Климат России — естественный источник энергии

С точки зрения сокращения расходов электроэнергии и увеличения ресурса работы холодильного оборудования представляется эффективным использование естественного холода. Климат России позволяет широко внедрять подобные технологии почти на всей территории страны. На сегодняшний день такой подход наиболее распространен в технологическом кондиционировании воздуха, молочной промышленности, при производстве макаронных изделий, соков, газированных напитков, вин, в химической промышленности и при производстве различных изделий из пластмасс.

Практически во всех случаях для охлаждения хладоносителя при помощи наружного воздуха используются оребренные воздушные теплообменники, так называемые сухие охладители. Современные технологии их изготовления позволяют обеспечить эффективное охлаждение при температурном напоре (разнице температур охлаждающего воздуха и жидкости, входящей в теплообменник) 5-7°C. Исходя из этого, можно подсчитать время эффективного использования естественного холода для различных производств, расположенных в той или иной климатической зоне. Для этого необходимо знать температуру хладоносителя, используемого в технологическом процессе, и среднегодовой график изменения температур в данной местности.

Рис. 1.
Рис. 1. При температуре окружающего воздуха выше температуры охлаждаемой жидкости, поток этой жидкости через трехходовой клапан поступает в испаритель холодильной установки, где охлаждается до заданной температуры
Так как на производствах охлаждение в основном требуется круглый год и при этом температура хладоносителя, как правило, ниже температуры окружающего воздуха в теплый период года, то возможно применение только комбинированных схем, использующих и машинное, и естественное охлаждение.

Рассмотрим в качестве примера технологический процесс, в котором температура охлаждающей жидкости должна быть менее 15°C. В теплый период года при температуре наружного воздуха tнар> 15°C весь процесс происходит за счет парокомпрессионного цикла холодильного контура чиллера. При температуре 7-15°C возможен смешанный режим охлаждения: частично в холодильном контуре чиллера и частично в сухом охладителе. При tнар<7°C процесс охлаждения можно полностью реализовать в сухом охладителе. В табл. 1 приведены данные по количеству дней в году со средней температурой менее 7°C. В этот период потребность в работе холодильного контура отсутствует.

Таблица 1. Средние месячные температуры воздуха некоторых городов России по СниП

регион/месяц I янв. II фев. III март IV апр. V май VI июнь VII июль VIII авг. IX сент. X окт. XI нояб. XII дек. кол-во дней в году с t<7°C
Мурманск -10,5 -10,8 -6,9 -1,6 3,4 9,3 12,6 11,3 6,6 0,7 -4,2 -7,8 250
Архангельск -12,9 -12,5 -8,0 -0,9 6,0 12,4 15,6 13,6 7,9 1,5 -4,1 -9,5 240
Иркутск -20,6 -18,1 -9,4 1,0 8,5 14,8 17,6 15,0 8,2 0,5 -10,4 -18,4 240
Красноярск -18,2 -16,8 -7,8 2,6 9,4 16,6 19,1 15,7 9,4 1,5 -8,8 -16,3 220
Новосибирск -18,8 -17,3 -10,1 1,5 10,3 16,7 19,0 15,8 10,1 1,9 -9,2 -16,5 220
Омск -19,0 -17,6 -10,1 2,8 11,4 17,1 18,9 15,8 10,6 1,9 -8,5 -16,0 220
Екатеринбург -15,5 -13,6 -6,9 2,7 10,0 15,1 17,2 14,9 9,2 1,2 -6,8 -13,1 210
Казань -13,5 -13,1 -6,5 3,7 12,4 17,0 19,1 17,5 11,2 3,4 -3,8 -10,4 210
Н. Новгород -11,8 -11,1 -5,0 4,2 12,0 16,4 18,4 16,9 11,0 3,6 -2,8 -8,9 210
Москва -10,2 -9,2 -4,3 4,4 11,9 16,0 18,1 16,3 10,7 4,3 -1,9 -7,3 200
Санкт-Петербург -7,8 -7,8 -3,9 3,1 9,8 15,0 17,8 16,0 10,9 4,9 -0,3 -5,0 200
Самара -13,5 -12,6 -5,8 5,8 14,3 18,6 20,4 19,0 12,8 4,2 -3,4 -9,6 195
Воронеж -9,8 -9,6 -3,7 6,6 14,6 17,9 19,9 18,6 13,0 5,9 -0,6 -6,2 180
Калининград -3,1 -2,5 0,6 6,2 11,6 15,2 17,3 16,7 13,0 7,8 2,9 -0,9 180
Волгоград -7,6 -7,0 -1,0 10,0 16,7 21,3 23,6 22,1 16,0 8,0 -0,6 -4,2 165
Астрахань -6,7 -5,6 0,4 9,9 18,0 22,8 25,3 23,6 17,3 9,6 2,4 -3,2 160
Ростов-на-Дону -5,7 -4,8 0,6 9,4 16,2 20,2 23,0 22,1 16,3 9,2 2,5 -2,6 150
Краснодар -1,8 -0,9 4,2 10,9 16,8 20,4 23,2 22,7 17,4 11,6 5,1 0,4 145
Рис. 2. Если температура окружающего воздуха опускается ниже температуры охлаждаемой жидкости, поток этой жидкости через трехходовой клапан поступает в батарею сухого охладителя, где охлаждается потоком воздуха. При этом температура охлаждаемой жидкости не достигает заданных значений. Да лее поток этой жидкости направляется в испаритель холодильной установки, где охлаждается до заданного значения температуры. Холодильная установка в этом случае работает не на полную мощность, которая будет снижаться по мере понижения температуры окружающего воздуха
рис. 3. При определенных значениях температуры окружающего воздуха температура охлаждаемой жидкости на выходе из батареи сухого охладителя достигнет заданного значения, и холодильная установка отключится, т. е. охлаждение будет производиться только с использованием естественного холода. По мере дальнейшего понижения температуры окружающего воздуха для поддержания заданной температуры охлаждаемой жидкости будет уменьшаться поток воздуха через батарею сухого охладителя. При нижних значениях температуры окружающего воздуха и нулевом потоке воздуха через батарею сухого охладителя (вентиляторы выключены) температура охлаждаемой жидкости на выходе из батареи может быть ниже заданной. Модулирующий трехходовой вентиль разделяет поток охлаждаемой жидкости и часть его направляет непосредственно в испаритель, а часть - в батарею сухого охладителя. Далее эти потоки смешиваются, и на выходе из машины температура жидкости достигнет заданного значения. Таким образом, обеспечивается надежная работоспособность установки при низких - вплоть до -40°С - температурах окружающего воздуха

В промышленно-развитых странах уже широко используются чиллеры с объединенными батареями воздушного конденсатора и сухого охладителя, имеющие единую микропроцессорную систему управления. В таких установках, как правило, батареи воздушных конденсаторов и батареи сухих охладителей имеют общее алюминиевое оребрение, что обеспечивает компактность и, соответственно, удобство транспортировки и размещения на объекте. Принцип работы приведен на рисунках.

Автоматика чиллера в каждый момент времени сама выбирает режим охлаждения: машинный, естественный или смешанный, что позволяет обеспечить максимальное энергосбережение. В режиме естественного охлаждения работают только вентиляторы, которые в блочных машинах используются для охлаждения воздушного конденсатора. Они расходуют не более 10% от потребляемой мощности водоохлаждающей установки, работающей в режиме машинного охлаждения. При низких температурах поток воздуха через батарею охладителя уменьшается либо за счет изменения частоты вращения вентиляторов, либо за счет отключения части вентиляторов. Потребляемая мощность при этом также будет снижаться.

Несмотря на то, что стоимость чиллеров с функцией естественного охлаждения увеличивается на 20-25 %, их внедрение крайне выгодно, как с точки зрения экономии электроэнергии и окупаемости установки, так и с точки зрения увеличения рабочего ресурса, сокращения расходов на ремонт и замену изнашиваемых деталей.

Срок окупаемости увеличения капитальных затрат в случае приобретения чиллера с функцией естественного охлаждения (фрикулинга) можно рассчитать по формуле:

Ток=(КЗ2-КЗ1)/[(Nэл.1-Nэл.2)n ·Т],

где Ток - срок окупаемости увеличения капитальных затрат, лет;

КЗ 1, - капитальные затраты на оборудование без фрикулинга, руб.;

КЗ 2 - капитальные затраты на оборудование с фрикулингом, руб;

Nэл.1 - потребляемая мощность оборудования в режиме машинного охлаждения, кВт;

Nэл.2 - потребляемая мощность оборудования в режиме фрикулинга, кВт;

n - годовая наработка оборудования в режиме фрикулинга, ч.;

T - тариф на электроэнергию, руб./(кВт·ч).

Приведем пример расчета на основе водоохлаждающей установки с фрикулингом FOCS FC 4222 в итальянской компании Climaveneta.

  • охлаждаемая жидкость - 30%-ный раствор этиленгликоля;
  • температура входящей жидкости, °C - +20;
  • температура выходящей жидкости, °C - +15;
  • холодопроизводительность, кВт - 1015;
  • потребляемая мощность в режиме машинного охлаждения, кВт - 304;
  • потребляемая мощность в режиме фрикулинга, кВт - 43.

Фото 1.
Фото 1. "Нидан-Гросс" (Московская обл.), самый крупный в Центральной России завод по производству соков и соковой продукции. Общая холодопроизводительность более 3 МВт
Фото 2.
Фото 2. Завод "Терна Полимер" (Московская обл.), производство винилового сайдинга, подоконников, панелей для внутренней отделки помещений и комплектующие к ним. Общая холодопроизводительность более 1 МВт
Разница между ценой установки с фрикулингом и без него составит около 42 тыс. евро. Предполагается круглогодичная и круглосуточная работа установки, климатическая зона использования - Москва, где количество дней со средней температурой +7°C и ниже - 200 (табл. 1.). Таким образом, годовая наработка установки с использованием фрикулинга составит приблизительно 4800 часов.

При стоимости 1 кВт· ч электроэнергии 6 евроцентов, срок окупаемости увеличения капитальных затрат составит:

Ток = 42000/(304-43)х4800x х 0,06=0,56 года (или 204 дня).

Таким образом, в данном случае использование водоохлаждающей установки с фрикулингом экономически оправдано и технически целесообразно. Реально срок окупаемости холодильной машины Climaveneta с естественным охлаждением - один цикл "осень-зима-весна". При этом мы не учитывали пониженную амортизацию оборудования, так как компрессоры работали около половины срока эксплуатации холодильной машины.

Ниже приведены объекты, где реализованы системы с использованием холодильных машин с естественным охлаждением:

  • Завод "Нидан-Гросс" (фото 1).
  • Завод "Терна Полимер" (фото 2).
  • ООО " Эрготек" (Пермь), производство твердых парафинов, парафиновых и масляных эмульсий, клеев-расплавов и композиций на основе парафинов. Общая холодопроизводительность более 300 кВт.
  • ОАО "Мелькомбинат" (Тверь), один из крупнейших производителей муки, комбикормов и макаронных изделий. Общая холодопроизводительность более 350 кВт.

Статья подготовлена специалистами компании АТЕК



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест