برای محاسبه ظرفیت چیلر های تراکمی و جذبی ابتدا باید کمی در مورد چیلر و ظرفیت چیلر بدانیم. چیلرها تجهیزات مکانیکی هستند که گرمای یک جسم یا یک محیط را با استفاده از سرمایی که تولید می کنند، دفع می کنند. دو نوع چیلر تراکمی و جذبی وجود دارد که می توانند سیال خنک کاری با دمای پایین تولید کنند. چرخه ی این دو چیلر، متفاوت از هم بوده و عملکرد آن ها باعث می شود که هر یک ویژگی های کاری متفاوتی داشته باشند.
ظرفیت چیلر (Chiller Capacity) یا بار چیلر (Chiller Load) میزان خنک کاری است که یک چیلر می تواند فراهم کند. علاوه بر این موارد، برای محاسبه ظرفیت چیلر ها باید با تعدادی از کمیت هایی که در محاسبات چیلرها استفاده می شوند، آشنایی داشته باشیم.
محاسبات چیلرهای تراکمی
محاسبات مربوط به بازده و انرژی در چیلرهای تراکمی تفاوت هایی با سایر دستگاه های مکانیکی از انرژی استفاده می کنند، دارد. به عنوان نمونه، استفاده از بازده در محاسبه چیلر های تراکمی امکان پذیر نیست. دلیل این مسئله، متفاوت بودن نوع انرژی ورودی و خروجی در این چیلرها است. در تمام دستگاه ها، بازده به صورت انرژی خروجی به انرژی ورودی تعریف می شود اما درصورتی که این رابطه را برای یک چیلر تراکمی در نظر بگیریم، بازده برابر با انرژی سرمایشی بر کار ورودی به چرخه خواهد شد. در کاربردهای عملی، چنانچه میزان بازده را محاسبه کنیم، این مقدار بیشتر از 100 درصد خواهد بود و این مطلب، با تعریف بازده در تضاد است؛ چراکه انرژی خروجی باید کمتر از انرژی ورودی باشد.
دلیل بالاتر بودن بازده از 100 درصد، تفاوت نوع انرژی های ورودی و خروجی است. درواقع، ممکن است میزان دو نوع انرژی باهم برابر باشد اما ارزش انرژی های مختلف، یکسان نیست. این مطلب در ترمودینامیک به عنوان کیفیت انرژی شناخته می شود. کیفیت انرژی الکتریکی و مکانیکی، بالاترین میزان است اما کیفیت انرژی گرمایی، بسیار پایین تر است. این بدین معنی است که برای تبدیل انرژی گرمایی به الکتریکی، نیاز به مقدار بیشتری از انرژی گرمایی وجود دارد درحالی که می توان تمام انرژی الکتریکی را به انرژی گرمایی تبدیل کرد. برای اطلاعات بیشتر در مورد چیلر تراکمی چیست و معرفی انواع چیلر تراکمی میتوانید مقاله آن را مطالعه کنید.
با در نظر گرفتن این مطالب، برای مقایسه ی میزان عملکرد چیلرهای تراکمی مختلف، از کمیت هایی مانند ضریب عملکرد (Coefficient Of Performance) یا COP استفاده می شود. ضریب عملکرد در چیلر تراکمی به صورت انرژی مفید خروجی به انرژی ورودی چرخه تعریف می شود. چیلرهای تراکمی با وجود اینکه برای سرمایش استفاده می شوند، قابلیت گرمایش را هم دارند و به همین دلیل، تعریف ضریب عملکرد در دو حالت سرمایش و گرمایش، متفاوت بوده و محاسبه آن به صورت زیر است:
- سرمایش: میزان خنک کاری چیلر در اواپراتور به انرژی ورودی به کمپرسور
- گرمایش: میزان انرژی حرارتی تولیدشده در کندانسور به انرژی ورودی به کمپرسور
ضریب عملکرد نشان دهنده ی بازده چیلر بوده و هرچه این کمیت بیشتر باشد، بازده چیلر نیز بیشتر خواهد بود. در محاسبه ی ضریب عملکرد، ممکن است انرژی مصرفی توسط فن ها، پمپ ها و سیستم های برج خنک کن در نظر گرفته شوند یا بدون در نظر گرفتن این انرژی، کمیت موردنظر محاسبه شود. این نکته باید در محاسباتی که توسط سازنده بیان می شود، ذکر شود. ضریب عملکرد، کمیتی بی بعد است و این ضریب، تنها شرایط و بازده چیلر در بار کامل را نشان می دهد و با استفاده از آن، نمی توان در رابطه با بارهای کمتر از بار نامی اظهارنظر کرد.
تحت شرایط استاندارد و در بار نامی، ضریب عملکرد چیلرهای هوا خنک، بین 3 تا 4.5 و ضریب عملکرد چیلرهای آب خنک، بین 5 تا 7 است. از دیگر کمیت هایی که برای تعیین ویژگی های چیلرهای تراکمی به کار می رود، نسبت بازده انرژی (Energy Efficiency Ratio) یا EER است. این کمیت برای تعیین بازده چیلرهای تهویه مطبوع و پمپ های حرارتی استفاده می شود. این بازده، در شرایط نامی خاص و با استاندارد ویژه ای سنجیده شده و برابر با نسبت کل سرمای خروجی از چیلر یا گرمای دفع شده از سیستم به کل توان الکتریکی ورودی به سیستم است.
EER = Ec / Pa
واحد سرمایش یا Ec برابر Btu/h و واحد انرژی الکتریکی یا Pa، وات است؛ بنابراین واحد EER برابر با Btu/Wh خواهد بود. همانند ضریب عملکرد، بالاتر بودن ضریب بازده انرژی به معنای بالاتر بودن بازده چیلر است.
برای مطالعه بیشتر میتوانید مقالات چیلر تراکمی هوا خنک چیست و طرز کار چیلر هوا خنک و چیلر تراکمی آب خنک چیست و اجزای چیلر آبی را بخوانید تا در مورد چیلرهای تراکمی بیشتر بدانید.
محاسبات چیلرهای جذبی
در چیلرهای جذبی، بازده انرژی بر اساس سوخت مصرفی به ازای تن تبرید بیان می شود درحالی که در چیلرهای تراکمی، این بازده بر اساس انرژی مصرفی کمپرسور به ازای تن تبرید بود. در مقاله تن تبرید چیست و نحوه محاسبه واحد تن تبرید در مورد تن تبرید کامل توضیح داده شده است. در این چیلرها نیز ضریب عملکرد، تعریف شده و در این صورت، میزان سوخت مصرفی بیان می شود. رنج ضریب عملکرد برای چیلرهای جذبی تک اثره با منبع گرمایی آب گرم یا بخار، 0.6 تا 0.75 است. این رنج برای چیلرهای جذبی با منبع گرمای یکسان که دو اثره هستند، 1.2 و برای چیلرهای جذبی شعله مستقیم دواثره، 1.13 است.
با توجه به محدوده ی ضریب عملکرد در چیلرهای جذبی، نوع تک اثره با منبع گرمای آب گرم یا بخار دارای پایین ترین بازده و چیلرهای دو اثره دارای بازده بالاتری هستند. در بخش قبل، ضریب عملکرد را برای چیلرهای تراکمی بررسی کردیم و این ضریب به طور میانگین در حدود 4 بود. با مقایسه ی ضریب عملکرد برای چیلرهای جذبی و تراکمی، واضح است که این ضریب برای چیلرهای تراکمی در حدود 3 برابر بیشتر است.
به همین دلیل تنها با مقایسه ی COP می توان نتیجه گرفت که بازده چیلرهای جذبی بسیار پایین تر از چیلرهای تراکمی است اما این مطلب به هیچ وجه صحیح نیست. درصورتی که تفاوت هزینه ی الکتریکی و گرمایی مشخص شود، نتیجه کاملاً برعکس خواهد بود؛ زیرا انرژی گرمایی بسیار ارزان تر از انرژی الکتریکی است.
همچنین برای تولید انرژی الکتریکی، چندین برابر انرژی گرمایی نیاز بوده و در انتقال این انرژی، تلفات زیادی نیز وجود دارد. البته باید این نکته را در نظر گرفت که از چیلرهای جذبی به دلیل ساختار و عمکلرد بسیار پیچیده و هزینه ی بالای آن ها معمولاً در صورت عدم دسترسی به انرژی الکتریکی استفاده می شود. به همین دلیل بستر موردنیاز برای استفاده ی نوع چیلرهای تراکمی و جذبی کاملاً متفاوت از هم بوده و مقایسه ی آن ها کار درستی نیست و این موارد را باید در محاسبه ظرفیت چیلر در نظر داشت. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد چیلر جذبی میتوانید مقاله چیلر جذبی چیست؟ انواع چیلرهای ابزوربشن را بخوانید.
محاسبه ظرفیت چیلر فرایند
میزان بار یک چیلر و دمای مورد نیاز معمولاً مهم ترین عواملی هستند که در انتخاب یک چیلر نقش دارند. علاوه بر این، انتخاب ظرفیت مناسب یک چیلر، کلیدی ترین مرحله برای پیاده سازی یک فرایند خنک کاری است. اطمینان از این که سیستم خنک کاری یا همان چیلر، توانایی و ظرفیت کافی برای انجام مأموریت خود را دارد، ضروری است. انجام محاسبه ظرفیت چیلر برای چنین مواردی در صورت مشخص بودن دو کمیت زیر، آسان خواهد بود:
- اختلاف دمای (ΔT) بین آب ورودی (Tinlet) و خروجی (Toutlet) از اواپراتور
- نرخ دبی جرمی آب (m) در اواپراتور
درصورتی که دو کمیت بالا مشخص باشند، ظرفیت چیلر از رابطه ی زیر به دست می آید:
Q= 4.2 * m* ΔT
Q همان بار چیلر است. در رابطه ی بالا، درصورتی که دبی جرمی با واحد کیلوگرم بر ثانیه و اختلاف دما با واحد درجه ی سلسیوس یا کلوین باشند، واحد بار چیلر، کیلووات خواهد بود.
میزان بار سرمایشی در واحد SI معمولاً به صورت kW بیان می شود اما واحد دیگری به نام تن یا تن تبرید نیز کاربرد زیادی برای بیان ظرفیت چیلرها و سیستم های تبرید دارد. هر تن تبرید برابر با 3.517 کیلووات بوده و طبق تعریف، چیلری که دارای ظرفیت یک تن است، می تواند در طول 24 ساعت، یک تن آب با دمای صفر درجه ی سلسیوس را به یخ تبدیل کند.
رابطه ی بالا تنها برای آشنایی با روند محاسبه ظرفیت چیلر ذکر شد و در یک پروژه ی واقعی، شروع محاسبات از این رابطه نخواهد بود. درواقع در اکثر پروژه ها، ابتدا بار چیلر یا همان میزان خنک کاری مورد نیاز، محاسبه شده و پس ازآن، اختلاف دما و دبی آب خنک کاری به دست می آیند. برای فرایندهای خنک کاری که دمای آب ورودی و خروجی و دبی جرمی مشخص نیست، ظرفیت خنک کاری با استفاده از رابطه ی ساده شده ی زیر به دست می آید:
Q = [ (ρ*V*cp)material + (ρ*V*cp)bath fluid ]*ΔT / t
در این رابطه ، کمیت ها عبارت اند از:
- t زمان با واحد ثانیه
- ρ چگالی با واحد کیلوگرم بر مترمکعب
- V حجم با واحد مترمکعب
- cp گرمای ویژه ی فشارثابت
نکته ی مهم در رابطه ی بالا، در نظر گرفتن خواص حرارتی جسمی گرم شده (material) است. چیلر، علاوه بر خنک کاری جسم، دمای خود سیال خنک کاری (bath fluid) را پایین آورده و در این دما نگه می دارد که این نکته نیز باید در محاسبه ظرفیت چیلر در نظر گرفته شود. در صورتی که در مواد موجود در پروژه، تغییر فازی صورت بگیرد، گرمای نهان نیز باید به محاسبات بالا اضافه شود.
رابطه ای که بیان شد، معمولاً در فرایندهایی به کار گرفته می شود که می توان از طریقی گرمای به وجود آمده را محاسبه کرد. این گرما را می توان با توان مصرفی تجهیزات، میزان موادی که واکنش شیمیایی می دهند و هر روش دیگری به دست آورد. معمولاً علاوه بر ظرفیت سرمایش، کمیت های زیر نیز برای تعیین نحوه ی استفاده از چیلر لازم هستند.
- محدوده ی دمایی سیال خنک کننده
- بار سرمایشی در دماهای مختلف
- تجهیزات الکترونیکی موردنیاز
- تجهیزات پایش و کنترل دمای خارجی
- تجهیزات مربوط به فیلتر
معمولاً ضریب اطمینانی که به بار چیلر اعمال می شود، بین 20 تا 30 درصد بیشتر از ظرفیت سرمایشی محاسبه شده است. ظرفیت اضافه ای که به عنوان ضریب اطمینان محاسبه می شود، باید برای پایین ترین دمای سرمایشی، محاسبه و اعمال شود.
محاسبه ظرفیت چیلر تهویه مطبوع
هدف از محاسبه ظرفیت چیلر های تهویه مطبوع، انتخاب بهترین و کارآمد ترین چیلر برای کاربرد موردنظر است. درصورتی که محاسبات ظرفیت چیلر در این بخش به درستی انجام شده و چیلر انتخاب شده مطابق با محاسبات باشد، بازده چیلر در حین کار بالا بوده و می توان طول عمر بالایی برای چیلر تصور کرد اما درصورتی که در انجام محاسبه های ظرفیت چیلر ایرادی وجود داشته باشد، چیلر انتخاب شده کوچک تر یا بزرگ تر از اندازه ی موردنیاز خواهد بود.
این چیلر در حین کار، بازده پایینی داشته و ممکن است طول عمر بسیار پایینی داشته باشد؛ بنابراین انجام محاسبه ظرفیت چیلر به صورت دقیق، گام مهمی برای افزایش کارآمدی سیستم های سرمایشی است. گرمای ساختمان به چهار روش زیر تلف می شود:
- از طریق دیوارها، کف و سقف و سایر اجزای ساختمان مثل پنجره در سه حالت انتقال حرارت رسانش، همرفت و تابش
- از طریق هوای ورودی با دمای بالا (زمانی که فن خاموش باشد.)
- بار گرمایی به دلیل وسایل موجود در ساختمان
- گرمای ناشی از منابع گرما مانند چراغ ها، یخچال ها و تجهیزات پخت وپز و تعداد نفرات
معمولاً بین 5 تا 15 درصد از بار چیلرها به اتلاف از سطوح اختصاص می یابد. این اتلاف همان انرژی است که به دلیل اختلاف دما به وجود می یابد و هر چه میزان اختلاف دمای داخل و خارج از ساختمان بیشتر باشد، میزان این اتلاف نیز بیشتر خواهد بود. اگر محلی که در حال خنک کاری است، در معرض نور مستقیم ساختمان باشد، افزایش دما به دلیل انتقال گرما از طریق مکانیسم تابش نیز باید در نظر گرفته شود.
میزان بار چیلر که صرف پایین آوردن دمای تجهیزات و وسایل درون یک ساختمان می شود، در حدود 55 تا 75 درصد است. این مورد شامل افراد و وسایلی که است که وارد اتاق می شوند. همچنین انرژی لازم برای پایین نگه داشتن وسایل داخل ساختمان نیز جزو همین مورد به حساب می آید. درصورتی که مانند سردخانه ها، تغییر فازی در مواد داخل ساختمان وجود داشته باشد، گرمای نهان میعان یا انجماد نیز باید به محاسبات ظرفیت چیلر اضافه شود.
منابع گرمای داخل ساختمان، در حدود 10 تا 20 درصد را در محاسبه ظرفیت چیلر را به خود اختصاص می دهند. این گرما به دلیل افراد حاضر در ساختمان، تجهیزات روشنایی و سایر ماشین آلات ایجاد می شود. همچنین تجهیزات سرمایشی داخل ساختمان در حدود 1 تا 10 درصد بار چیلر را به خود اختصاص می دهند. برای محاسبه ی کامل این مورد، نیاز به دانستن توان فن ها و زمان روشن بودن آن ها است.
با استفاده از داده هایی که از ساختمان های تازه تأسیس به دست آمده است، بار سرمایشی حداکثر برای چیلرهای تهویه مطبوع در ساختمان های اداری بین 360 تن بر فوت مربع یا 9.5 کیلووات بر متر مربع، در هتل ها 350 تن بر فوت مربع یا 9.3 کیلووات بر مترمربع و در ساختمان های مسکونی متوسط 700 تن بر فوت مربع یا 18.5 کیلووات بر متر مربع است. به دلیل تفاوت در استفاده از سیستم های خنک کاری و فرضیات ایمنی و طراحی، بار واقعی که در عمل استفاده می شود، پایین تر از مقادیر ذکرشده است.
به علاوه، این بار به دلیل متغیرهای غیرقابل پیش بینی، بیشتر از بار موردنیاز انتخاب می شود که این عامل هم باعث می شود میزان بار کاری بسیار کمتر از بار نامی چیلر باشد. در اغلب موارد، باری که سیستم در آن کار می کند، فاصله ی زیادی با بار نامی دارد اما طراحی سیستم باید به گونه ای انجام شود که بازده، حتی در بارهای کم، افت زیادی نداشته باشد. طبق همین داده هایی که از ساختمان های مختلف به دست آمده، میزان بار متوسط در ساختمان های اداری 54 تا 100 وات بر مترمربع، در هتل ها 40 تا 98 وات بر مترمربع و در ساختمان های کوچک 93 تا 195 وات بر مترمربع است. همچنین میزان بار سرمایشی در هتل ها در طول شب، کمتر از 60 تا 70 درصد بار متوسط در طول روز است.
بارهایی که قبلاً میزان آن ها ذکر شد، ممکن است وابسته به فصل و ساعات شبانه روز باشند. داده هایی که در این بخش ارائه شد، بر اساس داده های تجربی محدودی محاسبه شده اند و تنها با اتکا به آن ها نمی توان به بهترین نتیجه برای تمام آب و هواهای شهرهای مختلف رسید. علاوه بر این، طراح سیستم خنک کاری باید شرایط مختلف کاری و بارهایی که در طول شبانه روز و در شرایط مختلف به چیلر اعمال می شود را در محاسبه ظرفیت چیلر نظر بگیرد تا به بهترین انتخاب ممکن برسد.