бренды

климат-рейтинги

Современные системы кондиционирования.

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.

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.

       Таблица 1.

Вари-ант ХС	Тип холо-дильной станции	Относи-тельная стои-мость*, %	СОР* холодиль-ной станции	Минималь-ный уровень звукового давления снаружи, дБА	Минималь-ная наружная темпера-тура, °С	Возмож-ность 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 теплообмен-ником гликоль/вода	140	2,3	68	-40	Встроена	– требуется круглогодичное охлаждение (технология, серверные и др.), при отрицательных наружных температурах воздуха работает как градирня (потребление 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 эксплуатаци-онные затраты
* Здесь и далее все характеристики приведены на условиях Eurovent, если не оговорено иное.

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.

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.

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, а 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.

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%.

Рис. 6. Центробежный чиллер

Вариант 6. 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.

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
Статья предоставлена журналом "Мир климата"