Стоимость системы кондиционирования для производственных помещений, где технологическое оборудование и производственные процессы особо чувствительны к микроклимату, часто намного меньше, чем потери, к которым может привести ее неисправность. Одна из мер, обеспечивающих надежность таких систем, — резервирование оборудования по схеме «n+1», что означает постоянное наличие «горячего» резерва, который задействуется при возникновении любой проблемы.
«Разумные» системы использования естественного холода
При низкой температуре окружающей среды для круглогодичного обслуживания технологических систем и производственных процессов выгодно использовать системы со «свободным охлаждением» (free cooling). Использование естественного холода позволяет снизить нагрузку или даже вовсе остановить компрессор, являющийся главным потребителем электроэнергии в холодильной машине.
Помимо экономичности применение систем со свободным охлаждением ведет к снижению выбросов в атмосферу СО2 и, следовательно, уменьшает вред, наносимый окружающей среде.
На объектах, где требуется гарантированное непрерывное поддержание нужной температуры, разумно использовать теплообменники «свободного охлаждения» как функционирующего, так и находящегося в «горячем» резерве оборудования. Для этого хладоноситель подается не через трехходовой клапан, а при помощи специального насоса.
Чиллеры со встроенными насосами
На рис. 1 показано типовое решение для чиллеров, в первичном контуре которых имеется встроенный насос. Все три машины объединены в «разумную» систему, при этом чиллер № 1 находится в резерве.
Когда температура наружного воздуха достаточно низка, система управления чиллерами № 2 и № 3 приводит в действие насосы систем «свободного охлаждения» и вентиляторы на резервном агрегате № 1. Циркуляция хладоносителя при этом происходит через все теплообменники «воздух/хладоноситель», вне зависимости от того, являются ли они рабочими или находятся в резерве (см. рисунок 2).
Следует отметить, что гидравлическое сопротивление, возникающее из-за выключенного насоса на резервном чиллере, затрудняет циркуляцию хладоносителя в этой водоохлаждающей машине.
 |
| Рисунок 1. Схема чиллеров с системами использования естественного холода и встроенными насосами на первичных контурах, где А – теплообменники “воздух/хладоноситель”; В – встроенные насосы системы использования естественного холода; С – испарители; D – основные встроенные насосы; E – обратные клапаны |
 |
| Рисунок 2. Схема циркуляции хладоносителя в системе “разумного” использования естественного холода со встроенными насосами на первичных контурах |
Чиллеры, оборудованные выносными насосами первичной сети
В том случае, когда в систему входит единая насосная станция или выносной гидравлический модуль, необходимо оснастить чиллеры устройствами, которые будут отсекать по гидравлике испаритель резервной машины.
По этой причине на входе в испаритель обычно размещается моторизованный клапан, а на линии подачи — обратный клапан (рис. 3).
Проектируя «разумную» систему использования естественного холода для схем с выносными насосными станциями или выносными гидравлическими модулями, необходимо предусмотреть установку на чиллеры дополнительных моторизованных клапанов, чтобы предотвратить возможную циркуляцию хладоносителя через испаритель резервного агрегата (рис. 4).
 |
| Рисунок 3. Схема чилеров с системами использования естественного холода без встроенных насосов на первичных контурах |
 |
| Рисунок 4. Стандартная схема “а” – с работающими чиллерами №1 и №3, а чиллер №2 находится в “горячем” резерве. Схема “b” – с “разумным” использованием естественного холода с работающими чиллерами №2 и №3, а чиллерами №1 резервный, где A и E – моторизованные клапаны; R – теплообменники “воздух/хладоноситель”; С – встроенные насосы системы использования естественного холода, D – испарители |
Сравнительный анализ
Чтобы подтвердить экономический эффект применения предложенной схемы, было проведено сравнение стандартного решения с тремя чиллерами, один из которых находится в резерве, и нового, с подключенными по принципу «разумного» использования естественного холода. Для исследования использовались чиллеры Uniflair BRAF1306 A холодопроизводительностью 329 кВт с шестью спиральными компрессорами и шестью вентиляторами.
«Разумная» схема привела к снижению годового потребления электроэнергии на 3–7 % по сравнению с традиционными системами «свободного охлаждения». Если же сравнивать со схемами без использования естественного холода, то экономия может достигать 50 %.
Полученные результаты были детально проанализированы путем исследования следующих параметров: потерь напора, расхода хладоносителя, мощности теплообменника, энергоэффективности.
Потери напора
Параллельное соединение теплообменников «свободного охлаждения» увеличивает проходное сечение для хладоносителя примерно на 1/5 (рис. 5) для каждого насоса по сравнению с проходным сечением одиночного чиллера. Потери напора, которые приходится преодолевать каждому насосу, уменьшатся вдвое. Следовательно, общие потери могут быть приблизительно оценены по следующей формуле:
PC(2+1)=PC2/2+20% x PC2
Расход хладоносителя
Стандартный расход хладоносителя в номинальном состоянии — 70 м3/ч. Уменьшение потерь напора подразумевает увеличение расхода хладоносителя. В нашем случае в схеме «2+1» новый расход хладоносителя составит приблизительно 80–81 м3/ч (рис. 6).
Расход хладоносителя на каждом теплообменнике системы свободного охлаждения составляет (81 × 2)/3 = 54 м3/ч, что на 23 % меньше номинального значения.
 |
 |
Нагрузка на теплообменники
Рассмотрим процесс теплообмена в теплообменниках системы свободного охлаждения.
Задано:
Q=K×S×∆T(H2O/Air),
где Q — тепловая мощность теплообменника, K — коэффициент теплопередачи, S — площадь поверхности теплообмена, ∆T(H2O/Air)— средняя разность между температурами воздуха и хладоносителя.
При условии, что система налажена согласно номинальному расходу хладоносителя (70 м3/ч), при увеличении расхода часть хладоносителя будет циркулировать так, как показано на рис. 6.
Когда температура наружного воздуха составляет 5°C (температура начала использования системы «свободного охлаждения»), a температура хладоносителя на входе в чиллер — 15°C (при ∆T = 5°C; заданная температура — 10°C), то температура перед насосом будет рассчитываться следующим образом:
Tin=(10°C×11м3/ч+15°C×70м3/ч)/м3/ч=14,3°C.
Отношение значений отводимой теплоты равно отношению эффективностей теплообменников:
Q(2+1)/Q(2)=((K(2+1)×S(2+1))/(K(2)×S(2)))×(∆T(H2O/Air)(2+1)/∆T(H2O)/Air(2))=1,43×0,93=1,33
То есть «разумная» схема увеличивает теплообмен на 33 %.
Энергоэффективность
Сравним энергопотребление чиллеров, подключенных по традиционной и «разумной» схемам, как при работе с использованием только естественного холода, так и в смешанном режиме, когда работают и теплообменники свободного охлаждения, и компрессоры.
При использовании двух чиллеров требуемая холодопроизводительность полностью обеспечивается теплообменниками свободного охлаждения при температуре наружного воздуха ниже 5°C. В схеме с единым контуром теплообменников рабочих и резервного чиллеров («2+1») естественный холод обеспечивает заданную холодопроизводительность при температуре наружного воздуха 7°C и ниже. В этих случаях теплообменники «воздух/хладоноситель» полностью снимают тепловую нагрузку, а температура хладоносителя контролируется изменением скорости вентиляторов.
Чтобы сравнить потребление электроэнергии для двух решений, необходимо оценить: скорость вращения (и, соответственно, энергопотребление вентиляторов) и энергопотребление насосов системы свободного охлаждения с учетом разницы в расходе хладоносителя.
Исследования показывают, что чиллеры, соединенные в систему «разумного» использования естественного холода, потребляют меньше энергии, чем при традиционной схеме, когда наружная температура выше 0°C. Происходит это, во-первых, из-за неиспользования компрессоров в диапазоне наружных температур от 7 до 5°C, а во-вторых, из-за более низкой скорости вентиляторов при температуре наружного воздуха ниже 5°C.
При температуре наружного воздуха ниже 0°C энергопотребление обоих решений практически одинаково — это связано с тем, что, с одной стороны, скорость вращения вентиляторов, и, следовательно, их энергопотребление очень невелики из-за высокой эффективности теплообменных процессов в теплообменниках «воздух/хладоноситель». С другой стороны, нагрузка на насосы системы «свободного охлаждения» из-за увеличения расхода хладагента в схеме «2+1» составит 7 кВт вместо 6,5 кВт.
При температуре наружного воздуха выше 5°C для традиционной схемы (и выше 7°C — для «разумной») теплообменники «воздух/хладоноситель» не могут полностью снять тепловую нагрузку, поэтому необходимо частично задействовать компрессоры. Однако при «разумной» системе подключения нагрузка на них будет меньше.
Сравнить энергосбережение в различных европейских городах с учетом их климата можно по таблице 1, где собраны показатели ежегодного потребления электроэнергии стандартными чиллерами, традиционными чиллерами со свободным охлаждением и чиллерами с «разумной» системой использования естественного холода.
| Таблица 1. Расходы и экономия электроэнергии в абсолютных и относительных единицах. Данные приведены для требуемой холодильной мощности 568КВт. При температуре наружного воздуха ниже – 15°C. При температуре наружного воздуха выше 15°C температура хладоносителя на выходе из чиллера – 7°C | |||||
| Город | Расход электроэнергии стандартными чиллерами, МВт*ч | Расход чиллерами со свободным охлаждением, МВт*ч | Расход электроэнергии с “разумным” свободным охлаждением, МВт*ч | Дополнит. экономия электроэнергии, кВт*ч | Дополнит. экономия электроэнергии, % |
| Франкфурт | 1107 | 747 | 712 | 34 560 | 5% |
| Рим | 1245 | 1 056 | 1 025 | 31 587 | 3% |
| Милан | 1144 | 815 | 786 | 29 132 | 4% |
| Манчестер | 1116 | 789 | 743 | 46 008 | 6% |
| Париж | 1178 | 910 | 873 | 36 954 | 4% |
| Амстердам | 1062 | 651 | 609 | 42 558 | 7% |
| Стокгольм | 1001 | 541 | 513 | 28 167 | 5% |
| Мадрид | 1204 | 938 | 902 | 36743 | 4% |
| Берлин | 1088 | 707 | 676 | 31 525 | 4% |
| Лондон | 1103 | 154 | 708 | 46 018 | 6% |
| Копенгаген | 1061 | 638 | 599 | 38 077 | 6% |
Выводы
Подключение оборудования по схемам «разумного» использования естественного холода позволяет уменьшить энергопотребление путем использования уже имеющегося оборудования, без значительных финансовых затрат и ущерба для надежности систем.
Материал компании Uniflair.
Редакция журнала «МИР КЛИМАТА» выражает благодарность за помощь в переводе и адаптации статьи на русский язык А.В. Селину, компания «Термокул»
