پارامترهای انتخاب چیلر

چیلرها; مزایا، معایب و پارامترهای موثر در انتخاب

از چیلر ها برای تامین برودت مورد نیاز در پروژه های بزرگ به عنوان یک گزینه ارزشمند و اقتصادی به راحتی نمی توان چشم پوشید. چیلرهای تراکمی با استفاده از انرژی الکتریکی و چیلرهای جذبی با استفاده از انرژی حرارتی، تولید سرما می کنند، لذا بسته به شرایط آب و هوایی، منطقه جغرافیایی، هزینه انرژی 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 های القایی و …، جهت پروژه های CCHP (تولید سرمایش،گرمایش و برق توامان) و یا استفاده از انرژهای تجدید پذیر مانند انرژی زمین گرمایی و خورشید می باشد و کمتر جهت راه اندازی این چیلرها از انرژی 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 چیلرهای گازسوز کشور توسعه یافته است که این موضوع علاوه بر آلوده سازی هوای شهرها، سبب هدرروی و استفاده نامناسب از این انرژی ارزشمند شده است. در شکل ۱ سیکل کارکرد هر دو ماشین آورده شده است.

در جدول ۱، انواع چیلرهای جذبی و تراکمی از نظر راندمان ، ظرفیت و قابلیت ذخیره انرژی مورد مقایسه قرار گرفته است [۵]. چیلرهای تراکمی راهبری بسیار ساده تری دارند. به علت اینکه سیستم فشرده سازی گاز، الکتریکی است، لذا کنترل بیشتری می توان روی فرایند داشت و می توان در حالت پاره بار با تمهیداتی، راندمان را افزایش داد. در حالی که در چیلر های جذبی در حالت نیمه بار، راندمان افت می کند. راه اندازی چیلر های جذبی زمان و هزینه بیشتری دارد. تنظیم مشعل به کمک آنالیزورگاز، بسیار وقت گیر و نیازمند فرد متخصص است و عدم تنظیم صحیح مشعل، باعث تولید گازهای نسوخته، کاهش راندمان احتراق، ایجاد آلودگی و مصرف سوخت بیشتر می شود. جهت تامین انرژی حرارتی چیلر های گازسوز، نیازمند گازکشی در سطح شهر و ساختمان هستیم که خطرات این مسئله در هنگام وقوع حوادث طبیعی با توجه به قرارگیری کشور روی گسل های فعال، غیر قابل تصور است. به دلیل اینکه چیلر های جذبی به کمک حرارت، تولید برودت می کنند، لذا حجم بسیار بالایی از حرارت در داخل ماشین موجود است که برای ادامه کارکرد دستگاه باید به طریقی از دستگاه خارج شود. به علت حجم بسیار بالای این حرارت، ناگزیر به استفاده از سیستم آب خنک هستیم. برای تامین این آب، از برج های خنک کن که بر مبنای سرمایش تبخیری کار می کنند استفاده می کنیم.

جدول ۱- مقایسه انواع چیلرهای جذبی و تراکمی

در سیستم های تبخیری، به علت حجم بسیار بالای تبخیر آب، هزینه بسیار بالایی برای 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 های تامین آب نرم و جداسازی رسوبات، تاسیسات جداگانه ای را می طلبد که هزینه های نصب و بهره برداری را به شدت افزایش می دهد. در حالی که در چیلرهای تراکمی به علت ماهیت مکانیکی عمل فشرده سازی، حجم بسیار کمتری از حرارت تولید میشود که منجر به کاهش سایز برج خنک کن، پمپها و تاسیسات نرم سازی آب می شود. تفاوت اصلی چیلرهای تراکمی درکمپرسور مورد استفاده در آن است. کندانسور چیلرهای تراکمی به دو صورت هوا خنک و آب خنک ساخته می شوند. نوع کندانسور تاثیر اساسی در طراحی چیلر دارد. کندانسور های هوا خنک، حرارت مبرد در گردش در داخل کویل را به هوا منتقل می کنند. ضریب انتقال حرارت جابجایی روی کویل به دبی هوای درحال گذر از روی کویل و دمای خشک منطقه بستگی دارد. به دلیل تغییر دمای خشک در طول روز، میزان حرارت قابل انتقال، تغییر می کند که باعث کاهش COP چیلر در طول روز می شود. در کندانسورهای 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 دمای پایین تری 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 ۲ عامل طراح را ملزم به انتخاب کندانسور هوا خنک می کند. هزینه های تهیه آب نرم و دمای مرطوب منطقه که امکان کارکرد برج خنک کن را نمی دهد. البته باید در نظر داشت که دمای خشک بالای منطقه، امکان استفاده از کندانسور هواخنک را نیز سلب می کند. در جدول ۲ مزایا و معایب این دو کندانسور بیان شده است [۵]و [۶] .

جدول ۲- مقایسه کندانسور هوا خنک و آب خنک

در حالت کلی برای انتخاب یک نوع چیلر پارامترهای متعددی تاثیر گذار است. پارامترهای چون قیمت انرژی، هزینه نگهداری، 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 انرژی مصرفی، هزینه تامین آب برج خنک کن و آب در گردش در سیستم و هزینه های سختی گیری 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 کمپرسورهای رفت و برگشتی، برای هماهنگی بین چیلر و بار، مجبور به استفاده از کنارگذر هستیم. کنارگذر باعث تلف شدن انرژی درسیستم می شود و لذا COP این سیستم ها در حالت پاره بار کاهش می یابد. کمپرسورهای رفت وبرگشتی، اسکرال، روتاری 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 COPافزایش می یابد.کمپرسورهای سانتریفیوژ و اسکرو از این دسته اند. در کمپرسورهای سانتریفیوژ از طریق کاهش دبی ورودی کمپرسور و درکمپرسورهای 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 برای مشخص کردن میزان متوسط این عدد در طول روز از معیاری به اسم [۱]IPLV استفاده نموده اند. لازم به ذکر است که ضرایب این رابطه تابع شرایط اقلیم است و برای شهر تهران این رایطه به شکل زیر نوشته می شود [۷].

IPLV = 0.13A + 0.29B + 0.43C + 0.15D

A: COP در ۱۰۰% بار C: COP در ۵۰% بار

B: COP در ۷۵% بار D: COP در ۲۵% بار

مفهوم ضرایب بالا به این صورت است:

۱۳% ساعت در۱۰۰% بار ۴۳% ساعت در۵۰% بار

۲۹% ساعت در۷۵% بار ۱۵% ساعت در۲۵% بار

نتایج عددی و بحث

در اینجا برای بهتر مشخص شدن مزایای چیلر های تراکمی سانتریفیوژ دور متغیر نسبت به سایر چیلرها در تناژهای بالای ۵۰۰ تن تبرید، یک ساختمان مسکونی با بار برودتی ۱۰۰۰ 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 ۱۰۰۰ تن تبرید برای مقایسه در نظر گرفته شد. برای 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 ۲۴ ساعت ساختمان را از نتایج کریر استخراج کرده و برای کاهش اثر مقدار عددی بار در محاسبات انرژی، 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 های مربوط به فضا و فونداسیون دستگاه ها بستگی به پارامترهای متعددی دارد، لذا تنها مقدار فضای اشغالی و وزن دستگاه ها مورد بررسی قرارگرفته است. مجموع مصارف انرژی برق، گاز و آب هر سیستم به طور جداگانه محاسبه شد و در نهایت با یکدیگر مورد مقایسه قرار گرفت.. در اینجا نیز برای بهتر مشخص کردن میزان مصارف انرژی، آنها بر حسب بیشترین مقدار بی بعد کرده و به صورت درصد بیان کردیم. همچنین برای این پروژه، هزینه های خرید و نصب برای هر کدام سیستم ها براساس قیمت های سال ۹۱ 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 غیرمشترک در نظر گرفته شد. مدت زمان کارکرد هر سیستم به صورت یک دوره ۱ ماه ، هر روز ۲۴ ساعت کار در نظر گرفته شد. باید توجه داشت که میران بار برودتی ساختمان نمونه در طول یک شبانه روز، برابر سطح زیر نمودار ۱ ضرب در ۱۰۰۰ تن تبرید می باشد .لذا با توجه به IPLV هر ماشین در طول یک روز می توان مقدار انرژی مصرفی هر ماشین برای تولید این میزان انرژی 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 ۲۴ ساعت شبانه روز، نتایج در نمودار (۱) ترسیم گردید. همچنین میزان COP ماشین سانتریفیوژ دور متغیر در بارهای جزئی براساس میزان بار مورد تقاضا در نمودار مشخص گردید.

با توجه به نمودار ۲ می توان IPLV هر ماشین را به طور جداگانه محاسبه کرد. درجدول ۳ نتایج این محاسبات آورده شده است.

جدول ۳- مقایسه IPLV چیلرها

در نهایت براساس مجموع مقادیر مصارف آب، برق و گاز هر سیستم [۷] و [۸] و [۹] ، بیشترین مقدار به عنوان مبنا در نظر گرفته شد و سایرین نسبت به آن سنجیده شدند ونمودارهای ۳ الی ۵ نسبت به یکدیگر ترسیم گردید .

برای محاسبه ریالی هزینه برق، هر کیلووات ساعت برق براساس تعرفه پلکانی بخش خانگی وزارت نیرو[۱۰] که در جدول ۵ مشخص گردیده است، محاسبه گشته است.

جدول ۵- تعرفه پلکانی برق بخش خانگی وزارت نیرو

برای محاسبه ریالی هزینه گاز، هر متر مکعب گاز براساس تعرفه پلکانی بخش خانگی شرکت گاز[۱۱] که در جدول ۶ مشخص گردیده است، محاسبه گشته است.

جدول ۶- تعرفه پلکانی گاز بخش خانگی شرکت گاز

برای محاسبه ریالی هزینه آب، هر متر مکعب آب براساس تعرفه پلکانی بخش خانگی وزارت نیرو [۱۲] که در جدول ۷ مشخص گردیده است، محاسبه گشته است.

جدول ۷- تعرفه پلکانی آب بخش خانگی وزارت نیرو

جدول ۸- هزینه های مصرف انرژی غیرمشترک بر حسب ملیون تومان

طبق بخش نامه ای که توسط دولت محترم صادر شده است، هزینه گاز دارندگان چیلرهای جذبی بر مبنای متر مکعبی ۱۵۰ تومان محاسبه می شود که در اینصورت هزینه گاز این پروژه بر مبنای چیلر جذبی، برابر ۳۶ میلیون تومان و هزینه مجموع برابر ۶۵.۷ خواهد بود..در جدول ۹ هزینه های خرید تجهیزات غیرمشترک به تفکیک هر سیستم آورده شده است [۱۲] .

جدول ۹- هزینه های خرید تجهیزات غیرمشترک بر حسب ملیون تومان

در جدول ۱۰ هزینه های نصب تجهیزات غیرمشترک به تفکیک هر سیستم آورده شده است [۱۲]. البته هزینه حمل و نصب برج خنک کن و سختی گیر از این مقایسه حذف گردید. زیرا دارای هزینه های یکسان برای هر چهار سیستم بود.

جدول ۱۰- هزینه های نصب تجهیزات غیرمشترک بر حسب ملیون تومان

مجموع هزینه های نصب و خرید در این چهار سیستم در جدول ۱۱ آورده شده است.

جدول ۱۱- مجموع هزینه های نصب و خرید غیرمشترک بر حسب ملیون تومان

همانطور که مشخص است ، هزینه های خرید و نصب برای سیستم سرمایشی بر مبنای چیلر جذبی بیشترین و برای سیستم سیستم سرمایشی بر مبنای چیلر تراکمی سانتریفیوژ دور ثابت، کمترین است. همچنین هزینه های جاری چیلر جذبی بیشتر می باشد. هر چند که با یارانه پرداختی از طرف دولت محترم برای دارندگان چیلر جذبی، هزینه های جاری چیلر های جذبی در تناژهای بالا، قابلیت رقابت با چیلرهای تراکمی را خواهد داشت. البته با در نظر گرفتن مشکلات مرتبط با استفاده از این نوع ماشین ها که در مقدمه ذکر شد، عملا این ماشین ها قابلیت رقابت خود را نیز در اینحالت نیز از دست خواهند داد.

مقایسه بین چیلر های مذکور، تنها در صورتی قابل انجام است که امکان انتخاب تمامی این ۴ نوع چیلر وجود داشته باشد، در غیر اینصورت مقایسه و نتیجه گیری در مورد نوع خاصی، صحیح نمی باشد. پارامتر های قیمت انرژی، هزینه نگهداری، عمر مفید تجهیزات، اندازه، تجهیزات پیرامونی، هزینه نصب، هزینه بیمه و مالیات دستگاه، هزینه انرژی مصرفی، هزینه تامین آب برج خنک کن و آب در گردش در سیستم و هزینه های سختی گیری از عوامل محدود کننده امکان استفاده از انواع چیلرها می باشد. با توجه به هزینه های بالای انرژی و هزینه های بسیار بالایی که آلایندگی تجهیزات سرمایشی و گرمایشی به کشور وارد می کند، لازم است مهندسین و دست اندکاران صنعت تهویه مطبوع، ضمن در نظر گرفتن سیاستهای کلان کشور در زمینه انرژی، محاسبات هزینه های اقتصادی طرح را قبل از انتخاب تجهیزات انجام دهند و براساس آن اقدام به انتخاب تجهیزات و تهیه طرح خود نمایند. همچنین مبنای مقایسه راندمان سیستم ها IPLV باید باشد. زیرا COP تنها در یک نقطه بیان می شود و نشان دهنده کارکرد ماشین در بارهای جزئی نمی باشد. همچنین به نظر می رسد، لازم است دولت محترم در سیاست خود مبنی بر دادن یارانه برای دارندگان چیلرهای جذبی تجدید نظر کند.