1. Bevezetés

Az energetikai összehasonlító mérést az indokolja, hogy hazánkban egyre elterjedtebbek a kisebb vállalkozások, őstermelők által üzemeltetett hűtőkamrák, melyek elsősorban valamilyen élelmiszeripari: húsipari vagy gyümölcs-zöldség tárolási feladatot látnak el. Támogatással ezen kisvállalkozásoknak is lehetősége nyílik korszerűen üzemeltethető, alacsony fogyasztású, jó minőségű hűtőkamrák hűtéstechnikai rendszerének beszerzésére. Ez nem csak energiamegtakarítást, hanem a megfelelő technológiájú szabályzással a kamra stabilabb léghőmérsékletének biztosítását, ezzel együtt pedig a hűtőkamrában tárolt áru stabilabb állagvédelmét is eredményezheti.

Ebben a kutatásban a kereskedelmi szektorban használt DC-inverteres hűtőaggregát energiafogyasztásának optimalizálására került sor, beleértve a fordulatszám-szabályozású kompresszort, az elektronikus expanziós szelepet és a PID-szabályozót tartalmazó rendszert. A célok elérése érdekében egy kísérleti mérőállás épült egy hazai, piacvezető hűtéstechnikai rendszereket forgalmazó cég bemutatótermében. A mérőrendszer fő része a hűtőkamra, amely belül két azonos elpárologtatót tartalmaz; az egyiket a DC-inverteres aggregáttal üzemeltetik, a másik pedig a hazai piacon nagyon széles körben elterjedt, hagyományos hűtőberendezéssel van felszerelve, amelyet egy hagyományos dugattyús kompresszor, a mechanikus expanziós szelep és az on/off(kétállású) szabályozó technika működtet. A gyártó által szolgáltatott, hiányos adatok miatt a DC-hűtőberendezés PID-szabályozóját optimalizálni kellett a megfelelő arányos, integráló és differenciáló paraméterértékek beállításával az energetikai működés érdekében. A kutatási munka újszerűsége a PID-szabályzó megfelelő beállítása a tervezett hűtési körülményekre és annak hatása a DC-hűtőgép energiafogyasztására. Még ha a hűtőberendezés méretezése megfelelő az adott feladathoz, és a hűtési teljesítménye megfelel a hűtési igénynek, egy behangolatlan PID-szabályzó nagyobb energiafogyasztást eredményez, mint a hagyományos hűtőberendezés on/off vezérlésnél. A cikk eredeti változata a Magyar Épületgépészet, LXVIII. évfolyam, 2019/11. számában került lektorálást követően publikálásra. Tekintettel arra, hogy a kutatási téma megteremtése, annak elvégzéséhez szükséges teljes kísérleti eszközháttér és laboratóriumi helyszín támogatása a Kassai-Klíma Kft. által történt, így a kiadó hozzájárult a témának és a kutatási eredményeknek a hazai piacot jelentősen meghatározó cég saját honlapjain történő közléséhez is.

2. A kísérleti mérőállás bemutatása

A kísérleti méréseket a Kassai-Klíma Kft., Hűtő- és Klímatechnikai Kereskedelmi és Szolgáltató Kft. bemutatótermében, a céghez tartozó személyzet felügyelete mellett, annak eszközeivel és támogatásával végeztem. A bemutatóterem címe: 1173 Budapest, Pesti út 256.

A hűtőkamra az épület közepén helyezkedik el, mely abból a szempontból jelentős, hogy az épületben egy hatékonyan és precízen működő hőszivattyús mennyezet fűtési-hűtési rendszer tartja a léghőmérsékletet állandó értéken egész évben. Ennek következtében a kamra teljes környezetében 23 [°C] van, melyből majd a kamra hővesztesége számolható.

1. ábra A mérőállás elhelyezkedése

A kamrát határoló fal túloldalán a műhely található, ahol szintén 23 [°C]-os levegő-hőmérséklet jellemző. A kamrát a Gabler-Mirelta Hungária Kft. készítette. A kamra falszerkezetének tulajdonságait az 1. táblázat foglalja össze.

1. Táblázat A kísérleti hűtőkamratest műszaki adatai

A hűtőkamráról még érdemes tudni, hogy ez padlóval szerelt, azaz a talaj felé is hőszigetelt. A gyártó cég állítása szerint az általuk alkalmazott megoldás hőhídmentes, azaz nincsen a kamrában olyan pont, ahol a hő könnyebben tud mozogni, „szökni”.

A táblázatban a hőátbocsátási tényező azt jelenti, hogy az adott anyag (vagy anyagsorrend) egy négyzetméterén egy egység [K] (vagy [°C]) hőmérséklet-különbség hatására hány egység [W] hőenergia tud átáramlani. Ez az érték figyelembe veszi a hőszigetelést, a fal anyagát és a légállapotokat a kamrán kívül-belül. Utóbbi azért fontos, mert az áramló levegő jobban fel tudja venni a kamrából kiáramló hőt. Amennyiben a hőátbocsátási tényező értéke kicsi, az azt jelenti, hogy a falszerkezet jól szigetelt, nehezen halad át rajta a hő.

A pontos energetikai összehasonlító vizsgálat érdekében ebben a kamrában van elhelyezve egy on/off szabályozású és egy fordulatszám-szabályozott, névleges hűtési teljesítményben azonos hűtőgép elpárologtatóegységei. Az elpárologtatók elhelyezését a 2. ábra, a műszaki adatait a 2. táblázat mutatja.

2. ábra Az elpárologtatók kialakítása a kísérleti tesztkamrában

2.     Táblázat A közvetlen elpárologtatók műszaki adatai

Az on/off-os berendezés és a fordulatszám-szabályozott hűtőgép elpárologtatóját az Inter-Thermo Kft. gyártotta. Különbség a vezérlésükben és a kondenzátori oldalon van. Viszont a hűtési teljesítmény mindkét esetben 1,7 [kW] -10 [°C]-os elpárolgási hőmérséklet és 0 [°C]-os kamra-léghőmérséklet esetén.

A vezérlést tekintve az on/off-os berendezés egy léghőmérséklet-érzékelőből, egy hőmérséklet beállítását biztosító vezérlőpanelből és egy indítást-leállítást lehetővé tevő elektronikából áll (3. ábra).

3. ábra Az alkalmazott szabályzóegységek a kísérleti tesztkamrán

A fordulatszám-szabályozott hűtőgép Sinclair SCMI-01 típusú vezérlője ennél sokkal bonyolultabb (4. ábra).

4. ábra A PID-szabályzó kialakítása

Amellett, hogy ezen is lehet a kamra hőmérsékletét állítani, a PID-szabályozónak megfelelő konstansokat is állíthatjuk rajta. Emellett kijelzi a kompresszor aktuális fordulatszámát (százalékosan), az elpárologtató és a kamra hőmérsékletét, valamint az expanziós szelep állását is. A vezérlőegység a berendezéssel egyetemben képes arra, hogy a hűtőkör folyamatot megfordítsa, ezzel a kondenzátort elpárologtatóként, az elpárologtatót pedig kondenzátorként használva. Ennek következtében képes a fűtésre is. A Sinclair SCMI-01 vezérlőegység kifejlesztését az elmúlt évek közös együttműködési munkája eredményezte a Kassai-Klíma Kft. és a csehországi Centrála NEPA spol. s r.o. (Sinclair termékek európai elosztóközpontja) nevű partnercég között. A kondenzátoroldalon a fordulatszám-szabályozott berendezést szintén a csehországi Nepa gyártatta. Kompresszora ugyanolyan teljesítményű és fordulatszámú, mint a másik hűtőgépé. Különbség a típusban és a fordulatszám-szabályozottságban van. Utóbbit egy AC/DC konverterrel (egyenirányítóval), egy kondenzátorral és egy középfrekvenciás DC/AC konverterrel oldják meg. Ez a DC-inverter. Működése: az AC/DC konverter a váltakozó áramú energiát (1/3 fázis) egyenfeszültségű energiává alakítja. Ezt a kondenzátor változtatható frekvenciájú feszültséggé transzformálja, végül a DC/AC konverter ezt továbbalakítja háromfázisú, változtatható frekvenciájú elektromos energiává.  Ezzel a változtatható frekvenciával szabályozható a fordulatszám. Ha ezt indításnál tesszük, akkor az indítási áram nagysága is befolyásolható.

A fordulatszám-szabályozott, vagy más néven inverteres megoldás már nagyobb teljesítménykategóriákban széles körben elterjedt. A jövőben az ipari hűtéstechnikában is várható lesz a fordulatszám-szabályozott kompresszorok kötelezővé tétele, mint ahogy az történt a klímatechnikában is a 2013-as ErP direktíva bevezetésével az Európai Unió területén. E szerint minden 11 kW hűtési teljesítménynél kisebb klímaberendezés csak inverterszabályozású lehet, illetve a 125 watt teljesítményű ventilátort (berendezés része) certifikáltatni kell. Erre felkészülve a Sinclair kifejlesztette a már bemutatott, univerzálisnak tekinthető vezérlőegységét, mellyel a saját hűtőgép-aggregátoraik fordulatszám-szabályozhatóak lettek. A mérőállás kondenzátoroldalát az 5. ábra mutatja be.

5. ábra A hűtőaggregátok kialakítása

Az on/off és PID-szabályozású hűtőberendezések műszaki adatai a 3-4 táblázatokban láthatók.

3. Táblázat Az on/off szabályozású hagyományos hűtőberendezés műszaki adatai

4. Táblázat Az PID-szabályozású DC-inverteres hűtőberendezés műszaki adatai

3. A kísérleti vizsgálatok folyamatának bemutatása

A mérés során a felhasznált műszaki paraméterek:

·     On/off-os hűtőgép:

o    Kamra hőmérséklete

o    Kompresszor áramfelvétele

o    Elpárolgási hőmérséklet

o    Elpárolgási nyomás

o    Felvett villamos teljesítmény

·     Inverteres berendezés:

o    Kamra hőmérséklete

o    Kompresszor áramfelvétele

o    Kompresszor fordulatszáma

o    Elpárolgási hőmérséklet

o    Elpárolgási nyomás

o    Felvett villamos teljesítmény

A felvett villamos teljesítményt a vezérlőkbe beépített teljesítménymérővel, a felvett áramot egy MAXWELL MC-25605 digitális lakatfogóval mértem.

A mérés célja a már ismertetett összehasonlítás: a kétpont szabályozású on/off készülék és a PID-szabályozású inverteres készülék villamos fogyasztásának összevetése, a berendezések működését és a kamra hőmérsékletét is figyelemmel kísérve. Hiszen hiába fogyasztana kevesebbet bármelyik, ha a kívánt feladatot nem látja el.

A feladatból kifolyólag hosszabb intervallumokon vizsgáltam a rendszereket. Egy-egy berendezés pontosan 24 órát üzemelt, mely 24 órából ki lett ragadva néhány kisebb intervallum, mely alatt a kamra és a berendezés paramétereit jegyeztem fel a lehető legkisebb időközönként. A mérés minden esetben a már kívánt kamrahőmérséklet elérésekor kezdődött, így ha fel is melegedett a hűtőgép állása során a kamrában a levegő, annak lehűtése nem tartozott a mérésbe. Egy nap elteltével már eleget üzemelt a gép, hogy annak villamosteljesítmény-fogyasztását pontosabban lemérhessük.

3. A kísérleti eredmények bemutatása

3.1 Az első mérések eredményei

Az első mérés során a kamra hőmérsékletét 1 [°C]-ra állítottam. Először az on/off-os készüléket kapcsoltam be, feljegyeztem a mérés kezdetén a fogyasztásmérő állását, mely 3,7 [kWh]-t mutatott. Ezután véletlenszerűen kiválasztott időszakokban vizsgáltam a kamra hőmérsékletének alakulását, ezeket mutatja a 6. ábra.

6. ábra Az on/off-os hűtőgép - kamra belső hőmérséklete, első mérés, 1 [°C] tartani kívánt belső léghőmérsékletnél

Látható, hogy a berendezés a korábban leírtaknak megfelelően, periodikusan működik. Feltűnő, hogy az üzemelési idő (a diagramon a csúcspontoktól az alsó pontokig) jóval rövidebb, mint az állási idő. Ennek oka, hogy a kamrában a mérések során nem volt áru, a hűtőgép így jelentősen túlméretezett, mivel csak a levegőt hűtjük, a kamra hőveszteségét fedezzük.

Hogy további információkat kaphassunk a működésről, a kondenzátoroldalon is megvizsgáltam a periodikusságot, ezt a 7. ábra mutatja.

7. ábra Az on/off-os hűtőgép - aggregátoldali mérés, 1 [°C] tartani kívánt belső léghőmérsékletnél

Az elpárolgási hőmérséklet -24/-23 [°C]-os értéke az állási időszakban nem valós. Ez annak tudható be, hogy a biztonsági szelepek zárása miatt a keringtetés megszűnik, és a mérőműszer érzékelője alacsony nyomást mér, az elpárolgási hőmérsékletet a hűtőközeg ismeretében számítja. Látható az is, hogy az üzemelés elején az áramfelvétel ugrásszerűen megnő, majd egyre laposabban csökken. A periódusát tekintve átlagban 8 perc 30 másodpercet állt és 1 perc 41 másodpercet üzemelt a gép.

A mérés végén a fogyasztásmérő 9,41 [kWh]-n állt.

Az inverteres berendezés mérésénél hasonlóan jártam el, azonban itt beállítottam a PID-szabályozó konstans értékeit is. A gyári alapbeállítási javaslat erre (zárójelben a lehetséges értékek intervalluma) az alábbi volt:

·                 Időállandó: 30 (10-999)

·                 Proporcionális tag: 35 (0-999)

·                 Integrálótag: 0 (0-999)

·                 Deriválótag: 60 (0-999)

A gyártói javaslat alapján történő beállítás esetén az értékekből látható, hogy az integrálótag értéke 0, mintha nem lenne hatása a rendszer működése szempontjából. A belső léghőmérséklet ebben az esetben is 1 [°C], és a fordulatszám-szabályozott hűtőgép teljesítménymérője a mérés elején 61,8 [kWh]-t mutatott. A kamra belső hőmérsékletének alakulását a 8. ábra mutatja be.

8. ábra A DC-inverteres berendezés - kamra belső léghőmérsékletének alakulása 1 [°C] kamrahőmérséklet esetén

A 6. ábrán szemléltetett hőmérséklet-lefutáshoz közel sem hasonlít a 8. ábrán látható hőmérséklet-karakterisztika. Ennek két oka, hogy a hűtőgép ebben az esetben is túlméretezett, illetve hogy a kompresszor fordulatszámát az üzemi fordulatszám 15 [%]-a alá konstrukciós okokból nem lehet vinni. Ez azt jelenti, hogy a minimális hűtési teljesítmény is magasabb, mint amire szükség lenne. Következménye, hogy a kompresszor leáll, és csak egy bizonyos idő után indul újra, a kamra hőmérsékletétől függetlenül. Mivel ez a mérés nem vezetett volna eredményre, így változtattam a mérési paramétereken: csökkentettem a kamra hőmérsékletét 0 [°C]-ra, valamint megbizonyosodtam arról, hogy nem történik majd leolvasztás, ezzel is egyszerűsítve az összehasonlítást.

A mérés után 67,62 [kWh]-n állt a teljesítménymérő. A mérések összehasonlítását a 6. táblázat tartalmazza.

6.     Táblázat Az első mérések eredményei

Észrevehetjük, hogy a felhasznált fogyasztás a várttól eltérő, az on/off-os volt takarékosabb. Habár az inverteres közelítette meg jobban a kívánt hőmérsékletet, annak tartása nem volt ideális. Következtetésnek levonhatjuk, hogy egy túlméretezett rendszer esetén a PID-szabályozó a gyártói alapbeállítás- (PID) paraméterek mellett nem üzemel még olyan jól se, mint on/off-os társa.

3.2 A PID-szabályzó hangolása

Ahhoz, hogy optimálisan üzemeljen a berendezés a PID-szabályozó hangolása kell. Ettől azt várjuk, hogy megfelelő időn belül a kívánt értékhez kellően közeli hőmérsékletre állítsa be a kamra levegőjének hőmérsékletét.

A valóságban számos módszer létezik a PID-szabályozók hangolására. Itt ezt a legegyszerűbbel, Ziegler-Nichols-módszerrel végeztem (továbbiakban Z-N) [2-10]. A lényege, hogy a rendszert olyan beállítás mellett üzemeltetjük, hogy az integráló- és a deriválótag ki van iktatva, csak a proporcionális tag vesz fel értéket. Emellett az instabilitás határán kell üzemelnie a berendezésnek, és ott megvizsgálni a rendszer periodicitását. Ebből kapható a kritikus idő [s] és a kritikus proporcionális tag értéke [-]. Ezekből már a 6. táblázat alapján számolhatóak a berendezés további értékei.

6.     Táblázat Z-N-módszer PID-konstansainak számítása

 ​

A PID-szabályozó Z-N-módszerrel történő helyes behangolása egyedülálló a kereskedelmi hűtőberendezések területén, mivel a vizsgált hűtőteljesítmény-tartományban a piacon kapható legelterjedtebb hűtőberendezések szabályozása eltérő. Figyelembe véve azt a tényt, hogy a gyártó nem engedélyezte a vezérlőszoftvereihez való hozzáférést, empirikus kézi hangolásra került sor, egészen addig, amíg a PID-szabályozott készülék jóval nagyobb pontossággal követte a hűtési igényt, mint egy on/off hűtőszekrény.

A PID-szabályzó behangolása során a cél egy lassabb, de pontos, ingadozásmentes, úgynevezett túlcsillapított rendszer kialakítása. Ehhez egy módszer, hogy a deriválótagot a lehető legmagasabbra állítsuk. Így a beállítások a következő szerint alakulnak:

·                 Időállandó: 10 (10-999)

·                 Proporcionális tag: 25 (0-999)

·                 Integrálótag: 0 (0-999)

·                 Deriválótag: 500 (0-999)

A mérés során a kamrában elhelyezésre került egy 500 [W]-os reflektor is, mely plusz hőt állított elő. Ez az on/off-os berendezés esetében jelentősen növelte az üzemelési és csökkentette az állási időket, melyeket a 9. ábrán, a kamra belső hőmérsékletének alakulásán és a 10. ábrán, a kondenzátoroldali paraméterek alakulásán is jól láthatunk.

9. ábra Az on/off-os berendezésnél a belső hőmérséklet alakulása 0 [°C] és belső hőtermelő esetén

10. ábra Az on/off-os berendezésnél a kondenzátoroldali paraméterek alakulása 0 [°C] és belső hőtermelő esetén

Valóban láthatjuk, hogy a periódusok jelentősen besűrűsödtek. Átlagban 3 perc 32 másodpercet ment és 2 perc 3 másodpercet állt a gép.  A 24 órás mérés végén a fogyasztásmérő 32,69 [kWh]-t mutatott. Az inverteres berendezés paraméterei se változtak. Azt vártam a mérés elején, hogy hasonlóan stabilan tartja a belső hőmérsékletet, és úgy üzemel, mint a második mérésnél, csak magasabb fordulatszámon jár a kompresszor. A fogyasztásmérő a mérés kezdetén 130,6 [kWh]-t mutatott. A belső hőmérséklet alakulását a 11. ábra, a kondenzátoroldali paraméterek változását a 12. ábra mutatja be.

11. ábra A DC-inverteres berendezésnél a belső hőmérséklet alakulása 0 [°C] és belső hőtermelés mellett

12. ábra A DC-inverteres berendezésnél a kondenzátoroldali paraméterek alakulása 0 [°C] és belső hőtermelés mellett

A mérés során az átlagos kompresszor-fordulatszám 23,2 [%]-a volt a névleges fordulatszámnak. Ez a vártnak megfelelő eredmény, mint ahogyan az is, hogy a nagyobb hűtési teljesítményigénynél az áramfelvétel is nőtt. A mérés végénél a fogyasztásmérő 136,1 [kWh]-t írt.

7.     Táblázat Eredmények behangolt PID-szabályzó esetén

Láthatjuk, hogy ebben az esetben már minden téren az inverteres berendezés a kedvezőbb. Az on/off-os fogyasztásának a növekménye azért ilyen drámai, mert a berendezés már csak harmad annyit áll, mint a második mérésben. Ellenben a fordulatszám-szabályozott berendezés követte a hűtési igényt. Épp ezért ilyen körülmények között ez a 62 [%]-os energiamegtakarítás lehetséges az on/off-os berendezéssel szemben.

4. Az eredmények összefoglalása, következtetések

Ebben a kutatási munkában a kereskedelmi hűtéstechnikai célra kifejlesztett, DC-inverteres hűtőberendezés energiafogyasztásának optimalizálását végeztem kísérleti úton. A berendezés PID-szabályozóját az arányos, integrált és differenciálótagjainak megfelelő értékek beállításával optimalizáltam az optimális energiaellátás elérése érdekében. A kutatási munka eredményeiből levont főbb megállapításokat az alábbiakban foglalom össze:

1.   A PID-szabályozott DC-inverter-készülék sokkal nagyobb pontossággal követi a hűtési igényt, mint az on/off szabályozású hűtőberendezés. A különbség meghatározása a tanulmányban bemutatott kísérleti úton, egzakt módon történt.

2.   A DC-inverteres hűtőberendezés behangolatlan PID-szabályozóval történő üzemeltetése 1,92%-kal nagyobb energiafogyasztást eredményezett szemben a hagyományos on/off vezérlésű készülékkel, ugyanazon a hűtőkamrában, azonos üzemeltetési feltételek és körülmények mellett.

3.   Az elektronikus expanziós szeleppel, a Scroll-kompresszorral és a megfelelően behangolt PID-szabályzóval üzemeltetett DC-inverteres hűtőberendezésen végzett kísérletek együttes hatása mintegy 62,4%-os energiamegtakarítást eredményezett szemben a hagyományos on/off vezérlésű készülékkel, azonos üzemi körülmények mellett.

A kutatás folytatása gyanánt cél olyan szimulációs modell kidolgozása hűtőkamrákban alkalmazott klímatechnikai rendszer energiafelhasználásának vizsgálatára, mely figyelembe veszi a gyakorlatban elterjedt kompresszor, adagoló- és a vezérlőegységek típusát is, illetve a szimulációs modell validálása a mért eredményekkel.