Современные системы кондиционирования
Суть определения «современная система
кондиционирования» заключается в том, что это должна быть система, наиболее
сбалансировано учитывающая такие критерии, как первоначальные инвестиции, энергоснабжение,
эксплуатационные расходы. Комплексное решение поставленных задач делает эту
часть проекта наиболее многовариантной и требует креативных и аналитически
обоснованных подходов.
Начнем рассмотрение систем кондиционирования (СК) с
ключевого по все тем же критериям (инвестиции, энергопотребление, эксплуатация)
раздела СК - холодильной станции (ХС). Под холодильной станцией понимается
комплекс оборудования, вырабатывающий охлажденную воду, и насосные установки
для транспортировки ее по трубопроводам системы холодоснабжения. Рассмотрим
шесть вариантов ХС на базе парокомпрессионных холодильных машин и один вариант
на базе абсорбционного чиллера.
Вариант 1. ХС на базе чиллера (чиллеров) с
воздушным охлаждением конденсатора наружной установки
В
качестве холодоносителя в такого рода ХС, как правило, применяется вода, т.к.
наличие большого объема незамерзающей жидкости внутри здания представляет
существенное усложнение эксплуатации. Такое техническое решение является
наиболее экономичным и простым для проектирования, монтажа. Однако оно имеет
существенные недостатки: работа только при плюсовых температурах,
нерегулируемый высокий уровень звукового давления (≥ 62 дБА*), угроза
размораживания ХС при неполном или несвоевременном сливе воды (требуется квалифицированный
персонал), при расположении на кровле - несущая способность, риск вандализма.
___________________
*
Здесь и далее все данные и характеристики приведены на условиях Eurovent, если не оговорено иное.
В
таблице даны основные характеристики ХС различных типов. При расчете параметров
в качестве холодильного и теплового оборудования выбран бренд Carrier, насосное оборудование
- Wilo.
Для полной сравнительной оценки различных вариантов ХС, безусловно, требуются
точные количественные показатели.
Рис. 1. Чиллер с
воздушным охлаждением конденсатора (вода)
Вариант 2. Система, 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. Плюсы этого
варианта по сравнению с первым:
• нет необходимости сезонного опорожнения и
заполнения гидравлической системы;
• отсутствует угроза размораживания испарителя
чиллера;
• возможность работы системы при отрицательных
температурах наружного воздуха;
• возможность интегрирования в систему сухой
градирни для реализации режима свободного охлаждения в холодный период года.
Однако возникают и существенные минусы:
• удорожание ХС - 30 % (без учета градирни);
• повышение энергопотребления (за счет
применения гликоля, более низких температур теплоносителя, добавления второго
гидравлического контура);
• угроза размораживания теплообменника гликоль/вода
при запуске системы зимой, особенно при перерывах в эксплуатации (требуется
дополнительная автоматика).
Вариант 3. Воздухоохлаждаемый чиллер со встроенной
градирней для реализации режима свободного охлаждения
В
этом случае в холодный период года автоматика чиллера сама выбирает оптимальный
режим работы (компрессоры, градирня или смешанный). Таким образом достигается
максимальное энергосбережение. В ряде случаев можно использовать такой тип ХС
без промежуточного теплообменника гликоль/вода (например, в технологических
процессах).
Вариант 4. Чиллер внутренней установки с выносным конденсатором
Плюсы
системы:
•
нет угрозы размораживания, возможность работы при отрицательных температурах
(ограничения - технические характеристики чиллера:-15...-20 °С);
•
возможность уменьшения уровня шума снаружи;
•
уменьшение весовой нагрузки на кровлю;
•
чиллер в большей мере защищен от вандализма.
Минусы
системы:
•
свободное охлаждение возможно только как самостоятельная отдельная система;
•
удорожание по сравнению с вариантом 1 примерно на 40 %;
•
круглогодичная работа возможна только в южных регионах;
•
ограничение по расстоянию между чиллером и конденсатором (≤ 30 м);
•
большой объем фреона в системе;
•
необходимость высококвалифицированного монтажа.
Основные характеристики холодильных систем различных типов
Вариант ХС
|
Тип
холодильной станции
|
Относит.
стоимость*, %
|
СОР**
холодильной станции
|
Мин. уровень
звукового давления снаружи, дБА
|
Мин. Наружная
температура, °С
|
Возможность
встраивания системы free-cooling
|
1
|
Чиллер
с воздушным охлаждением конденсатора
|
100
|
2,8
|
62
|
+5
|
Нет
|
2
|
Чиллер
с воздушным охлаждением конденсатора + теплообменник гликоль/вода
|
130
|
2,3
|
62
|
-20
|
Да
|
3
|
Чиллер
со встроенной системой свободного охлаждения и теплообменником гликоль/вода
|
140
|
2,3
|
68
|
-40
|
Встроена
|
4
|
Чиллер
с выносным конденсатором
|
140
|
2,7
|
40
|
-20
|
Нет
|
5
|
Чиллер
с водяным охлаждением конденсатора + закрытая градирня
|
160
|
3,0
|
40
|
-40
|
Да
|
6
|
Центробежный
чиллер + испарительная градирня (расчет на ХС - 3 МВт)
|
90
|
4,8
|
55
|
-30
|
Нет
|
7
|
Газовый
абсорбционный чиллер + испарительная градирня
|
180
|
16
+ 0,08 м3 газа на 1 кВт холода
|
55
|
-30
|
Нет
|
*
За 100 % принят вариант 1 - стоимость ХС «под ключ» (без учета системы free-cooling).
** СОР приведены для номинальной потребляемой электрической
мощности ХС (чиллеры, теплообменное и насосное оборудование, автоматика).
Рис. 2. Чиллер с
воздушным отоплением конденсатора, теплообменник вода/гликоль и градирня в
варианте с системой free-cooling (опция)
Вариант 5. Чиллер с жидкостным охлаждением конденсатора +
сухая градирня
Этот вариант имеет в основном положительные
стороны:
• высокая энергетическая эффективность;
• нет угрозы размораживания;
• круглогодичный режим работы (до -45 °С);
• низкий уровень шума снаружи (определяется
подбором градирни);
• уменьшение нагрузки на кровлю;
• защищенность чиллера;
• режим свободного охлаждения встраивается с
минимальными затратами добавляется только теплообменник гликоль/вода);
• нет ограничений по расстоянию между чиллером и
градирней;
• нет необходимости в сложном сезонном
техническом обслуживании.
К
минусам можно отнести только удорожание системы по сравнению с первым вариантом
примерно на 60 %.
Вариант 6. Отличается от предыдущего тем, что
применяются водоохлаждаемые чиллеры с принципиально другим типом компрессоров -
центробежным
Такой тип компрессоров позволяет достигать рекордной
для парокомпрессионных чиллеров энергетической эффективности (СОР ~ б).
Энергетическая эффективность увеличивается при снижении температуры охлаждающей
жидкости. Поэтому в ХС с центробежными чиллерами, как правило, поменяются
испарительные градирни, позволяющие поддерживать температуру охлаждающей воды
~30 °С. Такой вариант актуален для мегапроектов с мощностью ХС 3-20 МВт.
Основные
плюсы:
• максимальная энергетическая эффективность для
парокомпрессионных чиллеров;
• низкие капитальные затраты.
Минусы:
• минимальная производительность чиллеров - 30 % от
номинала;
• требуется подпитка контура охлаждающей воды.
Если нет необходимой для холодильной станции
энергетической мощности или цена ее подключения высока, но есть возможность
присоединения к газопроводу, то неизбежно получаем вариант 7.
Рис. 3. Чиллер
со встроенной системой free-cooling (опция)
Рис. 4.
Бесконденсаторный чиллер с выносным конденсатором
Рис. 5. Чиллер с
водяным охлаждением конденсатора, градирни, free-cooling
В
качестве примера рассмотрим абстрактное техническое задание
Задача:
охлаждение серверной.
Требуемая
холодопроизводительность: 1000 кВт.
Режим
работы: круглосуточный, круглогодичный.
Газ:
отсутствует.
Стоимость
подключения электроэнергий: 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.
Вариант 7. Газовый абсорбционный чиллер с водяным
охлаждением, где в качестве топлива можно использовать привозной сжиженный газ
Как
в случае с центробежными чиллерами, в этом варианте целесообразно применять
испарительные градирни.
Плюсы:
•
минимальные
относительные затраты потребляемой электроэнергии;
•
минимальная
цена за единицу вырабатываемого холода (высокая окупаемость);
•
в
холодный период года чиллер способен генерировать тепло для отопления, горячего
водоснабжения (т.е. нет необходимости в котельной).
Минусы:
•
капитальные
затраты на ХС относительно высоки;
•
минимальная
производительность чиллеров ~25 % от номинала;
•
требуется
подпитка контуров охлаждающей воды.
Таблица
сравнительных характеристик различных ХС дает необходимую, но недостаточную
информацию для выбора. Требуются дополнительные данные, касающиеся специфики
объектов и пожеланий заказчика, например:
•
наличие
необходимой электрической мощности;
•
стоимость
электроэнергии;
•
стоимость
присоединения дополнительной электрической мощности;
•
наличие
и стоимость сетевого природного газа;
•
режим
эксплуатации ХС (лето, круглогодично);
•
мощность
ХС;
•
климатические
условия региона;
•
возможность
применения испарительных градирен;
•
желаемые
сроки окупаемости дополнительных инвестиций;
•
возможность
наружной и внутренней установки ХС;
•
расчет
эксплуатационных характеристик ХС на частичных нагрузках (в течение года);
•
требование
к параметрам охлажденной жидкости (тип холодоносителя, температура и т.д.);
•
срок
службы;
•
стоимость
годового технического обслуживания (работа + материалы);
•
другие
специфические требования.
Окончательное решение об оптимальном выборе может
быть принято путем точных расчетов «наложением» технического задания на
возможности различных типов ХС.
Статья
подготовлена специалистами компании АТЕК.
Журнал
«АВОК» № 7 2007 г.