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:
- – пробка,
- – воздух,
- – материал-заполнитель,
- – 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.