Аккумулятор холода для систем кондиционирования воздуха

Энергосберегающие системы кондиционирования воздуха с аккумуляцией холода

Е. С. Бондарь, директор Учебного центра внедрения климатических технологий» при ООО «ИВИК», http://www.ivik.ua

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 [1], особенно в связи с участившимися энергетическими коллизиями в Украине и возможностью введения ночных тарифов на электроэнергию.

Снижение энергопотребления во многом определяется на этапе проектирования конкретного объекта путем выбора схемы, подбора оборудования и алгоритма работы. При проектировании систем кондиционирования воздуха расчетные параметры наружного воздуха должны соответствовать СНиП 2.04.05-91 [2]. Для территории Украины максимальная температура не превышает +31,5°С, однако для охладителей жидкости с воздушным охлаждением конденсатора принимают другие расчетные условия: температура окружающего воздуха +35°С, температура воды на выходе чиллера +7°С, на входе +12°С.

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.

Для уменьшения установочной производительности СКВ и обеспечения технологических или комфортных условий при пиках нагрузки используют аккумуляторы холода [3, 4, 5], принцип работы которых состоит в следующем: до наступления пиковой нагрузки холодильная машина включается на полную мощность и в резервуарах-охладителях замораживается вода или охлаждается жидкость с отрицательной температурой замерзания. В период пика путем отбора холода от льда (плавление) или охлажденной жидкости пополняют недостающую производительность холодильной машины. Сезонные пиковые нагрузки, характерные для СКВ, можно сглаживать путем отбора холода от льда, накопляемого в изотермических контейнерах в межсезонье.

Аккумулировать холод можно с температурами ниже 0°С, используя эвтектические растворы этиленгликоля, солей хлористого калия, хлористого натрия, хлористого магния и др. Известно несколько способов аккумуляции холода.

Аккумуляция холода путем намораживания льда на поверхности испарителя

До наступления пиковой нагрузки на поверхности испарителя холодильной машины намораживается слой льда, который плавится в период пиковой нагрузки. В [4] описан аккумулятор холода на базе испарителя панельного типа с площадью поверхности 30 м 2 . При толщине намораживания льда 40 мм, массе намороженного льда 1 т время намораживания составляет 3,8 ч, температура воды на выходе из испарителя +1°С, емкость водяного бака 2,51 м 3 . Удельная тепловая нагрузка составляет в среднем 1 337 Вт/м 2 , коэффициент теплоотдачи – 300–800 Вт/м 2 ·К.

Одним из недостатков аккумуляторов с намораживанием льда на поверхности испарителя являются небольшие площади теплообмена лед-вода. В связи с этим необходимо принимать меры по интенсификации теплообмена, например, активно перемешивать лед в процессе отвода или увеличивать циркуляцию охлажденной воды. Но даже при принятии указанных мер температура воды в часы пик несколько повышается.

Второй недостаток – понижение температуры кипения холодильного агента из-за увеличения сопротивления теплопередачи слоя льда в процессе намораживания.

Несмотря на эти недостатки, аккумуляторы с намораживанием на поверхности испарителя используются в ряде оборудования, например, в установках для охлаждения молока при транспортировании.

Аккумуляция холода льдоводяной смесью

В этом типе аккумуляторов лед вырабатывается при помощи льдогенератора и ссыпается в аккумулятор. В аккумуляторе образуется смесь льда и воды – «шуга».

Поверхность теплообмена лед-вода в этом способе значительно больше, чем в аккумуляторах с накоплением льда на поверхности испарителя, аккумуляция холода происходит при постоянной температуре кипения хладагента в льдогенераторе. В работе [6] предложено применение «чешуйчатого» льда. По утверждению авторов, важным преимуществом аккумуляторов холода с чешуйчатым льдом является отбор воды постоянной температуры +1 °С даже при пиковой нагрузке. Коэффициент теплопередачи в теплообменнике охладителя при применении пневматической циркуляции воды достигает 580 Вт/м 2 ·К. Для получения 1 т льда используется бак объемом 4 м 3 [3].

Недостатком аккумуляторов с льдоводяной смесью является необходимость перемешивания льдоводяной смеси и низкая температура кипения холодильного агента, снижающая показатели работы холодильных машин.

В литературе описаны различные методы повышения эффективности аккумуляторов холода с льдоводяной смесью, например, орошение генератора холода циркулирующей водой, барботаж воздуха в аккумуляторах, размещение испарителя льдогенератора в баке аккумулятора и др.

Аккумуляция холода с использованием капсул-заполнителей

Этот способ состоит в том, что лед в аккумуляторе холода не имеет непосредственного контакта с охлаждающей жидкостью, а образуется в полиэтиленовых капсулах-накопителях. Аккумулятор холода, представляющий собой теплоизолированный резервуар, заполняется такими капсулами. Капсулы отливаются под давлением из полиэтилена высокой плотности и заполняются специальной жидкостью.

В аккумуляторе циркулирует жидкий теплоноситель (например, водный раствор этиленгликоля) с температурой ниже 0 °С, вызывая кристаллизацию жидкости внутри заполнителей. Тем самым достигается аккумулирование энергии в виде скрытой теплоты кристаллизации в период фазового перехода из жидкого состояния в твердое. Шарообразная форма капсул обеспечивает большую площадь теплообмена. Используя различные жидкости, как для охлаждения, так и для заполнения капсул, можно задавать температуру льдообразования.

Такой способ аккумуляции использован в оборудовании французской фирмы Cristopia (энергосберегающие системы STL) являющейся подразделением ведущего европейского производителя климатической техники компании CIAT (Франция). Предлагается ряд баков-аккумуляторов объемом от 2 до 100 м 3 ; (табл. 1) и капсулы-заполнители (диаметром 96 мм для СКВ и 77 мм для холодильных установок), способные аккумулировать тепловую энергию при температурах от -33 до 27 °С (рис. 1).

Капсулы-заполнители допускают не менее 10 000 циклов (замораживание-размораживание), срок службы – не менее 20 лет. Фирма Cristopia предлагает целый ряд капсул-накопителей, разработанных для конкретных отраслей:

Рис. 1. Капсула-заполнитель:

1 – пробка, 2 – воздух,

4 – оболочка из полиолефина

AS 27 – тепловые насосы;

AC – 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.

Основные технические характеристики капсул-заполнителей приведены в табл. 2.

Таблица 1. Технические характеристики баков-аккумуляторов фирмы Cristopia

Таблица 2. Технические характеристики капсул-заполнителей

Источник

Air conditioning systems with cold accumulators

A. L. Naumov, General Director of LLC «NPO TERMEK»
Yu. M. Seliverstov, General Director of LLC «TechnoEng»
V. V. Efremov, graduate student at OJSC «CNIIprozdaniy»
G. V. Protasov, Leading Engineer at LLC «NPO TERMEK»

Keywords: air conditioning system, cold supply, cold accumulator, heat emissions

Air conditioning systems of public buildings are traditionally designed using water chilling units designed for the maximum loads, even if such loads occur only during short periods of time. Use of cold accumulators in air conditioning systems allows controlling the pick loads, reducing electricity consumption, investment and operating costs. The article justifies the advantages of using cold accumulator in air conditioning systems of public buildings.

А. Л. Наумов, генеральный директор ООО «НПО ТЕРМЭК»
Ю. М. Селиверстов, генеральный директор ООО «ТехноИнж»
В. В. Ефремов, аспирант ОАО «ЦНИИпрозданий»
Г. В. Протасов, ведущий инженер ООО «НПО ТЕРМЭК»

Традиционно при проектировании систем кондиционирования общественных зданий используются схемы с водоохлаждающими холодильными машинами, рассчитанными на максимальный уровень нагрузки, даже если такая нагрузка присутствует только в течение непродолжительных периодов времени. Использование аккумуляторов холода в системах кондиционирования воздуха позволяет контролировать пиковые нагрузки, снизить потребление электроэнергии, инвестиционные и эксплуатационные затраты. В статье обосновывается преимущество применения аккумулятора холода в системах кондиционирования общественных зданий.

Источник

Экономика систем кондиционирования воздуха с аккумулятором холода

Ю. М. Селиверстов, генеральный директор ООО «ТехноИнжПромСтрой», otvet@abok.ru

В. В. Ефремов, ведущий инженер ООО «ТехноИнжПромСтрой»

О преимуществах использования аккумуляторов холода в системах кондиционирования воздуха хорошо известно – это техническое решение применяется за рубежом с середины прошлого века. Однако реальный опыт проектирования и строительства таких систем в России на сегодняшний день исчисляется единичными объектами. Количество действующих в Москве объектов с аккумуляторами холода можно пересчитать по пальцам одной руки. При этом количество объектов с крупными холодильными станциями на основе чиллеров исчисляется сотнями. Считается, что применение аккумуляторов холода оправданно начиная с величин холодопроизводительностей в 1 МВт. В настоящей статье мы покажем, что это не совсем так.

Рассмотрим пример холодильной станции офисного здания площадью 1500 м 2 . Пиковые дневные тепловыделения на данном объекте составили 78 кВт при суточном потреблении холода 740 кВт·ч. Для сравнения взята традиционная система «чиллер – фэнкойл», рассчитанная на пик тепловыделений, и системы с тремя различными по емкости аккумуляторами холода. Теплоемкости аккумуляторов холода взяты равными 90, 270 и 450 кВт·ч.

При расчетах принято, что аккумуляторы холода заряжаются в период с 23.00 до 7.00. Это позволяет наиболее полно использовать преимущество низкого ночного тарифа на электроэнергию. На рис. 1, 2 и 3 представлены суточные графики распределения холодильной нагрузки при использовании аккумуляторов различной емкости.

Диаграмма суточного распределения холодильной нагрузки при использовании аккумулятора холода емкостью 90 кВт·ч

Диаграмма суточного распределения холодильной нагрузки при использовании аккумулятора холода емкостью 270 кВт·ч

Диаграмма суточного распределения холодильной нагрузки при использовании аккумулятора холода емкостью 450 кВт·ч

Рассмотрим экономические аспекты применения аккумулятора емкостью 270 кВт·ч. В табл. 1 приведено сравнение двух систем: традиционной системы с чиллером и фэнкойлами, где чиллер рассчитан на покрытие пиковой нагрузки в 74 кВт, и системы с чиллером и фэнкойлами совместно с аккумулятором холода. Применение аккумулятора холода емкостью 3 м 3 позволило снизить мощность холодильной машины с 74 до 49 кВт. Инвестиционные затраты при этом снизились на 27,2%. В расчете помимо стоимости оборудования учитывалась также стоимость подключения электрических мощностей. В качестве затрат на подключение электрической мощности взята цифра в 60 тыс. руб./кВА.

Помимо начальных капитальных затрат, необходимо также рассмотреть изменение эксплуатационных затрат. При применении аккумулятора холода примерно 40% потребляемой электроэнергии приходится на время, когда действует ночной тариф, размер которого в 4 раза ниже пикового. За счет этого суточная экономия на оплате электроэнергии получается равной 20,7% (табл. 2).

В табл. 3 приведены сводные экономические показатели для трех аккумуляторов холода различной емкости. Применение аккумулятора энергоемкостью 90 кВт·ч позволяет получить снижение начальных инвестиций и эксплуатационных расходов соответственно на 7 и 11%. Величины могут показаться небольшими, однако установка такого аккумулятора практически не влияет на требуемые под насосную станцию площади, поскольку аккумулятор холода имеет емкость 1 м 3 и сравним по габаритам с остальным оборудованием. Аккумулятор емкостью 270 кВт·ч позволяет достигнуть более значительных показателей снижения эксплуатационных (20,7%) и инвестиционных (27,2%) затрат. Аккумулятор большей емкости, как видно, еще более снижает затраты на оплату электроэнергии, но увеличивает начальные затраты. Это обусловлено тем, что для зарядки аккумулятора большой емкости за 8 ч действия ночного тарифа требуется мощная холодильная машина, которая работает при частичной загрузке в дневное время.

Сравнение экономических показателей применения аккумуляторов холода

В табл. 3 также представлен расчет стоимости жизненного цикла холодильной станции при условии годовой выработки холода 90 тыс. кВт·ч в четырех вариантах: системы без аккумулятора холода и систем с аккумуляторами энергоемкостью 90, 270 и 450 кВт·ч. На рис. 4 построена аппроксимированная кривая стоимости жизненного цикла в зависимости от коэффициента замещения аккумулятором суточного потребления холода. Видно, что для офиса с временем работы днем в течение 10 ч и зарядкой аккумулятора в течение 8 ч ночью (время действия низкого ночного тарифа) оптимальным с точки зрения затрат является аккумулятор энергоемкостью около 30–40% от суточного холодопотребления. Такая оптимизация проста и может быть проведена для каждого конкретного случая, в зависимости от режима работы объекта и особенностей суточной кривой тепловыделений.

Стоимость жизненного цикла при различных коэффициентах замещения аккумулятором холода суточного потребления холода

На сегодняшний день на российском рынке отсутствуют отечественные производители аккумуляторов холода для систем кондиционирования – данный класс оборудования представлен исключительно зарубежными производителями. Авторами статьи в рамках федеральной программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы» разработана и испытана собственная оригинальная конструкция аккумулятора холода. Принцип аккумулирования холода основан на фазовом переходе воды в твердое состояние. Это позволяет достигать высокой плотности аккумулирования холода, достигающей 70 кВт·ч/м 3 . Отбор тепла от воды осуществляется высокоэффективным теплообменником, погруженным в объем воды. Теплообменник выполнен в виде плоских секций, каждая из которых представляет собой змеевик из тонкостенной гофрированной трубки, уложенной с определенным интервалом. Толщина стенки трубок 0,3 мм, материал – нержавеющая сталь. Гофрированная поверхность стенки трубок позволяет увеличить интенсивность теплообмена на 15% по сравнению с плоской стенкой. Теплообменник выполнен по бифилярной схеме, при которой направление движения теплоносителя в соседних плоских секциях противоположно. За счет этого замораживание воды в аккумуляторе холода происходит равномерно во всех сечениях. К сборным коллекторам секции теплообменника подсоединяются через резьбовые фитинги, что увеличивает гибкость конструкции и ремонтопригодность теплообменника. На сегодняшний день разрабатывается типоразмерный ряд аккумуляторов холода различной емкости и идет подготовка к их серийному производству. Данная разработка конкурентоспособна по цене по сравнению с зарубежными аналогами и не уступает им по техническим характеристикам. Экономический анализ, приведенный в этой статье, выполнен на основе этой разработки.

Источник