51 1 2009 kgh

BIBLID 03501426 (206) 38:1 p. 5155

ODREIVANJE, KLASIFIKOVANJE I OZNAAVANJE ENERGETSKE EFIKASNOSTI AGREGATA ZA HLAENJE VODE I TOPLOTNIH PUMPI

ENERGY EFFICIENCY DETERMINATION, CLASSIFICATION AND LABELLING FOR WATER CHILLERS AND HEAT PUMPS Energy efficiency of chillers and heat pumps is one of the most important disputable issues in the field of HVAC&R. It is disputable due to the fact that neither domestic nor European legislation deals with the problem of energy saving with water chillers and heat pumps of cooling power exceeding 12kW, even though these units are known to be huge electricity consumers. By the implementation of the Directive 2002/96/EC on energy efficiency labelling and EN 14511 standard in the European Union, a large step has been taken in increasing energy efficiency of air handling units and heat pumps with cooling power up to 12kW. This Directive does not included equipment of higher cooling power, and therefore, in February 2005, EUROVENT (European Association of Air Handling and Refrigeration Equipment Manufacturers) made a classification of such equipment in order to initiate the manufacture of more energy efficient equipment. The aim is to somehow slow down the increase of electricity demands, and thus reduce CO2 emission. As the implementation of the Kyoto Protocol is a priority issue in Europe and worldwide, the European Union is planning to reduce CO2 emission by 8% in the period from 2008 to 2012. This is a powerful motive for improving energy efficiency of water chillers and heat pumps. Lower electricity consumption means lower electricity generation demands, which results in reduction of CO2 emission. This paper deals with water chillers and heat pumps with electromotor driven cooling compressors, and explains how this problem is considered in Europe and the North America.

KEY WORDS: energy efficiency; water chiller; heat pump

Energetska efikasnost agregata za hlaenje vode i toplotnih pumpi jedno je od najznaajnijih spornih pitanja u oblasti KGH. Sporno je po tome to zakonskom regulativom ni kod nas ni u Evropskoj uniji nije obraena problematika utede energije kod agregata za hlaenje vode i toplotnih pumpi rashladne snage vee od 12 kW, iako se zna da su to veliki potroai elektrine energije. Primenom Direktive 2002/96/EC o oznaavanju energetske efikasnosti ureaja i standarda EN 14511 u Evropskoj uniji uinjen je veliki pomak u poveanju energetske efikasnosti klimaureaja i toplotnih pumpi rashladne snage do 12 kW. Ova direktiva ne obuhvata ureaje vee rashladne snage, pa je zbog toga EUROVENT (Evropska asocijacija proizvoaa klimakomora i rashladnih ureaja) u februaru 2005. sainio klasifikaciju za te agregate da bi time inicirao proizvodnju energetski efikasnijih ureaja. Cilj je da se rast potreba za potronjom elektrine energije na neki nain uspori, a time i smanji emisija CO2. Kako je primena Protokola iz Kjota prioritetna u Evropi pa i u svetu, to se u Evropskoj uniji u periodu od 2008. do 2012. god. predvia smanjenje emisije CO2 za 8%. To je jak motiv za poveanje energetske efikasnosti agregata za hlaenje vode i toplotnih pumpi. Manja potronja elektrine energije znai i manje potrebe za njenom proizvodnjom, a samim tim i smanjenje emisije CO2. Ovaj rad se odnosi na agregate za hlaenje vode i toplotne pumpe sa rashladnim kompresorima pogonjenim elektromotorima i u njemu je prikazano kako se o ovoj problematici razmilja u Evropi i Severnoj Americi.

Kljune rei: energetska efikasnost; agregat za hlaenje vode; toplotna pumpa

Slobodan PejKovi i vladimir ivanovi, "Filter frigo" d.o.o., beograd

52kgh 1 2009

Uvod Promena vremenskih uslova uslovljena globalnim zagrevanjem Zemlje dovela je do znatnog poveanja broja prodatih agregata za hlaenje vode u Evropi (slika 1).

Water Cooled Air Cooled Air to water45 00040 00035 00025 00020 00015 00010 000

5 0000

Broj

jedi

nica

1996. 1997. 1998. 1999. 2000. 2001. 2002. 2003. 2004. 2005.Godina

Slika 1. Promena broja prodatih agregata za hlaenje vode u EU

Na slici se vidi da je najvie povean broj prodatih ureaja sa vazduhom hlaenim kondenzatorima koji su i najvei potroai elektrine energije u rashladnoj tehnici.

Da bi se ograniilo poveanje potronje elektrine energije sa poveanjem broja prodatih ureaja, moralo se uticati na poveanje energetske efikasnosti, to je postignuto primenom Direktive 2002/96/EC za ureaje rashladne snage do 12 kW.

EER Min EER Max EER Mean6

5

4

3

2

1

0

EER

1994. 1996. 1998. 2000. 2002. 2004. 2006. 2008.Godina

Slika 2. Promena koeficijenta hlaenja EER

Na slici 2 se vidi da je ta promena naroito izraena od 2004. god. U Evropskoj uniji kupci biraju ureaje velike energetske efikasnosti.

Odreivanje i definisanje koeficijenata energetske efikasnosti (EER, COP, SEER, HSPF, IPLV, ESEER)Postoji vie naina izraavanja koeficijenata energetske efikasnosti koji se u razliitim delovima sveta na razliit nain definiu. Navedimo primere iz SAD. U delu 431, paragrafu 92 eCFR (Electronic Code of Federal Regulations) definisano je i:

COP koeficijent hlaenja (Coefficient of Performance) je odnos ukupne odnosno totalne rashladne snage prema neto apsorbovanoj snazi elektropotroaa izraen u istim jedinicama mere, pa je samim tim i vrednost bezdimenzionalna.

COP = h / w,

gde je:h totalna rashladna snaga [Btu/h],w = 3.412 Pw ekvivalent apsorbovane snage [Btu/h],Pw apsorbovana snaga [W],EER koeficijent hlaenja (Energy Efficiency Ratio) je odnos ukupne, tj. totalne rashladne snage prema neto apsorbovanoj snazi elektropotroaa izraen u Btu/Wh.

EER = h / Pw,

gde je:h totalna rashladna snaga [Btu/h],Pw apsorbovana snaga [W].Odnos ovih koeficijenata je 3.412 i predstavlja odnos konverzije Btu/h i W.

Ameriki COP i EER predstavljaju istu veliinu samo izraenu u razliitim jedinicama. Pored toga oni te koeficijente odreuju za hlaenje ili za grejanje.

Na primer COPhlaenja znai odnos totalne rashladne snage prema neto apsorbovanoj snazi, dok COPgrejanja predstavlja odnos snage grejanja koju daje toplotna pumpa prema neto apsorbovanoj snazi. Isto vai i za EER. Ovakav nain prikazivanja deluje pomalo zbunjujue na korisnike, a posebno na one iz Evrope kod kojih koeficijenti sa istim oznakama COP i EER imaju drugo znaenje.

Mnogo jasnije, a samim tim i znaajnije, definisani su SEER, HSPF i IPLV.

SEER srednja godinja energetska efikasnost pri hlaenju (Seasonal Energy Efficiency Ratio) predstavlja odnos totalne rashladne energije razmenjene u isparivau u toku

Tabela 1. 431.97. Minimalni koeficijenti hlaenja

Product Category Cooling capacity Sub-category

Efficiency level

Products manufactured until October 29, 2003

Products manufactured on and after

October 29, 2003Small Commercial Packaged Air Conditioning and Heating Equipment

Air Cooled,3 Phase

53 1 2009 kgh

godinje sezonske upotrebe agregata za hlaenje vode ili toplotne pumpe u periodu hlaenja izraene u Btu prema ukupnoj apsorbovanoj energiji potroenoj u istom periodu, izraeno u Wh. SEER je osrednjena vrednost EERhlaenja u toku godine pri razliitim spoljnim temperaturama vazduha, a time i razliitim reimima rada ureaja. Vea vrednost SEER znai energetski efikasniji ureaj. Vrednost SEER je uvek neto vea od EER i to 0,5 do 1 Btu/Wh.

SEER se obino odnosi na ureaje rashladne snage do 65000 Btu/h (19 kW). Najefikasniji rashladni ureaji imaju vrednost SEER = 13.

HSPF srednja godinja energetska efikasnost pri grejanju (Heating Seasonal Performance Factor) predstavlja odnos toplotne energije predate u kondenzatoru u toku godinje sezonske upotrebe toplotne pumpe u periodu grejanja izraeno u Btu prema ukupnoj apsorbovanoj energiji potroenoj u istom periodu, izraenoj u Wh. HSPF je osrednjena vrednost EERgrejanja u toku godine pri razliitim spoljnim temperaturama vazduha, a time i razliitim reimima rada ureaja.

HSPF se obino odnosi na toplotne pumpe rashladne snage do 65000 Btu/h (19 kW). Najefikasnije toplotne pumpe imaju vrednost HSPF = 10.

IPLV srednja godinja energetska efikasnost pri hlaenju (Integrated PartLoad Value), predstavlja odnos rashladne energije razmenjene u isparivau pri razliitim parcijalnim optereenjima ureaja u toku godinje sezonske upotrebe agregata za hlaenje vode ili toplotne pumpe u periodu hlaenja. Izraunava se kao srednja vrednost COP ili EER pri razliitim parcijalnim optereenjima ureaja, ali pri istim pritiscima kondenzacije za sve uslove, odnosno reime rada. Moe da se izrazi kao bezdimenziona vrednost ili u Btu/Wh. Veina proizvoaa velikih agregata za hlaenje izraavaju ga u kW/ton (1 rashladna tona = 3.517 kW):

IPLV = 10,01

A+ 0,42

B+ 0,45

C+ 0,12

D

[kW/ton]

gde je:A EER na 100% optereenja,B EER na 75% optereenja,C EER na 50% optereenja,D EER na 25% optereenja.

IPLV se obino odnosi na ureaje rashladne snage vee od 65000 Btu/h (19 kW).

U istom elektronskom kodu Amerikih federalnih regulativa, u delu 431, paragrafu 97, navedeni su minimalni koeficijenti energetske efikasnosti za rashladne ureaje i toplotne pumpe standardnih veliina proizvedenih posle 1. januara 1994, a pre 30. septembra 2012. Ovim se proizvoai obavezuju da moraju postii minimalnu vrednost koeficijenata energetske efikasnosti koji su navedeni u tabelama 1 i 2. To znai da je zakonska regulativa eliminisala iz upotrebe rashladne ureaje niske energetske efikasnosti.

U tabeli 3 su navedene minimalne vrednosti koeficijenata energetske efikasnosti koji se moraju postii u Hong Kongu prema Code of Practice for Energy Efficiency of Air Conditioning Installations 2007.

Tabela 3. Minimalni koeficijenti hlaenja kod agregata za hlae-nje vode

COPhlaenjaRashladna snaga [kW] < 500 500 1000 > 1000

Agregati sa vodom hlaenim kondenzatorom

Sa scrollkompresorima 4 4.5 5.2

Sa vijanimkompresorima 4.6 4.6 5.5

Agregati sa vazduhom hlaenimkondenzatorom

Sa scrollkompresorima 2.7

Sa vijanimkompresorima 2.9

U tabeli 4 se vide podaci za EER, COP i IPLV odreeni prema standardima ARI za ureaje proizvedene u SAD.

Normativi Evropske unije su jasniji od amerikih, ali nisu obuhvatili ureaje rashladne snage vee od 12 kW.

Prema evropskom standardu EN145111:2007 (D) definisani su COP i EER na sledei nain:

EER koeficijent hlaenja (Energy Efficiency Ratio) je odnos ukupne toplote razmenjene u isparivau u jedinici vremena, odnosno totalne rashladne snage prema apsorbovanoj snazi elektropotroaa izraenoj u istim jedinicama mere Wat/Wat, pa je samim tim i vrednost bezdimenzionalna. COP koeficijent grejanja (Coefficient of Performance) je odnos snage grejanja razmenjene u kondenzatoru prema apsorbovanoj snazi elektropotroaa izraenoj u istim jedinicama mere Wat/Wat.Pri odreivanju apsorbovane snage uzimaju se u obzir svi potroai elektrine energije na agregatu i to: pogonski mo

Tabela 2. 431.97. Minimalni koeficijenti grejanja

Product Category Cooling capacity Sub-category

Efficiency level

Products manufactured until October 29, 2003

Products manufactured on and af-ter October 29, 2003

Small Commercial Packaged Air Conditioning and Heating Equipment

Air Cooled,3 Phase

54kgh 1 2009

tor kompresora, regulaciona i zatitna automatika, ventilatori i pumpe potrebni za transport fluida radi razmene toplote koji moraju da savladaju unutranje otpore pri strujanju fluida kroz razmenjivae toplote.

Metodi testiranja i procedure koje se koriste za odreivanje energetske efikasnosti opisani su u Evropskom standardu EN145113:2007 (D).

Standardni uslovi pri kojima se vri testiranje radi odreivanja energetske efikasnosti opisani su u evropskom standardu EN145112:2007 (D).

EUROVENT kao Evropska asocijacija proizvoaa klimakomora i rashladnih ureaja postoji vie od 10 godina i broji oko 180 kompanija. Da bi podrala sprovoenje Direktive o energetskoj karakteristici zgrada po kojoj je potrebno vriti kontrolu energetske efikasnosti centralnih klimatizacionih instalacija i agregata za hlaenje vode rashladne snage vee od 12 kW, definisala je koeficijent hlaenja koji se odnosi na srednju godinju energetsku efikasnost ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) po analogiji sa amerikim koeficijentom IPLV. Ovaj koeficijent realnije prikazuje energetsku efikasnost agregata za hlaenje vode jer vremenski krai period u toku godinje radne sezone agregat radi pod punim optereenjem. Zbog toga se proizvoai trude da razviju ureaje koji e pri redukovanom optereenju biti efikasniji. Agregati koji imaju isti koeficijent hlaenja EER ne moraju da imaji isti ESEER. Agregat sa veim ESEER energetski je efikasniji.

ESEER se izraunava kao srednja vrednost EER pri razliitim parcijalnim redukovanim optereenjima ureaja.

ESEER = 0,03 A + 0,33 B + 0,41 C + 0,23 D

gde je:

A EER na 100% optereenja,B EER na 75% optereenja,C EER na 50% optereenja,D EER na 25% optereenja.Kod agregata za hlaenje vode sa vazduhom hlaenim kondenzatorima, koeficijenti hlaenja se za razliito optereenje odreuju pri razliitim temperaturama vazduha na ulazu u kondenzator. Za minimalno optereenje (25%) usvaja se temperatura vazduha od 20C, a za maksimalno (100%) temperatura od 35C.

Kod agregata za hlaenje vode sa vodom hlaenim kondenzatorima koeficijenti hlaenja se za razliito optereenje odreuju pri razliitim temperaturama vode na ulazu u kondenzator. Za minimalno optereenje (25%) usvaja se temperatura vode od 18C, a za maksimalno (100%) temperatura od 30C.

Svi ovi koeficijenti za ureaje rashladne snage vee od 12 kW nemaju znaaj kao "direktiva" ili "standard" i njihova primena je na dobrovoljnoj osnovi.

U tabeli 5 se vide podaci za EER i ESEER odreeni prema pravilima EUROVENTA. Uporeivanje podataka iz ove tabele i podataka iz tabele 4, koja se odnosi na amerike ureaje, nije svrsishodno jer se ne odnose na iste radne uslove.

Klasifikovanje agregata za hlaenje vode prema vrednosti koeficijenta energetske efikasnostiPrema analogiji sa ureajima rashladne snage do 12 kW koji su razvrstani u klase energetske efikasnosti od A do G, EUROVENT je sainio klasifikaciju agregata za hlaenje vode.

U tabeli 6 su date vrednosti EER za razliite vrste kondenzatora i razliite klase. Osnovni cilj ovakve klasifikacije je da se eliminiu iz upotrebe agregati klase G, a da se stimulie prodaja agregata najvie klase. Svi ovi koeficijenti za ureaje rashladne snage vee od 12 kW nemaju znaaj kao "direktiva" ili "standard" i njihova primena je na dobrovoljnoj osnovi.

Oznaavanje agregata za hlaenje vode prema vrednosti koeficijenta energetske efikasnostiPrimenom direktive 2002/96/EC o oznaavanju energetske efikasnosti ureaja i EN 14511 standarda, u Evropskoj uniji je uinjen veliki pomak u poveanju energetske efikasnosti klimaureaja i toplotnih pumpi rashladne snage do 12 kW. Ovom direktivom je propisano obavezno oznaavanje klase energetske efikasnosti ureaja. Nain oznaavanja u vidu nalepnice definisane veliine sa podacima o klasi od A do

Tabela 4. Tehniki podaci za agregate za hlaenje vode sa vazduhom hlaenim kondenzatorom30RB AQUASNAP

Outdoor, AirCooled Liquid Chiller with Puron R410A Refrigerant

60 to 390 Nominal TonsARI Capacity Ratings*

Size Capacity (Tons)

Capacity (kW)

Compressor (kW)

Fan (kW)

Total Power (kW)

Full Load IPLV Cooler Flow Rate (Gpm)

Cooler Pressure Drop

EER COP EER COP GPM L/s (ft) (kPa)

060 57.1 200.8 60.1 10.3 70.4 9.7 2.9 13.2 3.9 136.5 8.6 8.9 26.6070 66.5 233.9 73.1 10.3 83.4 9.6 2.8 13.4 3.9 159.0 10.0 11.7 35.0080 76.0 267.3 85.0 10.3 95.3 9.6 2.8 14.2 4.2 181.7 11.5 7.0 20.9090 86.4 303.8 91.1 15.5 106.6 9.7 2.9 13.5 4.0 206.7 13.0 8.9 26.6100 97.5 336.5 104.0 15.5 119.5 9.6 2.8 13.6 4.0 229.0 14.4 10.7 32.0110 105.5 371.0 116.6 15.5 132.1 9.6 2.8 13.7 4.0 252.1 15.9 8.8 26.3120 118.5 416.4 129.5 18.1 147.6 9.6 2.8 13.7 4.0 283.2 17.9 10.9 32.6130 127.3 447.7 137.5 20.6 158.1 9.7 2.8 13.6 4.0 304.4 19.2 12.5 37.4150 144.4 507.8 158.4 20.6 179.0 9.7 2.8 13.8 4.0 345.3 21.8 7.5 22.4

55 1 2009 kgh

Tabela 5. Tehniki podaci za agregate za hlaenje vode sa vazduhom hlaenim kondenzatoromTCAEB: Technical specifications

MODEL TCAEB 4155 4130 4205 4235 4260 4290 4320

Technical specifications

Nominal cooling capacity (*) kW 148,2 171,5 204,2 221,7 247,0 286,9 316,3

E.E.R. (*) 2,66 2,56 2 TA 2,59 2,66 2,63 2,62

E.S.E.E.R. 3,98 3,83 4,09 3,87 4,01 4,01 3,92

Sound pressure (**) dB(A) 63 63 64 64 64 69 69

Sound power (***) dB(A) 86 88 87 87 B7 03 93

Scroll compressor/steps n. 4 / A 4 / 4 4/4 4/4 4/4

Circuits n. 2 2 2 2 2 2 2

Fans n. x kW 6 x 0,69 6 x 0,69 8 x 0,69 3 x ,69 8 x 0,69 6 x 2,1 6 x 2,1

Nominal air flow m3/h 55.500 52.500 76.000 76.000 72.000 102.936 101.624Evaporator nominal water flow (*) m3/h 25,4 29/1 35,0 38,0 42,4 49,2 54,3

Evaporator nominal pressure drops (*) kPa 36 37 43 42 43 51 56

Evaporator water content L 9.8 1 1/1 13,0 14,6 16,8 18 19,2

Evaporator water fittings 2i/2 21/2 21/2 21/2 2V2 21/2 21/2

R407C refrigerant charge kg See serial no. plate

Polyester oil charge kg See serial no. plate

Electrical specifications

Total power input (*) kW 55,7 66,9 74,5 85,6 92,7 106,8 120,7

(*) U sledeim uslovima: temperatura vazduha na ulazu u kondenzator je 35C; temperatura hladne vode je 7C na izlazu iz isparivaa; razli-ka temperatura vode kroz ispariva je 5 K.

G energetske efikasnosti omoguava kupcu da sam utie na utedu energije pri izboru i kupovini ureaja. Ovakav nain oznaavanja nije definisan zakonskom regulativom za ureaje rashladne snage vee od 12 kW, a nije propisan ni dokumentima koja je sainio EUROVENT.

Tabela 6. Klasifikacija agregata za hlaenje vode za reim hlaenja

Klasa EER Vazduhom hlaen Vodom hlaen

Razdvojeni kondenzator

A EER 3,1 EER 5,05 EER 3,55

B 2,9 EER < 3,1 4,65 EER < 5,05 3,4 EER < 3,55

C 2,7 EER < 2,9 4,25 EER < 4,65 3,25 EER < 3,4D 2,5 EER < 2,7 3,85 EER < 4,25 3,1 EER < 3,25E 2,3 EER < 2,5 3,45 EER < 3,85 2,95 EER < 3,1

F 2,1 EER < 2,3 3,05 EER < 3,45 2,8 EER < 2,95G < 2,1 < 3,05 < 2,8

ZakljuakZakonska regulativa ni kod nas ni u Evropskoj uniji ne tretira problematiku utede energije pri korienju ureaja rashladne snage vee od 12 kW. EUROVENT je sainio klasifikaciju za te ureaje da bi time inicirao proizvodnju energetski efikasnijih agregata za hlaenje vode.

Pri izraunavanju COP (koeficijenta grejanja) kod toplotnih pumpi sa vazduhom hlaenim kondenzatorom usvaja se temperatura vazduha od 7C pri kojoj ne dolazi do formiranja leda na razmenjivau toplote, pa samim tim ureaj nema potrebe da prelazi u reim otapanja. Sa padom temperature vazduha i poveanjem njegove relativne vlanosti, ciklusi otapanja se esto deavaju, to predstavlja

gubitak energije koji nije obuhvaen proraunom koeficijenta grejanja.

Analogija sezonskom koeficijentu hlaenja ESEER nije sainjena za toplotne pumpe. Da ona postoji, videla bi se prednost u pogledu energetske efikasnosti toplotnih pumpi vodavoda u odnosu na toplotne pumpe vodavazduh.Na utedu energije kroz primenu rashladnih ureaja najvei uticaj imaju projektanti termotehnikih instalacija koji kroz izbor opreme mogu da izaberu agregate klase A, ili da primene reenja sa vodom hlaenim kondenzatorima koji imaju veu energetsku efikasnost.

Pored ovoga, na utedu energije moe se dodatno uticati projektovanjem agregata za hlaenje vode koji u reimu hlaenja otpadnu toplotu kondenzacije koriste za pripremu sanitarne tople vode. Takvo reenje je izvedeno u hotelu "Master" u Novom Sadu. Na istom objektu je ugraen i krovni ureaj za klimatizaciju vazduha koji ima opciju slobodnog hlaenja vazduha (free cooling), ime se takoe postie znaajna uteda energije koja nije obuhvaena pri proraunu koeficijenta energetske efikasnosti.

Literatura[1] *** EN standard 14511: 2007 (D).[2] *** ARI standard 340/360 2007.[3] *** IIR bilten No 2001 5.[4] Saheb, Yamina, andre Pierrot, Sulejman beirspa-

hi, Energy Labelling Directive, 2002/96/EC and EN 14511 standard for Room Air Conditioners.

[5] Saheb, Yamina, Sulejman beirspahi, jerome Si-mon, Effect of the Certification on Chillers Energy efficiency.

kgh

56kgh 1 2009