Новые стратегии энергосбережения: "разумные" системы использования естественного холода

Стоимость системы кондиционирования для производственных помещений, где технологическое оборудование и производственные процессы особо чувствительны к микроклимату, часто намного меньше, чем потери, к которым может привести ее неисправность. Одна из мер, обеспечивающих надежность таких систем, — резервирование оборудования по схеме «n+1», что означает постоянное наличие «горячего» резерва, который задействуется при возникновении любой проблемы.

«Разумные» системы использования естественного холода

При низкой температуре окружающей среды для круглогодичного обслуживания технологических систем и производственных процессов выгодно использовать системы со «свободным охлаждением» (free cooling). Использование естественного холода позволяет снизить нагрузку или даже вовсе остановить компрессор, являющийся главным потребителем электроэнергии в холодильной машине.

Помимо экономичности применение систем со свободным охлаждением ведет к снижению выбросов в атмосферу СО2 и, следовательно, уменьшает вред, наносимый окружающей среде.

На объектах, где требуется гарантированное непрерывное поддержание нужной температуры, разумно использовать теплообменники «свободного охлаждения» как функционирующего, так и находящегося в «горячем» резерве оборудования. Для этого хладоноситель подается не через трехходовой клапан, а при помощи специального насоса.

Чиллеры со встроенными насосами

На рис. 1 показано типовое решение для чиллеров, в первичном контуре которых имеется встроенный насос. Все три машины объединены в «разумную» систему, при этом чиллер № 1 находится в резерве.

Когда температура наружного воздуха достаточно низка, система управления чиллерами № 2 и № 3 приводит в действие насосы систем «свободного охлаждения» и вентиляторы на резервном агрегате № 1. Циркуляция хладоносителя при этом происходит через все теплообменники «воздух/хладоноситель», вне зависимости от того, являются ли они рабочими или находятся в резерве (см. рисунок 2).

Следует отметить, что гидравлическое сопротивление, возникающее из-за выключенного насоса на резервном чиллере, затрудняет циркуляцию хладоносителя в этой водоохлаждающей машине.

Рисунок 1. Схема чиллеров с системами использования естественного холода и встроенными насосами на первичных контурах, где А — теплообменники „воздух/хладоноситель“; В — встроенные насосы системы использования естественного холода; С — испарители; D — основные встроенные насосы; E — обратные клапаны
Рисунок 2. Схема циркуляции хладоносителя в системе „разумного“ использования естественного холода со встроенными насосами на первичных контурах

Чиллеры, оборудованные выносными насосами первичной сети

В том случае, когда в систему входит единая насосная станция или выносной гидравлический модуль, необходимо оснастить чиллеры устройствами, которые будут отсекать по гидравлике испаритель резервной машины.

По этой причине на входе в испаритель обычно размещается моторизованный клапан, а на линии подачи — обратный клапан (рис. 3).

Проектируя «разумную» систему использования естественного холода для схем с выносными насосными станциями или выносными гидравлическими модулями, необходимо предусмотреть установку на чиллеры дополнительных моторизованных клапанов, чтобы предотвратить возможную циркуляцию хладоносителя через испаритель резервного агрегата (рис. 4).

Рисунок 3. Схема чилеров с системами использования естественного холода без встроенных насосов на первичных контурах
Рисунок 4. Стандартная схема „а“ — с работающими чиллерами №1 и №3, а чиллер №2 находится в „горячем“ резерве. Схема „b“ — с „разумным“ использованием естественного холода с работающими чиллерами №2 и №3, а чиллерами №1 резервный, где A и E — моторизованные клапаны; R — теплообменники „воздух/хладоноситель“; С — встроенные насосы системы использования естественного холода, D — испарители

Сравнительный анализ

Чтобы подтвердить экономический эффект применения предложенной схемы, было проведено сравнение стандартного решения с тремя чиллерами, один из которых находится в резерве, и нового, с подключенными по принципу «разумного» использования естественного холода. Для исследования использовались чиллеры Uniflair BRAF1306 A холодопроизводительностью 329 кВт с шестью спиральными компрессорами и шестью вентиляторами.

«Разумная» схема привела к снижению годового потребления электроэнергии на 3–7 % по сравнению с традиционными системами «свободного охлаждения». Если же сравнивать со схемами без использования естественного холода, то экономия может достигать 50 %.

Полученные результаты были детально проанализированы путем исследования следующих параметров: потерь напора, расхода хладоносителя, мощности теплообменника, энергоэффективности.

Потери напора

Параллельное соединение теплообменников «свободного охлаждения» увеличивает проходное сечение для хладоносителя примерно на 1/5 (рис. 5) для каждого насоса по сравнению с проходным сечением одиночного чиллера. Потери напора, которые приходится преодолевать каждому насосу, уменьшатся вдвое. Следовательно, общие потери могут быть приблизительно оценены по следующей формуле:

PC(2+1)=PC2/2+20% x PC2

Расход хладоносителя

Стандартный расход хладоносителя в номинальном состоянии — 70 м3/ч. Уменьшение потерь напора подразумевает увеличение расхода хладоносителя. В нашем случае в схеме «2+1» новый расход хладоносителя составит приблизительно 80–81 м3/ч (рис. 6).

Расход хладоносителя на каждом теплообменнике системы свободного охлаждения составляет ( – 2)/3 = 54 м3/ч, что на 23 % меньше номинального значения.

Рисунок 5. Сопоставление схемы движения хладоносителя для каждого случая
Рисунок 6. Сопоставление схем движения хладоносителя в случаях стандартного и превышенного расхода

Нагрузка на теплообменники

Рассмотрим процесс теплообмена в теплообменниках системы свободного охлаждения.
Задано:

Q=K×S×∆T(H2O/Air),

где Q — тепловая мощность теплообменника, K — коэффициент теплопередачи, S — площадь поверхности теплообмена, ∆T(H2O/Air)— средняя разность между температурами воздуха и хладоносителя.

При условии, что система налажена согласно номинальному расходу хладоносителя (70 м3/ч), при увеличении расхода часть хладоносителя будет циркулировать так, как показано на рис. 6.

Когда температура наружного воздуха составляет 5°C (температура начала использования системы «свободного охлаждения»), a температура хладоносителя на входе в чиллер — 15°C (при ∆T = 5°C; заданная температура — 10°C), то температура перед насосом будет рассчитываться следующим образом:

Tin=(10°C×11м3/ч+15°C×70м3/ч)/м3/ч=14,3°C.

Отношение значений отводимой теплоты равно отношению эффективностей теплообменников:

Q(2+1)/Q(2)=((K(2+1)×S(2+1))/(K(2)×S(2)))×(∆T(H2O/Air)(2+1)/∆T(H2O)/Air(2))=1,43×0,93=1,33

То есть «разумная» схема увеличивает теплообмен на 33 %.

Энергоэффективность

Сравним энергопотребление чиллеров, подключенных по традиционной и «разумной» схемам, как при работе с использованием только естественного холода, так и в смешанном режиме, когда работают и теплообменники свободного охлаждения, и компрессоры.

При использовании двух чиллеров требуемая холодопроизводительность полностью обеспечивается теплообменниками свободного охлаждения при температуре наружного воздуха ниже 5°C. В схеме с единым контуром теплообменников рабочих и резервного чиллеров («2+1») естественный холод обеспечивает заданную холодопроизводительность при температуре наружного воздуха 7°C и ниже. В этих случаях теплообменники «воздух/хладоноситель» полностью снимают тепловую нагрузку, а температура хладоносителя контролируется изменением скорости вентиляторов.

Чтобы сравнить потребление электроэнергии для двух решений, необходимо оценить: скорость вращения (и, соответственно, энергопотребление вентиляторов) и энергопотребление насосов системы свободного охлаждения с учетом разницы в расходе хладоносителя.

Исследования показывают, что чиллеры, соединенные в систему «разумного» использования естественного холода, потребляют меньше энергии, чем при традиционной схеме, когда наружная температура выше 0°C. Происходит это, во-первых, из-за неиспользования компрессоров в диапазоне наружных температур от 7 до 5°C, а во-вторых, из-за более низкой скорости вентиляторов при температуре наружного воздуха ниже 5°C.

При температуре наружного воздуха ниже 0°C энергопотребление обоих решений практически одинаково — это связано с тем, что, с одной стороны, скорость вращения вентиляторов, и, следовательно, их энергопотребление очень невелики из-за высокой эффективности теплообменных процессов в теплообменниках «воздух/хладоноситель». С другой стороны, нагрузка на насосы системы «свободного охлаждения» из-за увеличения расхода хладагента в схеме «2+1» составит 7 кВт вместо 6,5 кВт.

При температуре наружного воздуха выше 5°C для традиционной схемы (и выше 7°C — для «разумной») теплообменники «воздух/хладоноситель» не могут полностью снять тепловую нагрузку, поэтому необходимо частично задействовать компрессоры. Однако при «разумной» системе подключения нагрузка на них будет меньше.

Сравнить энергосбережение в различных европейских городах с учетом их климата можно по таблице 1, где собраны показатели ежегодного потребления электроэнергии стандартными чиллерами, традиционными чиллерами со свободным охлаждением и чиллерами с «разумной» системой использования естественного холода.

Таблица 1. Расходы и экономия электроэнергии в абсолютных и относительных единицах. Данные приведены для требуемой холодильной мощности 568КВт. При температуре наружного воздуха ниже — 15°C. При температуре наружного воздуха выше 15°C температура хладоносителя на выходе из чиллера — 7°C
ГородРасход электроэнергии стандартными чиллерами, МВт*чРасход чиллерами со свободным охлаждением, МВт*чРасход электроэнергии с „разумным“ свободным охлаждением, МВт*чДополнит. экономия электроэнергии, кВт*чДополнит. экономия электроэнергии, %
Франкфурт110774771234 5605%
Рим12451 0561 02531 5873%
Милан114481578629 1324%
Манчестер111678974346 0086%
Париж117891087336 9544%
Амстердам106265160942 5587%
Стокгольм100154151328 1675%
Мадрид1204938902367434%
Берлин108870767631 5254%
Лондон110315470846 0186%
Копенгаген106163859938 0776%

Выводы

Подключение оборудования по схемам «разумного» использования естественного холода позволяет уменьшить энергопотребление путем использования уже имеющегося оборудования, без значительных финансовых затрат и ущерба для надежности систем.

Материал компании Uniflair.

Редакция журнала «МИР КЛИМАТА» выражает благодарность за помощь в переводе и адаптации статьи на русский язык А.В. Селину, компания «Термокул»



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