Промышленный и торговый холод / Инновации Повышение энергоэффективности объектов путем регенерации тепла от холодильных машин CARRIER Известно, что энергопотребление коммерческих и жилых зданий составляет около 40 % от общего потребления первичной энергии, причем бóльшая часть энергозатрат приходится на выработку тепла для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также на подогрев воды в системах ГВС (рис. 1). Приведенные цифры варьируются в зависимости от климатических условий [1, 2], но потенциал мероприятий, направленных на оптимизацию инженерных систем зданий и разработку энергоэффективных решений, очевиден. Одним из способов повышения энергоэффективности зданий является использование рекуперации теплоты конденсации холодильных машин в системах кондиционирования воздуха. Потенциал для этого заложен непосредственно в холодильном цикле установки. Для обеспечения работы холодильной машины необходимо отводить в процессе конденсации хладагента значительное количество тепла от конденсатора. В классических системах холодоснабжения зданий все тепло рассеивается в атмосферу через воздушный конденсатор, причем количество сбросного тепла значительно превышает холодопроизводительность чиллера. Так, например, холодильная машина холодопроизводительностью 700 кВт выбрасывает в атмосферу ориентировочно 1 МВт тепла. Таким образом, осуществив отбор сбросного конденсаторного тепла и направив его на нагрев воды системы ГВС, можно Рис. 1. 8 получить существенную экономию на потреблении горячей воды от центрального теплового пункта (ЦТП) или бойлера. Основные методы регенерации тепла Рассмотрим основные компоненты холодильной машины (рис. 2). В испарителе теплота хладоносителя (воды), поступающего от компонентов системы кондиционирования (охлаждающих теплообменников центральных кондиционеров, фанкойлов), передается хладагенту (фреону), вследствие чего он кипит. Через всасывающий трубопровод пар низкого давления из испарителя подается в компрессор. Компрессор всасывает пар из испарителя и сжимает его. В результате этого его температура и давление повышаются до величины, когда пар может конденсироваться под воздействием охлаждающей среды (воздух в воздушных конденсаторах). По нагнетательному трубопроводу пар с высоким давлением и температурой поступает в конденсатор. Через поверхность конденсатора теплота от горячего пара хладагента передается охлаждающей среде, вследствие чего пар сжижается. По жидкостному трубопроводу жидкий хладагент течет к расширительному устройству – регулятору расхода хладагента (CEXV), который дозирует его количество, поступающее в испаритель, понижая давление, чтобы кипение происходило при требуемой температуре. Рис. 2. Схема работы чиллера № 10/2013 Частичная рекуперация тепла Один из вариантов регенерации тепла основан на дооснащении фреонового контура чиллера пластинчатым теплообменником (рис. 3). Он устанавливается на линии нагнетания компрессора перед конденсатором и способен регенерировать тепло от перегретого хладагента. После сжатия в компрессоре температура газообразного фреона становится достаточно высокой, что позволяет нагревать воду до 80 оС. Однако, поскольку используется только потенциал перегретого пара, утилизируется лишь до 20 % от общего количества тепла, производимого машиной. Преимущества такого решения – невысокая стоимость, незначительность изменений в конструкции машины и быстрый срок окупаемости. Следует отметить, что чиллер не контролирует температуру выходящей горячей воды. Для этого потребуется регулировка на гидравлической стороне с помощью трехходового клапана. Рис. 4. Схема чиллера с полной рекуперацией тепла конденсации Рис. 5. Схема рекуперации тепла через контур водяного конденсатора Рис. 3. Схема чиллера с частичной рекуперацией тепла Полная рекуперация тепла Для того чтобы максимально использовать тепловой потенциал чиллера, Carrier разработал чиллеры, способные регенерировать 100 % конденсаторного тепла. В конструкцию добавляется ряд вспомогательных компонентов, необходимых для работы чиллера в режиме охлаждения с одновременным нагревом воды. На рис. 4 схематично показано устройство чиллера с функцией полной рекуперации. Главным элементом служит кожухотрубный теплообменник (регенеративный конденсатор), установленный параллельно воздушному конденсатору. Он фактически выполняет функцию водяного конденсатора, где происходит нагрев воды. С помощью электромагнитных клапанов встроенный контроллер ProDialog+ перераспределяет потоки хладагента между воздушным и водяным конденсаторами. № 10/2013 Алгоритм работы схемы таков. Когда отсутствует потребность в горячей воде, весь хладагент направляется в воздушный конденсатор, где тепло рассеивается с поверхности теплообменника в атмосферу. При поступлении сигнала от датчиков температуры горячей воды контроллер чиллера перекрывает доступ хладагенту в воздушный конденсатор. Одновременно происходит открытие клапанов на стороне водяного конденсатора. Весь хладагент перенаправляется в водяной конденсатор (рис. 5). Циркулирующая в теплообменнике вода начинает нагреваться теплом от горячего хладагента. Если заданная уставка по температуре воды не достигнута в течение определенного времени, то второй контур чиллера тоже переходит в режим регенерации тепла аналогично первому. В таком режиме холодильная машина работает на максимальное производство горячей воды. По сравнению с частичной рекуперацией этот способ позволяет регенерировать гораздо большее количество тепла для нагрева воды. При этом максимальная температура воды на выходе составляет 55 оС. К плюсам этого способа можно отнести высокий экономический эффект и быстрый срок окупаемости в процессе эксплуатации. 9 Промышленный и торговый холод / Инновации Холодильные машины Carrier с рекуперацией тепла Воздухоохлаждаемый чиллер 30RBS/30RQS 039-160 на базе спиральных компрессоров (хладагент R410А) Холодопроизводительность 40...160 кВт, нагрев воды до 65 оC с опцией частичной рекуперации. Воздухоохлаждаемый чиллер 30RB 162-802 на базе спиральных компрессоров (R410А) Холодопроизводительность 162...760 кВт, нагрев воды до 80 оC с опцией частичной рекуперации или до 55 оC с опцией полной рекуперации (модели до 500 кВт). Воздухоохлаждаемый чиллер 30XA 252-1702 на базе винтовых компрессоров (R134a) Холодопроизводительность 280...1700 кВт, нагрев воды до 60 оC с опцией полной рекуперации (для моделей до 1000 кВт); для моделей 30 XA1112-1382 с опцией рекуперации на одном контуре. Особенности применения и потенциальные проекты Системы регенерации тепла чиллеров широко применяются в российских проектах. Компания Carrier накопила значительный опыт в реализации проектов различных назначений, где осуществляется подогрев воды от чиллеров. Определяющим критерием применения систем подобного типа является одновременное потребление объектом охлажденной и горячей воды. Основываясь на опыте проектирования, можно выделить ряд категорий объектов, для которых наиболее эффективна реализация данной системы. Прежде всего это гости- 10 ницы, курортные зоны, медицинские учреждения, спортивные сооружения с бассейнами, образовательные учреждения, СПА-центры, коммерческие прачечные и т.д. За консультацией по вопросу реализации энергоэффективных систем вы можете обратиться к техническим специалистам AHI Carrier. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Самарин О.Д. Энергетический баланс зданий и возможности энергосбережения// Новости теплоснабжения. – М. 2. Department of Energy Buildings Energy Databook. № 10/2013