В России в районах с длительными периодами с низкими температурами окружающей среды является более востребованным оборудование, способное охлаждать жидкости без применения машинного охлаждения, т.е. в режиме естественного или еще его называют свободного охлаждения. В этом режиме холодоноситель охлаждается непосредственно наружным воздухом в теплообменнике воздушного охлаждения, в качестве которого как правило применяются сухой охладитель (dry cooler).
В этом режиме на порядок снижается потребление электроэнергии (эксплуатационные расходы) в сравнении с машинным охлаждением поскольку компрессоры являются основными электропотребителями. Кроме того, что увеличивается ресурс компрес-соров и значительно снижается риск их выхода из строя.
Режим свободного охлаждения широко используется в системах кондиционирования, в производственных процессах для охлаждения оборудования, а также для отвода теплоизбытков из серверных помещениях, офисов, торгово-развлекательных центров и т.д.
Рис.1
Чиллеры с встроенным сухим охладителем для режима естественного охлаждения работают по следующему принципу: при температуре наружного воздуха по датчику ST3 ниже на 2-3⁰С температуры холодоносителя из системы, измеренного датчиком ST4, контроллер подает сигнал на привод трех ходового клапана RCF и перенаправляет поток холодоносителя в встроенный теплообменник воздушного охлаждения CAF. Охлажденный холодоноситель из CAF поступает на вход испарителя EW. По датчику температуры ST1 осуществляется регулировка холодопроизводительностью чиллера.
Так как разница температур небольшая, то охлаждение холодоносителя будет незначительным и дополнительное охлаждение будет осуществляться машинным охлаждением (работа фреонового холодильного агрегата). Это смешанный режим; охлаждение холодоносителя в теплообменнике и агрегатом. По мере снижения наружной температуры холодоноситель будет полностью охлаждаться в сухом охладителе без включения компрессоров, т.е. производительность сухого охладителя будет равна производительности машинного охлаждения – режим 100% естественного охлаждения. Температура холодоносителя поддерживается изменением скорости вращения вентиляторов.
Недостатки чиллеров с режимом Фри кулинга:
- Более дорогое оборудование, чем стандартный чиллер,
- Ввиду малых внутренних размеров чиллера встроенные сухие охладители имеют недостаточную поверхность и соответственно производительность. Поэтому такие чиллеры достигают режима Фри кулинга при более низких температурах наружного воздуха в сравнении с отдельно применяемым сухим охладителем. Следовательно окупаемость и энергоэффективность такого чиллера будет ниже, чем холодильный центр с отдельным сухим охладителем.
Техническое решение холодильного центра с применением модульных чиллеров и отдельного сухого охладителя для режима естественного охлаждения, приведенного на рис.2, в сравнении с чиллером с режимом Фри кулинга имеет ряд преимуществ:
- Простая, гибкая и ясная для понимания регулирования схема
- Возможность выбора сухого охладителя для режима 100% свободного охлаждения для более высокой наружной температуры, что дает значительно сократить сроки его окупаемости
- Более низкая чиллеров стоимость, чем один моноблочный агрегат с встроенным сухим охладителем
- Резервирование. В сравнении с одним чиллером применение большого количество модульных чиллеров означает большее суммарное количество холодильных контуров; ступеней регулирования производительностью. Выход из строя одного контура (компрессора) не приведет к значительному снижению суммарной холодопроизводительности центра
- Энергоэффективность
- Ремонтопригодность.
В качестве примера исходные данные для выбора холодильного центра для системы кондиционирования:
Холодопроизводительность 200 кВт.
Холодоноситель 40% этиленгликоль с температурами 10⁰С/5⁰С.
ПТО для получения на выходе воды 12⁰С/7⁰С непосредственно для системы кондиционирования.
Исходя из температуры холодоносителя 10⁰С/5⁰С, система должна выйти на 100% режим Фри кулинга при температуре наружного воздуха 0⁰С. Такая дельта позволяет оптимально по стоимости подобрать сухой охладитель. Соответственно требуется применить модульный чиллер SCAW-M 66 ZHW, который может работать в режиме охлаждения до -20⁰С.
Для защиты теплообменника от разморозки, низких температурах холодоносителя и поддержания стабильной температуры воды рекомендуется применить 3-х ходовой клапан. При снижении температуры наружного воздуха до 2⁰С термостат переключает вентили 1, 2 и перепускает холодоноситель через сухой охладитель. По мере снижения температуры наружного воздуха будут отключаться холодильные контуры и будет снижение энергопотребления.
Рис. 2
По разработанной компанией Северкон программе имеем параметры чиллера:
Потребуется использовать 3 чиллера с общей холодопроизводительностью 196 кВт с общим количеством холодильных контуров 6 шт.; 6 ступеней изменения производительности через 17%.
На основании вышеизложенного подобран сухой охладитель для режима полного свободного охлаждения производительностью 204 кВт при Тнар=0⁰С, 40% ЭГ и темп-рах 10⁰С/5⁰С, 6 вентиляторов с общей потребляемой мощностью 10.8 кВт/час.
Применение отдельного сухого охладителя предоставляет большие возможности для его подбора. Если говорить о моноблочном чиллере с режимом Фри кулинга, то он выйдет на 100% режим естественного охлаждения только при Тнар= - 7⁰С., что значительно увеличивает срок окупаемости в сравнении с сухим охладителем, у которого этот режим наступит уже при Тнар=0⁰С.
Так как в холодильном центре появился дополнительный компонент для режима свободного охлаждения, то рассчитаем окупаемость сухого охладителя в сравнении, с тем если бы весь этот зимний период работали одни чиллеры вместо сухого охладителя т.е. по разнице энергопотреблений по формуле:
Токуп=(N₁ - N₂) х n х Т (руб)
Где:
N₁ - Электропотребление при машинном охлаждении, кВт.
N₂ - Электропотребление сухого охладителя, кВт
n – часы работы сухого охладителя (режим свободного охлаждения)
Т – тариф электроэнергии
Согласно «Строй климатологии» СП131.13330.2012 средняя температура равная -0.4⁰С составляет для Санкт-Петербурга 232 суток или 232 х 24=5 568 часов
Суммарное энергопотребление 3-х чиллеров составляет: 17.78 кВт х 3шт=53.34 кВт.
Разница в энергопотреблении чиллеров и сухого охладителя составляет:
53.34 кВт - 10.8 кВт=42.54 кВт.
Потребляемая мощность при разнице потребления чиллеров и сух охладителя за зимний период: 42.54 кВт. х 5 568 час.=236 862 кВт.
При средней стоимости электроэнергии 1 кВт/час =6 руб. разница стоимости потребляемой электроэнергии составит 236 862 х 6=1 421 172 руб.
Исходя из розничной стоимости сухого охладителя окупаемость составляет 2.6 года
Окупаемость сухого охладителя за счет разницы энергопотреблений в сравнении с чиллерами, если бы они работали весь зимний период составляет 2.6 года. Иными словами через 2.6 года каждый год экономия потребления электроэнергии (эксплуатационные расходы) будет составлять 1 млн 421 руб.
Однако необходимо отметить, что в реальности окупаемость будет значительно быстрее расчетной 2.6 года за счет того, что при снижении температуры наружного воздуха скорости вращения вентиляторов будут снижаться и соответственно будет снижаться и потребляемая мощность, а так же за счет смешанного режима.
Карякин А.И.
Заместитель технического директора Северкон по направлению промоборудования