В России в районах с длительными периодами с низкими температурами окружающей среды является более востребованным оборудование, способное охлаждать жидкости без применения машинного охлаждения, т.е. в режиме естественного или еще его называют свободного охлаждения. В этом режиме холодоноситель охлаждается непосредственно наружным воздухом в теплообменнике воздушного охлаждения в качестве которого как правило применяются сухой охладитель (dry cooler).
В этом режиме на порядок снижается потребление электроэнергии (эксплуатационные расходы) в сравнении с машинным охлаждением поскольку компрессоры являются основными электропотребителями. Кроме того, что увеличивается ресурс компрес-соров и значительно снижается риск их выхода из строя.
Режим свободного охлаждения широко используется в системах кондиционирования, в производственных процессах для охлаждения оборудования, а также для отвода теплоизбытков из серверных помещениях, офисов, торгово-развлекательных центров и т.д.
Чиллеры с встроенным сухим охладителем для режима естественного охлаждения работают по следующему принципу: при температуре наружного воздуха по датчику ST3 ниже на 2-3⁰С температуры холодоносителя из системы, измеренного датчиком ST4, контроллер подает сигнал на привод трех ходового клапана RCF и перенаправляет поток холодоносителя в встроенный теплообменник воздушного охлаждения CAF. Охлажденный холодоноситель из CAF поступает на вход испарителя EW. По датчику температуры ST1 осуществляется регулировка холодо-производительностью чиллера. Так как разница температур небольшая, то охлаждение холодоносителя будет незначительным и дополнительное охлаждение будет осуществляться машинным охлаждением (работа фреонового холодильного агрегата).
Это смешанный режим; охлаждение холодоносителя в теплообменнике и агрегатом. По мере снижения наружной температуры холодоноситель будет полностью охлаждаться в сухом охладителе без включения компрессоров, т.е. производительность сухого охладителя будет равна производительности машинного охлаждения – режим 100% естественного охлаждения. Температура холодоносителя поддерживается изменением скорости вращения вентиляторов.
НЕДОСТАТКИ ЧИЛЛЕРОВ С РЕЖИМОМ ФРИ КУЛИНГА:
- более дорогое оборудование, чем стандартный чиллер,
- ввиду малых внутренних размеров чиллера встроенные сухие охладители имеют недостаточную поверхность и соответственно производительность. Поэтому такие чиллеры достигают режима Фри кулинга при более низких температурах наружного воздуха в сравнении с отдельно применяемым сухим охладителем. Следовательно окупаемость и энергоэффективность такого чиллера будет ниже, чем холодильный центр с отдельным сухим охладителем.
Техническое решение холодильного центра с применением модульных чиллеров и отдельного сухого охладителя для режима естественного охлаждения, приведенного на рис.2, в сравнении с чиллером с режимом Фри кулинга имеет ряд преимуществ:
- простая, гибкая и ясная для понимания регулирования схема, - возможность выбора сухого охладителя для режима 100% свободного охлаждения для более высокой наружной температуры, что дает значительно сократить сроки его окупаемости, более низкая чиллеров стоимость, чем один моноблочный агрегат с встроенным сухим охладителем, резервирование. В сравнении с одним чиллером применение большого количество модульных чиллеров означает большее суммарное количество холодильных контуров; ступеней регулирования производительностью. Выход из строя одного контура (компрессора) не приведет к значительному снижению суммарной холодопроизводительности центра
- энергоэффективность
- ремонтопригодность.
В качестве примера исходные данные для выбора холодильного центра для системы кондиционирования:
Холодопроизводительность 200 кВт.
Холодоноситель 40% этиленгликоль с температурами 10⁰С/5⁰С.
ПТО для получения на выходе воды 12⁰С/7⁰С непосредственно для системы кондиционирования.
Исходя из температуры холодоносителя 10⁰С/5⁰С, система должна выйти на 100% режим Фри кулинга при температуре наружного воздуха 0⁰С. Такая дельта позволяет оптимально по стоимости подобрать сухой охладитель. Соответственно требуется применить модульный чиллер SCAW-M 66 ZHW, который может работать в режиме охлаждения до -20⁰С.
Для защиты теплообменника от разморозки, низких температурах холодоносителя и поддержания стабильной температуры воды рекомендуется применить 3-х ходовой клапан. При снижении температуры наружного воздуха до 2⁰С термостат переключает вентили 1, 2 и перепускает холодоноситель через сухой охладитель. По мере снижения температуры наружного воздуха будут отключаться холодильные контуры и будет снижение энергопотребления.
Потребуется использовать 3 чиллера с общей холодопроизводительностью 196 кВт с общим количеством холодильных контуров 6 шт.; 6 ступеней изменения производительности через 17%.
На основании вышеизложенного подобран сухой охладитель для режима полного свободного охлаждения производительностью 204 кВт при Тнар=0⁰С, 40% ЭГ и темп-рах 10⁰С/5⁰С, 6 вентиляторов с общей потребляемой мощностью 10.8 кВт/час.
Применение отдельного сухого охладителя предоставляет большие возможности для его подбора. Если говорить о моноблочном чиллере с режимом Фри кулинга, то он выйдет на 100% режим естественного охлаждения только при Тнар= - 7⁰С., что значительно увеличивает срок окупаемости в сравнении с сухим охладителем, у которого этот режим наступит уже при Тнар=0⁰С.
Так как в холодильном центре появился дополнительный компонент для режима свободного охлаждения, то рассчитаем окупаемость сухого охладителя в сравнении, с тем если бы весь этот зимний период работали одни чиллеры вместо сухого охладителя т.е. по разнице энергопотреблений по формуле:
Токуп=(N₁ - N₂) х n х Т (руб)
Где:
N₁ - Электропотребление при машинном охлаждении, кВт.
N₂ - Электропотребление сухого охладителя, кВт.
n – часы работы сухого охладителя (режим свободного охлаждения).
Т – тариф электроэнергии
Согласно «Строй климатологии» СП131.13330.2012 средняя температура равная -0.4⁰С составляет для Санкт-Петербурга 232 суток или 232 х 24=5 568 часов
Суммарное энергопотребление 3-х чиллеров составляет: 17.78 кВт х 3шт=53.34 кВт.
Разница в энергопотреблении чиллеров и сухого охладителя составляет:
53.34 кВт - 10.8 кВт=42.54 кВт.
Потребляемая мощность при разнице потребления чиллеров и сух охладителя за зимний период:
42.54 кВт. х 5 568 час.=236 862 кВт.
При средней стоимости электроэнергии 1 кВт/час =6 руб. разница стоимости потребляемой электроэнергии составит 236 862 х 6 = 1 421 172 руб.
Исходя из розничной стоимости сухого охладителя окупаемость составляет 2.6 года
Окупаемость сухого охладителя за счет разницы энергопотреблений в сравнении с чиллерами, если бы они работали весь зимний период составляет 2.6 года.
Иными словами через 2.6 года каждый год экономия потребления электроэнергии (эксплуатационные расходы) будет составлять 1 млн 421 руб.
Однако необходимо отметить, что в реальности окупаемость будет значительно быстрее расчетной 2.6 года за счет того, что при снижении температуры наружного воздуха скорости вращения вентиляторов будут снижаться и соответственно будет снижаться и потребляемая мощность, а так же за счет смешанного режима.