KR101642542B1 - 요구형 유동 핌핑 - Google Patents

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로버트 히긴스
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지멘스 인더스트리, 인크.
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Abstract

요구형 유동은 플랜트 부하 조건에 관계없이, 실질적으로 개선된 효율로 냉수 플랜트를 작동시킨다. 대체로, 요구형 유동은, 전형적으로 설계 델타 T에 또는 그 부근에 있는 일정 델타 T 라인에 따라 냉수 및 응축수 펌핑을 제어하는 작동 전략을 이용한다. 이는 저 델타 T 신드롬을 감소시키거나 제거하고, 주어진 부하 조건에 대해 냉수 및 응축수 펌프에 의한 에너지 사용을 감소시킨다. 이러한 방식으로의 냉수 펌프의 작동은 대체로 플랜트를 통한 유량을 균형 잡아서, 바람직하지 않은 바이패스 혼합 및 냉수 플랜트의 공조기 팬 및 다른 구성요소에서의 에너지 사용을 감소시키는 시너지를 생성한다. 플랜트 칠러에서, 요구형 유동의 적용은 스택킹을 방지하면서, 냉매 과냉각 및 과열을 통해 냉동 효과를 증가시킨다. 요구형 유동은 일정 델타 T 라인이 변화하는 부하 조건에 대해 조정하도록 재설정되는 것을 허용하는 임계 구역 재설정 특징을 포함한다.

Description

요구형 유동 핌핑{DEMAND FLOW PUMPING}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2009년 7월 23일자로 출원된, 발명의 명칭이 '요구형 유동 펌핑'인 미국 특허 출원 제12/507,806호에 기초하여 우선권을 주장한다.
본 발명은 대체로 냉수 쾌적 냉방 및 산업 공정 냉각 시스템에 관한 것이고, 특히 냉수 냉방 시스템을 효율적으로 작동시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
많은 상업적 및 기타 건물 및 캠퍼스가 냉수 플랜트(chilled water plant)에 의해 냉방된다. 대체로, 이러한 냉수 플랜트는 건물 공기를 냉각시키기 위해 공조기로 펌핑되는 냉수를 생성한다. 냉수 플랜트의 칠러(chiller), 공조기(air handler), 및 기타 구성요소는 특정 냉수 진입 및 진출 온도 또는 델타 T에서 작동하도록 설계된다. 설계 델타 T(design Delta T)에서, 이러한 구성요소들은 그의 최고 효율에 있고, 그의 정격 용량에서의 냉각 출력을 생성할 수 있다. 진입 및 진출 온도가 설계 델타 T보다 더 가까워질 때 발생하는 저 델타 T는 냉수 플랜트의 효율 및 냉각 용량을 감소시키고, 냉수 플랜트가 주어진 요구에 대해 요구되는 것보다 더 많은 에너지를 사용하게 한다.
냉수 플랜트는 설계 조건으로서도 공지된, 건물, 캠퍼스 등의 최대로 가능한 냉방 요구를 만족시키도록 설계된다. 설계 조건에서, 냉수 플랜트 구성요소들은 시스템이 가장 에너지 효율적인, 그의 용량의 상단에 있다. 그러나, 냉방에 대한 그러한 높은 요구가 필요한 경우는 드물다. 사실, 거의 모든 냉수 플랜트는 1년의 90% 동안을 설계 조건 아래에서 작동한다. 예를 들어, 추운 날씨 조건이 냉방 요구가 상당히 강하하게 할 수 있다. 냉방 요구가 감소됨에 따라, 델타 T도 흔히 감소된다. 이는 대부분의 시간 동안, 거의 모든 냉수 플랜트가 낮은 델타 T에서 그리고 최적 효율 미만에서 작동하는 것을 의미한다. 이러한 지속적인 낮은 델타 T는 저 델타 T 신드롬으로 지칭된다.
정교한 시퀀싱 프로그램 및 장비 온/오프 선택 알고리즘의 사용을 통한 것과 같은, 저 델타 T 신드롬을 해결하기 위한 많은 완화 전략이 개발되었지만, 이러한 현상을 완전히 해결하는 것으로 입증된 것은 없었다. 대부분의 경우에, 냉수 플랜트 작업자는 단순히 더 많은 물을 시스템 공조기로 펌핑하여 그의 출력을 증가시키지만, 이는 이미 낮은 델타 T를 추가로 감소시키는 복합 효과를 갖는다. 또한, 2차 루프 내에서의 증가된 펌핑은 필요한 것보다 더 높은 펌핑 에너지 사용을 일으킨다.
다음의 설명으로부터, 본 발명은 종래 기술의 구성에서는 고려되거나 가능하지 않은 많은 추가의 장점 및 이점을 제공하면서, 종래 기술과 관련된 결점을 해결함이 명백해질 것이다.
요구형 유동은 냉수 플랜트의 고도로 효율적인 작동을 위한 방법 및 장치를 제공한다. 사실, 전통적인 작동 계획에 비교할 때, 요구형 유동은 냉각 출력 요건을 만족시키면서 실질적인 에너지 절감을 제공한다. 대체로, 요구형 유동은 일정 델타 T 라인에 따라, 냉수, 응축수, 또는 이들 모두의 펌핑을 제어한다. 이는 냉수 플랜트가 냉각 요구를 만족시키도록 허용하면서, 에너지 이용을 감소시키고, 저 델타 T 신드롬을 감소시키거나 제거한다. 하나 이상의 실시예에서, 일정한 델타 T 라인은 에너지를 효율적으로 유지하면서 변화하는 냉각 요구를 만족시키기 위해 다른 델타 T 라인으로 재설정될 수 있다.
저 델타 T 신드롬은 냉수 플랜트를 계속 저해하여, 과도한 에너지 사용 및 인위적인 용량 감소를 일으킨다. 이는 냉수 플랜트가 부분 부하에서도 냉각 요구를 만족시키는 것을 방지한다. 요구형 유동 및 그의 작동 전략은 이러한 문제를 해결하고, 본 명세서에서 설명될 바와 같은 추가의 이점을 제공한다.
일 실시예에서, 요구형 유동은 냉수 플랜트의 효율적인 작동을 위한 방법을 제공한다. 방법은 냉수 델타 T를 설정하는 단계, 및 하나 이상의 냉수 플랜트 구성요소를 가로질러 냉수 델타 T를 유지하기 위해 하나 이상의 구성요소를 통한 냉수 유량을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 냉수 델타 T는 냉수 플랜트 구성요소에서의 냉수 진입 온도 및 냉수 진출 온도를 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 냉수 델타 T는 냉수 델타 T를 감소시키기 위해 냉수 유량을 증가시킴으로써 그리고 냉수 델타 T를 증가시키기 위해 냉수 유량을 감소시킴으로써 유지될 수 있다. 전형적으로, 냉수 유량은 하나 이상의 냉수 펌프를 통해 제어될 것이다.
임계 구역 재설정이 하나 이상의 트리거링 이벤트(triggering event)가 발생할 때 냉수 델타 T를 조정하기 위해 수행될 수 있다. 대체로, 임계 구역 재설정은 냉각 출력 또는 용량을 필요한 대로 조정하기 위해 새로운 또는 재설정된 델타 T 설정점을 제공한다. 냉수 델타 T는 다양한 방식으로 재설정될 수 있다. 예를 들어, 냉수 델타 T는 냉수 진입 온도, 냉수 진출 온도, 또는 이들 모두를 조정함으로써 재설정될 수 있다. 이러한 방식으로 냉수 델타 T를 유지하기 위한 냉수 플랜트 구성요소를 가로지른 냉수 유량의 제어는 냉수 플랜트에서 저 델타 T 신드롬을 실질적으로 감소시킨다. 사실, 감소는 저 델타 T 신드롬이 냉수 플랜트에서 제거되도록 될 수 있다.
다양한 상황이 임계 구역 재설정을 위한 트리거링 이벤트일 수 있다. 예를 들어, 특정 임계치를 넘는 공조기 유닛의 냉수 밸브의 개방이 트리거링 이벤트일 수 있다. 또한, 냉수 플랜트의 바이패스 내의 냉수의 온도의 증가 또는 감소, 또는 특정 임계치를 넘은 3차 펌프의 유량의 변화가 트리거링 이벤트일 수 있다. 수술복/수술실, 제조 환경, 또는 다른 공간 내의 습도 수준이 또한 트리거링 이벤트일 수 있다.
응축수 유량이 또한 방법에 따라 제어될 수 있다. 예를 들어, 방법은 응축기에서 낮은 응축수 진입 온도 및 응축수 진출 온도를 포함하는 응축수 델타 T를 확립하는 단계를 포함할 수 있다. 응축기는 냉동 효과 및 칠러 효율에 대해 고도로 유익한 냉매 과냉각을 제공하도록 낮은 응축수 진입 온도를 사용할 수 있다. 응축수 델타 T는 하나 이상의 응축수 펌프를 통한 것과 같이, 응축기를 통한 응축수 유량을 조정함으로써 유지될 수 있다.
응축수 델타 T의 유지는 응축기가 낮은 응축수 진입 온도에서도 스택킹(stacking)이 없이 냉매 과냉각을 제공하도록 허용한다. 응축수 델타 T는 응축수 진출 온도를 제어함으로써 유지될 수 있고, 여기서 응축수 진출 온도는 하나 이상의 응축수 펌프를 통한 응축수 유량을 조정함으로써 제어된다.
다른 실시예에서, 냉수 플랜트에서 하나 이상의 펌프를 작동시키기 위한 방법이 제공된다. 이러한 방법은 제1 펌프에 의해 칠러를 통해 제1 유량으로 물을 펌핑하는 단계, 및 칠러를 가로질러 제1 델타 T를 유지하도록 제1 유량을 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 델타 T는 냉수 플랜트 부하 조건에 관계없이 칠러의 증발기에서 유익한 냉매 과열을 제공하는 칠러 진출 온도 및 칠러 진입 온도를 포함할 수 있다.
방법은 또한 제2 펌프에 의해 공조기 유닛을 통해 제2 유량으로 물을 펌핑하는 단계, 및 공조기 유닛을 가로질러 제2 델타 T를 유지하도록 제2 유량을 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 제2 델타 T는 냉수 플랜트 부하 조건에 관계없이 공조기 유닛에서 원하는 냉각 출력을 제공하는 공조기 유닛 진출 온도 및 공조기 유닛 진입 온도를 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 제1 델타 T 및 제2 델타 T는 제1 유량과 제2 유량을 균형 잡고 냉수 플랜트의 바이패스에서 바이패스 혼합을 감소시키도록 유사하거나 동일할 수 있다. 바이패스 혼합은 저 델타 T 신드롬의 일반적인 원인이고, 그의 감소는 따라서 매우 유리하다.
방법은 냉각 출력을 증가시키기 위한 임계 구역 재설정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 유량은 공조기 유닛의 물 밸브가 특정 임계치를 넘어 개방될 때 제2 델타 T를 재설정함으로써 증가될 수 있다. 제2 유량에 대한 이러한 증가는 공조기에서 냉각 출력에 대한 증가를 일으킨다.
방법은 다양한 냉수 플랜트 구성에서 사용될 수 있다. 예시하자면, 제3 펌프에 의해 제3 유량으로 물을 냉수 플랜트의 분배 루프를 통해 제2 펌프로 펌핑하는 단계, 및 제3 델타 T를 유지하도록 제3 유량을 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 실시예의 공조기에서의 냉각 용량은 임계 구역 재설정에 의해 증가될 수 있다. 예를 들어, 제3 유량은 제2 펌프에 의해 제공되는 제2 유량이 특정 임계치를 넘을 때, 제3 델타 T를 재설정함으로써 증가될 수 있다. 위와 같이, 제3 유량을 증가시키는 것은 공조기에서의 냉각 용량을 증가시킨다.
방법은 또한 응축수 유량을 제어할 수 있다. 예를 들어, 방법은 제4 펌프에 의해 칠러의 응축기를 통해 제4 유량으로 응축수를 펌핑하는 단계, 및 응축기에서 제4 델타 T를 유지하도록 제4 유량을 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 제4 델타 T는 냉매 과냉각을 제공하고 냉수 플랜트 부하 조건에 관계없이 냉매 스택킹을 방지하는 응축수 진출 온도 및 응축수 진입 온도를 포함할 수 있다. 예를 들어, 응축수 진입 온도는 냉매 과냉각을 제공하도록 응축수에 대한 습구 온도보다 더 낮을 수 있다.
일 실시예에서, 냉수 플랜트의 하나 이상의 펌프를 제어하기 위한 제어기가 제공된다. 제어기는 하나 이상의 센서로부터 센서 정보를 수신하도록 구성된 입력부, 냉수 플랜트의 구성요소를 가로질러 델타 T를 유지하기 위해 하나 이상의 펌프에 의해 제공되는 유량을 제어하도록 구성된 프로세서, 및 하나 이상의 신호를 하나 이상의 펌프로 보내도록 구성된 출력부를 포함할 수 있다. 프로세서는 또한 하나 이상의 펌프에 의해 제공되는 유량을 제어하는 하나 이상의 신호를 발생시킬 수 있다. 델타 T는 진입 온도 및 진출 온도를 포함할 수 있다.
프로세서는 센서 정보에 기초하여 유량을 증가 또는 감소시킴으로써 델타 T를 유지하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 또한 추가의 냉각 용량이 구성요소에서 필요하다고 표시하는 센서 정보에 응답하여 델타 T를 낮춤으로써 임계 구역 재설정을 수행하도록 구성될 수 있다. 센서 정보는 다양한 정보일 수 있다. 예를 들어, 센서 정보는 온도 정보일 수 있다. 센서 정보는 추가로 또는 대안적으로, 공조기 냉수 밸브 위치, VFD Hz, 펌프 속도, 냉수 온도, 응축수 온도, 및 냉수 플랜트 바이패스 온도로 구성된 그룹으로부터 선택된 작동 정보일 수 있다.
프로세서는 델타 T의 진출 온도를 제어함으로써 델타 T를 유지하도록 구성될 수 있다. 진출 온도는 냉수 플랜트의 구성요소를 통한 유량을 조정함으로써 제어될 수 있다. 예시하자면, 유량은 진출 온도를 낮추기 위해 유량을 증가시키고 진출 온도를 상승시키기 위해 유량을 감소시킴으로써 조정될 수 있다. 제어기에 의해 유지되는 델타 T는 구성요소에 대한 설계 델타 T와 유사할 수 있다. 이는 구성요소가 그의 제조사 사양에 따라 효율적으로 작동하도록 허용한다.
본 발명의 다른 시스템, 방법, 특징, 및 장점이 다음의 도면 및 상세한 설명의 검토 시에 본 기술 분야의 당업자에게 명백하거나 명백해질 것이다. 모든 그러한 추가의 시스템, 방법, 특징, 및 장점은 본 설명 내에 포함되고, 본 발명의 범주 내에 있으며, 첨부된 특허청구범위에 의해 보호되도록 의도된다.
도면의 구성요소들은 반드시 축척에 맞지는 않고, 대신에 본 발명의 원리를 도시함에 있어서 강조된다. 도면에서, 유사한 참조 번호는 상이한 도면들 전체에 걸쳐 대응하는 부분들을 표시한다.
도 1은 예시적인 분리형 냉수 플랜트를 도시하는 블록 선도이다.
도 2는 예시적인 냉수 플랜트에서의 저 델타 T 신드롬을 도시하는 블록 선도이다.
도 3은 예시적인 냉수 플랜트에서의 과잉 유동을 도시하는 블록 선도이다.
도 4는 예시적인 직접-1차 냉수 플랜트를 도시하는 블록 선도이다.
도 5는 예시적인 칠러의 구성요소들을 도시하는 블록 선도이다.
도 6a는 냉동 사이클을 도시하는 예시적인 압력-엔탈피 그래프이다.
도 6b는 냉동 사이클 내에서의 과냉각을 도시하는 예시적인 압력-엔탈피 그래프이다.
도 6c는 냉동 사이클 내에서의 냉매 과열을 도시하는 예시적인 압력-엔탈피 그래프이다.
도 7은 예시적인 응축기에서의 낮은 응축수 진입 온도의 이점을 도시하는 도표이다.
도 8은 예시적인 칠러에서의 요구형 유동의 이점을 도시하는 예시적인 압력-엔탈피 그래프이다.
도 9a는 유량과 샤프트 속도 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 9b는 총 설계 수두와 샤프트 속도 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 9c는 에너지 사용과 샤프트 속도 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 9d는 펌핑 곡선 및 에너지 곡선을 갖는 예시적인 델타 T 라인을 도시하는 그래프이다.
도 10은 예시적인 제어기를 도시하는 블록 선도이다.
도 11a는 작동 시의 예시적인 제어기를 도시하는 유동 선도이다.
도 11b는 작동 시의 예시적인 제어기를 도시하는 유동 선도이다.
도 12는 공기 온도에 의해 트리거링되는 예시적인 임계 구역 재설정을 도시하는 도표이다.
도 13은 냉수 밸브 위치에 의해 트리거링되는 예시적인 임계 구역 재설정을 도시하는 도표이다.
도 14는 예시적인 분리형 냉수 플랜트를 도시하는 블록 선도이다.
도 15는 VFD Hz에 의해 트리거링되는 예시적인 임계 구역 재설정을 도시하는 도표이다.
도 16은 예시적인 응축기의 단면도이다.
도 17은 예시적인 냉수 플랜트에서의 요구형 유동의 이점을 도시하는 도표이다.
도 18은 예시적인 응축기에서의 응축수 진입 및 진출 온도 사이의 선형 관계를 도시하는 도표이다.
도 19는 예시적인 냉수 플랜트에서의 요구형 유동 하의 압축기 에너지 변이를 도시하는 도표이다.
도 20은 예시적인 칠러에서의 요구형 유동 하의 냉동 사이클에 대한 변화를 도시하는 압력-엔탈피 그래프이다.
도 21은 예시적인 냉수 플랜트에서의 요구형 유동 하의 에너지 및 용량에 대한 효과를 도시하는 도표이다.
도 22는 예시적인 냉수 플랜트에서의 요구형 유동에 의한 대수 평균 온도차를 도시하는 그래프이다.
도 23a는 낮은 델타 T에서의 예시적인 냉수 플랜트 내의 냉수 유동과 델타 T 사이의 관계를 도시하는 도표이다.
도 23b는 예시적인 일정 냉각 용량을 갖는 요구형 유동의 유연성을 도시하는 도표이다.
도 23c는 예시적인 일정 유량을 갖는 요구형 유동의 유연성을 도시하는 도표이다.
도 24는 예시적인 냉수 플랜트에서의 요구형 유동 하의 공기 측 에너지 변이를 도시하는 도표이다.
다음의 설명에서, 많은 구체적인 세부가 본 발명의 더 완벽한 설명을 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 본 발명은 이러한 구체적인 세부가 없이 실시될 수 있음이 본 기술 분야의 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우에, 공지된 특징은 본 발명을 모호하게 하지 않도록 상세하게 설명되지 않았다.
요구형 유동은 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 저 델타 T 신드롬을 감소시키거나 제거하고 냉수 플랜트 효율을 개선하기 위한 방법 및 장치를 지칭한다. 요구형 유동은 기존의 냉수 플랜트에 대한 레트로피트 프로젝트 및 냉수 플랜트의 새로운 설비 또는 설계로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 냉수 플랜트는 몇몇 공정 필요에 대해 안락한 냉방 또는 냉수를 제공하기 위해 냉수를 이용하는 냉각 시스템을 지칭한다. 그러한 냉수 플랜트는 항상은 아니지만 전형적으로 캠퍼스, 산업 단지, 상업용 건물 등을 냉방하기 위해 사용된다.
대체로 그리고 아래에서 추가로 설명될 바와 같이, 요구형 유동은 저 델타 T 신드롬을 해결하고 냉수 플랜트의 효율을 실질적으로 증가시키기 위해 냉수 플랜트 내에서의 냉수의 가변 유동 또는 펌핑을 이용한다. 요구형 유동 하에서의 가변 유동은 구성요소에 대한 설계 델타 T에 또는 그 부근에 있는 냉수 플랜트 구성요소에 대한 델타 T를 유지한다. 결과적으로, 요구형 유동은 냉수 플랜트 및 그의 구성요소의 작동 효율을 실질적으로 증가시켜서, 에너지 비용의 실질적인 절감을 생성한다. 요구형 유동에 의해 제공되는 증가된 효율은 또한 감소된 오염의 이점을 제공한다. 또한, 요구형 유동은 또한 전통적인 가변 또는 다른 펌핑 기술과 달리, 이러한 구성요소를 그의 규정된 진입 및 진출 냉수 온도 또는 설계 델타 T에서 또는 그 부근에서 작동시킴으로써 냉수 플랜트 구성요소의 기대 수명을 증가시킨다.
요구형 유동은 냉수 플랜트 구성요소들을 동기화 방식으로 작동시킴으로써 냉각 요구 또는 부하에 관계없이 증가된 효율을 제공한다. 하나 이상의 실시예에서, 이는 냉수 플랜트의 특정 구성요소 또는 지점에서 델타 T를 유지하기 위해 하나 이상의 펌프에서의 냉수 및 응축수 펌핑을 제어함으로써 발생한다. 대체로, 요구형 유동은 냉수 플랜트의 특정 구성요소 또는 지점을 가로질러 델타 T를 유지하기 위해 개별 응축기 또는 물 펌프에 대해 작동한다. 예를 들어, 1차 냉수 펌프가 칠러를 가로질러 델타 T를 유지하도록 작동될 수 있고, 2차 냉수 펌프가 플랜트 공조기를 가로질러 델타 T를 유지하도록 작동될 수 있고, 응축수 펌프가 응축기를 가로질러 델타 T를 유지하도록 작동될 수 있다.
이러한 방식으로의 개별 펌프 (및 유량)의 제어는 아래에서 추가로 설명될 바와 같이, 냉수 플랜트의 동기화된 작동을 일으킨다. 이러한 동기화된 작동은 냉수 플랜트 내에서 유량들을 균형 잡고, 이는 저 델타 T 신드롬 및 관련 비효율성을 상당히 감소시키거나 제거한다.
전통적인 냉수 플랜트에서, 가변 유동이 냉수 플랜트 또는 시스템 내의 몇몇 위치(들)에서, 최소 압력차 또는 델타 P에 따라 제어된다. 요구형 유동은 델타 P가 아닌, 델타 T에 그의 초점을 맞추는 점에서 이러한 기술과 구분된다. 요구형 유동에서, 최적 델타 T는 부하 조건 (즉, 냉각에 대한 요구)에 관계없이 모든 냉수 플랜트 구성요소에서 유지될 수 있다. 일정 또는 정상 델타 T의 유지는 냉수 유동에서의 폭 넓은 가변성을 허용하여, 펌핑 에너지뿐만 아니라 칠러 에너지 소비에 있어서 에너지 절감을 생성한다. 예를 들어, 칠러의 델타 T는 칠러의 증발기 및 응축기 열교환기 튜브 다발의 효율을 최대화하기 위해 부하 조건에 관계없이 칠러의 설계 파라미터에서 또는 그 부근에서, 냉수 또는 응축수 펌프를 통한 유량의 제어에 의해, 유지될 수 있다.
대조적으로, 전통적인 가변 유동 계획은 유동을 훨씬 더 좁은 범위 내에서 변화시키고, 따라서 요구형 유동의 비용 및 에너지 절감을 달성할 수 없다. 이는 전통적인 유동 제어 계획이 델타 T가 아닌 특정 압력차 또는 델타 P를 생성하기 위해 유량을 제어하기 때문이다. 또한, 전통적인 가변 유동 계획은 낮은 델타 T는 무시하면서, 몇몇 소정의 시스템 위치에서만 델타 P를 유지하는 것만을 시도한다. 이는 대부분 낮은 델타 T에 기인하는 비효율성을 보상하기 위해, 원하는 양의 냉각 출력을 발생시키고 분배하기 위해 요구되는 것보다 훨씬 더 높은 유량을 생성한다.
유량이 플랜트 공조기에서 델타 P 또는 특정 냉각 출력을 유지하는 것이 아니라 델타 T를 유지하도록 요구형 유동에 의해 제어되기 때문에, 유량이 시스템 다양성에 기초하여 소정의 영역 내에서 원하는 양의 냉각 출력을 생성하기에 너무 낮은 상황이 있을 수 있다. 이를 해결하기 위해, 요구형 유동은 시스템의 요구되는 유량에서 완전히 만족되지 않는 시스템의 특정 필요에 기초하여 요구형 유동에 의해 유지되는 델타 T가 다른 전형적으로 더 낮은 값으로 재설정되도록 허용하는 임계 구역 재설정으로서 본 명세서에서 지칭되는 특징을 포함한다. 이는 부적절한 파이핑, 공급되는 부하에 대한 잘못된 크기의 공조기, 또는 임의의 개수의 예기치 않은 시스템 이상성으로 인한 것일 수 있다. 아래에서 추가로 설명될 바와 같이, 이는 대체로 냉수 유동을 증가시킴으로써 새로운 또는 재설정된 델타 T를 유지함으로써 추가의 냉각이 제공되도록 허용한다.
요구형 유동의 적용은 냉수 플랜트의 공조기는 물론 칠러, 펌프, 및 다른 구성요소에 대해 상승 효과를 갖는다. 이는 냉수 플랜트에 대한 정격 용량을 유지하거나 상승시키면서, 순 에너지 사용을 감소시킨다. 아래에서 추가로 설명될 바와 같이, 요구형 유동 하에서, 주어진 수준의 냉각을 제공하기 위해 과잉 에너지가 거의 또는 전혀 사용되지 않는다.
바람직하게는, 요구형 유동에 의해 유지되는 델타 T는 구성요소의 효율을 최대화하기 위해 냉수 플랜트 구성요소의 설계 델타 T에 또는 그 부근에 있을 것이다. 델타 T를 유지하는 장점은 톤수 = GPM·ΔT/K와 같은 냉각 용량 방정식을 통해 알 수 있고, 여기서 톤수는 냉각 용량이고, GPM은 유량이고, K는 일정 상수이다. 이러한 방정식이 보여주는 바와 같이, 델타 T가 낮아짐에 따라, 냉각 용량도 낮아진다.
특정 용량 방정식을 참조하여 본 명세서에서 설명되지만, 요구형 유동의 작동 및 이점은 또한 다양한 용량 방정식에 의해 보여질 수 있음이 이해될 것임을 알아야 한다. 이는 대체로 냉각 용량, 유량, 및 일정 델타 T 사이의 관계가 선형이기 때문이다.
델타 T를 유지하는 장점은 다음의 예로부터 알 수 있다. K에 대한 24의 상수 값에 대해, 1000 톤의 용량이 16° 설계 델타 T에서 1500 GPM 유량을 제공함으로써 발생될 수 있다. 500 톤의 용량이 16°의 델타 T에서 750 GPM을 제공함으로써 발생될 수 있다. 그러나, 전통적인 시스템 내에서 일반적으로 발견되는 바와 같은 낮은 델타 T에서, 더 높은 유량이 요구된다. 예를 들어, 8°의 델타 T에서, 500 톤의 용량이 1500 GPM 유량을 요구한다. 델타 T가 4°까지와 같이, 추가로 낮아지면, 냉각 용량은 1500 GPM에서 250 톤이다. 냉수 플랜트 펌프 또는 다른 구성요소가 최대 1500 GPM 유량만이 가능할 수 있는 경우에, 냉수 플랜트는 설계 델타 T에서, 냉수 플랜트가 1500 GPM에서 1000 톤 용량이 가능하더라도, 500 톤의 원하는 요구를 만족시킬 수 없을 것이다.
Ⅰ. 저 델타 T 신드롬
저 델타 T 신드롬이 이제 예시적인 분리형 냉수 플랜트를 도시하는 도 1에 관하여 설명될 것이다. 도시된 바와 같이, 냉수 플랜트는 1차 루프(104) 및 2차 루프(108)를 포함한다. 각각의 루프(104, 108)는 그 자신의 진입 및 진출 수온 또는 델타 T를 가질 수 있다. 요구형 유동은 또한 아래에서 추가로 설명될 바와 같이, 직접/1차 냉수 플랜트 (즉, 비분리형 냉수 플랜트)에 유익함을 알아야 한다.
분리형 냉수 플랜트의 작동 중에, 냉수는 하나 이상의 칠러(112)에 의해 생성 또는 1차 루프(104) 내에서 생성된다. 이러한 냉수는 하나 이상의 1차 냉수 펌프(116)에 의해 1차 루프(104) 내에서 순환될 수 있다. 1차 루프(104)로부터의 냉수는 그 다음 1차 루프(104)와 유체 연통하는 분배 또는 2차 루프(108)에 의해 건물 (또는 다른 구조물)로 분배될 수 있다. 2차 루프(108) 내에서, 냉수는 하나 이상의 2차 냉수 펌프(120)에 의해 하나 이상의 공조기(124)로 순환될 수 있다. 공조기(124)는 건물의 공기로부터의 열이 하나 이상의 열교환기를 통하는 것과 같이, 냉수로 전달되도록 허용한다. 이는 냉각 공기를 건물에 제공한다. 전형적으로, 건물 공기는 일정 체적의 공기를 더 잘 냉각시키기 위해 공조기(124) 내의 열교환기를 통해 이송되거나 송풍된다. 냉수는 냉수가 공조기를 거쳐 흡수한 열로 인해 더 높은 온도에서 공조기(124)를 진출하여 2차 루프(108)로 복귀한다.
냉수는 그 다음 더 높은 온도에서 2차 루프(108)를 진출하여 1차 루프(104)로 복귀한다. 알 수 있는 바와 같이, 1차 루프(104) 및 2차 루프(108) (및 이러한 루프에 부착된 냉수 플랜트 구성요소)는 진입 수온 및 진출 수온, 또는 델타 T를 갖는다. 이상적인 상황에서, 양 루프에 대한 진입 및 진출 온도는 그들 각각의 설계 델타 T에 있을 것이다. 불행히도, 실제로, 냉수 루프는 지속적으로 낮은 델타 T에서 작동한다.
저 델타 T는 다양한 이유로 발생한다. 몇몇 경우에, 저 델타 T는 냉수 플랜트의 불완전한 설계 때문에 발생한다. 이는 냉수 플랜트의 복잡성 및 완벽한 설계를 달성하는 어려움으로 인해 비교적 일반적이다. 예시하자면, 2차 루프(108)의 공조기(124)가 적절하게 선택되지 않았을 수 있고, 따라서 냉수가 예상한 만큼 많은 열을 흡수하지 않는다. 이러한 경우에, 2차 루프(108)로부터의 냉수는 예상된 것보다 더 낮은 온도에서 1차 루프(104)로 진입하여, 낮은 델타 T를 생성한다. 불완전한 설계 및/또는 작동으로 인해, 냉수 플랜트는 설계 조건 부하를 포함한 다양한 부하 하에서 낮은 델타 T에서 작동할 수 있음을 알아야 한다.
저 델타 T는 또한 냉각 출력이 설계 조건보다 더 낮은 부하를 만족시키도록 낮아질 때 발생한다. 출력이 낮아짐에 따라, 냉수 유동, 냉수 델타 T, 및 다른 인자가 예측 불가능하게 되어, 흔히 저 델타 T를 일으킨다. 사실, 실제로, 전통적인 델타 P 유동 제어 계획은 전부가 아니더라도 일부 냉수 플랜트 구성요소에서 저 델타 T를 변함없이 일으키는 것이 관찰되었다.
예를 들어, 설계 조건으로부터 냉각 출력을 감소시키기 위해, 냉수 플랜트의 공조기(124)의 하나 이상의 냉수 밸브가 (부분적으로 또는 완전히) 폐쇄될 수 있다. 이는 공조기(124)를 통한 냉수 유동을 감소시키고, 따라서 더 적은 차가운 공기가 제공된다. 그러나, 냉수 밸브가 부분적으로 폐쇄되면, 냉수는 그가 설계보다 낮은 델타 T에 의해 입증되는 바와 같이 필요한 것보다 더 높은 유량으로 공조기(124)를 통해 유동하므로, 공기로부터 열을 덜 흡수한다. 따라서, 공조기(124)를 진출하는 냉수는 이전만큼 "따뜻"하지 않다. 결과적으로, 1차 루프(104)를 향해 2차 루프(108)를 진출하는 냉수는 원하는 것보다 더 차가워서, 양 루프 내에서 저 델타 T를 야기한다.
구체적인 예로 예시하자면, 예시적인 냉수 플랜트가 도 2에 제공되어 있다. 이러한 예에서, 1차 루프(104) 내에서 생성되는 냉수는 40°이다. 알 수 있는 바와 같이, 공조기(124)를 진출하는 냉수는 냉수 밸브가 폐쇄되고, 냉수의 유량이 현재 부하에 대해 너무 높기 때문에, 예상된 56° 대신에 52°일 수 있다. 바이패스(128) 내에 과잉 분배 유동이 없기 때문에, 2차 루프의 진출 냉수 온도는 여전히 40°이다. 시스템이 16°의 설계 델타 T를 갖는다고 가정하면, 이제 설계 델타 T보다 4° 낮은 12°의 낮은 델타 T가 있다. 여기서, 저 델타 T 자체가 용량을 감소시키고, 과잉 에너지가 주어진 냉각 출력을 제공하기 위해 사용되게 함을 알아야 한다. 용량 방정식에 의해 알 수 있는 바와 같이, 톤수 = GPM·ΔT/K이고, 톤수 용량은 저 델타 T에 의해 현저하게 감소된다. 보상을 위해, 더 높은 유량 또는 GPM이 요구되어, 주어진 냉각 요구에 대한 펌핑 에너지의 과잉의 사용으로 이어진다.
다시 도 1을 참조하면, 저 델타 T의 다른 원인은 1차 루프(104), 2차 루프(108), 또는 이들 모두 내에서의 과잉 유동에 기인하는 바이패스 혼합이다. 바이패스 혼합 및 과잉 유동은 저 델타 T의 공지된 원인이고, 전통적으로 특히 델타 P 유동 제어 계획에 의해서는, 해결하기가 극도로 어려웠다. 사실, 과잉 유동의 하나의 일반적인 원인은 (상기 예에 의해 도시된 바와 같이) 비효율적인 델타 P 제어 계획에 의한 냉수의 과도한 펌핑이다. 이러한 이유로, 유동 불균형 및 바이패스 혼합이 델타 P 유동 제어 계획을 이용하는 냉수 플랜트 내에서 일반적이다. 바이패스 혼합은 임의의 복잡한 기계에서와 같이, 냉수 플랜트가 거의 완벽하지 않기 때문에, 설계 조건에서도 발생할 수 있음을 알아야 한다. 사실, 냉수 플랜트는 흔히 2차 펌프 유량과 부합하지 않는 1차 냉수 펌프 유량으로 설계된다.
분리형 냉수 플랜트에서, 1차 루프(104)와 2차 루프(108)를 연결하는 디커플러 또는 바이패스(128)가 루프들 사이의 유동 불균형을 처리하기 위해 제공된다. 이는 전형적으로 루프들 중 하나 내에서 과잉 유동 또는 과잉 펌핑의 결과로서 발생한다. 바이패스(128)는 대체로 과잉 유동이 다른 루프로 순환하도록 허용함으로써 하나의 루프로부터의 과잉 유동을 허용한다. 과잉 유동은 임의의 특정 루프로 제한되지 않고, 모든 루프 내에서 그들 사이의 유동 불균형에 추가하여 과잉 유동이 있을 수 있음을 알아야 한다.
과잉 유동은 대체로 친화 법칙에 의해 이후에 설명될 바와 같이, 너무 많은 에너지가 냉수를 펌핑하는데 있어서 소모됨을 표시하고, 또한 저 델타 T의 문제점을 악화시킨다. 과잉 유동을 갖는 예시적인 냉수 플랜트를 도시하는 도 3을 사용하여 예시하자면, 공조기(124) 및 2차 루프(108)로부터의 냉수가 과잉의 1차 또는 분배 냉수 유동이 있을 때, 바이패스(128) 내에서 1차 루프(108)로부터의 공급수와 혼합된다. 이들 두 물 스트림의 결과적인 혼합은 다음에 공조기(124)로 분배되는 설계보다 더 따뜻한 냉수를 산출한다.
예시하자면, 2차 루프(108)로부터의 54° 물의 분당 300 갤런(GPM)의 과잉 유동이 바이패스(128) 내에서 1차 루프(104)로부터의 40° 냉수와 혼합되어, 2차 루프의 냉수의 온도를 42°로 상승시킨다. 이제, 2차 루프의 냉수는 1차 루프의 냉수보다 더 높은 온도를 갖는다. 이는 1차 루프(104) 및 2차 루프(108) 내에서의 저 델타 T 및 대응하는 냉각 용량의 감소를 야기한다.
냉수 스트림들의 바이패스 혼합은 또한 저 델타 T를 악화시키기 때문에 바람직하지 않다. 예시하자면, 공조기(124)가 바이패스 혼합에 기인하는 상승된 수온을 감지하거나 상승된 수온으로 인해 냉각 요구를 만족시킬 수 없을 때, 그의 냉수 밸브가 개방되어 공조기(124)를 통한 물의 추가의 유동을 허용하여, 공기 냉각 용량을 증가시킨다. 전통적인 델타 P 시스템에서, 2차 냉수 펌프(120)가 또한 공조기(124)에서 공기 냉각 용량을 증가시키기 위해 냉수 유량을 증가시킬 것이다. 유량의 이러한 증가는 1차 루프(104)와 2차 루프(108) 사이의 바이패스(128)에서의 유량의 추가의 불균형 (즉, 추가의 과잉 유동)을 야기한다. 증가된 과잉 유동은 델타 T를 훨씬 더 낮추는 추가의 바이패스 혼합을 야기함으로써 저 델타 T를 악화시킨다.
과잉 유동 및 바이패스 혼합은 또한 주어진 냉각 요구에 대해 과잉 에너지 사용을 야기한다. 몇몇 상황에서, 추가의 펌핑 에너지가 2차 루프(108)로부터의 유동을 더 잘 균형 잡고 바이패스 혼합을 방지하기 위해, 1차 루프(104) 내의 유량을 증가시키도록 사용된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 추가의 칠러(112)가 부착될 필요가 있을 수 있거나, 추가의 칠러 에너지가 냉수 공급 시에 바이패스 혼합의 가온 효과를 보상하기 위해 1차 루프(104) 내에서 충분한 냉수를 발생시키도록 사용될 수 있다. 공기 공급 측 상에서, 공조기(124)는 더 많은 체적의 공기를 이동시킴으로써 상승된 수온에 기인하는 감소된 용량을 보상하기를 시도할 수 있다. 이는 전형적으로 친화 법칙에 의해 추가로 설명될 바와 같이, 공조기(124)를 통해 추가의 공기를 이동시키기 위해 하나 이상의 팬(132)으로의 전력을 증가시킴으로써 달성된다.
많은 경우에, 이러한 조치(예컨대, 증가된 냉수 펌핑, 공조기 물 밸브의 개방, 증가된 공기 공급 공기 이동)은 저 델타 T에 기인하는 냉각 용량의 인위적인 감소를 완전히 보상하지는 않는다. 따라서, 냉수 플랜트는 이러한 수준의 요구가 그의 정격 냉각 용량 아래에 있을 수 있더라도, 단순히 냉각을 위한 요구를 만족시킬 수 없다. 그러한 조치가 추가의 칠러를 개시함으로써와 같이, 용량의 인위적인 감소를 보상할 수 있는 상황에서, 냉수 플랜트는 원하는 냉각 출력을 제공하기 위해 필요한 것보다 실질적으로 더 많은 에너지를 이용하고, 과잉 에너지 중 많은 부분은 저 델타 T의 효과를 보상하는데 소모된다.
저 델타 T는 또한 직접-1차 냉수 플랜트 구성 (즉, 비분리형 냉수 플랜트) 내에서 발생하지만, 그러한 구성이 대체로 건물 복귀수의 생성 공급수와의 혼합의 문제점을 갖지 않음이 이해될 것이다. 직접-1차 시스템은 시스템을 통한 최소 유동을 유지하기 위해 플랜트 또는 시스템 바이패스, 3방향 밸브, 또는 이들 모두를 항상 갖는다. 예를 들어, 도 4는 그러한 바이패스를 갖는 예시적인 직접-1차 냉수 플랜트를 도시한다. 분리형 냉수 플랜트와 유사하게, 과잉 유동은 이러한 바이패스 또는 3방향 밸브 내에서 발생할 수 있다. 따라서, 과잉 칠러 에너지, 과잉 펌핑 에너지, 및 감소된 시스템 용량과 같은, 저 델타 T의 문제점은 직접-1차 구성에서도 존재한다. 사실, 저 델타 T의 문제점은 플랜트 구성에 관계없이 동일하다. 이는 저 델타 T 신드롬이 2가지 유형의 냉수 플랜트 모두 내에서 발생하는 사실에 의해 실제로 보여졌다.
칠러에 관련된 저 델타 T의 효과가 이제 추가로 설명될 것이다. 도 5가 예시적인 칠러(112)를 도시한다. 예시의 목적으로, 도 5의 점선은 어떤 구성요소가 예시적인 칠러(112)의 부품인지의 여부를 설명하고, 점선 내의 구성요소들은 칠러의 부품이다. 당연히, 칠러는 추가의 구성요소 또는 도시된 것보다 더 적은 구성요소를 포함할 수 있음이 이해될 것이다.
알 수 있는 바와 같이, 칠러(112)는 하나 이상의 냉매 라인(536)에 의해 연결된 응축기(508), 압축기(520), 및 증발기(512)를 포함한다. 증발기(512)는 하나 이상의 냉수 라인(532)에 의해 냉수 플랜트의 1차 또는 다른 루프에 연결될 수 있다.
작동 시에, 냉수가 증발기(512)로 진입할 수 있고, 여기서 이는 냉매로 열을 전달한다. 이는 냉매를 증발시켜서, 냉매가 냉매 증기가 되게 한다. 냉수로부터의 열전달은 물을 냉각시켜서, 물이 냉수 라인(532)을 통해 1차 루프로 복귀하도록 허용한다. 예시하자면, 54° 냉수가 증발기(512) 내에서 40° 냉매에 열을 전달함으로써 42°로 냉각될 수 있다. 42° 냉수는 그 다음 위에서 설명된 바와 같이, 건물 또는 다른 구조물을 냉방하기 위해 사용될 수 있다.
냉동 사이클이 계속되도록, 증발기(512)에 의해 생성된 냉매 증기가 다시 액체 형태로 응축된다. 냉매 증기의 이러한 응축은 응축기(512)에 의해 수행될 수 있다. 공지된 바와 같이, 냉매 증기는 더 낮은 온도 표면 상에서만 응축할 수 있다. 냉매가 상대적으로 낮은 비등점을 갖기 때문에, 냉매 증기는 상대적으로 낮은 온도를 갖는다. 이러한 이유로, 압축기(520)가 냉매 증기를 압축하여, 증기의 온도 및 압력을 상승시키도록 사용될 수 있다.
냉매 증기의 증가된 온도는 증기가 더 높은 온도에서 응축하도록 허용한다. 예를 들어, 압축되지 않으면, 냉매 증기는 60°일 수 있지만, 압축되면, 증기는 97°일 수 있다. 따라서, 응축은 60° 아래가 아닌 97° 아래에서 발생할 수 있다. 이는 냉매 증기의 증가된 온도보다 더 낮은 온도를 갖는 응축 표면을 제공하는 것이 대체로 더 쉽기 때문에, 매우 유익하다.
냉매 증기는 응축기(508)로 진입하고, 여기서 그의 열이 응축 매체로 전달되어, 냉매가 액체 형태로 복귀하게 할 수 있다. 예를 들어, 응축기(508)는 응축 매체가 응축기의 튜브를 통해 유동하는 쉘-튜브 설계를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 냉매 증기는 응축기의 쉘 내의 튜브 상에서 응축할 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 응축 매체는 응축수이지만, 다른 유체 또는 매체가 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 응축 후에, 냉매는 그 다음 냉매 라인(536) 및 감압기(528)를 통해 증발기(508)로 다시 복귀하여, 냉동 사이클이 계속된다.
응축기(508)는 하나 이상의 응축수 라인(540)에 의해 냉각 타워(524) 또는 다른 냉각 장치에 연결될 수 있다. 응축수가 냉매 증기로부터 열을 흡수하기 때문에, 응축수는 그의 온도를 냉매 증기를 응축시키기에 충분히 낮게 유지하도록 냉각되어야 한다. 응축수는 하나 이상의 응축수 펌프(516)에 의해 응축기(508)와 냉각 타워(524) 사이에서 순환될 수 있다. 이는 냉매 증기의 계속적인 응축을 허용하는 냉각된 응축수의 공급을 제공한다. 냉각 타워(524)가 도 4의 실시예에서 물을 냉각하기 위해 사용되지만, 응축수의 다른 공급원이 사용될 수 있음을 알아야 한다.
칠러의 작동은 또한 도 6a에 도시된 바와 같은 압력-엔탈피 그래프를 통해 보여질 수 있다. 그래프에서, 압력은 수직 축 상에 나타나고, 엔탈피는 수평 축 상에 나타난다. 지점(604)에서, 냉매는 증발기 내에서 고도로 포화되거나 원칙적으로 액체 상태에 있을 수 있다. 냉매가 증발기 내에서 냉수로부터 열을 흡수함에 따라, 그의 엔탈피가 증가하여, 지점(608)에서 냉매를 냉매 증기로 전환시킨다. 지점(604)과 지점(608) 사이의 그래프의 부분은 칠러의 냉동 효과를 나타낸다. 이러한 시간 중에, 냉매에 의한 냉수로부터의 열의 흡수는 냉수를 냉각시킨다.
압축기가 그 다음 지점(608)으로부터 지점(612)까지 냉매 증기의 온도 및 압력을 증가시키도록 사용될 수 있다. 이는 "리프트"로서 공지되어 있다. 이러한 리프트는 위에서 설명된 바와 같이, 냉매 증기가 응축기 내에서 응축하도록 허용한다. 지점(612)과 지점(616) 사이에서, 냉매 증기는 응축기 내에서 응축수에 열을 전달하고 응축하여, 증기를 다시 한번 액체로 전환시킨다. 냉매는 그 다음 지점(616)과 지점(604) 사이에서 감압기를 통과하고, 이는 액체 냉매의 온도 및 압력을 감소시켜서, 그가 증발기 내에서 사용되어 냉동 사이클을 계속할 수 있다.
아래에서 추가로 설명될 바와 같이, 응축기 내의 저 델타 T와 관련된 문제점은 흔히 부분 부하 조건에서 최소 리프트의 결여로 인해 칠러 고장을 일으킨다. 응축기와 증발기 사이의 압력차가 너무 낮게 강하될 때, 업계에서 "스택킹"으로 공지된 조건이 발생한다. 이는 냉매가 응축기 내에 축적되어, 증발기 포화 압력 및 온도를 임계점으로 강하시키는 상태이다. 냉매는 또한 오일에 대한 높은 친화성을 갖고, 그러므로 스택킹은 응축기 내에서 오일 충진량의 상당 부분을 포착하여, 임의의 수의 낮은 압력, 낮은 증발기 온도, 또는 낮은 오일 압력 문제점 시에 칠러가 작동 중단되게 한다.
대부분의 전통적인 응축수 펌핑 시스템이 일정 체적에서 작동하기 때문에, 냉각 타워도 최고 유동 조건에 있다. 냉각 타워 상의 부하가 감소함에 따라, 작동 범위는 상대적으로 일정하게 유지되어, 타워의 효율을 감소시킨다. 역으로, 가변 유동 응축수 시스템에서, 작동 범위는 유동과 함께 감소한다. 이는 본 설명에서 아래에서 추가로 설명되는 더 낮은 응축수 진입 온도와 칠러 에너지 및 냉각 타워 팬 에너지의 관련된 감소를 허용한다.
저 델타 T는 또한 매우 비효율적인 응축수 펌프 효율(KW/Ton)을 생성하고, 계절적으로 낮은 응축수 진입 온도를 통해 칠러에 대해 이용 가능한 냉매 과냉각의 양을 제한한다. 주어진 부하에서, 각각의 정도에 대해, 응축수 진입 온도가 감소되고, 압축기 에너지가 약 1.5% 감소되고, 칠러의 공칭 톤수가 약 1% 증가된다. 따라서, 아래에서 추가로 설명될 바와 같이, 칠러를 최저의 가능한 응축수 진입 온도로 작동시키는 것이 매우 바람직하다.
또한, 증발기에서의 낮은 델타 T는 냉동 사이클의 냉동 효과를 감소시킨다. 아래에서 추가로 설명될 바와 같이, 이는 증발기에 의해 생성되는 냉매 증기의 온도를 감소시킨다.
Ⅱ. 요구형 유동
대체로, 요구형 유동은 냉수 플랜트 및 시스템 효율을 증가시키면서, 저 델타 T 신드롬을 해결하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 위에서 입증된 바와 같이, 전통적인 냉수 시스템 제어 계획은 저 델타 T 신드롬, 높은 KW/Ton, 및 감소된 공기 측 용량에 의해 증명되는 에너지 및 용량 비효율성으로 직접 이어진다. 상기 설명은 또한 가장 전통적인 제어 계획과 최적화 시스템 에너지 및 송출 가능 용량 사이에 직접적인 상충이 있음을 입증한다. 이는 증가된 에너지 사용 및 감소된 시스템 용량을 무시하는, 압력차 또는 델타 P 냉수 펌핑 제어 계획에 의해 가장 명확하게 증명된다. 전통적으로 설계된 델타 P 기반 펌핑 계획은 시스템 부하가 변할 때, 저 델타 T 신드롬에서 수행하는 시스템을 불가피하게 산출한다.
완벽하게는, 냉수 델타 T는 냉수 플랜트의 1차, 2차, 및 임의의 3차 또는 다른 루프 내에서 동일하다. 냉수 플랜트 구성요소를 그의 선택된 또는 설계 델타 T에서 작동시키는 것은 항상 최대 송출 가능한 용량 및 최고 시스템 효율을 생성한다. 따라서, 완벽하게는, 냉수 델타 T는 설계 델타 T와 부합한다. 이러한 이상적인 상황을 발생시키기 위해, 냉수 플랜트 구성요소 선택, 설계, 설치 및 펌핑 제어 알고리즘이 완벽해야 한다. 불행히도, 이러한 완벽은 실제로는 엄청나게 드물거나 전혀 달성되지 않고, 냉수 플랜트의 설계, 부하, 및 설치에 있어서의 괴리는 항상 존재한다.
전통적인 제어 계획과 달리, 요구형 유동의 핵심 원리는 임계 구역 재설정에 관련하여 아래에서 설명될 바와 같이, 냉각 요구를 만족시키는 것을 강조하면서 설계 델타 T에 가능한 한 가까이 작동하는 것이다. 이는 냉방 부하에 관계없이, 냉수 플랜트가 높은 효율로 작동하도록 허용한다. 이는 부분 또는 설계 부하에서 작동하는 것이 이러한 전통적인 시스템을 저해하는 저 델타 T 신드롬 때문에 필요한 것보다 실질적으로 더 많은 에너지를 이용하는 전통적인 제어 계획과 대조적이다.
또한, 펌프가 델타 T를 설계 델타 T에 또는 그에 가까이 유지하도록 제어되기 때문에, 냉수 플랜트는 플랜트 상의 부하에 관계없이 에너지를 효율적으로 이용한다. 전통적인 제어 계획에 비교할 때, 에너지 사용은 다음의 도표로부터 알 수 있는 바와 같이 요구형 유동 하에서 실질적으로 더 낮다. 도표 상에 표시된 값들은 작동식 요구형 유동 구현예의 실제 측정으로부터 취해졌다.
예시하자면, 도 7은 응축수 진입 온도를 감소시킴으로써 달성 가능한 에너지 절감을 도시하는 실제 요구형 유동 적용의 도표이다. 도 8은 일정 체적 응축수 펌핑(804) 및 델타 P 냉수 펌핑 계획을 요구형 유동 펌핑(808)에 비교한 압력-엔탈피 선도이다. 알 수 있는 바와 같이, 전통적인 일정 체적 펌핑(804)에 비교하여, 리프트가 감소되고, 냉동 효과가 과냉각(812) 및 냉매 과열(816)에 의해 증가된다.
요구형 유동은 이와 같이 측정 가능하며 예측 가능한 타당한 과학적 기초 원리에 기반을 두기 때문에, 냉수 플랜트 상에서 측정 가능하고, 지속 가능하며, 재현 가능한 효과를 갖는다. 요구형 유동을 적용함으로부터 생성되는 효율 및 송출 가능한 용량의 이득은 다음과 같이 설명될 것이다.
친화 법칙으로서 공지된 가변 유동 냉수 플랜트에서의 펌핑 에너지 효율의 기본적인 전제는 다음의 법칙으로 구성된다:
Figure 112012014256577-pct00001
법칙 1 : 유동은 다음의 방정식, Q1/Q2 = N1/N2에 의해 보여지는 바와 같이, 샤프트 회전 속도에 비례하고, 여기서 N은 샤프트 회전 속도이고, Q는 체적 유량(예컨대, CFM, GPM, 또는 L/s)이다. 이는 도 9a의 그래프에 도시된 유동 라인(936)에 의해 도시되어 있다.
Figure 112012014256577-pct00002
법칙 2: 압력 또는 수두가 방정식, H1/H2 = (N1/N2)2에 의해 보여지는 바와 같이, 샤프트 속도의 제곱에 비례하고, 여기서 H는 펌프 또는 팬에 의해 발현되는 압력 또는 수두(예컨대, ft 또는 m)이다. 이는 도 9b의 그래프에 도시된 펌핑 곡선(916)에 의해 예시된다.
Figure 112012014256577-pct00003
법칙 3: 동력은 방정식, P1/P2 = (N1/N2)3에 의해 보여지는 바와 같이, 샤프트 속도의 3제곱에 비례하고, 여기서 P는 샤프트 동력(예컨대, W)이다. 이는 도 9c의 그래프에 도시된 에너지 곡선(920)에 의해 예시된다.
친화 법칙은 냉수 압력 강하(상기에서 TDH 또는 H로도 지칭됨)가 유량 변화의 제곱에 관련되고, 에너지 이용은 유량 변화의 3제곱에 관련됨을 기술한다. 그러므로, 요구형 유동에서, 유량이 감소됨에 따라, 냉각 용량 또는 출력은 비례하여 감소되지만, 에너지 이용은 지수적으로 감소된다.
도 9d는 예시적인 일정 델타 T 라인(904)을 도시하는 그래프이다. 라인(904)은 라인 상의 모든 지점들이 동일한 델타 T에서 발생되었기 때문에, 일정 델타 T 라인으로서 지칭된다. 그래프에서, 수평 축은 유량을 나타내고, 수직 축은 압력을 나타낸다. 따라서, 도시된 바와 같이, 델타 T 라인(904)은 일정 델타 T에 대해, 특정 냉각 출력을 생성하기 위해 필요한 유량을 도시한다. 하나 이상의 실시예에서, 델타 T 라인(904)은 톤수 = GPM·ΔT/K와 같은 용량 방정식에 의해 한정될 수 있고, 이는 유량(GPM)에 대한 증가 또는 감소가 냉각 출력(톤수)의 비례하는 증가 또는 감소를 일으키는 것을 제공한다. 특정 델타 T 라인(904)이 도 9d에 도시되어 있지만, 델타 T 라인(940)은 다양한 냉수 플랜트 또는 냉수 플랜트 구성요소에 대해 상이할 수 있음이 이해될 것임을 알아야 한다.
대체로, 요구형 유동은 델타 T 라인(904) 상의 주어진 냉각 출력에 대한 유량을 유지하기를 시도한다. 이는 냉각에 대한 요구를 만족시키면서 실질적인 효율 이득 (즉, 에너지 절감)을 일으킨다. 대조적으로, 전통적인 제어 계획에 의해 결정되는 유량은 델타 T 라인(904)에 의해 제공되는 것보다 흔히 실질적으로 더 높다. 이는 실제로 입증되었으며, 흔히 전통적인 냉수 플랜트의 작동 일지 내에 기록된다. 도 9d는 전통적인 제어 계획에 의해 결정되는 유량을 도시하는 예시적인 기록 지점(908) 및 요구형 유동 지점(912)을 도시한다. 요구형 유동 지점(912)은 요구형 유동 원리 하에서 주어진 냉각 출력에 대한 유량을 나타낸다.
전형적으로, 전통적인 제어 계획에 의해 결정되는 기록 지점(908)은 실제 냉각 요구를 만족시키기 위해 냉수 플랜트에 의해 요구되는 것보다 더 높은 유량을 가질 것이다. 예를 들어, 도 9d에서, 기록 지점(908)은 요구형 유동 지점(912)보다 더 높은 유량을 갖는다. 이는 적어도 부분적으로, 전통적인 제어 계획이 더 높은 유량 및 증가된 냉각 출력으로 낮은 델타 T에 기인하는 비효율성을 보상해야 하기 때문이다.
요구형 유동에서, 유량은 부하에 대해 선형인 델타 T 라인(904)을 따라 조정되고, 이는 냉수 플랜트 및 그의 구성요소가 설계 델타 T에서 또는 그 부근에서 작동함을 의미한다. 이러한 방식으로, 저 델타 T는 요구형 유동에 의해 제거되거나 현저하게 감소된다. 따라서, 냉각에 대해 원하는 요구는 전통적인 제어 계획에 비교할 때 더 낮은 유량 및 냉각 출력에서 만족될 수 있다. 이는 대부분, 냉수 플랜트가 저 델타 T의 비효율성을 보상할 필요가 없기 때문이다.
도 9d는 요구형 유동에 의해 제공되는 효율 이득을 예시하기 위해 전술한 펌핑 곡선(916) 및 에너지 곡선(920)을 중첩시킨다. 도시된 바와 같이, 펌핑 곡선(916)은 그의 수직 축 상에서 총 설계 수두(TDH) 또는 압력 강하를 그리고 그의 수평 축 상에서 용량 또는 샤프트 속도를 나타낸다. 친화 법칙은 샤프트 속도가 유량에 선형으로 비례함을 기술한다. 따라서, 펌핑 곡선(916)은 요구형 유동에 의해 제공되는 효율 이득을 예시하기 위해 도 9d에서와 같이 중첩될 수 있다. 친화 법칙은 또한 펌핑 곡선(916)이 제곱 함수임을 기술한다. 따라서, 유량이 델타 T 라인(204)을 따라 선형으로 감소됨에 따라, TDH가 지수적으로 감소됨을 그래프로부터 알 수 있다.
도시된 바와 같은 에너지 곡선(920)은 그의 수직 축 상에서 에너지 사용을 그리고 그의 수평 축 상에서 (기술된 바와 같이 유량에 선형으로 비례하는 것으로 도시된) 샤프트 속도를 나타낸다. 친화 법칙 하에서, 에너지 곡선(920)은 3제곱 함수이다. 따라서, 유량이 감소됨에 따라, 에너지 사용이 TDH보다 훨씬 더, 지수적으로 감소됨을 알 수 있다. 달리 말하자면, 에너지 사용은 유량이 증가함에 따라 3제곱 함수에 따라 지수적으로 증가한다. 이러한 이유로, 특정 냉각 출력을 달성하기 위해 필요한 최소 유량이 제공되도록 시스템 펌프를 작동시키는 것이 매우 바람직하다.
실질적인 양의 에너지 절감이 냉수 플랜트를 요구형 유동에 의해 작동시킬 때 발생함을 알 수 있다. 도 9d는 요구형 유동 지점(912)과 기록 지점(908) 사이에서의 에너지 사용의 차이를 강조한다. 에너지 곡선(920)에 의해 알 수 있는 바와 같이, 이러한 지점들에 의해 표시된 냉각 출력에서, 기록 지점(908)과 요구형 유동 지점(912) 사이에서의 과잉 에너지 사용(932)이 실질적이다. 다시, 이는 유량이 증가함에 따른 에너지 사용에 대한 지수적인 증가 때문이다.
도 9d는 또한 요구형 유동 지점(912)과 기록 지점(908) 사이의 TDH의 차이를 강조한다. 알 수 있는 바와 같이, 기록 지점(908)은 다시 한번 현재의 냉각 요구를 만족시키기 위해 필요한 것보다 실질적으로 더 높은 TDH를 갖는다. 대조적으로, 요구형 유동 지점(912)에서, TDH는 훨씬 더 낮다. 펌핑 곡선(916)에 의해 알 수 있는 바와 같이, 기록 지점(908)과 요구형 유동 지점(912) 사이에서의 과잉 TDH(924)가 실질적이다. 따라서, 실질적으로 더 적은 일이 전통적인 제어 계획에 비교할 때 요구형 유동 하에서 냉수 플랜트 펌프에 의해 소모된다. 이는 더 적은 스트레인이 펌프 상에 가해져서, 펌프의 사용 수명을 연장시키는 점에서 유익하다.
Ⅲ. 요구형 유동 작동 전략
요구형 유동의 설명을 돕기 위해, 작동 전략이라는 용어는 플랜트 에너지 사용 및 냉각 용량에 대해 요구형 유동의 이점을 달성하기 위해 냉수 플랜트 및 그의 구성요소에 적용되는 원리, 작동, 및 알고리즘을 지칭하도록 본 명세서에서 사용될 것이다. 작동 전략은 전부는 아니더라도 대부분의 냉수 플랜트에 대해 일반적인 양태에 유익하게 영향을 준다. 아래에서 설명될 바와 같이, 이러한 양태는 냉수 생성(예컨대, 칠러), 냉수 펌핑, 응축수 펌핑, 냉각 타워 팬 작동, 및 공기 측 팬 작동을 포함한다. 작동 전략의 적용은 부하 조건에 관계없이, 냉수 플랜트를 설계 델타 T에서 또는 그 부근에서 작동시킴으로써 저 델타 T 신드롬을 현저하게 감소시키거나 제거한다. 이는 결국 냉수 플랜트 구성요소 및 플랜트 전체에 대한 에너지 사용 및 송출 가능한 용량을 최적화한다.
하나 이상의 실시예에서, 작동 전략은 냉수 플랜트의 하나 이상의 제어 장치 또는 구성요소에 의해 실시 및/또는 구현될 수 있다. 도 10은 작동 전략을 구현하기 위해 사용될 수 있는 예시적인 제어기를 도시한다. 하나 이상의 실시예에서, 제어기는 입력 데이터 또는 정보를 수용하고, 작동 전략에 따라 입력에 대한 하나 이상의 작동을 수행하고, 대응하는 출력을 제공할 수 있다.
제어기(1004)는 프로세서(1004), 하나 이상의 입력부(1020), 및 하나 이상의 출력부(1024)를 포함할 수 있다. 입력부(1020)는 하나 이상의 센서(1028)로부터 데이터 또는 정보를 수신하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 센서(1028)에 의해 검출된 냉수, 응축수, 냉매, 또는 냉수 플랜트 구성요소의 작동 특징에 대한 정보가 입력부(1020)를 거쳐 수신될 수 있다.
프로세서(1004)는 그 다음 하나 이상의 입력부(1020)를 거쳐 수신된 정보에 대해 하나 이상의 작동을 수행할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 프로세서는 이러한 작동을 수행하기 위해 메모리 장치(1012) 상에 저장된 하나 이상의 지시를 실행할 수 있다. 지시는 또한 ASIC 또는 FPGA의 경우에서와 같이 프로세서(1004) 내로 하드 와이어링될 수 있다. 메모리 장치(1012)는 프로세서(1004)에 대해 내부 또는 외부일 수 있고, 또한 데이터 또는 정보를 저장하도록 사용될 수 있음을 알아야 한다. 지시는 하나 이상의 실시예에서 기계 판독 가능 코드의 형태일 수 있다.
작동 전략은 지시를 실행함으로써, 제어기(1004)가 요구형 유동에 따라 냉수 플랜트 또는 그의 구성요소를 작동시킬 수 있도록, 하나 이상의 지시에 의해 실시될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 알고리즘이 냉수/응축수 펌핑을 델타 T 라인 상에 또는 그 부근에 유지하기 위해 냉수/응축수 유량에 대한 증가 또는 감소가 수행되어야 할 때를 결정하도록 수행될 수 있다. 지시가 하나 이상의 입력부(1020)로부터의 정보에 대해 실행되면, 대응 출력이 제어기(1004)의 하나 이상의 출력부(1024)를 거쳐 제공될 수 있다. 도시된 바와 같이, 제어기(1004)의 출력부(1024)가 VFD(1032)에 연결된다. VFD(1032)는 칠러, 응축기, 또는 다른 펌프 또는 냉각 타워 팬(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, 제어기(1004)는 냉수 플랜트 펌프에서의 펌핑을 제어할 수 있다.
작동 전략은 냉수 플랜트의 구성요소를 제어하는 외부 제어 작동을 제공하는 것으로 간주될 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 레트로피트의 경우에, 제어기(1004) 등은 플랜트의 기존의 구성요소에 대한 변경을 요구하지 않고서 냉수 플랜트에 요구형 유동을 적용할 수 있다. 제어기(1004)는 예를 들어 기존의 플랜트 VFD 및 펌프를 제어할 수 있다. 몇몇 실시예에서, VFD는 하나 이상의 냉수, 응축수, 또는 다른 펌프 상에 설치되어, 작동 전략에 의한 이러한 펌프의 제어를 허용할 수 있다. 하나 이상의 센서가 또한 설치될 수 있거나, 기존의 센서가 하나 이상의 실시예에서 제어기(1004)에 의해 사용될 수 있다.
도 11a는 작동 전략을 수행하기 위해 제어기(1024)에 의해 수행될 수 있는 예시적인 작동을 도시하는 흐름도이다. 본 명세서에서 설명되는 몇몇 단계는 본 명세서에서 설명되는 것과 상이한 순서로 수행될 수 있으며, 본 명세서에서 설명되지만 흐름도에 도시되지 않은 작동 전략의 다양한 양태에 대응하는 다양한 실시예에서 더 적거나 더 많은 단계가 있을 수 있음이 이해될 것이다.
도시된 실시예에서, 센서 정보가 단계(1104)에서 수신된다. 예를 들어, 냉수 플랜트 구성요소의 진입 냉수 온도, 진출수 온도, 또는 이들 모두에 관련된 센서 정보가 수신될 수 있다. 냉매 온도, 압력, 또는 다른 특징이 또한 수신될 수 있다. 또한, 공조기에서의 냉수 밸브의 위치, VFD의 속도 또는 출력, 펌프의 속도 또는 유량과 같은 작동 특징과, 다른 정보가 수신될 수 있다.
단계(1108)에서, 단계(1104)에서 수신된 정보에 기초하여, 제어기는 바람직하게는 설계 델타 T에 또는 그 부근에 있는 델타 T를 유지하기 위해 하나 이상의 펌프에서 증가시킬지 또는 감소시킬지를 결정할 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 공조기(124)에서의 진출 냉수 온도가 낮은 델타 T를 표시하면, 2차 루프(108) 내의 유량은 공조기(124)를 가로질러 설계 델타 T를 유지하기 위해 2차 냉수 펌프(120)에 의해 조정될 수 있다.
단계(1112)에서, 출력이 단계(1108)에서 결정된 바대로 유량을 증가 또는 감소시키도록, VFD 또는 다른 펌프 제어기로, 또는 펌프로 직접 제공될 수 있다. 상기의 이러한 예에서, 유량을 감소시킴으로써, 냉수는 더 긴 기간 동안 공조기(124) 내에서 유지된다. 이는 냉수가 더 긴 기간 동안 공조기(124)에 의해 따뜻한 건물 공기에 노출되기 때문에, 냉수의 엔탈피가 증가하게 한다.
냉수의 엔탈피의 증가는 공조기(124)의 진출 냉수 온도를 상승시킨다. 물이 2차 루프(108)를 진출할 때, 2차 루프의 진출 수온이 상승된다. 이러한 방식으로, 델타 T는 설계 델타 T로 또는 그 부근으로 증가되어 (저 델타 T 신드롬을 감소 또는 제거)할 수 있다.
상기 예가 공조기(124)에서 델타 T를 유지하는 것을 설명하지만, 델타 T는 이러한 방식으로 1차, 2차, 또는 다른 루프를 포함한 다른 냉수 플랜트 구성요소에서 그리고 플랜트의 구성요소 내에서 유지될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 실시예에서, 냉수 플랜트의 제어기가 칠러의 응축기와 같은 칠러 구성요소를 가로질러 델타 T를 유지하기 위해 하나 이상의 응축수 펌프의 유량을 변경할 수 있다.
위에서 간략하게 설명된 바와 같이, 작동 전략은 또한 하나 이상의 임계 구역 재설정을 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 임계 구역 재설정은 유량이 제어되는 델타 T를 변화시킨다. 본질적으로, 임계 구역 재설정은 작동 전략에 의해 유량이 제어되는 델타 T 라인을 변경한다. 이는 작동 전략이 다양한 델타 T 라인에 따른 작동에 의해 냉각 요구를 만족시키게 한다. 실제로, 이러한 델타 T 라인은 전형적으로 설계 델타 T에서 발생되는 델타 T 라인 부근일 것이다. 작동 전략은 따라서 유연하고, 냉수 플랜트를 설계 델타 T에서 또는 그 부근에서 효율적으로 작동시키면서, 다양한 냉각 요구를 만족시킬 수 있다.
임계 구역 재설정은 냉수 유동을 증가 또는 감소시킴으로써와 같이, 냉각 출력을 증가 또는 감소시키도록 사용될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 임계 구역 재설정은 냉수 유동을 증가시킴으로써 냉각 출력을 증가시키도록 사용될 수 있다. 이는 냉각 요구가 특정 델타 T에서 냉수 플랜트를 작동시킴으로써 만족될 수 없는 상황에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 냉각 요구가 만족될 수 없으면, 임계 구역 재설정이 작동 전략에 의해 유지되는 현재의 델타 T를 새로운 값으로 재설정하도록 사용될 수 있다. 예시하자면, 작동 전략에 의해 유지되는 델타 T는 16°로부터 15°로 재설정될 수 있다. 냉수 플랜트 구성요소에서 이러한 더 낮은 델타 T 값을 생성하기 위해, 냉수의 유량은 하나 이상의 냉수 플랜트 구성요소를 가로질러 새로운 델타 T 값을 유지하도록 증가될 수 있다. 증가된 유량은 냉수 플랜트 구성요소에 추가의 냉수를 제공하고, 이는 결국 증가된 냉각 출력을 제공하여 요구를 만족시킨다. 예를 들어, 공조기로의 증가된 냉수 유동은 공조기에 추가의 냉각 공기 용량을 제공한다.
임계 구역 재설정은 또한 냉수 플랜트 또는 그의 구성요소가 너무 많은 또는 과잉의 냉각 출력을 생성할 때 발생할 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 냉각 요구가 낮아지면, 임계 구역 재설정은 델타 T를 그가 설계 델타 T에 더 가깝게 유지되도록 변화시킬 수 있다. 예를 들어 상기 예에서, 델타 T는 냉각 요구가 낮아질 때 15°로부터 16°로 재설정될 수 있다. 따라서, 냉수 유량이 감소될 수 있고, 이는 냉각 출력을 감소시킨다. 전형적으로, 델타 T 설정점의 선형 재설정이 시운전 과정 중에 발견되는 시스템 동특성에 기초하여 계산된다.
도 12는 예시적인 공조기 유닛에 대한 임계 구역 재설정의 일례를 도시하는 도표이다. 알 수 있는 바와 같이, 델타 T는 더 많은 냉수 유동을 제공하여 공조기 유닛의 공급 공기 온도를 낮추기 위해 더 낮은 값으로 재설정될 수 있다. 델타 T를 더 높은 값으로 재설정하는 것은 공조기 유닛으로의 냉수 유량을 감소시킴으로써 공급 공기 온도를 상승시키는 것도 알 수 있다.
작동 시에, 델타 T가 재설정되는 값은 다양한 방식으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 진입 및 진출 수온에 대한 새로운 값 (즉, 재설정 델타 T)는 몇몇 실시예에서 공식 또는 방정식에 따라 결정될 수 있다. 다른 실시예에서, 소정의 설정점들의 세트가 재설정 델타 T 값을 제공하도록 사용될 수 있다. 이는 설정점(1204)들의 예시적인 그룹을 도시하는 도 12에 대해 설명될 수 있다. 대체로, 각각의 설정점(1204)은 주어진 트리거링 이벤트에 대한 델타 T 값을 제공한다. 예를 들어 도 12에서, 각각의 설정점(1204)은 공조기 유닛의 주어진 공기 공급 온도에 대한 델타 T 값을 제공한다. 설정점(1204)은 요구형 유동 준비 또는 시운전 중에 결정될 수 있고, 필요하다면 이후에 조정될 수 있다.
새로운 또는 재설정 델타 T 값이 여전히 냉각 요구를 만족시키기에 불충분하면, 다른 임계 구역 재설정이 작동 전략에 의해 유지되는 델타 T를 다시 재설정하도록 트리거링될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 임계 구역 재설정은 냉수 플랜트가 냉각 요구를 만족시킬 수 있을 때까지 발생할 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 임계 구역 재설정은 도(°)와 같은 증분량으로 델타 T를 유지되도록 변경한다. 이는 델타 T가 설계 델타 T에 가깝게 유지되도록 보장하는 것을 돕는다. 냉수 구성요소의 약간 감소된 효율이 생성될 수 있지만, 저 델타 T를 실질적으로 감소시키거나 제거하는 이점은 효율의 약간의 감소를 능가한다. 전통적인 제어 계획에 비교할 때, 요구형 유동의 효율 이득이 실질적으로 유지될 것이다.
임계 구역 재설정을 일으키는 환경은 본 명세서에서 트리거 또는 트리거링 이벤트로서 지칭될 것이다. 기술된 바와 같이, 임계 구역 재설정은 냉수 플랜트 구성요소가 너무 많거나 너무 적은 냉각 출력을 생성할 때 트리거링될 수 있다. 플랜트 구성요소가 너무 많은 또는 너무 적은 냉각 출력을 생성하는지를 결정하기 위해, 작동 전략은 하나 이상의 센서로부터의 정보를 이용할 수 있다. 아래에서 추가로 설명될 바와 같이, 이러한 정보는 냉수 플랜트 내의 냉수의 특징(예컨대, 온도 또는 유량), 하나 이상의 냉수 플랜트 구성요소의 작동 특징, 공간의 공기 또는 주변 조건(예컨대, 온도 또는 습도)과, 다른 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어 도 12를 참조하면, 트리거가 공조기 유닛의 공급 공기 온도일 수 있다. 예시하자면, 공급 공기 온도가 원하는 공기 공급 원도와 부합하지 않으면, 임계 구역 재설정이 트리거링될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 델타 T는 또한 임계 구역 재설정의 결과로서 작동 전략에 의해 증가될 수 있다. 예를 들어, 냉각 요구가 낮아지면, 델타 T는 임계 구역 재설정에 의해 더 높은 값으로 재설정될 수 있다. 냉각 출력을 낮추기 위해 (즉, 공조기 유닛 공급 공기 온도를 상승시키기 위해) 델타 T를 더 높은 값으로 재설정하는 예가 도 12에 도시되어 있다. 상기와 유사하게, 임계 구역 재설정에 의한 델타 T의 증가는 다양한 이벤트 또는 조건에 의해 트리거링될 수 있다.
도 11b는 제어기(1024)에 의해 수행될 수 있는 임계 구역 재설정 작동(들)을 포함하는, 예시적인 작동을 도시하는 흐름도이다. 단계(1116)에서, 단계(1104)에서 수신된 정보가 트리거가 발생했는지를 결정하기 위해 처리될 수 있다. 그러하다면, 펌핑이 제어되는 델타 T 라인을 재설정하는 임계 구역 재설정이 발생할 수 있다. 예를 들어, 공조기 냉수 밸브의 위치, VFD 속도 또는 출력, 플랜트 바이패스 내의 냉수 온도와 같은, 하나 이상의 센서에 의해 제공되는 작동 특징, 또는 다른 정보가 아래에서 추가로 설명될 바와 같이, 임계 구역 재설정을 일으킬 수 있다.
임계 구역 재설정이 발생하면, 제어기는 유량의 증가가 요구되는지 또는 감소가 요구되는지를 결정하기 위해 단계(1108)에서 델타 T의 재설정 값 또는 재설정 델타 T 라인을 이용할 것이다. 그 다음, 위에서 설명된 바와 같이, 출력이 유량의 이러한 변화를 실현하기 위해 하나 이상의 펌프로 제공될 수 있다. 임계 구역 재설정이 발생하지 않으면, 제어기는 현재의 델타 T 라인 또는 델타 T를 계속 사용하고, 이에 따라 유량을 제어할 수 있다. 도 11a 및 11b의 단계들은 연속적으로 발생할 수 있거나 다양한 주기로 발생할 수 있음을 알아야 한다. 이러한 방식으로, 임계 구역 재설정 및 유량은 각각 연속적으로 또는 원하는 주기로 조정될 수 있다.
요구형 유동의 작동 전략이 이제 냉수 펌프 및 응축수 펌프의 작동에 관하여 설명될 것이다. 다음의 설명으로부터 명백해질 바와 같이, 작동 전략에 의한 펌핑 또는 유량의 제어는 냉수 생성(예컨대, 칠러), 냉수 펌핑, 응축수 펌핑, 냉각 타워 팬 작동, 및 공기 측 팬 작동에 대해 매우 유익한 효과를 갖는다.
A. 냉수 펌프 작동
위에서 설명된 바와 같이, 냉수 펌프는 냉수 플랜트를 통한 냉수 유동을 제공한다. 하나 이상의 실시예에서, 냉수 펌프는 냉수 플랜트의 1차, 2차, 3차, 또는 다른 루프를 통한 냉수 유동을 제공한다.
하나 이상의 실시예에서, 작동 전략은 그러한 냉수 펌프를, 그의 유량이 위에서 설명된 델타 T 라인 상에 또는 그 부근에 있도록 제어한다. 도 9d의 그래프에 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 델타 T 라인에 따른 냉수 펌프의 작동은 특히 전통적인 제어 계획에 비교할 때 실질적인 에너지 절감을 생성한다.
델타 T 라인에 따른 냉수 펌프의 작동은 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 대체로, 그러한 작동은 하나 이상의 펌프에서의 유량을 델타 T 라인 상에 또는 그 부근에 유지한다. 작동 전략은 냉수 펌프의 위치 또는 유형에 의존하여 상이한 방법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 상이한 작동들이 펌프가 1차, 2차, 3차, 또는 다른 루프 상에 있는지에 의존하여 냉수 펌프의 유량을 제어하도록 사용될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 냉수 펌프에 의해 제공되는 유량은 펌프에 연결된 가변 주파수 구동(VFD)에 의해 제어될 수 있다. 냉수 펌프 자체의 장치를 포함한 다른 장치가 유량, 펌핑 속도 등을 제어하도록 사용될 수 있음이 이해될 것이다.
전형적으로, 항상은 아니지만, 작동 전략은 냉수 플랜트 내의 하나 이상의 지점에서 온도를 유지하기 위해 하나 이상의 냉수 펌프를 통한 유량을 제어한다. 하나 이상의 센서가 이러한 지점들에서 온도를 검출하도록 사용될 수 있다. 유량은 그 다음 센서로부터의 온도 정보에 따라 온도를 유지하도록 조정될 수 있다. 이러한 방식으로, 델타 T가 냉수 플랜트 내의 하나 이상의 지점에서 유지될 수 있다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에서, 작동 전략은 공조기(124)를 가로질러, 델타 T를 바람직하게는 설계 델타 T에 또는 그 부근에 유지하기 위해 2차 냉수 펌프(120)를 제어할 수 있다. 이는 델타 T 라인에 따라 2차 냉수 펌프(120)를 작동시키고, 공조기(124)가 효율적으로 작동하면서 그의 정격 냉각 용량을 제공할 수 있도록 보장한다. 위에서 기술된 바와 같이, 특정 델타 T가 2차 냉수 펌프(120)를 거쳐 유량을 증가 또는 감소시킴으로써 유지될 수 있다.
작동 전략은 또한 냉수 플랜트의 하나 이상의 지점에서 델타 T를 유지하기 위해 1차 냉수 펌프(116)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 1차 냉수 펌프(116)가 1차 루프(104), 2차 루프(108), 또는 이들 모두에 대해 델타 T를 유지하도록 작동될 수 있다. 다시, 이는 하나 이상의 1차 냉수 펌프(116)의 유량을 증가 또는 감소시킴으로써 달성될 수 있다.
용량 방정식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 델타 T와 유량 사이의 관계는 선형이다. 따라서, 1차 및 2차 루프(104, 108)를 가로질러 특정 델타 T를 유지함으로써, 유량은 전형적으로 평형에 또는 그 부근에 있을 것이다. 이는 과잉 유동을 감소시키거나 제거하여, 바이패스 혼합의 감소 또는 제거를 일으킨다.
바이패스 혼합을 제거하는 다른 방법이 하나 이상의 실시예에서 사용될 수 있음을 알아야 한다. 일 실시예에서, 1차 냉수 펌프(116)가 냉수 플랜트의 바이패스(128) 내의 온도를 유지하도록 제어될 수 있다. 바이패스(128) 내의 온도가 바이패스 혼합의 결과이기 때문에, 바이패스 내에서 온도를 유지하는 것은 또한 바이패스 혼합을 제어한다. 이러한 방식으로, 바이패스 혼합 및 낮은 델타 T에 대한 그의 복합적인 효과는 크게 감소될 수 있고, 많은 경우에, 사실상 제거될 수 있다. 일 실시예에서, 유지되는 온도는 1차 및 2차 루프(104, 108)들 사이에 평형 또는 준평형이 있어서, 바이패스 혼합을 감소시키거나 제거하도록 될 수 있다.
예시하자면, 2차 루프(108) 내의 과잉 유동이 바이패스(128) 내의 냉수의 온도를 측정함으로써 결정될 수 있다. 바이패스 온도가 공조기(124)로부터의 복귀수 온도 부근이거나 그와 동일하면, 과잉의 2차 유동이 있고, 1차 냉수 펌프(116) 속도는 바이패스 내의 냉수 온도가 1차 루프(104) 내의 냉수의 온도로 또는 그 부근으로 강하할 때까지 증가될 수 있다. 바이패스 온도가 1차 루프(104)로부터의 공급 냉수 부근이거나 그와 동일하면, 과잉의 1차 유동이 있다. 1차 냉수 펌프(116) 속도는 바이패스 온도가 공조기(124) 및 1차 루프(104)로부터의 복귀 냉수 온도 사이의 중간점으로 강하할 때까지 감소될 수 있다. 이러한 "불감대(dead band)" 내의 바이패스 온도는 1차 펌프 속도에 대해 재설정 효과를 갖지 않는다. 하나 이상의 실시예에서, 1차 냉수 펌프(116) 속도는 1차 냉수 펌프의 델타 T 설정점 아래로 감소하지 않을 수 있다.
다른 실시예에서, 작동 전략은 1차 루프(104) 내의 냉수의 유량을 2차 루프(108) 내의 냉수의 유량에 대해 부합시킴으로써 과잉 유동을 감소시키거나 제거하도록 1차 냉수 펌프(116)를 제어할 수 있다. 하나 이상의 센서가 1차 냉수 펌프(116)가 유량과 부합하도록 허용하기 위해 2차 루프(108)의 유량을 결정하도록 사용될 수 있다.
임계 구역 재설정이 이제 작동 전략에 따른 냉수 펌프의 작동에 관하여 설명될 것이다. 기술된 바와 같이, 임계 구역 재설정은 냉수 펌프가 작동되는 델타 T 라인을 변화시킬 수 있다. 대체로, 임계 구역 재설정은 하나 이상의 센서를 통해 결정될 수 있는 너무 많거나 너무 적은 냉각 출력이 있을 때 발생할 수 있다. 임계 구역 재설정이 상이한 시간에 그리고/또는 상이한 센서 정보에 기초하여 상이한 냉수 펌프에 대해 발생할 수 있다.
예를 들어 도 1을 참조하면, 2차 냉수 펌프(120)에 대한 임계 구역 재설정은 냉각 요구를 만족시키기에 불충분한 공조기(124)로의 냉수 유동이 있다고 결정되면 트리거링될 수 있다. 이러한 결정은 (전형적으로 하나 이상의 센서에 의해 수집되는) 다양한 정보에 기초하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 공조기(124)로부터의 냉각 공기가 원하는 것보다 더 따뜻할 때, 임계 구역 재설정이 발생할 수 있다.
일 실시예에서, 공조기(124) 내의 하나 이상의 냉수 밸브의 위치가 불충분한 냉수 유동이 있음을 표시하고, 임계 구역 재설정을 트리거링할 수 있다. 예를 들어, 85% 또는 다른 임계치를 넘은 냉수 밸브의 개방은 공조기(124)가 냉수가 "고갈"되었음을 표시하고, 임계 구역 재설정을 트리거링할 수 있다. 일 실시예에서, 임계 구역 재설정은 델타 T를 공조기(124)를 가로질러 유지되도록 증분식으로 낮춰서, 공조기를 통한 냉수 유량의 증가를 일으킬 수 있다. 공조기(124)는 이제 냉각 요구를 만족시킬 수 있다. 그렇지 않으면, 공조기의 냉수 밸브는 임계치를 넘어 개방 유지되고, 추가의 임계 구역 재설정이 냉각 요구가 만족될 수 있을 때까지 트리거링될 수 있다. 냉각이 만족되면, 냉수 밸브는 폐쇄되고, 이는 추가의 임계 구역 재설정을 방지한다.
도 13은 예시적인 공조기 유닛에 대한 임계 구역 재설정을 도시하는 도표이다. 이러한 실시예에서, 임계 구역 재설정은 공조기 유닛의 냉수 밸브의 위치에 의해 트리거링된다. 알 수 있는 바와 같이, 냉수 밸브가 100% 개방을 향해 조절될 때, 델타 T는 공조기 유닛에 추가의 냉수 유동을 제공하도록 더 낮은 값으로 재설정된다. 작동 시에, 2차 또는 3차 냉수 펌프와 같은, 공조기 유닛에 냉수를 공급하는 냉수 펌프가 추가의 냉수 유동을 제공하도록 사용될 수 있다. 도 13은 또한 임계 구역 재설정이 냉수 밸브의 위치가 개방으로부터 폐쇄로 이동할 때 델타 T를 증가시키도록 사용될 수 있음을 도시함을 알아야 한다.
임계 구역 재설정은 또한 1차 냉수 펌프(116)에 대해 트리거링될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 임계 구역 재설정은 냉수 플랜트 내에서 바이패스 혼합이 거의 또는 전혀 없도록 보장하기 위해 1차 냉수 펌프(116)에 대해 트리거링될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 과잉 유동은 존재한다면, 바이패스 내의 수온을 감지함으로써 검출±될 수 있다. 바이패스 내의 수온의 증가 또는 감소가 임계 구역 재설정을 트리거링할 수 있다. 예를 들어, 바이패스 내의 수온이 증가함에 따라, 1차 루프 내에서의 펌핑이 1차 및 2차 루프들 사이에서 평형을 유지하도록 증가될 수 있다. 일 실시예에서, 1차 냉수 펌프(116)에 대한 VFD는 평형 또는 준평형이 생성될 때까지 분당 ± 1Hz만큼 조정될 수 있다. 작동 시에, 작동 전략은 전형적으로 0과 무시할 수 있는 유동 사이에서 진동하는 과잉 유동을 생성하여, 바이패스 혼합의 상당한 감소 또는 제거를 일으킬 것이다. 임계 구역 재설정은 고도로 가변적이며 동적일 수 있는 바이패스 내의 유동을 균형 잡기 위해 몇몇 실시예에서 연속적으로 발생할 수 있음을 알아야 한다.
예를 들어, 일 실시예에서, 바이패스 내의 온도는 생성 펌프 VFD 주파수 조정을 통해서와 같이, 48°의 설정점으로 측정되고 제어될 수 있다. 이러한 설정점 온도는 시스템에 의해 어느 정도 가변적일 수 있고, 시운전 시에 결정된다. 바이패스 내의 온도가 상기 설정점 위로 증가함에 따라, 생성 냉수 유동에 비교하여 과잉의 분배수 유동의 표시가 공지된다. 요구형 유동 생성 펌프 알고리즘이 그 다음 임계 구역 재설정을 통해, 디커플러 내의 온도가 '설정점 - 2° 불감대' 아래로 강하하는 시간까지 분당 1Hz만큼 VFD 주파수를 증가시키도록 재설정될 수 있다. 이러한 파라미터는 또한 시스템에 의해 가변적이고, 시스템 시운전 시에 결정되어야 한다. '설정점 + 불감대' 아래의 바이패스 온도는 과잉의 생성 물 유동이 얻어졌고, 생성 펌핑 제어 알고리즘이 그 다음 단위 시간당 동일한 주파수에 의해 역전되지만 원래의 델타 T 설정점보다 높지 않음을 표시한다. 이러한 제어 전략은 2차 또는 분패 루프 내에서 동적 부하 조건을 만족시키기 위한 생성 펌핑을 허용한다. 이는 모든 완공시 분리형 펌핑 시스템 내에서 저 델타 신드롬을 그의 최저 달성 가능한 수준으로 감소시킨다. 최소 VFD 주파수는 제조사 최소 유동 요건과 부합하도록 시운전 중에 설정될 수 있음을 알아야 한다.
임계 구역 재설정을 포함한 작동 전략은 분리형 냉수 플랜트의 다양한 구성에 적용될 수 있다. 도 14는 1차 루프(104), 2차 루프(108), 및 3차 루프(1404)를 갖는 예시적인 냉수 플랜트를 도시한다. 공지된 바와 같이, 2차 루프(108)는 냉수를 3차 루프(1404)로 운반하는 분배 라인일 수 있다. 복수의 3차 루프(1404)가 몇몇 냉수 플랜트 내에 제공될 수 있음을 알아야 한다. 대체로, 3차 루프(1404)는 적어도 하나의 3차 냉수 펌프 및 하나 이상의 건물 또는 다른 구조물에 냉방을 제공하는 하나 이상의 공조기(124)를 갖는다.
작동 시에, 3차 냉수 펌프(1408)는 공조기(124)를 가로질러 델타 T를 유지하도록 작동될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 이러한 델타 T는 바람직하게는 공조기(124)에 대한 설계 델타 T에 또는 그 부근에 있다. 2차 냉수 펌프(120)는 3차 펌프(204)를 가로질러 델타 T를 유지하도록 작동될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 델타 T는 3차 루프(204)에 대한 설계 델타 T에 또는 그 부근에 있다. 1차 냉수 펌프(116)는 칠러(112)를 가로질러 델타 T를 유지하도록 작동될 수 있다. 이러한 델타 T는 바람직하게는 칠러에 대한 설계 델타 T에 또는 그 부근에 있다.
하나 이상의 3차 루프(1404)를 갖는 냉수 플랜트에서, 임계 구역 재설정은 또한 다양한 기준에 기초하여 트리거링될 수 있다. 예시하자면, 3차 냉수 펌프(1408)에 대한 임계 구역 재설정이 공조기(124) 내의 냉수 밸브의 위치에 기초하여 트리거링될 수 있다. 2차 냉수 펌프(120)에 대한 임계 구역 재설정이 펌프의 속도, 펌프의 VFD 출력 등에 의해 표시되는 바와 같은, 3차 냉수 펌프(1408)의 유량에 기초하여 트리거링될 수 있다. 3차 냉수 펌프(1404)에서의 높은 유량이 3차 루프(1404)(들) 또는 3차 펌프(1408)가 냉수가 "고갈"됨을 표시할 수 있다. 따라서, 임계 구역 재설정은 하나 이상의 2차 냉수 펌프(120)에서 유량을 증가시킴으로써 2차 루프(208)로부터 3차 루프(1404)로의 추가의 냉수 유동을 제공하도록 트리거링될 수 있다.
예시하자면, 일 실시예에서, 임의의 3차 냉수 펌프(1404) VFD 주파수가 55Hz에 도달할 때, 제2 루프(208) 펌프 델타 T 설정점은 3차 펌프 VFD 주파수가 55Hz 또는 다른 주파수 임계치보다 더 높게 상승하는 것을 방지하기 위해 임계 구역 재설정을 통해 선형으로 재설정될 수 있다. 설정점, 주파수 임계치, 또는 이들 모두는 냉수 플랜트에서 요구형 유동의 시운전 또는 설치 중에 결정될 수 있다.
도 15는 3차 냉수 펌프에 대한 임계 구역 재설정을 도시하는 도표이다. 이러한 실시예에서, 임계 구역 재설정은 3차 물 펌프의 VFD의 작동 주파수(Hz)에 의해 트리거링된다. 알 수 있는 바와 같이, 델타 T는 3차 펌프 VFD (또는 3차 펌프 속도 또는 유량의 다른 표지자)가 증가함에 따라 더 낮은 값으로 재설정될 수 있다. 기술된 바와 같이, 델타 T 값을 낮추는 것은 3차 펌프로의 증가된 냉수 유동을 일으켜서, 냉각 요구가 만족되게 한다. 임계 구역 재설정이 발생하는 주파수 및 그의 관련 델타 T 값이 냉수 플랜트에서 요구형 유동의 준비 또는 시운전 중에 결정될 수 있다. 델타 T는 또한 3차 펌프의 주파수 또는 속도가 감소함에 따라 증가될 수 있음을 알아야 한다.
1차 냉수 펌프(116)에 대한 임계 구역 재설정은 평형 또는 준평형을 유지하기 위해 위에서 설명된 바와 같이 발생하여, 1차 및 2차 루프(104, 108)들 사이에서 바이패스 혼합을 크게 감소시키거나 제거할 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 임계 구역 재설정은 냉수 플랜트 하위 시스템의 최고 임계 구역에 대해 트리거링될 수 있음을 알아야 한다. 임계 구역은 이러한 의미에서, 일정 영역 또는 공정에서 원하는 조건을 제공하기 위해 유지되어야 하는 파라미터로서 간주될 수 있다. 그러한 파라미터는 공조기 공급 공기 온도, 공간 온도/습도, 바이패스 온도, 냉수 밸브 위치, 펌프 속도, 또는 VFD 주파수를 포함할 수 있다. 예시하자면, 캠퍼스 설계 시의 건물 펌핑 시스템과 같은 3차 냉수 펌핑은 건물 내의 최고 임계 구역에 기초하여 그의 델타 T 라인으로부터 재설정될 수 있다. 분배 펌프는 시스템 내의 최고 임계 3차 펌프 VFD Hz에 기초하여 그의 델타 T 라인으로부터 재설정될 수 있다.
B. 응축수 펌프 작동
대체로, 응축수 펌프는 칠러 내에서의 냉매의 응축을 허용하기 위한 응축수의 유동을 제공한다. 이러한 응축은 냉매 증기가 액체 형태로 복귀하여 냉동 사이클을 계속하도록 허용하므로, 냉동 사이클의 중요한 부분이다. 하나 이상의 실시예에서, 작동 전략의 적용은 응축수 펌프를 델타 T 라인에 따라 작동되게 하여, 실질적인 에너지 절감을 생성한다.
도 16은 쉘(1608) 내에 복수의 응축기 튜브(1604)를 포함하는 예시적인 응축기(512)를 도시한다. 냉매 증기는 냉매 증기가 응축기 튜브(1604)와 접촉하도록 쉘(1608) 내에 유지될 수 있다. 작동 시에, 응축수는 응축기 튜브(1604)를 통해 유동하여, 응축기 튜브(1604)가 냉매 증기보다 더 낮은 온도를 갖게 한다. 결과적으로, 냉매 증기는 증기로부터의 열이 응축기 튜브를 통해 응축수로 전달되므로 응축기 튜브(1604) 상에서 응축한다.
하나 이상의 실시예에서, 작동 전략은 응축기 튜브(1604)를 통한 응축수의 유량을 제어함으로써 냉매 및 응축수의 온도에 영향을 준다. 응축수의 유량을 낮추는 것은 물이 더 긴 기간 동안 응축기 튜브(1604) 내에 유지되게 한다. 따라서, 증가된 양의 열이 냉매 증기로부터 흡수되어, 응축수가 더 높은 온도 및 엔탈피에서 응축기를 진출하게 한다. 다른 한편으로, 응축수의 유량을 증가시키는 것은 응축수가 응축기 튜브(1604) 내에 있는 시간을 감소시킨다. 따라서, 더 적은 열이 흡수되고, 응축수가 더 낮은 온도 및 엔탈피에서 응축기를 진출한다.
기술된 바와 같이, 칠러 내의 낮은 델타 T에 기인하는 하나의 문제점은 스택킹이다. 작동 전략은 낮은 응축수 진입 온도에서의 응축수의 낮은 델타 T에 기인하는 스택킹의 문제점을 해결한다. 하나 이상의 실시예에서, 이는 델타 T 라인에 따라 응축수의 유량을 제어함으로써 달성된다. 이러한 방식으로, 칠러의 최소 리프트 요건이 유지될 수 있으며, 스택킹의 문제점은 제거되지 않더라도 실질적으로 감소될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 리프트 요건은 응축기에서의 응축수 진출 온도의 제어를 통해 포화 응축기 냉매 온도를 제어함으로써 유지될 수 있다. 작동 전략은 위에서 설명된 바와 같이, 응축수 온도의 유량을 제어함으로써 응축수 진출 온도를 제어할 수 있다. 포화 응축기 냉매 압력이 포화 응축기 냉매 온도에서 증가 또는 감소하기 때문에, 칠러 내의 델타 P 또는 리프트가 응축수 유동을 제어함으로써 유지될 수 있다.
작동 시에, 작동 전략은 응축기를 가로질러 델타 T를 유지하기 위해, VFD를 통해서와 같이, 하나 이상의 응축수 펌프를 제어할 수 있다. 결과적으로, 응축기에서의 응축수 진출 온도 및 칠러 내의 리프트가 또한 유지된다.
또한, 스택킹을 해결하기 위해, 요구형 유동의 작동 전략은 또한 델타 T 라인에 따라 응축수 펌프(516)를 작동시킴으로써 칠러(112)의 질량 유동, 리프트 또는 이들 모두에 유익하게 영향을 주도록 구성될 수 있다. 대체로, 질량 유동은 주어진 부하에 대한 칠러 내에서 순환되는 냉매의 양을 지칭하고, 리프트는 냉매가 가로질러 전달되어야 하는 압력/온도 차이를 지칭한다. 질량 유동 및 리프트의 양은 칠러의 압축기(520)의 에너지 사용을 표시한다. 따라서, 작동 전략에 따른 응축수 펌프(516)의 작동은 압축기 에너지 사용을 감소시킴으로써 효율 이득을 제공한다.
칠러의 압축기(520)가 증발기(508)로부터의 저압, 저온의 기체를 고압, 고온 상태에서 응축기(512)로 전달하는 냉매 증기 펌프로서 간주될 수 있다. 이러한 과정에서 사용되는 에너지는 방정식, E = MF·L/K에 의해 표현될 수 있고, 여기서 E는 사용되는 에너지이고, MF는 질량 유동이고, L은 리프트이고, K는 냉매 상수이다. 이러한 방정식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 질량 유동 또는 리프트를 낮추는 것은 에너지 사용을 감소시킨다.
주어진 양의 일 또는 출력(톤수)에 대해 요구되는 냉동 효과(RE)를 생성하기 위해 칠러(112)를 통해 순환되어야 하는 질량 유동 (또는 냉매의 중량)은 공식, MF = 톤수·K/RE에 의해 설명될 수 있고, 여기서 K는 일정 상수이다. 간단히 말하면, 이러한 공식은 냉동 효과를 증가시키는 것이 주어진 양의 일에 대해 칠러를 통해 순환될 필요가 있는 냉매의 양 또는 질량 유동을 낮추는 것을 말한다. 냉동 효과를 증가시키는 것은 또한 주어진 양의 일에 대해 압축기 에너지를 감소시키면서 칠러의 송출 가능한 용량을 증가시킨다.
냉동 효과는 다양한 방식으로 증가될 수 있다. 냉동 효과를 증가시키기 위한 한 가지 방법은 응축기 내에서 냉매를 과냉각하는 것이다. 과냉각은 응축기에서 응축수 진입 온도를 낮춤으로써 달성될 수 있다. 공지된 바와 같이, 응축수 진입 온도는 냉각 타워 설계 및 주변 조건의 함수이다. 더 낮은 응축수 진입 온도는 냉매가 응축기를 진출할 때, 응축기가 더 낮은 냉매 온도를 생성하도록 허용한다. 응축기에 의해 허용 가능한 가장 차가운 계절적으로 이용 가능한 응축수 진입 온도에서 작동하는 것은 그의 제조사의 사양 내에서 작동하면서 최대 과냉각을 제공한다.
냉매를 과냉각하는 것은 그의 온도를 포화 아래로 감소시키고, 팽창 사이클 또는 스로틀링 과정 중에 발생하는 "플래싱(flashing)"의 양을 감소시킨다. 플래싱은 과냉각된 응축기로부터의 냉매를 포화 증발기 온도로 냉각시키도록 사용되는 냉매의 양을 설명하기 위해 사용되는 용어이다. 유용한 냉동 효과가 이러한 "플래싱된" 냉매에 의해 획득되지 않고, 이는 냉동 효과에 대한 오프셋으로 간주된다. 그러므로, 과냉각이 많을수록, 사이클당 유용한 냉동 효과가 더 높다.
도 17은 요구형 유동이 적용된 냉수 플랜트에서의 과냉각의 이점을 도시하는 도표이다. 대체로, 도표는 요구형 유동 압축기 에너지 변이를 정량화한다. 도표에서, 설계 CoPr이 공지된 칠러 성능 데이터로부터 계산된다. 작동 CoPr은 현재의 칠러 작동 RE 및 HC에 기초한 설계 CoPr로부터의 조정치이다.
알 수 있는 바와 같이, 도표의 첫 번째 열은 설계 효율이 0.7 KW/Ton이며 CoPr이 8.33인 것을 도시한다. 두 번째 열은 요구형 유동 구현 이전의 칠러 작동 상태의 사진이다. 세 번째 열은 요구형 유동 이후의 대체로 동일한 주변/부하 조건에서의 동일한 칠러이다. 네 번째 열은 칠러가 가장 양호한 작동 조건에서 달성할 수 있는 효율이다. RE를 개선함으로써 이러한 칠러에서 달성되는 공칭 톤수 및 효율의 변화를 알아야 한다. 톤수가 30% 증가되고, 효율이 50% 이상 개선된다.
도 6a와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 냉동 사이클은 압력-엔탈피 그래프에 의해 도시될 수 있다. 이제 도 6b를 참조하면, 과냉각의 유익한 효과는 또한 압력-엔탈피 그래프를 통해 도시될 수 있다. 도 6b가 도시하는 바와 같이, 응축기 내에서 냉매를 과냉각하는 것은 냉매의 엔탈피를 지점(616)으로부터 지점(628)으로 감소시킨다. 과냉각된 냉매는 그 다음 지점(624)에서 증발기로 진입할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 이는 냉동 효과를 지점(604)으로부터 지점(624)으로 연장시킨다.
압축기 에너지에 대한 다른 기여 인자는 증발기와 응축기 사이의 압력차 또는 델타 P - 이를 가로질러 압축기가 냉매를 전달해야 함 - 이다. 위에서 기술된 바와 같이, 이러한 델타 P는 일반적으로 업계에서 리프트로 공지되어 있고, 일반적으로 증발기 및 응축기 내의 포화 냉매의 온도차의 항목으로 표현된다. 압축기 에너지에 대한 리프트의 효과는 에너지 방정식, E = MF·L/K에서 알 수 있고, 여기서 L은 리프트이다. 예를 들어, 방정식에 따르면, 리프트의 증가는 에너지 사용의 증가를 일으키고, 리프트의 감소는 에너지 사용을 감소시킨다.
실제로, 증발기 포화 압력은 상대 상수로 간주될 수 있다. 이러한 압력은 증발기의 진출 냉수 온도에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 설정점 도는 도표가 증발기 내의 포화 냉매 압력을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 진출 냉수 온도와 포화 냉매 온도 사이의 차이는 증발기 접근 온도로서 공지되어 있다.
하나 이상의 실시예에서, 요구형 유동 작동 전략에 따른 리프트의 감소는 응축기 내에서 냉매 압력을 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 이는 포화 응축기 냉매 압력이 응축수 진출 온도 및 포화 냉매 온도에 대한 설계된 접근에 의해 설정될 수 있기 때문에, 응축기에서 응축수 진출 온도를 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 설계된 접근 온도는 칠러의 품질에 의존하여 변할 수 있다. 예를 들어, 저렴한 칠러가 4° 이상의 접근을 가질 수 있고, 더 양호한 품질의 칠러가 1° 이하의 접근을 가질 수 있다.
일정 체적 펌핑 시스템에서, 응축수 진출 온도는 대체로 응축기에서의 응축수 진입 온도에 선형적으로 관련된다. 그러므로, 응축수 진입 온도를 감소시키는 것은 응축수 진출 온도를 감소시킨다. 도 19는 일정 체적 펌핑에서의 예시적인 응축기의 응축수 진출 및 진입 온도의 선형 관계를 도시하는 도표이다.
위에서 기술된 바와 같이, 감소된 응축수 진출 온도는 응축기 내의 냉매 온도를 감소시켜서, 냉매를 과냉각하여 냉동 효과를 연장시킨다. 응축기 내의 냉매 압력의 감소는 또한 리프트를 감소시킨다. 따라서, 응축수 진입 온도를 감소시키는 것은 냉동 효과를 증가시키고 리프트를 감소시키는 이중 이점을 갖는다.
응축수 진입 온도를 어는점 바로 위까지 감소시키는 것은, 이론적으로, 질량 유동 및 리프트에 대한 최적의 실질적인 효과를 갖는다. 불행히도, 칠러는 (칠러 제조사, 제품, 및 모델에 의해 대체로 변하는) 최소 리프트 요건을 갖는다. 포화 냉매 응축 압력이 응축기 내에서 스로틀링 또는 팽창 과정을 통해 냉매를 구동하기에 충분한 압력차 (즉, 냉매의 델타 P)를 제공하기 위해 이러한 최소 지점에 또는 그 위에 유지되어야 한다. 이러한 압력 요건이 만족되지 않으면, 냉매는 스택킹을 야기하고, 칠러를 칠러의 다양한 안전 장치로부터 정지되게 할 것이다.
일정 유동 시스템과 달리, 작동 전략은 응축수의 유량을 조정함으로써, 응축수 진입 온도에 관계없이, 리프트를 제어할 수 있다. 이는 그가 더 낮은 응축수 진입 온도의 사용을 허용하기 때문에 매우 유리하다. 더 낮은 응축수 진입 온도를 허용함으로써, 스택킹이 없이, 작동 전략은 과냉각 (및 냉동 효과)와 리프트를 증가시킴으로써 압축기 에너지를 현저하게 감소시킨다. 실제로, 작동 전략 과냉각은 에너지 절감을 최대화하기 위해 최대 허용 가능한 한도까지 증가될 수 있다. 응축수 진입 온도에 관계없이 그리고 응축수 펌핑 알고리즘을 거쳐, 리프트를 제어하는 요구형 유동의 방법은 업계에서 고유하다.
추가로, 전통적인 응축수 펌핑 시스템이 일정 체적에서 작동하기 때문에, 냉각 타워는 부분 부하 조건에서도, 항상 최고 유동 상태에 있다. 일정 유동 제어 계획에서, 냉각 타워 상의 부하가 감소함에 따라, 타워에서의 작동 범위 또는 델타 T가 감소하고, 이는 타워의 효율을 감소시킨다. 대조적으로, 작동 전략에서, 냉각 타워에서의 델타 T는 앞서 설명된 응축수 펌핑 알고리즘을 거쳐 타워의 설계 델타 T에서 또는 그 부근에서 유지된다. 이는 효율이 증가되었기 때문에, 더 낮은 타워 섬프 온도가 동일한 양의 냉각 타워 팬 에너지에 대해 달성 가능한 점에서 중요하다. 더 낮은 타워 섬프 온도는 응축기에서의 더 낮은 응축수 진입 온도에 대응한다. 응축기 및 냉각 타워가 업계 표준으로서, 전형적으로 10°인 공통 델타 T 설계점에서 선택되는 것을 아는 것이 중요하다.
작동 전략에서, 최소 냉각 타워 팬 에너지가 앞서 설명된 바와 같이 응축수 펌프를 일정 델타 T 알고리즘으로 제어함으로써 주어진 섬프 온도 설정점에 대해 유지된다. 응축수 펌핑을 거쳐, 타워 부하에 관계없이 냉각 타워 효율을 제어하는 이러한 방법은 업계에서 고유하다. 칠러, 응축수 펌핑 및 냉각 타워 하위 시스템 사이에서, 이들을 순 시스템 에너지를 감소시키는 요구형 유동 전략 하에서 작동시킴으로써, 발현되는 시너지가 있다.
여기서, 작동 전략이 냉동 효과를 증가시키는 다른 방법은 증발기 내의 냉매의 과열을 증가시키는 것임을 알아야 한다. 증가된 냉매 과열의 한 가지 이점은 사이클당 냉매 질량 유동 요건을 감소시키는 것이다. 이는 압축기에 의한 에너지 사용을 감소시킨다. 도 6c에서 알 수 있는 바와 같이, 증발기 내에서 발생되는 냉매 과열은 냉동 효과를 지점(608)으로부터 더 높은 엔탈피를 갖는 지점(620)으로 연장시킨다.
작동 전략에서, 냉매 과열은 냉수 펌프(들)을 설계 델타 T 조건에 기초한 일정 델타 T 알고리즘으로 제어함으로써 칠러의 부하 범위를 가로질러 일정하게 유지된다. 냉수 펌핑 알고리즘을 거쳐 증발기 부하에 관계없이 칠러 과열을 설계 조건을 제어하는 이러한 방법은 업계에서 고유하다.
전통적으로 작동되는 냉수 플랜트에서, 낮은 델타 T를 갖는 증발기에서의 냉수는 칠러의 증발기 내에서 냉매 과열을 현저하게 감소시키고, 때때로 제거한다. 증발기 내에서의 냉매 과열의 감소 또는 제거는 냉동 효과를 감소시킨다. 예를 들어, 도 6c에서, 냉매 과열의 감소는 냉동 효과가 지점(620)으로부터 지점(608)으로 축소되게 할 수 있다.
낮은 냉수 델타 T 때문에 고도로 포화되지 않은 냉매는 불충분하게 과열되고, 냉매가 불충분하게 증발되기 때문에 압축기에 대한 손상을 야기할 수 있다. 사실, 제조사들은 흔히 과열되지 않고 적절하게 증발되지 않은 냉매의 큰 액적을, 압축기로 진입하기 전에, 파괴하기 위해 증발기 섹션의 상부에 제거 스크린을 추가한다. 이러한 액적이 압축기에 도달하면, 이들은 과도한 압축기 소음을 야기하고 압축기를 손상시킨다. 따라서, 요구형 유동은 냉매가 압축기에 도달하기 전에 냉매를 적절하게 증발시키기 위해 냉매 과열을 유지하거나 증가시킴으로써 그러한 액적의 형성을 방지하는 추가의 이점을 제공한다.
하나 이상의 실시예에서, 작동 전략은 델타 T 라인에 따라 냉수 펌프를 제어함으로써 냉매 과열을 유지한다. 이러한 방식으로, 냉매 과열은 증발기 부하에 관계없이, 설계 조건에서 또는 그 부근에서 유지될 수 있다. 낮은 델타 T에서 작동하는 전통적인 칠러에 비교할 때, 냉매 과열은 작동 전략 하에서 전형적으로 훨씬 더 크다.
예시하자면, 도 1을 참조하면, 1차 루프(104)의 1차 냉수 펌프(116)는 위에서 설명된 바와 같이 델타 T 라인에 따라 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 델타 T는 칠러(112)에서 유지될 수 있다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 이는 하나 이상의 냉수 도관(532)에 의해 1차 루프에 연결되는 칠러의 증발기(508)에서 냉수의 델타 T를 유지한다. 증발기(508)에서 냉수 델타 T를 유지한 결과로서, 냉매 과열은 증발기 내에서 설계 조건에서 또는 그 부근에서 유지될 수 있다.
알 수 있는 바와 같이, 작동 전략에 따라 델타 T를 유지한 결과로서 냉각수 및 응축수 펌핑 하위 시스템들 사이에서 시너지가 발현된다. 예를 들어, 응축수 진입 온도, 응축수 진출 온도, 및 응축기 펌프 유량을 제어하는 것은 칠러 에너지, 응축기 펌프 에너지, 및 냉각 타워 효율에 대해 상승 효과를 제공한다. 최적 응축기 펌프, 칠러, 및 냉각 타워 팬 에너지 조합이 작동 전략의 시운전 또는 준비 중에 발견될 수 있음이 이해될 것이다.
Ⅳ. 요구형 유동 에너지 이용
상기로부터 보여지는 바와 같이, 냉수 플랜트 제어 시스템/계획은 냉수 플랜트의 용량 및 에너지 이용에 긍정적 또는 부정적으로 영향을 줄 수 있다. 대체로, 전통적인 제어 계획은 델타 P에 거의 전적으로 초점을 맞춰서, 주어진 부하에 대해 인위적인 용량 감소 및 과잉 에너지 사용을 일으킨다. 요구형 유동은 부하에 관계없이, 에너지 이용을 감소시키고 냉수 플랜트 용량을 최대화한다.
다음은 냉수 펌프, 응축수 펌프, 압축기, 냉각 타워 팬, 및 공기 측 팬을 포함한, 냉수 플랜트 하위 시스템에서 요구형 유동에 의해 제공되는 에너지 사용의 감소를 설명한다.
A. 냉수 펌프
가변 유동 냉수 장치 배후의 기본적인 전제는 친화 법칙에 의해 가장 잘 이해된다. 친화 법칙은 시스템 부하(톤수)와 유동(GPM)이 선형이고, 시스템 유동과 압력 강하(TDH)가 제곱 함수이고, 시스템 유동과 에너지가 3제곱 함수라고 기술한다. 그러므로, 시스템 부하가 감소됨에 따라, 냉수 유동의 양은 비례하여 감소되지만, 에너지는 지수적으로 감소된다.
본 설명에서 앞서 발견된 바와 같이, 전통적인 델타 P 기반 냉수 펌핑 알고리즘은 유동을 감소시킬 수 있지만 저 델타 T 신드롬 시스템을 회피하기에 충분하지는 않다. 건물 부하가 설계 조건으로부터 강하함에 따라, 시스템 부하(톤수)와 유동(GPM) 사이의 관계는 방정식, 톤수 = GPM·ΔT/K에 의해 설명된다. 델타 T 값을 요구형 유동 작동 전략에 의해 설계 파라미터에서 또는 그 부근에서 유지하는 것은 유동(GPM)을 원래의 시스템 장비 선택 기준 및 사양 근방에서 최적화하여, 일 및 펌핑 에너지를 최적화한다. 또한, 요구형 유동에 의해 제공되는 최적 유량은 친화 법칙을 통해 보여지는 바와 같이 에너지 이용을 지수적으로 감소시킨다.
앞서 설명된 바와 같이, 시스템의 설계 델타 T로 제어하기 위해 냉수 펌프를 사용하는 것은 과열에 의한 칠러 에너지 및 냉수 펌프 에너지를 최적화하는 이중 효과를 갖는다. 또한, 아래에서 설명될 바와 같이, 요구형 유동 작동 전략의 직접적인 결과로서 공기 측 용량이 또한 증가되고 팬 에너지가 감소될 것이다.
B. 응축수 펌프
친화 법칙은 응축기 측 에너지에도 적용된다. 건물 부하가 설계 조건으로부터 강하함에 따라, 시스템 부하(톤수)와 응축수 유동(GPM) 사이의 관계도 친화 법칙에 의해 설명되는 바와 같다. 요구형 유동 제어 알고리즘을 거쳐 델타 T를 설계 파라미터에서 또는 그 부근에서 유지하는 것은 원래의 시스템 장비 선택 기준 근방에서 유동(GPM)을 최적화하여, 일 및 펌핑 에너지를 최적화한다. 냉수 펌프와 유사하게, 응축수 펌프 (및 다른 펌프)가 지수적으로 감소시키는 에너지 이용은 감소되는 유량을 갖는다.
본 설명에서 앞서 발견된 바와 같이, 전통적인 일정 체적 기반 응축수 펌핑 전략은 응축기를 가로지른 매우 낮은 작동 델타 T를 생성하여, 냉매를 과냉각함으로써 압축기 에너지를 감소시키는 능력을 최소화한다. 응축수 펌프에 대해 작동 전략을 이용하는 것은 매우 낮은 응축수 진입 온도에서도, 펌프 에너지 및 냉각 타워 효율을 최적화하고, 칠러 내에서 최소 리프트 요건을 관리하는 삼중 효과를 갖는다. 본 설명에서 이후에 추가로 증명될 바와 같이, 이러한 요구형 유동 제어 전략의 직접적인 결과로서, 냉각 타워 효율이 또한 증가되고 팬 에너지가 감소될 것이다.
요구형 유동 응축수 펌프 에너지 이용의 변이가 냉수 펌핑 에너지와 동일한 방식으로 결정될 수 있다. 응축수 펌프가 칠러의 공칭 톤수에 비해 작은 (예컨대, 낮은 마력) 특이한 경우에, 응축수 시스템을 요구형 유동 하에서 높은 부하 조건에서 설계 델타 T에서 또는 그 부근에서 작동시키는 것은 몇몇 경우에, 냉수 플랜트가 낮은 응축수 델타 T에서 작동하는 것보다 약간 더 높은 에너지를 사용하게 할 수 있다. 그러나, 요구형 유동 하에서 이러한 방식으로 작동하는 것은 매우 낮은 응축수 진입 온도에서 작동할 때에도 응축기에서 적절한 리프트를 유지한다. 이는 높은 부하 조건에서 설계 델타 T에서 또는 그 부근에서의 작동에 기인하는 임의의 증가를 전형적으로 더 많이 보상하는 과냉각을 최대화한다. 최적 작동 델타 T는 전형적으로 현장 시험을 통해 시운전 또는 준비 과정 중에 결정될 것이다.
C. 압축기
요구형 유동 작동 전략의 적용에 의해 도출되는 압축기 에너지의 감소는 냉매 성능 계수(COPR)의 관련된 변이를 계산함으로써 가장 잘 정량화된다. COPR은 압축 사이클에서 소모되는 에너지의 양에 비교하여 증발기 내에서 흡수되는 에너지의 양에 기초한 냉동 사이클의 효율의 측정이다. COPR을 결정하는 2개의 인자는 냉동 효과 및 압축열이다. 압축열은 압축 사이클 중에 행해지는 일과 등가인 열 에너지이다. 압축열은 압축기로 진입하는 냉매와 진출하는 냉매 사이의 엔탈피의 차이로서 정량화된다. 이러한 관계는 COPR = RE/HC로서 기술될 수 있고, 여기서 RE는 냉동 효과이고, HC는 압축열이다. 최적의 COPR을 위해, 냉매 과열은 가능한 한 높아야 하고, 냉매 과냉각은 가능한 한 낮아야 한다.
최적의 COPR을 달성하기 위해 냉수 펌핑, 응축수 펌핑, 및 냉각 타워 팬 하위 시스템을 사용하는 것은 업계에서 고유하고, 요구형 유동 기술에 대해 기본이 된다.
요구형 유동 하에서의 압축기 에너지 변이가 이제 추가로 설명될 것이다. 설계 COPR은 공지된 칠러 성능 데이터로부터 계산되고, 작동 COPR은 현재의 냉동 효과 및 압축열에 기초한 설계 COPR로부터의 조정치이다. 예를 들어, 도 19의 도표는 실제 요구형 유동 레트로피트 이전 및 이후의 캐리어(캐리어 코포레이션(Carrier Corporation)의 상표명) 칠러로부터의 설계 및 측정 냉매 특성을 포함한다. 이러한 스프레드시트의 첫 번째 열은 설계 효율이 0.7 KW/Ton이고 설계 COPR이 8.33임을 보여준다. 두 번째 열은 요구형 유동 구현 이전의 냉수 시스템의 측정된 작동 파라미터이다. 세 번째 열은 요구형 유동이 적용된 냉수 시스템의 측정된 작동 파라미터이다. 네 번째 열은 칠러가 가장 양호한 작동 조건에서 달성할 수 있는 효율이다. 공칭 톤수 및 효율의 변화는 냉동 효과를 개선함으로써 이러한 칠러 내에서 달성됨을 알아야 한다. 톤수는 30% 증가되고, 효율은 50% 이상 개선된다.
이러한 데이터는 이제 요구형 유동이 적용되기 전과 후의 냉동 사이클의 기본적인 변화를 그래프로 도시하기 위해 도 20의 압력-엔탈피 선도에 적용된다. 알 수 있는 바와 같이, 요구형 유동 이전 그래프(2004)와 이후 그래프(2008)를 비교함으로써, 요구형 유동 하에서 (스택킹이 없이) 증가된 냉동 효과 및 감소된 리프트가 있다. 또한, 알 수 있는 바와 같이, 요구형 유동의 적용은 과냉각(2012) 및 냉매 과열(2016)을 증가시켰다.
D. 냉각 타워 팬
요구형 유동 냉각 타워 팬 에너지는 현재의 주변 조건에서 달성 가능한 최저 섬프 온도로 작동하는 잘 유지되는 시스템 내의 부하에 대해 대체로 선형이다. 응축수 진입 온도 또는 냉각 타워 팬 설정점이 '설계 습구 온도 + 습구'에 대한 냉각 타워 섬프 온도 접근과 동일하게 설정될 수 있다. 냉각 타워 팬 에너지의 변이는 실제 응축수 진입 온도, 공칭 온라인 톤수, 측정된 톤수, 및 온라인 냉각 타워 팬 마력에 기초할 수 있다.
요구형 유동 작동 전략이 적용된 작업 시스템의 도표가 도 21에 도시되어 있다. 이러한 사례 연구에서, 냉각 타워 팬 설정점은 응축수 진입 온도가 강하함에 따라, 하위 시스템들 사이의 에너지 변이를 입증하기 위해 83°로부터 61°로 낮아졌다. 도표는 좌측으로부터 우측으로 판독된다.
E. 공기 측 팬
공기 측 팬 에너지 및 용량은 플랜트 내에서 저 델타 T 신드롬 및 바이패스 혼합에 의해 직접적으로 영향을 받는다. 예를 들어, 냉수 온도의 2° 상승은 설계 부하 조건에서 가변 공기 체적 공조기 유닛 팬 에너지를 30% 증가시킬 수 있다. 이러한 효율 손실은 기본 열 교환기 계산을 사용하여 직접 정량화될 수 있다. 공기 측 일 및 에너지가 송출 가능한 용량의 손실 및 증가된 에너지 소비에 의해 다른 시스템 열 교환기와 동일한 방식으로 저 델타 T 신드롬에 의해 영향을 받음을 알아야 한다.
열전달 방정식, Q = U·A·LMTD(여기서, Q는 전달되는 전체 열이고, U는 열 전달 재료의 총 열전달 계수이고, A는 열교환기의 표면적이고, LMTD는 대수 평균 온도차임)는 공조기 냉수 코일 내의 저 델타 T 신드롬의 효과를 관찰하는 한 가지 방법이다. 냉수 코일에서, LMTD는 진입/진출 공기 측과 진입/진출 물 측 사이의 관계를 설명한다. 냉수가 더 느리게 이동하는 요구형 유동 시스템(더 높은 델타 T)의 맥락에서, 전체 열전달 계수(U)가 감소되어, 덜 효율적인 코일 성능을 생성한다는 몇몇 설명이 있다. U가 감소되는 것이 사실일 수 있지만, 이는 더 높은 LMTD에서 반영되는, 요구형 유동 시스템 내의 더 차가운 냉수 공급의 효과에 의한 오프셋보다 더 크다. 실제로, 더 높은 LMTD는 다음의 예에서 보여지는 바와 같이 U의 임의의 이론적인 감소를 더 많이 오프셋시킨다.
더 구체적으로, LMTD 분석은 칠러 설정점을 낮추거나 플랜트 바이패스 내에서의 혼합을 제거함으로써 코일로의 CHWS를 감소시키는 것이 코일 성능을 극적으로 개선할 수 있음을 보여준다. 도 22의 도표는 요구형 유동에서의 잠재적인 공기 측 코일 용량 변이를 상세 설명하는 LMTD 분석을 제공한다. 도 22의 예시적인 데이터에서, 25% 용량 증가가 달성된다.
도 23a는 저 델타 T 신드롬을 갖는 시스템 내에서의 냉수 유동과 델타 T 사이의 관계를 도시한다. 도 23b는 감소하는 냉수 공급 온도 및 일정한 냉수 복귀 온도 및 부하에서의 관련된 GPM을 갖는 요구형 유동 시스템 코일을 도시한다. 도 23c는 감소하는 냉수 공급 온도를 갖는 설계 냉수 유동에서의 잠재적으로 증가되는 코일 용량을 도시한다. 이러한 예는 주어진 시스템 내에서 특정 문제점을 극복하기 위한 요구형 유동 작동 전략의 유연성을 도시한다.
총 공기 측 냉각 부하는 방정식, Qt = 4.5·CFM·(h1-h2)에 의해 계산되고, 여기서, 진입 공기 엔탈피는 h1이고 진출 공기 엔탈피는 h2이다. 예를 들어, 이러한 공식 및 다음의 가정에 기초하여, 요구형 유동이 적용된 후의 팬 에너지 이용이 계산/정량화될 수 있다.
Figure 112012014256577-pct00004
월별 평균 공조기 유닛(AHU) 부하(Qt)는 이전의 분석으로부터 공지된다.
Figure 112012014256577-pct00005
AHU CFM은 부하에 대해 선형이다.
Figure 112012014256577-pct00006
AHU 진입 공기 엔탈피(h1)는 설계 정보 또는 직접 측정으로부터 공지된다.
상기에 기초하여, 월병 평균 AHU CFM은 방정식, CFMavg = CFMdesign·(Qtavg/Qtmax)에 의해 결정될 수 있고, 여기서 Qtavg는 월별 평균 AHU Qt이고, Qtmax는 최대 AHU Qt이다. 월별 평균 진출 공기 엔탈피는 방정식, h2avg = h1 + (Qtavg/4.5)·CFMavg에 의해 결정될 수 있고, 여기서 Qtavg는 월별 평균 AHU Qt이고, CFMavg는 월별 평균 AHU CFM이다. 4.5 값은 공기 밀도에 기초하여 장소 위치에 대해 조정될 수 있는 상수임을 알아야 한다.
도 24의 예시적인 데이터는 이러한 계산의 결과와, 315,000 CFM에서 1000 톤의 최대 연결 부하를 갖는 시스템에 대한 가정을 도시한다. 최소 공기 측 CFM은 35%이고, 최소 AHU SAT는 기술한 바와 같다. 알 수 있는 바와 같이, 요구형 유동은 많은 장점을 제공한다.
V. 요구형 유동에 대해 고유한 구체적인 장점
상기로부터 알 수 있는 바와 같이, 요구형 유동은 HVA/C 산업에서 고유한 작동 전략을 제공한다. 또한, 요구형 유동 및 그의 작동 전략은 구체적으로 다음을 제공하는 최초의 것이다:
1. 증발기 냉매 과열, 또는 증발기를 진출하는 냉매 엔탈피를 최적화하여, 압축기 에너지 사용의 질량 유동 성분에 유익하게 영향을 주기 위해, 냉수 생성 펌핑 하위 시스템 내에서 외부 제어 작동을 이용하는 것. VFD를 통해서와 같이, 냉수 펌프를 요구형 유동 냉수 펌핑 작동을 사용하여 제조사 설계 증발기 델타 T(예컨대, 설계 델타 T)로 또는 그 부근으로 제어하는 것은 임의의 주어진 시간에 칠러 상의 부하 퍼센트에 관계없이 냉매 과열을 칠러 제조사 설계 조건으로 제어한다. 이는 설계 미만의 델타 T (즉, 저 델타 T)에서 작동하는 칠러에 비교할 때 증발기를 진출하는 냉매 엔탈피를 최적화하고 칠러 압축기 에너지를 감소시킨다.
요구형 유동은 또한 냉수 플랜트 부하 조건에 관계없이 설계 델타 T를 달성하기 위해 냉수 분배 펌핑 하위 시스템 내에서 외부 제어 작동을 사용하여, 냉수 하위 시스템 내에서 저 델타 T 신드롬을 제거한다.
2. 응축기 냉매 과냉각, 또는 응축기를 진출하고 (증발기로 진입하는) 냉매 엔탈피를 최적화하기 위해 응축수 펌핑 및 냉각 타워 팬 하위 시스템에서 외부 제어 작동을 이용하는 것. 이러한 방식으로, 위에서 설명된 바와 같은, 압축기 에너지 방정식의 질량 유동 성분은 유익하게 영향을 받는다. 응축수 펌핑 및 냉각 타워 팬 하위 시스템에서의 요구형 유동 제어 작동은 대체로 칠러 내의 증발기와 응축기 사이의 최종 작동 포화 압력/온도 차이 (즉, 리프트)를 결정한다. 이는 위에서 설명된, 압축기 에너지 방정식의 질량 유동 및 리프트 성분에 유익하게 영향을 준다.
기술된 바와 같이, 증발기 포화 압력은 냉수 진입 및 진출 조건이 일정하게 유지되기 때문에, 상대적으로 일정한 것으로 간주될 수 있다. 그러나, 응축기 진입 수온, 및 일정 체적 응축수 펌프를 사용할 때의 압력은 주변 및 부하 조건에 따라 변한다. 그러므로, 응축기 포화 압력 조건은 칠러 제조사에 의해 요구되는 최소 압력 차이로 제어하기 위해, 응축수 진출 온도에 의해 조작될 수 있다. 요구형 유동 일정 델타 T 가변 유동 작동은 항상 증발기와 응축기 사이의 최소 제조사 압력차 (즉, 리프트)를 유지하기 위해, VFD를 통해서와 같이, 응축수 펌프를 제어한다.
요구형 유동은 또한 모든 부분 부하 조건에서 냉각 타워를 통한 응축수 유동을 감소시키는 이러한 방식으로 칠러 부하에 응축수 유동을 부합시킨다. 기술된 바와 같이, 부분 부하 조건은 대부분의 냉수 플랜트 내에서 약 90%의 시간에 존재한다. 응축수 유동이 감소됨에 따라, 습구에 대한 냉각 타워 섬프 온도 접근도 감소된다. 이는 냉각 타워의 원래의 설계 접근 온도의 약 절반에 대해 거의 선형인 관계이다. 이는 동일한 냉각 타워 팬 에너지에서 임의의 주어진 부분 부하에서 더 낮은 냉각 타워 섬프 온도를 산출한다. 결국, 더 낮은 냉각 타워 섬프 온도는 응축기에서 냉매에 과냉각을 제공하는 응축기에서의 더 낮은 응축수 진입 온도를 생성한다.
또한, 요구형 유동은 칠러 부하 조건에 관계없이 응축기에 대한 설계 델타 T 또는 그 부근을 달성하기 위해 응축수 펌핑 하위 시스템에서 외부 제어 작동을 사용하여, 응축수 하위 시스템에서 저 델타 T 신드롬을 제거한다.
3. 분리형 냉수 플랜트에서와 같이, 루프들 사이에서 유동을 균형 잡아서, 저 델타 T 신드롬에 기여하는 과잉 유동 및 바이패스 혼합을 최소화 또는 제거하기 위해, 생성 및 분배 루프 사이에서 외부 협력 제어 작동을 이용하는 것. 이는 임의의 주어진 냉수 유량에서 최대의 송출 가능한 공기 측 용량을 생성한다. 이는 또한 1차 또는 생성 루프 펌핑이 분배 펌핑 시스템의 가변 부하 조건을 만족시키도록 허용한다. 요구형 유동 하에서, 저 델타 신드롬은 사실상 제거되지 않더라도, 그의 최저 달성 가능한 수준으로 감소된다.
4. 델타 T 라인에 따라 냉수 펌핑을 제어하면서 냉각 요구의 증가를 만족시키기 위해 임계 구역 재설정을 이용하는 것. 임계 구역 재설정은 또한 델타 T 라인을 재설정함으로써 냉각 출력을 감소시키도록 사용될 수 있다.
5. 냉수 밸브 바이패스 및 결과적인 과냉각을 최소화하여, 시스템 부하를 감소시키기 위해, 최소 부분 부하 펌핑 압력에서 냉수 플랜트 및 그의 구성요소를 작동시키는 것.
6. 냉수 펌핑, 응축수 펌핑, 압축기 작동, 냉각 타워 작동, 및 공기 측 작동을 동기화함으로써 냉수 플랜트 에너지 이용의 시너지적인 감소는 물론 송출 가능한 용량의 증가를 생성하는 것.
본 발명의 다양한 실시예가 설명되었지만, 본 발명의 범주 내에 있는 더 많은 실시예 및 구현예가 가능함이 본 기술 분야의 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 본 명세서에서 설명되는 다양한 특징, 요소, 및 실시예는 임의의 조합 또는 배열로 청구되고 조합될 수 있다.

Claims (20)

  1. 냉수 플랜트의 하나 이상의 펌프를 작동시키기 위한 방법이며,
    제1 펌프에 의해 칠러를 통해 제1 유량으로 물을 펌핑하는 단계;
    칠러를 가로질러 제1 델타 T를 유지하기 위해 제1 유량을 조정하는 단계로서, 제1 델타 T는 냉수 플랜트 부하 조건에 관계없이 칠러의 증발기에서 냉매 과열을 제공하는 칠러 진출 온도 및 칠러 진입 온도를 포함하는, 제1 유량 조정 단계;
    제2 펌프에 의해 공조기 유닛을 통해 제2 유량으로 물을 펌핑하는 단계;
    공조기 유닛을 가로질러 제2 델타 T를 유지하기 위해 제2 유량을 조정하는 단계로서, 제2 델타 T는 냉수 플랜트 부하 조건에 관계없이 공조기 유닛에서 원하는 냉각 출력을 제공하는 공조기 유닛 진출 온도 및 공조기 유닛 진입 온도를 포함하는, 제2 유량 조정 단계를 포함하고,
    제1 델타 T와 제2 델타 T는 제1 유량과 제2 유량을 균형 잡고 냉수 플랜트의 바이패스에서 바이패스 혼합을 감소시키는 수치들을 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1 델타 T와 제2 델타 T는 동일한, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 공조기 유닛의 물 밸브가 특정 임계치를 넘어 개방될 때 제2 델타 T를 재설정함으로써 제2 유량을 증가시키는 단계를 추가로 포함하고, 제2 유량을 증가시키는 것은 공조기에서 냉각 출력을 증가시키는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    제3 펌프에 의해 제3 유량으로 냉수 플랜트의 분배 루프를 통해 제2 펌프로 물을 펌핑하는 단계;
    제3 델타 T를 유지하기 위해 제3 유량을 조정하는 단계;
    제2 펌프에 의해 제공되는 제2 유량이 특정 임계치를 넘을 때 제3 델타 T를 재설정함으로써 제3 유량을 증가시키는 단계를 추가로 포함하고,
    제3 유량을 증가시키는 것은 공조기에서 냉각 용량을 증가시키는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    제4 펌프에 의해 칠러의 응축기를 통해 제4 유량으로 응축수를 펌핑하는 단계; 및
    응축기에서 제4 델타 T를 유지하기 위해 제4 유량을 조정하는 단계를 추가로 포함하고,
    제4 델타 T는 냉매 하위 냉각을 제공하고 냉수 플랜트 부하 조건에 관계없이 냉매 스택킹을 방지하는 응축수 진출 온도 및 응축수 진입 온도를 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 트리거링 이벤트에 기초하여 제1 델타 T를 조정하기 위해 임계 구역 재설정을 수행하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 트리거링 이벤트는 바이패스 내의 물의 온도 증가 또는 감소를 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 트리거링 이벤트에 기초하여 제2 델타 T를 조정하기 위해 임계 구역 재설정을 수행하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 트리거링 이벤트는 바이패스 내의 물의 온도 증가 또는 감소를 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 냉수 플랜트에서 하나 이상의 센서에 의해 제공되는 센서 정보에 대응하여 제2 델타 T를 조정하기 위해 임계 구역 재설정을 수행하는 단계를 추가로 포함하며,
    상기 센서 정보는 추가적인 냉각 용량이 공조기에서 요구되는 것을 표시하는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 제1 델타 T와 제2 델타 T 각각은 칠러를 위한 설계 델타 T와 공조기를 위한 설계 델타 T 각각에 있거나 그 부근에 있는, 방법.
  12. 냉수 플랜트의 하나 이상의 펌프를 작동하기 위한 방법이며,
    제1 펌프로 칠러를 위한 소정의 제1 델타 T를 확인하는 단계로서, 상기 소정의 제1 델타 T는 냉수 플랜트 부하 조건에 관계없이 칠러의 증발기에서 냉매 과열을 제공하는 칠러 진출 온도 및 칠러 진입 온도를 포함하는, 소정의 제1 델타 확인 단계;
    상기 소정의 제1 델타 T에 기초하여 칠러를 통해 제1 유량으로 물을 펌핑하는 단계;
    제2 펌프로 공조기를 위한 소정의 제2 델타 T를 확인하는 단계로서, 상기 소정의 제2 델타 T는 냉수 플랜트 부하 조건에 관계없이 공조기 유닛에서 원하는 냉각 출력을 제공하는 공조기 유닛 진출 온도 및 공조기 유닛 진입 온도를 포함하는, 소정의 제2 델타 확인 단계;
    상기 소정의 제2 델타 T를 기초하여 공조기를 통해 제2 유량으로 물을 펌핑하는 단계;
    칠러를 가로질러 소정의 제1 델타 T를 유지하도록 제1 유량을 제어하는 단계; 및
    공조기를 가로질러 소정의 제2 델타 T를 유지하도록 제2 유량을 제어하는 단계를 포함하고,
    소정의 제1 델타 T와 소정의 제2 델타 T는 제1 유량과 제2 유량을 균형 잡고 냉수 플랜트의 바이패스에서 바이패스 혼합을 감소시키는 수치들을 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 트리거링 이벤트에 기초하여 소정의 제1 델타 T 또는 소정의 제2 델타 T를 조정하기 위해 임계 구역 재설정을 수행하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 트리거링 이벤트는 바이패스 내의 물의 온도 증가 또는 감소를 포함하는, 방법.
  15. 제13항에 있어서, 냉수 플랜트에서 하나 이상의 센서에 의해 제공되는 센서 정보에 대응하여 소정의 제2 델타 T를 조정하기 위해 임계 구역 재설정을 수행하는 단계를 추가로 포함하며,
    상기 센서 정보는 추가적인 냉각 용량이 공조기에서 요구되는 것을 표시하는, 방법.
  16. 제12항에 있어서, 소정의 제1 델타 T는 칠러를 위한 설계 델타 T에 또는 그 부근에 있고, 소정의 제2 델타 T는 공조기를 위한 설계 델타 T에 또는 그 부근에 있는, 방법.
  17. 제12항에 있어서, 소정의 제1 델타 T는 소정의 제2 델타 T와 동일한, 방법.
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