© Strojni{ki vestnik 46(2000)10,691-696 © Journal of Mechanical Engineering 46(2000)10,691-696 ISSN 0039-2480 ISSN 0039-2480 UDK 621.574:621.5.011 UDC 621.574:621.5.011 Predhodna objava (1.03) Prelimirary paper (1.03) Energijska u~inkovitost naprav za hlajenje bivalnih prostorov The Energy Efficiency of Chillers Used for Cooling Living Space Andrej Kitanovski - Alojz Poredo{ - Matija Tuma Za hlajenje objektov se uporabljajo različni hladilni sistemi. Najbolj pogosta je uporaba električno gnanih kompresorskih hladilnikov, v zadnjem času pa pridobiva vse večjo veljavo tudi uporaba absorpcijskih hladilnikov. Ti hladilniki omogočajo uporabo različnih vrst energij. V prispevku so predstavljene različne vrste hladilnih naprav. Kot alternativna rešitev hlajenja v objektih in izboljšanja izkoristka kogeneracijskih sistemov v poletnem obdobju so obravnavani absorpcijski hladilniki v sistemih daljinskega hlajenja. Prikazan je postopek določitve eksergetske učinkovitosti posamezne vrste hladilnikov. Analizirana je možnost hlajenja objektov Fakultete za strojništvo v Ljubljani z uporabo absorpcijskih in električno gnanih kompresorskih hladilnikov. © 2000 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: prostori bivalni, hlajenje prostorov, učinkovitost energijska, naprave hladilne) Cooling in buildings can be performed with different cooling systems. Electrically driven compressor chillers are the most commonly used devices, but in the last decade the use of absorption chillers has increased rapidly. These types of chillers can use different kinds of energy sources for their operation. In this paper, different kinds of chillers are presented. As an alternative solution for meeting the cooling demands of the buildings and improving the cogeneration efficiency, absorption chillers are introduced. A method for exergetic efficiency determination for different kinds of chillers is described. The possibilities of introducing absorption or electrically driven compressor chillers at the Faculty of Mechanical Engineering in Ljubljana are analysed. © 2000 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: living rooms, cooling, energy efficiency, chillers) 0 UVOD S povečanjem zahtev po prostorskem ugodju močno naraščajo tudi potrebe po hlajenju objektov. Problem hlajenja se pogostokrat rešuje delno, z namestitvijo okenskih hladilnih naprav. Te naprave so večinoma zračno hlajene, predimenzionirane za prostore, ki jih hladijo, poleg tega pa uporabljajo okolju škodljiva hladiva. Temu primerna je večja in nenadzorovana raba električne energije, še posebej ob največjih hladilnih obremenitvah objektov. Po drugi strani se v poletnem obdobju v kogeneracijskih sistemih soočajo s problemom majhnega odjema toplotne energije, saj se ta večinoma uporablja le za ogrevanje sanitarne vode in za razne tehnološke procese. Posledica tega je tudi zmanjšanje izkoristka kogeneracijskega sistema. Kot alternativna rešitev obeh problemov se ponuja možnost uporabe toplotne energije za pogon absorpcijskih hladilnikov v sistemu 0 INTRODUCTION The desire for improved living comfort has resulted in a need for better systems of cooling. This cooling problem is frequently solved by partial solutions, with the use of small cooling devices in windows. These chillers are usually air cooled, and over-dimensioned for the rooms they are designed to cool. They also tend to use environmentally non-friendly refrigerants. The result is a high and unchecked con-sumption of electrical energy, especially during peak periods. During the summer, cogeneration systems are meeting their requirements with a low heat con-sumption. The heat from the cogeneration plant is mainly used for preparing sanitary water or water for some industrial processes. The consequence of a lower heat consumption is a decreased cogeneration efficiency. A solution to both these problems is the possibility of introducing a trigeneration system, gfin^OtJJIMISCSD 00-10 stran 691 |^BSSITIMIGC A. Kitanovski - A. Poredo{ - M. Tuma: Energijska u~inkovitost - The Energy Efficiency daljinskega hlajenja kot delu trigeneracijskega sistema. Uporaba s paro in vročo vodo gnanih absorpcijskih hladilnikov je upravičena samo v primeru, ko imamo na voljo toploto iz kogeneracije ali odpadno toploto iz raznih tehnoloških procesov. 1 EKSERGIJA IN HLAJENJE Hladilne naprave delujejo na temelju levega krožnega procesa. Ločimo parne in sorpcijske hladilne procese. Eksergijski izkoristek nepovračljivega parnega procesa je definiran z razmerjem med eksergijskim tokom hladu in eksergijskim tokom vložene energije [1]: using the absorption chillers in a district cooling system. The use of hot-water and steam-driven absorption chillers is justified only in the case when the heat from the cogeneration plant or from some indus-trial process is obtained as waste heat. 1 EXERGY AND COOLING The operation of cooling devices is based on the reversed cyclic process. There are two kinds of commonly used cooling process: the steam pro-cess and the sorption process. The exergy efficiency of an irreversible steam-cooling process is defined as the ratio of the cooling exergy flow to the exergy flow supplied to the process [1]: • • Er Er (1). +E IZ Parni hladilni proces se odvija v kompresorskih hladilnih napravah, ki so gnane z električno energijo, ta pa pomeni čisto eksergijo. Izračun eskergijskega izkoristka sorpcijskega hladilnega procesa je podoben kakor pri parnem. Razlika je le v tem, da pri sorpcijskem hladilnem procesu dovajamo v proces toploto in je tako dovedeni eksergijski tok del te toplote. Za ocenitev hladilnih procesov se uporablja tudi hladilno število, ki pomeni razmerje med hladilno močjo ter celotno dovedeno močjo v hladilno napravo. V primeru kompresorskih hladilnikov je dovedena moč enaka kar električni moči kompresorja ([1] in [2]): The steam-cooling process takes place in the compressor chillers, normally driven by electrical energy, which represents pure exergy. The calcula-tion of the sorption-cooling process exergy efficiency is similar to the calculation for the steam-cooling pro-cess. The difference is that heat is supplied in the sorption process, and therefore the supplied exergy flow is only a part of that heat. For the cooling-process estimation the chill-ers’ coefficient of permformance (COP) is also used. The COP is defined as the ratio of the cooling capac-ity obtained to the power supplied to the cooling device. In the case of compressor chillers, the power supplied equals the electrical power ([1] and [2]): eRK = fcRK Pri sorpcijskih hladilnih napravah je hladilno število enako razmerju med pridobljeno hladilno močjo in vloženo toplotno močjo. Vrednosti hladilnih števil se zato pri parnih in sorpcijskih hladilnih procesih razlikujejo, saj dovajamo v primeru sorpcijskih hladilnih procesov eksergijsko revno toploto, prav eksergija pa je tista, ki rabi za odvod toplote iz hlajenega sistema. QR P (2). e: RA For sorption chillers, the COP is defined as the ratio of the cooling power to the heat supplied to the chiller. Consequently, the COP values for the steam-cooling process differ from those of the sorption process. In the sorption-cooling process, exergy weak heat is supplied to the process and only exergy is needed for the heat extraction from a cooling system. Pri kompresorskih hladilnih napravah je dovedeni eksergijski tok enak kar električni priključni moči kompresorja. Pri sorpcijskih hladilnih napravah je razlika med vstopno in izstopno eksergijo entalpije ([1] in [2]): Q gr (3). In compressor chillers, the input exergy flow equals the compressor’s electrical power, while for sorption chillers it equals the difference be-tween the input and output exergy enthalpy ([1] and [2]): h2 - h1 -Tok (s2 - s1 ) Edov =m(e2-e1) (4), (5). 0 SnnsjfoUUMllBilrSfl I | ^SSfiflMlGC | stran 692 A. Kitanovski - A. Poredo{ - M. Tuma: Energijska u~inkovitost - The Energy Efficiency E E dov HLADILNA J NAPRAVA CHILLER E hl Sl.1. Vstopajoči in izstopajoči eksergijski tokovi v hladilni napravi Fig.1. Input and output exergy flows in a cooling device Pretok m posameznega energenta (plin, The mass flow m of each energy carrier para, vroča voda) lahko določimo z znanim hladilnim (gas, steam, hot water) can be determined by the COP številom in hladilno močjo hladilnika: and the cooling capacity of the chiller: m (6). Eksergijski tok hladilne moči je analogno The exergy flow of the cooling capacity is kakor pri dovedenem eksergijskem toku tako za defined in the same way as the input exergy flow for kompresorske kakor za sorpcijske hladilne naprave: the compressor and sorption chillers: E hl =m hl (e2hl-e1hl) razmerje: Eksergijski izkoristek lahko definiramo kot Edov ratio: Ehl (7). Exergy efficiency may be determined as the (8). 2 EKSERGIJSKI IZKORISTKI RAZLIČNIH HLADILNIKOV Analiziramo eksergijski izkoristek vodno hlajenih kompresorskih in absorpcijskih hladilnikov. V analizi smo upoštevali, da se za hlajenje parnih absorpcijskih hladilnikov izkoristi entalpija pare do temperature okolice, saj v parovodnem omrežju običajno ni povratnega voda za odvod kondenzata. Pri plinsko gnanih absorpcijskih hladilnikih smo predpostavili, da je eksergija plina enaka spodnji kurilnosti. Iz preglednice 1 je razvidno, da se hladilna števila različnih hladilnikov pri enakih obratovalnih parametrih med seboj precej razlikujejo. Hladilno število hladilnika ne daje prave slike o porabi primarne energije. To da eksergijski izkoristek. Na sliki 2 vidimo, da so električno gnani kompresorski hladilniki eksergijsko najučinkovitejše hladilne naprave. Z vročo vodo gnani absorpcijski hladilniki dosegajo za okrog 15% manjšo eksergijsko učinkovitost. S paro gnani absorpcijski hladilniki dosegajo za okrog 25 do 30 odstotkov manjšo eksergijsko učinkovitost v primerjavi s kompresorskimi hladilniki. Eksergijsko najslabše hladilne naprave so s plinom gnani absorpcijski hladilniki. 2 EXERGY EFFICIENCIES OF CHILLERS In this analysis, the exergy efficiencies for the water-cooled compressor and the absorption chillers are discussed. The analysis took into account that the en-thalpy of the steam for the steam-driven absorption chillers is exploited to the ambient temperature, be-cause steam pipelines do not usually have return pipelines for the condensed steam. For the gas-driven absorption chillers it was supposed, that the exergy of the gas equals the net caloric value. Table 1 shows the large differences between the COPs for different chillers. The COP of a chiller does not show the real primary energy consumption. This can be obtained from the exergy efficiency. Figure 2 shows that the electrically driven compressor chillers are the most exergetically effi-cient chillers. Hot-water-driven absorption chill-ers have an approximately 15% lower exergy effi-ciency. Steam-driven absorption chillers have an approximately 25 to 30 percent lower exergy effi-ciency when compared to the compressor chillers. Gas driven absorption chillers have the lowest exergy efficiency. gfin^OtJJlMlSCSD 00-10 stran 693 |^BSSITIMIGC A. Kitanovski - A. Poredo{ - M. Tuma: Energijska u~inkovitost - The Energy Efficiency Preglednica 1. Parametri obratovanja hladilnika. (QR =1MW) [3] Table 1. Operational parameters of the chiller ( QR =1MW) [3] Tip hladilnika Type of the chiller Hlajena voda Chilled water °C Hladilna voda Cooling water °C Pogonska energija Power eR Električni kompresorski Electric compressor 7/13 25/30 Elektrika 5,4 Electricity Absorpcijski plinski (2 st) Gas absorption (2 st) 7/13 25/30 Hi=36 MJ/m3 1,06 Absorpcijski parni (1 st) Steam absorption (1 st) 7/13 25/30 1 bar, nasičena 1 bar, saturated 0,73 Absorpcisjki parni (2 st) Steam absorption (2 st) 7/13 25/30 7,5 bar, nasičena 7.5 bar, saturated 1,2 Absorpcijski vročevodni Hot water absorption 7/13 25/30 90 / 75°C 0,73 0,4 n 0,35 0,3-0,25 -5 0,2 0,15 0,1 -0,05-0 kompresorski absorpcijski absorpcijski absorpcijski absorpcijski compressor plin 2st para 2 st para 1 st vroča voda gas absorption steam steam hot water 2 st absorption 2 st absorption 2 st absorption Sl.2. Eksergijski izkoristki hladilnikov Fig. 2. Exergy efficiency of the chillers 3 MOŽNOSTI UVEDBE OSREDNJEGA HLAJENJA NA FAKULTETI ZA STROJNIŠTVO V LJUBLJANI Kot primer bomo analizirali možnosti osrednjega hlajenja na Fakulteti za strojništvo (FS) v Ljubljani. Sedanje stanje je takšno, da hlajenje poteka v nekaterih prostorih s pomočjo okenskih ali kompaktnih hladilnih naprav. Okvirne hladilne obremenitve vseh objektov FS v Ljubljani pomenijo 900 kW [4]. Ker je FS oskrbovana poleg električne energije, s plinom iz plinovodnega omrežja ter vročo vodo iz vročevodnega omrežja, se za hlajenje ponuja možnost postavitve s plinom ali vročo vodo gnanih absorpcijskih hladilnikov. Z gospodarnega vidika pomenijo s plinom in vročo vodo gnani absorpcijski hladilniki v primerjavi s kompresorskimi večje investicijske stroške. Da bi bili absorpcijski hladilniki konkurenčni kompresorskim, bi moralo biti temu ustrezno razmerje med cenama električne in toplotne energije. V našem primeru smo se usmerili na uporabo vročevodnih absorpcijskih hladilnikov (s pripadajočimi hladilnimi stolpi inčrpalkami). 3 THE POSSIBILITIES OF INTRODUCING A CENTRAL COOLING SYSTEM TO THE FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING IN LJUBLJANA As an example, the possibility of a central cooling system at the Faculty of Mechanical Engineering (FS) in Ljubljana has been considered. The present situation involves cooling some offices with either window or compact cooling devices. The cooling needs of the FS in Ljubljana are estimated to be approximately 900 kW [4]. Because the FS is supplied with both electricity and natural gas from conventional networks as well as with hot water from a district heating network, there is a possibility of introducing a local district cooling system with gas- or hot-water-driven absorption chillers. From the eco-nomic point of view absorption chillers represent a higher investment cost, when compared to compres-sor chillers. For absorption chillers to be competitive the appropriate price ratio for heat and electrical energy should be selected. In our case the use of hot-water-driven absorption chillers (including the cool- 0 Snn5jfokJ][M]lBi[rLfl I | ^SSfiflMlGC | stran 694 A. Kitanovski - A. Poredo{ - M. Tuma: Energijska u~inkovitost - The Energy Efficiency 1 . Sl. 3. Primerjava stroškov okenskih in absorpcijskih hladilnih naprav Fig. 3. A comparison of the costs between window chillers and absorption chillers V analizi smo izračunali anuitetne stroške posamezne vrste hladilnih naprav ob povprecni ceni električne energije (17 SIT / kWh)[7] na FS v poletnem obdobju in pri predpostavljenih 600 urah obratovanja letno (opazovano obdobje 20 let). Utežena medbančna obrestna mera je bila v analizi enaka 5%, temeljna obrestna mera (TOM) pa 9%. Na podlagi enakih anuitetnih stroškov kompresorskih in absorpcijskih hladilnikov je bila določena konkurenčna cena vroče vode [3], in sicer okrog 2,6 SIT / kWh. Cena vroče vode je zaradi različnih kriterijev pri izračunu anuitet (možnost popusta pri investiciji s strani proizvajalca, drugačna TOM, možnosti subvencij itn.) spremenljiva. Dejansko bi bila ta cena med 2 in 3 SIT/kWh Če bi za pokrivanje hladilnih obremenitev FS uporabljali samo okenske hladilne naprave, bi to pomenilo precej večje investicijske in obratovalne stroške v primerjavi z osrednjo pripravo hladu. Slika 3 prikazuje primerjavo anuitetnih stroškov za primer osrednje priprave (absorpcijski hladilnik, hladilni stolp, črplaka) hladu in primer lokalnega hlajenja z okenskimi hladilnimi napravami, skupne hladilne moči 900 kW. V analizi je bila upoštevana cena vroče vode 2,6 SIT /kWh. Uporaba osrednjega hladilnika bi pomenila precej nižje investicijske stroške na enoto hladu. Ti se namreč z manjšanjem naprave močno povečujejo. Pri okenskih hladilnih napravah s hladilno močjo okrog 3 kW bi v primerjavi z osrednjim absorpcijskim hladilnikom dosegali kar trikrat večje investicijske stroške na enoto hladu. Prav tako so obratovalni stroški zaradi nizkega hladilnega števila (e <3) pri okenskih hladilnih napravah skoraj dvakrat večji. Temu primerno so veliki tudi anuitetni stroški. 4 SKLEP Delne rešitve hlajenja v objektih je mogoče rešiti na ustrezen način le z uvedbo lokalnega sistema daljinskega hlajenja. V primeru FS v Ljubljani se število okenskih hladilnih naprav in s tem tudi poraba električne energije stalno povečuje, zato bi bilo nujno razmisliti o postavitvi osrednjega hladilnega sistema. Predlagamo ing towers and pumps) was analysed. In the analysis, the costs of each cooling system for an average summer season’s electrical energy price (17 SIT/ kWh) at the FS and an assumed annual 600 operating hours were calculated. Interest rates of 5% per annum and an inflation rate of 9% (TOM) were considered in the analysis. A competitive price for the hot water was determined, based on equal costs for the compressor and absorption chillers. The price was approximately 2.6 SIT / kWh. The hot-water price is variable because of different criteria in the calculation of costs (the pos-sibility of discount investment costs for the cooling system, different TOM, the possibility of a subsidy etc.). The real competitive price of the hot water is therefore between 2 and 3 SIT/kWh. If window cool-ing devices, rather than central chillers were used for cooling the FS, this would represent much higher investment and operating costs. Figure 3 presents a com-parison of the costs for the case of local cooling and for the case of central cooling (absorption chiller, cool-ing tower, pump) at the FS, (the cooling capacity was 900 kW). In the analysis a hot-water price of 2.6 SIT / kWh was considered. By using a central chiller, much lower investment costs per unit of cooling capacity could be obtained. These increase when the cooling capacity of the chiller is lower. For the window cooling devices with a cooling capacity of 3 kW, the specific investment costs are 3 times higher, when compared to the central absorption chiller. Because of the low COP (COP<3), the operational costs are almost 100% higher for the window chillers. 4 CONCLUSION The problem of cooling a building can best be solved only by the introduction of a local district cooling network. In the case of the FS in Ljubljana, the number of the window chillers and therefore the electrical energy consumption is rapidly in-creasing. Consequently, it is necessary to consider gfin^OtJJlMlSCSD 00-10 stran 695 |^BSSITIMIGC A. Kitanovski - A. Poredo{ - M. Tuma: Energijska u~inkovitost - The Energy Efficiency the introduction of a central cooling system. This could represent a reference building and an example of local district cooling system. If some discounts and subsi-dies could be introduced, a hot-water-driven absorption chiller, as an energetically and economically justifed cooling system, could be introduced. uporabo z vročo vodo gnanih absorpcijskih hladilnikov. Ker bi to pomenilo referenčni objekt kot primer lokalnega sistema daljinskega hlajenja, bi bilo mogoče uveljaviti določene popuste oz. subvencije ter tako doseči gospodarno in energijsko upravičeno postavitev z vročo vodo gnanega absorpcijskega hladilnika. eksergijski tok specična eksergija entalpija masni tok moč toplotni tok specifična entropija temperatura hladilno število hladilnika eksergijski izkoristek INDEKSI absorpcijski dovod grelna hlajenje izgube kompresorski okolica hladilna [1] Baehr, H.D. (1978) Termodynamik. Springer Verlag. [2] Poredoš, A. (1994) Eksergijska analiza parnih in sorpcijskih hladilnih procesov. Strojniški vestnik, letn.40, št. 7-8, 263-272. [3] Kitanovski, A., Remec, J., A. Poredoš (1999) Ekonomsko tehnično primerjalni izračun kompresorskih in absorpcijskih hladilnikov. Računalniški program, Projekt za Energetiko Ljubljana. [4] Kitanovski, A., Remec, J., A.Poredoš (1998) Možnosti nadgradnje daljinskega ogrevanja in plinovodnega sistema z daljinskim hlajenjem. Projekt za Energetiko Ljubljana. 5 SIMBOLI 5 SYMBOLS E W exergy flow e kJ / kg specific exergy h kJ / kg enthalpy m kg / s mass flow P W power Q W heat flow s kJ / kg specific entropy TK temperature e coefficient of performance (COP) of the chiller z exergy efficiency INDEX A absorption dov supply gr heating hl cooling IZG losses K compressor ok ambient R cooling 6 LITERATURA 6 REFERENCES Naslov avtorjev: mag. Andrej Kitanovski prof.dr. Alojz Poredoš prof.dr. Matija Tuma Fakulteta za strojništvo Univerze v Ljubljani Aškerčeva 6 1000 Ljubljana Authors’ Address: Mag. Andrej Kitanovski Prof. Dr. Alojz Poredoš Prof.Dr. Matija Tuma Faculty of Mechanical Eng. University of Ljubljana Aškerčeva 6 1000 Ljubljana, Slovenia Prejeto: Received: 21.7.2000 Sprejeto: Accepted: 20.12.2000 0 S3"in3(aül[M]! ma stran 696