Chiller Rating and Actual Operating Performance in Hot and Humid Region – Case Of Malaysia

Chiller Rating and Actual Operating Performance in Hot and Humid Region

Dengan meningkatnya kepedulian terhadap lingkungan global dan pengurangan emisi karbon, industri HVAC telah meningkatkan energi yang sesuai.  Standar ASHRAE 90.1 telah membuat efisiensi minimum chiller lebih ketat dengan efektif mulai tahun 2015. Kode lokal di Asia menindaklanjuti peningkatan ini. Skema bangunan hijau Singapura Green Mark berfokus pada kinerja operasi chiller dan pabrik chiller yang nyata di samping persyaratan efisiensi chiller minimum. Sementara Malaysia memperkuat persyaratan peringkat chiller secara agresif dalam standar Malaysia terbaru: Efisiensi energi dan penggunaan energi terbaru untuk bangunan non-perumahan-Kode practice (MS 1525: 2019) yang mensyaratkan peringkat kinerja semua pendingin air tidak boleh kurang dari kode yang ditentukan Koefisien Kinerja beban penuh (COP) atau Malaysia Part Load Value (MPLV) pada kondisi peringkat di Malaysia.

Makalah ini akan melihat lebih dekat peringkat kinerja chiller dengan membandingkan peringkat muatan penuh dan peringkat muatan sebagian di daerah tropis di mana beberapa insinyur mengklaim Integrated Part Load Valve (IPLV) atau MPLV chiller tidak dapat mewakili kinerja operasi chiller di wilayah dengan iklim panas dan lembab.

CHILLER RATING’s

COP dan IPLV dirancang pada Air Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute (AHRI) dalam standar AHRI 559/590 sebagai indikator untuk mengevaluasi kinerja desain chiller tunggal dalam hal kinerja pada full load  dan karakteristik pada part load. IPLV ditentukan oleh efisiensi atas batasan beban, dimana beban bagian suhu air yang masuk ke condenser (ECWT) bervariasi secara linier dari 29,4°C pada beban 100% hingga 18,33°C pada 50% dan tetap pada 18,33°C dari 50% hingga 0%.

Karena untuk daerah iklim tropis, ECWT 18,33°C tidak memungkinkan untuk dihasilkan dari menara pendingin. Malaysia melakukan penyesuaian pada metrik beban bagian ini dan menghasilkan MPLV dalam MS 1525:2019. MPLV menunjukkan Nilai Beban Bagian Malaysia yang dihitung dengan efisiensi beban terukur pada kondisi peringkat Standar Malaysia, dimana suhu ECWT harus bervariasi secara linear dari 30,55°C pada beban 100% menjadi 26,67°C pada 50% dan tetap pada 26,67C untuk 50% sampai beban 0%. IPLV didasarkan pada kondisi AHRI standar dan biasanya dirujuk ke peringkat kinerja beban bagian chiller selama pengujian pabrik dan mungkin tidak mewakili kondisi operasi desain chiller yang sebenarnya, terutama di wilayah iklim tropis. Sementara MPLV yang merupakan Nilai Beban Bagian Non-Standar (NPLV) pada kondisi operasi Malaysia dapat lebih mencerminkan kondisi desain chiller off dalam operasi yang sebenarnya.  Dengan mengakui hal ini, MS 1525: 2019 menyatakan peringkat efisiensi chiller harus memenuhi COP minimum pada beban 100% pada kondisi peringkat standar Malaysia atau MPLV minimum seperti yang ditunjukkan pada MS 1525:2019 Tabel 25, dan tidak pada kedua kondisi tersebut.

Tabel MS 1525 25 mengacu pada alur ketentuan chiller CSD  dengan jelas yang memiliki COP pada beban penuh yang relatif tinggi dan IPLV rata-rata. Sebaliknya chiller penggerak kecepatan variabel (VSD) akan memiliki COP beban penuh yang relatif rendah karena kehilangan efisiensi VSD dan IPLV tinggi karena optimalisasi kecepatan kompresor pada kondisi beban sebagian. Akan lebih mudah bagi chiller VSD untuk memenuhi persyaratan MPLV sementara chiller CSD lebih mudah untuk memenuhi persyaratan beban penuh.

Standar ASHRAE 90.1 mengenali fitur kinerja yang berbeda antara pendingin CSD dan VSD juga menetapkan dua alur ketentuan yang berbeda untuk pendingin CSD dan pendingin VSD, sedangkan MS 1525 tidak memiliki fitur kinerja seperti itu. Perbedaan utama lainnya antara MS 1525 dan ASHRAE 90.1 mengenai efisiensi minimum chiller adalah kondisi peringkat chiller. MS 1525 menetapkan kondisi peringkat standar water chiller adalah suhu air dingin keluar/masuk 6,67°C/12,22°C dan suhu air keluar/masuk condenser 36,11°C /30,55°C. Temperatur air condenser lebih tinggi dari kondisi rating AHRI 550/590 pada 29.4°C /34.6°C yang membuat persyaratan efisiensi chiller MS 1525 lebih ketat dari ASHRAE 90.1 sekitar 5-6%.

Di daerah iklim panas dan lembab, ada pemahaman bahwa karena IPLV tidak dapat diterapkan dalam operasi nyata karena suhu air condenser tidak dapat diturunkan hingga mencapai 18,33°C, maka disimpulkan VSD centrifugal chiller tidak dapat menghemat energi karena tidak ada bantuan dari kondisi ambien yang tinggi. Memang benar di daerah beriklim panas dan lembab, tidak ada relief ambien yang besar seperti yang dijelaskan IPLV. Tetapi masih ada bantuan ambien 5-6°C yang tersedia untuk jam operasi yang signifikan dan yang lebih penting, chiller akan beroperasi pada sebagian besar kondisi beban sebagian di sebagian besar aplikasi karena pabrik dirancang dengan beberapa sistem pendingin dan pabrik akan terlalu besar karena faktor keamanan dari perhitungan beban hingga ukuran peralatan. Ini diakui oleh kode Malaysia dan oleh karena itu MPLV didefinisikan untuk menilai kinerja beban bagian chiller. Meskipun MS 1525 menerima MPLV untuk ketentuan efisiensi chiller, industri cenderung menentukan kepatuhan COP beban penuh karena ambang batas MPLV rendah.

Operating performance comparison between CSD and VSD chillers.

Untuk menyelidiki potensi penghematan dari chiller CSD dan chiller VSD, dilakukan analisis kinerja operasi chiller yang komprehensif untuk chiller centrifugal besar CSD dan VSD. MS 1525 menentukan suhu air condenser yang lebih tinggi daripada AHRI 550/590 yang membuat MS 1525 chiller pada beban penuh dengan persyaratan minimum COP adalah sekitar 5-6% lebih efisien daripada ASHRAE 90.1 jalur persyaratan kepatuhan. Di sisi lain, persyaratan efisiensi minimum MS 1525 MPLV cukup longgar dibandingkan dengan persyaratan kepatuhan chiller ASHRAE 90.1 VSD jalur B karena MS 1525 mungkin tidak mempertimbangkan aplikasi chiller VSD dengan baik di wilayah iklim panas dan lembab. Jadi chiller VSD yang dipilih dalam penelitian ini tidak berdasarkan persyaratan minimum MS 1525 MPLV, melainkan dipilih berdasarkan persyaratan minimum chiller VSD ASHRAE 90.1 jalur B, bukan yang efisiensi beban penuhnya 6% lebih baik daripada efisiensi minimum ASHRAE 90.1 VSD jalur B karena MS 1525 persyaratan minimum beban penuh COP adalah sekitar 5-6% lebih baik daripada jalur ASHRAE 90.1 CSD Efisiensi minimum pada kondisi peringkat Malaysia. Dua jenis bangunan, kompleks industri dan hotel di Kuala Lumpur, Malaysia yang memiliki profil beban pendinginan yang berbeda, digunakan dalam hal ini perbandingan. Profil beban pendinginan bulan Juli diilustrasikan pada Grafik 1 dan Grafik 2.

Nilai kunci dari chiller centrifugal 1.000RT CSD dan VSD yang dipilih ditunjukkan pada tabel 1. Area yang disorot efisiensi biru menunjukkan bahwa chiller CSD 1.000RT memenuhi persyaratan COP minimum MS 1525, dan area yang disorot kuning menunjukkan bahwa chiller 1.000RT VSD memenuhi MS 1525 persyaratan minimum MPLV dan 5% lebih tinggi dari persyaratan COP beban penuh chiller ASHRAE 90.1 VSD pada kondisi peringkat Malaysia.

Efisiensi beban bagian chiller pada pembebanan yang berbeda dan ECWT konstan yang berbeda dibandingkan pada Grafik 3. Chiller CSD menunjukkan efisiensi yang lebih baik daripada chiller VSD saat ECWT pada 30,5°C dari 85% menjadi 100% sementara efisiensi chiller VSD menjadi jauh lebih baik daripada chiller CSD saat memuat dan ECWT berkurang. Ini menunjukkan kecuali chiller beroperasi pada 85%-100% pada ECWT 30,5°C di sebagian besar waktu, kinerja operasi nyata chiller VSD akan lebih baik daripada chiller CSD.

Efisiensi pengoperasian chiller per jam dihitung berdasarkan beban pendinginan per jam dan suhu web bulb di Kuala Lumpur, Malaysia. Karena chiller CSD dan chiller VSD memiliki sweet spot efisiensi yang berbeda, pengurutan chiller dioptimalkan secara berbeda untuk meminimalkan penggunaan energi pengoperasian chiller CSD dan VSD. Efisiensi operasi rata-rata chiller bulanan dibandingkan dan diplot dalam Grafik 4 dan Grafik 5.

Hasilnya menunjukkan bahwa efisiensi operasi Chiller VSD adalah 7% lebih baik daripada pabrik chiller CSD untuk bangunan industri, dan 15% lebih baik daripada pabrik chiller CSD untuk kompleks hotel. Bangunan industri memiliki jam operasi lebih banyak ketika chiller dimuat relatif tinggi sementara gedung hotel memiliki jam operasi lebih banyak ketika chiller dimuat sebagian, yang membuat chiller VSD memperoleh manfaat efisiensi lebih banyak dari beban sebagian dibandingkan dengan bangunan industri.

Bahkan untuk wilayah beriklim panas dan lembab seperti Kuala Lumpur, chiller VSD masih dapat memperoleh manfaat efisiensi dari pengurangan ECWT hingga sekitar 27°C, yang menunjukkan bahwa efisiensi beban bagian chiller juga merupakan indikator kinerja yang penting. Chiller VSD biasanya akan membuat efisiensi beban penuh chiller turun sekitar 3-5% karena kehilangan VSD, tetapi efisiensi beban sebagian akan meningkat secara signifikan dari pengoptimalan kecepatan kompresor. Mengambil chiller VSD dari pertimbangan selama tender proyek karena kesenjangan efisiensi muatan penuh dari chiller CSD bukanlah keputusan yang bijak. Chiller centrifugal CSD dan chiller centrifugal VSD dibandingkan dalam analisis kasus ini karena industri berpendapat bahwa chiller centrifugal VSD tidak akan bekerja secara efisien di daerah iklim panas dan lembab dan berpendapat bahwa daya angkat kompresor centrifugal tidak dapat dikurangi sehingga kecepatan kompresor. Benar bahwa chiller centrifugal dan chiller perpindahan positif akan bereaksi berbeda terhadap pengangkatan dan pemuatan.

Chiller Centrifugal menggunakan kompresor berputar dinamis, yang membuat variasi kecepatan penggerak variabelnya bergantung pada jumlah daya angkat juga dan bukan hanya jumlah beban untuk mencapai energi tekanan yang stabil. Sementara chiller perpindahan positif menggunakan dua bagian mekanis untuk menjebak uap refrigeran, yang membuat variasi kecepatan penggerak variabelnya bergantung pada jumlah beban. Beberapa insinyur berpendapat bahwa di wilayah iklim panas dan lembab, suhu air kondensor tidak dapat dikurangi menjadi 24°C dan 18°C seperti yang dijelaskan IPLV, sehingga tidak ada penurunan daya angkat yang signifikan pada semua beban dan chiller centrifugal tidak dapat menurunkan kecepatan. Berdasarkan argumen ini, mereka menyimpulkan bahwa COP beban penuh dari chiller centrifugal akan menjadi nilai terbaik untuk merepresentasikan kinerja chiller di daerah beriklim panas lembab. Argumen ini cukup menyesatkan. Dari analisis kasus ini, terlihat bahwa efisiensi chiller centrifugal akan meningkat secara signifikan ketika suhu air condenser lebih rendah dari 30,55°C, dari 29°C menjadi 27°C bahkan lebih rendah selama beban sebagian. Beberapa kompresor juga banyak berkontribusi pada efisiensi beban sebagian dalam analisis kasus ini. Trennya akan serupa untuk desain chiller centrifugal VSD yang berbeda.

Maksud dari analisis kasus ini adalah untuk menunjukkan bahwa potensi penghematan energi dari chiller VSD harus dievaluasi dengan baik dengan membandingkannya dengan chiller CSD pada kondisi operasi aktual. Mengevaluasi kinerja chiller hanya berdasarkan COP beban penuh nilai tunggal tanpa pertimbangan MPLV tidak tepat dan tidak lengkap karena chiller akan beroperasi pada beban sebagian hampir sepanjang waktu.

Rangkuman

IPLV/MPLV dan COP semuanya merupakan manfaat penting untuk menentukan bagaimana satu chiller bekerja pada beban penuh dan seberapa baik satu chiller dibongkar pada kondisi operasi tertentu. Harus diakui bahwa COP yang lebih baik atau IPLV/MPLV yang lebih baik tidak hanya menyimpulkan penghematan energi dan ekonomi yang lebih baik karena pembangkit listrik biasanya bukan pembangkit chiller tunggal dan chiller tidak beroperasi pada beban penuh atau pada kondisi beban sebagian yang sama seperti yang diasumsikan oleh IPLV/MPLV.

Di pabrik chiller sebenarnya, chiller biasanya akan beroperasi pada beberapa sistem chiller pada beban sebagian pada kondisi off design di sebagian besar waktu. Performa operasi chiller dari pabrik yang sebenarnya harus dievaluasi dan dioptimalkan kasus per kasus berdasarkan desain dan aplikasi pabrik. Satu chiller yang dianggap efisien di satu proyek tetapi di proyek yang lainnya dapat dianggap tidak efisien.

Kinerja operasi aktual chiller tidak dapat dievaluasi dengan satu nilai COP pada beban penuh atau dengan satu nilai MPLV.  Tidak ada nilai tunggal yang dapat memprediksi dan merepresentasikan konsumsi energi chiller dalam proyek nyata. Baik VSD chiller maupun CSD chiller dapat bekerja secara efisien bahkan di wilayah beriklim panas dan lembab dengan aplikasi yang tepat dan strategi yang dioptimalkan. Industri harus mengenali jalur kepatuhan efisiensi minimum VSD (MPLV) yang sama dengan jalur COP beban penuh dan melakukan evaluasi menyeluruh terhadap kinerja operasi chiller dan total pabrik berdasarkan profil beban proyek dan skenario operasi untuk membuat keputusan yang tepat dan bertanggung jawab.

Referensi:

1. Air Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute: AHRI 550/590, Standard for Water Chilling Package Using the Vapor Compression Cycle Appendix D
2. ASHRAE Standard 90.1, Section 6.4.1.1
3. Malaysian Standard: Energy efficiency and use of renewable energy for non-residential building- Code of practice, MS1525:2019, Section 8.11.1