Технологии энергоэффективности, применяемые в климатической технике, и логика их работы

0
451

Современное климатическое оборудование постоянно модернизируется. Устаревшие механизмы заменяются новыми, эффективность работы агрегатов возрастает, алгоритмы работы усовершенствуются. В рамках данной статьи будут рассмотрены технологии, которые позволили повысить эффективность систем вентиляции и кондиционирования, и объяснены принципы их работы.

Переохлаждение хладагента после конденсатора

Идея переохлаждения хладагента после конденсатора возникла в ходе анализа работы холодильного цикла. Такой анализ удобнее всего проводить при помощи диаграммы p-h (давление — ​­энтальпия, также обозначается p-i). На ней точками обозначены (рис. 1):

  • точка 1 — ​состояние газа на входе в компрессор;
  • точка 2 — ​состояние газа на выходе из компрессора;
  • точка 3 — ​промежуточная точка внутри конденсатора, когда начинается процесс конденсации;
  • точка 4 — ​состояние газа на выходе из конденсатора;
  • точка 5 — ​состояние газа на выходе из ТРВ и на входе в испаритель.

Холодопроизводительность кондиционера выражается произведением разницы энтальпий между точками 1 и 5, умноженной на расход хладагента в контуре. При одном и том же расходе хладагента чем длиннее отрезок 5–1, тем выше холодильная мощность агрегата.

Идея переохладителя заключается в том, чтобы дополнительно охладить хладагент после конденсатора перед ТРВ. Это позволит получить на входе в ТРВ жидкость с параметрами, характеризующимися точкой 4’ (см. рис. 1) и парожидкостную смесь на входе в испаритель с параметрами, характеризующимися точкой 5’. Отрезок 5’—1 длиннее отрезка 5–1, что и обеспечивает искомый прирост холодопроизводительности.

Реализация переохлаждения может быть различной. Выделим три основных варианта:

  • установка дополнительного теплообменника после конденсатора;
  • регенеративный теплообменник;
  • переохлаждение за счет байпаса жидкого хладагента.

Установка дополнительного теплообменника после конденсатора

В дополнительном теплообменнике, который устанавливается после конденсатора, хладагент охлаждается за счет теплоносителя, например воды. Температура хладагента после конденсатора зависит от наружной температуры и составляет порядка 40°C, то есть достаточно высока. Следовательно, в качестве теплоносителя может выступать обыкновенная холодная вода.

На диаграмме p-h такой цикл изображается точками 1—2—3—4’—5’ (см. рис. 1). На практике схема применяется в промышленных холодильных системах и малоприменима в бытовых условиях ввиду необходимости подвода труб водоснабжения к наружному блоку кондиционера.

Регенеративный теплообменник

Регенеративный теплообменник представляет собой теплообменник, в котором встречаются потоки хладагента после конденсатора и после испарителя. В данном случае хладагент на выходе из испарителя отдает свой холод хладагенту на выходе из конденсатора, и точка всасывания 1 на p-h-диаграмме смещается в точку 1’ — ​состояние газа при том же давлении с более высокой температурой и, соответственно, энтальпией.

Цикл такой системы изображается точками 1’—2’—3—4’—5’ и приведен на рисунке 2. Внешний вид регенеративного (бывают двух типов — ​кожухо-­трубные и кожухо­змеевиковые) переохладителя показан на рисунке 3. У данной схемы есть преимущество — ​она может быть полностью реализована в заводских условиях и не требует дополнительных ресурсов. Однако есть и недостаток. Так как в результате использования переохладителя температура газа на входе в компрессор повышается, то будет выше и температура нагнетания (которая обычно и так достаточно высока — ​она зачастую превышает 70°C). Следовательно, использование такой системы возможно только с оглядкой на верхнее значение температуры и принятие соответствующих мер пожаробезопасности.

Переохлаждение за счет байпаса жидкого хладагента

Весьма интересным представляется процесс переохлаждения жидкого хладагента за счет парожидкостной смеси, которая образуется после того, как жидкий хладагент пройдет через терморегулирующий вентиль. В этом случае жидкий хладагент после конденсатора делится на два потока с разным расходом — ​основной и вспомогательный. Вспомогательный поток малого расхода направляется во вспомогательный ТРВ, где расширяется до давления всасывания и охлаждается. Именно он потом охлаждает основной поток хладагента в специальном теплообменнике. Полученный переохлажденный хладагент поступает в основной ТРВ и далее ​в испаритель.

Цикл такой системы на p-h-диаграмме приведен на рисунке 4. Внешне он схож с рисунком 1, но суть его несколько иная. На рисунке 4 линия 4–5 соответствует процессу расширения в дополнительном ТРВ. Переохлаждение 4—4’ достигается за счет охлажденного вспомогательного потока. При этом вспомогательный поток вскипает (процесс 5–1) подобно тому, как это обычно происходит в испарителе, но свой холод он отдает не внутреннему воздуху, а основному потоку хладагента.

Процесс расширения основного потока хладагента соответствует отрезку 4’—5’, а процесс кипения в испарителе — ​отрезку 5’—1. Полученный после испарителя основной поток смешивается с выкипевшим вспомогательным потоком в точке 1 и направляется на вход в компрессор.

В качестве переохладителя в таких системах обычно применяют пластинчатый теплообменник. Схема холодильного цикла с переохлаждением за счет байпаса жидкого хладагента представлена на рисунке 5.

Откуда берется дополнительная холодильная мощность при переохлаждении

Переохладитель — ​это теплообменник, который не потребляет энергию, не добавляет и не убавляет ее. Если он не меняет энергетический баланс системы, откуда появляется дополнительная холодильная мощность?

В первом и втором видах переохладителей, рассмотренных ранее, дополнительная холодопроизводительность достигается за счет увеличения теплоты, сбрасываемой в наружную среду [1]. В первом случае, помимо классического теплоотвода через конденсатор, был задействован сброс тепла в дополнительный теплоноситель (воду). Кондиционер работает по принципу переноса тепла, поэтому чем больше тепла передано наружной среде, тем больше тепла он способен взять из помещения, что и приводит к повышению холодильной мощности агрегата.

В случае регенеративного теплообменника повышение тепла, отдаваемого в окружающую среду, реализуется через повышение температуры хладагента на выходе из компрессора (отрезок 2’—2 на рис. 2).

Однако при переохлаждении за счет байпаса дополнительного сброса тепла в наружную среду не наблюдается. Возникает вопрос: за счет чего повышается холодопроизводительность кондиционера в третьей схеме?

Ответ прост: холодопроизводительность остается прежней.

В комментариях к рисунку 1 было сказано, что холодопроизводительность кондиционера выражается произведением разницы энтальпий между точками 1 и 5, умноженной на расход хладагента. При переохлаждении за счет байпаса разница энтальпий возрастает (вместо 1–5 становится 1—5’). Однако расход хладагента падает, так как через испаритель проходит лишь основной поток хладагента. Итоговая холодопроизводительность системы сохраняется на прежнем уровне. Именно поэтому такой вид переохлаждения не применяется в сплит-­системах. Однако он нашел свое место в мультизональных системах кондиционирования.

VRF‑системы отличаются от обычных сплит-­систем более длинными трассами. Современные установки предполагают общую длину трасс в системе до 1000 метров. Увеличение длины фреонопроводов, очевидно, влечет за собой увеличение потерь тепла и холода. Исключительно из-за длинных трасс VRF‑система теряет 10–20%, а иногда и 30% своей холодильной мощности. Эта потеря выражается в падении давления в трубопроводах, которое должен компенсировать компрессор.

Потери давления прямо пропорционально зависят от длины трубопровода и квадрата скорости движения хладагента. Применение переохладителя в VRF‑системах позволяет понизить потери давления в длинных трубопроводах за счет того, что расход циркулирующего хладагента (то есть основного потока) меньше общего расхода, прокачиваемого компрессором. Снижение расхода влечет за собой снижение скорости хладагента в той же пропорции, квадратичное снижение потерь давления и, таким образом, приводит к росту холодопроизводительности системы.

Переменная степень сжатия

В последние годы получили распространение компрессоры с переменной степенью сжатия. Это весьма интересная новация, которая, однако, не давала бы должного результата, если бы не применялась вместе с еще одной энергосберегающей компонентой — ​инверторными приводами этих самых компрессоров.

Технология переменной степени сжатия с использованием инверторных приводов направлена на оптимизацию работы холодильного контура при различной наружной температуре. Изменение наружной температуры происходит в достаточно широких пределах. При этом температуру воздуха внутри помещений требуется поддерживать на одном и том же уровне. Именно для этого и применяются различные устройства регулирования.

В данном случае нужно «научить» компрессор изменять расход хладагента в холодильном контуре путем применения инверторных приводов и изменять температуру конденсации (то есть изменять давление нагнетания) с помощью золотников, изменяющих объем полости нагнетания. Увеличение этого объема при неизменном объеме полости всасывания ведет к снижению степени сжатия компрессора и получению более низкого давления нагнетания.

Переменная температура испарения

Отталкиваясь от вышеописанной технологии изменения степени сжатия и регулирования давления конденсации, обратимся к еще одному способу регулирования холодопроизводительности системы — ​изменению давления испарения.

При одном и том же расходе внутреннего воздуха холодопроизводительность кондиционера тем ниже, чем выше температура испарителя. А температура испарителя, в свою очередь, определяется давлением испарения или давлением всасывания. Таким образом, изменение давления всасывания влечет за собой изменение холодопроизводительности агрегата.

Так как данные изменения будут происходить во внутреннем блоке, то они окажут влияние на внутреннюю среду в помещении, и на этом стоит остановиться подробнее.

Положительная сторона повышения температуры испарителя заключается в том, что из кондиционера будет дуть более теплый воздух, то есть тот самый негативный фактор, когда кондиционер задувает холодным воздухом, постепенно сводится на нет.

Отрицательным следствием может оказаться некоторое повышение влажности в помещении. Дело в том, что при более высокой температуре испарителя, при том же тепло­влажностном режиме помещения, относительная влажность воздуха несколько возрастет.

Графически это можно проиллюстрировать на id‑диаграмме влажного воздуха следующим образом. Допустим, ранее линия процесса å проходила через точку 9°C и 100% (типовой вариант для кондиционера) и при температуре в помещении 24°C давала относительную влажность воздуха в помещении 55%. При повышении средней температуры испарителя до 12°C линия процесса сместится параллельно вправо и новая относительная влажность воздуха в помещении составит 60%.

В общем случае данный фактор нельзя отнести к числу критичных, тем более что прирост относительной влажности вряд ли составит более 10–15%, но его следует иметь в виду.

Охлаждение компрессора при помощи хладагента, который он сжимает

Компрессор, как и любой другой электроприбор, в процессе работы нагревается и требует охлаждения. Изначально такое охлаждение обеспечивалось обдувом компрессора воздухом. Однако всеобщее стремление к снижению габаритов кондиционеров и холодильных машин привело к тому, что обычного обдува стало недостаточно — ​слишком уж высокими стали тепловыделения на единицу объема.

Действительно, предположим, что холодопроизводительность компрессора равна 100 киловаттам, а потери в инверторном приводе составляют 2%. Тогда тепловыделения будут равны 2 киловаттам, а это сродни бытовому электрочайнику, который доводит до кипения 1 литр воды всего за 1 минуту.

Купирование столь значительных теплоизбытков наиболее эффективно удалось реализовать при помощи того же хладагента, который циркулирует в холодильном контуре. Для этого часть хладагента после конденсатора направляется в специальный ТРВ, где хладагент расширяется и охлаждается, а роль испарителя играют каналы внутри привода компрессора. Проходя через них, хладагент охлаждает все необходимые элементы агрегата и поступает на всасывание в него же, смешиваясь с основным потоком хладагента.

Повышение эффективности адиабатических увлажнителей

В компании Carel разработали адиабатический увлажнитель воздуха humiFog (рис. 7), на форсунки которого подается вода высокого давления — ​до 70 бар. Для этого используется поршневой насос с частотным преобразователем.

Причина, по которой в компании решили прибегнуть к такому высокому давлению, проста. Эффективность адиабатического увлажнения воздуха тем выше, чем мельче размер капель воды, которые подаются в поток воздуха. В свою очередь, размер капель зависит от давления распыления и формы форсунки.

Традиционные системы адиабатического увлажнения работают при давлении распыления до 25 бар. Переход на давление распыления 70 бар, конечно, требует применения более мощного насоса. Однако это позволяет значительно снизить диаметр капель. При таком давлении форсунки разбивают воду до мельчайшего аэрозоля, который моментально испаряется, увлажняя и охлаждая воздух.

Производительность увлажнителей humiFog составляет от 100 до 1000 литров воды в час, притом что на форсунки должна подаваться деминерализованная вода.

Повышение холодильного коэффициента кондиционера за счет адиабатического увлажнения наружного воздуха

Отметим и еще одну систему адиабатического увлажнения от компании Carel — ​установку ChillBooster (рис. 8). Она применяется для увлажнения и одновременного охлаждения потока наружного воздуха, который обдувает конденсатор или драйкулер. В данном случае логика следующая.

Эффективность любого холодильного оборудования в каждый конкретный момент зависит от наружной температуры (температуры горячей среды). При прочих равных показателях эффективность холодильного оборудования тем выше, чем ниже эта температура. И наоборот, с повышением наружной температуры эффективность падает. Таким образом, при наступлении жары холодильный коэффициент кондиционеров и чиллеров снижается.

Однако холодильный коэффициент можно повысить искусственно. Для этого нужно сбить температуру наружного воздуха хотя бы в районе наружного блока. Для этого и применяются адиабатические увлажнители воздуха. Они распыляют воду в поток воздуха, который обдувает конденсатор или драйкулер. В процессе адиабатического увлажнения воздух охлаждается. В результате, несмотря на высокую температуру наружного воздуха, наружный блок обдувается воздухом с более низкой температурой и эффективность работы климатического оборудования возрастает.

Повышение эффективности рекуператора за счет косвенного испарительного охлаждения

Рассмотрим систему косвенного испарительного охлаждения, которая применяется в приточно-­вытяжных агрегатах с рекуперацией тепла для повышения эффективности рекуператоров. Опять-таки оттолкнемся от физических основ происходящих процессов.

Рекуператоры тепла служат для передачи тепловой или холодильной энергии от вытяжного воздуха к приточному наружному потоку. Зимой с их помощью удается практически бесплатно нагреть приточный воздух за счет вытяжного, после чего догреть воздухонагревателем до нужной температуры. В летнее время они служат для охлаждения наружного воздуха за счет вытяжного и экономии мощности холодильной установки.

Однако в летнем режиме работа рекуператора может быть оптимизирована при помощи адиабатического увлажнителя. Как известно, рекуператор работает тем эффективнее, чем ниже температура вытяжного воздуха. Так вот, для понижения температуры вытяжного воздуха и применяются адиабатические увлажнители (рис. 9).

Адиабатические увлажнители устанавливаются на пути вытяжного потока. В них прохладный (относительно наружного) вытяжной воздух (точка 1 на рис. 9) еще больше охлаждается (точка 2) и поступает в рекуператор. Попадая в рекуператор более холодным, он способен охладить приточный воздух (точка 4) до более низких температур (точка 5).

Гексагональные рекуператоры

Продолжая тему рекуперации, стоит выделить наработки инженеров компании VTS. Они предложили противоточные гексагональные рекуператоры. В данном случае модификация вызвана анализом теплообменного процесса, происходящего в рекуператоре.

Как известно, наиболее эффективными теплообменниками считаются противоточные. В них два потока движутся навстречу друг другу. Таким образом, температура одного потока на выходе из теплообменника максимально приближена к температуре второго потока на входе в теплообменник. И наоборот, температура второго потока на выходе максимально приближена к температуре первого потока на входе в теплообменник. Именно этим и объясняется высокая эффективность теплообменников данного типа.

Однако противоточные теплообменники не могут быть применены в секциях рекуперации приточно-­вытяжных агрегатов по геометрическим соображениям. Как следствие, в качестве рекуператоров применяют перекрестноточные теплообменники. Они характеризуются меньшей эффективностью, но могут быть встроены в вентустановку.

Имея целью повысить эффективность перекрестноточных теплообменников, в компании VTS предложили использование гексагональных теплообменников. В сечении они представляют собой шестиугольник, а на практике сочетают принципы перекрестноточного и противоточного теплообменников: крайние части аппарата работают по принципу перекрестноточного, а центральная часть — ​по принципу противоточного теплообменника (рис. 10).

Приточно-­вытяжные вентустановки с гексагональным рекуператором представлены в линейке VTS VENTUS Compact (рис. 11).

Заключение

Современная энергоэффективная установка отличается низким энергопотреблением и сочетанием не одного и не двух, а множества решений, оптимизирующих ее работу. Некоторые из них — ​суть усовершенствование вентиляторов, компрессоров и теплообменников; другие сводятся к более тщательной проработке алгоритмов управления; третьи предполагают установку дополнительного оборудования ради снижения энергопотребления системы в целом. Таким образом, сегодня в руках инженеров есть широкий спектр решений, способных не просто обеспечить комфортный микроклимат в помещении, но получить результат с минимальными энергозатратами.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «Мир климата»


1. Здесь нарочно упомянуто словосочетание «наружная среда», и было бы не совсем уместно сказать «окружающая среда», как обычно говорят в таких случаях, поскольку дополнительный теплоноситель, о котором речь пойдет далее, не является окружающей средой, но и является внешней (наружной) средой по отношению к холодильному контуру кондиционера.

Предыдущая статья«Новый маркетинг» Джона Гранта. Часть 11
Следующая статьяОб использовании методов и факторов оценки эффективности устройства системы «чиллер — фэнкойл» и системы кондиционирования с переменным расходом хладагента

Решение года