Значительное внимание энергосберегающим системам вызвано в первую очередь тем, что со всей очевидностью выявились проблемы, связанные с ограниченностью природных энергоресурсов. Снижение техногенного теплового загрязнения окружающей среды, частью которого является тепловой сброс холодильных систем, делает необходимым повышение эффективности последних.
К области холодильной техники относятся два вида энергосберегающих систем: теплоиспользующие абсорбционные холодильные машины и тепловые насосы. К ним примыкает часть низкотемпературной энергетики — энергетические установки с прямым термодинамическим циклом на низкокипящих рабочих веществах. Абсорбционные холодильные машины (АХМ) относятся к классу теплоиспользующих. По своим технико- экономическим и эксплуатационным показателям выделяются два типа АХМ — абсорбционные бромистолитиевые для выработки охлажденной воды (АБХМ) и водоаммиачные (АВХМ) для получения отрицательных температур до -55 °С. Применение АБХМ и АВХМ имеет различный характер.
Абсорбционные бромистолитиевые машины являются трансформаторами теплоты и применяются не только для получения теплоты, но и как тепловые насосы для получения теплоты более низкого потенциала, чем греющий источник (понижающие термотрансформаторы) или более высокого потенциала (повышающие термотрансформаторы). Кроме того, они применяются для комплексного использования холода и горячей воды.
АБХМ применяют, в основном, для обеспечения технологических нужд и в системах кондиционирования воздуха объектов, потребляющих значительное количество теплоты и, как правило, располагающих вторичными энергоресурсами (ВЭР): отработавшим паром, горячей водой и т.п. Поэтому конструкции АБХМ ориентированы на использование греющих сред с относительно низкими температурными параметрами — горячая вода 90-120 °С или водяной пар давлением 0,15 МПа.
Наряду с этим применяются АБХМ, использующие высокотемпературные греющие источники — пар давлением 0, 6-0,8 МПа и т.п., что позволяет существенно повысить их энергетическую эффективность и использовать в системах котельных для выработки холода и в режиме теплового насоса. В последнее вре¬мя АБХМ применяется в системах комфортного кондиционирования воздуха административных и общественных зданий с теплоснабжением от котельных или прямым газовым обогревом.
Второй тип промышленных АХМ — водоаммиачные применяются преимущественно в составе технологических линий. Характерными особенностями этих машин являются: крупные единичные мощности, использование в качестве греющей среды ВЭР, индивидуальная привязка к конкретным условиям типовых производств.
В отличие от парокомпрессионных холодильных машин, для работы которых в подавляющем большинстве используется электрическая энергия, источником энергии АХМ служит теплота разных потенциалов.
Абсорбционный цикл включает в себя генератор, конденсатор, испаритель и абсорбер с хладагентом и абсорбентом. Под действием внешнего источника теплоты в генераторе происходит выпаривание хладагента из абсорбента. После конденсатора жидкий хладагент поступает в испаритель, воспринимая теплоту от охлаждаемого вещества. Концентрированный раствор абсорбента поступает в абсорбер, в котором поглощает пары хладагента, поступающего из испарителя, и таким образом концентрация абсорбента снижается. Разбавленный хладагентом абсорбент поступает в генератор, и цикл повторяется. Таким образом работают АБХМ с одноступенчатой регенерацией раствора.
В АБХМ широко используется внутренняя регенерация теплоты. В теплообменниках имеет место «недорекуперация», что приводит к потерям энергии. Значительное количество теплоты отводится с охлаждающей водой при температуре на 5-10 °С выше температуры окружающей среды.
Согласно статистическим данным, наибольшие потери имеют место в генераторе и абсорбере. При заданной температуре охлаждающей воды ступенчатый процесс в блоке абсорбер-испаритель позволяет увеличить степень насыщения раствора в абсорбере и повысить производительность системы. Ступенчатый процесс в блоке генератор-конденсатор позволяет при заданной температуре греющего источника осуществить выпаривание раствора до более высокой концентрации и повысить производительность системы.
В последнее время широкое распространение получили АБХМ со ступенчатой регенерацией, в которых генератор высокого давления объединен с топкой для непосредственного сжигания газа или нефти. В подобных холодильных машинах, в схему которых включен нагреватель с целью получения горячей воды для горячего водо- и теплоснабжения, пар холодильного агента, выпаренный из раствора в генераторе высокого давления, направляется одновременно в отдельный нагреватель и генератор низкого давления. Теплота конденсации пара нагревает воду, а конденсат сливается в генератор высокого давления. АБХМ с прямой топкой могут работать с переключением подачи холодной или горячей воды, с одновременной подачей холодной и горячей воды, с подачей только горячей воды. При использовании машин с собственной топкой отпадает необходимость в котельной В АБХМ с двухступенчатой регенерацией раствора пары хладагента из генератора высокого давления используются для подогрева абсорбента в генераторе низкого давления. Пары хладагента из генераторов высокого и низкого давлений превращаются в жидкость и перед возвратом в испаритель смешиваются в конденсаторе. Таким образом, затраты энергии от источника теплоты значительно ниже по сравнению с АБХМ с одноступенчатой регенерацией раствора.
Одним из преимуществ АБХМ является использование экологически чистого хладагента — воды. Как правило, в подобных машинах хладагентом является дистиллированная вода, растворителем — бромистый литий.
При газовом нагреве генератора используется природный газ, поэтому технологический процесс получения холода не наносит ущерба окружающей среде, как если бы выбрасывались дымовые газы при сжигании топлива.
В силу своих конструктивных особенностей АБХМ характеризуется высокой надежностью агрегатов, низким уровнем шума и вибраций. Малые габаритные размеры АБХМ позволяют разместить ее в стесненных условиях, однако, для нее требуется отдельное технологическое помещение. Неоспоримым преимуществом АБХМ по сравнению с парокомпрессионной холодильной машиной является низкое потребление электроэнергии (ниже на полтора-два порядка). Однако, по сравнению с компрессионной холодильной машиной АБХМ обладают большей массой и большей стоимостью. Но при использовании АБХМ, работающих за счет дешевых источников энергии или ВЭР, они характеризуются наиболее коротким сроком окупаемости и низкими эксплуатационными расходами по сравнению с компрессионными холодильными машинами.
В настоящее время в России применяются АБХМ как отечественного производства, так и поставляемые из-за рубежа, например, фирм-производителей Johnson Controls, Sanyo, Carrier, Dunham- Bush, RC-Group, Trane и др. В качестве примера можно привести два объекта в городе Нижний Новгороде, на которых успешно эксплуатируются АБХМ. На первом объекте — бизнес-центр на улице Пискунова, дом 31 — применена АБХМ YIA3B2 производства фирмы Johnson Controls холодильной мощностью 420 кВт с градирней VXT N265 охлаждающей мощностью 1 МВт с использованием воды с температурой 85 °С, нагреваемой продуктами сгорания после газового электрогенератора. Эта вода ис¬пользуется в АБХМ для получения захоложенной воды для нужд установок кондиционирования воздуха. В холодный период года получаемая горячая вода направляется в систему отопления здания. Потребляемая максимальная электрическая мощность АБХМ — 3,8 кВт, градирней — 30 кВт, уровень акустического шума градирни при максимальной скорости вентилятора — 64 дБ(А). При вероятном использовании компрессионной холодильной машины вместо АБХМ при соразмерных параметрах ее максимальная электрическая мощность составила бы 140 кВт, уровень акустического шума при максимальной скорости — 70 дБ(А). При сменной работе в течение 12 часов в сутки ежегодный экономический эффект от снижения потребляемой электроэнергии составляет 840 тыс. руб. (при ее стоимости 3,6 руб/кВт-ч).
На втором объекте — бизнес-центр в переулке Холодный, дом 10 — применена АБХМ YIA1A2 производства фирмы Johnson Controls холодильной мощностью 370 кВт с градирней VXT 150 охлаждающей мощностью 889,5 кВт. Система работает в совокупности с существующей котельной. Применение указанных агрегатов обусловлено отсутствием свободной электрической мощности для установок климатизации здания. Применение компрессионной холодильной машины влечет установку трансформаторной подстанции, прокладку высоковольтного кабеля, связанную со строительно-монтажными работами в центре города. По результатам технико-экономического расчета срок окупаемости АБХМ и градирни меньше срока окупаемости прямых и сопутствующих капитальных и эксплуатационных затрат при использовании компрессионной холодильной машины. Потребляемая максимальная электрическая мощность АБХМ — 2,8 кВт, градирней — 15 кВт, уровень акустического шума градирни при максимальной скорости вентилятора — 64 дБ(А). При вероятном использовании компрессионной холодильной машины вместо АБХМ при соразмерных параметрах ее максимальная электрическая мощность составила бы 127 кВт, а уровень акустического шума при максимальной скорости — 65 дБ(А). При сменной работе в течение 12 часов в сутки ежегодный экономический эффект от снижения потребляемой электрической энергии составляет 864 тыс. руб., при стоимости электроэнергии 3,6 руб/кВт-ч.
В расчетах принимается период эксплуатации холодильных машин с апреля по сентябрь. Использование АБХМ для кондиционирования и теплоснабжения дает возможность осуществить их круглогодичную загрузку, упростить системы холодо- и теплоснабжения, создать экономичные безопасные и малошумные установки. Целесообразность применения АБХМ полностью обоснована только при использовании сбросной теплоты (например, горячей воды). АБХМ совместно с существующим котлом из-за невысокого холодильного коэффициента (0,7-0,8) следует применять только после подробного технико-экономического обоснования.
Использование теплоты котельных для комплексной выработки охлажденной (7 °С) и горячей (70 °С) воды по сравнению с альтернативной системой, включающей парокомпрессионную холодильную машину и водогрейную установку со сжиганием органического топлива, дает существенную экономию топлива, которая достигает 0,015-0,116 т.у.т./ ГДж вырабатываемого холода.
____________________________________________________________________________________________________________
Авторы: В.И. БОДРОВ, профессор, д.т.н.,
Ю.В. ОСИПОВ, доцент, к.т.н., Нижегородский
государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ); Ю.Н. СУЛОЕВ, директор ЗАО «НИ Проектпромвентиляция» (г. Нижний Новгород)
