Выбор системы охлаждения ледяной водой

Ледяная вода:
Водный 30-процентный раствор этиленгликоля температурой около 6?C. используется в основном в системах охлаждения как хладагент.

Выбор систем охлаждения должен осуществляться с учетом требований объекта – от конфигураций с возможностью наращивания или модульных решений до центральных систем на крупных предприятиях. Проект окончательного решения обычно зависит от требований, связанных с ожидаемой нагрузкой, стоимости установки и эксплуатации.
Сейчас преобладает философия проектирования, согласно которой объединяют небольшие, независимые модульные системы. Чаще всего это вызвано экономическими факторами и концепцией, что маленькое лучше, более производительное и… дает возможность избежать высоких эксплуатационных расходов. В некоторых случаях проще заменить поврежденные модульные компоненты, чем пережить катастрофическую аварию крупного устройства. Такой способ мышления имеет и положительные стороны, но на некоторых объектах он не позволяет достичь максимальной производительности решения благодаря применению центральной системы ледяной воды.

Центральные системы

Центральные системы ледяной воды обычно спроектированы таким образом, чтобы они поставляли ледяную воду в разные пункты из одного центрального распределительного пункта. В инструкции по системам и оборудованию HVAC ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) 2008 рекомендуется, чтобы системы такого типа составляли около 25% решений. Такие системы обычно используются в крупных коммерческих объектах, учреждениях здравоохранения, университетских кампусах, промышленных зданиях и других объектах, в которых потребность в охлаждении различна.
Чтобы принять решение о внедрении центральной системы, необходимо учесть несколько факторов. Во-первых, достаточно ли дифференцированная нагрузка? Во-вторых, действительно ли будет выгодном консолидированное решение в одном месте? В-третьих, будет ли конечный пользователь располагать персоналом, который сможет обслуживать и поддерживать систему? Последним и наиболее важным фактором является стоимость и окупаемость вложений по сравнению с альтернативными решениями. Когда эти вопросы будут решены, можно продолжать проектирование системы.
Существует несколько типов устройств, которые могут производить ледяную воду, два основных – это охлаждение водой и воздухом. В рамках каждого типа существует много видов компрессоров: поршневой, спиральный, винтовой и центробежный. В крупных системах чаще всего встречается компрессионная или центробежная холодильная машина. Благодаря современным технологиям удалось максимально увеличить производительность этих устройств, используя компрессоры с переменной скоростью, чтобы лучше адаптировать их переменной потребности в охлаждении. Также часто применяются абсорбционные холодильные машины, использующие пар, природный газ или горячую воду. Существуют даже устройства, которые используют воду, подогретую с помощью солнечных батарей. Пока они используются в незначительном масштабе, прежде всего на Юго-Западе США, тем не менее, у этой технологии большой потенциал.
Успешность внедрения и производительность системы зависят от «соответствия размеров». Другими словами, размер системы должен точно соответствовать рассчитанной нагрузке. Должна также существовать возможность поддержания высокого уровня производительности в зависимости от меняющихся требований к охлаждению, вызванных текущими нуждами.

Расчет размера

Анализ начинается с определения дифференциации системы. Примером может служить крупный офисный комплекс, в котором у каждого здания разные потребности в охлаждении в зависимости от расположения, типа конструкции и эксплуатации. Было бы странно, если бы все здания одно временно нуждались в 100% производительности системы охлаждения. Компьютерное моделирование — это самый эффективный способ проанализировать все переменные. У каждого здания будет проект потребности в охлаждении и время, в которое эта потребность появляется. Расчет нагрузки для всех зданий покажет время максимальной нагрузки для всей системы. Как и в случае проекта системы с переменным количеством воздуха, у всех зон или зданий не будет пиковой нагрузки в одно и тоже время. Нагрузка на блок – это максимальная нагрузка на здание, которая меньше суммы пиковых нагрузок. Этот принцип работает для проектов систем ледяной воды и известен как «дифференциация». Решение задачи поможет определить суммарную емкость системы и необходим для расчета параметров холодильных машин.
Перед началом моделирования необходимо обсудить требования, связанные с избыточностью, а также возможность снижения пиковой нагрузки с помощью хранения льда или применения других решений, которые можно включить в проект. К другим опциям можно отнести машины, работающие от электричества, абсорбционные холодильные машины или их сочетания.
Традиционно предпочтение отдается абсорбционным холодильным машинам, если мы имеем дело с излишками тепла – в этом случае можно добиться заметной экономии на оперативном уровне, в зависимости от степени полезности или ограничения потребности в электроэнергии.
Процесс начинается с оценки типа и производительности необходимых машин, считая резервные мощности. Для иллюстрации процесса выбора может послужить пример, когда необходима нагрузка на уровне 3200 тонн HVAC (1 тонна HVAC это примерно 3,5 кВт). Решением могут быть 1000-тоннеы машины, две 1500-тонные машины и одна 500-тонная, либо одна 2000-тонная и одна 1500-тонная. Комбинации и различная производительность могут вводить в заблуждение.
Стоит также учесть сезонную нагрузку. Потребность в охлаждении весной или осенью может быть намного меньше, чем летом. При учете количества часов вне пиковой потребности в цикле, а также производительности холодильной машины, может оказаться, что лучшим решением будет выбор небольшого устройства для этого временного интервала, чем мощного, работающего в условиях неполной нагрузки и не достигающего полной производительности. Разумеется, наружная температура не всегда является показателем, поскольку в выбранных объектах должен также учитываться уровень влажности. Проектировщик должен учесть все факторы.

Выбор стандарта

Для определения производительности холодильных машин используется несколько стандартов. В случае холодильных машин, питаемых электрическим током, используются показатели, определяющие расход энергии (в кВт/тонну) при полной или частичной нагрузке. Система холодильных машин редко будет загружена на 100% постоянно, за исключением охлаждения для производственных процессов. В связи с ограниченным временем, в течение которого холодильная машина работает с полной нагрузкой, важно определить величину расхода энергии с частичной нагрузкой, а также количество часов, в течение которых устройство работает с частичной нагрузкой. Эти цифры могут быть связаны с графиком занятости, погодными условиями или изменениями в распределении нагрузки.
Стандарт Института кондиционирования воздуха и холодильной техники (ARI – Air-Conditioning and Refrigeration Institute) – ARI 550/590 – применяется для определения производительности поршневых, винтовых и центробежных холодильных машин. Для определения средней производительности холодильной машины в стандарте используется формула, известная как интегральный показатель при частичной нагрузке (IPLV – Integrated Part-Load Value). Она основана на четырех оперативных показателях, использующих «процент спроектированной нагрузки» (охлаждающей нагрузки), а также главной части, относящейся к давлению охладителя, и является функцией показаний сухого термометра – для устройств, охлаждаемых воздухом – и показаний смоченного термометра, влияющих на хладагент в устройствах с водяным охлаждением.
Формула предусматривает процентную долю времени работы при 100%-нагрузке, при температуре поступающей ледяной воды (ECWT – Entering Chilled Water Temperature) на уровне 30?C, в течение 42% времени система работает с нагрузкой 75% при 24?C ECWT, в течение 45% времени система загружена на 50% при 18,5?C ECWT и в течение 12% времени система работает с нагрузкой 25% при 18,5?C ECWT. Другие параметры модели это температура выходящей ледяной воды на уровне 6,7?C, 30?C ECWT при наружной температуре сухого термометра на уровне 35?C, расход хладагента на уровне 3 гал/мин, а также расход ледяной воды на уровне 2,4 гал/мин на тонну.
Изменение каждого из этих факторов меняет профиль нагрузки (кВт/тонна). Чтобы принять эти условия, ARI выделяет также показатель нестандартного значения частичной нагрузки (NPLV – Nonstandard Part Load Value). Есть технические отчеты, из которых следует, что мотором производительности холодильные машины является главная часть, являющаяся функцией погодных факторов, и одинаково влияет на множество холодильных машин одновременно. Оба метода дают в реальности похожие результаты и оба являются признанными методами для определения производительности при частичной нагрузке.
Учитывается несколько факторов, влияющих на оценку. Во-первых, внутреннее охлаждение составляет 35–45% нагрузки, что можно определить с помощью соответствующих расчетов. Во-вторых, поскольку внутренняя нагрузка относительно стабильна, и учитывая условия нагрузки, погодные условия будут оказывать большее влияние на работу холодильных машин. Из-за этого соотношение показателей IPLV/NPLV выражено в значениях 25%, 50%, 75% и 100%, а соответствующие графики производительности используются для расчета прогнозируемого расхода энергии.

Охлаждающие башни

Часто забываю учесть производительность башен охлаждения в проекте. Существуют два основных типа: башня прямого контакта, или открытая, в которой жидкость подвергается непосредственному контакту с воздухом, и башня замкнутого цикла, в которой предусмотрен косвенный контакт между жидкостью и воздухом. Выбор башни зависит от температуры входа. В случае открытой башни это разница между наружной температурой смоченного термометра и требуемой температурой хладагента на входе, обычно 30?C. Для получения температуры жидкости на уровне 30?C максимальная температура смоченного термометра не может превышать 26?C, при 4?C температуры входа. Башни с замкнутым контуром имеют преимущество, поскольку хладагент находится в замкнутом цикле, что минимизирует потери на испарение и стоимость химикалий. Производительность этих устройств ограничена температурой сухого термометра. В некоторых случаях жидкость внутри отстойника распыляется на спирали, чтобы разгрузить систему охлаждения. В результате получает более холодный хладагент. Ограничением по-прежнему является фактор материала (спиральный радиатор), который отделяет воздух от хладагента. Чаще всего выбирается открытая башня охлаждения.
При выборе охлаждающей башни вспоминается прилагательное «изящный» – башня или башни не должны быть слишком большими, существует также несколько простых дешевых или бесплатных элементов, которые могут дать финансовую выгоду. Как в случае большинства крупных элементов оборудования, существуют стандартные корпуса и размеры. Башни охлаждения выбираются на основании температуры подводки и наружной температуры смоченного термометра. Количество наполнителя определяет время задержки жидкости в корпусе башни, а также размер вентиляторов, необходимых для усиления охлаждающего эффекта парообразования. Увеличивая температуру смоченного термометра или слегка повышая нагрузку, можно получить возможность добавить немного больше наполнителя в стандартный корпус, увеличивая тем самым поверхность. При ее максимизации конвекционный поток воздуха замедлит действие установленных в градирни вентиляторов, что ограничит расход энергии. К другим возможностям максимизации производительности относится применение приводов вентиляторов с переменной скоростью. Различные стратегии предусматривают использование всех вентиляторов с переменной скоростью или только первых и последних секций. Это зависит от стоимости и локальных погодных условий. Контроль вентиляторов обычно основан на температуре поступающей воды. Принято как можно сильнее охлаждать жидкость, что дает максимизацию производительности холодильной машины.
Если планируется работа в холодную погоду, необходимо подумать о внутреннем отстойнике жидкости. Другое решение – обогрев отстойников внутри башни или осушение отстойника каждый раз, когда возникает риск обледенения. Каждое из этих решений может быть дорогостоящим, как с точки зрения расхода воды, так и химикалий.
Существует несколько стратегий выбора и обслуживания насосов хладагента. В самых простых проектах предусмотрено использование индивидуальных насосов для каждой холодильной машины, закрепленной за отдельной башней. Такое мышление можно назвать старой школой, которая предусматривает раздельные контуры (ограничивающие тем самым риск повреждения всей системы) и одинаковое время действия всех устройств. В некоторых случаях такой подход уместен, однако новые проекты обеспечивают более гибкие сочетания устройств.

Насосы и клапаны

В некоторых решениях приводы с переменной скоростью используются для ограничения стоимости перекачки. Насосы контролируются с помощью мониторинга давления на выходе или температуры жидкости. Здесь важен тщательный анализ их воздействия на производительность холодильных машин. Необходимо помнить, что стандартные показатели IPLV/NPLV основаны на стандартных условиях ARI: 3 гал. в мин. /тонну при 30, 24, 18,5 и 13?C ECWT. При изменениях потока изменяется также температура воды и давление на выходе. Экономия на расходовании электроэнергии насосами должна быть сбалансирована производительностью холодильных машин, что потребует подробного анализа с участием производителя холодильных машин и соответствующей компьютерной модели.
Следует учитывать тот факт, что некоторые производители не будут признавать гарантию или отвечать за недостаточную производительность, если минимальный поток не обеспечивается. Чаще используется решение, при котором каждой холодильной машине соответствует один насос, а если возможно, еще и дополнительный, находящийся в режиме ожидания. Эти насосы могут быть соединены между собой и подключены к циклу запуска холодильной машины. Элементы башни соединены с автоматическими клапанами, контролирующими температуру. По мере того, как температура растет, каждый модуль можно активировать, чтобы увеличить охлаждающую поверхность. При оттоке вода на вентиляторы подается питание, чтобы выйти на соответствующий порог работы. Как и в случае любой открытой системы при выборе насосов необходимо учитывать избыточное давление в емкости (NPSH – Net Positive Suction Head). Это разница между давлением на входе и самым низким значением давления внутри насоса. Отражает потери давления в части корпуса насоса на выходе.
Насосы ледяной воды выбираются также, как насосы хладагента. Современные стратегии перекачки предусматривают несколько конфигураций работы насосов, такие как конфигурация главный-подчиненный (рис. 3), дифференцированные основные потоки или распределительные системы.
Система главный-подчиненный состоит из главного насоса с поcтоянной скоростью, который соответствует требованиям потока для каждой холодильной машины. Подчиненные насосы могут быть настроены как индивидуальные насосы полного потока, работающие в режиме ожидания или параллельно, чтобы обеспечить поток жидкости, соответствующий потребностям системы ледяной воды. Перемычки используются для уравновешивания условий потока в случае частичной нагрузки, когда вторичный поток расходится с основным. Температура выходящей ледяной воды регулируется в соответствии с графиком BAS. С исторической точки зрения поддержание наиболее низкой температуры вытекающей жидкости и максимальной разницы температур для минимизации энергии насосов может принести пользу.
Изменяющийся основной поток является гибридом системы главный-подчиненный. В такой конфигурации используются насосы с постоянной скоростью, что позволяет задать различные переменные значение потока ледяной воды в каждой холодильной машине. Обводная труба и клапан обеспечивают минимальный требуемый поток в холодильных машинах. В отклике на разницу в потоках следует учесть показатели отдельных холодильных машин.
Распределительные системы насосов спроектированы с целью обеспечить циркуляцию ледяной воды внутри центральной системы. В каждом здании имеется система насосов, спроектированная таким образом, чтобы предотвратить падение давления между центральной системой и потребителем. Это имеет свои преимущества в решениях с несколькими зданиями, с протяженными коммуникациями. Если система насосов на центральной станции должна противодействовать падениям давления во всей промышленной системе, высока вероятность, того, что в зданиях вблизи центральной станции будут проблемы с повышенным давлением и контролем температуры.
Другой вопрос, который стоит рассмотреть, – статическая высота подъема жидкости. Это касается всех крупных, состоящих из множества зданий насосных систем. Если планируются высокие здания, подумать об общей статической высоте подъема жидкости в системе. Это буде непосредственно влиять на классификацию давления клапанов, труб, фланцев и т.п., что может вызвать дополнительные расходы.
Более эффективным решением может быть теплообменник по месту эксплуатации. Центральная система будет в этом случае производителем и подвергаться более низкому давлению, а сам теплообменник будет единственным компонентом, подверженным воздействию высокого давления. Это эффективный метод контроля оборудования и стоимости материалов.

Об авторе
Зак является главой Graef-USA Inc. (USA). Член ASHRAE и NCEES, а также консультант в журнале Consulting-Specifying Engineer.

Машинный зал в Международном аэропорту имени генерала Митчелла (США). На фото показана насосная станция ледяной воды (голубые трубы) и котлы (трубы выше)
Источник: Graef-USA Inc.

Модернизация системы в аэропорту

В Международном аэропорту генерала Митчелла значительно увеличилось количество пассажиров во второй половине 90-х годов. Несмотря на планы ввода новых пунктов продажи билетов, приема багажа и вылетов в 1999 г. самым неотложным стало строительство нового многоуровневого паркинга.
Руководство аэродрома поручило компании Graef-USA проектирование новой конструкции и поиска места, наиболее выгодного с финансовой точки зрения и удобного для пользователей. После многочисленных попыток расположить паркинг таким образом, чтобы он не мешал строительству нового терминала, было наконец найдено подходящее место. К сожалению, оно было как раз там, где находилась установка воды и котельная. Аэропорт использовал это как шанс увеличения производительности системы, ограничения эксплуатационных расходов и расширения в будущем, и спроектировал новую установку на значительном расстоянии от нынешней. Предстояло решить несколько сложных задач, например, соединить самые современные системы отопления и охлаждения с существующими системами распределения на терминалах.
Компания Graef основывалась на предыдущем стратегическом плане, а также изучении существующих механических систем. Изучение показало недобор потоков, а также необходимость ремонтных работ как в самой системе, так и в оборудовании аэродрома. Оценка нынешних и будущих потребностей, а также их дифференциации позволило перепроектировать систему распределения.
Новая установка была сдана в 2001 г. она состоит из четырех 1,7-мегаваттных центробежных холодильных машин и трех котлов производительностью 4,4 МВт. Для горячей воды, ледяной воды, а также хладагента первоначально принята стратегия перекачки меняющегося потока. Система спроектирована таким образом, чтобы принять две дополнительные 1,7-мегаваттные холодильные машины и один дополнительный 4,4-мегаваттный котел.
Система насосов в здании терминала была ликвидирована, что означало ограничение потребление мощности насосов и моторов примерно на 370 кВт. Система распределения была перенастроена, установлены датчики контроля потока.
Эксплуатационные расходы после первого года работы системы показали экономию на уровне 250 тыс. долларов США. Система готова к увеличению производительности по мере развития аэропорта.