Algorytmy sterowania freecoolingiem pośrednim – kiedy wyłączyć sprężarki?

Wstęp

W układach z freecoolngiem pośrednim łatwo popełnić jeden błąd: uznać, że liczy się wyłącznie temperatura zewnętrzna. W praktyce samo 8, 10 czy 12°C na zewnątrz niewiele jeszcze mówi. Trzeba wiedzieć, jaka jest temperatura cieczy wracającej z instalacji, jakie jest aktualne obciążenie oraz ile energii zużyją wentylatory, gdy wymiennik zacznie pracować z większą wydajnością.

Dlatego pytanie w rodzaju: „przy jakiej temperaturze włącza się freecooling?” nie ma jednej prawidłowej odpowiedzi.

W jednej instalacji częściowe wykorzystanie powietrza zewnętrznego zacznie się już przy 16-18°C. W innej dopiero przy 8°C. Obie mogą być zaprojektowane prawidłowo, ponieważ pracują z innymi parametrami cieczy, innym obciążeniem i innym wymiennikiem.

Freecooling pośredni nie zaczyna się od wyłączenia sprężarek

Feecooling pośredni to układ, w którym do chłodzenia wykorzystujemy powietrze zewnętrzne w sposób pośredni. Z jego pomocą chłodzimy czynnik pośredniczący – najczęściej roztwór glikolu. Gdy temperatura zewnętrzna spada poniżej temperatury zadanej dla czynnika chłodzącego, uruchamiany jest tryb freecoolingu, w którym glikol schładzany jest bez użycia sprężarki – np. w chłodni wentylatorowej, wieży chłodniczej, lub przez agregat chłodniczy pracujący w funkcji dry coolera jeśli ją posiada..

Oznacza to, że w układzie freecoolingu nagrzana ciecz wracająca z instalacji chłodniczej może zostać najpierw schłodzona powietrzem zewnętrznym, a dopiero później skierowana do agregatu chłodniczego.

Jeżeli na zewnątrz jest jeszcze zbyt ciepło, całą moc zapewniają sprężarki. Kiedy temperatura zaczyna spadać, powietrze zewnętrzne może przejąć część obciążenia. Sprężarki nadal pracują, ale ciecz trafiająca do chillera ma już niższą temperaturę.

Dopiero przy odpowiednio niskiej temperaturze zewnętrznej wymiennik freecoolingowy może samodzielnie uzyskać wymaganą temperaturę zasilania. Wtedy sprężarki zostają wyłączone całkowicie.

Tak więc w układach chłodzenia z freecoolingiem rozróżniamy pracę sprężarkową, częściowy freecooling i pełny freecooling. W trybie częściowym moc przejmowana przez wymiennik rośnie wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej, aż obciążenie sprężarek zostaje zredukowane do zera.

I właśnie praca częściowa jest często pomijana przy ustawianiu automatyki, a tak naprawdę jest to najważnieszy czynnik, który wpływa na ostateczną sprawność układów freccoolingowych, gdyż w naszym klimacie okres, gdy układ feecoolingu pracuje w sposób mieszany – część chłodu dostarcza powietrze zewnętrze, a pozostałą część chiller – jest bardzo długi.

Załóżmy, że instalacja pracuje na parametrach 12/18°C. Czyli do układu chłodzenia wraca ciecz o temperaturze 18°C, a na zasilaniu należy utrzymać 12°C.

Przyjmijmy dla uproszczenia, że wymiennik potrzebuje około 3 °K różnicy między temperaturą powietrza zewnętrznego a temperaturą cieczy, aby móc uzyskać temperaturę cieczy niższą niż powracająca.

Przy 14°C na zewnątrz nie uzyskamy jeszcze 12°C na zasilaniu, ale możemy schłodzić powrót z 18°C do 16 albo 15°C. Pozostałą część pracy wykonają sprężarki.

Jeżeli sterownik ma ustawiony tylko jeden próg, na przykład dla wspomnianego wyżej przykładu, gdy chcemy osiągnąć 12 stopni a wraca 18, byłoby to założenie: „poniżej 9°C włącz free-cooling”, to cały zakres pracy częściowej zostanie utracony. Układ chłodzenia będzie pracował używając do chłodzenia sprężarek także wtedy, gdy wymiennik mógłby już odebrać znaczną część ciepła.

Dwie temperatury graniczne

W uproszczonym modelu można wyznaczyć dwie granice.

Pierwsza to temperatura, przy której powietrze zewnętrzne staje się na tyle chłodne, żeby odebrać ciepło od cieczy wracającej z instalacji, ale nie jest w stanie jeszcze schłodzić je całkowicie do temperatury zasilania.

Dla temperatury powrotu 18°C i przyjętej różnicy 3 K będzie to około:

18°C – 3 K = 15°C

Poniżej tej temperatury można już mówić o częściowym freecoolingu.

Druga granica określa możliwość uzyskania wymaganej temperatury zasilania bez udziału sprężarek. Dla zasilania 12°C będzie to około:

12°C – 3 K = 9°C

Między 9 a 15°C układ pracuje więc w zakresie mieszanym. Im zimniejsze staje się powietrze, tym większą część obciążenia przejmuje wymiennik i tym mniej pracy pozostaje sprężarkom.

Oczywiście rzeczywisty układ nie będzie zachowywał się dokładnie według takiego prostego odejmowania. Różnica między temperaturą powietrza zewnętrznego a temperaturą cieczy opuszczającej wymiennik nie jest stała. Zależy od obciążenia, przepływu powietrza i cieczy, od rzeczywistej sprawności wymiennika, od jego powierzchni, oraz aktualnej mocy chłodniczej.

Przy małym obciążeniu wymiennik może uzyskać mniejszą różnicę temperatur i pozwolić na wcześniejsze wyłączenie sprężarek. Przy pełnej mocy, zabrudzonych lamelach albo ograniczonym przepływie pełny free-cooling zacznie się później.

Wpływ ma również glikol. Zabezpiecza instalację przed zamarznięciem, ale pogarsza właściwości cieplne cieczy i zwiększa opory przepływu. Nie można więc bezpośrednio przenosić ustawień z instalacji wodnej na układ pracujący z roztworem glikolu. Znaczenie ma również rodzaj glikolu i jego stężenie.

Powietrze jest darmowe. Praca wentylatorów już nie

Sama dostępność chłodnego powietrza nie oznacza, że wykorzystanie go w każdej sytuacji będzie opłacalne.

Przy małej różnicy temperatur wymiennik ma niewielką moc. Aby odebrać więcej ciepła, trzeba zwiększyć przepływ powietrza, a więc podnieść prędkość wentylatorów. Czasem wzrasta również zużycie energii przez pompę, szczególnie gdy freecooling pracuje w oddzielnym obiegu.

Może więc dojść do sytuacji, w której ograniczenie mocy sprężarek daje mniejszą oszczędność niż dodatkowy pobór energii przez wentylatory.

Freecooling działa, ciecz rzeczywiście jest wstępnie schładzana, ale całe urządzenie zużywa więcej prądu.

Dlatego sterownik nie powinien maksymalizować udziału freecoolingu. Powinien minimalizować całkowity pobór energii.

To nie zawsze oznacza maksymalne obroty wentylatorów i możliwie najmniejsze obciążenie sprężarki. Niekiedy korzystniejsza będzie spokojniejsza praca wymiennika oraz sprężarka pracująca w dobrym punkcie częściowego obciążenia. Szczególnie dotyczy to nowoczesnych urządzeń wyposażonych w sprężarki i wentylatory z płynną regulacją. Układ ma wtedy wiele możliwych kombinacji pracy, a nie tylko wybór pomiędzy stanem włączonym i wyłączonym.

Stały próg temperatury to za mało

W najprostszych układach freecooling uruchamia się po spadku temperatury zewnętrznej poniżej wartości zapisanej w sterowniku.

Jest to rozwiązanie łatwe do zaimplementowania, ale nie uwzględnia aktualnego zapotrzebowania na chłód.

Jeżeli instalacja pracuje przy pełnej mocy, wymiennik potrzebuje większej różnicy temperatur niż przy obciążeniu wynoszącym 30%. W rezultacie pełny freecooling może być możliwy przy 5°C podczas maksymalnego obciążenia, ale już przy 9°C, gdy zapotrzebowanie jest niewielkie.

Stały próg nie uwzględnia również temperatury powrotu. W instalacji ze zmiennym przepływem może się ona zmieniać zależnie od liczby pracujących odbiorników i ich sposobu regulacji.

Znacznie lepszym parametrem jest więc różnica między temperaturą cieczy na powrocie a temperaturą zewnętrzną. To ona pokazuje, czy istnieje warunek pozwalający na odbiór ciepła.

Ale nawet ta różnica nie wystarcza do pełnej optymalizacji. Informuje o możliwości pracy wymiennika, lecz nie mówi jeszcze, czy ta praca się opłaca.

Co powinien analizować sterownik?

Optymalnie pracujący na freecoolingu układ powinien najpierw analizować bieżące obciążenie instalacji. Można je wyznaczyć z przepływu cieczy oraz różnicy temperatur między zasilaniem i powrotem.

Następnie dostępną moc wymiennika przy aktualnej temperaturze zewnętrznej. Wartość ta będzie inna przy wentylatorach pracujących na 30%, inna przy 60%, a jeszcze inna przy maksymalnej prędkości.

Pozostałą część zapotrzebowania muszą pokryć sprężarki.

Na końcu należy porównać pobór energii całego urządzenia w kilku możliwych punktach pracy. Przykładowo:

• sprężarki pokrywają całe obciążenie, a wymiennik freecoolingowy jest pomijany;
• wymiennik odbiera część ciepła przy niewielkiej prędkości wentylatorów;
• zwiększamy udział freecoolingu, ale rośnie pobór energii przez wentylatory;
• wymiennik pokrywa całość obciążenia i sprężarki mogą zostać wyłączone.

Taki sposób sterowania wymaga zapisanych charakterystyk urządzenia albo bieżącego pomiaru poboru mocy. Najlepszy efekt daje połączenie obu metod: sterownik korzysta z modelu, ale sprawdza go na podstawie rzeczywistych danych.

Temperatura cieczy często daje większe oszczędności niż zmiana algorytmu

Instalacja pracująca na wodzie 7/12°C potrzebuje znacznie chłodniejszego powietrza zewnętrznego niż układ pracujący na parametrach 12/18°C.

Jeszcze wcześniej free-cooling zacznie działać w instalacji 18/24°C.

Jest to szczególnie ważne w serwerowniach, centrach danych i instalacjach technologicznych pracujących przez cały rok. Wyższa dopuszczalna temperatura zasilania zwiększa liczbę godzin, w których możliwy jest częściowy lub pełny freecooling. Z tego powodu rozwiązania przeznaczone do całorocznego chłodzenia są często projektowane właśnie do pracy z podwyższoną temperaturą cieczy.

Freecooling jest jedną z metod ograniczania pracy sprężarek agregatów chłodniczych, jako urządzeń generujących największe zapotrzebowanie na energię elektryczną i najlepiej połączyć go z chillerami przeznaczone specjalnie do wysokiej temperatury wody zasilającej.

Warto więc sprawdzić, czy niska temperatura zadana jest rzeczywiście potrzebna przez cały rok.

Spotykamy się z sytuacją, gdy została ustawiona podczas uruchomienia i od tego czasu nikt jej nie zmieniał. Tymczasem w okresach mniejszego obciążenia odbiorniki mogłyby pracować z cieplejszą wodą.

Podniesienie temperatury zadanej o 2 czy 3 K może pozwolić na wcześniejsze wejście we freecooling i dzięki temu znacznie poprawić sprawność całego układu i dodatkowo obniżyć koszty energii potrzebnej do chłodzenia.

Oczywiście taka zmiana musi być skoordynowana z odbiornikami. Nie można podnieść temperatury wody bez sprawdzenia, czy chłodnice nadal zapewnią wymaganą moc.

Układ nie może zmieniać trybu co kilka minut

Nawet dobrze wyznaczony punkt przejścia nie może działać bez histerezy.

Jeżeli granica uruchomienia freecoolingu wynosi 9°C, temperatura w pochmurne, deszczowe dni lub nocą może zewnętrzna wahać się pomiędzy 8,8 i 9,2°C. Ssterownik nie powinien co chwilę wyłączać i uruchamiać sprężarek.

Potrzebne są różne progi wejścia i wyjścia z danego trybu. Do tego minimalny czas pracy sprężarki, minimalny czas postoju i opóźnienie potwierdzające, że zmiana warunków nie jest chwilowa.

Warto również obserwować szybkość zmian temperatury. Jeżeli powietrze zewnętrzne szybko się ochładza, można przez kilka minut wstrzymać uruchomienie kolejnego stopnia sprężarkowego. Jeżeli temperatura gwałtownie rośnie, wyłączanie sprężarki tylko dlatego, że chwilowo osiągnięto granicę pełnego free-coolingu, nie będzie miało sensu.

Automatyka musi też kontrolować efekt swojej decyzji. Po zwiększeniu udziału freecoolingu temperatura cieczy na zasilaniu powinna zachowywać się zgodnie z przewidywaniem. Jeżeli zaczyna rosnąć, udział sprężarek trzeba zwiększyć wcześniej, a nie dopiero po wystąpieniu alarmu.

Czy taki algorytm można ustawić podczas jednego uruchomienia?

Dobre skalibowanie i ustawienie wymaga doświadczenia i obserwacji jak zaprojektowany układ działa w praktyce. Można ustawić wartości początkowe. Nie oznacza to jednak, że pozostaną optymalne przez następne dziesięć lat.

Z czasem wymiennik się zabrudzi. Zmieni się przepływ cieczy. Pompa zacznie pracować w innym punkcie. Część odbiorników zostanie wyłączona albo do instalacji zostaną podłączone nowe urządzenia.

Sterownik korzystający wyłącznie z fabrycznej charakterystyki nie będzie wiedział, że rzeczywisty układ już się zmienił.

Dlatego idealne byłoby rejestrowanie temperatury, przepływu, poboru mocy sprężarek, wentylatorów i pomp oraz udział poszczególnych trybów pracy.

Po pierwszym sezonie można wtedy sprawdzić, przy jakich warunkach freecooling rzeczywiście obniżał zużycie energii, a kiedy był uruchamiany zbyt wcześnie lub zbyt późno.

Bez takich danych optymalizacja kończy się zwykle na przekonaniu, że skoro na ekranie sterownika pojawił się napis „freecooling”, urządzenie pracuje oszczędnie. Niekoniecznie.

Podsumowanie

Nie ma jednej temperatury, przy której każdy układ chłodzenia powinien przejść na freecooling.

Wcześniej pojawia się możliwość częściowego schłodzenia cieczy powietrzem zewnętrznym. Później warunki pozwalają na całkowite wyłączenie sprężarek. Między tymi punktami wymiennik freecoolingowy i układ sprężarkowy powinny pracować wspólnie.

Rzeczywisty punkt przejścia zależy od temperatury zasilania i powrotu, aktualnego obciążenia, charakterystyki wymiennika, przepływu cieczy, stężenia glikolu oraz poboru energii przez wentylatory, pompy i sprężarki.

Dlatego nie powinno się ustawiać freecoolingu za pomocą jednego termostatu i uznawać tematu za zakończony.

Najważniejsze nie jest to, czy sprężarki już można wyłączyć.

Najważniejsze jest to, przy jakiej kombinacji pracy sprężarek, wymiennika, wentylatorów i pomp całe urządzenie zużywa najmniej energii, nadal utrzymując wymaganą temperaturę cieczy.