Free-Cooling-Systeme können den Besitzern solcher Anlagen erhebliche Einsparungen bringen. Die Höhe der möglichen verfügbaren Energieeinsparungen hängt jedoch fast vollständig von der Gesamtsystemauslegung und der Auswahl der Ausrüstung zur Verwendung in dem System ab. Im Allgemeinen muss der Konstrukteur höhere Ausrüstungskosten mit einer größeren Möglichkeit zur Energieeinsparung ausgleichen. Glücklicherweise sind diese Einsparungen – und die damit verbundenen Kosten – einigermaßen quantifizierbar, sodass Designer intelligente Entscheidungen treffen können, die sich auf zuverlässige Informationen stützen. In diesem Artikel werden Methoden zur Kapazitätssteuerung in Entwurfsschemata für freie Kühlung beschrieben.
Saugzug- und Zwangszug-Kühltürme erfordern separate Richtlinien für die Leistungsregelung bei Anwendungen mit freier Kühlung, die im Folgenden detailliert beschrieben werden. Die Steuersequenz für einen Kühlturm, der bei niedrigen Umgebungsbedingungen betrieben wird, ist im Wesentlichen die gleiche wie bei einem Kühlturm, der unter Sommerbedingungen betrieben wird, sofern die Umgebungstemperatur über dem Gefrierpunkt liegt. Wenn das Wetter sehr kalt wird, müssen zusätzliche Vorkehrungen getroffen werden, um die Möglichkeit einer schädlichen Eisbildung zu vermeiden.
Es ist sehr wichtig, den Kühlturm während des Winterbetriebs genau zu kontrollieren. EVAPCO empfiehlt, dass a MINIMALE Austrittswassertemperatur von 45 °F muss während des Free-Cooling-Betriebs eingehalten werden. Labortests und Felderfahrungen haben jedoch gezeigt, dass 42°F als ABSOLUTE MINDESTWASSERAUSTRITTSTEMPERATUR dienen sollte. Je höher die Austrittswassertemperatur aus dem Turm ist, desto geringer ist natürlich das Potenzial für Eisbildung. Dies setzt voraus, dass der ordnungsgemäße Wasserfluss über den Kühlturm aufrechterhalten wird und die im Bulletin erwähnten Betriebsverfahren des Lüfters befolgt werden.
Das Folgende liefert eine Zusammenfassung der Kapazitätssteuerungssequenzen sowohl für Saugzug- als auch Zwangszugeinheiten. Es wird eine Betriebssequenz für Türme gezeigt, die Motorsteuerungen mit einer Geschwindigkeit, zwei Geschwindigkeiten und variablen Geschwindigkeiten verwenden. Ebenfalls enthalten sind Überlegungen zur Kapazitätssteuerung für Kühltürme mit mehreren Zellen. Im Anhang dieses Bulletins werden die empfohlenen Leistungsregelungssequenzen für Kühltürme, die unter Bedingungen der freien Kühlung betrieben werden, ausführlicher dargestellt.
Kapazitätskontrolle (Saugzug)
Die Kapazitätsregelung von Saugzugkühltürmen, die während Freikühlanwendungen betrieben werden, kann mit einer Vielzahl von Methoden erreicht werden. Die gebräuchlichsten Methoden der Kapazitätssteuerung sind:
- Radfahren Single-Speed-Lüftermotoren
- Verwendung von Lüftermotoren mit zwei Geschwindigkeiten
- Verwendung von Antrieben mit variabler Frequenz (VFDs)
Die einfachste Methode zur Leistungsregelung eines Kühlturms während des Freikühlbetriebs besteht darin, den Lüftermotor in Abhängigkeit von der Wasseraustrittstemperatur des Turms ein- und auszuschalten. Diese Steuerungsmethode führt jedoch zu größeren Temperaturunterschieden und längeren Zeiträumen mit ausgeschalteten Lüftern. Bei extrem niedrigen Umgebungsbedingungen kann die feuchte Luft am Lüfterantriebssystem kondensieren und gefrieren. Daher müssen Lüfter bei extrem niedrigen Umgebungsbedingungen ein- und ausgeschaltet werden, um lange Phasen des Leerlaufs des Lüfters zu vermeiden, unabhängig davon, ob das Wasser über die Füllung oder im Bypass fließt. Bitte beachten Sie, dass ein übermäßiges Ein- und Ausschalten des Lüfters zu Schäden am Lüftermotor führen kann: Die Anzahl der Starts und Stopps des Lüftermotors sollte auf sechs pro Stunde begrenzt werden. Wenn die Gebäudelasten gering sind, wird der Turm längere Zeit mit abgeschalteten Ventilatoren sehen, wodurch ein größeres Potenzial für Eisbildung an den Einlasslamellen der Einheit entsteht. Aus diesem Grund ist das Takten von Lüftermotoren mit einer Drehzahl die am wenigsten empfohlene Methode zur Leistungsregelung.
Ein weiteres Verfahren zur Kapazitätssteuerung besteht darin, Lüftermotoren mit zwei Geschwindigkeiten zu verwenden, die einen zusätzlichen Schritt der Kapazitätssteuerung enthalten. Dieser Schritt reduziert die Wassertemperaturdifferenz und damit die Zeit, in der die Ventilatoren ausgeschaltet sind. Darüber hinaus sorgen Motoren mit zwei Geschwindigkeiten für erhebliche Einsparungen bei den Energiekosten, da der Turm das Potenzial hat, während des größten Teils der Freikühlsaison mit niedriger Geschwindigkeit zu arbeiten.
Die genaueste Methode zur Kapazitätssteuerung für einen Saugzugturm ist die Verwendung von Antrieben mit variabler Frequenz. Dies ermöglicht eine viel genauere Kontrolle der Wasseraustrittstemperatur, indem der/die Ventilator(en) mit der angemessenen Geschwindigkeit laufen, um der Gebäudelast genau zu entsprechen. Die Anwendung eines VFD mit einem Saugzugkühlturm könnte jedoch zur Eisbildung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt beitragen. Wenn die Gebäudelast abnimmt, kann das Steuersystem mit variabler Frequenz für lange Zeiträume mit Lüftergeschwindigkeiten unter 50 Prozent arbeiten. Der Betrieb bei niedrigen Wasseraustrittstemperaturen und geringer Luftgeschwindigkeit durch das Gerät kann dazu führen, dass sich an verschiedenen Stellen im Gerät Eis bildet.
Daher wird empfohlen, die MINIMUM-Drehzahl des Frequenzumrichters auf 50 Prozent der vollen Drehzahl einzustellen, um das Risiko einer Eisbildung im Gerät während des Betriebs des Kühlturms bei niedrigen Umgebungstemperaturen zu minimieren. Weitere Informationen finden Sie im Abschnitt „Eismanagement“.
Kapazitätssteuerung (Zwangsentwurf)
Die Kapazitätsregelung von Zwangszugkühltürmen, die während Freikühlanwendungen betrieben werden, kann durch mehrere verschiedene Methoden erreicht werden. Ähnlich wie bei den Saugzugeinheiten sind die gebräuchlichsten Methoden der Kapazitätssteuerung das Radfahren von Lüftermotoren mit einer Geschwindigkeit, die Verwendung von Lüftermotoren mit zwei Geschwindigkeiten oder Ponymotoren oder die Verwendung von Antrieben mit variabler Frequenz zur Steuerung des/der Kühlturmlüfter(s). Obwohl die Kapazitätssteuerungsmethoden für Zwangszugeinheiten denen ähnlich sind, die für Saugzugeinheiten verwendet werden, gibt es einige Hauptunterschiede, die unten aufgeführt sind.
Die einfachste Methode der Leistungsregelung für Zwangszugeinheiten besteht darin, den/die Ventilator(en) ein- oder auszuschalten. Diese Regelungsmethode führt jedoch zu größeren Temperaturunterschieden und Zeiträumen mit ausgeschalteten Lüftern. Wenn die Ventilatoren ausgeschaltet werden, kann das durch das Gerät fallende Wasser einen Luftstrom durch den Ventilatorabschnitt induzieren.
Bei extrem niedrigen Umgebungsbedingungen kann diese feuchte Luft an den kalten Komponenten des Lüfterantriebssystems kondensieren und gefrieren. Wenn sich die Bedingungen ändern und Kühlung erforderlich ist, kann die übermäßige Eisbildung, die sich möglicherweise auf dem Antriebssystem gebildet hat, Lüfter und Lüfterwellen zerstören, die plötzlich zum Betrieb benötigt werden. Daher MÜSSEN die Lüfter während des Betriebs bei niedriger Umgebungstemperatur eingeschaltet werden, um lange Phasen des Leerlaufs des Lüfters zu vermeiden. Bitte beachten Sie, dass übermäßiges Ein- und Ausschalten die Lüftermotoren beschädigen kann. Begrenzen Sie die Anzahl der Starts auf sechs pro Stunde.
Motoren mit zwei Geschwindigkeiten oder Pony bieten eine bessere Steuerungsmethode als Motoren mit einer Geschwindigkeit. Die zweistufige Motorsteuerung ermöglicht einen zusätzlichen Schritt der Leistungssteuerung, reduziert Wassertemperaturunterschiede und die Zeit, in der die Lüfter ausgeschaltet sind, und sorgt für Einsparungen bei den Energiekosten. Diese Methode der Kapazitätssteuerung hat sich für Anwendungen mit übermäßigen Lastschwankungen und gemäßigten Winterbedingungen als effektiv erwiesen.
Antriebe mit variabler Frequenz bieten die flexibelste Methode zur Leistungsregelung für Zwangszug-Kühltürme. Das Antriebssteuerungssystem mit variabler Frequenz ermöglicht es den Lüftern, mit einem nahezu unbegrenzten Drehzahlbereich zu laufen, um die Geräteleistung an die Systemlast anzupassen. Während Perioden mit reduzierter Last und niedrigen Umgebungstemperaturen können die Ventilatoren auf einer Mindestgeschwindigkeit (25 % der vollen Geschwindigkeit) gehalten werden, wodurch ein Überdruck im Inneren des Geräts gewährleistet wird. Dieser Überdruck in der Einheit verhindert, dass feuchte Luft in Richtung der kalten Lüfterantriebskomponenten wandert, was die Möglichkeit der Bildung von Kondenswasser und des anschließenden Gefrierens auf ihnen verringert.
Die Steuerungsmethode des Antriebs mit variabler Drehzahl sollte für Anwendungen implementiert werden, die schwankenden Lasten und strengen Wintertemperaturen ausgesetzt sind.
Kapazitätssteuerung (mehrere Zelleneinheiten)
Mehrzellige Saug- und Zwangszugkühltürme erfordern andere Steuersequenzen als einzellige Kühltürme. Bei Kühltürmen mit mehreren Zellen ist es wichtig, dass die Lüfter und der Wasserfluss über jede Zelle richtig gesteuert werden.
Eine ordnungsgemäße Lüftersteuerung ist unerlässlich, um das Risiko einer Eisbildung in einer der Zellen eines Kühlturms mit mehreren Zellen zu vermeiden. Alle Ventilatoren in Betriebszellen MÜSSEN gleichzeitig gesteuert werden, um Gefrierbedingungen in einer Zelle zu vermeiden. Die korrekte Methode zur Lüftersteuerung eines mehrzelligen Kühlturms während des Freikühlbetriebs ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Anstatt einen Lüfter ein- und einen Lüfter auszuschalten; Beide Ventilatoren sollten zusammen mit niedriger Drehzahl betrieben werden, um eine Wasseraustrittstemperatur von 45 Grad zu erreichen. Bei dieser Betriebsweise tritt das gleiche 65-Grad-Wasser in beide Zellen ein; Wenn jedoch beide Ventilatoren mit niedriger Geschwindigkeit laufen, kann 45-Grad-Wasser aus jeder Zelle in das Becken gelangen. Die Endtemperatur des austretenden Wassers des Kühlturms beträgt 45 Grad, und die Gefahr des Gefrierens in einer Zelle wird eliminiert.
Die FALSCH Die Methode der Mehrzellen-Lüftersteuerung ist unten in der Abbildung unten dargestellt. In diesem Beispiel wird Systemwasser mit 65 Grad durch das Wasserverteilungssystem jeder Zelle gepumpt. Der Lüfter in Zelle 1 ist jedoch ausgeschaltet und der Lüfter in Zelle 2 eingeschaltet. Da der Ventilator in Zelle 1 ausgeschaltet ist, hat das in das Becken eintretende Wasser 55 Grad und der Ventilator von Zelle 2 ist eingeschaltet, und das Wasser, das in das Becken eintritt, hat 35 Grad, die resultierende Nettowassertemperatur zwischen den Becken beträgt 45 Grad. Dies erfüllt die erforderliche Mindesttemperatur von 45 Grad; Die Temperatur von Zelle 2 ist jedoch zu niedrig, was zu örtlich begrenztem Gefrieren führen kann.
Neben der richtigen Lüftersteuerung wird auch dringend empfohlen, die Wasseraustrittstemperatur in allen Zellen zu überwachen. Die Beckentemperatursensoren können entweder in der Saugleitung oder im Kaltwasserbecken platziert werden. Dies kann helfen, mögliche Vereisungsbedingungen in jeder Zelle zu bestimmen. Wenn jedoch zwei zusammen arbeitende Zellen zu viel Kapazität haben, was zu einem übermäßigen Ein- und Ausschalten des Lüfters führt, sollte in Betracht gezogen werden, die gesamte Last auf eine Zelle zu lenken und die andere Zelle vollständig abzuschalten.
Typischerweise sind die Kühllasten im Winter viel geringer als während der Kühlsaison im Sommer. Daher kann die Wasserdurchflussrate durch den Turm reduziert werden, was zu Eisbildung auf oder im Gerät führen kann.
Es wird empfohlen, den Wasserdurchfluss auf so wenige Zellen wie möglich zu leiten, da der Kühlturm besser arbeitet, wenn der Systemdurchfluss so nahe wie möglich am Auslegungsdurchfluss pro Zelle liegt. Dadurch wird sichergestellt, dass das Wasserverteilungssystem ein ordnungsgemäßes Sprühmuster über der Füllung aufrechterhält und einen Zustand mit niedrigem Durchfluss vermeidet, der zu Eisbildung im Inneren des Kühlturms führen kann.
In einigen Fällen werden die Auslegungsdurchflussraten im Winter über die unteren Grenzen des Sprühdüsenleistungsbereichs hinaus reduziert. In diesem Fall kann ein spezielles Wasserverteilungssystem eingebaut werden, um die winterliche Auslegungsdurchflussmenge aufzunehmen. Diese Konstruktion kann ein zusätzliches Wasserverteilungssystem mit Sprühdüsen verwenden, die in der Lage sind, unter Bedingungen mit sehr geringem Durchfluss zu arbeiten. Typischerweise ist das zusätzliche Wasserverteilungssystem auf eine Zelle des Saugzugkühlturms beschränkt.
