Вестник УКЦ АПИК: Режим свободного охлаждения — фрикулинг

Архитектура непрямого фрикулинга с воздухо-воздушным теплообменником
Рис. 1. Архитектура непрямого фрикулинга с воздухо-воздушным теплообменником
Архитектура прямого фрикулинга: наружный воздух напрямую подается в помещение
Рис. 2. Архитектура прямого фрикулинга: наружный воздух напрямую подается в помещение
Чиллер компании Emerson Network Power Liebert серии HPC с функцией фрикулинга
Рис. 3. Чиллер компании Emerson Network Power Liebert серии HPC с функцией фрикулинга
При проектировании систем кондиционирования для помещений, требующих круглогодичного охлаждения, — технических зон, серверных, центров обработки данных, производственных площадок с высоким уровнем теплоизбытков — неминуемо встает вопрос: нельзя ли в зимнее время года использовать для их охлаждения наружный холодный воздух? Именно такую возможность и открывает технология свободного охлаждения — фрикулинга (от англ. «Freecooling» — «свободное охлаждение»).

Истоки фрикулинга

Как известно, холодильная машина — это устройство, которое передает тепло от менее нагретого тела к более нагретому. Для того чтобы осуществить такой переброс тепла, требуется затратить энергию. В привычных для нас кондиционерах элементом, который обеспечивает такой перенос, является компрессор. Он и потребляет основную долю затрачиваемой кондиционером энергии.

Но при похолодании мы перестаем использовать кондиционер для охлаждения внутреннего воздуха. Вместо этого мы просто открываем окно и довольствуемся естественной вентиляцией. Что мешает применить подобную схему и для помещений, которым требуется круглогодичное охлаждение? Для электрощитовых, помещений с источниками бесперебойного питания и аккумуляторными батареями, небольших серверных и крупных центров обработки данных, промышленных площадок и производственных цехов — везде, где есть значительные теплоизбытки (более 200 Вт/м2) требуется охлаждение не только в летнее, но и в зимнее время.

В те моменты, когда температура наружного воздуха не превышает температуру воздуха в помещении, то есть когда тепло нужно передавать не от более холодной среды к более теплой, а от более нагретой среды к менее нагретой, и может быть задействован фрикулинг.

Независимо от того, охлаждается помещение наружным воздухом напрямую или же через дополнительный воздушный или водяной контур, фрикулинг несет в себе огромный энергосберегающий потенциал. Ведь в этом режиме не задействуется самый энергоемкий элемент любого кондиционера — компрессор. Это же порождает и еще одно достоинство режима свободного охлаждения — экономию ресурса компрессора: самый дорогостоящий элемент кондиционера используется реже, а потому прослужит дольше.

Виды свободного охлаждения

Существуют две архитектуры систем свободного охлаждения. Это непрямой и прямой фрикулинг.
Разница между ними заключается в том, что при непрямом фрикулинге наружный воздух не попадает непосредственно в обслуживаемое помещение (рис. 1), а при прямом фрикулинге попадает (рис. 2), как если бы это действительно были открытые окна.

Каждая из двух архитектур имеет свои достоинства и недостатки. Так, при прямом фрикулинге удается достичь большего энергосбережения, да и сама система становится проще. Однако подача наружного воздуха в помещение требует уделить большое внимание очистке этого воздуха. Причем, важно отметить, что расходы воздуха в таких системах значительны, а потому и система фильтрации должна быть мощной.

В то же время при непрямом фрикулинге наружный воздух не подается в помещение, а потому требования по его очистке отсутствуют. Однако в системе возникают дополнительные элементы — воздухо-воздушный или воздухо-водяной теплообменник, трассы для водяного контура и прочее. В результате и энергоэффективность всей системы в целом несколько ниже.

Реализация свободного охлаждения

Существует несколько вариантов реализации систем прямого и непрямого свободного охлаждения — как встроенных в холодильное оборудование, как правило, в чиллеры, так и независимых от них.

Чиллер с функцией фрикулинга

Одной из наиболее распространенных реализаций системы свободного охлаждения является использование чиллеров с функцией фрикулинга (рис. 3).

Данное оборудование позволяет отказаться от использования компрессора в переходный и зимний периоды. С помощью трехходового клапана вода переводится в дополнительную теплообменную систему фрикулинга и уже потом — в испаритель. Агрегат отличается компактными размерами, так как теплообменник фрикулинга встроен в корпус чиллера.

Преимуществом использования чиллеров с функцией фрикулинга является встроенная система управления, подразумевающая автоматическое переключение оборудования с компрессионного режима на свободное охлаждение и наоборот.

Воздухо-воздушный теплообменник

Использование роторного теплообменника для реализации системы свободного охлаждения
Рис. 4. Использование роторного теплообменника для реализации системы свободного охлаждения
Другой набирающий популярность вариант реализации фрикулинга заключается в использовании воздухо-воздушного теплообменника (рис. 1) с использованием роторных теплообменников (рис. 4).

Безусловным недостатком подобных систем являются их габариты. Установки могут занимать целый этаж здания, а иногда и два, когда высота теплообменника достигает 6 м. Однако для производственных и иных зон, учитывая их и без того немалые габариты, размеры систем свободного охлаждения, построенных на основе воздухо-воздушных теплообменников, вполне приемлемы. Кроме того, их можно разместить на технических этажах или на чердаке здания.

Очевидным же преимуществом является крайне высокий потенциал энергосбережения. Они могут работать при температурах наружного воздуха, почти равных температуре внутреннего, то есть, практически, в течение всего года. На энергозатратную компрессионную систему охлаждения выпадает не более 10 % времени в году.

Реализация системы прямого фрикулинга

Прямой фрикулинг в моноблочных кондиционерах
Рис. 5. Прямой фрикулинг в моноблочных кондиционерах
Одна из наиболее популярных схем реализации прямого фрикулинга основана на применении моноблочных прецизионных кондиционеров, оснащенных данной функцией. Такие решения наиболее пригодны для относительно небольших объектов, теплоизбытки которых не превышают 50 кВт.

При этом моноблочный кондиционер устанавливается вплотную к наружной стене, а в его конструкцию входит клапан, который изменяет направление движения воздуха. В результате этого в зимнее время холодный наружный воздух, который ранее предназначался для охлаждения конденсатора, через смесительный узел направляется в помещение (рис. 5).

Оценка энергосбережения от использования фрикулинга

Одной из актуальных задач на сегодняшний момент остается оценка эффективности работы архитектуры свободного охлаждения. Прежде всего следует выяснить, в течение какого времени в году будет задействован режим фрикулинга и климатические особенности региона, где будет смонтирована система охлаждения.

Если используется непрямой фрикулинг на основе чиллерного оборудования, то максимальная наружная температура, до которой может быть задействован режим свободного охлаждения, составляет, как правило, 7 °C. Сразу оговоримся, что эта цифра — не догма и зависит от компоновки всей системы в целом, числа контуров в ней, температурного графика теплоносителя и других критериев. Однако «средней по больнице», как показывает опыт, можно принять температуру 7 °C.

Длительность периода со среднесуточной температурой менее 7 °C для различных городов России, рассчитанная на основе данных из СНиП 23-01-99* «Строительная климатология», приведена в таблице.

Следует отметить, однако, что в таблице приведены данные по среднесуточным температурам, в то время как в переходный и летний периоды температура воздуха днем зачастую выше заданной отметки, а ночью — ниже ее. Обусловленные перепадами температуры дополнительные часы использования режима свободного охлаждения здесь не учтены.

Однако существуют и более точные методы расчета длительности режима фрикулинга. Так, подробный архив погоды за последние 15 лет начиная с 1999 года доступен на интернет-ресурсе www.AboutDC.ru по адресу http://AboutDC.ru/weather_statistic/. На сайте собраны данные о температуре, влажности и других параметрах климата различных городов России. По состоянию на начало июня 2013 г. приводится информация по Москве, Санкт-Петербургу, Волгограду и Уфе, которая в том числе, представлена в виде графиков среднемесячных /средненедельных /среднесуточных/ среднечасовых значений (рис. 6).

График среднесуточных температур для Москвы в июле-сентябре запомнившегося жарким летом 2010 года
Рис. 6. График среднесуточных температур для Москвы в июле-сентябре запомнившегося жарким летом 2010 года
График среднемесячных температур для Москвы на основе данных за период 1999–2012 гг.
Рис. 7. График среднемесячных температур для Москвы на основе данных за период 1999–2012 гг.
Онлайн-приложение позволяет с высокой точностью рассчитать те или иные климатические показатели, например минимумы/максимумы, и средние значения за определенный период, а также длительность периода, в течение которых заданные показатели климата не превышали заданных пороговых значений.

Кроме того, задавая температуру перехода на фрикулинг и основные характеристики системы охлаждения (потребляемую мощность в обычном и энергосберегающем режимах), становится возможным оценить длительность задействования режима свободного охлаждения в рассматриваемом регионе России, а также связанную с этим экономическую выгоду и окупаемость затрат на повышение энергоэффективности системы охлаждения.

Таблица. Ориентировочная годовая длительность периодов для различных городов России, в течение которых среднесуточная температура воздуха меньше +7 °C (на основе СНиП 23-01-99* «Строительная климатология»)
Город Продолжительность, сут.
Архангельск 240
Волгоград 165
Воронеж 180
Екатеринбург 210
Иркутск 240
Казань 210
Калининград 180
Краснодар 145
Красноярск 220
Москва 200
Мурманск 250
Нижний Новгород 210
Новосибирск 220
Омск 220
Ростов-на-Дону 150
Самара 195
Санкт-Петербург 200
Безусловно, погода постоянно меняется, и даже у соответствующих специалистов не всегда получается точно ее предугадать. Как результат, рассчитать некое среднее значение использования фрикулинга за последние 15 лет, на наш взгляд, является не самым верным способом оценки его энергосберегающего потенциала. Гораздо более правильным видится вариант оптимистичного и пессимистичного прогнозирования.

В результате расчетов (для каждого года за последние 15 лет) мы получим 15 цифр, среди которых будет свой минимум (наименьший эффект от свободного охлаждения — пессимистичный вариант) и максимум (наивысший эффект от свободного охлаждения — оптимистичный вариант). Таким образом, прогнозируя эффект от внедрения фрикулинга на будущее, можно оперировать конкретными цифрами, характеризующими пессимистичный и оптимистичный варианты развития событий.

В частности, для Московского региона, как показывает практика, при расчете оптимистичного варианта можно опираться на данные лета 2004 года, которое оказалось самым холодным за последние 15 лет. При расчете пессимистичного варианта подобной однозначности нет. В зависимости от избранной пороговой температуры это могут быть 2005, 2007, 2010, 2011 и 2012 годы. Например, если за пороговую температуру принять 7 °C, то наихудшим будет 2010 год, а если 10 °C, то 2012 год.

Заключение

Системы свободного охлаждения позволяют в значительной мере сократить затраты на электроэнергию, потребляемую системой охлаждения помещений, которым требуется круглогодичное кондиционирование. Прямой фрикулинг более эффективен, но требует особых мер по очистке наружного воздуха. Непрямой фрикулинг менее эффективен, но и не допускает наружный воздух внутрь помещения.

Для любого объекта важным является вопрос возврата инвестиций в энергосберегающие технологии. Если говорить о сроке окупаемости фрикулинга, то он составляет, как правило, не более 3–4 лет и может быть рассчитан с использованием данных о погоде конкретного региона. Для усредненных оценок могут быть использованы среднемесячные значения. Однако рекомендуется сразу использовать более точные инструменты, к которым следует отнести ресурс www.AboutDC.ru.

Используя в своей практике оптимистичный и пессимистичный прогнозы на основе климатических данных за наиболее холодный и теплый годы, можно с большой точностью предсказать диапазон сроков окупаемости энергосберегающих технологий, а также скорость возврата инвестиций за счет экономии на эксплуатационных затратах.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «МИР КЛИМАТА»

В статье использованы данные из технической документации климатического оборудования компании Emerson Network Power, компании KyotoCooling, а также данные с интернет-портала www.AboutDC.ru.



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