бренды

климат-рейтинги

Новые стратегии энергосбережения: "разумные" системы использования естественного холода.

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.

Рис. 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

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.

Рис. 2. Схема циркуляции хладоносителя в системе "разумного" использования естественного холода со встроенными насосами на первичных контурах

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.

Чиллеры, оборудованные выносными насосами первичной сети.

Рис. 3. Схема чилеров с системами использования естественного холода безвстроенных насосов на первичных контурах

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).

Сравнительный анализ.

Рис. 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

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.

Рис. 5. Сопоставление схемы движения хладоносителя для каждого случая

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₎ = PC ₂ / 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 х S х ΔT_{(H2O / Air)},

Рис. 6. Сопоставление схем движения хладоносителя в случаях стандартного и првышенного расхода

где Q – тепловая мощность теплообменника, K – коэффициент теплопередачи, S – площадь поверхности теплообмена, ΔT_{(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 ΔT = 5°C; заданная температура – 10°C), то температура перед насосом будет рассчитываться следующим образом:
T_in = (10°C х 11м³/ч + 15°C х 70м³/ч) / м³/ч = 14,3°C.

Отношение значений отводимой теплоты равно отношению эффективностей теплообменников:
Q ₍₂₊₁₎ / Q₍₂₎ = ((K₍₂₊₁₎ х S₍₂₊₁₎) / (K₍₂₎ х S₍₂₎)) х (ΔT_{(H2O / Air)(2+1)} / ΔT_{(H2O / Air)(2)}) = 1,43 х 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.

       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 электро-энергии стандартными чиллерами, МВт*ч	Расход чиллерами со свободнми охлаждением, МВт*ч	Расход электро-энергии с "разумным" свободным охлаждением, МВт*ч	Дополнит. экономия электро-энергии, кВт*ч	Дополнит. экономия электро-энергии, %
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	36 743	4
Берлин	1088	707	676	31 525	4
Лондон	1103	154	708	46 018	6
Копенгаген	1061	638	599	38 077	6

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.

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"
Статья предоставлена журналом "Мир климата"