Системы холодоснабжения и кондиционирования крупных объектов (с суммарной потребностью в холоде 2 МВт и более) по принципу построения, компоновки и вообще по своей сути существенно отличаются от более мелких. С одной стороны, чем крупнее холодильная машина, тем более дешевый холод она обеспечивает. С другой — на крупной машине сложнее достичь высокой энергоэффективности, т.к. существенно возрастают разного рода потери.
Пути повышения энергоэффективности крупных холодильных машин давно известны. Во-первых, это увеличение эффективности конденсатора за счет перехода от воздуха к другим средам, например, воде. Именно поэтому на рынке практически не встречаются холодильные машины (чиллеры) с воздушным охлаждением конденсатора холодопроизводительностью более 1,5 МВт. Во-вторых, это применение более эффективных компрессоров.
Наиболее эффективными из всех типов компрессоров, как известно, являются центробежные. Они имеют адиабатическую эффективность (т.е. отношение разности энтальпий сжимаемого газа на входе и выходе компрессора к затрачиваемой на это электрической мощности) 0,8 и более, что существенно превышает аналогичный показатель у компрессоров объемного сжатия, например, спиральных. Однако, центробежные компрессоры имеют существенный недостаток — они дороги и сложны в производстве, требуют использования дорогостоящих высокопрочных материалов и т.п.
Поэтому главная область применения центробежных компрессоров — очень крупные холодильные машины, предназначенные для установки на больших объектах, где они могут окупить существенные начальные затраты в краткоили среднесрочной перспективе за счет экономии электроэнергии. Из всего перечисленного следует, что оптимальный тип холодильной машины для построения системы кондиционирования крупного объекта — чиллер с водяным охлаждением конденсатора и центробежными компрессорами.
Это утверждение подтверждает и практика — на многих крупных объектах с суммарной потребностью в холоде 2 МВт и более устанавливаются как раз такие машины. Какие существуют пути дальнейшего повышения энергоэффективности подобных чиллеров? В данной области ведут исследования все производители, ведь повышение энергоэффективности всего на 1–2 % на таких мощностях даст очень существенную экономию и, в конечном счете, уменьшит сроки окупаемости оборудования.
Один из таких путей совершенствования центробежных чиллеров — повышение энергоэффективности при частичной загрузке. Практика показывает, что более 90 % времени холодильная машина работает с частичной загрузкой, а более 50 % времени — при загрузке 50 % и ниже. Это нетрудно увидеть из формулы расчета коэффициента IPLV (Integrated Part Load Value), который традиционно применяется для оценки энергоэффективности холодильных машин.
В соответствии со стандартом ARI 550590–2003 этот коэффициент рассчитывается следующим образом: IPLV = 0,01A + 0,42B + 0,45C + 0,12D, где A, B, C, D — COP при 100 %, 75 %, 50 %, 25 % загрузки, соответственно. Метод расчета этого коэффициента разработан в США организацией ARI (Air Conditioning and Refrigeration Institute), исходя из многолетнего опыта практической эксплуатации холодильных машин.
Можно утверждать, что IPLV достаточно точно отражает среднегодовую эффективность чиллера, и именно так можно оценить, насколько выгодно применение той или иной холодильной машины, поскольку номинальные коэффициенты EER и COP (отношение производительности к затрачиваемой мощности при 100 %-й загрузке) на самом деле мало что говорят об ее эффективности.
Однако, повышение эффективности при частичной загрузке также далеко непростая задача, поскольку каждому компрессору (а это основной потребитель энергии в холодильной машине) присуще определенное сочетание параметров (частота вращения ротора, давление на всасывании и нагнетании и т.п.), при котором его эффективность максимальна. При отклонении от этих параметров эффективность может снижаться, и довольно существенно.
С этой задачей успешно справились инженеры корпорации Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., разработав несколько серий центробежных чиллеров с водоохлаждаемым конденсатором, эффективность которых максимальна практически на любых режимах работы, но особенно высока при частичной загрузке. Это достигается путем применения инверторных приводов, а также за счет особой конструкции компрессоров, оптимизации холодильного контура и ряда других уникальных технологий. Модельный ряд чиллеров MHI состоит из четырех линеек:
- AART (I) — это чиллеры большой производительности — от 809 до 17 580 кВт (здесь и далее значения производительности приводятся при стандартных условиях, при этом машины до 809 кВт производятся серийно, а большей мощности — разрабатываются и производятся по индивидуальному заказу). Их область применения — крупные объекты, центры обработки данных, холодильные центры для обслуживания групп зданий. В рамках этой серии MHI произведен самый большой чиллер в мире холодопроизводительностью 28 128 кВт. Он, в числе прочих, обслуживает систему холодоснабжения квартала Minato Mirai 21 в Токио.
- ETI — чиллеры относительно небольшой производительности (527–1758 кВт). Область применения — системы комфортного кондиционирования крупных объектов.
- AART-H — это чиллеры специального исполнения для работы с низкими температурами холодоносителя (до –5 °С). Диапазон производительности — 668–7735 кВт, при этом машины до 3868 кВт производятся серийно, а более крупные — разрабатываются и производятся по индивидуальному заказу. Область применения — технологические процессы и объекты промышленного холода — например, склады хранения скоропортящихся продуктов, ледовые катки и т.п.
Уникальной особенностью всех серий чиллеров MHI является чрезвычайно высокая энергоэффективность, которая может достигать у некоторых моделей COP = 24,2 (модель AART-I 3516 кВт). Серия ETI при этом имеет еще одну особенность — это возможность работы от трехфазного источника питания 380 В, 50 Гц — у машин подобного класса и производительности это встречается крайне редко.
Все серии чиллеров MHI имеют также и высокую сезонную энергоэффективность — коэффициент IPLV более 10 у всех моделей. Это означает, что чиллер в среднем за год позволяет получить более 10 кВт холода на 1 кВт потребляемой электрической мощности. Срок службы всех серий чиллеров MHI составляет более 30 лет (при условии регулярного сервисного обслуживания). В сочетании с высочайшей энергоэффективностью это позволяет производителю заявлять о самой низкой в отрасли стоимости жизненного цикла.
Это означает, что, несмотря на высокую начальную цену, в конечном итоге эксплуатация чиллера MHI в течение расчетного срока его работы обойдется дешевле аналогов. Все производители подобных холодильных машин оказывают заказчикам дополнительные сервисные услуги — помощь в проектировании, монтаже, пусконаладке оборудования и т.п. Однако, MHI помимо этого предлагает еще и своего рода предпродажный сервис-аудит объекта с целью выявления целесообразности и выгоды применения именно чиллеров MHI и оценки стоимости жизненного цикла.
Это делается для того, чтобы показать заказчику, что, несмотря на стоимость, центробежные чиллеры производства MHI являются наиболее выгодным приобретением в расчете на дальнейшую длительную эксплуатацию.
