بهینه سازی تأسیسات چیلر بیمارستان

بیمارستانها تقریبأ 5 درصد کل مصرف انرژی در ایالات متحده را به خود اختصاص می دهند که معادل است با 45 تریلیون Btu (بر اساس ممیزی مصرف انرژی ساختمانهای تجاری آمریکا) بیمارستانها سالانه حدود 5 میلیارد دلار یا 1 تا 3 درصد بودجه عملیاتی خود را صرف انرژی می کنند(بنا بر اعلام دپارتمان انرژی ایلات متحده)کاهش مصرف انرژی سیستمهای بیمارستانی نقش مهمی در کاهش هزینه های عملیاتی و دستیابی به اهداف سه گانه (Aim Triple)سیستم سلامت(ارتقای سلامت جامعه، بهبود مراقبت از بیمار، و کاهش هزینه ها)ایفا می کند.

بیشتر انرژی مصرفی سیستمهای بیمارستانی از سیستم های گرمایش و تهویه مطبوع نشأت می گیرد.تأسیسات چیلر بزرگترین مصرف کننده انرژی در اکثر بیمارستانها به شمار می روند.این مصرف انرژی چنانچه سیستم برای عملکرد با حداکثر راندمان خود طراحی نشده باشد تشدید می شود.بسیاری از بیمارستانها 24 ساعته فعالند، و لذا تأسیسات چیلر هر روز در تمام طول سال کار می کنند.بنابراین کارآمد تر ساختن تأسیسات چیلر یکی از موثرترین روشهای کاهش مصرف انرژی برای سیستم های بزرگ بیمارستانی است.چیلر ها عمومأ زمانی که بین 65 تا 85 درصد ظرفیت بار کامل خود کار می کنند به حداکثر راندمان دست می یابند.چیلرهای ه زیر 50 درصد بار اسمی خود کار می کنند معمولأ مصرف انرژی بسیار زیادی داشته و کارایی انرژی ضعیفی دارند.بنابراین، راندمان عملیاتی چیلر تحت بار متغیر کلید صرفه جویی های انرژی برای یک تأسیسات آب سرد است.چیلر ها باید چنان طراحی شوند که در دامنه بین 60 تا 80 درصد ظرفیت اسمی خود کار کنند تا صرفه جویی انرژی برای تأسیسات چیلر به حداکثر برسد.

این مقاله، بررسی خواهد کرد که چگونه یک بیمارستان می تواند کارایی سیستم چیلرخود را به حداکثر رسانده و هزینه عملیاتی خود را بهبود بخشد.

-بهینه سازی چیلر

بیمارستان ها با بررسی پارامتر ها و بار های عملیاتی نرمال می توانند یک الگوریتم اقتصادی تدوین کنند که آغاز به کار و توقف تجهیزات تأسیسات چیلر را بهینه سازد.هدف از تدوین این الگوریتم، عملکرد متداوم هر دستگاه در دامنه کارایی ایده آل آن است که این موجب بهینه سازی راندمان کلی سیستم چیلر می شود. بدون تردید، این یک فرآیند بسیار پیچیده است و ممکن است برای آن دسته از مدیران تأسیسات که می خواهند چیز ها را حتی الامکان ساده نگه دارند خوشایند نباشد، اما ماحصل این پیچیدگی فرصت عالی برای صرفه جویی است.این امر می تواند با نگارش یک توالی کنترل بهینه سازی انجام شود که توسط یک پیمانکار کنترل یا سازندگان کنترل قابل اجرا است.این نوع مکانیسم کنترل مستلزم میزان قابل توجهی برنامه ریزی و اصلاحات برروی تأسیسات موجود است و اجرای آن می تواند بسیار پر هزینه و پیچیده باشد.

یک راه جایگزین و موثر تر برای دستیابی به بهینه سازی تأسیسات چیلر، به کار گرفتن هارتمن لوپ است که توسط چندین تولید کننده کنترل عرضه می شود.فناوری هارتمن لوپ جدید نیست و در سال 2001 به ثبت رسیده است.این فناوری اجازه نمی دهد که اجزای مختلف (چیلر، برج خنک کن، و پمپ توزیع آب سرد)به صورت مستقل عمل کنند، بلکه کل اجزای تاسیسات را قادر می سازد تا با یکدیگر به صورت یک سیستم واحد کار کنند.در این ایده عملیاتی کارآمد، دماهای آب سرد و آب کندانسور به طور مستقیم کنترل نمی شوند.در عوض، هر جز چنان به کار گرفته می شود که کارایی آن در ارتباط با سایر اجزا و مقتضیات شرایط بار فعلی سیستم بهینه شود.انگیزش اصلی پشت این فناوری، به حداکثر رساندن ارزش فناوریهای سرعت متغیر است که اینک بخشی از تمامی سیستم های چیلر می باشند.نتیجه اجرای این فناوری این است که مصرف انرژی سالانه بیمارستانها می تواند به کمتر از 40 تا 50 درصد تاسیسات چیلر سنتی برسد.من به عنوان یک طراح، پکیج بهینه سازی را برای بسیاری از تاسیسات چیلر طراحی کرده ام، اما به علت هزینه اولیه بالای اجرا کمتر از نصف آن ها نصب شده اند.البته این با توجه به شرایط مالی سختی که سیستم های بیمارستانی تجربه می کنند چندان تعجب آور نیست.این محدودیتهای بودجه ای، مدیران پروژه ها را مجبور می سازند تا بر هزینه اولیه تمرکز کنند و نه بر هزینه عملیاتی پایین بلند مدت.مدیران پروژه های بیمارستانی باید به هزینه دوره عمر پکیج های بهینه سازی توجه بیشتری معطوف کنند.دوره استهلاک هزینه محاسبه شده برای این پکیج ها غالبأ کمتر از 5 سال است.در مواردی که تخصص کافی وجود ندارد، مدیران تأسیسات باید همکاری با سازندگان کنترلها و مهندسین مکانیک حوزه کنترل را در نظر بگیرند تا به آن ها در اجرای یک پکیج بهینه سازی چیلر کمک کنند.

-تجهیزات تأسیسات آب سرد

هنگام تلاش برای بهینه سازی تأسیسات آب سرد، علاوه بر خود چیلر فاکتور های بسیاری وجود دارندکه باید مورد توجه قرار گیرند .تجهیزات جانبی از قبیل برج های خنک کن و پمپ ها تأثیر قابل توجهی بر راندمان عملکرد چیلر دارند.هنگام بهینه سازی تأسیسات چیلر باید هر یک از اجزا را مورد بررسی قرار داده و تعیین نمود که چگونه تعامل آن ها بر کل سیستم تأثیر خواهد گذاشت.علاوه بر ظرفیت تجهیزات، چندین فاکتور دیگر بر توانایی سیستم در تامین بار سرمایشی ساختمان تأثیر می گذارند.بعضی ازین فاکتور ها عبارتند از نوع مبرد ها، ساعات کارکرد، شرایط آب و هوایی، نرخ های برق، و کاربری ساختمان.برای بهینه سازی عملکرد سیستم چیلر باید تمامی این فاکتور ها دقیقأ مورد بررسی قرار گیرند.

-فناوری های چیلر

فناوری های چیلر طی 20 سال گذشته فوق العاده پیشرفت کرده اند و نتیجه آن، چیلر های جدیدی است که با راندمان بالاتر از چیلر های مدل قدیمی کار می کنند.به عنوان مثال چیلر های ساخت سازندگان معتبر از قبیل دایکین، Trane، کریر دارای راندمان بار کامل بین 45/0 تا 5/0 کیلو وات بر تن در شرایط AHRI می باشند.این چیلر ها همچنین دارای مقادیر بار جزئی یکپارچه (IPLV)  بین 29/0 تا  305/0 کیلووات بر تن هستند.چیلر های یاتاقان مغناطیسی جدید مانند Daikin Magnitude, Johnson Controls YMC2 و Multistacks maglev دارای مقادیر بار جزئی یکپارچه پایین در حد 29/0 کیلووات بر تن می باشند که می توانند برای تأسیسات چیلری جدید بسیار جذاب باشند.

10 سال پیش، چیلر های سانتریفوژ و اسکرو دارای راندمان بار کامل 75/0 تا 85/0 کیلووات بر تن بودند.10 سال قبل تر، راندمان بار کامل در دامنه 85/0 تا 1 کیلووات بر تن قرار داشت.بر اساس این اعداد، این بدین معنی است که چیلر های جدید 60% بهتر از چیلر هایی کار می کنند که 20 سال پیش تولید و نصب شدند.البته این، کاهشهای راندمان مرتبط با نگهداری ضعیف و استهلاک و فرسودگی نرمال چیلر های موجود را به حساب نمی آورد.

چیلر های جدید باید نه فقط بر اساس هزینه اولیه، بلکه بر مبنای هزینه دوره عمر و راندمانهای کلی تجهیزات انتخاب شوند.انتخاب یک چیلر با راندمان بالا در بار کامل، عملکرد موثر و کارامد چیلر را تضمین نخواهد کرد.اکثر چیلر ها کمتر از 5/0 کل زمان کارکرد خود را در بارها کامل کار می کننددر 95% بقیه، چیلرها با راندمان بار جزئی کار خواهند کرد.درک پروفایل بار سیستم جدید یا موجود به طراح کمک خواهد کرد تا کارآمدترین و پر راندمان ترین چیلر را برای یک تأسیسات آب سرد انتخاب کند.

بهینه سازی تأسیسات آب سرد برای بیشتر سیستم های جدید با انتخاب درست تجهیزات آغاز می شود.گرچه خرید یک چیلر با راندمان بار جزئی بهتر ممکن است پرهزینه تر تمام شود، اما این هزینه اضافی معمولا بواسطه صرفه جویی های انرژی حاصله ظرف مدت کوتاهی مستهلک خواهد شد.مدیران تأسیسات باید با همکاری مهندسین مکانیک اطمینان حاصل کنند که چیلرهای مناسب برای بیمارستان انتخاب می شوند.

-کنترل دمای رفت آب سرد

برای سال ها چیلر ها صرف نظر از بار سرمایشی بیمارستانها برای تامین آب سرد با دمای ثابت کنترل می شدند.اما چیلر های مدرن امروزی می توانند دمای رفت آب سرد را با کاهش بار سرمایشی تغییر دهند.با اجازه دادن به شناور شدن دمای آب و بالا بردن آن طی دوره های با بار سرمایشی پایین، به ازای هر درجه افزایش دمای آب سرد حدودآ 1% صرفه جویی حاصل می شود.بنابراین، بالا بردن دمای آب سرد به اندازه 5F، حدودآ 5% در انرژی مصرفی چیلر صرفه جویی حاصل خواهد کرد.

برای این منظور، چیلر باید حس کند که چه زمانی بار کاهش یافته است،  گاهی اوقات، دمای برگشت آب سرد به عنوان یک شضاخص مورد استفاده قرار می گیرد.سیستم های پیشرفته تر، زون بدترین حالت را تحت پایش قرار می دهند؛ زونی که شیر آب سرد آن از بقیه زونها بازتر است.زمانی که دمای این زون شروع به بالا رفتن می کند،دمای آب سرد پایین آورده می شود.

کنترل دمای رفت آب سرد بخش مهمی از بهینه سازی تأسیسات چیلر به شمار می رود.البته این را می توان به عنوان یک بهینه سازی مستقل انجام داد یا اینکه می تواند به صورت بخشی از پکیج بهینه سازی چیلر اجرا شود.

-کنترل نقطه تنظیم دمای آب کندانسور

روش ریست دمای آب کندانسور را می توان در تاسیسات چیلری با برجهای خنک کن به کار برد که با آن، دمای آب کندانسور می تواند تغییر داده شود.اکثر توالی های کنترلی برج خنک کن دمای ثابت آب کندانسور(معمولا F85) را با تغییر دادن نرخ جریان هوا حفظ می کنند.اما وقتی دمای مرطوب خارج کاهش پیدا می کند، دمای آب کندانسور می تواند کاهش داده شود.نتیجه آن، کار کمتر برای کمپرسور ها و صرفه جویی های حدود 5/0% به ازای هر F°1 کاهش  در دمای آب کندانسور است.

بنابراین، پایین آوردن دمای آب کندانسور به اندازه F°5 حدودا 5/2% در انرژی مصرفی چیلر صرفه جویی حاصل خواهد کرد.البته برای میزان پایین آوردن دما حدودی وجود دارد که باید آن ها را با سازنده چیلر چک نمود.اکثر چیلر ها می توانند با دما های F70 یا کمتر کار کنند.این روش را نیز می توان به عنوان یک بهینه سازی مستقل انجام داد یا اینکه می تواند به صورت بخشی از پکیج بهینه سازی چیلر اجرا شود.

-بهینه سازی پویای چیلر

شرکت SmithGroupJJR برای اجرای فرآیند بهینه سازی پویای چیلر (DCO) با بسیاری از بیمارستانها همکاری کرده است.این فرایند شامل جمع آوری داده های زمان واقعی از سیستم های آب سرد عملیاتی موجود است.اطلاعات مربوط به تمامی شرایط کلیدی که بر آسایش، انرژی و کارایی مورد نظر تأثیر می گذارند جمع آوری می شوند. این داده های جمع آوری شده سپس برای انجام اقداماتی مورد استفاده قرار می گیرند که به بهینه سازی عملکرد تاسیسات آب سرد کمک خواهند کرد.به کار گرفتن DCO به مالکین بیمارستان ها اجازه می دهد تا در مصرف انرژی صرفه جویی کرده در حالی که حداکثر کارایی را برای تأسیسات چیلر حفظ می کنند.اولین مرحله در اجرای DCO برای یک تأسیسات آب سرد ثبت سنجشهای خط پایه برای رد گیری کارایی سیستم آب سرد موجود است.داده های اندازه گیری باید جمع آوری شوند.این امر با افزودن ترانس دیوسرها به برجهای خنک کن، کلیه پمپ ها، و همچنین پایش روند مصرف انرژی چیلر(kWh)محقق می شود.

داده های اندازه گیری جمع آوری شده یک خط پایه دقیق برای مقایسه عملکردهای آینده فراهم می سازند.یک منفعت کلیدی استفاده از DCO این است که غالبأ به افزایش ظرفیت تأسیسات آب سرد و مدیریت مشکلات سیستم کمک می کند.DCO همچنین می تواند به مشکلات ظرفیت برج خنک کن و پمپاژ بیش از حد رسیدگی کرده و با اجرای توالی های کنترلی، برج های خنک کن را بطور موثر و کارامد کنترل کند.این می تواند ظرفیت برج خنک کن را با بهینه سازی عملکرد چیلر بهبود بخشیده در حالی که مصرف انرژی بادزن برج را کاهش می دهد.

-نتیجه گیری

بهینه سازی تأسیسات چیلر به علت تأثیر بر عملکرد تأسیسات و همچنین با توجه به تحمیل هزینه اولیه بالا، یک مسئولیت مهم برای دپارتمان تأسیسات به شمار می رود.البته تأثیر اقتصادی اجرای چنین سیستمی بر هزینه اولیه ان می چربد و به بیمارستان کمک می کند تا هزینه عملیاتی خود را کاهش دهد.بهینه سازی تأسیسات آب سرد نقش مهمی در دستیابی به اهداف سه گانه سیستم سلامت ایفا می کند.

بهبود های اخیر در فناوری و راندمان چیلر، تصمیم گیری برای تأسیسات آب سرد جدید را آسان تر می سازد؛ مخصوصا در این برحه از زمان که هزینه های انرژی هرروزه افزایش می یابند.برای تأسیسات آب سرد موجود باید بهینه سازی پویای چیلر (DCO) را اجرا نمود تا از منافع کامل بهینه سازی تأسیسات آب سرد بهره مند شد.

اقتباس از : Gary Hamilton

مأخذ : Engineered Systems, July 2017

ترجمه : دکتر سید علی اکبر طباطبایی