W technice chłodniczej wymagana wydajność chłodnicza zależy zarówno od procesów chłodniczych jak i od temperatury zewnętrznej. Stopień w jakim te dwa czynniki wywierają wpływ na wahania wydajności zależy głównie od aplikacji.

Dla aplikacji mroźniczych wpływ procesu stanowi dominujący czynnik. W tym przypadku wszystko zależy od zmian ilości produktu wymrażanego w ciągu godziny. Jest wyraźne rozróżnienie pomiędzy pracą, czasem produkcji a nocną/weekendową pracą. Wydajność chłodnicza zużywana jest weekendami w większości na utrzymanie temperatury produktu. Patrz rys. 1: “Typowe wahania wydajności w procesie mrożenia.”

Rysunek 1

W przypadku przechowywania owoców przeważa wpływ sezonowości produkcji. Pod koniec lata jest duża ilość owoców, które muszą być utrzymywane w chłodzie, jako że na dworzu ciągle może być całkiem ciepło. W zimie owoce muszą być tylko utrzymywane na poziomie niskiej temperatury zewnętrznej. Rys. 2: “Typowe wahania wydajności w przechowywaniu owoców” pokazuje uproszczony obraz wpływu sezonowości na chłodnictwo owoców.

 Rysunek 2

Lato charakteryzuje się wysoką temperaturą skraplania oraz długimi okresami pracy z pełną wydajnością. W celu oszczędzania energii najważniejszą rzeczą jest utrzymywanie różnicy ciśnień pomiędzy ssaniem i tłoczeniem na jak najniższym poziomie. Tanie instalacje charakteryzujące się takimi rzeczami jak skraplacze chłodzone powietrzem z małą powierzchnią wymiany ciepła będą miały większą różnicę ciśnień w związku z większą różnicą temperatur na skraplaczu. Jednakże, to także będzie się zmieniać głównie podczas wahań obciążenia po stronie chłodzenia. Ta niepożądana zmienność warunków w efekcie wpływa negatywnie na dostępną wydajność chłodniczą, dokładnie w chwili gdy tej właśnie duże jej ilości są potrzebne. Zawsze będą wahania w wydajności chłodniczej, ponieważ chłodzenie jest częścią procesów rynkowych kierowanych prawami ekonomii.

b. Dobór sprężarek i zmiany wydajności chłodniczej.

Chłodnictwo jest często częścią większych procesów biznesowych, tak więc jego dostępność jest sprawą nadzwyczajnej uwagi. Wydajność chłodnicza dobierana jest zazwyczaj w oparciu o maksymalne przewidywane oczekiwania co do obciążenia.
Punktem startowym przy doborze sprężarek jest podejście do doboru sprężarek z biznesowego (ekonomicznego) punktu widzenia. Optimum jest osiągnięte wtedy, gdy suma kosztów inwestycji, utrzymania i energii elektrycznej poprzez przewidywany czas pracy instalacji jest minimalna. Podstawowymi zasadami pomagającymi uzmysłowić sobie to są:

- Najwyższa sprawność osiągana jest podczas pracy z pełnym obciążeniem.
Sprężarki jak i ich napędy są projektowane tak aby wykonywały swoje zadania najlepiej przy pełnym obciążeniu. Regulacja generalnie odbywa się kosztem sprawności. Wydajność spada szybciej niż wymagany pobór mocy.
Aby uniknąć niepotrzebnej pracy w czasie częściowego obciążenia w przypadku zapotrzebowania na chłodzenie mniejsze niż 30%, zalecany jest dobór sprężarek w oparciu o zasadę jednej siódmej (1/7). W przypadku instalacji o całkowitej wydajności 1400 kW jedna sprężarka jest dobierana z wydajnością 1/7 x 1400=200kW, jedna z wydajnością 2/7 x 1400=400kW oraz jedna z wydajnością 4/7 x 1400=800kW. Alternatywnie można dokonać doboru w oparciu o zasadę jedna szósta (1/6), jedna trzecia (1/3) oraz jedna druga (1/2), z tą zaletą, że w przypadku awarii pozostaje zawsze więcej niż 50% dostępnej wydajności.
Sprężarki z tej samej serii dobierane są często z praktycznych powodów takich jak np. części zamienne.

- Dążenie do minimalnej ilości sprężarek w układzie
Duże maszyny charakteryzują się lepszą sprawnością niż małe. To samo tyczy się sprężarek i silników elektrycznych. To oznacza, że dobór ilości sprężarek będzie wpływać na sprawność układu.
Najczęściej używanym silnikiem jest 4 biegunowy (50 Hz, 1500 rpm). Rysunek 3 pokazuje klasyfikacje EFF czterobiegunowych silników do 90 kW, na której łatwo zauważyć trend rosnący. Pewność i dostępność chłodnictwa determinuje niższy próg minimalizacji liczby sprężarek. W przypadku gdy nie ma bufora zimna w instalacji minimalna liczba sprężarek to dwie sztuki.
Rysunek 3: klasyfikacja EU CEMEP

- Sprawność spreżarek poza projektowanym zakresem pracy
Sprężarki dobierane są do warunków projektowych.

Rysunek 3

W praktyce sprężarka nie pracuje ciągle przy takich samych parametrach, ale w zakresie paramaterów, przy których wartości ciśnień mogą znacząco odbiegać od parametrów projektowych. Jakie są konsekwencje przekładające się na koszty energii w przypadku gdy sprężarka pracuje poza parametrami projektowymi?
Przewagą sprężarek tłokowych jest to, że automatycznie dopasowują się do warunków narzuconych przez układ chłodniczy. Zawory sterowane różnicą ciśnień służą do tego w sprężarkach tłokowych. Dla kontrastu można dodać, że sprężarki tłokowe projektowane są do stałej wartości sprężu. Oznacza to, że w praktyce śruba pracować będzie z nadciśnieniem (rozprężanie zbędnego wytworzonego ciśnienia podczas poczatkowej fazy wydmuchu) lub z podciśnieniem (zasysanie z powrotem sprężonego gazu do sprężarki w początkowej fazie wydmuchu). Tym dodatkowym stratom możemy zapobiegać tylko przez wyposażenie sprężarki w zmienne sterowanie Vi.

- sprawność sprężarek przy częściowym obciążeniu.
Zarówno sprężarki tłokowe jak i sprężarki śrubowe cechują się odrębnymi charakterystykami pracy przy częściowym obciążeniu. W przypadku sprężarek tłokowych odłączane są cylindry, w przypadku sprężarek śrubowych wydajność regulowana jest poprzez suwak wydajności, którym skraca się efektywną długość wirnika. Rysunek 4 obrazuje zmiany sprawności w przypadku zmiany obcążenia względem wydajności nominalnej. Fakt, że oba typy sprężarek, zarówno tłokowe jak i śrubowe mają porównywalne wydajności przy pełnym obciążeniu nie ma żadnego znaczenia. Obydwa systemy pracy przy częściowym obciążeniu cechują się zmniejszeniem współczynnika COP. Strata ta jest większa w przypadku sprężarek śrubowych tak jak zostało to pokazane na wykresie porównawczym.

Często spotykanym błędem jest myślenie, że regulacja poprzez falownik jest mechanizmem pracy przy częściowym obciążeniu. Jest to metoda sterowania wydajnością, ale sprężarka cały czas pracuje przy pełnym obciążeniu.

Rysunek 4

Przemysłowe sprężarki tłokowe są najbardziej efektywnym rozwiązaniem w przypadku pracy przy częściowym obciążeniu oraz poza warunkami projektowymi.

c. Możliwości oszczędności energii poprzez regulację z użyciem falownika
Rozwiązania z użyciem falownika do pracy ze sprężarkami tłokowymi charakteryzują się oszczędnością energii oraz kosztów zużycia instalacji:

Obciążenia mechaniczne
Obciążenia mechaniczne zmniejszają się wraz z zmniejszeniem prędkości obrotowej oraz temperatury tłoczenia gazu.
Falownik może sterować wydajnością poprzez obniżanie jak i podwyższanie prędkości obrotowej względem nominalnej prędkości obrotowej. W przypadku małych sprężarek śrubowych i scroll, obroty często są zwiększane ponieważ obniżanie obrotów ograniczone jest spadkiem wydajności objętościowej. W przypadku tłokowych jak i większych śrubowych sprężarek obroty są często obniżane ponieważ te maszyny są mniej podatne na wycieki. W dużych śrubach wycieki są relatywnie małe w porównaniu z pompowym wylotem (pumped output), w przypadku sprężarek tłokowych zawory płytkowe zapewniają odpowiednie uszczelnienie komory sprężania. Mniejsze prędkości obrotowe powodują obniżenie temperatury urządzenia. W przypadku tłokowych sprężarek z kilkoma cylindrami pojawia się dodatkowa zaleta wszystkich cylindrów o takim samym obciążeniu, która objawia się równomierną dystrubucją ciepła na wszystkich cylindrach. Mniejsze obciążenia mechaniczne oraz równomierne zużycie przekłada się na dłuższe okresy pomiędzy przeglądami.

Wydajność energetyczna
Największa oszczędność może zostać osiągnięta na poziomie całego systemu. Dostarczana wydajność może być optymalnie dopasowana do wydajności wymaganej. Dopasowanie takie pozwala redukować średnią różnicę ciśnień pomiędzy tłoczeniem i ssaniem. Największe oszczędności osiągane są w systemach z relatywnie dużymi krokami wydajności oraz wieloma możliwymi obciążeniami. Kolejnym punkt, w którym możemy osiągnąć oszczędności energii znajduje się w sprężarce. Moc elektryczna (Pe) jaka wymagana jest przez agregat tłokowy to wydajność chłodnicza (Qo) podzielona przez współczynnik COP sprężarki oraz sprawność napędu (ηdrive).
Co przedstawia się następująco:

W przypadku regulacji falownikiem sprawność napędu ηdrive jest iloczynem sprawności falownika (ηfreq.reg) oraz sprawności silnika elektrycznego (ηe-mot). Co przedstawia się następująco:

Sprawność PWM (pulse width modulation) regulowanych częstotliwościowo napędów praktycznie niezależna od zmiany częstotliwości f, ponieważ sprawność regulatora częstotliwości spada, a silnika elektrycznego wzrasta wraz ze zmianą częstotliwości.

Rysunek 5

Rysunek 5 pokazuje, że sprawność napędu sterowanego poprzez regulację częstotliwości (falownik) jest mniejsza niż napędu podłączonego bezpośrednio do sieci. Regulator częstotliowści sam w sobie ma straty przełączania oraz nie generuje w pełni sinusoidalnej charakterystyki prądu. To z kolei powoduje straty harmoniczne w silniku elektrycznym, które skutkują dodatkowymi obciążeniami cieplnymi silnika. Grzanie silnika zwiększa się ponieważ ilość chłodnego powietrza spada wraz z obrotami a moment obrotowy pozostaje stały. Aby zachować taką samą klasę temperaturową, często konieczny jest dobór większego silnika.

Gdzie jest więc zysk wydajności? Uzyskuje się go w samej sprężarce, ponieważ pracuje ona przy pełnym obciążeniu na niższej prędkości obrotowej. Poprawa współczynnika COP wynikająca z zastosowania regulacji wydajności prędkości obrotowej sprężarki wynika głównie z:
a. eliminacja strat wynikających z pracy z niepełnym obciążeniem układu (np. straty przetłaczania z częściowo obciążonych cylindrów sprężarek tłokowych)
b. straty, które spadają silniej niż liniowo wraz ze zmianą obr./min. (np. straty przepływu przez zawory ssawne i tłoczne).