مقایسه‌ی سیستم مبرد حجم متغییر با دیگ-فن‌کویل از نظر هزینه‌های جاری در شرایط اقتصادی و محیطی ایران

استفاده از تجهیزات جدید برای کاهش مصرف انرژی و بهبود بازدهی در بخش‌های پر‌مصرف همواره یکی از دغدغه‌های مصرف‌کنندگان و تولیدکنندگان بوده است. در زمینه‌ی تجهیزات تهویه مطبوع و ساختمانی که سهم 40 درصد از مصرف کل انرژی دارند نیز تجهیزات جدیدی از جمله سیستم مبرد حجم متغییر پیشنهاد شده‌اند که بازدهی مناسبی نشان داده‌اند...

چکیده

استفاده از تجهیزات جدید برای کاهش مصرف انرژی و بهبود بازدهی در بخش‌های پر‌مصرف همواره یکی از دغدغه‌های مصرف‌کنندگان و تولیدکنندگان بوده است. در زمینه‌ی تجهیزات تهویه مطبوع و ساختمانی که سهم 40 درصد از مصرف کل انرژی دارند نیز تجهیزات جدیدی از جمله سیستم مبرد حجم متغییر پیشنهاد شده‌اند که بازدهی مناسبی نشان داده‌اند. بازدهی بالای سیستم مبرد حجم متغییر و توجیه اقتصادی آن در خیلی از تحقیقات اثبات شده است اما با توجه به وابستگی بازدهی سیستم‌های مبرد حجم متغییر به شرایط محیطی و تفاوت هزینه‌های مربوط به حامل‌های انرژی، برای فهمیدن وضعیت اقتصادی استفاده از سیستم مبرد حجم متغییر نسبت به رقبای سنتی‌تر خود لازم است که این موضوع برای شرایط اختصاصی ایران بررسی شود. در این تحقیق توجیح اقتصادی سیستم مبرد حجم متغییر برای گرمایش فضاها با توجه به هزینه‌های گاز و برق در ایران بررسی و با سیستم دیگ-فن‌کویل مقایسه شده است. نتایج نشان می‌دهند که هزینه‌های جاری سیستم مبرد حجم متغییر به‌ شدت به شرایط محیطی مورد استفاده وابسته می‌باشد ولی برای تهران استفاده از سیستم مبرد حجم متغییر برای گرمایش می‌تواند به کاهش 28% هزینه‌های جاری منجر شود. 

 واژه های کلیدی: سیستم مبرد حجم متغییر، تهویه مطبوع، دیگ آب‌گرم، گرمایش
 مقدمه

مشکلات زیست‌محیطی، و رشد روز افزون مصرف انرژی در دنیا باعث افزایش نگرانی­ ها و توجه بیش از پیش به این موضوعات شده است به‌طوری که تحقیقات زیادی در زمینه‌ی کاهش مصرف انرژی و یا جایگزین نمودن انرژی‌های تجدیدپذیر و پاک شده است. با توجه به هزینه‌های بالای انرژی‌های تجدیدپذیر و نداشتن توجیه اقتصادی، استفاده از تجهیزات با بازدهی بالا مخصوصا در بخش‌های با سهم بالای مصرف انرژی به‌عنوان یک راه‌کار عملی، موثر و زود بازده مطرح می‌باشد. یکی از بخش‌هایی که سهم قابل توجهی از مصرف انرژی در کل دنیا را دارد بخش تهویه مطبوع در ساختمان‌ها می‌باشد. همان‌طور که در شکل 1 دیده می‌شود مصرف انرژی در سال 2004 در ساختمان‌ها حدود 42% از مصرف کل انرژی در دنیا را شامل شده است.

                                      

                                           شکل 1: مصرف کلی انرژی دنیا در سال 1973 و 2004 به تفکیک [1]

در کنار این آمار اختصاص سهم 40% مصرف کل انرژی و 36% انتشار کل کربن دی‌اکسید به ساختمان‌ها و صنایع وابسته در اروپا در اواخر دهه‌ی گذشته بیان‌گر رشد کاملا محسوس انرژی در این بخش می‌باشد[2]. اهمیت موضوع و سهم بالای انرژی مصرفی در بخش ساختمان‌ها در سال‌های اخیر منجر به وقف توجه بیش‌تر به این زمینه و در‌نتیجه معرفی محصولات جدید با مصرف انرژی کم‌تر شده است. یکی از تجهیزات جدیدی که در این بخش ارائه شده سیستم مبرد حجم متغیر[1] می‌باشد که اولین بار در دهه 1980 در ژاپن معرفی شده است[3]. سیستم‌های مبرد حجم متغییر در آسیا و اروپا محبوبیت خوبی داشته و با پشتیبانی کمپانی‌های معتبر در آمریکا نیز به یک سیستم موثر برای استفاده‌ در ساختمان با نواحی چندگانه تبدیل شده است[4]. بازار سیستم‌های مبرد حجم متغییر‌ در ژاپن که محل تولد این سیستم‌ با محبوبیت خوبی روبه‌رو است به‌طوری که تقریبا در 50% ساختمان‌ها با اندازه‌ی متوسط (تا 6.500 متر مربع) و 33% ساختمان‌های بلند مرتبه (بزرگ‌تر از 6.500 متر مربع) استفاده می‌شود[4].

سیستم‌های مبرد حجم متغییر‌ با قابلیت‌هایی‌ که ارائه می‌دهند به سرعت در‌حال رشد و فراگیر شدن می‌باشند، روند رشد فروش سيستم‌های مختلف تهويه مطبوع در دنیا از 2013 تا 2018 که در شکل‌2 ارائه شده است به‌خوبی وضعیت فروش سیستم مبرد حجم متغییر‌ در دنیا و رشد محبوبیت آن را نشان می‌دهد[5].

سیستم‌های مبرد حجم متغییر  از مولتی  اسپلیت‌هایی[2] با قابلیت پشتیبانی از 4 یونیت داخلی در هر مجموعه یونیت خارجی شروع شده و با پیشرفت به ترتیب در اواخر دهه 1980 و 1990 به قابلیت اتصال 8 و 16 یونیت داخلی به هر مجموعه یونیت خارجی ارتقاع پیدا کرده است به‌طوری که امروزه در این سیستم‌ها در هر مجموعه یونیت خارجی قابلیت افزودن تا 64 یونیت داخلی وجود دارد[4, 6].

                             

                     شكل2: ميانگين نرخ رشد فروش سالانه سيستم‌هاي تهويه مطبوع در دنیا از سال 2013 تا 2018 [5]

سیستم مبرد حجم متغییر در رده‌ی محصولات تبرید تراکمی است اما به‌دلیل حذف تلفات موجود در سیستم‌های تبرید تراکمی مرسوم توانسته به‌عنوان یک محصول کم‌مصرف و پربازده با محبوبیت رو به ‌رشدی همراه شود. سیستم مبرد حجم متغییر با حذف واسط انتقال حرارت آب، قرار دادن وسیله‌ی نبساط در یونیت داخلی و در‌نتیجه حذف تلفات مسیر، استفاده از کمپرسورهای تمام اینورتر و … توانسته به بازدهی بالاتر از رقبای تبرید تراکمی خود برسد. در شکل 4 شماتیکی از سیکل کاری سیستم مبرد حجم متغییر‌ و نمونه‌هایی از یونیت‌های داخلی و خارجی به تفکیک اجزا ارائه شده است.

                               

                          شکل 3: شماتیک سیکل تبرید تراکمی با واحدهای معادل در سیستم مبرد حجم متغییر[6].

همان‌طور که در شکل هم دیده می‌شود یونیت داخلی شامل اواپراتور و شیر انبساط بوده و یونیت خارجی شامل کمپرسور و کندانسور است.

 مروری بر منابع

محققان تحقیقات زیادی در زمینه‌ی سیستم مبرد حجم متغییر  از لحاظ فنی و اقتصادی در شرایط مختلف انجام داده‌اند تا ضمن کمک به توسعه و بهبود این سیستم بتوانند مزایا و معایب آن را مشخص نمایند. اگرچه مهم­ترین عیب سیستم مبرد حجم متغییر  هزینه‌ی اولیه‌ی بالاتر در مقایسه با سیستم‌های تهویه مطبوع مرسوم است، اما با‌ توجه به پتانسیل بالای این سیستم در کاهش مصرف انرژی و ارائه مزایای بیش‌تر، می‌تواند توجیح اقتصادی داشته باشد. زمان بازگشت سرمایه تخمین زده شده برای سیستم مبرد حجم متغییر در مقایسه با سیستم چیلر آب خنک در یک ساختمان تجاری عمومی می‌تواند حدود 5/1 سال باشد[7]. بلات [4] هزینه‌ی خرید دستگاه‌های مبرد حجم متغییر را در مقایسه با سیستم‌های داکت اسپلیت و اسپلیت حدود 30 تا 50% بالاتر دانست اما اظهار داشت که در خیلی از پروژه‌های بازسازی که با محدویت‌های ناشی از بازسازی روبه‌رو هستند، استفاده از سیستم مبرد حجم متغییر‌ می‌تواند به هزینه‌ی اولیه پایین‌تری نیز منجر شود. بلات [4] تمام پروژه‌هایی که در آن‌ها نیاز به ایجاد آسایش سلیقه‌ای برای افراد وجود دارد مانند دفاتر کاری، هتل‌ها، متل‌ها، بیمارستان‌ها، بانک‌ها و مدرسه‌ها را به‌عنوان ‌پروژه‌های بالقوه برای سیستم مبرد حجم متغییر نامید.

 پارک [8] در تحقیقی به بررسی عملکرد و جنبه‌های اقتصادی سیستم مبرد حجم متغییر از نظر دوره‌ی کاری مفید، نسبت به سیستم‌های مرسوم دیگر در تهویه مطبوع‌ را بررسی نموده است. پارک در این کار ساختمان‌هایی با کاربری‌های مختلف در 11 ناحیه آب و هوایی را به کمک نرم افزار انرژی پلاس[3]‌ بررسی کرده است. دانگسو و همکاران او[9] با شبیه‌سازی به کمک نرم‌افزار انرژی پلاس، صرفه‌جویی 15-42% را در سیستم‌های مبرد حجم متغییر‌ نسبت به سیستم روف‌تاپ پکیج به‌دست آوردند. مقادیر بالای این صرفه‌جویی برای مناطق گرم و مقادیر پایین آن برای مناطق سرد است. کاساندرا و ارسل [10] به بررسی بازدهی انرژی در ساختمان‌های اداری با اندازه متوسط در شرایط آب و هوایی کانادا پرداخته و پتانسیل بهبودی حدود 29% برای سیستم مبرد حجم متغییر را بدست آوردند.

روث [11] هزینه‌ی نصب سیستم‌های مبرد حجم متغییر را در آمریکا بررسی نموده و به این نتیجه رسیده است که هزینه‌ی نصب سیستم‌های مبرد حجم متغییر در آمریکا، 2 تا 5% بالاتر از سیستم‌های چیلری دانسته و البته ذکر کرده که به‌دلیل عدم وجود تجربه کافی در زمینه‌ی این سیستم‌ها این هزینه‌ها در آمریکا بالا است. اوزاهی [12] سیستم مبرد حجم متغییر را با سیستم‌های مرسوم در زمینه‌ی تهویه مطبوع از نظر گرمایش و سرمایش، هزینه‌ی اولیه، عملکرد و هزینه‌های تعمیراتی مقایسه کرده و به این نتیجه رسیده که سیستم مبرد حجم متغییر بسیار مقرون به صرفه‌تر بوده و می‌تواند به کاهش مصرف انرژی44 درصدی برسد.

با توجه به اهمیت موضوع و جدید بودن سیستم‌های مبرد حجم متغییر تحقیقات زیادی دیگری در زمینه‌ی سیستم‌های مبرد حجم متغییر انجام شده است که عموما نتایجی مشابه داشته و توجیح اقتصادی مبرد حجم متغییر را اثبات کرده‌اند[13-16]. با توجه به یارانه‌های که به حامل‌های انرژی در ایران تعلق می‌گیرد توجیح اقتصادی این سیستم می‌تواند کمی متفاوت باشد. رضایی و همکاران [17] در تحقیقی به بررسی توجیح اقتصادی سیستم مبرد حجم متغییر در مقایسه با سیستم چیلر فن‌کویل در شرایط آب و هوایی تهران و در فصل تابستان پرداختند. آن‌ها از یک نمونه مطالعاتی ده واحدی و تعرفه‌های انرژی ایران برای محاسبات خود استفاده کرده و به این نتیجه رسیدند که سیستم مبرد حجم متغییر  نسبت به رقبای خود می‌تواند بین 28% تا 52% مصرف انرژی را کاهش دهد. با توجه به تفاوت تعرفه‌های مربوط به حامل‌های انرژی در ایران و شرایط آب و هوایی متفاوت‌ و نیاز به دانستن توجیح اقتصادی سیستم مبرد حجم متغییر برای مشاوران و فعالان صنعت تاسیسات مفید باشد. در این کار سیستم مبرد حجم متغییر در حالت گرمایش با سیستم مرسوم دیگ- فن‌کویل که از گاز به‌عنوان انرژی استفاده می‌نماید، مقایسه شده است.

نتایچ

این مطالعه به‌صورت مقایسه‌ای بین مبرد حجم متغییر‌ و سیستم دیگ-فن‌کویل و بر روی يك ساختمان مسكوني (10 واحدي) با زيربناي مفيد 2500 مترمربع واقع در شمال تهران و با تعرفه‌های انرژی مربوط به سال 1396 انجام شده است.

ميزان بار گرمايشي در اوج بار براي اين پروژه 250،000  کیلوکالری بر ساعت (معادل 293 کیلووات) در‌نظر گرفته شده است. ميزان تلفات گرمايشی در لوله‌ها، پمپ‌ها، مشعل و عناصر ديگر مسير 10% و راندمان بهترین دیگ‌های فولادی موجود در بازار 93% در‌نظر گرفته شده و محاسبات بر‌اساس این شرایط انجام می‌شود. راندمان دیگ به‌صورت “گرمای حاصله” تقسیم بر‌”حداکثر گرمای در دسترس” تعریف می‌گردد. لذا برای انرژی ورودی کل خواهيم داشت:

تذکر: برای محاسبه‌ی ظرفیت مشعل درصدی را برای تصحیح افزایش ارتفاع نسبت به سطح دریا در‌نظر می‌گیرند. البته باید دقت داشت که این تصحیح را تنها به‌خاطر کاهش چگالی هوا در‌نظر گرفته و تفاوت محسوسی در سوخت مصرفی ندارد، لذا در محاسبه ظرفیت مشعل از آن صرف‌نظر شده است.
هزينه‌ی گاز مصرفي در ماه

نسبت ظرفيت حرارتی مشعل به ارزش حرارتی سوخت معادل ميزان گاز مصرفی مي‌باشد. لذا با توجه به ظرفيت حرارتی مشعل 298,686 کیلوکالری بر ساعت و ارزش حرارتی 8,600 کیلوکالری بر مترمکعب سوخت خواهيم داشت:

لذا مصرف گاز دیگ برابر 35 مترمكعب بر ساعت بوده و مصرف گاز ماهانه دیگ برابر است با:

در اين محاسبات ميزان كاركرد دیگ‌ 12 ساعت با بار كامل و يا 24 ساعت با بار متوسط 50% در‌نظر گرفته شده است كه تقريبا با نتايج عملي كاركرد دیگ‌ها در طول فصل سرما مطابقت دارد. با توجه به تعرفه‌های پلکانی اداره گاز و تعداد واحدهای مربوط به نمونه مطالعاتی داریم:

بنابراین هزینه‌ی گاز مصرفی دیگ در ماه برابر 2,720,500 ریال می‌شود.

توضيح: در محاسبات فوق هزينه برق مصرفی پمپ‌هاي آب‌گرم و فن دیگ ناچيز فرض شده است.

هزينه‌های سیستم مبرد حجم متغییر در حالت گرمایش

جهت تامين گرمايش فضای مذكور در ساختمان 2 دستگاه يونيت خارجی مدل SDCI48 به ظرفیت گرمایشی 302 کیلووات معادل 260,000 کیلوکالری بر ساعت در‌نظر گرفته شده است. مصرف مجموع این دو دستگاه در حالت گرمايش برابر 4/38 كيلووات مي‌باشد، بنابراين:

با در‌نظر گرفتن‌ 12 ساعت كاركرد دستگاه به صورت 4 ساعت كم‌بار، 4 ساعت ميان‌بار و 4 ساعت اوج بار هزينه‌ی برق مصرفی دستگاه به شرح زير محاسبه می شود.

علاوه‌بر هزينه‌ی مصرف برق، مشتركين میبايست مبلغ ثابتی را بابت انشعاب برق (ديماند) هر ماه پرداخت كنند. هزينه قدرت مورد نياز در يك ماه:

باید توجه داشت كه سيستم مبرد حجم متغییر بر خلاف سيستم چيلر و سیستم ‌دیگ-فن‌کویل هم در زمستان و هم در تابستان از انرژي برق استفاده مي‌كند. با در‌نظر گرفتن 5  ماه گرمایش و 5  ماه سرمایش بایستی هزینه‌ی قدرت پرداختی در طول سال را بر تعداد ماه‌های استفاده تقسیم نمود تا هزینه واقعی پرداختی از سوی مشترک در هر ماه بابت بهای قدرت مورد نیاز به دست آید.

 

مجموع هزينه‌های برق سيستم مبرد حجم متغییر در زمستان:

بنابراین هزینه‌ی برق مصرفی سیستم مبرد حجم متغییر  در زمستان برابر 18,794,004 ریال در ماه است که نسبت به سیستم دیگ-فن‌کویل 31% کم‌تر است. البته باید توجه داشت که محاسبات بالا برای شرایط استاندارد تعیین ظرفیت سیستم‌های مبرد حجم متغییر و به ازای دمای خارجی میانگین 7 است. با توجه به این‌که ظرفیت و بازدهی سیستم مبرد حجم متغییر به‌شدت به دمای محیط بستگی دارد، تغییر دمای محیط می‌تواند باعث تغییر در این توجیح شود. برای سازگاری سیستم با شرایط دمایی متفاوت از تعریف ضریب عملکرد[4] استفاده می‌کنیم.

که در آن به ترتیب  و  دمای داخل و خارج هستند. برای دانستن نسبت هزینه‌ی جاری سیستم مبرد حجم متغییر‌ برای یک‌بار مشخص در دماهای خارجی متفاوت ضریب عملکرد آن حالت را با ضریب عملکرد سیستم که در حالت دمای خارجی  7 را مقایسه می‌کنیم تا نسبت تغییر هزینه جاری به‌صورت زیر بدست آید.

 

با دانستن هزینه‌ی جاری سیستم مبرد حجم متغییر در دمای 7 و رابطه بالا می‌توان هزینه جاری سیستم مبرد حجم متغییر را برای یک بار مشخص در دماهای محیطی مختلف به‌دست آورد. هزینه‌های جاری سیستم مبرد حجم متغییر ‌و هرینه جاری سیستم دیگ‌ فن‌کویل[5] را برای یک‌ بار گرمایی ثابت در دماهای محیطی در شکل 4 رسم شده است. با توجه به نمودار می‌بینیم که در دمای محیطی بالاتر از   1-  هزینه‌ی جاری سیستم مبرد حجم متغییر کم‌تر از دیگ‌ فن‌کویل می‌باشد ولی در دمای پایین‌تر هزینه‌ی جاری سیستم دیگ‌ فن‌کویل کم‌تر خواهد بود.

                                  

                                    شکل 4: نسبت هزینه جاری سیستم مبرد حجم متغییر به دیگ-فن‌کویل در دماهای مختلف
نتيجه‌گيری و جمع‌بندی

با توجه به سیکل کاری سیستم مبرد حجم متغییر که از نوع تبرید تراکمی است می‌توان فهمید که بازدهی آن بسیار به دمای محیط وابسته است بر خلاف سیستم دیگ-فن‌کویل که وابستگی زیادی به دمای محیط نداشته و هزینه‌ی جاری آن در این مقاله برای تمام شرایط دمایی یکسان فرض شده است. با توجه به این‌که دمای میانگین شهر تهران در فصل سرمایش حدود  6 است و با توجه به نتایج می‌بینیم که برای تهران هزینه‌های جاری سیستم مبرد حجم متغییر حدود 28% کم‌تر از هزینه‌های جاری سیستم دیگ-فن‌کویل است. بنابراین سیستم مبرد حجم متغییر  برای تهران قطعا از نظر اقتصادی توجیح خوبی داشته و علی رغم بالاتر بودن هزینه اولیه می‌تواند ضمن فرآهم کردن آسایش بیش‌تر هزینه‌های انرژی را نیز کاهش دهد. برای استفاده از این تحقیق برای شهرهای دیگر ایران کافی است دو عامل دمای میانگین شهر مورد نظر و هزینه‌های گاز و برق را که برای اقلیم‌های مختلف متفاوت است، را تاثیر داد.

مراجع و منابع
 
[1]. Barten, H., International Energy Agency. 2005.
[2]. Recast, E., Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings (recast). Official Journal of the European Union, 2010. 18(06): p. 2010.
[3]. Lin, X., et al., A review of recent development in variable refrigerant flow systems. Science and Technology for the Built Environment, 2015. 21(7): p. 917-933.
[4]. Blatt, M., Variable Refrigerant Flow: An Emerging Air Conditioner and Heat Pump Technology. 2008.
[5]. BSRIA, Global Air Conditioning Market Study cools in 2015. https://www.bsria.co.uk/, 2016.
[6]. General Catalogue for Bosch VRF, http://boschhvac.com.
[7]. Aynur, T.N., Variable refrigerant flow systems: A review. Energy and Buildings, 2010. 42(7): p. 1106-1112.
[8]. Park, J., Comparative analysis of theVRF system and conventional HVAC systems, focused on life-cycle cost, 2013, thesis in master of science course, Georgia Institute of Technology.
[9]. Kim, D., et al., Evaluation of energy savings potential of variable refrigerant flow (VRF) from variable air volume (VAV) in the US climate locations. Energy Reports, 2017. 3: p. 85-93.
[10]. Kani-Sanchez, C. and R. Richman, Incorporating variable refrigerant flow (VRF) heat pump systems in whole building energy simulation–Detailed case study using measured data. Journal of Building Engineering, 2017. 12: p. 314-324.
[11]. Roth, K.W., et al., Energy consumption characteristics of commercial building HVAC systems volume III: Energy savings potential. US Department of Energy, 2002.
[12]. Özahi, E., et al., A comparative thermodynamic and economic analysis and assessment of a conventional HVAC and a VRF system in a social and cultural center building. Energy and Buildings, 2017. 140: p. 196-209.
[13]. Shi, S., et al., Refrigerant charge fault diagnosis in the VRF  system using Bayesian artificial neural network combined with ReliefF filter. Applied Thermal Engineering, 2017. 112: p. 698-706.
[14]. Yildiz, A. and M.A. Ersöz, Determination of the economical optimum insulation thickness for VRF (variable refrigerant flow) systems. Energy, 2015. 89: p. 835-844.
[15]. Kwon, L., et al., Experimental investigation of multifunctional VRF  system in heating and shoulder seasons. Applied Thermal Engineering, 2014. 66(1): p. 355-364.
[16]. Hong, T., K. Sun, and R. Zhang, The New Variable Refrigerant Flow System Models in EnergyPlus: Development, Implementation and Validation, 2017.
  1. رضایی، حامد، ضیابشرحق، مسعود، عباسی، زهرا., معرفی سیستم تهویه مطبوع مبرد حجم متغییر و بررسی توجیه اقتصادی این سیستم در شرایط ایران, کنفرانس ملی تحقیقات بین رشته ای در مهندسی کامپیوتر، برق، مکانیک و مکاترونیک،1396.
[1] Variable Refrigerant Flow or VRF
[2] Multisplit
[3] EnergyPlus
[4] Coefficient of performance  or CoP
[5] هزینه جاری سیستم دیگ-فن‌کویل وابستگی زیادی به دمای محیط ندارد و تنها وابستگی آن به دمای اولیه سوخت و هوای احتراقی برمی‌گردد و به همین دلیل از وابستگی بازدهی سیستم دیگ-فن کویل به دمای محیط صرف نظر شده و هزینه جاری آن برای تمام شرایط دمایی ثابت فرض شده است.
Device rotate

لطفاً برای تجربه کاربری بهتر دستگاه خود را ۹۰ درجه بچرخانید.