コンプレッサーは HVACR の脱炭素化の鍵となります

快適な冷房に対する世界的な需要が高まっており、これが二酸化炭素排出量の増加に寄与し、世界中および米国の電力網に負担をかけています。実際、国際エネルギー機関 (IEA) の報告書によると、世界の空気からのエネルギー需要は、エアコンの台数は 2050 年までに 3 倍に増加すると予想されており、世界のビル用エアコンの在庫は現在の 16 億台から 2050 年までに 56 億台に増加します。 報告書によると、これは今後30年間、毎秒10台の新しいエアコンが販売される計算になるという。

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HVAC システムや業務用冷凍装置は大量のエネルギーを消費し、二酸化炭素排出量の増加につながるため、これは懸念事項です。 この問題に対処するために、メーカーは解決策を見つけるために熱心に取り組んできましたが、最も有望なものの 1 つは可変速コンプレッサーです。

最も暑い日や最も寒い日のピーク負荷要件を満たすように設計された従来の固定速度 HVAC システムとは異なり、可変速コンプレッサーはよりエネルギー効率の高いソリューションを提供します。 ダンフォスのターボコア コンプレッサー製品管理ディレクターであるフランク フォード氏は、この技術を使用することで、HVAC システムは出力を調整して、建物や地域の気候に特有の需要を正確に満たし、さらには複数のコンプレッサーやシステム間で負荷のバランスを取ることができると述べています。

「これにより、可変速コンプレッサー システムは固定速度コンプレッサー システムと比較して最大 40% のエネルギー節約を実現できます。」と彼は言いました。 「このエネルギー使用量の大幅な削減は、建物の所有者にコスト削減をもたらすだけでなく、追加の発電所の必要性を減らすことで脱炭素化の取り組みにも貢献します。」

従来の固定速度システムは通常、ピーク負荷の日に対応するように設計されているため、通常の日常使用に必要な容量よりも多くの容量を備えています。 その結果、これらのシステムは頻繁にオンとオフを繰り返すため、温度の変動や湿度制御の低下、さらには起動と停止による効率の低下につながる可能性があるとエマソンの住宅製品マーケティングマネージャーのヴィッキー・ブレイキー氏は述べています。

「一方、調整コンプレッサーを使用すると、システムは負荷に合わせて容量を調整できるようになり、その結果、高効率での稼働時間が長くなり、快適性とエネルギー節約の両方が最大化されます」と彼女は言いました。 「ヒートポンプ用途で調整コンプレッサーを使用すると、エネルギー消費だけでなく排出ガスも削減できるため、暖房と冷房の脱炭素化目標の構築に役立ちます。」

HVAC オプション:可変速コンプレッサーは、ヒートポンプ、屋上ユニット、チラー、地熱システムでよく使用されます。 (LGエレクトロニクスコンポーネントソリューション提供)

また、ヒートポンプは、ボイラーや炉などの化石燃料ベースの暖房装置の代替または補完として使用されることが増えており、建物の二酸化炭素排出量をさらに削減できます。 LGエレクトロニクスコンポーネントソリューションビジネスチームのセールスエンジニアリング部パートリーダーのジェリー・エドワーズ氏は、可変速度ヒートポンプは、屋外温度が氷点下になる極寒の気象条件下で追加の容量を提供することで、暖房のニーズに応えることを特に目的としていると述べた。

「固定速度技術では調整ができないため、コンポーネントのサイズが高温冷却用に設定されている場合、実際には低温加熱用にサイズが小さくなります」と同氏は述べた。 「可変速技術により、不必要な場合にはコンプレッサーの出力を下げ、必要な場合には出力を上げることで、スペクトルの両端を補償することができます。」

可変速コンプレッサーは、ヒートポンプ、屋上ユニット、チラー、地熱システムなどの幅広い HVAC 機器で使用できますが、このテクノロジーの利点は用途によって異なります。 Edwards 氏が指摘したように、可変速度技術は、幅広いコンプレッサー負荷と必要な出力容量にわたって動作するように設計されたシステムで最も意味があります。

「可変容量は、その技術がシステムに必要なものである場合、より高い効率、潜在的により高い容量、そしてより低いサウンドレベルをもたらします」と彼は言いました。 「システムがかなり狭い範囲の負荷/出力で動作する場合、可変速コンプレッサーは必要なく、大きな利点ももたらさないでしょう。また、非常に大規模なシステムで使用するには高価すぎる可能性がありますが、住宅用ヒートポンプには適しています。」 、屋上などでは、可変速技術を利用することでメリットが得られる可能性があります。」

また、可変速コンプレッサー システムは一般に、固定速度のコンプレッサー システムよりもコストが高くなりますが、エネルギー効率が高いため、長期的なエネルギー コストの節約を考慮すると総所有コストが低くなります、とフォード氏は述べています。

「コスト削減を最大化するには、負荷条件を変化させることが必要であり、条件が変化すればするほどメリットが大きくなります」と同氏は述べた。 「このような変動する負荷条件は通常、ほとんどの建物に存在しますが、より一貫した負荷要件を必要とする特定の用途もあるため、可変速コンプレッサー技術を使用すると投資回収時間が長くなる可能性があります。」

場合によっては、可変速コンプレッサーを既存の HVAC システムに改造して、エネルギー効率を向上させることができます。 しかし、ブレイキー氏は、可変速コンプレッサーを備えた新しいシステムを設置する方が、一般に可変速コンプレッサーを備えた既存のシステムよりも効率が高く、二酸化炭素排出量が少ないため、より有利であると述べた。

効率の向上:場合によっては、可変速コンプレッサーを既存の HVAC システムに改造して、エネルギー効率を向上させることができます。 (エマーソン提供)

可変速度コンプレッサーを備えたシステムを改修する場合、主に考慮すべき点はコンプレッサーの制御であるとフォード氏は述べています。 これは、オンオフベースで動作する固定速度コンプレッサーとは異なり、可変速度コンプレッサーでは、VFD または内蔵コンプレッサー コントローラーを介して速度を制御するための信号またはプログラムが必要であるためです。

「すべてのタイプの可変速コンプレッサー技術が改造に適しているわけではないことに注意することも重要です」とフォード氏は述べた。 「たとえば、ダンフォス社がターボコール コンプレッサーで先駆的に開発したオイルフリー コンプレッサー技術は、システムからオイルを完全に除去することが難しいため、改造することはお勧めできません。システム内にオイルが残ると、この種のコンプレッサーに害を及ぼす可能性があります。」

後付けなし:システムからオイルを完全に除去するのが難しいため、オイルフリーの Turbocor コンプレッサーを既存のシステムに改造することはお勧めできません。 (ダンフォス提供)

ブレイキー氏は、可変速コンプレッサーはエネルギーの節約に加えて、HVAC 機器の稼働サイクルを長くすることで IAQ と快適性を向上させることができ、これにより相対湿度と温度の変動が減少し、空間が本質的により快適になると述べています。

「室温の迅速な低下と需要への迅速な調整が、顧客の快適さの重要な要素です」と彼女は言いました。 「たとえば、連続変調を備えたスクロール コンプレッサーは、負荷サイクル時間と無負荷サイクル時間の相対的な時間を変更することで、容量を 10% から 100% (またはその逆) に瞬時に調整できます。これは、システム需要の変化に、調整することなく、より迅速に対応できることを意味します。デジタル技術を利用した調整スクロールコンプレッサーは、より厳密な湿度制御とともに強化された制御と保護も備えています。」

可変速システムは基本的に、その出力を空調空間の需要に合わせているため、室内温度のより厳密な制御につながるとエドワーズ氏は述べた。 さらに、可変速システムは、室内空間の快適さを定義する上で重要な変数となる除湿専用に動作するように設計できます。

「除湿には、主に空間を冷却するのではなく、主に湿気を除去するためにコンプレッサーの速度と室内の空気の流れを調整する必要がありますが、固定速度のシステムではそれができません」と同氏は述べた。 「固定速度システムは、空間を冷却する副作用として除湿を提供します。周囲条件が穏やかな場合、除湿は事実上無視できます。可変速システムは、そのような穏やかな気候では顕著な改善をもたらします。」

もう一つの利点は長寿命です。 頻繁にオンとオフを繰り返す従来の固定速度コンプレッサー技術では、コンポーネントに過度の磨耗が発生する可能性があります。 これは特にオイルベースのコンプレッサーに当てはまります、とフォード氏は述べています。

同氏は、「可変速システムは起動と停止の回数を減らすことで、コンプレッサーやその他のコンポーネントの寿命を延ばすことができ、建物の所有者やエンドユーザーのメンテナンスや交換のコストを節約することができます」と述べた。

エドワーズ氏は、コンプレッサー、モーター、ファンなど屋内外のコンポーネントのほとんどは低速で動作させると静かになるため、可変速システムでは騒音レベルも下がると付け加えた。

エマソンのクライメートテクノロジー事業のスクロールおよびドライブのシニアプロダクトマネージャーであるジョー・サマーズ氏は、可変速コンプレッサーは商用冷凍用途でも使用されており、エネルギー効率と低GWP冷媒への移行という持続可能性の2つの重要な要素に効果的に取り組むことができると述べた。 。

「固定速度のコンプレッサーと比較して、可変速圧縮技術は通常、冷凍用途において 20% ～ 30% のエネルギー効率の向上を実現します。」と同氏は述べています。 「可変速コンプレッサーは、CO2、R-290、新興の A2L 冷媒など、低 GWP 冷媒の代替品との併用も認められています。可変速コンプレッサーは、固定速度のコンプレッサーの 2 倍の速度で動作できるため、冷媒質量流量を 2 倍にする — 低 GWP 代替品のより少ない充填量を使用して、最大 2 倍のコンプレッサー冷却能力を生み出すことができます。これは、1 台の低充填 R-290 または A2L 可変速コンプレッサーが、2 台の固定式コンプレッサーと同じ能力を供給できる可能性があることを意味します。 -スピードモデルにより、場合によっては複数の冷凍回路の必要性がなくなり、その結果、適用コストと設備の設置面積が削減されます。」

サマーズ氏は、商用冷凍システムに可変速度技術を組み込むことには、固定速度モデルと比較してコンプレッサーのサイクルを最大 90% 削減するなど、他の利点もあると述べました。 コンプレッサーの過度の磨耗を排除します。 メンテナンス費用の削減。 機器の寿命を延ばす。 そしてより静かに動作します。

「可変速コンプレッサーの目標は、可能な限り最低速度で可能な限り長時間動作することです。これによる運用上の利点の 1 つは、音質とコンプレッサーの高調波の改善です。」と彼は言いました。 「継続的な低速動作により、単一速度の固定コンプレッサーよりも静かに動作するだけでなく、コープランド コンプレッサーのサイクリング音は、ほぼ知覚できないほどのホワイト ノイズとなる一貫したハム音に置き換えられます。」

可変速度コンプレッサーは、正確な負荷マッチングと改善された温度制御を可能にし、内蔵型リーチインユニットを含む幅広い低温および中温の商用冷凍アプリケーションで使用できます。 リモート凝縮ユニット。 配布されたスクロール パック。 そしてラックの改造。 これらは、新規用途と改造用途の両方で使用することもできますが、改造状況によっては、過小なコンプレッサーが部分負荷容量 (つまり、全容量以外の容量) で稼働できない可能性があり、その場合は性能が損なわれる可能性があるとサマーズ氏は警告します。可変速技術を使用する目的。

しかし、合理的であれば、既存の固定速度コンプレッサーラックに可変速コンプレッサーを改造することが、可変容量変調を可能にする効果的な方法となり得る、とサマーズ氏は述べた。 同氏は、この戦略には、老朽化し​​たコンプレッサーを可変速コンプレッサーに置き換えて、ラック内のリードコンプレッサーとして機能させることが含まれると述べました。

「VFDを固定速度のコンプレッサーに単純に適用し、コンプレッサーの吸入圧力を逃がすように構成したり、冷凍システムの制御に接続したりすることも可能だ」と同氏は述べた。 「たとえば、エマソンの E3 監視制御は、この種の設置をサポートするネイティブ プログラミングを備えており、E2 制御などの従来のコントローラでも、可変速コンプレッサーの利点を最大限に活用するために必要な情報で簡単に更新できます。改造シナリオ。」

持続可能性と脱炭素化の目標の達成に注力するエンドユーザーが増えているため、エネルギー効率の高い機械システムのニーズは今後も高まる一方です。 可変速技術は、HVACR 機器をより効率的かつ正確に動作させることで、この課題に対する実行可能な解決策を提供し、その結果、エネルギー消費量が削減され、二酸化炭素排出量が削減されます。 その結果、HVACR 機器の将来は可変速技術とますます結びついていくようです。

ジョアンナ・ターピンは上級編集者です。 彼女への連絡先は、248-786-1707 または [email protected] です。 Joanna は 1991 年から BNP Media に入社し、最初は同社の技術書籍部門を率いていました。 彼女はワシントン大学で英語の学士号を取得し、イースタンミシガン大学で技術コミュニケーションの修士号を取得しました。