В странах с длинным осеннее зимним сезоном все больше востребовано оборудование, способное охлаждать жидкости при низких температурах окружающей среды без использования компрессоров. Применение режима свободного охлаждения (Free Cooling) позволяет значительно уменьшить годовое потребление электроэнергии и эксплуатационные расходы. В климатических условиях России внедрение данной технологии актуально практически на всей территории страны, кроме южных регионов.
Помимо систем кондиционирования, агрегаты с режимом Free Cooling круглогодично используются в производственных технологических процессах для охлаждения жидкостей и оборудования, а также для отвода теплоизбытков в серверных помещениях, офисах, торгово-развлекательных центрах, помещениях для кинопроекционных аппаратов и т.д.
Для решения этих задач разработаны специальные охладители для водно-гликолевых растворов. Преимущества такого оборудования очевидны:
- снижение энергозатрат в межсезонье и зимой;
- круглогодичное производство охлажденного водно-гликолевого раствора;
- низкие эксплуатационные затраты;
- значительно увеличивается срок службы компрессоров;
- повышение надежности агрегатов, поскольку снижается риск выхода компрессоров из строя (компрессоры не работают в экстремальных режимах). Компрессоры являются самым дорогим компонентом холодильного агрегата.
Естественное охлаждение может осуществляться несколькими методами.
Прямой Free Cooling подразумевает непосредственное использование низкотемпературного воздуха окружающей среды для охлаждения помещений. Несмотря на простоту этого метода, он имеет ряд недостатков. Так, приточный воздух содержит много пыли, к тому же, для большого расхода воздуха требуются крупногабаритные вентиляционные установки.
Непрямой Free Cooling. Теплообменник сухого охладителя (dry cooler) непосредственно отводит тепло от холодоносителя в окружающую среду. При этом холодопроизводительность сухого охладителя в режиме Free Cooling возможно получить такую же или даже больше при необходимости, как при машинном охлаждении уже при температурах наружного воздуха порядка -3ºС для температур холодоносителя 12ºС/7ºС.
Метод миграции фреона основан на принципе перетекания хладагента в наиболее холодную точку фреонового контура. При выключенном компрессоре клапан во фреоновом контуре чиллера открывается и напрямую соединяет испаритель и конденсатор. Фреон испаряется и переходит в газообразное состояние в испарителе при теплообмене с «относительно теплой» водой, перетекает в конденсатор, как наиболее холодную точку контура, где охлаждается и вновь переходит в жидкостное состояние. Ряд компаний в целях повышения эффективности применяют насос для перекачки фреона. Однако в чиллерах с применением этого метода холодопроизводительность ниже при одних и тех же значениях температуры наружного воздуха, чем в чиллерах с встроенным сухим охладителем. Кроме того, предельная рабочая температура наружного воздуха в этом случае ограничивается значением –25 °C. В серверных, где тепловыделения постоянны круглогодично, применение чиллеров с применением метода миграции ограниченно.
Чиллеры с режимом Free Cooling, решение с применением встроенного сухого охладителя (теплообменника естественного охлаждения).
Принцип работы
Чиллеры с режимом свободного (естественного) охлаждения, разработаны для охлаждения водогликолевых смесей.
Кроме обычных компонентов холодильного контура (компрессоры, конденсаторы, испарители, ТРВ), применяемых в стандартных чиллерах, так же применяется дополнительный теплообменник воздушного охлаждения, установленный в водоохлаждающем агрегате.
Он обеспечивает режим свободного охлаждения — это сухой охладитель или драйкулер (от англ. "dry cooler"). В таких агрегатах принцип охлаждения растворов основан на использовании низких температур наружного воздуха.
Система свободного охлаждения состоит из теплообменника естественного охлаждения - фрикулинга, 3-ходового модулирующего клапана, датчиков и управляющего контроллера.
Ниже приведена принципиальная схема решения свободного охлаждения в моноблочных чиллерах.
Обозначения:
SB - контроллер; ST1 - датчик температуры входящей воды; ST2 - датчик защиты от замораживания; ST3 - датчик наружной температуры; ST4 - датчик температуры входящей воды из системы; VT - ТРВ. Стрелками обозначен зимний режим.
Водогликолевый раствор поступает из системы в чиллер. Контроллер по данным датчиков ST4, ST1, ST3 и при условии температуры наружного воздуха на 2-3°С ниже температуры входящей воды из системы переключает 3-х ходовой клапан и направляет поток холодоносителя через встроенный теплообменник воздушного охлаждения СА. Так как на производстве охлаждение в основном требуется круглый год, то агрегаты могут работать в 3-х режимах.
Летний режим работы
При температуре наружного воздуха выше температуры смеси, поступающей в чиллер, агрегат работает, как стандартный чиллер т.е. осуществляется компрессорное охлаждение. Гликолевая смесь через 3-ходовой вентиль направляется в испаритель. Общее энергопотребление такое же, как для стандартного агрегата. По температуре входящего в испаритель гликолевой смеси (датчик ST1) происходит включение компрессоров.
Зимний режим работы
При температуре наружного воздуха от 0°С до - 4°С чиллер работает в режиме свободного охлаждения. 3-ходовой вентиль, управляемый контроллером по датчикам входящей и выходящей воды ST4, ST1 и датчиком наружного воздуха ST3, перенаправляет холодоноситель в дополнительный теплообменник воздушного охлаждения. По датчику ST1 контроллер отключает компрессоры. При снижении температуры обратной воды снижается скорость вращения вентиляторов. Вентиляторы продолжают работать для охлаждения дополнительного теплообменника и поддерживают необходимую температуру раствора на выходе за счет плавного изменения скорости вращения вентиляторов.
При дальнейшем снижении температуры для поддержания постоянного значения температуры контроллер может остановить вращение вентиляторов и будет осуществлять управление 3-ходовым вентилем. Таким образом, происходит смешивание растворов: того, который выходит из системы и того, что проходит через теплообменник в режиме свободного охлаждения. При этом потребляемая мощность агрегата снижается в 10 раз за счет отключения компрессоров как основных потребителей, а электрическая мощность затрачивается только на работу вентиляторов. В этом режиме чиллеры обеспечивают холодопроизводительность, равную машинному охлаждению уже при температурах наружного воздуха от 0° до -2°С.
Режим работы в межсезонье
В межсезонье осуществляется совместная работа в режимах компрессорного охлаждения и свободного охлаждения. Работа чиллера в режиме свободного охлаждения активизируется при температуре наружного воздуха ниже на 2°, чем температура поступающего водно-гликолевого раствора, который охлаждается в дополнительном теплообменнике. При недостаточном охлаждении раствора активизируется частичная работа компрессоров или изменение их производительности. Таким образом, уже в межсезонье чиллер переходит в режим энергосбережения. С точки зрения наиболее оптимальной экономии электроэнергии желательно, чтобы оборудование перешло в режим свободного охлаждения при более высоких наружных температурах. Поэтому производитель указывает в параметрах агрегата температуру гликолевой смеси 15°С/10°С. Это означает, что при этих температурах режим свободного охлаждения включится уже при наружной температуре 12-13С°.
Энергосбережение в режиме свободного охлаждения (Free Cooling)
На диаграммах ниже показана экономия электроэнергии при работе чиллера с естественным охлаждением по сравнению со стандартным чиллером. Данные приведены с учетом следующих условий:
- круглосуточная работа чиллера;
- 30% водно-гликолевый раствор;
- температура холодоносителя 15°С/10°С.
Диаграмма А
Кривая 1 относится к стандартному чиллеру и показывает потребляемую мощность при различных температурах окружающего воздуха.
Кривая 2 относится к чиллеру с встроенным сухим охладителем для режима естественного охлаждения и показывает потребляемую мощность при различных температурах окружающего воздуха. Кривая разделена на 3 части:
а) Режим только естественного охлаждения (работают только вентиляторы);
б) Режим частичного естественного охлаждения или смешанный режим межсезонья (работают вентиляторы и часть компрессоров);
с) Режим механического охлаждения (работают вентиляторы и компрессоры).
Разность в потребляемой мощности чиллера с естественным охлаждением по сравнению со стандартным чиллером очевидна. Снижение электропотребления начинается при температуре наружного воздуха ниже 15° C.
Диаграмма В
Данная диаграмма показывает распределение температуры окружающего воздуха в течение года (в часах). Например, 328 часов в течение года температура составляла 5° C.
Диаграмма С
На диаграмме С показана энергия, потребляемая в течение одного года двумя чиллерами - стандартным и с режимом свободного охлаждения. Используя приведенную на диаграммах информацию, мы можем подсчитать ежегодную экономию энергии для чиллера с естественным охлаждением по сравнению со стандартным чиллером. В данном случае экономия составляет приблизительно 50 %.
Несмотря на то, что стоимость агрегатов с функцией фри кулинга выше в среднем на 25-30%, их применение выгодно с точки зрения экономии электроэнергии, увеличенной надежности и ресурса.
Экономический эффект при применении чиллеров с режимом естественного охлаждения
Рассчитаем срок окупаемости чиллера с фри кулингом в сравнении с аналогичным стандартным агрегатом без фри кулинга. Для расчетов приняты чиллеры Energolux серии Rhein SCAW 150.5 Q=401 кВт температура холодоносителя 12ºС7ºС и 30% раствор этиленгликоля и чиллер с функцией фри кулинга SCAW 150.5 FC Q=434 кВт, температура холодоносителя 15ºС10ºС и 30% раствор этиленгликоля.
Ранее был приведен температурный график наружного воздуха (диаграмма А). Из этого графика следует, что при более высокой температуре холодоносителя режим фри кулинга наступает так же и при более высокой температуре наружного воздуха. Временной период окупаемости сокращается и агрегат работает более энергоэффективно. Поэтому в данных машинах у многих производителей приводятся температуры холодоносителя 15ºС/10ºС дл агрегатов с режимом фри кулинга.
В соответствии со СНиП «Строительная климатология» для г. Москвы наружная суточная Т < 7° составляет 200 суток или 4800 часов. Для Самары 195 суток. При наружной температуре ниже 7°С будет работать режим фри кулинга и потребляемая мощность агрегата с фри кулингом будет составлять 11 кВт, она будет затрачиваться только на работу двигателя вентилятора, т.е. разница в энергопотреблении будет на порядок меньше.
Токуп =(КЗ1 -КЗ2) / (N1 - N 2) x n x T - разница стоимости агрегатов за счет разницы энергопотребления.
где КЗ1 -КЗ2 =16 800 Евро, разница стоимости агрегатов без и с фри кулингом
N1= 144 кВт- Pnomp в режиме машинного охлаждения, (без фри кулинга)
N2= 11 кВт - Pnomp в режиме фри кулинга.
Для убедительности и простоты расчетов предлагаем годовую наработку в режиме фри кулинга
n = 1300 час Т=0,1 Евроцент - Тариф на электроэнергию для предприятий.
Разница стоимости агрегатов окупится за счет снижения энергопотребления
Токуп=16 800: (144-11) х 1300 х 0,1 = 16 421 Евро или за 1300 часов или 40 дней.
Оборудование с фри кулингом за счет меньшего потребления электроэнергии окупит себя через 40 дней (1300 час) зимнего сезона эксплуатации, что экономически целесообразно.
Обзор чиллеров Rhein с функцией Free Cooling
Чиллеры Rhein c алюминиевыми микроканальными конденсаторами воздушного охлаждения предназначены для наружного монтажа. Хладагент R410A. Высокоэффективные спиральные компрессоры с встроенными защитами двигателей от перегрева, нагревателями картеров, линиями выравнивания масла со смотровыми стеклами и заправленные POE маслом. Паянный пластинчатый теплообменник из нержавеющей стали AISI 316. Электронный ТРВ, осевые вентиляторы с непосредственным приводом, двигатели с встроенной защитой. Система управления включает RS485 для ModBus протокола в стандарте.
Опционально агрегат имеет встроенный гидромодуль: один/два насоса с накопительным баком. При снижении наружной температуры воздуха ниже температуры жидкости из системы 3-х ходовой вентиль перепускает жидкость из системы во встроенный теплообменник, где она охлаждается наружным воздухом, тем самым осуществляется смешанный режим работы и снижается энергопотребление. Самонесущая конструкция корпуса из гальванизированной стали с полиэстерной порошковой краской. Заклёпки из нержавеющей стали.
При разработке конструкции оборудования инженеры максимально использовали пространство внутри и благодаря оптимальной компоновке агрегаты имеют минимальные размеры, практически равномерное распределение весов. Особо хочется подчеркнуть, что все чиллеры моноблочного ряда имеют полноценные встроенные гидромодули: накопительный и расширительные баки, один или два циркуляционных насоса и соответствующие компоненты - реле протока, дифференциальное реле, манометры, предохранительные клапаны, воздухоотводчики. При этом компания по запросу может устанавливать насосы с различными напорными характеристиками, отличными от тех, которые приведены в документации.
В обеих сериях применены алюминиевые микроканальные конденсаторы. Многие производителя переходят с теплообменников с медными трубами и алюминиевым оребрением на полностью алюминиевые теплообменники преимущества которых очевидны:
- Снижение падения по воздуху до 25%
- Снижение расхода воздуха, снижение уровня шума
- Снижение падения по фреону, меньше нагрузка на компрессор
- Снижение объема заправки, веса агрегата
- Снижение мощности двигателей вентиляторов
- Увеличение эффективности теплопередачи
Успешный опыт
Во всех агрегатах Energolux предусмотрен ряд технических решений для надежной работы при температурах наружного воздуха до –30°C: дополнительные нагреватели картеров компрессоров, подогрев контроллера и трехходового клапана, кабели с морозоустойчивой изоляцией, изменение программного управления. Опыт эксплуатации уже поставленного оборудования для технологических процессов подтвердил правильность решений. В настоящее время разрабатываются дополнительные решения для гарантированной работы при морозах до –35°…- 45 °C.
Несмотря на то, что стоимость агрегатов с функцией фри кулинга выше в среднем на 15-20%, их применение выгодно с точки зрения экономии электроэнергии, увеличения, надежности, ресурса и быстрой окупаемости.
Несомненно, наиболее выигрышными и по стоимости и по техническим возможностям являются многокомпрессорные чиллеры серии Rhein модели SCAW…FC на спиральных компрессорах. Они построены на базе стандартных машин с добавление дополнительных теплообменников и трехходовых клапанов по холодоносителю.
Серия чиллеров холодопроизводительностью 50-170 кВт
Она имеет общий принцип конструирования корпуса и плоские теплообменники (конденсаторы и теплообменники фри кулинга). При разнице температур наружного воздуха и холодоносителя из системы 3-х ходовой вентиль перепускает холодоноситель в встроенный теплообменник и охлажденный уже поступает на вход испарителя. Один или два холодильных контура, имеющие в своем составе от 1 до 2 компрессоров, работающие в тендеме в одном холодильном контуре. В агрегате можно опционально установить насос(ы) с расширительным баком. При необходимости агрегаты
можно укомплектовать накопительными баками, установленные в отдельном корпусе на который устанавливается агрегат. Это позволило иметь встроенный гидромодуль без увеличения занимаемой площади. Увеличение высоты всего агрегата на 0.5 м. А диффузоры, установленные на вентиляторы снижают распространение шума в горизонтальном направлении.
Серия чиллеров холодопроизводительностью 110 - 1300 кВт
Серия имеет иное конструктивное решение; в ней применены V –образные конденсаторы. Такая прогрессивная конструктивная схема обеспечивает компактность установке и практически равномерное распределение весов. Все компоненты холодильных контуров и встроенного гидромодуля расположены под конденсаторами и свободный доступ к ним возможен с двух сторон для облегчения сервисного обслуживания. Теплообменники Фри кулинга расположены параллельно конденсаторам (параллельный Фри кулинг).
Плавное управление скоростями вращения вентиляторов позволяет в режиме естественного охлаждения поддерживать температуру холодоносителя при различных нагрузках и температурах наружного воздуха. Так как холодоноситель частично уже охладился во встроенных теплообменниках за счет теплообмена с холодным воздухом окружающей среды, то контроллер уже включает часть компрессоров или контуров для охлаждения жидкости до требуемой температуры. Это так называемый смешанный режим работы; одновременная работа части компрессоров и теплообменников естественного охлаждения. За счёт этого уже наступает режим снижения электропотребления. Максимальное количество количество компрессоров в одном контуре не более 3-х для гарантированного возврата масла при различных количествах включенных компрессоров в одном контуре.
Холодопроизводительности в режиме Free Cooling
- При Тнар = 0°С производительность составляет 70% от машинного охлаждения
- При Тнар = - 4°С производительность составляет уже 90% от машинного охлаждения
Опциональные дополнительные фрикулинговые теплообменики могут быть установлены отдельно с регулируемой группой вентиляторов (модульный Фри кулинг). Это позволяет увеличить холодопроизводительность агрегата в целом в режиме Фри кулинга и перейти в смешанный режим при более высокой температуре наружного воздуха. Недостаток - увеличение длины агрегата.
Комплектующие, применяемые в чиллерах Rhein, известных производителей; контроллер Carel 5+, пластинчатые теплообменники SWEP или ONDA, спиральные компрессоры Copeland или Bitzer, винтовые компрессоры Bitzer, вентиляторы EbmPapst или Ziehl-Abbeg, алюминиевые конденсаторы Microchanel компании Climetal (Италия), электрические силовые компоненты Schneider Electric.