Fan optimization and its effect on the performance and cost of air-water industrial chillers

Heating, ventilation and air condition these days is indispensable in industrial and residential sector. From small homes to large residential buildings, offices and almost every type of industries it is now playing a vital part. Due to everyday usage and necessity, development of new technologies in order to meet contemporary needs is exponentially demanding. Therefore, improvement in performance, introduction of new features with cost reduction has become a crucial challenge to meet. In the light of considering above requirements for industrial HVAC sector, This thesis work is based on optimization of Air-water Chiller to enhance the performance and selection of best components with cost reduction. To carry out this research for tradeoff between coast and performance, a protype of 130 kW of cooling capacity air-water chiller is built and analyzed. In this testing and analysis work, it is found out Fans used for outdoor heat exchangers (condensers) have direct impact on unit performance. For this purpose, different combinations of fans with different components have been tested under nominal conditions and part load conditions to to analyze chiller performance, room for improvement and cost reduction. Some parameters and their behaviors related to fans such as flow rate, air pressure difference, rpm, noise level and power consumption is measured in labs by simulating real outdoor conditions. After gathering performed test data, simulation software’s have been used to analyze the difference between actual lab results and simulated data results. These tests performed during this prototype project have improved the accuracy of simulation software’s by tuning experimental results. Based on the results obtain from prototype 1 named as Module 1, a new fan control logic is obtained by optimizing old fan control logic, which regulates the fan speed at different part loads of air-water chiller. Improved energy efficiency ratio (EER) and seasonal energy efficiency ratio (SEER) of 7 % have been found out. Apart from it, after studying and analyzing the 3 different type of fans and their combinations with respect to specified design conditions, improved EER, SEER, noise cutting and cost reduction is obtained. Based on the work performed in this project, higher capacity of 330 kW and greater than 700 kW air-water chillers have been simulated and been sent to testing. Initial results obtained from 330 kW prototype named Module 2 is very promising, thus verifying the results obtained from this project.

Il riscaldamento, la ventilazione e la climatizzazione oggigiorno sono indispensabili nel settore industriale e residenziale. Dalle piccole case ai grandi edifici residenziali, uffici e quasi ogni tipo di industria, ora sta giocando un ruolo vitale. A causa dell'uso e delle necessità quotidiane, lo sviluppo di nuove tecnologie per soddisfare le esigenze contemporanee è esponenzialmente esigente. Pertanto, il miglioramento delle prestazioni, l'introduzione di nuove funzionalità con riduzione dei costi è diventata una sfida cruciale da affrontare. Alla luce dei requisiti di cui sopra per il settore HVAC industriale, questo lavoro di tesi si basa sull'ottimizzazione del refrigeratore aria-acqua per migliorare le prestazioni e la selezione dei migliori componenti con riduzione dei costi. Per svolgere questa ricerca per il compromesso tra costa e prestazioni, viene costruito e analizzato un prototipo di un refrigeratore aria-acqua da 130 kW con capacità di raffreddamento. In questo lavoro di test e analisi, si è scoperto che i ventilatori utilizzati per gli scambiatori di calore esterni (condensatori) hanno un impatto diretto sulle prestazioni dell'unità. A tal fine, sono state testate diverse combinazioni di ventilatori con componenti diversi in condizioni nominali e condizioni di carico parziale per analizzare le prestazioni del refrigeratore, i margini di miglioramento e la riduzione dei costi. Alcuni parametri e i loro comportamenti relativi ai ventilatori come portata, differenza di pressione dell'aria, giri/min, livello di rumore e consumo energetico vengono misurati in laboratorio simulando condizioni reali all'aperto. Dopo aver raccolto i dati dei test eseguiti, sono stati utilizzati software di simulazione per analizzare la differenza tra i risultati di laboratorio effettivi e i risultati dei dati simulati. Questi test eseguiti durante questo progetto prototipo hanno migliorato l'accuratezza dei software di simulazione mettendo a punto i risultati sperimentali. Sulla base dei risultati ottenuti dal prototipo 1 denominato Modulo 1, si ottiene una nuova logica di controllo del ventilatore ottimizzando la vecchia logica di controllo del ventilatore, che regola la velocità del ventilatore a diversi carichi parziali del refrigeratore aria-acqua. Sono stati rilevati un miglioramento dell'indice di efficienza energetica (EER) e dell'indice di efficienza energetica stagionale (SEER) del 7%. Oltre a ciò, dopo aver studiato e analizzato i 3 diversi tipi di ventilatori e le loro combinazioni rispetto alle condizioni di progetto specificate, si ottiene un miglioramento dell'EER, SEER, dell'abbattimento del rumore e della riduzione dei costi. Sulla base del lavoro svolto in questo progetto, sono stati simulati e sottoposti a test refrigeratori aria-acqua di potenza superiore a 330 kW e superiori a 700 kW. I primi risultati ottenuti dal prototipo da 330 kW denominato Modulo 2 sono molto promettenti, verificando così i risultati ottenuti da questo progetto.