مقایسه مصرف انرژی اسپلیت اینورتر و معمولی

چکیده

علاقمندی به سیستم های تهویه مطبوع کوچک (کولرگازی) در طول چند دهه اخیر به طور تصاعدی در سراسر جهان گسترش یافته است. کشورهایی با اقتصادهای پررونق از جمله عربستان سعودی از رشد بالای فروش سیستم های تهویه مطبوع خانگی گزارش می دهند. با گسترش (GDP) و گرم شدن آب و هوا علاقه مندی به سیستم های تهویه مطبوع خانگی افزایش یافته است. از این رو تامین نیاز گسترده برق مصرفی به یک چالش تبدیل خواهد گردید. به عنوان یک راه حل، استفاده از سیستم های تهویه مطبوع با راندمان بالا و انرژی مصرفی پائین به طور موثر بر کاهش مصرف برق تاثیرگذار است. در یک کولر گازی معمولی، کمپرسور دستگاه با سرعتی ثابت  کار می کند و همواره روشن یا خاموش می باشد درحالی که در یک کولر گازی اینورتر، کمپرسور دستگاه همیشه درحالت روشن قراردارد با این حال انرژی مصرفی آن بسته به تقاضای محیط داخلی برای سرمایش یا گرمایش متغییر است بدین معنی که سرعت کار کمپرسور به طور متناسب و براساس نیاز فضای داخلی تنظیم می شود. در این مقاله، مصرف انرژی دو کولرگازی غیر اینورترواینورتر با ظرفیت مشابه در یک فضای اداری کاملا مشابه، تحت شرایط عملیاتی، برای پیدا کردن میزان تفاوت در صرفه جویی مصرف انرژی، انتشار دی اکسید کربن (CO2) و مصرف برق مقایسه ارزیابی می گردد. مصرف انرژی برای حدود 108 روز،در بازه زمانی 25 تیر تا 9 آبان، به صورت شبانه روزی ودر طول هفت روز هفته ، اندازه گیری و مقایسه گردیده است. این آزمایش با شرایط عملیاتی کاملا مشابه و دستگاه کولر گازی با ظرفیت مشابه (/hrBTU18,000 ) انجام گردیده است. نتایج نشان می دهد که استفاده ازدستگاه اینورتر تا 44٪ مصرف برق را در مقایسه با دستگاه غیر اینورتر کاهش می دهد که به ترتیب معادل 3471 و 6230 کیلووات ساعت در طول سال می باشد. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل کلی اثر گرمایش (TEWI) نشان می دهد که اینورترها می توانند معادل 49٪ از انتشار گاز CO2 را کاهش دهند.

مقدمه

طبق آمارجهانی در حدود 40 درصد از انرژی برق در بخش ساختمان ها استفاده می شود. عواملی همچون افزایش جمعیت، بالارفتن میزان تقاضای مصرف انرژی ، قیمت برق و همچنین اثرات زیست محیطی حاصل از تولید برق، ایجاب می نماید روش های جدیدی برای کاهش مصرف انرژی در ساختمان ها بررسی و تدوین شود. از آنجا که بخش عمده ای از انرژی توسط سیستم های سرمایشی در ساختمان ها مصرف می شود، کاهش این بارهای مصرفی یک عامل اساسی صرفه جویی انرژی در ساختمان می باشد. از این رو، به عنوان دو عامل اساسی: تغییر رویکرد به سمت منابع انرژی تجدید پذیر از یک سو و بالابردن بهره وری  انرژی دستگاه ها از سمتی دیگر، عوامل کلیدی کاهش مصرف انرژی در ساختمان ها محسوب می شوند .از همین رو یکی از فناوری های کلیدی به عنوان یک راهکار، استفاده از سیستم تهویه مطبوع اینورتری  است. هدف از استفاده از سیستم های تهویه مطبوع اینورتر کاهش مصرف انرژی از طریق کنترل فرکانس مطابق  با بار سرمایش یا گرمایشی لحظه ای مورد نظر است .

   اگرچه، تهیه و نصب سیستم های تهویه مطبوع اینورترهزینه اولیه بیشتری را در مقایسه با سیستم های غیر اینورتر دارد. با این وجود،  این هزینه اضافی اولیه در یک زمان “کوتاه” با صرفه جویی در هزینه پرداختی قبض برق قابل برگشت می باشد.

برد  (board)اینورتر یک مدار کنترل کننده الکترونیکی است که یکپارچگی در عملکرد سیستم تهویه مطبوع را حفظ می کند. به این معنی که  در یک سیستم تهویه مطبوع اینورتری، ظرفیت کاری کمپرسور با توجه به تغییرات بار حرارتی لحظه ای تغییر می کند. هنگامی که فرکانس خروجی از برد اینورترکاهش می یابد، ظرفیت عملکرد کمپرسور با توجه به کاهش سرعت گردش شفت (محور) آن کم میگردد، در حالی که هنگامی که فرکانس خروجی از برد اینورتر بالا میرود به علت افزایش سرعت چرخش شفت کمپرسور و کار بیشتر کمپرسور میزان انرژی مصرفی آن نیز افزایش می یابد و ظرفیت سرمایشی یا گرمایشی بیشتری را تولید می کند. این در حالی است که در مقایسه، سیستم غیر اینورتر همواره در یک ظرفیت ثابت عمل می کند و سیستم توانائی ایجاد بارهای مختلف را ندارد، بلکه برای اوج مصرف بار طراحی شده است! در کولرگازی های غیر اینورتری ، کمپرسور از نوع روشن-خاموش است. هنگامی که روشن است، با ظرفیت کامل کار می کند و حداکثر برق را مصرف می کند. هنگامی که به دمای تنظیم شده توسط کاربرمی رسد، کمپرسور خاموش می شود و سرمایش (یاگرمایش) متوقف می شود. مجددا هنگامی که ترموستات محیطی احساس می کند که دمای اتاق افزایش یافته است، کمپرسور دوباره به طور خودکار در حالت حداکثر ظرفیت روشن می شود در این نوع کولرگازی، کمپرسور به طور متناوب روشن و خاموش می شود.

اساس عملکرد سیستم  اینورتر، قدرت خنک کنندگی متغیر و وابسته به دمای محیط است که با کنترل سرعت چرخش شفت (محور) کمپرسور براساس بارسرمایشی مورد نیاز لحظه ای آن محقق می گردد. مشخصا استفاده بالقوه از سیستم تهویه مطبوع اینورتری در ساختمان ها منجر به صرفه جویی در مصرف انرژی خواهد گردید.

هدف این مقاله بررسی مصرف انرژی بین دو کولرگازی اینورتر وغیر اینورتری با ظرفیت مشابه در آب و هوای گرم و شرجی عربستان در شهر جده در طول فصل تابستان و همچنین بررسی اثرات زیست محیطی آن است. خلاصه ی این بررسی نشان می دهد که سیستم کولرگازی اینورتر با حدود 50٪ صرفه جویی در انرژی دارای یک دوره بازپرداخت سرمایه 4.5 ساله است. همچنین مطاعات نشان داد با نصب سنسورهای حضور، دما و حسگر نور خورشید در کولرهای گازی اینورتری ، صرفه جویی انرژی می تواند تا مرز 65٪ کاهش یابد و دوره بازپرداخت سرمایه تا 3.42 سال برسد!

روش آزمون

نتایج این مقاله مرتبط با دو دفتر اداری کاملا مشابه در تعمیرگاه خودرو در سازمان استاندارد عربستان سعودی (SASO) در شهر جده، عربستان سعودی انجام شده است. دو اتاق برای این تجزیه و تحلیل وجود دارد و هر اتاق دارای ابعاد کاملا مشابه است و یک تعداد کارمند مشابه در آن مشغول به کار هستند. مساحت هر یک از دفاتر 14.7 متر مربع است و هر اتاق دارای سه کارمند است .

دفتر کار معمولی (شکل 1) نمای جلوی اتاق ها را نشان می دهد. کل دوره اندازه گیری معادل 108 روز پیوسته است که از 26تیرماه تا 10آبان (تبدیل به تاریخ شمسی شده)  به صورت پیوسته در طول هفت روز هفته و 24 ساعت شبانه روز انجام گرفته شده است.

مقایسه بین دو دستگاه مختلف انجام گردید. همانطور که در نشان داده شده است دستگاه اول از نوع اینورتر با ظرفیت 1.50 تن تبرید، نسبت بهره وری انرژی 13.35 (EER) و گاز مبرد R32 (شکل2)و دستگاه دوم از نوع غیر اینورتر با همان ظرفیت 1.50 تن تبرید، نسبت بهره وری انرژی 12.15 (EER) و گاز مبرد R410a می باشد (شکل3)هر دو کولرگازی به برق 220 ولت با فرکانس60 هرتز متصل بودند.

در هر یک از اتاق ها دو سنسور برای اندازه گیری دما و رطوبت، یکی بر روی دیوار اتاق و دومی بر روی کولرگازی نصب گردید. ب هعلاوه در فضای بیرون اتاق (محل نصب کندانشور) نیز دو سنسور مشابه دما و رطوبت نصب گردیدند. در پایان دو کنتور برق جداگانه جهت اندازه گیری  مصرف انرژی هر یک از کولرها و ثبت مستقیم آن در سایت مطابق تصویر نصب شد. (شکل4)

شکل 1 – نمای جلوی دفاتر

شکل 2 اتاق دستگاه اینورتر

شکل 3 اتاق دستگاه غیر اینورتر

شکل 4 تهویه مطبوع و سنسورهای نصب شده

نتایج

تجزیه و تحلیل صرفه جویی در انرژی

برای بررسی دقیق تر جزئیا،  تجزیه و تحلیل نتایج بررسی به دو بخش تقسیم می شود. بخش اول الگوی A است که مربوط به کل دوره اندازه گیری از 26تیرماه تا 10آبان (108 روز) است. بخش دوم الگوی B است که معادل 18 روز در یک بازه زمانی  خاص می باشد در این شرایط، میانگین اختلاف دمای متوسط روزانه اتاق اتاق معادل °C 1 ± است و دمای تنظیم شده اتاق بایستی بین ~2422 درجه سانتیگراد ثابت نگه داشته شود.

در شکل 5 متوسط مصرف انرژی روزانه مطابق الگوی A نشان داده شده است. در کولرگازی اینورتر متوسط مصرف انرژی روزانه معادل 11.6 کیلووات ساعت در روز و در کولرگازی غیر اینورتری معادل 20.8 کیلووات ساعت در روز بود. این بدان معنی است که نرخ صرفه جویی انرژی در کولرگازی اینورتر حدود 44٪ است. مصرف انرژی سالانه نیز با فرمول زیر محاسبه می شود:

میزان متوسط مصرف انرژی در روز × دوره خنک کننده = مصرف انرژی سالانه

در یک محاسبه سرانگشتی، دوره خنک کننده در شهر جده 300 روز فرض می شود. بنابراین، مصرف انرژی سالانه کولرگازی اینورتر معادل 3471 کیلووات ساعت در سال و غیر اینورتر معادل 6230 کیلووات ساعت در سال محاسبه می گردد.

در شکل 6 متوسط صرفه جویی برای الگوی B نشان داده شده است. نتایج نشان می دهد که کولرگازی اینورتر دارای متوسط صرفه جویی انرژی معادل  46٪ در مقایسه با کولرگازی غیر اینورتری است. علاوه بر این، مصرف انرژی سالانه برای کولرگازی اینورتر 3068 کیلووات ساعت در سال خواهد بود در حالی که این رقم برای کولرگازی غیر اینورتر معادل 5702 کیلووات ساعت در سال است.

 از سوی دیگر نمودارهای شکل 7 مصرف انرژی را در یک تعداد روزهای تصادفی در ماه های جولای، اوت، سپتامبر و اکتبر نشان می دهد. ایده انتخاب روزهای تصادفی این است که بتوان رفتار صرفه جویی انرژی را در کل دوره مشاهده کرد. در این آزمایش مشخص میشود هنگامی که دمای محیط بیرونی افزایش می یابد میزان اختلاف صرفه جوئی انرژی بین سیستم اینورتر و غیر اینورتر به طرز چشمگیری افزایش می یابد.

شکل 5 نمودار مصرف انرژی در الگوی A

شکل 6 نمودار مصرف انرژی در الگوی B

شکل 7 مصرف برق در روزهای عادی که به طور تصادفی انتخاب شده: aجولای؛ b اوت؛ c سپتامبر؛ d اکتبر

تجزیه و تحلیل کاهش انتشار CO₂

انتشار گازهای گلخانه ای (GHG) از جمله گاز CO₂ جزو نگرانی های  تغییرات آب و هوایی می باشد. اگر چه در هر صورت استفاده از سیستم های تهویه مطبوع هوا به بخشی از این انتشار کمک می کند اما استفاده از تکنولوژی اینورتر می تواند به کاهش انتشار CO₂ کمک کند. در این مقاله همچنین تفاوت بین سیستم های اینورتر و غیر اینورتر از نظر انتشار گاز CO₂ بررسی می گردد.

اول، دو راه برای انتشار گازهای گلخانه ای (مستقیم / غیر مستقیم) وجود دارد. انتشار مستقیم گاز مبرد آزاد شده در محیط در طول عمر کارکرد دستگاه و دیگری در پایان عمر کولرگازی است. انتشار غیر مستقیم CO₂ منتشر شده به دلیل تولید برق مورد نیاز برای کارکرد دستگاه تهویه مطبوع است. برای محاسبه میزان انتشار گاز دی اکسیدکربن در طول عمر دستگاه تهویه مطبوع ، ارزیابی TEWI برای هر دو مدل اینورتر و غیر اینورتر به صورت زیر انجام می پذیرد:

در شکل 8 نشان داده شده است که مطابق نتایج، دستگاه کولرگازی با گاز مبرد R32 اینورتری انتشار گاز CO₂ کمتری در مقایسه با دستگاه  R410A از نوع غیر اینورتری آن هم به میزان 49.4٪ را دارد.

شکل 8 نمودار مقایسه نتایج TWEI جهت دو دستگاه کولرگازی مدل  اینورتر و غیر اینورتر را نشان می دهد

در جدول زیر میزان کاهش در انشار گاز دی اکسیدکربن بر اساس انتخاب دستگاه بر اساس EER یا SEER بررسی شده است ، SEER به معنی انتخاب دستگاه براساس عملکرد فصلی است که در حال حاضر در اروپا مد نظر بوده و معیار مناسب تری برای بررسی راندمان دستگاه در فصل مورد نظر است، همانطور که ملاحظه می گردد 7.3% کاهش تولید گاز دی اکسید کربن در طول سال که رقم بسیار قابل توجهی به حساب می آید.

جدول 2 نتایج مقایسه EER و SEER در تولید گاز دی اکسیدکربن

شکل 9 سناریوی پایه را برای 10 سال آینده نشان می دهد که در آن افزایش تقاضای دستگاه های کولرگازی نوع اینورتر در سال 2029 30٪ از مدل معمولی (روشن-خاموش) است. در حالیکه در شکل 9 رشد تقاضای 60%  خرید دستگاه های باراندمان بالاتر اینورتری( براساس SEER ( را نسبت به همین دوره نشان می دهد.

جمع بندی

این مقاله با مقایسه بین سیستم تهویه مطبوع اینورتر و غیر اینورتر انجام شد که نشان می دهد سیستم تهویه مطبوع اینورتر می تواند مصرف انرژی را تا 44٪ نسبت به غیر اینورتر در سال کاهش دهد.  علاوه بر این، تجزیه و تحلیل TEWI نشان می دهد که سیستم تهویه مطبوع اینورتر می تواند انتشار CO₂ راتا 49٪ کاهش دهد.

علاوه بر این، با توجه به نیاز کاهش گازهای گلخانه ای، نوع اینورتر برای کاهش انتشار CO₂ مناسب تر است. SEER معیار بررسی بهره وری انرژی مناسب تری نسبت به EER است و تغییر استاندارد از EER به SEER می تواند منجر به صرفه جوئی انرژی بیشتر شود. همچنین، این امر به مصرف کنندگان کمک می کند تا تاثیرات صرفه جویی در مصرف انرژی توسط کولرگازی اینورتر را بهتر لمس کنند.

مراجع

• Alaidroos، A.، Krarti، M.: طراحی بهینه سیستم های پاکت ساختمان مسکونی در پادشاهی عربستان سعودی. انرژی ساخت. 86، 104-117 (2015)
• Alrashed، F.، Asif، M.: روند مصرف انرژی مسکونی در عربستان سعودی با اشاره خاص به استان شرقی. J Sustain. دیو، انرژی اب محیط زیست. سیست 2(4), 376–387 (2014). https://doi.org/10.13044/j.sdewes.2014.02.0030
• Ghosh، A.، Mali، K.V.: A review on DC inverter operated air condi-tioner. Int. J. Current Eng. Technol. 7، 306-309 (2017)