بررسی روشها و پارامترهای موثر در تعیین راندمان سیستمهای تهویه مطبوع یا تبرید – قسمت اول

1. مقدمه
در این مقاله قرار است در مورد عملکرد سیستم های تهویه مطبوع من جمله چیلرها و پمپ های حرارتی مطالبی را ارائه دهیم.
با استفاده از فرامین این مقاله راندمان و کارایی سیستم را میتوانیم توصیف کنیم و به سبب آن میتوان تخمین زد که سیستم چه مقدار انرژی مصرف خواهد کرد.این موارد سیستمهای مسکونی , تجاری و صنعتی را نیز شامل خواهد شد.
وقتی در مورد اندازه و بزرگی سیستم صحبت می شود (تن تبرید TR, BTU/hr و یا KW) منظور ظرفیت خنک کنندگی سیستم می باشد و برای این کار نیاز به توان الکتریکی خواهیم داشت.به خاطر داشته باشید توان الکتریکی مصرفی بر مبنای KW کمتر از سرمایش تولید شونده توسط سیستم بر حسب KW خواهد بود.
در ایالت متحده وزارت نیروو انرژی معیارهایی را برای حداقل عملکرد و راندمان سیستم های تهویه مطبوع مرکزی و پمپهای حرارتی تعیین کرده است و در این مقاله به بررسی آنها می پردازیم.
2. ضریب عملکرد (Coefficient of Performance)
COP مقدار انرژی ورودی به سیستم در مقایسه با میزان توان و تولید انرژی آن سیستم است.
COP = Power Output/Power Input
پس COP نماد کارایی سیستم است و هرچه عددی بزرگتر باشد سیستم عملکرد بالاتری خواهد داشت.
همچنین COP همانطور که مشخص است عددی بدون بعد است و خیلی سریع قابل اندازه گیری است.یک بخاری برقی ساده را در نظر بگیرید , تقریبا تمامی انرژی الکتریکی به گرما تبدیل می شود و در خروجی انژی خروجی غیر خالص نخواهیم داشت بنابراین COP آن برابر یک می باشد.مسئله مهم این است که COP را میتوان برای هر سیستمی استفاده کرد و فقط مختص سیستمهای گرمایی و سرمایی نیست.
سیستم های تهویه مطبوع از انرژی برای انتقال حرارت از جایی به جای دیگر استفاده میکند.سیستمهای سرمایشی حرارت را از فضای خنک شونده به فضای دیگر (معمولا فضای بیرون) منتقل می کنند.ناگفته نماند که پمپ حرارتی علاوه بر این مورد از همان اصول استفاده کرده و همچنین قادر است گرما را به محیط سرد اتاق منتقل کند.
با این تفاسیر حداکثر COP تئوری برای یک سیستم تهویه مطبوع را می توان با ساتفاده از معادله کارنوت (Carnot) بدست آورد که ساده شده معادله را در زیر میبینیم:
COPmax = Tc / (TH-Tc)
که در آن TC دمای سرد و TH درجه حرارت گرم می باشد برای سیستم سرمایشی دمای سرد همان دمای داخل اتاق و برای سیستم گرمایشی دمای سرد دمای خارج از اتاق یا گرم شونده می باشد و تمامی مقادیر در فرمول ذکر شده بر حسب کلوین خواهد بود.
همانطور که مشاهده می فرمایید با افزایش اختلاف دمای سرد و گرم ,ضریب عملکرد کاهش پیدا خواهد کرد و بالعکس و این بدین معناست که وقتی دمای داخل به دمای بیرون نزدیک تر باشد راندمان سیستم بالاتر است و انرژی کمتری مصرف خواهد کرد.
به عنوان مثال حداکثر راندمان تئوری یک سیستم تهویه مطبوع که در حال خنک کردن یک اتاق تا 23 درجه سانتیگراد است را در نظر بگیریداگر دمای هوای بیرون 32 درجه سانتیگراد باشد حداکثر راندمان تئوری آن برابر می شود با:
COPmax = Tc / (TH-Tc) = (23+273.15) / ((32+273.15)-(23+273.15)) = 32.9
مقادیر COP برای سیستم های تهویه مطبوع معمولا در محدوده 2-4 قرار میگیرد که تقریبا یک دهم ظریب عملکرد تئوری ماکزیمم می باشد.با این حال در انتخاب سیستم مناسب کمک شایانی به ما خواهد کرد.
پمپ حرارتی که در شکل زیر نشان داده ایم در نظر بگیرید.

پمپ حرارتی انرژی را از محیط می گیرد و از انرژی الکتریکی برای انتقال این انرژی به فضای داخل استفاده می کند.واضح است که انرژی بیشتری نسبت به برق مصرفی وارد اتاق می شود.COP این سیستم 4 است (انرژی وارد شده به اتاق نسبت به انرژی الکتریکی مصرفی)مقدار از انژی به عنوان اتلاف انرژی در خارج ساختمان دفع می شود و به این دلیل COP واقعی کمی کمتر از 4 می باشد.یک سیستم تهویهو تبرید نیز به همین روش کار می کند با این تفاوت که این بار سیستم در حال خارج کردن انرژی گرمایی ار اتاق است.شکل بالا را بر عکس در نظر بگیرید که در آن سیستم یک کیلو وات انرژی می گیرد تا 3 کیلو وات گرما را از داخل اتاق به فضای بیرون هدایت کند. سیستم تهویه 4 کیلو وات انرژی بایستی وارد محیط کند و این مقدار انرژی توسط کندانسور دفع می شود.سیستم ها ی تهویه و تبرید مصرف بیشتری نسبت به سیستم های گرمایشی دارند و از همین رو است که COP در این حالت برابر 3 شده است.

3.نسبت بهره وری انرژی (Energy Efficiency Ratio)
EER یعنی نسبت انرژی خروجی خنک کننده (BTU) به انرژی الکتریکی ورودی (Watt-hour).
EER = Output Cooling Energy in BTU / Input Electrical Energy in Wh
بنابر این واحد آن در حالت استاندارد BTU/W/h است گرچه میتوان آن را با واحد های دیگر نیز بیان کرد.بنابر این EER بدون بعد نیست و میتوان آنرا پس از گذشت زمان محاسبه کرد.به طور معمول با پایدار شدن سیستم آن را در یک دوره یک ساعته می توان اندازه گیری کرد.
بسیاری از نویسندگان به غلط EER را نسبت توان و قدرت (و نه انرژی) می دانند یعنی به شکل معادله زیر:

EER (erroneous) = Output Cooling Power in (BTU/hr) / Input Electrical Power in (W)

واحد ها یکسان است اما اینجا توان تبرید را نسبت به مصرف انرژی الکتریکی سنجیده ایم.اگرچه این دیدگاه نادرست است اما به ما این امکان را می دهد که به راحتی توان مورد نیاز برای فضایی که میخواهیم تهویه کنیم را تخمین بزنیم.
برای مثال یک سیستم تهویه مطبوع را در نظر بگیرید که توان تبرید آن 5 تن می باشد و دارای EER = 11.6 است اگر بخواهیم ببینیم چقدر انرژی مصرف کرده است از معادله استفاده می کنیم:
Input Electrical Power = Output Cooling Power in (BTU/hr) / EER = 5*12000 / 11.6 = 5.17

EER را می توان تنها در یک اختلاف دمای خاص (اختلاف بین دمای داخل و دمای خارج از اتاق) مشخص کرد زیرا همانطور که از معادله آن برمیآید با تغییر اختلاف دما بازده و راندمان تغییر خواهد کرد.
EER معمولاً تحت شرایطی که در جدول زیر نشان داده شده است مشخص می شود.

برای تبدیل EER به COP باید واحد ها را با هم تطابق دهیم تا به نتیجه دلخواه برسیم.برای این منظور اعداد را تبدیل به اعدادی با واحد های یکسان می کنیم مثل ژول.هر BTU معادل J 1055 است و هر Wh معادل J.S 3600 بنابراین:

4. نسبت بهره وری انرژی فصلی (Seasonal Energy Efficiency Ratio)
همانند EER آیتم SEER نیز یعنی نسبت انرژی خروجی خنک کننده (BTU) به انرژی الکتریکی ورودی (Watt-hour) با این تفاوت که SEER نمایانگر این نسبت در طول یک فصل است که با توجه به متغیر بودن دمای هوای محیط تعیین می گردد.
SEER = Output Cooling Energy in BTU over a season / Input Electrical Energy in Wh during the Sam Season
وزارت انرژی امریکا فرمولی برای محاسبه SEER برای سیستمهای تهویه مطبوع مسکونی کمتر از 65000 BTU/hr (19KW) تعریف کرده است.سلزندگان سیستمهای تهویه مطبوع COP , EER را معمولا در دماهای داخل و خارج مختلف اندازه گیری می کنند و سپس SEER را محاسبه می کنند و نهایتا نتیجه یک عدد است که میتواند به خریدار در امر خرید و مقایسه آن دستگاه با دستگاه های دیگر یاری رساند.
برای مثال یک دستگاه پنج تنی (60000 BTU/hr) را در نظر بگیرید که به طور متوسط هشت ساعت در روز در یک فصل کار می کند (در اواخر فصل گرما ممکن است سیستم تنها 4 ساعت کار کنر اما از طرفی در اوج گرما نیز روزانه حدود 14 ساعت کار می کند).فرض کنید فصل گرما 180 روز است (حدود 6 ماه) و همچنین فرض کنید این دستگاه با 2/3 ظرفیت خود کار می کند پس انرژی سرمایی تولیدی آن به شرح زیر است:

حال فرض کنید SEER سیستم عددی معادل 13 باشد.بنابراین انرژی الکتریکی کل برابر میشود با:

Electrical Energy in season = 57.6*106 / 13 = 4.43 MWh

اگر هزینه برق برای هر کیلو وات ساعت 250 تومان باشد هزینه برق سیستم مذکور در آن بازه زمانی برابر است با:

Cost to operate A/C unit in the season = 4.43 MWh*250000 Toman = 1107500

EER معمولا تحت شرایطی که در جدول بالا نشان داده شد مشخص می گردد اما SEER طیف وسیعی از دما را در بر می گیرد.
می دانیم که با کاهش اختلاف دما راندمان بالا می رود پس SEER از EER بیشتر است (به طور معمول بین 15% تا 30%).
یک فرمول توسط یک دانشجو برا تبدیل این دو به هم ارائه گردیده است:
EER = 1.12*SEER-0.02*SEER2
بنابراین:
SEER = 1.12-√ (1.2544-0.08*EER)/0.04

برای مثال اگر EER برابر باشد با 12 میتوان بر طبق محاسبات زیر تخمین زد SEER حدود 14.4 بدست آید:
SEER = 1.12-√ (1.2544-0.08*12)/0.04 = 14.4

این بدان معناست که SEER در حدود 20% بیشتر از EER است اما در عمل و واقعیت با توجه به این که شرایط برای محاسبه SEER را ثابت در نظر می گیریم و بدلیل اینکه ممکن است شرایط محل نصب دستگاه تفاوت زیادی با فرض ما داشته باشد امکان دارد این عدد حتی بیش از این باشد. بنابراین ، نسبت واقعی مشاهده شده در عمل ممکن است تفاوت زیادی با SEER محاسبه شده داشته باشد ، و تخمین دقیق انرژی برای سیستم در طی یک فصل را دشوار می کند.
در ایالات متحده ، DoE حداقل ها را برای SEER مشخص می کند ، که در جدول زیر نشان داده شده است. در ژانویه 2006 قانون تغییر یافت به همین خاطر جدول استانداردهای قدیمی و جدید که ملزم به اعمال آن در ساخت و نصب سیستمهای خانگی هستند را برای مقایسه خدمتتان ارائه می دهیم:

سیستم Split به سیستمی اطلاق می گردد که اواپراتور و کندانسور آن در فضایی متفاوت از هم قرار دارند.لازم به ذکر است کمپرسور معمولا در کنار کندانسور قرار دارد و در فضای بیرون یا روی سقف نصب می گردند. شیر انبساط یا لوله مویین و یا هر تجهیزی که وظیفه منبسط کردن مبرد قبل از اواپراتور را بر عهده دارد در مجاورت اواپراتور قرار می گیرد. اما سیستم Package مثل بقیه سیستم های تبرید شامل چهار جزء اصلی (کمپرسور , کندانسور , شیر انبساط و اواپراتور) است با این تفاوت که در این تیپ سیستم تمامی اجزاء در یک واحد قرار می گیرد و معمولا نیز در فضای بیرونی نصب می گردد و هوای مطلوب از طریق کانال به فضای داخل انتقال پیدا می کند. به این ترتیب و با استفاده از معادله میبینیم سیستمی که با SEER = 13 محاسبه شده است در حدود 30% بازدهی بیشتری نسبت به سیستمی با SEER = 10 دارد.

5. ضریب راندمان گرمایش فصلی (Heating Seasonal Performance Factor)
مانند SEER این راندمان قابل اندازه گیری سیستم و دستگاه ها دارای دو واحد مستقل BTU/hr و Watt است حال آنکه این آیتم نشان دهنده راندمان سیستم در حالت گرمایشی است و نه سرمایشی بنابراین ایتم ذکر شده فقط برای سیستمهایی که مجهز به تجهیزات گرمایشی هستند (مثل پمپ های حرارتی و یا سیستم های تهویه مطبوع برگشت پذیر) قابل استفاده است. به منظور بدست آوردن ضریب راندمان گرمایش فصلی (HSPF) باید از فرمول زیر استفاده کرد:
COP = Output heating energy / Input electrical energy = HSPF * 0.293
واضح است مانند COP,EER و SEER هرچه HSPF عدد بزرگتری باشد راندمان سیستم بالاتر است.
در ایالات متحده ، DoE حداقل ها را برای HSPF مشخص می کند ، که در جدول زیر نشان داده شده است. در ژانویه 2006 قانون برای این مورد نیز تغییر یافت به همین خاطر جدول استانداردهای قدیمی و جدید که ملزم به اعمال آن در ساخت و نصب سیستمهای خانگی هستند را برای مقایسه خدمتتان ارائه می دهیم.واضح است که این پارامتر برای سیستم هایی شبیه پمپ های حرارتی قابل استفاده هستند.

به عنوان مثال فرض کنید یک سیستم دارای HSPF = 8 باشد بنابراین از معادله بالا COP = 2.3 بدست می آید و بدین معناست که 2.3 برابر برقی که سیستم مصرف میکند , تولید گرما می کند به عبارت دیگر به ازای هر 1 KWh انرژی الکتریکی که توسط سیستم استفاده می شود 2.3 KWh انرژی حرارتی وارد فضا می شود.