Автор В.М. Мильман, генеральный директор компании «АТЕК»

В статье речь идёт о системах кондиционирования (СК) крупных объектов гражданского строительства (офисные и торгово-развлекательные центры, больницы, гостиницы и др.) и промышленности (производственные цеха, складские помещения и др.).

Кондиционирование, безусловно, является частью общей инженерной системы поддержания температурно-влажностных параметров воздуха внутри здания и взаимосвязано с другими подсистемами: вентиляции, отопления, увлажнения, осушения и т.п. Однако мы в первую очередь попытаемся, по-возможности, сепарировано рассмотреть некоторые концептуальные подходы разработки СК.

Данный раздел является на наш взгляд наиболее важным и интересным в общей структуре ОВК по ряду причин:

❏ во-первых, он требует, как правило, наибольших капитальных затрат;

❏ во-вторых, это наиболее энергоёмкая часть проекта;

❏ в-третьих, это наиболее сложная и дорогостоящая с точки зрения эксплуатации подсистема.

Суть определения «современная система кондиционирования» как раз и заключается в том, что это должна быть система, наиболее сбалансировано учитывающая такие критерии как первоначальные инвестиции, энергоснабжение, эксплуатационные расходы. Комплексное решение поставленных задач делает эту часть проекта наиболее многовариантной и требует креативных и аналитически обоснованных подходов. Цель статьи в том, чтобы систематизировать и дать сравнительную оценку применяемых СК на базе холодильных машин (чиллеров) последнего поколения. Данная информация поможет более осознанно подходить к разработке концепций СК как инвесторам, так и подрядным и проектным организациям, даст материал для аргументированного обоснования своего выбора.

Холодильные станции

Начнем рассмотрение СК с ключевого по все тем же критериям (инвестиции, энергопотребление, эксплуатация) раздела СК — холодильной станции (ХС). Под холодильной станцией понимается комплекс оборудования, вырабатывающий охлажденную воду и насосные установки для транспортировки ее по трубопроводам системы холодоснабжения. Рассмотрим 6 вариантов ХС на базе парокомпрессионных холодильных машин и 1 вариант на базе абсорбционного чиллера.

Вариант 1: ХС на базе чиллера (чиллеров) с воздушным охлаждением конденсатора наружной установки.

В качестве холодоносителя в такого рода ХС, как правило, применяется вода, так как наличие большого объёма незамерзающей жидкости внутри здания представляет существенное усложнение эксплуатации. Такое техническое решение является наиболее экономичным и простым для проектирования, монтажа. Однако оно имеет существенные недостатки: работа только при плюсовых температурах, нерегулируемый высокий уровень звукового давления (≥ 62 дБА*) угроза размораживания ХС при неполном или несвоевременном сливе воды (требуется квалифицированный персонал), при расположении на кровле — несущая способность, риск вандализма.

В таблице даны основные характеристики ХС различных типов. При расчёте параметров в качестве холодильного и теплового оборудования выбран брэнд Carrier , насосное оборудование — Wilo . Для полной сравнительной оценки различных вариантов ХС, безусловно, требуются точные количественные показатели.

В варианте 2 предлагается система, состоящая из чиллера с воздушным охлаждением конденсатора наружной установки с незамерзающей жидкостью в качестве хладоносителя и теплообменника гликоль/вода.

Чиллер, как правило, работает по температурному графику 5/10 °С, а охлаждаемая вода после теплообменника имеет параметры 7/12 °С.

Плюсы этого варианта по сравнению с первым:

❏ нет необходимости сезонного опорожнения и заполнения гидравлической системы;

❏ отсутствует угроза размораживания испарителя чиллера;

❏ возможность работы системы при отрицательных температурах наружного воздуха;

❏ возможность интегрирования в систему сухой градирни для реализации режима свободного охлаждения в холодный период года.

Однако возникают и существенные минусы:

■ удорожание ХС ~ 30% (без учета градирни);

■ повышение энергопотребления (за счёт применения гликоля, более низких температур теплоносителя, добавления 2-го гидравлического контура);

■ угроза размораживания теплообменника гликоль/вода при запуске системы зимой, особенно при перерывах в эксплуатации (требуется дополнительная автоматика).

Вариант 3 предполагает использование воздухоохлаждаемого чиллера со встроенной градирней для реализации режима свободного охлаждения.

В этом случае в холодный период года автоматика чиллера сама выбирает оптимальный режим работы (компрессоры, градирня или смешанный). Таким образом, достигается максимальное энергосбережение. В ряде случаев можно использовать такой тип ХС без промежуточного теплообменника гликоль/вода (например, в технологических процессах).

Вариант 4: чиллер внутренней установки с выносным конденсатором.

Плюсы системы:

❏ нет угрозы размораживания;

❏ возможность работы при отрицательных температурах (ограничения — технические характеристики чиллера: -15...20 °С);

❏ возможность уменьшения уровня шума снаружи;

❏ уменьшение весовой нагрузки на кровлю;

❏ чиллер более защищен от вандализма.

Минусы системы:

■ удорожание по сравнению с вариантом 1 примерно на 40%;

■ круглогодичная работа возможна только в южных регионах;

■ свободное охлаждение возможно только как самостоятельная отдельная система;

■ ограничение по расстоянию между чиллером и конденсатором (не более 30 м);

■ большой объём фреона в системе;

■ необходимость высококвалифицированного монтажа.

Вариант 5 — чиллер с жидкостным охлаждением конденсатора + сухая градирня — имеет в основном положительные стороны:

❏ высокая энергетическая эффективность;

❏ нет угрозы размораживания;

❏ круглогодичный режим работы (до -45 °С);

❏ низкий уровень шума снаружи (определяется подбором градирни);

❏ уменьшение нагрузки на кровлю;

❏ защищенность чиллера;

❏ режим свободного охлаждения встраивается с минимальными затратами (добавляется только теплообменник гликоль/вода);

❏ нет ограничений по расстоянию между чиллером и градирней;

❏ нет необходимости в сезонном техническом обслуживании.

К минусам можно отнести только удорожание системы по сравнению с первым вариантом примерно на 60%.

6 вариант отличается от предыдущего тем, что применяются водоохлаждаемые чиллеры с принципиально другим типом компрессоров — центробежным. Такой тип компрессоров позволяет достигать рекордной для парокомпрессионных чиллеров энергетической эффективности (СОР ~ 6).

Энергетическая эффективность увеличивается при снижении температуры охлаждающей жидкости. Поэтому в ХС с центробежными чилправило, поменяются испарительные градирни, позволяющие поддерживать температуру охлаждающей воды ~30 °С. Такой вариант актуален для мегапроектов с мощностью ХС 3-20 МВт.

Основные плюсы:

❏ максимальная энергетическая эффективность для парокомпрессионных чиллеров;

❏ низкие капитальные затраты.

Минусы:

■ минимальная производительность чиллеров — 30% от номинала;

■ требуется подпитка контура охлаждающей воды.

Если нет необходимой для ХС энергетической мощности или цена ее подключения высока, но есть возможность присоединения к газопроводу, то неизбежно получаем вариант 7: газовый абсорбционный чиллер с водяным охлаждением, где в качестве топлива можно использовать привозной сжиженный газ, и как в случае с центробежными чиллерами целесообразно применять испарительные градирни.

Плюсы:

❏ минимальные относительные затраты потребляемой электроэнергии;

❏ минимальная цена за единицу холодильной мощности (высокая окупаемость);

❏ в холодный период года чиллер способен генерировать тепло для отопления, горячего водоснабжения… (т.е. нет необходимости в котельной);

Минусы:

■ капитальные затраты на ХС относительно высоки;

■ минимальная производительность чиллеров ~ 25% от номинала;

■ требуется подпитка контуров охлаждающей воды.

Таблица сравнительных характеристик различных ХС дает необходимую, но недостаточную информацию для выбора. Требуются дополнительные данные, касающиеся специфики объектов и пожеланий заказчика, как, например:

❏ наличие необходимой электрической мощности;

❏ стоимость электроэнергии;

❏ стоимость присоединения дополнительной электрической мощности;

❏ наличие и стоимость сетевого природного газа;

❏ режим эксплуатации ХС (лето, круглогодично и т.д.);

❏ мощность ХС;

❏ климатические условия региона;

❏ возможность применения испарительных градирен;

❏ желаемые сроки окупаемости дополнительных инвестиций;

❏ возможность наружной и внутренней установки ХС;

❏ расчёт эксплуатационных характеристик ХС на частичных нагрузках (в течение 1 года);

❏ требование к параметрам охлажденной жидкости (тип холодоносителя, температура и т.д.);

❏ срок службы;

❏ стоимость годового технического обслуживания (работа + материалы);

❏ другие специфические требования.

Окончательное решение об оптимальном выборе может быть принято путем точных расчётов «наложением» технического задания на возможности различных типов ХС.

В качестве примера рассмотрим абстрактное техническое задание:

Задача

❚ oхлаждение серверной

Требуемая холодопроизводительность

❚ 1000 кВт

Режим работы

❚ круглосуточный,

❚ круглогодичный

Газ

❚ отсутствует

Стоимость подключения электроэнергии

❚ 1500 долл./кВт

Минимальная наружная температура

❚ -40 °С.

В таком случае возможно применение следующих ХС: вариант 5 с системой free-cooling и вариант 3 . При этом, вариант 3 на 20% дешевле в первоначальных затратах, а вариант 5 более энергосберегающий.

По нашим расчётам (с учетом работы летом, зимой и в переходные периоды) срок окупаемости дополнительных капиталовложений (при равной амортизации и стоимости технического обслуживания) составит за счёт экономии электроэнергии 5-7 лет.

Однако если потребуется оплатить присоединение дополнительной электрической мощности (~ 100 кВт — разница в электропотреблении вариантов 5 и 3), то вариант 5 становится предпочтительнее по всем экономическим показателям. ■