1. Bevezetés
Az energetikai összehasonlító mérést az indokolja, hogy hazánkban egyre elterjedtebbek a kisebb vállalkozások, őstermelők által üzemeltetett hűtőkamrák, amelyek elsősorban valamilyen élelmiszeripari: húsipari vagy gyümölcs/zöldség tárolási feladatot látnak el. Támogatással ezeknek a kisvállalkozásoknak is lehetősége nyílik korszerűen üzemeltethető, alacsony fogyasztású, jó minőségű hűtőkamrák hűtéstechnikai rendszerének beszerzésére. Ez nemcsak energia megtakarítást, hanem a megfelelő technológiájú szabályozással a kamra stabilabb léghőmérsékletének biztosítását, ezzel együtt pedig a hűtőkamrában tárolt áru stabilabb állagvédelmét is eredményezheti [1] - [9].
Ebben a kutatásban a kereskedelmi szektorban használt DC inverteres hűtő aggregát energiafogyasztásának optimalizálására került sor, beleértve a fordulatszám szabályozású kompresszort, az elektronikus expanziós szelepet és a PID szabályozót tartalmazó rendszert. A célok elérése érdekében egy kísérleti mérőállás épült egy hazai piacvezető hűtéstechnikai rendszereket forgalmazó cég bemutatótermében.
A mérőrendszer fő része a hűtőkamra, amely belül két azonos elpárologtatót tartalmaz, az egyiket a DC inverteres aggregáttal üzemeltetik, a másik pedig a hazai piacon nagyon széles körben elterjedt, hagyományos hűtőberendezéssel van felszerelve, amelyet egy hagyományos dugattyús kompresszor, mechanikus expanziós szelep és On-Off (kétállású) szabályozó működtet. A gyártó által szolgáltatott hiányos adatok miatt a DC hűtőberendezés PID szabályozóját optimalizálni kellett a megfelelő arányos, integráló és differenciáló paraméterértékek beállításával az energetikai működés érdekében.
A kutatási munka újszerűsége a PID szabályozó megfelelő beállítása a tervezett hűtési körülményekre és annak hatása a DC hűtőgép energiafogyasztására. Még ha a hűtőberendezés méretezése megfelelő is az adott feladathoz és a hűtési teljesítménye megfelel a hűtési igénynek, egy behangolatlan PID szabályozó nagyobb energiafogyasztást eredményez, mint a hagyományos hűtőberendezés On-Off vezérlésénél.
A kutatómunkában asszisztált Simon Richárd MSc hallgató, munkájából egy kiváló minősítésű TDK dolgozat és diplomamunka született [10].
2. A kísérleti mérőállás bemutatása
A kísérleti méréseket a Kassai-Klíma Kft., Hűtő- és Klímatechnikai Kereskedelmi és Szolgáltató Kft. bemutatótermében, a céghez tartozó személyzet felügyelete mellett, annak eszközeivel és támogatásával végeztem. A bemutatóterem címe: 1173 Budapest, Pesti út 256.
A hűtőkamra az épület közepén helyezkedik el, ami abból a szempontból jelentős, hogy az épületben egy hatékonyan és precízen működő hőszivattyús mennyezetfűtési/hűtési rendszer tartja a léghőmérsékletet állandó értéken egész évben.
Ennek következtében a kamra teljes környezetében 23 °C van, amelyből majd a kamra hővesztesége számítható.
A kamrát határoló fal túloldalán a műhely található, ahol szintén 23 °C-os levegőhőmérséklet jellemző. A kamrát a GablerMirelta Hungária Kft. készítette. A kamra falszerkezetének tulajdonságait az 1. táblázat foglalja össze.
A hűtőkamráról még érdemes tudni, hogy ez padlóval szerelt, azaz a talaj felé is hőszigetelt. A gyártó cég állítása szerint az általuk alkalmazott megoldás hőhídmentes, azaz nincsen a kamrában olyan pont, ahol a hő könnyebben tud mozogni, „szökni”.
A táblázatban a hőátbocsátási tényező azt jelenti, hogy az adott anyag (vagy anyagsorrend) egy négyzetméterén egy egység (K vagy °C) hőmérsékletkülönbség hatására hány egység hőenergia (W) tud átáramlani. Ez az érték figyelembe veszi a hőszigetelést, a fal anyagát és a légállapotokat a kamrán kívül belül. Utóbbi azért fontos, mert az áramló levegő jobban fel tudja venni a kamrából kiáramló hőt. Amennyiben a hőátbocsátási tényező értéke kicsi, ez azt jelenti, hogy a falszerkezet jól szigetelt, nehezen halad át rajta a hő.
A pontos energetikai összehasonlító vizsgálat érdekében ebben a kamrában vannak elhelyezve egy On-Off szabályozású és egy fordulatszám-szabályozott, névleges hűtési teljesítményükben azonos hűtőgépek elpárologtató egységei. Az elpárologtatók elhelyezését a 2. ábra, műszaki adatait a 2. táblázat mutatja.
Az On/Off-os berendezés és a fordulatszám-szabályozott hűtőgép elpárologtatóját az Inter-Thermo Kft. gyártotta. Különbség a vezérlésükben és a kondenzátor oldalon van. Viszont a hűtési teljesítmény mindkét esetben 1,7 kW, –10 °C-os elpárolgási hőmérséklet és 0 °C-os kamra léghőmérséklet esetén.
A vezérlést tekintve az On-Off-os berendezés egy léghőmérséklet érzékelőből, egy hőmérséklet beállítását biztosító vezérlő panelből és egy indítást-leállítást lehetővé tevő elektronikából áll (3. ábra). 3. ábra. Az alkalmazott szabályozó egységek a kísérleti tesztkamrán A fordulatszám-szabályozott hűtőgép Sinclair SCMI-01 típusú vezérlője ennél sokkal bonyolultabb (4. ábra). Amellett, hogy ezen is lehet a kamra hőmérsékletét állítani, a PID szabályozónak megfelelő konstansokat is állíthatjuk rajta. Emellett kijelzi a kompresszor aktuális fordulatszámát (százalékosan), az elpárologtató és a kamra hőmérsékletét, valamint az expanziós szelep állását is. A vezérlő egység a berendezéssel egyetemben képes arra, hogy a hűtő körfolyamatot megfordítsa, ezzel a kondenzátort elpárologtatóként, az elpárologtatót pedig kondenzátorként használva. Ennek következtében képes a fűtésre is.
A Sinclair SCMI-01 vezérlő egység kifejlesztését az elmúlt évek közös együttműködési munkája eredményezte a Kassai-Klíma Kft. és a csehországi Centrála NEPA spol. s r.o. (a Sinclair termékek európai elosztó központja) nevű partnercég között. A kondenzátor oldalon a fordulatszám-szabályozott berendezést szintén a csehországi Nepa gyártatta.
Kompresszora ugyanolyan teljesítményű és fordulatszámú, mint a másik hűtőgépé. Különbség a típusban és a fordulatszám-szabályozottságban van. Utóbbit egy AC/DC konverterrel (egyenirányítóval), egy kondenzátorral és egy középfrekvenciás DC/AC konverterrel oldják meg. Ez a DC inverter.
Működése: az AC/DC konverter a váltakozó áramú energiát (1/3 fázis) egyenfeszültségű energiává alakítja. Ezt a kondenzátor változtatható frekvenciájú feszültséggé transzformálja, végül a DC/AC konverter ezt tovább alakítja háromfázisú változtatható frekvenciájú villamos energiává. Ezzel a változtatható frekvenciával szabályozható a fordulatszám.
Ha ezt indításnál tesszük, akkor az indítási áram nagysága is befolyásolható.
A fordulatszám-szabályozott, vagy más néven inverteres megoldás nagyobb teljesítmény kategóriákban már széles körben elterjedt. A jövőben az ipari hűtéstechnikában is várható lesz a fordulatszám-szabályozott kompresszorok kötelezővé tétele, mint ahogy az történt a klímatechnikában is a 2013-as ErP irányelv bevezetésével az Európai Unió területén.
Eszerint minden 11 kW hűtési teljesítménynél kisebb klímaberendezés csak inverter szabályozású lehet, illetve a 125 W teljesítményű ventilátort (berendezés része) minősíttetni kell.
Erre felkészülve a Sinclair kifejlesztette a már bemutatott, univerzálisnak tekinthető vezérlőegységét, amellyel a saját hűtőgép aggregátoraik fordulatszám-szabályozhatóak lettek. A mérőállás kondenzátor oldalát az 5. ábra mutatja be. 5. ábra. A hűtőaggregátok kialakítása Az On-Off és PID szabályozású hűtőberendezések műszaki adatai a 3. és 4. táblázatban láthatók.
3. A kísérleti vizsgálatok folyamatának bemutatása
A mérés során a felhasznált műszaki paraméterek:
- On-Off-os hűtőgép:
- A kamra hőmérséklete
- A kompresszor áramfelvétele
- Elpárolgási hőmérséklet
- Elpárolgási nyomás
- Felvett villamos teljesítmény
- Inverteres berendezés:
- A kamra hőmérséklete
- A kompresszor áramfelvétele
- A kompresszor fordulatszáma
- Elpárolgási hőmérséklet
- Elpárolgási nyomás
- Felvett villamos teljesítmény
- A kamra hőmérséklete
A felvett villamos teljesítményt a vezérlőkbe beépített teljesítmény mérővel, a felvett áramot egy MAXWELL MC-25605 digitális lakatfogóval mértük.
A mérés célja a már ismertetett összehasonlítás: a kétpontszabályozású On-Off készülék és a PID szabályozású inverteres készülék villamos fogyasztásainak összevetése, a berendezések működését és a kamra hőmérsékletét is figyelemmel kísérve. Hiszen hiába fogyasztana kevesebbet bármelyik, ha a kívánt feladatot nem látja el.
A feladatból kifolyólag hosszabb intervallumokon vizsgáltuk a rendszereket. Egy-egy berendezés pontosan 24 órát üzemelt, mely 24 órából kiragadtunk néhány kisebb intervallumot, amely alatt a kamra és a berendezés paramétereit feljegyeztük a lehető legkisebb időközönként. A mérés minden esetben a már kívánt kamrahőmérséklet elérésekor kezdődött, így ha fel is melegedett a hűtőgép állása során a kamrában a levegő, annak lehűtése nem tartozott a mérésbe. Egy nap elteltével már eleget üzemelt a gép, hogy annak villamos fogyasztását pontosabban lemérhessük.
4. A kísérleti eredmények bemutatása
4.1. Az első mérések eredményei
Az első mérés során a kamra hőmérsékletét 1 °C-ra állítottuk.
Először az On-Off-os készüléket kapcsoltuk be, feljegyeztük a mérés kezdetén a fogyasztásmérő állását, amely 3,7 kWh-t mutatott. Ezután véletlenszerűen kiválasztott időszakokban vizsgáltuk a kamra hőmérsékletének alakulását, ezeket mutatja a következő oldalon található 6. ábra.
Látható, hogy a berendezés a korábban leírtaknak megfelelően periodikusan működik. Feltűnő, hogy az üzemelési idő (a diagramon a csúcspontoktól az alsó pontokig) jóval rövidebb, mint az állási idő. Ennek oka, hogy a kamrában a mérések során nem volt áru, a hűtőgép így jelentősen túlméretezett, mivel csak a levegőt hűtjük, a kamra hőveszteségét fedezzük.
Hogy további információkat kaphassunk a működésről, a kondenzátor oldalon is megvizsgáltuk a periodikusságot, ezt a következő oldalon lévő 7. ábra mutatja.
Az elpárolgási hőmérséklet –24/–23 °C-os értéke az állási időszakban nem valós. Ez annak tudható be, hogy a biztonsági szelepek zárása miatt a keringetés megszűnik és a mérőműszer érzékelője alacsony nyomást mér, az elpárolgási hőmérsékletet a hűtőközeg ismeretében számítja. Látható az is, hogy az üzemelés elején az áramfelvétel ugrásszerűen megnő, majd egyre laposabban csökken. A periódusát tekintve átlagban 8 perc 30 másodpercet állt és 1 perc 41 másodpercet üzemelt a gép.
A mérés végén a fogyasztásmérő 9,41 kWh-n állt.
Az inverteres berendezés mérésénél hasonlóan jártunk el, azonban itt beállítottuk a PID szabályozó konstans értékeit is.
A gyári alapbeállítási javaslat erre (zárójelben a lehetséges értékek intervalluma) az alábbi volt:
- Időállandó: 30 (10-999)
- Proporcionális tag: 35 (0-999)
- Integráló tag: 0 (0-999)
- Deriváló tag: 60 (0-999)
- A gyártói javaslat alapján történő beállítás esetén az értékekből látható, hogy az integráló tag értéke 0, mintha nem lenne hatása a rendszer működése szempontjából. A belső léghőmérséklet ebben az esetben is 1 °C és a fordulatszám szabályozott hűtőgép teljesítménymérője a mérés elején 61,8 kWh-t mutatott. A kamra belső hőmérsékletének alakulását a 8. ábra mutatja be.
A 6. ábrán szemléltetett hőmérséklet-lefutáshoz közel sem hasonlít a 8. ábrán látható hőmérséklet karakterisztika. Ennek két oka, hogy a hűtőgép ebben az esetben is túlméretezett, illetve, hogy a kompresszor fordulatszámát az üzemi fordulatszám 15%-a alá konstrukciós okokból nem lehet vinni. Ez azt jelenti, hogy a minimális hűtési teljesítmény is nagyobb, mint amire szükség lenne. Következménye, hogy a kompresszor leáll és csak egy bizonyos idő után indul újra, a kamra hőmérsékletétől függetlenül. Mivel ez a mérés nem vezetett volna eredményre, így változtattunk a mérési paramétereken: csökkentettük a kamra hőmérsékletét 0 °C-ra, valamint megbizonyosodtunk arról, hogy nem történik majd leolvasztás, ezzel is egyszerűsítve az összehasonlítást.
A mérés után 67,62 kWh-n állt a teljesítménymérő. A mérések összehasonlítását az 5. táblázat tartalmazza.
Észrevehetjük, hogy a felhasznált fogyasztás a várttól eltérő, az On-Off-os volt takarékosabb. Habár az inverteres közelítette meg jobban a kívánt hőmérsékletet, annak tartása nem volt ideális.
Következtetésnek levonhatjuk, hogy egy túlméretezett rendszer esetén a PID szabályozó a gyártói alapbeállítás (PID) paraméterek mellett nem üzemel még olyan jól sem, mint On-Off-os társa.
4.2. A PID szabályozó hangolása
Ahhoz, hogy optimálisan üzemeljen a berendezés, a PID szabályozó hangolása kell. Ettől azt várjuk, hogy megfelelő időn belül a kívánt értékhez kellően közeli hőmérsékletre állítsa be a kamra levegőjének hőmérsékletét.
A valóságban számos módszer létezik a PID szabályozók hangolására. Itt ezt a legegyszerűbbel, Ziegler-Nichols módszerrel végeztük (továbbiakban Z-N) [2-10]. A lényege, hogy a rendszert olyan beállítás mellett üzemeltetjük, hogy az integráló és a deriváló tag ki van iktatva, csak az arányos tag vesz fel értéket. Emellett az instabilitás határán kell üzemelnie a berendezésnek, és ott megvizsgálni a rendszer periodicitását. Ebből kapható a kritikus idő (Tkr) [s] és a kritikus proporcionális tag értéke (Kkr) [–]. Ezekből a 6. táblázat alapján már számíthatók a berendezés további értékei.
A PID szabályozó Z-N módszerrel történő helyes behangolása egyedülálló a kereskedelmi hűtőberendezések területén, mivel a vizsgált hűtőteljesítmény tartományban a piacon kapható legelterjedtebb hűtőberendezések szabályozása eltérő.
Figyelembe véve azt a tényt, hogy a gyártó nem engedélyezte a vezérlő szoftvereihez való hozzáférést, empirikus kézi hangolásra került sor, egészen addig, amíg a PID szabályozott készülék jóval nagyobb pontossággal követte a hűtési igényt, mint egy On-Off hűtőszekrény.
A PID szabályozó behangolása során a cél egy lassabb, de pontos, ingadozásmentes, úgynevezett túlcsillapított rendszer kialakítása. Ehhez az egyik módszer, hogy a deriváló tagot a lehető legmagasabbra állítsuk. Így a beállítások a következők szerint alakulnak:
- Időállandó: 10 (10-999)
- Proporcionális tag: 25 (0-999)
- Integráló tag: 0 (0-999)
- Deriváló tag: 500 (0-999)
A mérés során a kamrában elhelyezésre került egy 500 W-os reflektor is, amely plusz hőt állított elő. Ez az On-Off-os berendezés esetében jelentősen növelte az üzemelési és csökkentette az állási időket, amelyeket a 9. ábrán, a kamra belső hőmérsékletének alakulásán és a 10. ábrán, a kondenzátor oldali paraméterek alakulásán is jól láthatunk.
Valóban láthatjuk, hogy a periódusok jelentősen besűrűsödtek. Átlagban 3 perc 32 másodpercet ment és 2 perc 3 másodpercet állt a gép. A 24 órás mérés végén a fogyasztásmérő 32,69 kWh-t mutatott. Az inverteres berendezés paraméterei se változtak. Azt vártuk a mérés elején, hogy hasonlóan stabilan tartja a belső hőmérsékletet és úgy üzemel, mint a második mérésnél, csak magasabb fordulatszámon jár a kompresszor.
A fogyasztásmérő a mérés kezdetén 130,6 kWh-t mutatott. A belső hőmérséklet alakulását a 11. ábra, a kondenzátor oldali paraméterek változását a 12. ábra mutatja be (lásd a következő oldalon).
A mérés során az átlagos kompresszor fordulatszám 23,2%-a volt a névleges fordulatszámnak. Ez a vártnak megfelelő eredmény, mint ahogyan az is, hogy a nagyobb hűtési teljesítmény igénynél az áramfelvétel is nőtt. A mérés végén a fogyasztásmérő 136,1 kWh-t írt. A behangolt PID szabályozó esetén kapott eredményeket a 7. táblázat mutatja.
Láthatjuk, hogy ebben az esetben már minden téren az inverteres berendezés a kedvezőbb. Az On/Off-os berendezés fogyasztásának a növekménye azért ilyen drámai, mert a berendezés már csak harmad annyit áll, mint a második mérésben. Ellenben a fordulatszám-szabályozott berendezés követi a hűtési igényt. Épp ezért ilyen körülmények között ez a 62 %os energia megtakarítás lehetséges az Of-Off-os berendezéssel szemben.
5. Az eredmények összefoglalása, következtetések
Ebben a kutatási munkában a kereskedelmi hűtéstechnikai célra kifejlesztett DC inverteres hűtőberendezés energiafogyasztásának optimalizálását végeztük kísérleti úton. A berendezés PID szabályozóját az arányos, integráló és differenciáló tagjainak megfelelő értékek beállításával optimalizáltuk az optimális energiaellátás elérése érdekében.
A kutatási munka eredményeiből levont főbb megállapításokat az alábbiakban foglaltuk össze:
- A PID szabályozott DC inverter készülék sokkal nagyobb pontossággal követi a hűtési igényt, mint az On-Off szabályozású hűtőberendezés. A különbség meghatározása a tanulmányban bemutatott kísérleti úton, egzakt módon történt.
- A DC inverteres hűtőberendezés behangolatlan PID szabályozóval történő üzemeltetése 1,92%-kal nagyobb energiafogyasztást eredményezett, szemben a hagyományos On-Off vezérlésű készülékkel, ugyanabban a hűtőkamrában, azonos üzemeltetési feltételek és körülmények mellett.
- Az elektronikus expanziós szeleppel, a scroll kompresszorral és a megfelelően behangolt PID szabályozóval üzemeltetett DC inverteres hűtőberendezésen végzett kísérletek együttes hatása mintegy 62,4%-os energia megtakarítást eredményezett, szemben a hagyományos On-Off vezérlésű készülékkel, azonos üzemi körülmények mellett.
A kutatás folytatása gyanánt a cél olyan szimulációs modell kidolgozása hűtőkamrákban alkalmazott klímatechnikai rendszer energiafelhasználásának vizsgálatára, amely figyelembe veszi a gyakorlatban elterjedt kompresszor, adagoló és a vezérlő egységek típusát is, illetve a szimulációs modell validálása a mért eredményekkel.
Támogatók
Ez a kutatási munka a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal támogatásával az NKFI Alapból [azonosítószám: NKFIH PD_18 127907] valósult meg, valamint a Magyar Tudományos Akadémia Bolyai János Kutatási Ösztöndíja támogatásával készült, Budapest, Magyarország.
Felhasznált irodalom
[1] Ekren, O., et al., Comparison of different controllers for variable speed compressor and electronic expansion valve International Journal of Refrigeration, 33 (2010), pp. 1161-1168. [2] Matysko, R., Theoretical model of the operation parameters regulated by the MIMO and SISO system in a cooling chamber International Journal of Refrigeration, 58 (2015) pp. 53-57. [3] Ekren, O., et al., Performance evaluation of a variable speed DC compressor International Journal of Refrigeration, 36 (2013), pp. 745-757. [4] Buzelin, L. O. S. et al., Experimental development of an intelligent refrigeration system International Journal of Refrigeration, 28 (2005), pp. 165-175. [5] Hamid, N. H. A. et al., Application of PID Controller in Controlling Refrigerator Temperature The 5th International Colloquium on Signal Processing & Its Applications (CSPA), Kuala Lumpur, Malaysia, 2009. [6] Aström, K. J.; Hágglund T., PID Controllers: Theory, Design and Tuning, second ed. Instrument Society of America, Research Triangle Park, USA, N.C., 1995 [7] Ziegler, J. G., Nichols, N. B., Optimum Settings for Automatic Controllers.
Trans. ASME, 64 (1942), pp. 759-768. [8] Nyers J. et al., Modern and traditional regulation of the evaporation process in the heat pump 24th International Conference “Vykurovanie 2016”, Stara Lubovnja, Slovakia. 2016, pp. 265-270. [9] Anantachaisilp, P., Lin, Z., An experimental study on PID tuning methods for active magnetic bearing systems International Journal of Advanced Mechatronic Systems, 5 (2013), pp. 146-154. [10] Simon Richárd, Hűtőkamra energiafelhasználásának vizsgálata újonnan kifejlesztett DC inverteres vezérlő segítségével, TDK dolgozat, TDK szekció: BME Gépészmérnöki Kar, Gépészeti Eljárástechnika szekció, 2016
Dr. Kassai Miklós PhD.1 – Simon Richárd 2
Forrás: Magyar Épületgépészet - 2019.11.30. (3,4,5,6,7,8. oldal)