© Strojni{ki vestnik 46(2000)8,557-563 ISSN 0039-2480 UDK 697.97:621.574.013 Pregledni znanstveni ~lanek (1.02) © Journal of Mechanical Engineering 46(2000)8,557-563 ISSN 0039-2480 UDC 697.97:621.574.013 Review scientific paper (1.02) Energetska u~inkovitost daljinskega hlajenja za klimatizacijo prostorov The Energy Efficiency of District Cooling for Space Conditioning Alojz Poredo{ Oskrba uporabnikov z grelno in hladilno energijo iz daljinskih energetskih sistemov bistveno prispeva k smotrni porabi energije in varovanju okolja. V preteklih nekaj letih se je uporaba daljinskega hlajenja v nekaterih državah pomembno zvečala. Uporaba absorpcijskih hladilnikov za daljinsko hlajenje se v zadnjem desetletju prav tako povečuje. Te hladilne naprave potrebujejo vir toplote za svoje delovanje. To je lahko plin, kurilno olje, para ali vroča voda. V članku so podani rezultati raziskave vplivnih parametrov na specifične izgube toplote v vročevodnem omrežju in celotni učinek daljinskega hladilnega sistema. © 2000 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: hlajenje daljinsko, naprave hladilne, učinkovitost energijska, izgube toplotne) Supplying customers with heating and cooling energy from district energy systems contributes to the rational use of energy and to environmental protection. In the past few years, the use of district cooling has significantly increased in some countries. In the last decade, the use of absorption chillers for district cooling has increased. These chillers need a heat source for their operation. It can be gas, fuel oil, steam or hot water. This paper presents the results of research on the parameters which influence the specific heat losses in a district heating network and the overall efficiency of the system. © 2000 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: district cooling, absorption chillers, energy efficiency, heat losses) 0 UVOD Dvig ravni delovnih in bivalnih pogojev ljudi je nujno povezan s hlajenjem v okviru klimatizacije. V te namene se uporablja različna naključno izbrana oprema različnih proizvajalcev brez ustreznega zagotavljanja učinkovitosti ter tehnične in okoljne neoporečnosti. Posledica tega je povečana poraba elektrike kot najbolj kvalitetne energije. Rešitev tovrstnih problemov se ponuja z daljinskimi hladilnimi sistemi. Rezultati številnih študij v svetu kažejo, da imajo v primerjavi z lokalnim hlajenjem z uporabo električne energije daljinski hladilni sistem številne prednosti. Daljinski hladilni sistemi so dokazano okolju bolj prijazni kot posamezne manjše hladilne enote. Z njimi zmanjšujemo oddajo škodljivih snovi, z uporabo sorpcijske tehnike hlajenja pa lahko povsem izločimo ozonu škodljiva hladiva. Kadar so hladilne naprave gnane s toploto iz kogeneracije, neposredno zmanjšu- 0 INTRODUCTION An increase in the quality of working and liv-ing conditions is inevitably connected with cooling as part of air-conditioning systems. Various types of equip-ment produced by different manufacturers are used for this purpose, they are selected at random and do not provide any assurance as to efficiency and compliance with technical and environmental standards. This has resulted in an increase in the consumption of electrical energy: the energy of the highest quality. A solution tor such problems is offered by district cooling systems. The results of numerous studies in the world have shown that in comparison with local cooling using electrical energy, district cooling systems have numerous advantages. District cooling systems have been proven to be more environmentally friendly than individual smaller cooling units. They reduce the emissions of hazardous substances and, with the use of a sorption cooling tech-nique, ozone-unfriendly refrigerants can be eliminated gfin^OtJJlMlSCSD 00-8 stran 557 |^BSSITIMIGC A. Poredo{: Energijski u~inek daljinskega hlajenja - The Energy Efficiency of District Cooling jemo toplotno obremenitev okolja, z uporabo plina za njihov pogon pa odpadejo vmesne pretvorbe energije in dodatne izgube [1]. Odločitev za uporabo absorpcijskih ali kompresorskih hladilnih naprav je odvisna predvsem od investicijskih in obratovalnih stroškov. Investicijski stroški so nekoliko večji za absorpcijske hladilne naprave in so odvisni od tipa hladilnika ter od vrste toplotnega vira. Eden od odločilnih kriterijev izbire vrste hladilnika je lahko tudi ekološka primernost. Absorpcijske hladilne naprave delujejo skoraj neslišno. Uporabljajo tudi hladiva, kot npr. amoniak, litijev bromid in vodo (NH3 - HO, LiBr -HO), ki imajo vpliv na nastanek tople grede (GWP) in vpliv na tanj sanjeozonske plasti (ODP) enak nič. Če upoštevamo porabo primarne energije (določeno z ekvivalentom električne energije, ki je potrebna za pogon kompresorskih hladilnih naprav), imajo nekatere absorpcijske hladilne naprave manjšo porabo, kakor prikazuje sl. 1. Z vročo vodo in s paro gnani absorpcijski hladilniki lahko uporabljajo toploto odvzeto iz kogeneracijskega sistema. Zaradi odvzema toplote iz parne turbine v kogeneracijskem sistemu se zmanjša pridobljena električna energija. V primeru plinsko gnanih absorpcijskih hladilnih naprav je upoštevana učinkovitost plinsko gnanih turbin, ki je potrebna za določitev ustrezne električne moči. Če primerjavo različne vrste hladilnih naprav, vidimo, da predstavljajo z vročo vodo in s paro gnani dvostopenjski absorpcijski hladilniki najmanjšo porabo ekvivalenta električne energije na enoto hladu, kar je lahko tudi eden izmed načinov zmanjšanja emisij CO2. completely. When cooling devices are driven by heat from cogeneration, the thermal burden on the environment is reduced directly, while using gas to drive them means the intermediary stages of energy conversion and additional energy losses are avoided as well [1]. The decision, whether to use absorption chillers or compressor chillers basically depends on the investment and operational costs. The investment costs for absorption chillers can be a little higher, depending on the type of the absorption chiller and the heat source in use. One of the criteria for the decision could be also the ecological aspect. Absorption chillers are almost noiseless during operation. They also use the refrigerants, such as amonia (NH3 - H2O) and water (LiBr - H2O), which have a global warming potential (GWP) and ozone deplet-ing potential (ODP) equal to zero. When the primary energy consumption is considered (defined by the equivalent electrical power which is needed for driv-ing the compressor chillers, and which could be pro-duced by the heat source for absorption chillers), some of the absorption chillers have a reduced con-sumption as shown in Figure 1. Hot-water and steam-driven absorption chillers use heat extracted from a cogeneration plant. Because of the heat extracted from a steam turbine in a cogeneration plant, less electrical power will be pro-duced. In the case of a gas-driven absorption chiller, the efficiency of a gas-driven turbine is considered necessary to determine the equivalent electric power. Comparing different types of chillers, hot-water and two-stage steam-absorption chillers present the low-est equivalent electric power per unit of cold pro- % 140 120 100 80 60 40 20 0 kompresor vroča voda para (ena stopnja) para (dve stopnji) compressor hot water steam (one stage) steam (two stage) tip hladilne naprave type of the chiller plin gas Sl. 1. Delna hladilna obremenitev hladilnika na enoto ekvivalenta električne moči [2] Fig.1. Cooling capacity share per unit of equivalent electrical power [2] VH^tTPsDDIK stran 558 A. Poredo{: Energijski u~inek daljinskega hlajenja - The Energy Efficiency of District Cooling Plinsko gnane absorpcijske hladilne naprave predstavljajo največjo porabo ekvivalenta električne energije na enoto hladu. V primerjavi z drugimi hladilnimi napravami so tudi investicijski stroški največji. Če upoštevamo, da lahko plinsko gnana absorpcijska hladilna naprava nadomesti tudi vročevodni kotel v nekem objektu, je njihova uporaba upravičena. 1 SPECIFIČNE TOPLOTNE IZGUBE Najboljša izvedba sistemov daljinskega hlajenja je v kombinaciji z absorpcijskimi hladilniki, povezanimi v sistem daljinskega ogrevanja. Ti sistemi morajo delovati tudi v poletnem obdobju zaradi zagotovitve toplote, potrebne za ogrevanje tople sanitarne vode. To pa predstavlja razmeroma velike relativne izgube glede na količino dobavljene toplote. Z vročo vodo gnani absorpcijski hladilniki potrebujejo za svoje normalno delovanje višje temperature, kot so običajno pri obratovanju sistema daljinskega ogrevanja v poletnem obdobju S povišanjem temperature dovoda in povratka vroče vode se povečujejo toplotne izgube omrežja, s tem pa tudi specifične toplotne izgube (kW. JMWdob l ). S povečanjem odjema za potrebe hlajen gub a se lahko specifične toplotne izgube zmanjšajo (sl. 2). Temperaturna razlika med dovodom in povratkom vroče vode v omrežju daljinskega ogrevanja nima vpliva samo na toplotne izgube, ampak tudi na porabo električne energije, ki je potrebna za pogon obtočnih črpalk. Za dosego večje učinkovitosti z vročo vodo gnanih absorpcijskegih hladilnikov mora biti temperaturna razlika med dovodom in povratkom čim manjša. Povečanje temperature dovoda vroče vode 700 kW/MW 650 600 550 500 450 {. 400 - 350 300 250 200 150- 100 -50 0 duced. This could also be a way of introducing state support in a sense of reduced CO2 emissions. Gas absorption chillers have the biggest equivalent electrical power consumption. Their investment costs are also higher when compared to the other chillers. As they can also replace the boiler for heat production, there is no doubt about their advantages over compressor chillers. 1 SPECIFIC HEAT LOSSES District cooling systems with sorption chillers are the best when dsigned in combination with district heating systems, the majority of which also have to operate in the summer in order to en-sure the supply of sanitary water. But this means a large relative loss with regard to the amount of supplied heat. Absorption chillers, driven with hot water, need heat with higher temperatures for their normal operation as the district heating network. By increas-ing the supply and return temperatures of hot water, the heat losses of the district heating network are higher and so also are the specific heat losses (kWlosses/ MWheat supply). But with increasing heat consumption, the specific heat losses decrease (Fig. 2). The supply- and return-temperature differ-ence for a district heating network does not have an influence only on heat losses, but also on the con-sumption of electrical energy needed to drive network pumps. To achieve high chiller efficiencies, the sup-ply and return hot-water temperature difference should be low. Increased hot-water supply tempera- Tinp (°C) ^-85 -¦-90 0 15 30 45 60 75 90 105 120 povečanje porabe toplote MW increased heat consumption Sl. 2. Specifične toplotne izgube vročevodnega omrežja[3] Fig. 2. Specific heat losses of a district heating network [3] gfin^OtJJlMlSCSD 00-8 stran 559 |^BSSIfTMlGC A. Poredo{: Energijski u~inek daljinskega hlajenja - The Energy Efficiency of District Cooling in zmanjšanje temperaturne razlike pa poveča toplotne izgube v omrežju daljinskega ogrevanja. 2 UČINKOVITOST ABSORPCIJSKE HLADILNE NAPRAVE Analiza posameznih učinkovitosti je temeljila na obratovalnih parametrih vročevodnega absorpcijskega hladilnika Carrier (16 JB 032 /036) z enojnim efektom in delovno snovjo Li-Br. Parametri obratovanja so bili: a) temperatura hlajene vode (6/12°C) b) temperatura hladilne vode (27/32°C) Rezultati kažejo, da se hladilno število hladilnika povečuje z višanjem temperature dovoda vroče vode in z manjšanjem temperaturne razlike med dovodom in povratkom. Iz slike 3 je razvidno, da je razlika med največjo in najmanjšo vrednostjo hladilnega števila samo okrog 5%. Temperatura dovedene vroče vode je omejena z najnižjo temperaturo. Pri nižji temperaturi dovoda (< 85 °C ), je učinkovitost absorpcijskih hladilnikov zelo majhna in so zato specifični investicijski stroški previsoki. Pri teh pogojih se pojavijo tudi problemi v samem delovanju absorpcijskega hladilnika. Bistvo naše analize je bila določitev temperaturnega območja obratovanja omrežja daljinskega ogrevanja, v katerem dosežemo ustrezno učinkovitost tako absorpcijskega hladilnika kot tudi celotnega omrežja daljinskega ogrevanja. 0,735 0,73 0,725 0,72 0,715 0,71 0,705 0,7 0,695 0,69 dn]nčmn nhmnrir i determined area ^ ^^%~~~~ ! ^r ! i j*/ i ^ix------' / /s....- «