho obehu je dôležitý, pretože môže byť energeticky i ekonomicky významnejší ako samotné úspory len zo zámeny AC za EC motor na ventilátore kondenzátora.

 

Metodika práce

 

  1. Chladiace zariadenie

Prvým dôležitým krokom bol výber chladiaceho zariadenia, ktorý by bol prístupný pre meraciu techniku. Zvolená bola viacúčelová ležatá kompaktná jednotka vzduchotechnická jednotka BKL – KD 22 – 10 s doskovým rekuperátorom na spätné získavanie tepla. Pozostáva z funkčných prvkov pre dopravu a úpravu vzduchu. Je určená na teplovzdušné vetranie a chladenie miestnosti. Ležatá jednotka s rekuperátorom pre spätné získavanie tepla zabezpečuje:

  1. nasávanie vonkajšieho vzduchu s jednostupňovou filtráciou, spätné získavanie tepla, ohrev, chladenie a dopravu upraveného vzduchu do priestoru,
  2. odsávanie znečisteného vzduchu, jeho jednostupňovú filtráciu, spätné získavanie tepla a vyfukovanie znečisteného vzduchu do vonkajšieho priestoru.

 

Obrázok 1 –Chladiace zariadenie bolo súčasťou vzduchotechnickej jednotky BKL – KD 22 – 10, ktorá upravovala vzduch z konferenčnej sály BSK (Bratislavského samosprávneho kraja)

 

Obrázok 3  Kondenzačná jednotka Clivet MSAT 122 vľavo s AC ventilátorom FB056-8EA 4F.A4P regulovaným prúdovým regulátorom podľa kondenzačného tlaku nahradeným napravo s EC ventilátorom ZN0566ILBDV5P4 si vyžiadala minimálne technické zmeny v inštalácii. Oba motory AC s reguláciou i EC na rozdiel od ON/OFF šetria príkon exponenciálne pri znižovaní kondenzačného tlaku. Z oboch obrázkov je vidieť, že výrobcovia nepokračujú v spôsobe uchytenia a výkonoch, ktoré sa používali doteraz. Teleso EC ventilátora je konštrukčne iné. Odlišné je tiež osadenie snímača tlaku do chladiaceho okruhu.

 

2. Ventilátory

Pri výbere vhodného ventilátora sa odčítal pracovný bod z priesečníka kriviek ventilátora a systému. V danom prípade charakteristika systému nebola k dispozícii. Postupovalo sa tak, že sa zvolil (odhadol) pracovný bod na výkonovej krivke pôvodného ventilátora a zadal do programu FANSelect. Z tohto programu je možné dostať špecifikáciu a charakteristiky jednotlivých typov ventilátorov pre požadovaný prietok 3800 m3/h pri 30 Pa dopravného tlaku.

Pre porovnanie ventilátorov je dôležitý parameter špecifický príkon ventilátora SFP (Specific Fan Power). Táto hodnota je energetickým ukazovateľom kvality vetracieho zariadenia. Vypočíta sa ako podiel príkonu a objemového množstva dopravovaného vzduchu.

Príkony, otáčky, účinníky, prúdy EC motora boli merané prístrojom ClimaCheck a tiež odčítané z Modbusovej komunikácie terminálom Ziehl Abegg.

 

3. Postup retrofitu a merania

Merania na kondenzačnej jednotke sa vykonali v dvoch fázach:

  1. na pôvodných 2 jednofázových ventilátorov typu FB056-8EA 4F.A4P s AC motormi. 
  2. na nových EC ventilátoroch typu ZN0566ILBDV5P4 s EC motormi

V chladenej konferenčnej miestnosti bolo nutné vzhľadom na teplotné podmienky v mesiaci apríl simulovať tepelnú záťaž pomocou prenosných ohrievačov. Použitých bolo 8 ohrievačov. Simulovaná záťaž predstavovala spolu 16 kW. Požadovaná teplota v miestnosti bola nastavená na hodnotu 19,5 °C. Miestnosť sa pomocou ohrievačov vyhriala a po cca 2 hodinách sa aktivoval chladiaci okruh. Po spustení chladiaceho okruhu bolo možné okamžite sledovať zaznamenávané parametre na webovej stránke ClimaChecku s presnosťou merania:

3. Tlaky ± 1 %

4. Teploty ± 0,5 K

5. Príkon ± 2 %

 

Program ClimaCheck Performance Analyser vyhodnocuje dáta okamžite a počíta ostatné sledované parametre. ClimaCheck bol pripojený na internet, takže účastníci merania mohli vzdialene sledovať jednotlivé parametre chladiaceho okruhu a ventilátora v reálnom čase na svojom počítači.

 

 

Výsledky merania

Pre porovnávanie AC a EC ventilátorov bolo dôležité merať v rovnakých podmienkach. Vybrali sa najbližšie porovnateľné výsledky pri výparných teplotách v rozsahoch u AC od -1,5 po -1,7 a u EC ventilátora od -2 po -2,5. Najbližšie porovnateľné výsledky z meraní chladiaceho okruhu s AC a s EC ventilátormi sa následne spriemerovali. 

Na obrázkoch (7,8) je vidno spriemerované hodnoty z oboch meraní v ln p-h diagrame. Z obrázkov je vidieť, že v prípade EC ventilátora sa udržala nastavená kondenzačná teplota, ale nastal pokles výparnej teploty z -1,55 na -2,45 °C, výrazné zníženie podchladenia z 10,98 na 2,5 K a mierne zvýšenie prehriatia z 10,5 na 10,79 K, čo bolo spôsobené únikom chladiva.

Príkon kompresora po retrofite sa mierne zvýšil z 4,09 na 4,1 kW, znížil sa chladiaci výkon z 15,04 na 13,45 kW, a tým aj chladiaci súčiniteľ EER.  Obeh sa teda posunul celý doprava dole, čo mohlo byť spôsobené nižšou vonkajšou teplotou alebo poruchou nízkeho tlaku. Vzhľadom na to, bolo meranie zopakované.

Opakované merania. ukázali ďalší pokles podchladenia a potvrdili únik chladiva. Po doplnení 1,1 kg (25% náplne) sa podchladenie, výparná teplota, prehriatie vrátili na pôvodné hodnoty. 

Spriemerované hodnoty z meraní sa pre vylúčenie chybných vypočítaných hodnôt z nameraných použili v programoch Duprex a Solkane. Pre chladivo R407C boli po zadaní nameraných hodnôt výsledky identické s Climacheckom, tak sa vylúčila chyba na strane meracieho zariadenia. Dosadením nameraných parametrov sa zostrojili ln p-h diagramy z oboch meraní v programe Duprex, ktoré ukázalo namerané zmeny v okruhu s EC motorom voči pôvodnému okruhu s AC motorom ventilátora na kondenzátore podobne ako na obrázkoch 7,8.  

 

Vplyv zmeny kondenzačného tlaku

Bol hodnotený v troch tlakových úrovniach, s ktorých najvyššia, bola tá najvyššia možná. Vzhľadom na on/off kompresor spolu so zvyšovaním kondenzačného tlaku sa zvyšoval aj tlak výparný, mierne chladiaci výkon, príkon kompresora, príkon a otáčky ventilátora, ale znižoval sa chladiaci súčiniteľ EER. Pokiaľ príkon kompresora sa pohyboval v rozmedzí 4150-4400 W, príkon ventilátorov v rozmedzí 40-90 W. To je približne 17 % podiel na celkovej úspore, ktorá by mohla byť vyššia, ak by sa s poklesom kondenzačného tlaku neznižovala aj výparná teplota, čo by sa dalo dosiahnuť kombináciou EEV (elektronického expanzného ventilu) a kompresora s regulovateľným výkonom.

 

Obrázok 11 Znížením kondenzačného tlaku pri približne rovnakej vonkajšej teplote  25,5+0,5°C sa znížil tiež výparný tlak a teplota, chladiaci výkon a zvýšil sa chladiaci súčiniteľ

 

 

Diskusia

Výsledkami z meraní sa preukázali úspory na spotrebe ventilátorov kondenzátorov s EC motormi pri rovnakom kondenzačnom tlaku. Rozdiel v príkonoch podľa nameraných hodnôt bol vysoký, čo sa prejavilo na viac ako 2,5 násobnom znížení SPF - špecifického príkonu ventilátora pri zmene z AC na EC motor z 208,4 na 78,6 W.s.m-3  (tab. 4). Podľa hodnôt z Modbusu by SPF  EC ventilátora bol ešte nižší.

Ventilátory na kondenzátore pôvodné s AC i nové EC motormi mali schopnosť regulovať otáčky podľa kondenzačného tlaku. Schopnosť ventilátorov s AC alebo EC motormi ísť na nižšie otáčky pri znižujúcom sa kondenzačnom tlaku pri poklese vonkajšej teploty, kedy ich príkon klesá s treťou mocninou, nebola hodnotená.

Merané chladiace zariadenie malo on/off kompresory. Merania boli urobené pri znižovaní kondenzačného tlaku pri približne rovnakej vonkajšej teplote  25,5+0,5°C, ktoré preukázali zároveň zníženie výparnej teploty a chladiaceho výkonu (obr. 11). 

Znížením kondenzačného tlaku pripribližne rovnakej vonkajšej teplote 25,5+0,5°C (obr. 12) sa znížil príkon kompresora a zvýšil príkon i otáčky EC ventilátorov. Pri rozdiele pk=<1 bar sa znížil celkový príkon kompresora a ventilátora o 200 W, ale zároveň sa znížil aj chladiaci výkon, keďže klesla aj výparná teplota to (obr. 12). Pri on/off kompresore sa pri danej vonkajšej teplote zmenou pk síce dá optimalizovať energetická efektívnosť EER (obr.11), ale dosiahnu sa len obmedzené úspory spotreby energie, keďže rozhodujúce je udržanie tlakového rozdielu na expanznom ventile pre požadovaný chladiaci výkon. 

Vyššie úspory by sa mohli dosiahnuť, pokiaľ by sa kondenzačná teplota znižovala pri znižovaní sa vonkajšej teploty a pritom by sa neznižovala výparná teplota. Pomocou programovateľného PLC by bolo možné využiť efekt plávajúcej hodnoty kondenzačnej teploty a tým zvýšiť úspory energie na strane kompresora. Takéto riešenie si vyžaduje regulovaný výkon kompresora v kombinácii s EEV, aby spolu s kondenzačnou neklesala i výparná teplota, ako to je pri on/off kompresore. Regulovaný výkon kompresora umožňuje prispôsobiť výkon kompresora požadovanej výparnej teplote, regulovaný výkon ventilátora výparníka jeho výkonu a EEV umožňuje prácu s nižším tlakovým rozdielom. 

 

Záver

Rozdiel v spotrebe elektrickej energie len ventilátormi je v riešenom prípade síce značný, ale v porovnaní s celkovou spotrebou energie chladiaceho zariadenia menej významný. 

Úspory na spotrebe elektrickej energie ventilátormi závisia od času prevádzky chladiaceho okruhu. Návratnosť nákladov na retrofit iba z úspor na spotrebe elektrickej energie ventilátormi pri relatívne krátkej dobe prevádzky chladiaceho okruhu v letnom období, tak môže byť dlhá. 

Prínosom retrofitu EC ventilátora je možnosť zvýšenia výkonu ventilátora v prípade potreby kompenzovať rastúce letné teplotné extrémy.

Ak ventilátor s AC motorom je na konci svojej životnosti je správne osadenie EC ventilátora, ak to technické riešenie dovoľuje.  V tomto prípade preukázaná úspora elektrickej energie na prevádzku EC ventilátora a pri uvažovaní len rozdielu nákladov na výmenu EC za AC ventilátory návratnosť skracuje. 

Pripomenúť je potrebné, že staršie ventilátory už nespĺňajú požiadavky Ekodizajnu. Pokiaľ sa však nevyužije schopnosť prispôsobovať otáčky ventilátora kondenzátora s EC motorom vonkajšej teplote v súčinnosti s reguláciou výkonu kompresora a tým nedosiahne aspoň 20 % ná úspora energie na práci kompresora pri 800 až 1600 hodinách prevádzky za rok, tak o retrofite ventilátora nebude v riešenom prípade rozhodovať ekonomika, ale nutnosť výmeny buď ventilátora alebo celého zariadenia. 

Energetická, ekonomická a tiež ekologická analýza efektívnosti retrofitu závisí najmä od veľkosti zariadenia, počtu a ovládania ventilátorov, náročnosti retrofitu, času prevádzky za rok.

 

POĎAKOVANIE

Príspevok bol spracovaný v rámci činnosti Slovenského zväzu pre chladiacu a klimatizačnú techniku so zameraním na praktické riešenia diplomových prác, s technickou podporou spoločnosti Riservis, s.r.o. Bratislava a spoločnosti Ziehl-Abegg s.r.o., Brno, ktorá tiež poskytla novú ventilátorovú a regulačnú techniku. 

 

Použitá literatúra

  1. Pogány Ľudovít,: Energetická efektívnosť ventilátorov s filtráciou vzduchu. Diplomová práca vedúci Tomlein Peter, STU, SjF, ÚESZ, 2017 
  2. Gáliková Katarína: Hodnotenie veľkosti podchladenia v chladiacich okruhoch vo vybraných použitiach, Diplomová práca vedúci Tomlein Peter, STU, SjF, ÚESZ, 2017
  3. Grundmann Reinhard: Elementary Fan Technology. Ziehl Abegg, 2017.
  4. Tomlein Peter: Tepelné čerpadlá v administratíve a v priemysle. SZ CHKT, Rovinka, 2013.
  5. Tomlein Peter:Nepriame kontroly únikov. SZCHKT, učebné texty, 2011.
  6. Katalógový list: VZT ležatá kompaktná s doskovým rekuperátorom BKL-KD
  7. Maintenance manual: Clivet Msat air-cooled condensing units
  8. Firemné materiály a Fan select program spoločnosti Ziehl Abegg

 

Viac informácií nájdete v časopise Správy 3/2020