Was sind industrielle Kühlsysteme?
Gewerbliche Gebäude verwenden Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssysteme (HLK), um das Gebäude zu entfeuchten und zu kühlen. Moderne Gewerbegebäude suchen nach effizienten HLK-Systemen und -Komponenten als Teil umfassenderer Initiativen, die sich auf Gebäudeleistung und Nachhaltigkeit konzentrieren. Gebäudenutzer haben ebenfalls große Erwartungen, dass das HLK-System wie vorgesehen funktioniert . . . um unabhängig von den äußeren Bedingungen des Gebäudes ein angenehmes Raumklima zu schaffen.
Kältemaschinen sind zu einer wesentlichen HLK-Komponente einer Vielzahl von gewerblichen Einrichtungen geworden, darunter Hotels, Restaurants, Krankenhäuser, Sportarenen, Industrie- und Fertigungsanlagen usw. Die Industrie hat seit langem erkannt, dass Kälteanlagen in den meisten Fällen den größten Einzelverbraucher des Stromverbrauchs darstellen Einrichtungen. Sie können während der Saison leicht mehr als 50 % des gesamten Stromverbrauchs verbrauchen. Nach Angaben des US-Energieministeriums (DOE) können Kältemaschinen zusammen etwa 20 % der gesamten in Nordamerika erzeugten elektrischen Energie verbrauchen. Darüber hinaus schätzt das DOE, dass Kältemaschinen aufgrund verschiedener betrieblicher Ineffizienzen bis zu 30 % zusätzlichen Energieverbrauch verbrauchen können. Diese anerkannten Ineffizienzen kosten Unternehmen und Gebäudeeinrichtungen jährlich Milliarden von Dollar.
Im Allgemeinen erleichtert ein Kühler die Übertragung von Wärme von einer internen Umgebung zu einer externen Umgebung. Diese Wärmeübertragungsvorrichtung beruht auf dem physikalischen Zustand eines Kältemittels, wenn es durch das Kühlsystem zirkuliert. Natürlich können Kältemaschinen als Herzstück eines jeden zentralen HLK-Systems fungieren.
Wie funktioniert ein Kühler?
Ein Chiller arbeitet nach dem Prinzip der Dampfkompression oder Dampfabsorption. Kühler liefern einen kontinuierlichen Kühlmittelfluss zur kalten Seite eines Prozesswassersystems mit einer gewünschten Temperatur von etwa 50 °F (10 °C). Das Kühlmittel wird dann durch den Prozess gepumpt und entzieht einem Bereich einer Anlage (z. B. Maschinen, Prozessausrüstung usw.) Wärme, während es zur Rücklaufseite des Prozesswassersystems zurückfließt.
Ein Kühler verwendet ein mechanisches Dampfkompressions-Kühlsystem, das über ein als Verdampfer bezeichnetes Gerät mit dem Prozesswassersystem verbunden ist. Kältemittel zirkuliert durch einen Verdampfer, einen Kompressor, einen Kondensator und eine Expansionsvorrichtung einer Kältemaschine. In jeder der oben genannten Komponenten einer Kältemaschine findet ein thermodynamischer Prozess statt. Der Verdampfer fungiert als Wärmetauscher, so dass vom Prozesskühlmittelstrom eingefangene Wärme auf das Kältemittel übertragen wird. Während die Wärmeübertragung stattfindet, verdampft das Kältemittel und verwandelt sich von einer Niederdruckflüssigkeit in Dampf, während die Temperatur des Prozesskühlmittels sinkt.
Das Kältemittel strömt dann zu einem Kompressor, der mehrere Funktionen erfüllt. Erstens entfernt es Kältemittel aus dem Verdampfer und stellt sicher, dass der Druck im Verdampfer niedrig genug bleibt, um Wärme mit der richtigen Rate aufzunehmen. Zweitens erhöht es den Druck im austretenden Kältemitteldampf, um sicherzustellen, dass seine Temperatur hoch genug bleibt, um Wärme freizusetzen, wenn er den Kondensator erreicht. Das Kältemittel kehrt am Kondensator in einen flüssigen Zustand zurück. Die beim Übergang des Kältemittels von Dampf zu Flüssigkeit abgegebene latente Wärme wird durch ein Kühlmedium (Luft oder Wasser) aus der Umgebung abgeführt.
Arten von Kühlern:
Wie beschrieben, können zwei unterschiedliche Kühlmedien (Luft oder Wasser) die Übertragung der latenten Wärme erleichtern, die abgegeben wird, wenn das Kältemittel von Dampf zu Flüssigkeit wechselt. Somit können Kältemaschinen zwei verschiedene Arten von Kondensatoren verwenden, luftgekühlt und wassergekühlt.
- Luftgekühlte Kondensatoren ähneln den „Radiatoren“, die Automotoren kühlen. Sie verwenden ein motorisiertes Gebläse, um Luft durch ein Gitter aus Kältemittelleitungen zu drücken. Sofern sie nicht speziell für hohe Umgebungsbedingungen ausgelegt sind, benötigen luftgekühlte Kondensatoren Umgebungstemperaturen von 35 °C (95 °F) oder darunter, um effektiv zu funktionieren.
- Wassergekühlte Kondensatoren erfüllen die gleiche Funktion wie luftgekühlte Kondensatoren, erfordern jedoch zwei Schritte, um die Wärmeübertragung abzuschließen. Erstens bewegt sich Wärme vom Kältemitteldampf in das Kondensatorwasser. Anschließend wird das warme Kondensatorwasser in einen Kühlturm gepumpt, wo die Prozesswärme schließlich an die Atmosphäre abgegeben wird.
Wassergekühlte Chiller:
Wassergekühlte Kältemaschinen verfügen über einen wassergekühlten Kondensator, der mit einem Kühlturm verbunden ist. Sie wurden üblicherweise für mittlere und große Installationen verwendet, die über eine ausreichende Wasserversorgung verfügen. Wassergekühlte Kaltwassersätze können aufgrund der relativen Unabhängigkeit von Schwankungen der Umgebungstemperatur eine konstantere Leistung für gewerbliche und industrielle Klimatisierung erbringen. Wassergekühlte Kaltwassersätze reichen in der Größe von kleinen Modellen mit einer Kapazität von 20 Tonnen bis hin zu Modellen mit mehreren Tausend Tonnen, die die größten Einrichtungen der Welt wie Flughäfen, Einkaufszentren und andere Einrichtungen kühlen.
Ein typischer wassergekühlter Kühler verwendet umlaufendes Kondensatorwasser aus einem Kühlturm, um das Kältemittel zu kondensieren. Eine wassergekühlte Kältemaschine enthält ein Kältemittel, das von der Wassereintrittstemperatur (und der Durchflussrate) des Kondensators abhängig ist und in Abhängigkeit von der Feuchtkugeltemperatur der Umgebung funktioniert. Da die Feuchtkugeltemperatur immer niedriger ist als die Trockenkugeltemperatur, kann die Kondensationstemperatur (und der Druck) des Kältemittels in einer wassergekühlten Kältemaschine oft deutlich niedriger als in einer luftgekühlten Kältemaschine betrieben werden. Somit können wassergekühlte Kältemaschinen effizienter arbeiten.
Wassergekühlte Kühler befinden sich normalerweise in Innenräumen in einer vor Witterungseinflüssen geschützten Umgebung. Daher können wassergekühlte Kühler eine längere Lebensdauer bieten. Wassergekühlte Chiller sind in der Regel die einzige Option für größere Installationen. Das zusätzliche Kühlturmsystem erfordert im Vergleich zu luftgekühlten Kältemaschinen zusätzliche Installations- und Wartungskosten.
Luftgekühlte Kältemaschinen:
Luftgekühlte Kältemaschinen beruhen auf einem Kondensator, der durch die Umgebungsluft gekühlt wird. Daher können luftgekühlte Kältemaschinen häufig in kleineren oder mittleren Installationen Anwendung finden, in denen Platzbeschränkungen bestehen können. Ein luftgekühlter Chiller kann die praktischste Wahl in Szenarien darstellen, in denen Wasser eine knappe Ressource darstellt.
Ein typischer luftgekühlter Kühler kann Propellerlüfter oder mechanische Kühlkreisläufe aufweisen, um Umgebungsluft über eine Lamellenschlange zu saugen, um das Kältemittel zu kondensieren. Die Kondensation des Kältemitteldampfes im luftgekühlten Kondensator ermöglicht die Wärmeübertragung an die Atmosphäre.
Luftgekühlte Kaltwassersätze bieten den wesentlichen Vorteil geringerer Installationskosten. Aufgrund ihrer relativen Einfachheit im Vergleich zu wassergekühlten Kältemaschinen ergibt sich auch eine einfachere Wartung. Luftgekühlte Kältemaschinen nehmen weniger Platz ein, befinden sich aber meist außerhalb einer Einrichtung. Dadurch wird die funktionale Lebensdauer der Outdoor-Elemente beeinträchtigt.
Der All-Inclusive-Charakter luftgekühlter Kaltwassersätze reduziert die Wartungskosten. Ihre relative Einfachheit gepaart mit reduziertem Platzbedarf führt zu großen Vorteilen bei vielen Arten von Installationen.
Maßnahmen zur Effizienzsteigerung von Kälteanlagen:
Die Kosten für Kühler machen einen erheblichen Teil der Stromrechnungen Ihres Gebäudes aus. Welche Maßnahmen sollten ergriffen werden, um Energieeinsparungen durch maximale Effizienz des Kältesystems zu erzielen? Lassen Sie uns einige Möglichkeiten untersuchen.
Laufende Wartung
Kühlsysteme werden durch eine ordnungsgemäße laufende Wartung effizienter betrieben. Die meisten Organisationen erkennen diesen Wert und haben Maßnahmen als Teil ihrer Best Practices für das tägliche Gebäudemanagement ergriffen. Einige gängige Best Practices für Kühlsysteme sind:
Überprüfen und reinigen Sie die Kondensatorschlangen. Die Wärmeübertragung hat einen großen Einfluss auf Kühlsysteme und bleibt von grundlegender Bedeutung für einen effizienten Kühlbetrieb. Bei der routinemäßigen Wartung sollten die Kondensatorschlangen auf Verstopfung und freien Luftdurchgang untersucht werden.
Kältemittelfüllung aufrechterhalten. Der Kühlquotient einer Kältemaschine hängt von den richtigen Kältemittelfüllständen im System ab. Die Aufrechterhaltung der richtigen Kältemittelfüllung kann die Energieeffizienz erheblich beeinflussen, indem die Kühlkosten um fast 5-10 % gesenkt werden.
Aufrechterhaltung des Kondensatorwassers: Kondensatorwasserkreisläufe, die mit Kühltürmen verwendet werden, müssen den ordnungsgemäßen Wasserfluss wie vorgesehen aufrechterhalten. Fremdkörper wie Sand, erosive Feststoffe und Verunreinigungen können den Wasserkreislauf des Kondensators beeinträchtigen. Verschmutzung oder Ablagerungen können den Wasserfluss behindern und die Betriebseffizienz des Kühlers stark beeinträchtigen.
Vorausschauende Wartung
Künstliche Intelligenz (KI) ist in alltäglichen praktischen Anwendungen weiter auf dem Vormarsch. Maschinen wie Kühlsysteme werden von KI-Algorithmen profitieren, die potenzielle Fehler erkennen können, bevor sie auftreten. Die vorausschauende Wartung nutzt die Erfassung und Analyse von Betriebsdaten des Kühlsystems, um zu bestimmen, wann Wartungsmaßnahmen vor einem katastrophalen Ausfall ergriffen werden sollten. Da Kühlsysteme das Herzstück der meisten modernen HVAC-Systeme darstellen, wird die Vermeidung katastrophaler Ausfälle, die zu erheblichen „Ausfallzeiten“ führen, sowohl Notfallreparaturkosten als auch Reputation sparen. Die entscheidende Rolle, die ein Kühlsystem spielt, rechtfertigt eine genauere Prüfung. Big Data und KI minimieren Ausfallzeiten und maximieren die Produktivität.
Das Internet der Dinge (IoT) stellt das Datenerfassungstool bereit, das KI-Anwendungen wie vorausschauende Wartung ermöglichen kann. Tatsächlich liegt die Zukunft der HLK in KI und IoT. IoT ermöglicht die Erfassung von Echtzeitdaten von einem Kühler, um eine kontinuierliche Analyse seines Betriebs zu ermöglichen. Die von einer Kältemaschine gesammelten granularen IoT-Daten gehen weit über die Sichtprüfung hinaus. IoT verbindet Gebäudeingenieure mit der Echtzeit-Sichtbarkeit kritischer HLK-Anlagen und ermöglicht so eine fundierte Überwachung der tatsächlichen Betriebsbedingungen.
Optimierung
Kühler arbeiten als Teil eines komplexen HLK-Systems. Wassergekühlte Kältemaschinen haben durch die Anbindung an ein Kühlturmsystem eine höhere Komplexität. Die Bewertung der Gesamtleistung der Kälteanlage beinhaltet daher eine Analyse des Gesamtstromverbrauchs des Kompressors, der Pumpen, der Kühlturmventilatoren usw., um umfassende Effizienzmaßnahmen wie kW/Tonne zu bewerten.
Die Optimierung der gesamten Kälteanlage muss ganzheitlich erfolgen. Verschiedene Anpassungen, die sich auf optimale Kaltwassersollwerte, Kühlersequenzierung und Lastausgleich, Spitzenbedarfsmanagement, Kühlturmwassermanagement usw. konzentrieren, können nur mit Betriebsdaten durchgeführt werden. Das IoT kann die Werkzeuge für eine solche Optimierung bereitstellen, indem es eine Echtzeitüberwachung des Stromverbrauchs von jedem Teil der Kälteanlage, der Vor- und Rücklauftemperaturen von der Kältemaschine und des Kühlturms, der Wasserdurchflussraten aus dem Kondensatorwasserkreislauf usw. bereitstellt, wie IoT festgestellt hat praktische Anwendung in der HLK, um eine echte Optimierung zu ermöglichen.
Abschluss:
Die Betriebseffizienz der Kältemaschine wirkt sich stark auf die Betriebskosten Ihres Gebäudes aus. Die laufende routinemäßige Wartung stellt aus Sicht des Facility Managements das Minimum dar. Vorausschauende Wartung und Optimierung des Kühlsystems erfordern Betriebsdaten in Echtzeit. Das IoT hat die Tür zu neuen Formen der Kältemaschineneffizienz geöffnet.