چیلر

مصرف انرژی در سیستم‌های تهویه مطبوع، به ویژه چیلرها، بخش قابل توجهی از هزینه‌های عملیاتی ساختمان‌ها و صنایع را تشکیل می‌دهد. چیلرها اغلب برای کار در شرایط حداکثر بار طراحی می‌شوند، اما در بیشتر مواقع در بارهای جزئی کار می‌کنند. در این شرایط، استفاده از درایوهای فرکانس متغیر (VFD) می‌تواند به طور چشمگیری مصرف برق را کاهش داده و راندمان سیستم را بهبود بخشد. این مقاله به بررسی اصول عملکرد VFDها، چگونگی تأثیر آن‌ها بر کاهش مصرف انرژی چیلر و مزایای اقتصادی و زیست‌محیطی حاصل از به‌کارگیری این فناوری می‌پردازد. نتایج نشان می‌دهد که VFDها با تنظیم دقیق سرعت کمپرسور و پمپ‌ها، منجر به بهینه‌سازی بار، کاهش استهلاک و صرفه‌جویی قابل توجه در مصرف انرژی می‌شوند.

 با افزایش آگاهی نسبت به مصرف انرژی و تأثیرات زیست‌محیطی آن، بهینه‌سازی سیستم‌های سرمایشی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار شده است. چیلرها به عنوان قلب سیستم‌های سرمایشی، مصرف‌کنندگان عمده برق هستند. اغلب، چیلرها با ظرفیت ثابت و برای پاسخگویی به بالاترین نیاز سرمایشی طراحی و نصب می‌شوند. با این حال، نیاز سرمایشی واقعی در طول روز، ماه و فصول مختلف سال متغیر است و به ندرت به حداکثر ظرفیت می‌رسد. کارکرد یک چیلر با ظرفیت ثابت در بارهای جزئی، منجر به راندمان پایین و مصرف انرژی مازاد می‌شود. درایوهای فرکانس متغیر (VFD)، با ارائه قابلیت تنظیم سرعت و به تبع آن ظرفیت تجهیزات، راه‌حلی موثر برای غلبه بر این چالش‌ها و کاهش قابل توجه مصرف برق چیلرها ارائه می‌دهند.

درایو فرکانس متغیر (VFD) چیست؟ درایو فرکانس متغیر (VFD) که با نام‌های اینورتر یا درایو سرعت متغیر (VSD) نیز شناخته می‌شود، دستگاهی الکترونیکی است که با تغییر فرکانس و ولتاژ برق ورودی به یک موتور الکتریکی، سرعت چرخش آن را کنترل می‌کند. این کنترل دقیق سرعت، امکان تطبیق خروجی موتور را با نیاز واقعی بار فراهم می‌کند. در مورد چیلرها، VFDها عمدتاً برای کنترل سرعت کمپرسورها، پمپ‌های آب چیلد و پمپ‌های آب کندانسور (برج خنک‌کننده) به کار می‌روند.

 نقش VFDها در کاهش مصرف برق چیلرها

کاهش مصرف برق با استفاده از VFD در چیلرها از چندین جنبه صورت می‌گیرد:

کنترل سرعت کمپرسور

کمپرسور بزرگترین مصرف‌کننده انرژی در چیلر است. در چیلرهای قدیمی یا بدون VFD، کمپرسورها با سرعت ثابت کار می‌کنند و برای تنظیم ظرفیت سرمایشی، از روش‌هایی مانند شیرهای هات-گاز بای‌پس، کنترل سیلندر (در کمپرسورهای پیستونی) یا سیستم‌های دیفرانسیلی (در کمپرسورهای اسکرو) استفاده می‌شود که همگی باعث کاهش راندمان می‌شوند. با استفاده از VFD برای کمپرسور:

• تطبیق دقیق بار: VFD سرعت کمپرسور را متناسب با بار حرارتی واقعی تنظیم می‌کند. این بدان معناست که کمپرسور تنها به اندازه نیاز انرژی مصرف می‌کند، نه بیشتر.

• کاهش مصرف توان غیرخطی: بر اساس قوانین فن (Fan Laws) یا قوانین پمپ (Pump Laws)، توان مصرفی متناسب با مکعب سرعت است. یعنی، کاهش اندکی در سرعت، منجر به کاهش چشمگیری در مصرف توان می‌شود. این قانون برای کمپرسورهای سانتریفیوژ و اسکرو نیز تا حدودی صادق است و با کاهش سرعت، مصرف توان آن‌ها به شدت کاهش می‌یابد.

• بهبود ضریب عملکرد (COP) در بار جزئی: VFDها به چیلر امکان می‌دهند که در بارهای جزئی (که اکثر ساعات کارکرد چیلر را تشکیل می‌دهند) با راندمان بالاتری کار کنند. این امر منجر به افزایش چشمگیر ضریب عملکرد بار جزئی یکپارچه (IPLV) یا ضریب بهره‌وری انرژی بار جزئی یکپارچه (IEER) چیلر می‌شود.

کنترل سرعت پمپ‌های آب چیلد و آب کندانسور

پمپ‌های سیستم چیلر (پمپ‌های سیرکولاسیون آب چیلد و پمپ‌های آب کندانسور) نیز مصرف‌کنندگان قابل توجهی از انرژی هستند. در سیستم‌های سنتی، این پمپ‌ها با سرعت ثابت کار می‌کنند و دبی آب از طریق شیرهای کنترلی (بالانسینگ ولو) تنظیم می‌شود که این روش باعث ایجاد افت فشار و اتلاف انرژی می‌شود. با استفاده از VFD برای پمپ‌ها:

• کاهش مصرف توان بر اساس قوانین فن/پمپ: همانطور که ذکر شد، توان مصرفی پمپ متناسب با مکعب سرعت است. با کاهش سرعت پمپ‌ها توسط VFD، مصرف انرژی آن‌ها به شدت کاهش می‌یابد.

• حفظ اختلاف فشار ثابت: VFD می‌تواند سرعت پمپ را به گونه‌ای تنظیم کند که اختلاف فشار مورد نیاز در سیستم ثابت بماند، در حالی که دبی جریان متناسب با بار کاهش می‌یابد.

• بهبود انتقال حرارت در کندانسور: در سیستم‌های آب خنک، با کاهش دمای آب ورودی به کندانسور (مثلاً در فصول سرد یا در ساعات شب)، می‌توان سرعت پمپ آب کندانسور و فن‌های برج خنک‌کننده را کاهش داد و همچنان انتقال حرارت کافی را حفظ کرد، که این امر منجر به صرفه‌جویی در مصرف برق می‌شود.

مزایای جانبی

• کاهش جریان راه‌اندازی (Inrush Current): VFDها جریان راه‌اندازی موتور را کنترل کرده و از پیک‌های جریانی بالا در لحظه استارت جلوگیری می‌کنند که این امر باعث کاهش فشار بر شبکه برق و افزایش طول عمر تجهیزات می‌شود.

• کاهش استهلاک مکانیکی: کنترل نرم سرعت و حذف شوک‌های ناشی از راه‌اندازی و توقف ناگهانی، به کاهش سایش و پارگی اجزای مکانیکی چیلر و پمپ‌ها کمک کرده و نیاز به نگهداری را کاهش می‌دهد.

• کنترل دقیق‌تر دما: VFDها امکان کنترل دقیق‌تر دمای آب چیلد را فراهم می‌کنند، که این امر به بهبود آسایش کاربران و پایداری فرآیندهای صنعتی کمک می‌کند.

 محاسبات و صرفه‌جویی انرژی

برای درک بهتر صرفه‌جویی، به یک مثال ساده توجه کنید: اگر سرعت یک پمپ توسط VFD به 80% سرعت نامی کاهش یابد (کاهش 20% سرعت):

• دبی جریان نیز تقریباً به 80% کاهش می‌یابد.

• فشار تولیدی پمپ تقریباً به (0.8)2=0.64 (64%) کاهش می‌یابد.

• توان مصرفی پمپ تقریباً به (0.8)3=0.512 (51.2%) کاهش می‌یابد. همانطور که مشاهده می‌شود، کاهش 20 درصدی در سرعت، منجر به کاهش تقریباً 49 درصدی در مصرف توان می‌شود. این اصل در مورد کمپرسورها نیز صادق است، هرچند معادلات پیچیده‌ترند. در عمل، میزان صرفه‌جویی انرژی بسته به پروفایل بار چیلر، نوع کمپرسور، ساعات کارکرد و طراحی کلی سیستم متغیر است. اما مطالعات متعدد نشان داده‌اند که VFDها می‌توانند 20% تا 50% یا حتی بیشتر در مصرف برق چیلرها صرفه‌جویی ایجاد کنند.

ملاحظات نصب و نگهداری VFDها

نصب و راه‌اندازی VFDها نیازمند دانش فنی خاصی است. برخی ملاحظات کلیدی عبارتند از:

• انتخاب VFD مناسب: VFD باید متناسب با توان و نوع موتور (تک فاز یا سه فاز، نوع کمپرسور) انتخاب شود.

• فیلترهای هارمونیک: VFDها می‌توانند هارمونیک‌های جریان و ولتاژ تولید کنند که ممکن است بر کیفیت توان شبکه اثر بگذارد. استفاده از فیلترهای هارمونیک می‌تواند این مشکل را کاهش دهد.

• سیستم خنک‌کننده VFD: VFDها حرارت تولید می‌کنند و نیاز به تهویه مناسب دارند.

• یکپارچگی با سیستم کنترل: VFDها باید به درستی با سیستم کنترل مرکزی چیلر (BMS) یکپارچه شوند تا حداکثر کارایی حاصل شود.

• کالیبراسیون و تنظیمات اولیه: تنظیمات اولیه VFD باید بر اساس مشخصات موتور و بار انجام شود.

نتیجه‌گیری درایوهای فرکانس متغیر (VFD) یک فناوری اثبات شده و بسیار مؤثر برای کاهش مصرف برق در چیلرها هستند. با ارائه قابلیت کنترل دقیق سرعت کمپرسورها و پمپ‌ها، VFDها امکان تطبیق ظرفیت سرمایشی با بار واقعی را فراهم کرده و از کارکرد غیرضروری و پرمصرف جلوگیری می‌کنند. صرفه‌جویی قابل توجه در هزینه‌های برق، کاهش استهلاک تجهیزات، افزایش طول عمر چیلر و بهبود کنترل دما، همگی از مزایای کلیدی استفاده از VFDها محسوب می‌شوند. با توجه به افزایش قیمت انرژی و لزوم کاهش ردپای کربن، سرمایه‌گذاری در VFDها برای بهینه‌سازی سیستم‌های چیلر، یک گام هوشمندانه و پایدار به شمار می‌رود.