Холодильные машины высокой производительности- чиллеры.

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.

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.

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.

.

.Вариант 4. Однако система примерно на 40% дороже по сравнению с первым вариантом. Круглогодично она

Рис. 4. Бесконденсаторный чиллер с выносным конденсатором

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.

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.

.

Вариант 5. Чиллер с жидкостным охлаждением конденсатора и сухая градирня -

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

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. Наибольшей энергетической эффективностью (СОР ~ 6) отличаются водоохлаждаемые чиллеры с

Рис. 6. Центробежный чиллер

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.