چیلر یکی از تجهیزات اصلی سیستم‌های سرمایشی است که با جذب گرما از محیط موردنظر در اواپراتور و دفع آن از طریق کندانسور، فرآیند تولید برودت را انجام می‌دهد. بخشی از انرژی حرارتی دفع‌شده از کندانسور، به‌ویژه گرمای مبرد در خروجی کمپرسور، قابلیت بازیافت و استفاده مجدد دارد.
سیستم بازیافت انرژی در چیلر (Heat Recovery) با استفاده از یک مبدل حرارتی، بخشی از گرمای مبرد را پیش از دفع آن در کندانسور دریافت کرده و به آب منتقل می‌کند. آب گرم تولیدشده می‌تواند در کاربردهایی مانند تأمین آب گرم مصرفی ساختمان‌ها، هتل‌ها، مراکز درمانی و مجموعه‌های صنعتی مورد استفاده قرار گیرد.
استفاده از این فناوری علاوه بر کاهش نیاز به مصرف انرژی برای تولید آب گرم، می‌تواند به بهبود عملکرد کلی سیستم سرمایشی و کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی کمک کند.
در این مقاله، نحوه عملکرد سیستم بازیافت انرژی در چیلر، مزایای استفاده از آن و تأثیر این فرآیند بر سیکل ترمودینامیکی بررسی می‌شود.
سیستم بازیافت انرژی در چیلر چگونه کار می‌کند؟
مبرد پس از خروج از کمپرسور، در حالت گاز داغ و تحت فشار بالا قرار دارد. دمای این مبرد با توجه به نوع کمپرسور، نوع مبرد، میزان بار سرمایشی و شرایط آب‌وهوایی محل نصب متفاوت است.
بر اساس اطلاعات ارائه‌شده در مقاله مبنا، دمای مبرد خروجی از کمپرسور می‌تواند در شرایط میان‌باری حدود ۵۰ درجه سانتی‌گراد و در شرایط بار کامل بیش از ۷۰ درجه سانتی‌گراد باشد.
در چیلر مجهز به سیستم بازیافت انرژی، یک مبدل حرارتی در مسیر مبرد داغ و پیش از کندانسور قرار می‌گیرد. مبرد با عبور از این مبدل، بخشی از گرمای خود را به آب منتقل می‌کند و در نتیجه دمای آن کاهش می‌یابد.
آب گرم تولیدشده در این فرآیند می‌تواند برای مصارف بهداشتی و گرمایشی ساختمان مورد استفاده قرار گیرد. در صورت استفاده از منبع کویلی یا مخزن ذخیره آب گرم در کنار چیلر، امکان ذخیره و تأمین آب گرم متناسب با الگوی مصرف ساختمان نیز فراهم می‌شود.
مزایای استفاده از سیستم بازیافت انرژی در چیلر
بازیافت حرارت مبرد خروجی از کمپرسور، علاوه بر تولید آب گرم، می‌تواند مزایای متعددی در عملکرد و بهره‌برداری از چیلر ایجاد کند.
بر اساس اطلاعات فنی ارائه‌شده در مقاله مبنا، مزایای این سیستم شامل موارد زیر است:
-
افزایش حدود ۴ درصدی ظرفیت سرمایشی دستگاه
-
کاهش حدود ۳٫۴ درصدی مصرف برق
-
افزایش حدود ۷ درصدی شاخص EER دستگاه
-
افزایش حدود ۶ درصدی شاخص ESEER دستگاه
-
کاهش یا حذف نیاز به مصرف گاز شهری برای تولید آب گرم در فصل کاری چیلر، متناسب با میزان حرارت بازیافتی و نیاز مصرف‌کننده
-
کاهش آلایندگی ناشی از سوختن گاز برای تأمین آب گرم
-
کاهش مصرف برق تجهیزات جانبی سیستم گرمایشی، مانند مشعل و پمپ‌های مربوطه، در صورت امکان خاموشی آن‌ها
-
کاهش ساعات کارکرد دیگ و مشعل موتورخانه در فصل تابستان و در نتیجه کاهش استهلاک آن‌ها
-
امکان کاهش فشار کاری کندانسور و بهبود شرایط عملکرد کمپرسور، در صورت طراحی صحیح سیستم
میزان دستیابی به این مزایا به ظرفیت مبدل بازیافت انرژی، شرایط بار چیلر، دمای آب ورودی و خروجی، نوع مبرد و نحوه طراحی مدار بستگی دارد.
کاهش هزینه‌های تولید آب گرم
در ساختمان‌هایی که در تمام طول سال به آب گرم مصرفی نیاز دارند، بخشی از انرژی حرارتی قابل بازیافت چیلر می‌تواند جایگزین انرژی موردنیاز دیگ و مشعل شود.
در این شرایط، مصرف گاز برای تولید آب گرم کاهش پیدا می‌کند و در صورت تأمین کامل نیاز حرارتی از طریق بازیافت انرژی، امکان خاموش نگه‌داشتن دیگ در بخشی از دوره بهره‌برداری وجود دارد.
این موضوع به‌ویژه در ساختمان‌های مسکونی، هتل‌ها، بیمارستان‌ها و مجموعه‌های تجاری که مصرف آب گرم قابل‌توجهی دارند، اهمیت دارد.
کاهش بار حرارتی کندانسور
هنگامی که بخشی از گرمای مبرد در مبدل بازیافت انرژی به آب منتقل می‌شود، مقدار گرمای باقی‌مانده برای دفع در کندانسور کاهش پیدا می‌کند.
این موضوع می‌تواند در شرایط طراحی مناسب، بار حرارتی کندانسور را کاهش دهد و بر عملکرد تجهیزات دفع حرارت مانند فن‌های کندانسور هوایی یا برج خنک‌کننده تأثیر مثبت داشته باشد.
بررسی ترمودینامیکی چیلر مجهز به بازیافت انرژی
برای بررسی عملکرد سیستم بازیافت انرژی، ابتدا باید اجزای اصلی سیکل تبرید تراکمی را بشناسیم.
یک سیکل تبرید تراکمی متداول از چهار بخش اصلی تشکیل شده است:
-
کمپرسور (Compressor): افزایش فشار و دمای مبرد و به گردش درآوردن آن در سیکل
-
کندانسور (Condenser): دفع گرمای مبرد و تبدیل آن از حالت گاز به مایع
-
شیر انبساط (Expansion Valve): کاهش فشار و دمای مبرد پیش از ورود به اواپراتور
-
اواپراتور (Evaporator): جذب گرما از سیال واسط و تولید سرمایش
در چیلر مجهز به بازیافت انرژی، مبدل حرارتی در مسیر مبرد داغ خروجی از کمپرسور قرار می‌گیرد. این مبدل بخشی از گرمای مبرد را پیش از ورود به کندانسور دریافت می‌کند.
بررسی مراحل عملکرد سیکل تبرید
برای درک بهتر تأثیر بازیافت انرژی، می‌توان مسیر حرکت مبرد را در نقاط مختلف سیکل بررسی کرد.
مرحله اول: ورود مبرد به کمپرسور
مبرد پس از خروج از اواپراتور در حالت بخار و معمولاً به‌صورت فوق‌گرم (Superheated) وارد کمپرسور می‌شود. در کمپرسور، فشار مبرد افزایش پیدا می‌کند و دمای آن نیز بالا می‌رود.
مرحله دوم: خروج مبرد داغ از کمپرسور
مبرد پس از تراکم، به شکل گاز داغ و پرفشار از کمپرسور خارج می‌شود. این بخش از سیکل، منبع اصلی حرارت قابل بازیافت در سیستم مورد بررسی است.
مرحله سوم: عبور از مبدل بازیافت انرژی
مبرد داغ وارد مبدل حرارتی شده و بخشی از انرژی خود را به آب منتقل می‌کند. در نتیجه، دمای مبرد کاهش پیدا می‌کند و آب خروجی از مبدل گرم می‌شود.
مرحله چهارم: ورود به کندانسور
مبرد پس از عبور از مبدل بازیافت انرژی وارد کندانسور می‌شود. در این بخش، گرمای باقی‌مانده به محیط دفع شده و مبرد به حالت مایع تبدیل می‌شود.
مرحله پنجم: عبور از شیر انبساط
مبرد مایع پس از عبور از شیر انبساط، با افت فشار و دما مواجه شده و به مخلوطی از مایع و بخار تبدیل می‌شود.
مرحله ششم: ورود به اواپراتور
مبرد در اواپراتور گرمای سیال واسط، مانند آب، را جذب می‌کند. با دریافت این گرما، مبرد تبخیر شده و مجدداً به حالت بخار درمی‌آید.
مرحله هفتم: بازگشت به کمپرسور
بخار مبرد پس از خروج از اواپراتور، به کمپرسور بازمی‌گردد و چرخه تبرید دوباره تکرار می‌شود.
تأثیر بازیافت انرژی بر نمودار دما و آنتروپی (T-S)
نمودار دما و آنتروپی (Temperature-Entropy Diagram) یکی از ابزارهای مهم برای بررسی رفتار ترمودینامیکی مبرد در سیکل تبرید است.
در سیکل مجهز به بازیافت انرژی، مبرد پس از خروج از کمپرسور و پیش از ورود به کندانسور، بخشی از گرمای خود را در مبدل بازیافت انرژی به آب منتقل می‌کند.
این فرآیند موجب کاهش دمای مبرد پیش از ورود به کندانسور می‌شود. در نتیجه، بخشی از بار دفع حرارت از کندانسور به مبدل بازیافت انرژی منتقل خواهد شد.
در نمودار ترمودینامیکی، نقاط مختلف نشان‌دهنده وضعیت مبرد در بخش‌های مختلف سیکل هستند. با اضافه شدن مبدل بازیافت انرژی، یک مرحله انتقال حرارت پیش از کندانسور به مسیر مبرد اضافه می‌شود.
در صورت طراحی مناسب، کاهش گرمای ورودی به کندانسور می‌تواند شرایط عملکرد آن را بهبود دهد. همچنین اگر بازیافت حرارت باعث افزایش مادون‌سردی (Subcooling) مبرد مایع در خروجی کندانسور شود، ظرفیت سرمایشی سیکل نیز می‌تواند افزایش پیدا کند.
البته میزان تغییر ظرفیت سرمایشی، توان کمپرسور و شاخص‌های راندمان باید بر اساس مشخصات واقعی چیلر و محاسبات ترمودینامیکی تعیین شود.
شاخص‌های عملکرد چیلر مجهز به بازیافت انرژی
برای ارزیابی عملکرد چیلر، شاخص‌هایی مانند EER و ESEER مورد استفاده قرار می‌گیرند.
EER (Energy Efficiency Ratio) نسبت ظرفیت سرمایشی تولیدشده به توان الکتریکی مصرفی دستگاه در شرایط مشخص است.
ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) شاخصی برای ارزیابی راندمان فصلی چیلر است که عملکرد دستگاه را در چند وضعیت بار جزئی و شرایط دمایی مختلف بررسی می‌کند.
استفاده از سیستم بازیافت انرژی می‌تواند با تغییر شرایط حرارتی مبرد و کاهش بار کندانسور، بر این شاخص‌ها تأثیر بگذارد. با این حال، مقدار دقیق تغییرات به شرایط کاری، طراحی مبدل و نحوه کنترل دستگاه وابسته است.
بازگشت سرمایه سیستم بازیافت انرژی
یکی از عوامل مهم در انتخاب سیستم بازیافت انرژی، مدت‌زمان بازگشت سرمایه اولیه است.
برای محاسبه دوره بازگشت سرمایه باید هزینه خرید و نصب مبدل، هزینه تجهیزات جانبی، میزان انرژی حرارتی قابل بازیافت، ساعات کارکرد چیلر و میزان مصرف آب گرم ساختمان بررسی شود.
همچنین قیمت برق، گاز و هزینه نگهداری تجهیزات گرمایشی در محاسبات اقتصادی اهمیت دارند.
در متن فنی مبنا، دوره بازگشت سرمایه حدود دو سال برای مصارف مسکونی پیش‌بینی شده است؛ اما این عدد یک برآورد وابسته به شرایط پروژه است و نمی‌توان آن را برای تمام ساختمان‌ها و چیلرها یکسان در نظر گرفت.
جمع‌بندی
بازیافت انرژی در چیلر یکی از روش‌های استفاده مجدد از گرمای تولیدشده در فرآیند تبرید است. در این فناوری، بخشی از گرمای مبرد داغ خروجی از کمپرسور به کمک یک مبدل حرارتی به آب منتقل می‌شود و آب گرم تولیدشده می‌تواند برای مصارف بهداشتی و گرمایشی ساختمان مورد استفاده قرار گیرد.
این سیستم علاوه بر کاهش نیاز به مصرف سوخت برای تولید آب گرم، می‌تواند بار حرارتی کندانسور را کاهش داده و در شرایط مناسب، عملکرد کلی چیلر را بهبود دهد.
انتخاب سیستم بازیافت انرژی باید با توجه به ظرفیت چیلر، میزان مصرف آب گرم، شرایط بهره‌برداری و محاسبات اقتصادی پروژه انجام شود. در نتیجه، بررسی فنی و اقتصادی پیش از نصب این سیستم، نقش مهمی در دستیابی به صرفه‌جویی واقعی و بازگشت سرمایه مناسب خواهد داشت.