Modernization of a direct expansion cooling plant used in air conditioning

Abstract

This thesis was prepared for YIT Kiinteistötekniikka Oy. The work involved studying ways to lengthen the life cycle and improve the energy efficiency of a direct expansion cooling plant. Direct expansion cooling plants have long used chlorine-containing refrigerants, which are harmful to the ozone layer, and the use of which has been banned in servicing since early 2010. In order to authorise the continued operation of these plants, at least the refrigerant must be changed.

The loss of efficiency caused by changing the refrigerant alone averages around 20 percent. If mineral oil is also changed to ester oil, more efficient refrigerants can be used, in which case the decrease in efficiency is approximately 10 percent. If the compressor is changed as well as the refrigerant and oil, more effective refrigerants can be used and the original efficiency attained. This study also considered changing the control system from the electrically inefficient hot gas bypass to a variable frequency drive compressor. The profitability of investing in such an exchange, in an ordinary office building, was studied by simulating the power demand for a cooling coil over a one year period.

Although annual energy consumption with a variable frequency drive was 39 percent lower, from an economic viewpoint the investment was not cost-effective. On the other hand, functional considerations such as the wider adjustment range and reduced wear and tear on the compressor, do favour the investment. However, there is no justification for modifying the old compressor, originally designed to operate at a constant speed, to a variable frequency drive, which could lead to problems with weakened internal oil circulation and resonance vibration.

Currently used refrigerants are also potent greenhouse gases. Direct expansion plants use large amounts of refrigerant in relation to their efficiency. This environmental risk can be reduced by switching to indirect cooling. Merely changing the refrigerant and oil cannot be recommended; in this case, efficiency would drop significantly and the plant would continue to use an old compressor that is near the end of its life cycle. It is recommended that the compressor be changed at the same time. The new compressor should be suitable for use with a variable frequency drive and matched with the prospective refrigerant.

Tämä diplomityö on tehty YIT Kiinteistötekniikka Oy:lle. Työssä tutkittiin keinoja ilmastoinnin suorahöyrysteisen jäähdytyslaitoksen elinkaaren pidentämiseksi ja energiahyötysuhteen parantamiseksi. Suorahöyrysteisissä jäähdytyslaitoksissa on pitkään käytetty otsonikerrokselle haitallista klooria sisältäviä kylmäaineita, joiden käyttö huollossa on ollut kielletty vuoden 2010 alusta. Näiden laitosten toiminnan varmentamiseksi tulisi vähintään kylmäaine vaihtaa.

Hyötysuhteen laskuksi pelkällä kylmäaineen vaihdolla tulee keskimäärin 20 prosenttia. Jos lisäksi kompressorin mineraaliöljyn tilalle vaihdetaan esteriöljy, voidaan käyttää tehokkaampia kylmäaineita, jolloin hyötysuhteen lasku on keskimäärin 10 prosenttia. Jos kylmäaineen ja öljyn lisäksi vaihdetaan myös kompressori, voidaan käyttää vielä tehokkaampia kylmäaineita, joilla voidaan saavuttaa alkuperäinen hyötysuhde. Työssä tutkittiin myös sähköenergian käytön kannalta tehottoman kuumakaasuohitussähkön vaihtamista kompressorin taajuusmuuttajasäätöön. Vaihtoinvestoinnin kannattavuutta tavanomaisessa toimistorakennuksessa selvitettiin simuloimalla jäähdytyspatterin tehotarve vuoden ajalta.

Vaikka taajuusmuuttajakäytöllä vuotuinen energiankulutus oli 39 prosenttia pienempi, investointi ei taloudellisessa mielessä ole kannattava. Investointia toisaalta puoltavat toiminnalliset seikat, säätöalue olisi laajempi ja kompressorin kuluminen vähenisi. Vanhan, alun perin vakionopeudella toimivaksi suunnitellun kompressorin muuttaminen taajuusmuuttajaohjatuksi ei ole kuitenkaan perusteltua, ongelmaksi voi tulla sisäisen öljynkierron heikkeneminen ja resonanssivärähtelyt.

Myös tänä päivänä käytössä olevat kylmäaineet ovat voimakkaita kasvihuonekaasuja. Suorahöyrysteisissä laitoksissa käytetään tehoon nähden suuria kylmäainemääriä. Tätä ympäristöriskiä voidaan pienentää siirtymällä epäsuoraan jäähdytykseen. Pelkkää kylmäaineen ja öljyn vaihtoa ei voida suositella, tässä tapauksessa hyötysuhde laskisi merkittävästi ja laitoksessa olisi edelleen käytössä vanha elinkaaren loppupuolella oleva kompressori. On suositeltavaa vaihtaa samalla myös kompressori. Uuden kompressorin tulisi olla taajuusmuuttajakäyttöön sopiva ja tulevalle kylmäaineelle sovitettu.