ارزیابی مصرف برق و آب مجازی چیلرهای هواخنک با پیش‌سرمایش آدیاباتیک در سه اقلیم شاخص ایران

سعیدی, علی; رخصت, جمال

doi:10.22034/stme.2025.523299.1129

ارزیابی مصرف برق و آب مجازی چیلرهای هواخنک با پیش‌سرمایش آدیاباتیک در سه اقلیم شاخص ایران

نوع مقاله : مقاله علمی

نویسندگان

علی سعیدی ¹

جمال رخصت ²

¹ استادیار، پردیس مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

² کارشناسی ارشد، پردیس مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

10.22034/stme.2025.523299.1129

چکیده

با توجه به افزایش روزافزون استفاده از چیلرهای تراکمی هواخنک و راندمان سرمایی پایین‌تر آن‌ها نسبت به نمونه‌های آب‌‌خنک هم‌ظرفیت، این مطالعه به بررسی تأثیر کاهش دمای هوای ورودی به کندانسور از طریق سامانه پیش‌سرمایش آدیاباتیک به‌طور همزمان بر بازده سرمایی، مصرف برق و مصرف آب مجازی چیلرهای هواخنک می‌پردازد. برای تحلیل و ارزیابی یک مدل ریاضی مبتنی بر روابط ترمودینامیکی و انتقال حرارت تدوین شد که در آن پارامترهای کلیدی مورد شبیه‌سازی قرار گرفت. شبیه‌سازی‌ها بر روی چیلر تراکمی هواخنک مدل 30XA-1352 Carrier با ظرفیت سرمایی ۱۴۰۳ کیلووات (معادل ۴۰۰ تن تبرید) انجام شد. نتایج شبیه‌سازی در اقلیم سه شهر مشهد، تبریز و یزد برای دوره یک‌ساله جمع‌آوری و شاخص‌های ضریب عملکرد (COP)، مصرف برق و مصرف آب مجازی ارزیابی شد. در شهر مشهد میانگین کاهش مصرف برق سالانه معادل 29% و افزایش COP برابر %41 همراه با صرفه‌جویی 1665 مترمکعب آب مجازی به‌دست آمد. در تبریز کاهش مصرف برق 26%، افزایش COP %36 و صرفه‌جویی 1130 مترمکعب آب مجازی مشاهده شد. برای یزد به ترتیب %32 کاهش مصرف برق، %47 افزایشCOP و 3200 مترمکعب صرفه‌جویی آب مجازی محاسبه شد. همچنین نتایج نشان می‌دهد در اقلیم یزد اثر پیش سرمایش هوای ورودی بیشتر از سایر شهر‌ها است. این نتایج حاکی است که به‌کارگیری سامانه پیش‌سرمایش آدیاباتیک در چیلرهای تراکمی هواخنک، به‌طور قابل‌توجهی کارآیی سرمایی را ارتقا داده و مصرف انرژی الکتریکی و آب مجازی را در اقلیم‌های مختلف کاهش می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

چیلر تراکمی

پیش سرمایش آدیاباتیک

مصرف برق

آب مجازی

موضوعات

تاسیسات و تهویه مطبوع

عنوان مقاله English

Evaluation of Power Consumption and Virtual Water Use of Air-Cooled Chillers with Adiabatic Pre-Cooling in Three Representative Iranian Climates

نویسندگان English

Ali Saeedi ¹

Jamal Rokhsat ²

¹ Assistant professor, Department of Mechanical Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran

² M.Sc, Department of Mechanical Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran

چکیده English

Air‑cooled vapor‑compression chillers are increasingly deployed because they are compact and easy to install, yet their efficiency lags behind water‑cooled machines of comparable size. This study evaluates whether adiabatic pre‑cooling of condenser‑inlet air can offset that handicap while simultaneously curbing electricity use and the virtual water embodied in power generation. A first‑principles thermodynamic model was formulated for a 1,403 kW (400 RT) Carrier 30XA‑1352 chiller and validated against catalogue data. Hourly weather files for Mashhad, Tabriz, and Yazd drove year‑long simulations. Pre‑cooling lowered condenser air temperature, thereby boosting the annual coefficient of performance (COP) by 41 %, 36 %, and 47 % in Mashhad, Tabriz, and Yazd, respectively. Corresponding electricity savings reached 29 %, 26 %, and 32 %. Although the evaporative system consumed 5.9–11.1 × 10³ m³ of water per year, the reduction in power demand trimmed virtual water withdrawals at power plants by 1.1–3.2 × 10³ m³. Benefits were most pronounced in Yazd’s hot–dry climate, highlighting the climate sensitivity of adiabatic pre‑cooling effectiveness and offering a scalable, cost‑effective retrofit option.

کلیدواژه‌ها English

Vapor-Compression Chiller؛ Adiabatic Pre-Cooling؛ Electricity Consumption؛ Virtual Water

اصل مقاله

‏[1] C. Kutscher and D. Costenaro, Assessment of evaporative cooling enhancement methods for air-cooled geothermal power plants. National Renewable Energy Lab., Golden, CO (US), 2002.

[2] F. W. Yu and K. T. Chan, "Application of direct evaporative coolers for improving the energy efficiency of air-cooled chillers," Journal of Solar Energy Engineering, vol. 127, no. 3, pp. 430–433, 2005, doi: 10.1115/1.1866144.

[3] B. Shen, M. R. Ally, C. K. Rice, and W. C. Craddick, Direct evaporative precooling model and analysis: development and simulations of an improved algorithm for import into EnergyPlus and applications to commercial buildings in the United States. Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Oak Ridge, TN (United States), 2010.

[4] E. Hajidavalloo and H. Eghtedari, "Performance improvement of air-cooled refrigeration system by using evaporatively cooled air condenser," International Journal of Refrigeration, vol. 33, pp. 982–988, 2010, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2010.02.001.

[5] J. Woolley and P. Fortunato, Western cooling challenge laboratory results: Trane Voyager DC hybrid rooftop unit. University of California, Davis, 2012.

[6] D. S. Parker, J. R. Sherwin, and R. A. Raustad, "Improving best air conditioner efficiency by 20–30% through a high efficiency fan and diffuser stage coupled with an evaporative condenser pre-cooler," Univ. of Central Florida, Florida Solar Energy Center, 2014, No. DOE-FSEC-0003920.

[7] K. Harby, D. R. Gebaly, N. S. Koura, and M. S. Hassan, "Performance improvement of vapor compression cooling systems using evaporative condenser: an overview," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 58, pp. 347–360, 2016, doi: 10.1016/j.rser.2015.12.313.

[8] P. Martínez, J. Ruiz, C. Cutillas, P. Martínez, A. Kaiser, and M. Lucas, "Experimental study on energy performance of a split air-conditioner by using variable thickness evaporative cooling pads coupled to the condenser," Applied Thermal Engineering, vol. 105, pp. 1041–1050, 2016, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2016.01.067.

[9] F. W. Yu et al., "Evaporative cooling technologies for air-cooled chillers for building energy performance improvement," Advances in Building Energy Research, vol. 10, no. 1, pp. 10–19, 2016, doi: 10.1080/17512549.2015.1040070.

[10] A. Kabeel, Y. El-Samadony, and M. Khiera, "Performance evaluation of energy efficient evaporatively air-cooled chiller," Applied Thermal Engineering, vol. 122, pp. 204–213, 2017, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2017.04.103.

[11] A. A. Eidan, K. J. Alwan, A. AlSahlani, and M. Alfahham, "Enhancement of the performance characteristics for air-conditioning system by using direct evaporative cooling in hot climates," Energy Procedia, vol. 142, pp. 3998–4003, 2017, doi: 10.1016/j.egypro.2017.12.311.

[12] K. Harby and F. Al-Amri, "An investigation on energy savings of a split air-conditioning using different commercial cooling pad thicknesses and climatic conditions," Energy, vol. 182, pp. 321–336, 2019, doi: 10.1016/j.energy.2019.06.031.

[13] H. A. Ozgoli and K. Seiedi Niaki, "Experimental evaluation of an energy efficiency improvement system in split air conditioner," Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, vol. 52, no. 2, pp. 365–380, 2020, doi: 10.22060/mej.2018.14298.5832 (in Persian).

[14] H. Yang, L. Rong, X. Liu, L. Liu, M. Fan, and N. Pei, "Experimental research on spray evaporative cooling system applied to air-cooled chiller condenser," Energy Reports, vol. 6, pp. 906–913, 2020, doi: 10.1016/j.egyr.2020.04.001.

[15] M. Ramzan, M. S. Kamran, M. W. Saleem, H. Ali, and M. I. M. Zeinelabdeen, "Energy efficiency improvement of the split air conditioner through condensate assisted evaporative cooling," Arabian Journal for Science and Engineering, vol. 46, pp. 7719–7727, 2021, doi: 10.1007/s13369-021-05494-x.

[16] F. Ahmed, A. Ramana, and K. Jayakumar, "Experimental study on adiabatic pre-cooling systems for air cooled condensers in hot and humid climates," Scientific Reports, vol. 15, no. 1, p. 4933, 2025, doi: 10.1038/s41598-024-82863-0.

[17] S. Vahidifar et al., "Numerical and experimental study of a new building cooling system based on compression refrigeration cycle," Science and Technology in Mechanical Engineering, vol. 1, no. 1, pp. 126–137, 2023, doi: 10.22060/mej.2018.14298.5832 (in Persian).

[18] Carrier, Air cooled liquid chillers, Carrier, 2019. [Online]. Available: https://chillers.com/wp-content/uploads/2019/04/Carrier-30XA-Chiller-Product-Manual.pdf

[19] D. S. Ltd., "Chiller performance curves," [Online]. Available: https://designbuilder.co.uk/helpv7.0/Content/ChillerEIR.htm

[20] F. W. Yu, K. T. Chan, J. Yang, and R. K. Y. Sit, "Cooling effectiveness of mist precooler for improving energy performance of air-cooled chiller," Thermal Science, vol. 22, no. 1 Part A, pp. 193–204, 2018, doi: 10.2298/TSCI151112071Y.

[21] A. Franco-Salas, A. Peña-Fernández, and D. L. Valera-Martínez, "Refrigeration capacity and effect of ageing on the operation of cellulose evaporative cooling pads, by wind tunnel analysis," International Journal of Environmental Research and Public Health, vol. 16, no. 23, p. 4690, 2019, doi: 10.3390/ijerph16234690.

[22] P. Torcellini, N. Long, and R. Judkoff, Consumptive water use for US power production, National Renewable Energy Laboratory (NREL), Golden, CO (United States), Tech. Rep. NREL/TP-550-33905, 2003.