Современные системы кондиционирования

0
297

Кондиционирование является частью общей инженерной системы
поддержания температурно-влажностных параметров воздуха внутри здания и самым
непосредственным образом взаимосвязано с подсистемами вентиляции, отопления,
увлажнения, осушения. Рассмотрим системы кондиционирования для крупных объектов
гражданского и промышленного назначения. Это могут быть офисные и торгово-развлекательные
центры, больницы, гостиницы, производственные цеха и складские помещения.

Разработка системы кондиционирования требует, как правило,
наибольших капитальных затрат, это самая энергоемкая часть проекта. Кроме того,
это наиболее сложная и дорогостоящая в эксплуатации подсистема, создаваемая
с учетом таких критериев как первоначальные инвестиции, энергоснабжение и эксплуатационные
расходы. Комплексное решение поставленных задач делает эту часть проекта многовариантной,
а значит, требует аналитически обоснованных подходов.

Цель статьи – сравнительная оценка систем кондиционирования
на базе чиллеров последнего поколения. Это поможет более
взвешенно подходить к разработке концепций систем кондиционирования – как инвесторам, так и подрядным организациям.

Под холодильной станцией понимается комплекс оборудования,
вырабатывающий охлажденную воду, и насосные установки для транспортировки ее
по трубопроводам системы холодоснабжения. Рассмотрим шесть вариантов таких станций
на базе парокомпрессионных холодильных машин и один вариант на базе абсорбционного чиллера.

 

Чиллер с воздушным охлаждением конденсатора (вода)
Рис. 1. Чиллер с воздушным охлаждением конденсатора (вода)

Вариант 1. В холодильной станции на базе чиллеров
с воздушным охлаждением конденсатора наружной установки в качестве холодоносителя применяется вода.

Такое техническое решение наиболее экономичное и простое
для проектирования и монтажа.

Существенные недостатки – работа только при плюсовых
температурах, нерегулируемый высокий уровень звукового давления (≥ 62 дБА*),
угроза размораживания холодильной станции при неполном или несвоевременном сливе
воды.

В таблице 1 даны основные характеристики холодильных станций
различных типов. Расчет параметров производился на базе холодильного и теплового
оборудования Carrier и насосов Wilo.

 

Вариант ХС Тип

холодильной
станции

Относи-
тельная стоимость*,
%
СОР**

холодильной станции

Минимальный уровень звукового давления снаружи,
дБА
Минимальная

наружная
темпера-
тура,°С

Возможность встраивания системы
free-cooling
Рекомендации по

применению,
примечания

1 Чиллер с воздушным
охлаждением
конденсатора
100 2,8 62 +5 Нет — ограниченный бюджет
— охлаждение требуется только в летний период
2 Чиллер с воздушным
охлаждением
конденсатора
+ теплообменник
гликоль/вода
130 2,3 62 -20 Да — охлаждение требуется только в летний и переходные
периоды
– возможность встроить систему свободного
охлаждения
3 Чиллер со встроенной
системой свободного
охлаждения
и теплообменником
гликоль/вода
140 2,3 68 -40 Встроена — требуется круглогодичное охлаждение (технология,
серверные и др.), при отрицательных наружных
температурах воздуха работает как градирня (потреб-
ление энергии в 10 раз меньше)
4 Чиллер с выносным
конденсатором
140 2,7 40 -20 Нет — охлаждение требуется только в летний и переходные
периоды
5 Чиллер с водяным
охлаждением
конденсатора + закрытая градирня
160 3,0 40 -40 Да — круглогодичное охлаждение
– возможность встроить систему свободного
охлаждения
6 Центробежный чиллер
+ испарительная градирня
(расчет на ХС – 3 мВт)
90 4,8 55 -30 Нет — большие ХС (> 2 мВт)
– экономия электроэнергии
– низкие капитальные затраты
7 Газовый абсорбционный
чиллер + испарительная
градирня
180 16 + 0,08 м3
газа на 1 кВт
холода
55 -30 Нет — при дефиците или высокой стоимости подсоединения электроэнергии
– топливо: газ, солярка
– низкие эксплуатационные затраты

 

Чиллер с воздушным отоплением конденсатора, теплообменник вода/гликоль и градирня в варианте с системой free-cooling (опция)
Рис. 2. Чиллер с воздушным отоплением конденсатора, теплообменник вода/
гликоль и градирня в варианте с системой free-cooling (опция)

Вариант 2. Может быть выбрана холодильная станция, состоящая из чиллера с воздушным охлаждением конденсатора наружной установки
с незамерзающей жидкостью в качестве холодоносителя
и теплообменника гликоль/вода. Чиллер, как правило,
работает по температурному графику 5/10°С, а охлаждаемая
вода после теплообменника имеет параметры 7/12°С.

По сравнению с первым этот вариант имеет ряд преимуществ.
Нет необходимости сезонного опорожнения и заполнения гидравлической системы,
отсутствует угроза размораживания испарителя чиллера.
Система работает при отрицательных температурах наружного воздуха, а в холодный
период года можно интегрировать в нее сухую градирню для режима свободного
охлаждения.

Однако есть и существенные минусы – это удорожание
холодильной системы примерно на 30% (без учета градирни), а также повышение
энергопотребления за счет применения гликоля, более низких температур теплоносителя
и добавления второго гидравлического контура. Кроме того, требуется дополнительная
автоматика для предотвращения размораживания теплообменника гликоль/вода при запуске
системы зимой, особенно при перерывах в эксплуатации.

 

Чиллер со встроенной системой free-cooling (опция)
Рис. 3. Чиллер со встроенной системой free-cooling (опция)

Вариант 3. При применении воздухоохлаждаемого
чиллера со встроенной градирней (для реализации режима
свободного охлаждения) в холодный период года автоматика сама выбирает оптимальный
режим работы – компрессоры, градирня или смешанный. Таким образом достигается максимальное энергосбережение. В ряде
случаев, например, в технологических процессах, можно использовать этот тип
холодильной станции без промежуточного теплообменника гликоль/вода.

 

Бесконденсаторный чиллер с выносным конденсатором
Рис. 4. Бесконденсаторный чиллер с выносным конденсатором

Вариант 4. Система на основе чиллера внутренней
установки с выносным конденсатором работает и при отрицательных температурах
без угрозы размораживания. Уровень шума такой системы ниже, нагрузка на кровлю – меньше.

Однако система примерно на 40% дороже по сравнению с первым
вариантом. Круглогодично она может работать только в южных регионах, свободное
охлаждение возможно только как самостоятельная отдельная система, расстояние между
чиллером и конденсатором не должно превышать 30 м. Минусом можно считать также
большой объем фреона и необходимость высококвалифицированного монтажа.

 

Чиллер с водяным охлаждением конденсатора, градирни, free-cooling
Рис. 5. Чиллер с водяным охлаждением конденсатора, градирни, free-cooling

Вариант 5. Чиллер с жидкостным охлаждением
конденсатора и сухая градирня – такая холодильная станция имеет массу
преимуществ: высокая энергетическая эффективность и отсутствие угрозы размораживания,
круглогодичный режим работы (до -45°С), низкий уровень шума снаружи, уменьшение
нагрузки на кровлю и защищенность чиллера. Режим
свободного охлаждения может быть встроен с минимальными затратами – добавляется
только теплообменник гликоль/вода. Система не имеет ограничений по расстоянию между
чиллером и градирней, не требует сложного сезонного
технического обслуживания. Однако по сравнению с первым вариантом ее стоимость
выше примерно на 60%.

 

Вариант 6.

Центробежный чиллер
Рис. 6. Центробежный чиллер

Наибольшей энергетической эффективностью (СОР ~ 6) отличаются
водоохлаждаемые чиллеры с принципиально другим типом компрессоров – центробежным. Эффективность увеличивается при снижении температуры охлаждающей жидкости,
поэтому применяются испарительные градирни, позволяющие поддерживать
температуру охлаждающей воды около 30°С. Такой вариант может быть актуален
для крупных проектов с мощностью систем 3-20 мВт. Существенное преимущество – низкие капитальные затраты. Минусами является необходимость подпитки контура охлаждающей
воды, а также то, что минимальная производительность чиллеров
составляет 30% от номинала.

Абсорбционный чиллер
Рис. 7. Абсорбционный чиллер

Вариант 7. Если нет необходимой энергетической мощности, но есть возможность
присоединения к газопроводу, устанавливают газовый абсорбционный чиллер с водяным охлаждением. В качестве топлива можно
использовать и привозной сжиженный газ. Как и в случае с центробежными чиллерами, здесь целесообразно
применять испарительные градирни. Преимущества системы – минимальные относительные
затраты потребляемой электроэнергии и высокая окупаемость. В холодный
период года чиллер способен генерировать тепло для отопления
и горячего водоснабжения. Однако капитальные затраты будут относительно высоки.
Минимальная производительность такого чиллера
составляет примерно 25% от номинала. Кроме того, требуется подпитка контуров
охлаждающей воды.

Таблица сравнительных характеристик различных холодильных
станций (табл. 1) дает необходимую, но недостаточную информацию для выбора. Требуются
дополнительные данные, касающиеся специфики объектов и пожеланий заказчика.
Сюда можно отнести: стоимость электроэнергии; стоимость присоединения дополнительной
электрической мощности; стоимость сетевого природного газа; климатические условия
региона; возможность применения испарительных градирен; желаемые сроки окупаемости
дополнительных инвестиций; возможность наружной и внутренней установки холодильной
станции; расчет эксплуатационных характеристик станции на частичных нагрузках (в
течение года); требование к параметрам охлажденной жидкости; срок службы; стоимость
годового технического обслуживания (работа + материалы); другие специфические требования.

Оптимальный выбор может быть сделан только в результате
точных расчетов и «наложения» технического задания на возможности различных
типов холодильных станций.

 

В качестве примера рассмотрим абстрактное
техническое задание:

Задача: охлаждение серверной.

  • Требуемая холодопроизводительность: 1000 кВт.
  • Режим работы: круглосуточный, круглогодичный.
  • Газ: отсутствует.
  • Стоимость подключения электроэнергии: 1500 $/кВт.
  • Минимальная наружная температура:-40°С.

В этом случае
возможно применение следующих ХС: вариант 5 с системой free-cooling и вариант
3. При этом вариант 3 на 20% дешевле в первоначальных затратах, а вариант
5 более энергосберегающий. По нашим расчетам (с учетом работы летом, зимой и в
переходные периоды), срок окупаемости дополнительных капиталовложений (при равной
амортизации и стоимости технического обслуживания) составит за счет экономии
электроэнергии пять-семь лет. Однако если потребуется оплатить присоединение дополнительной
электрической мощности (~100 кВт- разница в электропотреблении вариантов 5
и 3), то вариант 5 становится предпочтительнее по всем экономическим показателям.

Статья подготовлена специалистами
компании АТЕК


* Здесь и далее все характеристики
приведены на условиях Eurovent, если не оговорено иное.

Назад

Предыдущая статьяКондиционеры PIONEER: новый подход к хорошему климату
Следующая статьяПроектирование систем кондиционирования ЦОД

Решение года