بررسی روشها و پارامترهای موثر در تعیین راندمان سیستمهای تهویه مطبوع یا تبرید
مقدمه
در این مقاله قرار است در مورد عملکرد سیستم های تهویه مطبوع از جمله چیلرها و پمپ های حرارتی مطالبی را ارائه دهیم.
با استفاده از فرامین این مقاله راندمان و کارایی سیستم را میتوانیم توصیف کنیم و به سبب آن میتوان تخمین زد که سیستم چه مقدار انرژی مصرف خواهد کرد.این موارد سیستم های مسکونی , تجاری و صنعتی را نیز شامل خواهد شد.
وقتی در مورد اندازه و بزرگی سیستم صحبت می شود (تن تبرید TR, BTU/hr و یا KW) منظور ظرفیت خنک کنندگی سیستم می باشد و برای این کار نیاز به توان الکتریکی خواهیم داشت.به خاطر داشته باشید توان الکتریکی مصرفی بر مبنای KW کمتر از سرمایش تولید شونده توسط سیستم بر حسب KW خواهد بود.
در ایالت متحده وزارت نیروو انرژی معیارهایی را برای حداقل عملکرد و راندمان سیستم های تهویه مطبوع مرکزی و پمپهای حرارتی تعیین کرده است و در این مقاله به بررسی آنها می پردازیم.
ضریب عملکرد (Coefficient of Performance)
COP مقدار انرژی ورودی به سیستم در مقایسه با میزان توان و تولید انرژی آن سیستم است.
پس COP نماد کارایی سیستم است و هرچه عددی بزرگتر باشد سیستم عملکرد بالاتری خواهد داشت.
همچنین COP همانطور که مشخص است عددی بدون بعد است و خیلی سریع قابل اندازه گیری است.یک بخاری برقی ساده را در نظر بگیرید , تقریبا تمامی انرژی الکتریکی به گرما تبدیل می شود و در خروجی انرژی خروجی غیر خالص نخواهیم داشت بنابراین COP آن برابر یک می باشد.مسئله مهم این است که COP را میتوان برای هر سیستمی استفاده کرد و فقط مختص سیستمهای گرمایی و سرمایی نیست.
سیستم های تهویه مطبوع از انرژی برای انتقال حرارت از جایی به جای دیگر استفاده میکند.سیستمهای سرمایشی حرارت را از فضای خنک شونده به فضای دیگر (معمولا فضای بیرون) منتقل می کنند.ناگفته نماند که پمپ حرارتی علاوه بر این مورد از همان اصول استفاده کرده و همچنین قادر است گرما را به محیط سرد اتاق منتقل کند.
با این تفاسیر حداکثر COP تئوری برای یک سیستم تهویه مطبوع را می توان با استفاده از معادله کارنوت (Carnot) بدست آورد که ساده شده معادله را در زیر میبینیم:
که در آن TC دمای سرد و TH درجه حرارت گرم می باشد برای سیستم سرمایشی دمای سرد همان دمای داخل اتاق و برای سیستم گرمایشی دمای سرد دمای خارج از اتاق یا گرم شونده می باشد و تمامی مقادیر در فرمول ذکر شده بر حسب کلوین خواهد بود.
همانطور که مشاهده می فرمایید با افزایش اختلاف دمای سرد و گرم ,ضریب عملکرد کاهش پیدا خواهد کرد و بالعکس و این بدین معناست که وقتی دمای داخل به دمای بیرون نزدیک تر باشد راندمان سیستم بالاتر است و انرژی کمتری مصرف خواهد کرد.
به عنوان مثال حداکثر راندمان تئوری یک سیستم تهویه مطبوع که در حال خنک کردن یک اتاق تا ۲۳ درجه سانتیگراد است را در نظر بگیریداگر دمای هوای بیرون ۳۲ درجه سانتیگراد باشد حداکثر راندمان تئوری آن برابر می شود با:
مقادیر COP برای سیستم های تهویه مطبوع معمولا در محدوده ۲-۴ قرار میگیرد که تقریبا یک دهم ظریب عملکرد تئوری ماکزیمم می باشد.با این حال در انتخاب سیستم مناسب کمک شایانی به ما خواهد کرد.
پمپ حرارتی که در شکل زیر نشان داده ایم در نظر بگیرید.
مپ حرارتی انرژی را از محیط می گیرد و از انرژی الکتریکی برای انتقال این انرژی به فضای داخل استفاده می کند.واضح است که انرژی بیشتری نسبت به برق مصرفی وارد اتاق می شود.
COP این سیستم ۴ است (انرژی وارد شده به اتاق نسبت به انرژی الکتریکی مصرفی)مقداری از انرژی به عنوان اتلاف انرژی در خارج ساختمان دفع می شود و به این دلیل COP واقعی کمی کمتر از ۴ می باشد.یک سیستم تهویه و تبرید نیز به همین روش کار می کند با این تفاوت که این بار سیستم در حال خارج کردن انرژی گرمایی ار اتاق است.
شکل بالا را بر عکس در نظر بگیرید که در آن سیستم یک کیلو وات انرژی می گیرد تا ۳ کیلو وات گرما را از داخل اتاق به فضای بیرون هدایت کند. سیستم تهویه ۴ کیلو وات انرژی بایستی وارد محیط کند و این مقدار انرژی توسط کندانسور دفع می شود.سیستم های تهویه و تبرید مصرف بیشتری نسبت به سیستم های گرمایشی دارند و از همین رو است که COP در این حالت برابر ۳ شده است.
نسبت بهره وری انرژی (Energy Efficiency Ratio) :
EER یعنی نسبت انرژی خروجی خنک کننده (BTU) به انرژی الکتریکی ورودی (Watt-hour).
بنابر این واحد آن در حالت استاندارد BTU/W/h است گرچه میتوان آن را با واحد های دیگر نیز بیان کرد.بنابر این EER بدون بعد نیست و میتوان آنرا پس از گذشت زمان محاسبه کرد.به طور معمول با پایدار شدن سیستم آن را در یک دوره یک ساعته می توان اندازه گیری کرد.
بسیاری از نویسندگان به غلط EER را نسبت توان و قدرت (و نه انرژی) می دانند یعنی به شکل معادله زیر:
واحد ها یکسان است اما اینجا توان تبرید را نسبت به مصرف انرژی الکتریکی سنجیده ایم.اگرچه این دیدگاه نادرست است اما به ما این امکان را می دهد که به راحتی توان مورد نیاز برای فضایی که میخواهیم تهویه کنیم را تخمین بزنیم.
برای مثال یک سیستم تهویه مطبوع را در نظر بگیرید که توان تبرید آن ۵ تن می باشد و دارای EER = 11.6 است اگر بخواهیم ببینیم چقدر انرژی مصرف کرده است از معادله استفاده می کنیم:
EER را می توان تنها در یک اختلاف دمای خاص (اختلاف بین دمای داخل و دمای خارج از اتاق) مشخص کرد زیرا همانطور که از معادله آن برمی آید با تغییر اختلاف دما بازده و راندمان تغییر خواهد کرد.
EER معمولاً تحت شرایطی که در جدول زیر نشان داده شده است مشخص می شود.
برای تبدیل EER به COP باید واحد ها را با هم تطابق دهیم تا به نتیجه دلخواه برسیم.برای این منظور اعداد را تبدیل به اعدادی با واحد های یکسان می کنیم مثل ژول.هر BTU معادل J ۱۰۵۵ است و هر Wh معادل J.S ۳۶۰۰ بنابراین:
یا به عبارتی:
نسبت بهره وری انرژی فصلی (Seasonal Energy Efficiency Ratio) :
همانند EER آیتم SEER نیز یعنی نسبت انرژی خروجی خنک کننده (BTU) به انرژی الکتریکی ورودی (Watt-hour) با این تفاوت که SEER نمایانگر این نسبت در طول یک فصل است که با توجه به متغیر بودن دمای هوای محیط تعیین می گردد.
وزارت انرژی امریکا فرمولی برای محاسبه SEER برای سیستمهای تهویه مطبوع مسکونی کمتر از ۶۵۰۰۰ BTU/hr (19KW) تعریف کرده است. سازندگان سیستم های تهویه مطبوع COP , EER را معمولا در دماهای داخل و خارج مختلف اندازه گیری می کنند و سپس SEER را محاسبه می کنند و نهایتا نتیجه یک عدد است که میتواند به خریدار در امر خرید و مقایسه آن دستگاه با دستگاه های دیگر یاری رساند.
برای مثال یک دستگاه پنج تنی (۶۰۰۰۰ BTU/hr) را در نظر بگیرید که به طور متوسط هشت ساعت در روز در یک فصل کار می کند (در اواخر فصل گرما ممکن است سیستم تنها ۴ ساعت کار کنر اما از طرفی در اوج گرما نیز روزانه حدود ۱۴ ساعت کار می کند).فرض کنید فصل گرما ۱۸۰ روز است (حدود ۶ ماه) و همچنین فرض کنید این دستگاه با ۲/۳ ظرفیت خود کار می کند پس انرژی سرمایی تولیدی آن به شرح زیر است:
حال فرض کنید SEER سیستم عددی معادل ۱۳ باشد.بنابراین انرژی الکتریکی کل برابر میشود با:
اگر هزینه برق برای هر کیلو وات ساعت ۲۵۰ تومان باشد هزینه برق سیستم مذکور در آن بازه زمانی برابر است با:
EER معمولا تحت شرایطی که در جدول بالا نشان داده شد مشخص می گردد اما SEER طیف وسیعی از دما را در بر می گیرد.
می دانیم که با کاهش اختلاف دما راندمان بالا می رود پس SEER از EER بیشتر است (به طور معمول بین ۱۵% تا ۳۰%).
یک فرمول توسط یک دانشجو برا تبدیل این دو به هم ارائه گردیده است:
بنابراین:
برای مثال اگر EER برابر باشد با ۱۲ میتوان بر طبق محاسبات زیر تخمین زد SEER حدود ۱۴.۴ بدست آید:
این بدان معناست که SEER در حدود ۲۰% بیشتر از EER است اما در عمل و واقعیت با توجه به این که شرایط برای محاسبه SEER را ثابت در نظر می گیریم و بدلیل اینکه ممکن است شرایط محل نصب دستگاه تفاوت زیادی با فرض ما داشته باشد امکان دارد این عدد حتی بیش از این باشد. بنابراین ، نسبت واقعی مشاهده شده در عمل ممکن است تفاوت زیادی با SEER محاسبه شده داشته باشد ، و تخمین دقیق انرژی برای سیستم در طی یک فصل را دشوار می کند.
در ایالات متحده ، DoE حداقل ها را برای SEER مشخص می کند ، که در جدول زیر نشان داده شده است. در ژانویه ۲۰۰۶ قانون تغییر یافت به همین خاطر جدول استانداردهای قدیمی و جدید که ملزم به اعمال آن در ساخت و نصب سیستمهای خانگی هستند را برای مقایسه خدمتتان ارائه می دهیم :
این بدان معناست که SEER در حدود ۲۰% بیشتر از EER است اما در عمل و واقعیت با توجه به این که شرایط برای محاسبه SEER را ثابت در نظر می گیریم و بدلیل اینکه ممکن است شرایط محل نصب دستگاه تفاوت زیادی با فرض ما داشته باشد امکان دارد این عدد حتی بیش از این باشد. بنابراین ، نسبت واقعی مشاهده شده در عمل ممکن است تفاوت زیادی با SEER محاسبه شده داشته باشد ، و تخمین دقیق انرژی برای سیستم در طی یک فصل را دشوار می کند.
در ایالات متحده ، DoE حداقل ها را برای SEER مشخص می کند ، که در جدول زیر نشان داده شده است. در ژانویه ۲۰۰۶ قانون تغییر یافت به همین خاطر جدول استانداردهای قدیمی و جدید که ملزم به اعمال آن در ساخت و نصب سیستم های خانگی هستند را برای مقایسه خدمتتان ارائه می دهیم:
سیستم Split به سیستمی اطلاق می گردد که اواپراتور و کندانسور آن در فضایی متفاوت از هم قرار دارند.لازم به ذکر است کمپرسور معمولا در کنار کندانسور قرار دارد و در فضای بیرون یا روی سقف نصب می گردند. شیر انبساط یا لوله مویین و یا هر تجهیزی که وظیفه منبسط کردن مبرد قبل از اواپراتور را بر عهده دارد در مجاورت اواپراتور قرار می گیرد. اما سیستم Package مثل بقیه سیستم های تبرید شامل چهار جزء اصلی (کمپرسور , کندانسور , شیر انبساط و اواپراتور) است با این تفاوت که در این تیپ سیستم تمامی اجزاء در یک واحد قرار می گیرد و معمولا نیز در فضای بیرونی نصب می گردد و هوای مطلوب از طریق کانال به فضای داخل انتقال پیدا می کند. به این ترتیب و با استفاده از معادله میبینیم سیستمی که با SEER = 13 محاسبه شده است در حدود ۳۰% بازدهی بیشتری نسبت به سیستمی با SEER = 10 دارد.
ضریب راندمان گرمایش فصلی (Heating Seasonal Performance Factor)
مانند SEER این راندمان قابل اندازه گیری سیستم و دستگاه ها دارای دو واحد مستقل BTU/hr و Watt است حال آنکه این آیتم نشان دهنده راندمان سیستم در حالت گرمایشی است و نه سرمایشی بنابراین ایتم ذکر شده فقط برای سیستمهایی که مجهز به تجهیزات گرمایشی هستند (مثل پمپ های حرارتی و یا سیستم های تهویه مطبوع برگشت پذیر) قابل استفاده است. به منظور بدست آوردن ضریب راندمان گرمایش فصلی (HSPF) باید از فرمول زیر استفاده کرد :
به عنوان مثال فرض کنید یک سیستم دارای HSPF = 8 باشد بنابراین از معادله بالا COP = 2.3 بدست می آید و بدین معناست که ۲.۳ برابر برقی که سیستم مصرف میکند , تولید گرما می کند به عبارت دیگر به ازای هر ۱ KWh انرژی الکتریکی که توسط سیستم استفاده می شود ۲.۳ KWh انرژی حرارتی وارد فضا می شود.
کیلو وات به ازای هر تن (KW/ton)
راندمان سیستم های بزرگ تهویه مطبوع صنعتی به ویژه چیلرها بر اساس کیلو وات به ازای هر تن تعیین می گردد تا مشخص گردد به ازای مقدار مشخصی سرمای تولید شده چه مقدار انرژی الکتریکی نیاز داریم.در اینجا بر خلاف EER,SEER,COP,HSPF هرچه عدد کوچکتر باشد نمایانگر راندمان بالاتر سیستم است.
با تمام این تفاسیر برای صحه گذاشتن بر تخمین های زده شده بایستی محاسبات و آزمایشات در شرایط مختلف دمای خارج و داخل و اختلاف دما های مختلف بین آب ورودی و خروجی سیستم صورت پذیرد.میتوانیم با یک معادله ساده KW/ton را به COP تبدیل کنیم و برعکس:
زیرا هر تن تبرید برابر است با ۳.۵۱۷ KW
برای مثال اگر KW/ton برای یک چیلر برابر باشد با ۱.۸ با استفاده از معادله بالا COP برای این سیستم ۱.۹۵ بدست می آید.
بنابراین به ازای هر ۱ KW انرژی الکتریکی دریافتی ۱.۹۵ KW انرژی سرمایی وارد محیط می کند.
اسب بخار (Horse Power)
واحد دیگر مورد استفاده اسب بخار یا HP است که نمایانگر توان و قدرت یک موتور می باشد. همچنین ممکن است از این واحد جهت مشخص کردن توان ورودی به سیستم های تهویه مطبوع نیز به کار برود.قابل ذکر است که ۱ HP معادل است با ۷۴۶ W.
برچسب انرژی (Energy Star)
بر چسب انرژی که در پایین علامت و لوگوی آنرا مشاهده می فرمایید توسط آژانس حفاظت از محیط زیست امریکا (EPA) به دلیل مشخص کردن محصولاتی که راندمان انرژی بالایی دارند بوجود آمد و به این ترتیب خریدار به راحتی میتواند محصول با راندمان بالاتر را شناسایی و خریداری کند.
در ایران برچسب انرژی روی کالاهای مورد استفاده در ساختمان‌ها نصب میشود و نشان‌دهنده ی کیفیت محصولات از نظر مصرف انرژی است.در این برچسب که برای وسیله‌های انرژی‌بر به کار می‌رود، شاخص مصرف انرژی وسیله با استفاده از حروف لاتین A تا G مشخص می‌شوند که هر حرف دارای رنگی مخصوص به خود از سبز تا قرمز است. با استفاده از این برچسب میتوان بازدهی وسایل گوناگون را مقایسه کرد. در این برچسب افزون بر رتبه مصرف انرژی، نام محصول، نام کارخانه تولیدی، مدل محصول و آرم مؤسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران دیده میشود. همچنین در برخی از برچسب‌ها ممکن است برخی از شاخص‌های مورد نظر مصرف‌کنندگان نیز نوشته شود.
حرف A در برچسب انرژی که با زمینه سبز پررنگ نمایش می‌یابد، نشان‌دهنده کمترین مصرف انرژی و بیشترین کارایی وسیله و حرف G که با رنگ قرمز مشخص میشود نشانه ی این است که وسیله دارای بیشترین مصرف و کمترین کارایی است.
برچسب انرژی از چند بخش تشکیل میشود، بخش‌های اول تا سوم به ترتیب عبارتند از علامت تجاری شرکت سازنده، نام شرکت سازنده و مدل دستگاه. حروف لاتین مشخص‌کننده برچسب انرژی در بخش چهارم برچسب مشخص می‌شوند.مصرف انرژی دستگاه بر اساس استاندارد ملی تدوین شده در بخش آزمون استاندارد، در بخش پنجم می‌آید و سایر بخش‌ها بیانگر اطلاعات ویژه همان نوع وسیله است
خلاصه مباحث:
در جدول زیر حداقل استانداردهایی که بایستی برای سیستمهای تاسیساتی و تهویه مطبوع لحاظ گردد آورده شده است که تا امروز مورد استناد هستند اما قطعا با پیشرفت علم تغییر خواهند یافت.
- توان ورودی که با استفاده از معادله ۱ حاصل می شود.
- ۱۰۰۰ BTU/hr = 293.1 W
- ۱ ton توان برودتی سیستم که برابر است با ۱۲۰۰۰ BTU/hr
- مقادیر COP که با استفاده از معادله ۷ و معادله ۱۳ بدست می آید.این موارد تبدیل های تقریبی هستند که فقط در شرایطی که SEER و EER مشخص شده باشند اعمال می شوند.
برخی از موارد از جدول و بدون استفاده از معادله و فرمول قابل استخراج هستند.مثلا با تقسیم توان ورودی (Power Input) بر حسب KW بر توان تبرید سیستم (Size of system) بر حسب ton میتوانیم فاکتور KW/ton را بدست آوریم.به عنوان مثال فرض کنید یک سیستم آب خنک با ظرفیت ۱۳۵۶۰۰ BTU/hr داریم در این صورت و طبق ردیف پایین جدول ظرفیت سرمایی برابر است با ۱۱.۳ ton پس ۱۲.۲ ÷ ۱۱.۳ = ۱.۱ که اگر با معادله هم جلو برویم به همین نتیجه میرسیم:
نتیجه گیری:
راندمان سیستم های تهویه مطبوع با تغییر شرایط تغییر خواهد کرد.اندازه گیری و محاسبه راندمان در شرایط مختلف میتواند دید بهتری نسبت به سیستم به ما بدهد.در مورد سیستم های مسکونی, SEER های ثبت شده به علت متغییر بودن دما لزوما با سیستم ما همخوانی ندارد. همچنین برای سیستم های تجاری ، EER به شما امکان می دهد سیستم های مختلفی را با هم مقایسه کرده و مصرف برق آنها را تقریباً تخمین بزنید.
از آنجا که تولید کنندگان دستگاه ها , سیستم های خود را به روز و بهینه می کنند تا در شرایط تست بهترین عملکرد را کسب کنند ، شما باید در ارزیابی و انتخاب سیستم ها همه جوانب را در نظر بگیرید.
برای یک سیستمی که SEER آن برابر ۱۳ است از معادلات گفته شده در متن میتوان EER = 11.2 و COP = 3.6 را بدست آورد.
حداکثر COP تئوری برای اختلاف دمای ۲ درجه فارنهایت را با استفاده از معادله برابر ۱۰۰ بدست می آوریم که تقریبا ۲۵ برابر این عدد است.
در حالی که در بازار سیستم های مسکونی هستند که SEER بیشتر از ۲۰ دارند اما اکثر سیستم های تجاری و صنعتی راندمانی پایین تر از آنها دارند.
نکته ای که در این مقاله به آن اشاره نشد این است که مهم نیست سیستم در بدو نصب کردن چقدر بهینه باشد بلکه بایستی کارایی آن را پس از گذشت زمان و مواجهه با رسوبات و … سنجید. برای مثال سیستمی که بالافاصله پس از راه اندازی SEER معادل ۱۳ دارد بعد چند سال کار SEER آن به حدود ۱۱ تقلیل پیدا می کند.
- اجرای سیستم های تهویه مطبوع با استفاده از گاز یا منابع دیگر انرژی امکان پذیر است. تمرکز این سند بر سیستم هایی است که توسط نیروی الکتریکی هدایت می شوند.
- تفکیک بین “انرژی” و “توان” مهم است. انرژی توانایی انجام کار است و واحد آن ژول (J) یا واحدهای انگلیسی (BTU). توان انرژی ای است که در واحد زمان صرف می شود (یا میزان انجام کار در یک زمان مشخص) و واحد آن W = J / s یا BTU/hr است.
- گرما انرژی است ، نه توان
- سیستمی با SEER بالاتر انرژی کمتری را نسبت به سیستم دارای SEER پایین تر مصرف می کند.
- اگر دو سیستم تهویه مطبوع مختلف را ارزیابی می کنید ، EER یکی را با EER دیگری مقایسه کنید ، یا SEER یکی را با SEER دیگر مقایسه کنید. مقایسه EER یک سیستم با SEER سیستم دیگر منطقی نیست.
منابع:
- http://www.energystar.gov
- http://www1.eere.energy.gov/buildings/appliance_standards/residential/central_ac_hp.html
- Standard 90.1-2010 by the American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) “Energy Standard for Buildings