Энергосберегающие системы STL в системах кондиционирования

В последнее время за рубежом все чаще внедряются различные технические решения, позволяющие более эффективно использовать энергоресурсы в области холодильной техники для систем кондиционирования воздуха (СКВ), а также для промышленных систем охлаждения. В этих целях применяется разнообразное энергосберегающее оборудование.

Учитывая, что СКВ является одним из основных потребителей энергии среди систем жизнеобеспечения современного здания (то же самое можно сказать и о промышленных холодильных установках), данные мероприятия приобретают особую актуальность. В связи с ростом дефицитности и цен на энергоносители проблемы энергоснабжения приобретают всю большую актуальность.

В промышленных холодильных установках и крупных системах кондиционирования воздуха (СКВ) широко используются водоохлаждающие машины – чиллеры. В СКВ доля водоохлаждающих холодильных установок составляет не менее 80 %. Поэтому энергосбережение этим классом оборудования может способствовать успешному выполнению программы энергосбережения 

Рис.1. Приведен график дневной потребности в холоде СКВ для офисных помещений.

• Также следует учитывать и следующее обстоятельство. Обычно при расчете традиционной системы кондиционирования воздуха (СКВ) подбор охлаждающего оборудования производится из условия максимальных теплопоступлений в обслуживаемые системой помещения. Максимальная мощность необходима обычно только в небольшие отрезки времени года (зачастую в течение лишь нескольких часов).
• Таким образом, подобранное холодильное оборудование большую часть времени работает с неполной нагрузкой и, соответственно, с низкой эффективностью.

Одним из технических решений по повышению эффективности работы СКВ может быть использование энергосберегающих систем STL фирмы « Cristopia « (Франция), являющейся филиалом компании «CIAT».

• Одним из интересных решений для России и, в частности, для Москвы может стать принцип аккумулирования холода в ночное время суток за счет работы холодильного оборудования и дальнейшего использования холода днем в дополнение к холодопроизводительности  водоохладителя (чиллера).

Рис.2. Приведен график, каким образом достигается снижение максимальной мощности холодильной машины. 

Данное техническое решение нашло свое применение при производстве энергосберегающих систем STL фирмы «Cristopia» (Франция), — ведущей европейской компании по производству холодильного и кондиционерного оборудования.

В чем суть данного решения и каковы его преимущества?

Применение систем STL для СКВ:

Каким же образом можно повысить эффективность работы оборудования и заодно уменьшить эксплуатационные затраты? 

Одним из важных моментов при проектировании является учет неравномерности нагрузки на СКВ во времени.

• Нередко подбор оборудования производят по пиковым нагрузкам, что приводит к необходимости увеличивать производительность СКВ на 30–40 % относительно допиковой нагрузки.
• Так, в системах кондиционирования офисных помещений в летний период пиковые нагрузки возникают с 12 до 15 часов, в то же время ночью СКВ практически не используется. Перепад суммарных теплопритоков достигает значений 2,5–3,0.
• В театральных залах максимальный теплоприток приходится на период представления (80–150 Вт на человека).
• Пиковые нагрузки возникают во многих технологических процессах, например, на молочных фермах объем молока необходимо охладить в течение 2–3 часов после удоя, рыбу на рыболовецких судах – при выборке трала и т. д.

При проектировании СКВ в дополнение к холодильной машине подбирается аккумулятор холода системы STL. При этом мощность холодильной машины (чиллера) берется на 40–60% ниже расчетной проектной холодопроизводительности с учетом того, что в пиковые промежутки времени, когда требуется максимальная холодопроизводителыюсть, водоохладитель и аккумулятор холода работают совместно, тем самым обеспечивая требуемую холодильную мощность.

Преимущества этого подхода:

• Снижение затрат на электроэнергию. Дело в том, что в настоящее время практически во всех европейских странах существует так называемый дневной и ночной тариф использования электроэнергии. При этом ночной тариф, естественно, гораздо ниже дневного. Поэтому благодаря использованию системы STL в ночное время есть возможность существенно сократить эксплуатационные затраты.
• Более эффективное использование электроэнергии в течение суток, что особенно важно для районов с жестким лимитом использования электрической энергии (например, центр Москвы).
• Использование меньшего типоразмера основного холодильного оборудования.
• Равномерная работа оборудования в течение суток.
• Система STL совместима с любой системой кондиционирования воздуха или промышленной системой охлаждения.
• Система STL может использоваться как резервный источник холода в случае выхода из строя основного холодильного оборудования.

Это решение не является каким-то совершенно новым, «революционным«, скорее наоборот позабытым старым, так как основывается на использовании льда в качестве рабочего тела для охлаждения и аккумулятора энергии (в данном случае — холодильной мощности водоохладителя).

• Основной особенностью решения фирмы «Cristopia» является то, что лед не имеет непосредственного контакта с охлаждающей жидкостью за счет того, что заключается в полиэтиленовые корпуса сферической формы, так называемые сферические заполнители. Диаметр таких заполнителей невелик (96 мм — для СКВ и 77 мм — для промышленных холодильных установок). Тем самым достигается большая площадь теплообмена. Используя различные жидкости, как для охлаждения, так и для заполнения сферических заполнителей, имеется возможность изменять температуру льдообразования.

 Устройство и принцип работы системы STL

Устройство:

Аккумулятор холода системы STL представляет собой резервуар (цилиндрический или прямоугольный), который заполняется сферическими заполнителями. Резервуар изготавливается из стали и может быть расположен горизонтально, вертикально, а также располагаться непосредственно в земле. Заполнители отлиты под давлением в виде пустотелой сферы из полиэтилена высокой плотности и заполнены специальной жидкостью РСМ (жидкость с изменяющимися свойствами).

В резервуаре циркулирует жидкий теплоноситель (обычно водный раствор этиленгликоля) при температуре ниже 0°С, вызывая кристаллизацию РСМ внутри заполнителей.

• Тем самым достигается аккумулирование энергии в виде скрытой теплоты кристаллизации в период фазового перехода из жидкого состояния в твердое. Механические и химические свойства заполнителей подобраны в соответствии со всеми возможными ситуациями, возникающими в системах охлаждения.
• Имеющийся ряд жидкостей РСМ позволяет аккумулировать тепловую энергию при температурах от –33 до +27°С. Используемые материалы заполнителей полностью нейтральны как к фазовым изменениям (кристаллизация), так и по отношению к жидкому теплоносителю. Материалы прошли проверку в лабораториях Франции и других стран.          Рис. 3. Капсула-заполнитель:

1. – пробка,
2. – воздух,
3. – материал-заполнитель,
4. – оболочка из полиолефина

Фирма «Cristopia» предлагает целый ряд сферических заполнителей, разработанных для конкретной отрасли:

• S 27 — тепловые насосы
• С — системы кондиционирования воздуха
• S 00 — компьютерные помещения
• SN 03 — молочная промышленность
• SN 06 — центральные кухни
• SN 10 — коптильни, пивоварни
• SN 15 — предприятия мясной промышленности
• SN 18 — фармацевтическая промышленность
• SN 21 — обеспечение химических процессов
• SN 26, SN 29–33 — химические производства.

Упрощенная гидравлическая схема (основные элементы), по которой можно проследить принцип работы аккумуляторов холода STL, представлена на Рис. 4.

Рис.4. Гидравлическая схема системы STL.

• 1 – теплообменник водоохладителя;
• 2, 4 – обратные клапаны;
• 3, 10, 8, 12 – вентили;
• 5 – трехходовой вентиль;
• 6, 11 – насосы;
• 7 – аккумулятор холода;
• 9 – теплообменник кондиционера;
• Т1 и Т2 – термостаты. 

Схема состоит из двух контуров – первичного и вторичного:

• Первичный контур служит для зарядки аккумулятора холода. В этом контуре охлаждающая жидкость циркулирует с постоянным расходом и изменяющейся температурой.
• Во вторичном контуре охлаждающая жидкость циркулирует с постоянной температурой, но с переменным расходом.

В теплообменнике (испарителе) водоохладителя (рис. 4, поз. 1) фреон испаряется и понижает температуру охлаждающей жидкости. Насосы (6) и (11) обеспечивают циркуляцию жидкости по первичному и вторичному контурам. Регулировка расхода охлаждающей жидкости по вторичному контуру осуществляется трехходовым вентилем (5).

Работа системы включает 5 режимов:

• а – накопление холода в аккумуляторе;
• б – прямое охлаждение;
• в – прямое охлаждение и накопление холода в аккумуляторе;
• г – разрядка аккумулятора холода;
• д – разрядка аккумулятора холода и прямое охлаждение.

Режим накопления холода в аккумуляторе (рис. 4, а).

В период, когда не требуется охлаждать нагрузку (в СКВ – помещение), работает только первичный контур. Температура охлаждающей жидкости понижается до температуры, меньшей точки кристаллизации заполнителя в капсулах. Фазовое состояние заполнителя изменяется, при этом абсорбируется энергия охлаждения. В этом режиме:

• работает только насос (11),
• открыты клапаны (3) и (12),
• а трехходовой вентиль (5) закрыт полностью.

По мере кристаллизации коэффициент теплопередачи постепенно уменьшается и температура охлаждающей жидкости понижается. Понижение температуры характеризует окончание цикла зарядки. По установленной температуре термостат Т2 отключает холодильную машину.

Режим прямого охлаждения (рис. 4, б).

В случае, когда аккумулятор холода заряжен, а нагрузка не превышает установочной производительности водоохладителя, реализуется режим прямого охлаждения: 

• Вентиль (3) закрыт,
• регулировка производительности осуществляется трехходовым вентилем по температуре охлажденной жидкости.
• Подача жидкости по контуру осуществляется насосами (6) и (11).

Режим прямого охлаждения и накопления холода в аккумуляторе (рис. 4, в).

Данный режим используется, когда потребность в холоде меньше производительности водоохладителя, а температура жидкости выше заданной. В этом режиме:

• работают насосы (6) и (11),
• клапан (10) закрыт,
• накопление холода осуществляется через клапан (3) до срабатывания термостата,
• регулировка производительности производится трехходовым вентилем по датчику Т1.

Режим разрядки аккумулятора холода (рис. 4, г).

В случае если необходимо провести регламентные и ремонтные работы с чиллером, используется холод, накопленный в аккумуляторе. В этом режиме:

• клапаны (3), (10) и (12) закрыты,
• компрессор холодильной машины выключен и в теплообменник кондиционера поступает жидкость, охлаждаемая в аккумуляторе холода.

Режим разрядки аккумулятора холода и прямое охлаждение (рис. 4, д).

При пиковых нагрузках, когда производительности водоохладителя недостаточно, аккумулятор холода включается на разрядку:

• насосы (6) и (11) работают,
• регулировка производительности осуществляется трехходовым вентилем (5).

Пример подбора водоохладителя с аккумулирующим баком, используя оборудование французской фирмы CIAT:

Исходные данные:

• Расчётная мощность охлаждения для снятия тепловой нагрузки составляет 800 кВт.
• Потребляемая электрическая мощность водоохладителя не должна превышать 250 кВт.

Решение задачи.

Принимаем:

• температуру наружного воздуха 35 ºС;
• параметры холодоносителя внутреннего контура (вода) 7/12 ºС,
• параметры холодоносителя наружного контура (40% смесь этиленгликоля с водой) 5/10 ºС;
• длительность пиковой нагрузки (дневное время) – 8 часов.

Используя программное обеспечение фирмы CIAT, подбираем водоохладитель, обеспечивающий выбранные выше параметры с потребляемой электрической мощностью не более 250 кВт

Результат подбора — модель ROWERCIAT 2500Z HPS серии LX,:

• холодопроизводительностью — 543 кВт
• с потребляемой электрической мощностью — 221 кВт.

Недостающая холдопроизводительность 800-543=257 кВт должна быть скомпенсирована аккумулятором холода.

Для систем кондиционирования фирмой CIAT рекомендуются капсулы-накопители типа АС со скрытой теплотой 48,4 кВт ч/м³ (табл.2). В этом случае объём аккумулирующего бака должен быть  не менее:

По таблице 1 выбираем ближайший по объёму бак равный 50 м³.

Справочный материал:

 

 

 

 

 

 

Одной из важных особенностей систем управления водоохладителей CIAT стандартной комплектации является возможность устанавливать два значения поддержания параметров холодоносителя.

Эта возможность контроллера ExtraCONNECT фирмы CIAT обеспечит нам зарядку аккумулятора холода в ночное время работы при установочных отрицательных параметрах холодоносителя и поддержание рабочих (положительных) параметров холодоносителя в дневное время суток.

Аккумуляция холода с использованием оборудования фирмы Cristopia.

Сравнительная оценка и применение системы STL:

В заключение

Системы STL характеризуется следующим:

• STL совместимы с любой системой кондиционирования воздуха или промышленной системой охлаждения.
• Обеспечивается равномерная работа холодильного оборудования.
• STL может использоваться как резервный источник в случае выхода из строя основного холодильного оборудования или при проведении профилактических работ.
• Использование холодильного оборудования меньшего типоразмера на 30–40 % и, следовательно, уменьшение капитальных затрат.
• В странах с «ночным» тарифом стоимости электроэнергии снижаются эксплуатационные затраты.
• Эффективное использование электроэнергии в течение суток для районов с ограниченным (лимитированным) расходом электроэнергии.