Poređenje EH kondenzatora i erkondišna

REZIME

Cilj rada je procena performansi evaporativnog kondenzatora erkondišna (ECAC). Sistem je testiran pod raznim uslovima ambijenta T/RH u raznim klimatskim zonama (CZ) za ovu teritoriju. Unutrašnji uslovi su držani po test standardu (AHRI) 210/240. Testiranje je tako koncipirano da se snime neto promene u rashladnom kapacitetu, ukupna potrošnja energije, EER i potrošnja vode. Rezultati testa pokazuju da pod AHRI test uslovima ova jedinica radi sa EER od 13.5 [Btuh/W] tj oko 4 [Wh/W].

Performanse uređaja su zatim poređene sa performansama erkondišna koji se hladi vazduhom koji je pre toga testiran u TTC laboratoriji pod sličnim ambijentalnim uslovima DBT. Poređene su varijacije kapaciteta rashlade, ukupne potrošnje energije i EER. Pod najtežim uslovima u suvoj klimi DBT=115° [F] (oko 46°C), i WBT=74° [F] (oko 23°C), ECAC je imao EER koji je bio za 51% viši od onog koji je imao vazduhom hlađeni sistem pod sličnim uslovima. Zbog svojih visokih performansi u toplim i suvim uslovima, ECAC se uključuje u program podsticaja energetske efikasnosti SCE.

Pozadina

Erkondišni čine grubo trećinu vrha potrošnje EE u Kaliforniji. Efikasnost standardnih erkondišn uređaja opada kako DBT raste. Široka upotreba energetski efikasnih erkondišn uređaja dovela bi do snačajnog smanje potrošnje EE u državi. Međutim, postoje nejasnoće u vezi performansi uređaja po pitanju razlika u klimi, potrošnje vode i održavanja što čini da su ECAC uređaji malo zastupljeni na tržištu.

 Ciljevi

Primarni cilj projekta je da proceni performanse ECAC u opsegu uslova date klimatske zone. Ostali viljevi su otkrivanje slabljenja performansi u sve težim klimatskim uslovima, potrošnja vode uređaja, poređenje normalizovanih performansi sa postojećim rezultatima jedinice sa krova  (RTU), i identifikacija daljih prilaka za procenu.

Pristup

Niz lab testova u TTC prati protokole propisane od ASHRAE 37-2005: Methods of Testing for Rating Electrically Driven Unitary Air-Conditioning and Heat Pump Equipment. Unutrašnji uslovi se održavaju na 80°F/67°F (oko 27°C/19°C) po AHRI 210/240, Tabela 1.

Rezultati baznih testova po AHRI uslovima ambijenta poređeni su sa ECAC testovima proizvođača. Pronađena slaganja između ovih podataka daju poverenje u Nezavisne TTC rezultate. Svaki test izveden je u ustaljenim uslovima u periodu od barem dva sata. Svi testovi su urađeni sa propisanim i kvalutetnim uređajima za merenje. Sistem akvizicioje podataka programiran je da obrađuje i usrednjava 100 očitavanja iz 110 kanala podataka svakih 20 s.

Računanje kapaciteta, energije, EER i potrošnje vode uređaja rađeno je u svim ambijentalnim uslovima, po metodi definisanom od ASHRAE Standard 37 -2005 and AHRI 210/240-2003. Performanse ECAC sistema su normalizovane i poređene sa prethodnim testovima vazduhom hlađene krovne jedinice RTU.

Opis ECAC tehnologije

Testiran je kućni ECAC split sistem, kapaciteta rashlade 3 tone (10.5 kW) sa freonom R-410a. U prostoru je standardni A isparivač oga kontroliše termostatski EXV. Napolju je evaporativno hlađen kondenzator.

Standsrdni vazduhom hlađšeni kondenzatori su jednostavni izmenjivači toplote tipa freon-vazduh, u kojima se prenosi osetna toplota sa visokopritisnog i visokotemperaturnog freona na radnu struju spoljnog vazduha temperature DBT. U ECAC, izbacivanje toplote freona ide pre svega preko latentne toplote isparavanja vode u radnu struju spoljnog vazduha. Prenos latentne toplote zavisi od WBT spoljnog vazduha.

Postoje razne konstrukcije ECAC. Na primer, terenska evaluacija koju je izvela Solar Energy and Energy Conversion Laboratory (Goswami et al. 1993) proučavala je ove efekte na retrofit dizajnu. U tom slučaju voda se vodila preko isparivačkog medijuma, kroz koji je strujao spoljni vazduh. Rezultat je prethodna podhlada vazduha pre nego što dođe do kondenzatora. Na ovaj način se snižava DBT i povećava njena sposobnost skidanja osetne toplote sa freona.

Druga opcija, koristi prototip u kome je kondenzator potpuno potopljen u vodeni bazen dok se struja ambijentalnog vazduha prevodi preko niza delom potopljenih obrtnih diskova. Diskovi održavaju vlažan film na svojoj površini i kako se obrću, oni ubacuju deo tog filma u struju ambijentalnog vazduha. Efektom evaporativnog hlađenje snižava se temperatura ostatka filma a ostatak hladnije vode se vraća u bazen sa vodom. Osetni prenos toplote dešava se zbog ΔT između freona u kondenzatoru i vode u bazenu.

U konkretnom dizajnu, vodeni film se održava na kondenzatoru stalnim prskanjem, dok se istovremeno vazduh prevlači preko kondenzatora. U ovoj aplikaciji, postoji prenos toplote u dva koraka. U prvom, ΔT između freona i vodenog filma prenosi toplotu sa freona na taj film. U drugom, kombinacija entalpijetemperature i vodene pare između vazdušno-vodenog filma i struje vazduha podstiče prenos mase vode sa filma na struju vazduha. (ASHRAE 2004).

Uključivanje vode u struju vazduha stvara efekat rashlade, koji je u stvari jednak latentnoj toploti isparavanja vode. Zbog toga se toplota freona može izbaciti na kondenzatoru. Prenos toplote na spoju vodeni film/struja vazduha definiše ASHRAE (ASHRAE 2004) kao primarni uticaj Δh između vodenog filma i vazduha koji struji, i približno je direktno srazmeran sa WBT vazduha i temperaturom vodenog filma.

Diskusija rezultata

Rezultat baznog testa pokazuje skoro isti kapacitet rashlade koji je dao proizvođač ali uz 13% veću potrošnju energije, što vodi ka 12% smanjenju EER u poređenju sa onim što dsaje proizvpđač, Slika 1. Deo razlike u energiji je rezultat korišćenja unutrašnjeg ventilatora ASHRAE snage 438 W za tesiranja i proračune kod proizvođača. SCE testovi korise stvarne merene vrednosti snage ventilatora za određivanje ukupne energije. Ovo vodi ka 3% razlike energije u ECAC sistemu, tj oko 2% razlike u EER. Nisu postojale informacije o tačnosti instrumentacije koju je koristio proizvpđač. Verovatno je preostala razlika deo sistemskih i slučajnih grešaka vezanih za instrumente koje koriste proizvođač i TTC laboratorija.

Sa Slike 1 se vidi da se neto rashlada proizvođača i TTC slažu. Bazni i dodatni rezultati za razne klimatske zone  dati su na Slikama 2 i 3. (po rastućim WBT).

Slika 3. Promene ukupne snage i kapaciteta rashlade u ECAC sistemu

EER je bio najniži 13.1 Btuh/W u uslovima HDAC, i najviši 14.6 Btuh/W u CZ6. Neto kapacitet rashlade je bio najniži 34.3 MBH (oko 10.05 kW)u HDAC uslovima, i najviši 36.3 MBH (oko 10.64 kW) u CZ6. Ukupan zahtev za snagom bio je najviše 2.6 kW u HDAC uslovima, i naniži 2.5 kW u CZ 6.

 Poređenje performansi sa vazduhom hlađenim AC

2004, izvedeni su testovi u ustaljenom stanju u TTC za procenu performansi RTU hlađene vazduhom od 5 tona (17.5 kW) pod raznim DBT (Faramarzi et al. 2004). Testirani su standardni i visokoefikasni modeli od tri proizvođača. Zbog donošenja generalnih zaključaka rezultati sa svih šest jedinica su uprosečeni i prikazani na Slici 4.

Slika 4.  Performanse krovne jedinice (RTU) hlađene vazduhom

Promene performansi svakog uređaja hlađenog vazduhom procenjivane su na DBT=85-115°F. (29-46°C). Ovaj opseg DBT je sličan onom iz ECAC procene (83-115°F). Unutrašnji uslovi su bili po AHRI 210/240 i to 80°F/67°F (27°C/19°C).

U svrhu poređenja, indikatori performansi su normalizovani po nominalnom kapacitetu pri AHRI test uslovima. Procenjivani su kapacitet rashlaee i EER. Svi procenjivani parametri značajnije variraju za vazdušne jedinice sa rastom DBT.

Slika 4 pokazuje promene perfoprmansi sa rastom DBT. Neto rashlada bila je najniže 56.8 MBH (16.6 kW) pri 115°F (46°C), i najvie 65.5 MBH (19.2 kW) pri 85°F (29°C). Najveći zahtev za snagom bio je 6.53 kW pri 115°F a najniži 5.01 kW pri 85°F. EER je varirao od 8.70 Btuh/W pri 115°F, do 13.1 Btuh/W pri 85°F.

Neto kapacitet rashlade. Za svaku od tehnologija, neto rashlada je normalizovana na bazi neto kapaciteta rashladee koji postoji pri 95°F (35°C). Slika 5 ilustruje promene neto normalizovane rashlade za vazdušne i ECAC sisteme sa rastom DBT. Kod vazdušnih jedinica neto normalizovani kapacitet hlađenja bio je 5% iznad bazne linije pri 85°F (29°C) i ispod te linije za 9% pri 115°F (46°C). Kod ECAC uređaja, neto normalizovani kapacitet bio je 2% iznad bazne linije pri 84°F (29°C) u CZ6, i 3% ispod bazne linije pri 115°F (46°C) u HDAC.

Ukupna snaga. Za svaku od tehnologija, ukupna potrošnja energije je normalizovana u odnosu na baznu potrošnju pri 95°F (35°C). Slika 6 ilustruje prmene normalizovane potrošnje sa rastom DBT, za vazdušne i ECAC jedinice. Kod vazdušnih jedinica ona prelazi baznu vrednost za 20% pri 115°F a za 8% je niža od nje za 85°F. Kod ECAC uređaja, normalizovana potrošnja nikad ne prelazi vrednost za 5% ispod bazne pri 84°F (CZ6).

EER. Za svaku od tehnologija, EER je normalizovan ou odnosu na vrednost pri 95°F. Slika 7 ilustruje promene normalizovane EER sa rastom DBT. Kod vazdušnih jedinica EER ide 14% preko bazne vrednosti pri 85°F ali pada 24% ispod nje pri 115°F. Kod ECAC sistema, normalizovana EER je bila 7% iznad bazne pri 84°F (CZ6) i 3% ispod nje pri 115°F (HDAC).

Slika 8 pokazuje direktno poređenje EER za vazdušne i ECAC jedinice. ECAC EER je stalno viši od vazdušnog EER u kompletnom opsegu test temperatura. Pri niskim DBT (83°F-85°F) EER za ECAC sisteme je oko 9% viši nego za vazdupne varijante. Pri 115°F, EER od ECAC ueđaja je čak 51% viši od EER vazduhom hlađenih uređaja.

Potrošnja vode

 Mora se obezbediti dopunjavanje vodom (makeup supply water); pranje i isparavanje. Da bi se ublažili efekti prljanja vofde, ona se mora rutinski čistiti. Da bi ECAC sistem radio kako treba, mora se obezbediti dovoljno vode za efekat isparavanja.

Čišćenje. Voda koja se dovodi na evaporativni kondenzator uvek sadrži rastvorene minerale. Tokom procesa isparavanja, isparava saamo voda, a ostaje povećana koncentracija minerala u rezervoaru, a iz izvora se dodaje nova voda. Minerali se talože u obliku sloja i smanjuju efikasnost površina koje prenose toplotu. Vode sa puno ninerala moraju se ciklično pročišćavati. Intervali ciklusa mogu se ručno podešavati kako bi odgovarali različitim kvalitetima napojne vode za određenu instalaciju. Kod svih provedenih testova taj interval je podešen na 60 minuta. Količina pročišćene vode nezavisna je od varijacija klimatskih zona. Ona je zavisna od intervala učestanosti pročišćavanja, trajanja uključenja pumpe za pročišćavanje i protoka vode. Količina vode za pročišćavanje po intervalu je relativno stalna i iznosi oko 1.8 gal (6.9 lit) po intervalu, kao što se vidi sa slike. Manje varijacije nastaju zbog variranja parametara pumpe za pročišćavanje, i sl.

Isparavanje. Ostatak potrošnje vode je veći i otpada na komponentu vode koja isparava tokom procesa hlađenja i direktno zavisi od uslova u klimatskoj zoni. Potrošnja vode u ECAC sistemu zbog isparavanja raste kako je zona toplija i suvlja. Rast je oko 27% od najniže potrošnje od 5 [gal/hr] oko 0.3 [lit/min] za blage uslove u CZ 7 do najveće potrošnje od skoro 7 [gal/hr] oko 0.44 [lit/min] za ekstremne uslove u CZ 14 i CZ 15, kao i u HDAC uslovima (Slika 9.) Ukupna potrošnja vode za isparavanje i pročišćavanje svaki sat vremena u svim klimatskim zonama ide od 6.5-8.5 [gal/hr], oko 0.41-0.54 [lit/min] tokom neprekidnog rada. Ovo je ekvivalentno sa 2.1 [gal/hr] do 2.8 [gal/hr] po ToR (ili za svaka 3.5 kW) rashlade za ovu jedinicu od 3 tone, ili 10.5 kW.

Zaključci

Testovi pokazuju da sistem ECAC radi efikasnije od vazdušnog sistema u svim klimatskim uslovima. Javljaju se samo minimalne degradacije performansi kada se uređaj koristi širom spektra raznih klimatskih uslova. Prednosti ECAC sistema nad vazduhom hlađenim najveće su u toplim i suvim uslovima.

Ukupna potrošnja vode u AHRI-Test-A uslovima od DBT=95°F, WBT=75°F govore da se ECAC pročišćava sa 0.59 [gal/hr/ton] vode i da isparava 1.86 [gal/hr/ton], a da je ukupna potrošnja 2.45 [gal/hr/ton], ili 0.15 [lit/hr] po 3,5 [kW] rashlade tj 0.04 [lit/kW] na sat. Za 9 kW rashlade to je 0.286 [lit/hr].

Preporuke

Da bi se dalje procenio potencijal komercijalne upotrebe i vrednosti podsticaja ovog programa, treba izvesti sledeće procene:

  • Sprovesti terenska testiranja da bi se verifikovala činjenica da se laboratorijski rezultati mogu postići i pod stvarnim radnim uslovima.
  • Ispitati mogućnost popravljanja efikasnosti upotrebe vode. Opcije su recikliranje kondenzata od rashlade, smanjenje zapremine vode za pročišćavanje ili samog ciklusa, i upotreba otpadne vode za navodnjavanje.
  • Ispitati mogućnost održavanja, pouzdanosti, korozije, prljanja i drugih pitanja vezanih za upotrebu vode.
  • Ispitati uticaj rešenja za tretman vode.