Optimalisatie van capaciteitsregeling bij koelinstallaties

Technotour Special Thermische isolatie G88@DJ9:AJ8=I7:=6C9:A>C<

Door Ruud van Dissel Bitzer Benelux bvba, België

Optimizing the capacity control of refrigeration plants

Optimalisatie van capaciteitsregeling bij koelinstallaties

Een nauwkeurige capaciteitsregeling van het compressorkoelvermogen kan tijdens deellast veel elektrische energie besparen. Dat is niet alleen kostentechnisch interessant, maar ook gunstig voor het milieu. Hieronder wordt omschreven met welk capaciteitsregelsysteem en met welk type compressor het meest op energiekosten kan worden bespaard. Het artikel is een bewerking van een presentatie die Ruud van Dissel hield tijdens de Technotour, mede georganiseerd door de firma BITZER, in maart 2009.

Het onderzoek, de ontwikkeling en productie van innovatieve compressoren, condensing units en drukvaten voor toepassingen in de airconditioning- en koeltechniek is steeds meer geconcentreerd op duurzaamheid. Voor een energie-efficiënt systeem zijn de volgende zaken van belang: UÊ-ÞÃÌiiÌÜiÀ« UÊ i`ÀvÃV`ÌiÃ UÊiÕâiÊÕì`ì UÊ >«>VÌiÌÃÀi}iiÌì Dat de eerste drie punten belangrijk zijn voor de algehele energiehuishouding van een installatie, is vrij algemeen bekend. Aan de compressor wordt minder snel gedacht, terwijl de capaciteitsregelmethode van dit apparaat ook een belangrijke invloed heeft op het energiegebruik van koelinstallaties.

Energiewetgeving – nieuwe uitdagingen

De uitstoot van CO2 door koelinstallaties wordt voor 80% bepaald door de primaire energiebehoefte en ‘slechts’ voor 20% door koudemiddellekkages. Hoewel het terugdringen van deze 20% een hoge prioriteit heeft, is de grootste winst te behalen door het energiegebruik van de koelinstallatie terug te dringen. Bijkomend voordeel voor de eindgebruiker is dat, zeker gezien de stijgende tarieven van elektra, het gebruik van de installatie

38

102e Jaargang september 2009

goedkoper zal zijn. De volgende richtlijnen en de binnenkort te verwachten wetgeving zullen van groot belang zijn voor de totale energiehuishouding van koeltechnische installaties. Ook zullen deze richtlijnen bepalend zijn voor de juiste keuze van het koudemiddel en de compressoren met hun regeling. iÊ 1ÊÓäÊqÊÓäÊqÊÓäÀVÌÊÛ>ÌÊ grofweg de volgende vier doelstellingen: UÊÊÓäÓäÊiÌÊìÊÌÌ>iÊÕÌÃÌÌÊÛ>ÊÊ broeikasgassen in Europa 20% lager liggen dan in 1990. UÊ/i}iÊÓäÓäÊiÌÊìÊiiÀ}iivwVl tie met 20% zijn toegenomen. UÊÊÓäÓäÊiÌÊÓä¯ÊÛ>ÊiÌÊiiÀ}i gebruik uit duurzame energiebronnen worden gehaald. UÊÊÓäÓäÊiÌÊ£ä¯ÊÛ>ÊìÊÌÀ>Ã portbrandstof uit biobrandstof bestaan. De Europese F-gassen regelgeving zal waarschijnlijk in 2012 worden herzien, waarbij naar verwachting de maximale GWP-waarde van de koudemiddelen zal worden verlaagd. Al deze maatregelen moeten leiden tot de meest optimale energetische installatie met de juiste koudemidìi]Êâ`>ÌÊìÊ/ 7ÊÜ>>ÀìÊâÊ>>}Ê }iÊLvÌ°Ê iÊ/ 7ÊÜ>>ÀìÊ}iivÌÊ de totale directe en indirecte invloed aan die een koudemiddel heeft op het broeikaseffect. Het voorgaande toont verder aan dat

voor de toekomst de koudemiddelen met het energetisch beste rendement, de laagste GWP-waarde en het laagste lekpercentage (lagedruk koudemiddel) het meest interessant zijn. Voor lage temperatuur-toepassingen is CO2 momenteel het meest geschikte koudemiddel, en voor middelhoge en hoge temperaturen is dit het natuurlijke koudemiddel NH3 of het HFK-koudemiddel R134a. In ontwikkeling zijn de HFO-koudemiddelen, die energetisch vergelijkbaar zijn met de laatstgenoemde HFK en die qua GWP-waarde vergelijkbaar zijn met CO2.

COP-waarde installatie

De COP-waarde van een installatie geeft aan hoeveel koelvermogen men À}ÌÊÛÀÊiÌÊÌiÛiÀiÊÛ>ÊjjÊ kilowatt elektrische energie. Het is dus zaak om er te allen tijde voor te zorgen dat deze COP-waarde zo hoog mogelijk is. Bepalend voor de COP zijn: UÊ i`ÀvÃV`ÌiÃ UÊ-ÞÃÌiiÌÜiÀ« UÊ}ivwVlÌÊÕì`ì UÊ}ÀiìiÌÊV«ÀiÃÃÀÊiÌÊÊÊ optimale capaciteitsregeling UÊÌi}iÌiÊÀi}i}ÊÛ>ÊìÊ installatie ÊiìÀiÊÃÌ>>ÌiÊiÌÊiÊqÊ`ÀÊ middel van een intelligente regeling qÊi}iÊâÀ}iÊÛÀÊiiÊâÊ}Ê mogelijke zuigdruk en een zo laag mo-

Technotour

G88@DJ9:AJ8=I7:=6C9:A>C<

gelijke condensatiedruk. Als richtlijn kunnen we aannemen dat iedere graad lager verdampen en iedere graad ho}iÀÊVìÃiÀi]Ê}iÛiiÀÊÎ¯ÊjjÀÊ energiegebruik zal genereren. Doordat de meeste installaties een groot deel van het jaar in deellast draaien, is een juiste capaciteitsregeling met de hoogst mogelijke COP van de compressor in deellast van zeer groot belang. Bovendien moet men grote fluctuaties in de zuig- en condensatiedruk zien te voorkomen. De meest toegepaste compressoren in de koeltechniek werken volgens het verdringingsprincipe, waarbij het gas a.h.w. wordt opgesloten en vervolgens wordt gereduceerd in volume (compressie), hetgeen tot een drukverhoging leidt. De meest bekende types die worden toegepast zijn de zuiger-, schroef- en scrollcompressor. Hierna wordt voor elk compressortype beschreven welke capaciteitsregelmethode het beste werkt.

Zuigercompressoren

De zuigercompressor biedt de volgende voordelen: UÊ}ÀÌiÊyiÝLÌiÌ\Ê«>ÃÌÊâVÊ>>ÊìÊÊ bedrijfscondities aan UÊ}ÊiiÀ}iÌÃVÊÀiìiÌ UÊ}i`«iÀÊLÊiiÊÌÌÊ`ì}ÀÌiÊÊ slagvolumes UÊiiÛÕ`}ÊÌiÊìÀÕì UÊiiÛÕ`}ÊiÃÞÃÌiiÊiÊ afscheiding UÊivwVlÌiÀÊÊìi>ÃÌ UÊÛiiÊiÌìÊÊV>«>VÌiÌÊÌiÊÊ Ê regelen

naard kwaliteitsniveau behaald. /ìÃÊÛ>ÃÌÊâiÊ>vLii`}Ê£®Ê zijn alle cilinders in bedrijf en is de magneetklep niet bekrachtigd. Hierbij zijn alle gaskanalen geopend en zal de compressor het volle koelvermogen leveren. /ìÃÊìi>ÃÌÊÃÊìÊ>}iiÌi«ÊÜiÊ bekrachtigd en zal de ijzeren kern zich onder invloed van het magnetische veld naar boven bewegen, waardoor er een open verbinding ontstaat tussen de perszijde van de compressor en de bovenzijde van de stuurzuiger. De stuurzuiger zal door de hogere druk naar beneden worden verplaatst, en zo de gasstroming blokkeren, waarbij de betrokken zuigers functioneren in de stationaire toestand zonder druk. Deze regelmethode heeft een zeer hoge efficiëntie, aangezien alleen de mechanische wrijvingsverliezen van de zuigers van invloed zijn op het energiegebruik. Over een breed inzetgebied zal het motorvermogen tijdens deellast in rechtstreekse relatie tot de capaciteit worden gereduceerd (zie afbeelding 2). Door het relatief eenvoudige en robuuste ontwerp kan de schakelfrequentie vrij hoog zijn, zodat een perfecte zuigdrukregeling wordt verkregen. Dankzij de hoge efficiëntie kunnen zuigercompressoren in een groot bereik worden ingezet.

Frequentieregeling

Pas toen er frequentieregelaars waren ontwikkeld voor toerenregeling t.b.v. conventionele (goedkope) asynchrone

motoren, werd deze regeling aantrekkelijk om toe te passen in koelinstallaties. Momenteel wordt de frequentieregeling voor zeer veel toepassingen ingezet (zie afbeelding 3). Er dient echter altijd een afweging te worden gemaakt of de keuze voor het toepassen van frequentieregeling voor koelinstallaties verantwoord is. Als men het energetische rendement van de totale installatie op die manier wil verbeteren, moet er namelijk extra worden geïnvesteerd, en deze investering moet uiteraard wel worden terugverdiend. De volgende zaken dienen in acht te worden genomen bij de keuze voor een frequentiegeregelde compressor in koelinstallaties: UÊ/À>«âiÊV>«>VÌiÌÃÀi}i}ÊÊiiÊÊ breed inzetgebied - zeer nauwkeurige regeling - verminderde schakelfrequentie compressor UÊâiÌÌiÊV«ÀiÃÃÀiÊìÊâÊ beperkt voor mechanische toepassing UÊÀÌiÀÊiÛiÀ}iÊ}iÊ`ÀÊÊ inzetten in het oversynchrone bereik in vergelijking met rechtstreekse netaansluiting UÊ>âiÊ>}iÀiÊÃÌ>ÀÌÃÌÀÊiÌÊÊ vol motorkoppel - geen onbelaste aanloopvoorziening noodzakelijk - lage motorbelasting tijdens opstarten compressor UÊ6iÀìÀìÊiV>ÃViÊLi>ÃÌ}ÊÊ van de compressor, evenals verbeterde smeereigenschappen

De meest gangbare (en ook de meest optimale) capaciteitsregelingen voor zuigercompressoren zijn op dit moment: UÊLÊiÊ>vÃV>iiÊÛ>ÊVìÀÃ UÊvÀiµÕiÌiÀi}i}ÊÌiÀiÀi}i}®

Bij- en afschakelen cilinders

De meest gangbare capaciteitsregeling voor commerciële toepassingen is het bij- en afschakelen van cilinders, waarbij het zuigkanaal naar cilindergroepen wordt geblokkeerd. Dit systeem is in de 70-er jaren ontwikkeld door Bitzer, en dankzij continue optimalisatie heeft het een ongeëve-

Afbeelding 1: vollast en deellast bedrijf


39

Technotour

G88@DJ9:AJ8=I7:=6C9:A>C<

Afbeelding 2: schema factor energiegebruik

Afbeelding 3: schematisch diagram frequentieregelaar voor toerenregeling UÊ>}iÀiÊLi>ÃÌ}ÊV«ÀiÃÃÀÊ`ÀÊÊ verminderde kans op vloeistofslag tijdens opstart Voor een optimaal koppel van de motor moet U/f constant gehouden worden (zie afbeelding 4). Een frequentieregelaar kan geen hogere spanning afgeven dan er door het voedingsnet wordt geleverd. Hierdoor

zal U/f kleiner worden en zal het magneetveld verzwakken, waardoor het door de motor afgegeven koppel `>>Ì°Ê ÌÊÕ`ÌÊÊ`>ÌÊiiÊÌÀÊqÊ die altijd voor een bepaalde voedingsspanning (bv. 400V-3-50Hz) is ontÜÀ«iÊqÊ¼ìÀÛÌ>}i½Êâ>ÊiÛiÀiÊÊ het oversynchrone gebied (>50Hz), en daardoor niet zijn volledige koppel zal

Afbeelding 4: relatie tussen spanning in Volt en frequentie in Hz

leveren. Indien de compressormotor voldoende reservevermogen heeft bij zijn maximale inzetconditie (ca. 25% tot 60Hz), kan dit zeker voordelig zijn voor het installatieontwerp. Mocht onverhoopt de frequentieregelaar defect raken, dan kan de compressor rechtstreeks op het net worden aangesloten en toch koeling leveren. Indien de motor echter al tijdens normaal bedrijf is belast met het maximale koppel, zal een speciale motorversie moeten worden ingezet. Uitgaande van het hiervoor genoemde voedingsnet zijn de volgende motorversies mogelijk: UÊ{ää6ÎÈäâ]ÊâiÌL>>ÀÊÌÌÊÈäâÊÊ (+20% toerental) met vol motorkoppel UÊÓÎä6Îxäâ]ÊâiÌL>>ÀÊÌÌÊnÇâÊÊ (+73% toerental) met vol motorkoppel Het maximale toerental van de compressor verdient extra aandacht! Alle Bitzer compressoren zijn ontworpen voor het oversynchrone bedrijf en kunnen worden ingezet met zeer lage frequenties (20 tot 30 Hz, afhankelijk van compressortype en bedrijfscondities). Hierdoor hebben deze compressoren een bijzonder breed toepassingsgebied. Voor de COP van de compressor is het van belang om de installatie zodanig te ontwerpen dat de compressor het grootste gedeelte van het jaar in het optimale deellastgebied opereert (zie afbeelding 5). Uit deze grafiek blijkt ook dat het

Afbeelding 5: Octagon Efficiency – Deellastbedrijf als functie van COP en frequentie


41

Technotour G88@DJ9:AJ8=I7:=6C9:A>C<

voor de COP beter is om voor een hoger toerental te kiezen dan voor een veel lager toerental. Een speciale ontwikkeling is de Bitzer Octagon compressor (zie afbeelding 6) met aangebouwde frequentieregelaar, die kan worden ingezet tussen 25 en 87 Hz. Het grote voordeel van de aangebouwde frequentieregelaar is dat deze zuiggasgekoeld is, waardoor er geen ventilator nodig is om deze met lucht te koelen en er geen stof in de regelaar kan komen. Daarnaast hoeft er voor de regelaar geen ruimte te worden vrijgemaakt in de schakelkast en is de bekabeling al voorzien bij de compressor.

Schroef- en scrollcompressoren

Schroefcompressoren hebben als voordeel dat zuig- en perskleppen ontbreken. Dit houdt in dat deze compressoren geen schadelijke ruimte hebben, en dat is gunstig voor het volumetrisch rendement. Een ander voordeel van deze compressoren is dat er minder bewegende delen zijn. Het nadeel van roterende compressoren (schroef en scroll) is de vaste interne volumeverhouding. Dit is de verhouding tussen het ingekapselde volume in de aanzuigfase en het uitgedreven volume. Het comprimeren is dus een vaste volumereductie. Zolang de werkdrukken aan zuig- en perszijde niet noemenswaardig veranderen, werken compressoren met een vaste volumeverhouding op de meest economische manier. Schroefcompressoren hebben de volgende twee mogelijkheden voor capaciteitsregeling: UÊ >«>VÌiÌÃÀi}iÃVÕv\Ê`ÀÊìÊ regelschuif uit zijn vollastpositie te schuiven, wordt een opening met een directe verbinding naar de zuigzijde van de compressor gecreëerd, waardoor het gas terugstroomt. Deze opening ontstaat daar waar bij vollast de compressie begint. Daardoor hoeft aan het koudemiddel geen compressiearbeid meer te worden toegevoegd. Men heeft alleen te maken met de stromingsverliezen aan de zuigzijde. /iÊ«âVÌiÊÛ>ÊÛ>ÃÌLi`ÀvÊiiÌÊ de vullingsgraad van de tandholten bij deellast echter af. Daardoor

42


Afbeelding 6: Bitzer Octagon compressor met aangebouwde frequentieregelaar

verandert de inwendige compressie bij constante uitlaat (openingshoek). Om er nu voor te zorgen dat de vaste volumeverhouding gehandhaafd blijft tot 70% van de maximale capaciteit, is de perspoort gedeeltelijk geïntegreerd in de schuif. In verder deellastbedrijf met een te verwachten lagere condensatietemperatuur ontstaat een onafhankelijke VI-regeling, waarbij de volumeverhouding wordt aangepast aan de nieuwe drukverhouding. UÊÀiµÕiÌiÀi}i}\ÊiÀLÊâ>ÊìÊ schuif zich altijd in de 100%-positie bevinden en zijn er geen mogelijkheden voor het aanpassen van de volumeverhouding. Het voordeel van de frequentieregeling is dat men een kleinere compressor kan selecteren

met lagere aanloopstromen van de compressor. De uiteindelijke keuze kan enkel worden gemaakt naar aanleiding van de juiste systeemconfiguratie, rekening houdend met deellastbedrijf, volumeverhouding, systeemeisen en investeringskosten. De capaciteitsregelschuif kan overigens in aanmerking komen voor de Energie Investering Aftrek (EIA). Voor de motoren van frequentiegeregelde schroefcompressoren geldt hetzelfde als voor zuigercompressoren. Een recente ontwikkeling bij Bitzer is een nieuwe generatie frequentiegeregelde schroefcompressoren voor chillers en warmtepompen. Dit concept is gebaseerd op een drie-eenheid,

Afbeelding 7: frequentiegeregelde schroefcompressor bestaande uit: compressor, frequentieregelaar en horizontale afscheider

Technotour

G88@DJ9:AJ8=I7:=6C9:A>C<

Afbeelding 8: ontwerp en werking van de geïntegreerde capaciteitsregeling voor schroefcompressoren bestaande uit compressor, frequentieregelaar en horizontale olieafscheider. Een doorslaggevend argument is het uitzonderlijk brede frequentiebereik van 20 tot 90Hz (zie afbeelding 7). In afbeelding 8 wordt het hydraulische principe van de capaciteitsregelschuif getoond. Een speciale functie van de Bitzerschroefcompressoren is de tweeledige capaciteitsregeling. Zonder aanpassingen aan de compressor kan er worden gekozen voor iiÊÛiÀÌÀ>«ÃÊÀi}i}ÊÓxÊqÊxäÊqÊÇxÊqÊ £ää¯®ÊvÊiiÊÌÀ>«âiÊÀi}i}ÊÓxÊqÊ 100%). De twee toepassingen kunnen eenvoudig worden verkregen door het juist aansturen van de magneetkleppen. Fenomenaal is de geïntegreerde economizer-aansluiting in de capaciteitsregelschuif. Dit maakt het mogelijk om de efficiënte economizerpoort toe te passen in het gehele regelgebied. Ook voor scrollcompressoren zijn er twee mogelijkheden voor capaciteitsregeling. De eerste is het intermitterend uit elkaar liften van de scrolls en de tweede is frequentieregeling. Bij het intermitterend liften van de scrolls wordt steeds teruggegaan naar het onbelast draaien van de compressor. Het al gecomprimeerde gas zal dan weer teruglopen naar de zuigzijde. Met een hoge schakelfrequentie (lage belasting) veroorzaakt dit een grote terugloop van het rendement. Daarnaast leidt dit voor de compressor tot een hoge thermische en mechanische belasting. Bitzerontwikkelt capaciteitsregeling

altijd in functie van het energiegebruik. De enige juiste keuze voor scrollcompressoren is dan ook om de frequentieregeling toe te passen. De scrollcompressoren van BitzeR zijn al ontwikkeld voor een uitgebreid toepassingsgebied. Deze compressoren met frequentieregeling zijn uitgebreid getest. De bedrijfsresultaten zijn uitzonderlijk goed en de deellastefficiency is aanmerkelijk beter dan bij de eerder genoemde regeling.

Geïntegreerde koelsystemen

Bitzerheeft een aggregaat ontwikkeld voor toepassingen met wisselende

koudebelasting of waarbij een grote groep gebruikers afhankelijk is van jjÊÃÞÃÌii°Ê iâiÊ VÃÌ>ÀÕÌÊâÀ}ÌÊ voor een perfecte aanpassing van het koelvermogen aan de belasting (zie afbeelding 9). Dit is mogelijk dankzij een frequentiegeregelde compressor en toerengeregelde condensorventilatoren. Hiermee verkrijgt men een constante temperatuurregeling en een energetisch optimaal bedrijf. De unit is compleet uitgerust met besturing, frequentieregelaar voor de condensorventilatoren en alle benodigde lijn- en beveiligingscomponenten, en is dus snel en eenvoudig te monteren.

Afbeelding 9: Ecostar luchtgekoeld aggregaat met frequentieregeling en intelligente regeling


43

Technotour

G88@DJ9:AJ8=I7:=6C9:A>C<

Afbeelding 10 : Voorblad documentatie Bitzer competence in capacity control

Door het frequentiebereik van de compressor van 25 tot 87 Hz ontstaat een compressorregeling die tot 30% van het maximale koelvermogen terug kan regelen. Hiermee worden belastingvariaties zeer eenvoudig opgevangen. In ECO-bedrijf wordt de condensatiedruk geregeld op basis van de omgevingstemperatuur. Op die manier wordt een zeer hoge systeembesparing verkregen. De regelunit, die in de Ecostar is geïntegreerd, verzorgt de complete aansturing van dit apparaat en zorgt er tevens voor dat de compressor binnen het toegestane werkgebied blijft. Verder is de regelaar voorzien van een weekklok met vier tijdzones per dag. Hiermee kan men bijvoorbeeld een verhoging van de verdampingstemperatuur toepassen voor extra besparing tijdens de nachtelijke uren. Het is ook mogelijk om via de weekklok het geluidsvolume van de ventilatoren op bepaalde tijden te verlagen.

De unit is geschikt voor R134a en R407C in het middelhoge en hoge temperatuurgebied en voor R404A/ R507A in het lage en middellage temperatuurgebied. De Ecostar-units zijn uitermate geschikt voor toepassing bij tankstations, kleine supermarkten en discounters, koel/vries-ruimten, keukens/hotels, bakkerijen, slagerijen en luchtbehandelingsunits. Zie voor meer informatie: BitzerCompetence in Capacity Control A-600-2 (zie ook afbeelding 10).

Samenvatting

Een nauwkeurige capaciteitsregeling van het koelvermogen van de compressor kan tijdens deellast veel elektrische energie besparen. Men moet ernaar streven om onder alle bedrijfsomstandigheden de hoogste COP te bereiken. Dit kan worden gerealiseerd door altijd de hoogst mogelijke zuigdruk en de laagst mogelijke condensatiedruk in het systeem te onderhouden. Bij zuigercompressoren vindt de regeling plaats door afschakeling van cilinders of door frequentieregeling, waardoor een traploze toerenregeling wordt verkregen. Van belang is om de installatie zo te ontwerpen dat de compressor zo lang mogelijk in het optimale deellastgebied werkzaam is, waardoor de hoogst mogelijke COP wordt bereikt. Bij schroefcompressoren wordt het koelvermogen geregeld door de capaciteitsregelschuif of door frequentieregeling. Bij scrollcompressoren zijn de beste resultaten geboekt met frequentieregeling. In dit artikel wordt omschreven met welk capaciteitsregelsysteem en met welk type compressor er het meest op energiekosten kan worden bespaard.

Summary

An accurate capacity control of the compressor refrigeration capacity during part-load operation can save a lot of electrical power consumption.

/iÊ>Ê}>ÊÃÕ`ÊLiÊÌÊÀi>VÊÌiÊ highest possible COP under all operaÌ}ÊV`ÌÃ°Ê/ÃÊV>ÊLiÊ>ViÛi`Ê by always maintaining the highest possible suction and condensation pressure in the refrigeration system. In reciprocating compressors, the capacity control takes place by switching the cylinders on and off or by frequency control, thus making the speed control completely variable. In order to obtain the highest possible COP, it is important to design the refrigeration plant in such a way that the compressor will run as long as possible in the optimum part-load area. In screw compressors, the refrigeration capacity is controlled by the capacity control slide or by frequency control. For scroll compressors, frequency control has proven to be ÃÌÊÃÕVViÃÃvÕ°Ê/ÃÊ>ÀÌViÊìÃVÀbes which combination of capacity control system and compressor type generates the best results in terms of energy cost savings.

MEER INFORMATIE Bitzer Benelux bvba Kattegatstraat 8/7 3500 Hasselt België T: +32 (0) 11 32 53 53 F: +32 (0) 11 32 53 63 I: www.Bitzer.de


45

Optimalisatie van capaciteitsregeling bij koelinstallaties

Recommend Documents