Технология косвенно-испарительного охлаждения

В системах отопления, вентиляции и кондиционирования адиабатическое испарение обычно ассоциируется с увлажнением воздуха, однако в последнее время данный процесс приобретает растущую популярность в самых разных странах мира и все чаще применяется для «естественного» охлаждения воздуха.

В современной климатической технике большое внимание уделяется энергоэффективности оборудования. Этим объясняется возросший в последнее время интерес к водоиспарительным системам охлаждения на основе косвенно-испарительных теплообменных аппаратов (косвенно-испарительные системы охлаждения). Водоиспарительные системы охлаждения могут оказаться эффективным решением для многих регионов нашей страны, климат которых отличается относительно низкой влажностью воздуха. Вода как хладагент уникальна — она обладает большой теплоемкостью и скрытой теплотой парообразования, безвредна и доступна. Кроме того, вода хорошо изучена, что позволяет достаточно точно предсказывать ее поведение в различных технических системах.

Главной особенностью и преимуществом косвенно-испарительных систем является возможность охлаждения воздуха до температуры ниже температуры мокрого термометра. Так, технология обычного испарительного охлаждения (в увлажнителях адиабатного типа), когда в поток воздуха впрыскивается вода, не только понижает температуру воздуха, но и увеличивает его влагосодержание. При этом линия процесса на I d-диаграмме (см.рисунок ниже)влажного воздуха идет по адиабате, а минимально возможная температура соответствует точке «2».

В косвенно-испарительных же системах воздух может быть охлажден до точки «3».  Процесс на диаграмме в данном случае идет вертикально вниз по линии постоянного влагосодержания. В результате получаемая температура оказывается ниже, а влагосодержание воздуха не растет (остается постоянным).

Кроме того, водоиспарительные системы обладают следующими положительными качествами:

• Возможность совместного получения охлажденного воздуха и холодной воды.
• Малое энергопотребление. Основными потребителями электроэнергии являются вентиляторы и водяные насосы.
• Высокая надежность, обусловленная отсутствием сложных машин и использованием неагрессивного рабочего тела — воды.
• Экологическая чистота: низкий уровень шума и вибраций, неагрессивное рабочее тело, малая экологическая вредность промышленного производства системы в силу малой трудоемкости изготовления.
• Простота конструктивного исполнения и относительно низкая стоимость, связанные с отсутствием жестких требований к герметичности системы и ее отдельных узлов, отсутствием сложных и дорогих машин (холодильных компрессоров), малыми избыточными давлениями в цикле, низкой металлоемкостью и возможностью широкого использования пластмасс.

Системы охлаждения, использующие эффект поглощения теплоты при испарении воды, известны очень давно. Однако на данный момент водоиспарительные системы охлаждения распространены недостаточно широко. Практически вся ниша промышленных и бытовых систем охлаждения в области умеренных температур заполнена хладоновыми парокомпрессионными системами.

Такая ситуация, очевидно, связана с проблемами эксплуатации водоиспарительных систем при отрицательных температурах и их непригодностью к эксплуатации при высокой относительной влажности наружного воздуха. Сказалось и то, что основные аппараты подобных систем (градирни, теплообменники), использовавшиеся ранее, обладали большими габаритами, массой и другими недостатками, связанными с работой в условиях высокой влажности. Кроме того, им требовалась система водоподготовки.

Виды испарительного охлаждения

Существует два основных способа испарительного охлаждения – прямое и косвенное.

Прямое испарительное охлаждение

Прямое испарительное охлаждение – это процесс снижения температуры воздуха в помещении с помощью его непосредственного увлажнения. Другими словами, за счет испарения распыленной воды происходит охлаждение окружающего воздуха. При этом раздача влаги осуществляется либо непосредственно в помещении с помощью промышленных увлажнителей и форсунок, либо за счет насыщения приточного воздуха влагой и его охлаждения в секции вентиляционной установки.

Следует заметить, что в условиях прямого испарительного охлаждения неизбежно значительное повышение влажности приточного воздуха внутри помещения, поэтому для оценки применимости данного способа рекомендуется брать за основу формулу, известную как «показатель температуры и дискомфорта». По формуле вычисляется комфортная температура в градусах Цельсия с учетом влажности и показаний температуры по сухому термометру (таблица 1). Забегая вперед, отметим, что система прямого испарительного охлаждения применяется только в тех случаях, когда уличный воздух в летний период имеет высокие значения температуры по сухому термометру и низкий абсолютный уровень влажности.

Косвенное испарительное охлаждение

Для повышения эффективности испарительного охлаждения при высокой влажности уличного воздуха рекомендуется сочетать испарительное охлаждение с рекуперацией тепла. Данная технология известна как «косвенное испарительное охлаждение» и подходит практически для любой страны мира, включая страны с очень влажным климатом.

Общая схема работы приточно-вентиляционной системы с рекуперацией заключается в том, что горячий приточный воздух, проходя через специальную теплообменную кассету, охлаждается за счет прохладного воздуха, удаляемого из помещения. Принцип работы косвенного испарительного охлаждения заключается в установке системы адиабатического увлажнения в вытяжном канале приточно-вытяжных центральных кондиционеров, с последующей передачей холода через рекуператор приточному воздуху.

Как показано на примере, за счет использования пластинчатого рекуператора уличный воздух в системе вентиляции охлаждается на 6 °С. Применение испарительного охлаждения вытяжного воздуха увеличит разность температур с 6°C до 10°C без роста потребления электроэнергии и уровня влажности в помещении. Применение косвенного испарительного охлаждения эффективно при высоких теплопритоках, например в офисных и торговых центрах, ЦОДах, производственных помещениях и т.д.

Система косвенного охлаждения с применением адиабатического увлажнителя CAREL серии humiFog:

1.Насосная установка и зональный контроллер для увлажнения зимой 2. Зональный контроллер для охлаждения летом 3. Линия подачи воды под давлением 4a. Стойка для охлаждения летом

4b. Стойка для увлажнения зимой 5. Каплеотделитель 6. Установка рекуперации тепла

 

Оценка затрат косвенной системы адиабатического охлаждения по сравнению  с охлаждением с использованием чиллеров

На примере офисного центра с постоянным пребыванием 2000 человек

Условия расчета
Уличная температура и влагосодержание:	+32ºС, 10,12 г/кг (показатели взяты для г. Москвы)
Температура воздуха в помещении:	+20 ºС
Вентиляционная система:	4 приточно-вытяжные установки производительностью 30 000 м3/ч (подача воздуха по санитарным нормам)
Мощность системы охлаждения с учетом вентиляции:	2500 кВт
Температура приточного воздуха:	+20 ºС
Температура вытяжного воздуха:	+23 ºС
Эффективность рекуперации по явному теплу:	65%
Централизованная система охлаждения:	Система чиллер-фэнкойл с температурой воды 7/12ºС

Расчет:

• Для расчета вычисляем относительную влажность воздуха на вытяжке.
• При температуре в системе охлаждения 7/12 °С точка росы вытяжного воздуха с учетом внутренних влаговыделений составит +8 °С.
• Относительная влажность воздуха на вытяжке составит 38%.

	Без косвенного охлаждения	С косвенным охлаждением
Температура приточного воздуха после рекуператора	26,2 ºС	20,2 ºС
Требуемая холодильная мощность (4 установки)	249,2 кВт (62,3 кВт × 4)	8,04 кВт (2,01 кВт × 4)
Капитальные затраты	49 840 €* Стоимость чиллера мощностью охлаждения 249,2 кВт, исходя из цены 200 € за 1 кВт холодильной мощности.	30 280 € Стоимость 4 стоек увлажнения Optimist производства Carel (Италия).
Потребление электроэнергии	83 кВт	1,5 кВт
Эксплуатационные затраты	7,48 € за 1 час эксплуатации	0,343 € за 1 час эксплуатации

*Необходимо учитывать, что стоимость монтажа системы холодоснабжения с учетом всех затрат существенно выше по сравнению с системами косвенного охлаждения.

Капитальные затраты

Для анализа берем стоимость оборудования – чиллеров для системы холодоснабжения и системы увлажнения для косвенного испарительного охлаждения.

• Капитальные затраты на охлаждение приточного воздуха для системы с косвенным охлаждением.

Стоимость одной стойки увлажнения Optimist производства Carel (Италия) в приточно-вытяжной установке составляет 7570 €.

• Капитальные затраты на охлаждение приточного воздуха без системы косвенного охлаждения.

Стоимость чиллера мощностью охлаждения 62,3 кВт составляет примерно 12 460 €, исходя из стоимости 200 € за 1 кВт холодильной мощности. Необходимо учитывать, что стоимость монтажа системы холодоснабжения с учетом всех затрат существенно выше по сравнению с системами косвенного охлаждения.

Эксплуатационные затраты

Для анализа принимаем стоимость водопроводной воды 0,4 € за 1 м3 и стоимость электроэнергии 0,09 € за 1 кВт/ч.

• Эксплуатационные расходы на охлаждение приточного воздуха для системы с косвенным охлаждением.

Расход воды на косвенное охлаждение составляет 117 кг/ч для одной приточно-вытяжной установки, с учетом потерь 10% примем ее как 130 кг/ч.

Потребляемая мощность системы увлажнения составляет 0,375 кВт для одной приточно-вытяжной установки.

Итоговые затраты в час составляют 0,343 € за 1 час эксплуатации системы.

• Эксплуатационные расходы на охлаждение приточного воздуха без системы косвенного охлаждения.

Требуемая холодильная мощность составляет 62,3 кВт на одну приточно-вытяжную установку.

Холодильный коэффициент берем равным 3 (соотношение мощности охлаждения к потребляемой мощности).

Итоговые затраты в час составляют 7,48 € за 1 час эксплуатации.

В заключение:

Использование косвенного испарительного охлаждения позволяет:

• снизить капитальные затраты на охлаждение приточного воздуха на 39%.

• снизить энергопотребление на системы кондиционирования здания с 729 кВт до 647 кВт, или на 11,3%.

• снизить эксплуатационные расходы на системы кондиционирования здания с 65,61 €/час до 58,47 €/час, или на 10,9%.

---

Таким образом, несмотря на то, что охлаждение свежего воздуха составляет примерно 10–20% от общей потребности в охлаждении офисных и торговых центров, именно здесь имеются наибольшие резервы в повышении энергоэффективности здания без существенного роста капитальных затрат.