Variabele-snelheidsaandrijvingen: Voedsel, geneesmiddelen en meer koel houden in industriële koeltechniek

Andy Pye kijkt naar hoe variabele-snelheidsaandrijvingen helpen dingen als voedsel en geneesmiddelen koel te houden in industriële koeltechniek-toepassingen.

Al ongeveer 200 jaar hebben koeltechnologieën progressief bijgedragen aan de voorziening van essentiële goederen en diensten, zoals:

• Voedselconservering
• Medische processen
• Stadsverwarming en -koeling

De industrie werd gewond door goed gedocumenteerde negatieve milieueffecten als gevolg van schadelijke koelmiddelen die de ozonlaag uithollowden met links naar opwarming van de aarde. Na de ondertekening van de Montreal- en Kyoto-protocollen, werd significante vooruitgang geboekt, met een vermindering van de productie van CFC's, HCFC's en HFC's met 90% tussen 1988 en 2005.

Echter, met de wereldbevolking die verwacht wordt te groeien tot 9 miljard tussen nu en 2050 en met een hogere levensverwachting, zal de consumptie van alle bronnen met betrekking tot koelgerelateerde processen enorm toenemen.

De impact van energieverbruik op het milieu

Energiegebruik levert meestal het grootste kostenpost voor elke koelinstallatie. Al vertegenwoordigt het energieverbruik van koelapparatuur 15% van het wereldwijde elektriciteitsgebruik (vaak meer dan 20% in ontwikkelde landen). De meeste landen produceren nog steeds elektriciteit met fossiele brandstoffen en dit benadrukt een verder enorme impact op opwarming van de aarde door het gebruik van koelapparatuur.

Daarom is er een urgente noodzaak om:

• De coefficient of performance (COP) van koelapparatuur te verbeteren (met andere woorden, het elektriciteitsverbruik per eenheid te verminderen).
• Meer geïntegreerde en hoogst gecontroleerde systemen van energieverbruik in een heel gebouw te bouwen.
• Over te schakelen naar nieuwe koelmiddelen die de ozonlaag niet schaden of CO2 uitstoten.
• De wereldwijde dekking van hoogst efficiënte koeloplossingen die best practices omarmen te vergroten.

Veel koel- en airconditioneringssystemen vereisen betrouwbare processen die efficiënter, compact, milieuvriendelijk, makkelijk te installeren en te onderhouden zijn. De koelvereisten variëren over een wijd bereik over de dag en het jaar door factoren als omgevingsomstandigheden, bezetting en gebruik, en verlichting.

Er kan ook de behoefte zijn aan een stabiele en nauwkeurige temperatuur- en vochtcontrole in gebieden zoals ziekenhuizen, IT en telecom. In toepassingen zoals scholen, restaurants en kantoorgebouwen, is het belangrijk dat het koelsysteem in staat is om zich aan te passen aan wijdlopende dagelijkse verschuivingen in belasting.

In proceskoelingsapplicaties zoals fermentatie, groeitunnels en industriële processen, zijn nauwkeurige temperatuurinstellingen vereist om de productiekwaliteit te waarborgen.

Er zijn verschillende manieren om de koelcapaciteit te moduleren in koel- of airconditionerings- en verwarmingssystemen. De meest voorkomende in airconditionering zijn: simpele aan-uit cycli, hete gas bypass, gebruik (of niet) van vloeistofinjectie, configuraties van meerdere compressoren en invertertechnologie.

Capaciteitsmodulatie is een manier om koelcapaciteit aan te passen aan koelvraag naar toepassingsvereisten. De compressor is specifiek ontworpen om op verschillende motorsnelheden te draaien om de koeluitgang te moduleren. Een inverter controleert de compressormotorsnelheid om de koelcapaciteit te moduleren.

Variabele-snelheidstechnologie kan geïmplementeerd worden in HVACR, close control en proceskoeling toepassingen en in verpakte of gesplitste airconditioning-units, dakinstallaties, chillers, precisiekoeling, VRF en condensatie-units.

Het gebruik van hoge-prestatie aandrijvingen met permanente-magnet motoren maximaliseert de energie-efficiëntie in industriële koelproducten. Typische installaties kunnen grote toenames in Coefficient of Performance (COP) van ongeveer 15% zien, wat resulteert in enorme energiebesparingen en lagere levenscycluskosten, met de return on investment vaak in minder dan 12 maanden.

De compressor en aandrijving moeten gekwalificeerd zijn om samen te werken en voor toegewijde toepassingen. De aandrijving moduleert de compressorsnelheid en voorkomt ook dat deze buiten de compressor-werkgrens opereren. De inverter-frequentieaandrijvingen moeten algoritmes gebruiken die specifiek ontwikkeld zijn voor verwarming, ventilatie en airconditionering (HVAC) of voor koeltechniek – deze zorgen ervoor dat het systeem binnen de toepassingsbeperkingen zal draaien.

Variable Refrigerant Flow (VRF) units zijn erg populaire koel- of omkeerbare systemen voor verwarming en koeling. Ze combineren flexibiliteit voor gebouweigenaren en bewoners, met energie-efficiëntie, hoge comfort, en gemak van installatie, zonder in te boeten op betrouwbaarheid. VRF-systemen maken uitgebreid gebruik van invertertechnologie.

Voorbeelden van energiebesparingen door variabele-snelheidsaandrijvingen

De installatie van een grote vrijstaande variabele-snelheids AC-aandrijving uit de Unidrive SP-reeks heeft de temperatuurcontrole verbeterd in de gekoelde kamers van de Portadown (Noord-Ierland) voedselfabrikant Henry Denny, en is goed op weg om een massive besparing van ongeveer £23.400 in hun jaartelijkse elektriciteitsrekening te leveren – een kapping van 50% van het totale stroomverbruik van de installatie!

Het bedrijf produceert een wijd scala aan taarten, saucijzenbroodjes, pasties en cottage pies en een complex van 20 gekoelde kamers bewaart een enorme hoeveelheid niet alleen de eigen productie-uitvoer van het bedrijf, maar, omdat de site fungeert als regionaal distributiedepot voor Noord-Ierland, houdt het ook vele duizenden kazen, boter, hammen en spek van andere bedrijven in de Kerry Group.

Ergens anders, in Calgary, Canada, worden energiebesparingen van 35% op een koelinstallatie behaald bij een supermarktzaak. Hier bestond een nieuw koelsysteem uit twee nieuwe compressoren en condensatiekoelers en het bedrijf moest de operationele kosten minimaliseren. Één variabele-snelheids Commander SK AC-aandrijving per koeler controleert alle ventilatoren tegelijkertijd. De aandrijvingen zijn geïntegreerd in een op maat ontworpen paneel.

De meeste tijd van het jaar draait de condensator op een fractie van zijn volle capaciteit. In het oude systeem werd condensatorkoelcontrole bereikt door contactoren om de vastesnelheidsventilatoren in paren aan en uit te schakelen. Dit resulteerde in ventilatoren die constant cyclisch gingen en niet in staat waren de fijn temperatuurcontrole te leveren die vereist is.

Omdat het druk-setpunt constant overschreden werd, resulteerde excessive uitdichting en samentrekking van het koelmiddel in mechanische vermoeiding van de leidingen. In de tijd kon dit leiden tot falen van de piping of connectors.

Vier motoren die op halve snelheid draaien, gebruiken veel minder energie dan twee motoren op volle kracht. Daarnaast gebruiken gladde veranderingen in ventilatorsnelheid minder energie dan herhaalde opstarts. In dit VFD-gecontroleerde systeem is er niet alleen een significante besparing in energie, maar worden druk en temperatuur zeer nauwkeurig gereguleerd wat resulteert in minder stress op het hele systeem.

Toepasselijke wetgeving

De standaard en wetgeving die van toepassing zijn, zijn ISO 50001 (de Energiemanagement-standaard) en de Seasonal Performance Part Load Efficiency Wetgeving (SEER).

ISO 50001:2011 specificatieert eisen voor het vestigen, implementeren, handhaven en verbeteren van een energiemanagementsysteem. Het doel is om een organisatie in staat te stellen een systematische aanpak te volgen bij het bereiken van continue verbetering van energieprestaties, inclusief energie-efficiëntie, energiegebruik en -verbruik. ISO 50001:2011 is van toepassing op alle variabelen die energieprestaties beïnvloeden en die kunnen worden gemonitord en beïnvloed door de organisatie. Het specificatieert eisen van toepassing op meting, documentatie en rapportage, ontwerp en inkooppraktijken voor apparatuur, systemen, processen en personeel die bijdragen aan energieprestaties.

In Europa wordt de seizoensgebonden efficiëntie van koelapparatuur, chillers en airconditioners vaak gewaardeerd door de European Seasonal Energy Efficiency Ratio (ESEER) die gedefinieerd is door de Eurovent Certification Company. In het Verenigd Koninkrijk wordt een Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER) voor koel- en airconditioningproducten, vergelijkbaar met de ESEER maar met andere belastingprofiel-wegingsfactoren, gebruikt voor een deel van de Bouwbesluit Deel L berekeningen binnen de Simplified Building Energy Model (SBEM) software, en worden gebruikt in de productie van Energy Performance Certificates (EPC) voor nieuwe gebouwen in het VK en de Europese Unie; beide als onderdeel van de Europese Richtlijn over de energieprestaties van gebouwen (EPBD).

De formule voor SEER kan als volgt worden gepresenteerd:
SEER = a (EER@25% belasting) + b (EER@50% belasting) + c (EER@75% belasting) + d (EER@100% belasting)
waar a,b,c,& d de belastingprofiel-wegingsfactoren zijn relevant voor de voorgestelde toepassing.

Een vergelijkbare standaard als ESEER in de Verenigde Staten is de integrated energy efficiency ratio (IEER).

De ESEER wordt berekend door volledige en deellast opererende Energy Efficiency Ratios (EER) te combineren, voor verschillende seizoensgebonden lucht- of watertemperaturen, en inclusief voor passende wegingsfactoren.