На нашей планете существует множество климатических зон. Некоторые из них характеризуются жаркой погодой, в том числе в течение всего года. Однако это не значит, что внутри зданий должно быть так же жарко, как и снаружи. В то время как наружная температура иногда может достигать +37°C и выше, температура внутри здания должна сохраняться комфортной — примерно +23°C. Это может быть достигнуто благодаря системе циркуляции охлаждённой воды.

В то время как большинство людей слышали о системах кондиционирования воздуха, далеко не все представляют себе такие системы с использованием охлаждённой воды. Для непосвящённых эта информация может стать открытием, хотя данная концепция существует ещё со времён древних римлян. Чтобы «кондиционировать» жилые помещения, римляне пропускали холодную воду из источников через каналы в стенах своих зданий. Только в 1902 году американский инженер Уиллис Кэрриер (Willis Carrier) изобрёл первый современный механический кондиционер. Затем, в 1926-м, им же была разработана и запатентована первая холодильная машина для охлаждения воды и использования её для крупномасштабного кондиционирования воздуха в зданиях. Эта машина получила название «водяной чиллер» (water chiller) или просто «чиллер».

С тех пор конструкция чиллера претерпела множество инновационных усовершенствований. В настоящее время разработаны и широко используются различные типы и модификации водоохлаждающих машин. Однако основное назначение чиллера остаётся прежним: отводить теплоту от воды.

Технология водяного охлаждения существует ещё с 1970-х годов и применяется в некоторых странах в коммерческих целях для средних и крупных зданий. Однако в последнее время она всё чаще используется по всему миру в жилых зданиях, например, в системах централизованного холодоснабжения. Чиллеры действуют как централизованная система охлаждения, обеспечивающая поддержание параметров микроклимата внутри одного или даже нескольких зданий. Это связано с тем, что зачастую практичней размещать оборудование для кондиционирования воздуха в одном месте, чем устанавливать множество единиц оборудования в разных местах. При этом упрощается доступ для проведения технического обслуживания оборудования, что существенно снижает эксплуатационные расходы на централизованную систему холодоснабжения по сравнению с небольшими децентрализованными системами кондиционирования.

Кроме того, в некоторых регионах для зданий площадью свыше определённой величины реализация систем централизованного холодоснабжения, благодаря их высокой экономичности, является фактически обязательной и зачастую требуется местными строительными нормами.

Централизованные системы холодоснабжения используют охлаждённую воду для отвода теплоты из помещений здания. В основе такой системы применяется водоохлаждающая машина или чиллер, который посредством холодильного цикла отводит теплоту от циркулирующей воды. Когда чиллер охлаждает воду, отводимая при этом теплота должна куда-то утилизироваться. Обычно данная избыточная теплота отводится в окружающую среду за пределами здания. То есть система холодоснабжения с использованием чиллеров является средством передачи теплоты из внутренних помещений в окружающее пространство снаружи здания.

Существует два основных типа систем водяного холодоснабжения, в которых применяются чиллеры: либо с отводом теплоты непосредственно в наружный воздух, либо чиллеры с отводом теплоты в отдельный контур циркуляции воды, от которого теплота также отводится в окружающую среду. Таким образом, система холодоснабжения с охлаждённой водой может иметь холодильную машину, реализующую парокомпрессионный холодильный цикл, как с воздушным охлаждением, так и с водяным охлаждением конденсатора.

Системы водяного холодоснабжения состоят из нескольких компонентов. При выходе из строя одного из компонентов система перестаёт функционировать.

Традиционная система холодоснабжения состоит из комбинаций следующих основных компонентов:

  • охладители воды (чиллеры);
  • теплообменники нагрузки — в системах комфортного кондиционирования это обычно теплообменники в составе центральных вентиляционных установок (AHU) и/или теплообменники вентиляторных доводчиков (fan coils);
  • градирни в системах с использованием чиллеров с водяным охлаждением конденсатора;
  • насосы охлаждённой воды и воды в контуре чиллеров с водяным охлаждением конденсатора;
  • системы распределения охлаждённой воды и воды в контуре конденсатора чиллера, включающие трубопроводы, расширительный бак, накопительный бак, запорно-регулирующую арматуру, сетчатые фильтры и т. д.

Принцип работы и отличия чиллеров

Чиллер — это устройство, в котором используется механическое охлаждение для отвода теплоты от непрерывного потока циркулирующей жидкости и передачи этой теплоты в окружающую среду посредством применения холодильного цикла. Извлечённая скрытая теплота конденсации хладагента выбрасывается в окружающее пространство либо с помощью воды, либо непосредственно в окружающий воздух, в зависимости от типа конденсатора, используемого в системе: с водяным или воздушным охлаждением. Чиллеры с конденсаторами воздушного охлаждения используют теплообменники типа «воздух — хладагент», а чиллеры с конденсаторами водяного охлаждения отводят теплоту через градирню или сухой охладитель.

Таким образом, чиллеры, как с воздушным, так и с водяным охлаждением, зависят от параметров воздушного потока как средства теплопередачи.

Трубопроводы системы холодоснабжения

Как уже упоминалось ранее, система холодоснабжения может быть разделена на контур охлаждённой воды и контур конденсатора. Для контура охлаждённой воды обычно используются предварительно изолированные трубы из углеродистой стали. Что касается водяного контура конденсатора, то для перемещения воды из конденсатора в градирню обычно используются неизолированные трубы из оцинкованной углеродистой стали, которые со временем ржавеют. Следовательно, процесс промывки очень важен для удаления любого загрязнения перед первоначальным запуском такой системы холодоснабжения. В водяном контуре конденсатора обычно используются более устойчивые к коррозии трубы из оцинкованной углеродистой стали, поскольку часть водяного контура конденсатора подвергается воздействию погодных условий (в районе градирни). Трубы охлаждённой воды изолированы, а трубы воды конденсатора не изолируются, поскольку температура воды конденсатора часто выше температуры окружающего воздуха, что предотвращает образование конденсата на поверхности труб.

Традиционные области применения систем холодоснабжения

Помимо различных промышленных технологических процессов системы холодоснабжения также используются для поддержания комфортных параметров микроклимата в коммерческих зданиях, таких как: офисы, торговые центры, отели, аэропорты, железнодорожные пересадочные терминалы, учебные и медицинские учреждения.

Системы холодоснабжения с воздушным охлаждением чаще используются в зданиях среднего размера, где недостаточно места для размещения отдельного холодильного центра. Вместо этого чиллеры с воздушным охлаждением конденсатора размещаются обычно либо на кровле, либо на земле.

Для создания микроклимата внутри больших зданий система холодоснабжения почти всегда оснащается чиллерами с водяным охлаждением, которые располагаются в специальном помещении холодильного центра.

Несмотря на большое разнообразие вариантов компоновки системы холодоснабжения на базе чиллеров с конденсаторами как с воздушным, так и с водяным охлаждением, существуют некоторые общие правила их размещения, которые могут помочь при выборе чиллера.

Зоны размещения

Чиллеры с конденсаторами воздушного охлаждения нуждаются в большом объёме свежего воздуха, чтобы отводить теплоту от хладагента через конденсатор, и почти всегда устанавливаются на открытом воздухе. Электрические панели управления таких машин должны иметь соответствующий класс защиты от воздействия окружающей среды. Напротив, системы с конденсаторами водяного охлаждения отлично работают в условиях высокой температуры и низкой влажности окружающей среды. Однако производительность чиллеров с конденсаторами воздушного охлаждения обычно не превышает 1 МВт на единицу, поскольку ограничена габаритами устройства, тесно связанными с проблемами транспортировки и логистики.

В то же время все чиллеры с конденсаторами водяного охлаждения предназначены для размещения внутри зданий в должным образом оборудованных технических помещениях. Такие агрегаты более компактны по сравнению с чиллерами с конденсаторами воздушного охлаждения, но требуют больших наружных площадей для установки сухих или испарительных градирен, а также место для циркуляционных насосов и других компонентов системы.

Климатические параметры окружающей среды

Поскольку чиллеры с конденсаторами воздушного охлаждения, а также системы с конденсаторами водяного охлаждения, оснащённые сухими градирнями, используют окружающий воздух для отвода избыточной теплоты, их производительность и эффективность зависят от температуры воздуха, тогда как для чиллеров этих типов влажность воздуха не имеет значения. Напротив, системы с конденсаторами водяного охлаждения отлично работают в условиях высокой температуры окружающей среды, но при этом эффективность используемых в таких системах испарительных градирен существенно снижается при высоких значениях влажности воздуха.

Эффективность чиллеров с конденсаторами воздушного охлаждения можно значительно повысить при высоких температурах окружающей среды с помощью систем предварительного охлаждения воздуха, в которых наружный воздух, поступающий в конденсатор, увлажняется и охлаждается, проходя через устройства адиабатического охлаждения, установленные перед панелями конденсатора.

В холодном климате чиллеры с конденсаторами водяного охлаждения весьма проблематично использовать совместно с градирнями открытого типа из-за риска замерзания воды при эксплуатации в зимний период.

Потребление воды

Системы холодоснабжения, оснащённые испарительными градирнями, потребляют значительное количество воды не только из-за испарения, но и необходимости периодического удаления и обновления воды. Поэтому в регионах, испытывающих нехватку воды, предпочтительным вариантом компоновки системы холодоснабжения должны быть чиллеры с конденсаторами воздушного охлаждения.

Высокое водопотребление является основной проблемой для системы холодоснабжения с конденсаторами водяного охлаждения и одним из основных препятствий для бюджета клиентов при эксплуатации.

Уровень шума

Чиллеры с конденсаторами воздушного охлаждения имеют более высокие шумовые характеристики из-за наличия вентиляторов конденсатора. В этом случае клиенты могут выбирать чиллеры с различными конструктивными решениями, позволяющими снизить шумовое влияние работающего оборудования на окружающую среду, например, уменьшение частоты вращения вентилятора, а также ряд других вариантов снижения шумового воздействия.

Энергетическая эффективность

На первый взгляд чиллеры с конденсатором водяного охлаждения демонстрируют более высокую энергоэффективность благодаря работе при более низком давлении нагнетания по сравнению с агрегатами с конденсаторами воздушного охлаждения. Если рассматривать две системы холодоснабжения с одинаковой холодопроизводительностью, то система с водяным охлаждением включает в себя множество энергоёмких компонентов, таких как градирни и циркуляционные насосы. В то же время чиллеры с конденсатором воздушного охлаждения представляют собой автономные системы, включающие в себя все необходимые компоненты. Поэтому, когда дело доходит до выбора системы с воздушным или водяным охлаждением, рекомендуется учитывать первоначальные и эксплуатационные расходы, связанные не только с чиллерами, но и со всей системой охлаждения (рис. 1).

Современные чиллеры с воздушным охлаждением, особенно оснащённые центробежными компрессорами с инверторным приводом (например, безмасляные компрессоры Turbocor), демонстрируют энергоэффективность, сравнимую с эффективностью агрегатов с водяным охлаждением. Хотя начальная стоимость таких чиллеров достаточно высока, это выгодная инвестиция, которая окупается в короткий период.

В свою очередь, градирня или сухой охладитель, используемые в системе холодоснабжения с водяным охлаждением, могут фактически использоваться в режиме естественного охлаждения в холодную погоду, что снижает потребность в механическом охлаждении и приводит к значительной экономии энергии.

В сухом климате температура по влажному термометру может быть значительно ниже, чем по сухому термометру, а чиллер с водяным охлаждением может работать с более низкой температурой конденсации, что снижает энергопотребление компрессора. Таким образом, чиллер с водяным охлаждением по своей природе более эффективен в сухом климате по сравнению с чиллером с воздушным охлаждением.

Капитальные затраты

Разница в начальной стоимости чиллеров с конденсаторами воздушного и водяного охлаждения часто вводит клиентов в заблуждение. Как правило, при одних и тех же значениях холодопроизводительности чиллеры с конденсатором водяного охлаждения имеют более низкую начальную цену, чем чиллеры с конденсаторами воздушного охлаждения, в то время как общая цена системы холодоснабжения с чиллером водяного охлаждения обычно выше. Стоимость монтажа системы с водяным охлаждением также выше по сравнению со стоимостью монтажа чиллера с конденсаторами воздушного охлаждения, которая проще и быстрее, поскольку требует только организацию фундамента в месте расположения чиллера и подсоединение трубопроводов и кабелей электропитания.

Операционные затраты

Эксплуатационные расходы часто являются первостепенной проблемой для владельцев холодильных установок. Эксплуатационные расходы для систем холодоснабжения с чиллерами с конденсаторами воздушного охлаждения в основном включают в себя стоимость электроэнергии и стоимость технического обслуживания чиллера, в то время как владелец системы на базе чиллера с конденсатором водяного охлаждения оплачивает регулярное техническое обслуживание большого набора оборудования. При использовании испарительной градирни в сочетании с чиллером с конденсатором водяного охлаждения также возникают дополнительные расходы, связанные с контролем качества воды и её химической обработкой, а также регулярной заменой и подпиткой системы пресной водой.

Экологическая безопасность

Поскольку хладагенты с низким потенциалом глобального потепления, применяемые в чиллерах в настоящее время, в большинстве случаев относятся к классу воспламеняемости A2L, существуют ограничения на места размещения чиллеров. Поэтому чиллеры с конденсатором воздушного охлаждения, предназначенные для наружной установки при использовании в них альтернативных хладагентов с низким ПГП, обладают преимуществом с точки зрения экологической безопасности по сравнению с оборудованием, использующим хладагенты на основе ГФУ.

Сравнение чиллеров с конденсаторами воздушного и водяного охлаждения

Какой тип чиллера лучше всего подходит для кондиционирования воздуха большого офисного здания, или центров обработки данных: с воздушным или водяным охлаждением?

Этот вопрос необходимо прояснить разработчикам систем ОВиК, прежде чем отдавать предпочтение одному типу чиллера над другим. Очевидный выбор оборудования иногда перевешивается уникальными факторами конкретного проекта, включая доступную площадь в квадратных метрах, стратегии резервного питания, региональные нормы и правила строительства, ограничивающие потребление электроэнергии и воды, а также и приоритеты устойчивого развития будущего владельца объекта.

В идеале они будут консультироваться с профессиональной компанией на начальном этапе процесса проектирования, чтобы убедиться, что принятое решение соответствует их краткосрочным и долгосрочным целям. Для этого полезно знать плюсы и минусы, присущие каждому типу чиллера.

Производительность

Моноблочные чиллеры с воздушным охлаждением конденсатора обычно доступны в диапазоне производительности от 25 до 1500 кВт. Моноблочные чиллеры с водяным охлаждением — в диапазоне производительности от 35 кВт до 14 МВт. Другими словами, чиллеры с водяным охлаждением конденсатора могут обеспечить более высокую холодопроизводительность при меньшем количестве агрегатов и меньшей занимаемой площади.

Техническое обслуживание

Чиллеры с воздушным охлаждением устраняют необходимость в градирнях. Для чиллеров с водяным охлаждением требуются градирни, которые требуют серьёзного обслуживания: подготовка воды, очистка трубок конденсатора чиллера, механическое обслуживание градирни и защита её от размораживания в зимний период. Системы, использующие открытые градирни, должны иметь специальные программы по очистке воды от загрязнителей, таких как бактерии и водоросли. Градирни также испаряют воду, поэтому в этом случае потребуется доступ к внешнему источнику подпиточной воды, чтобы возместить испарившийся объём.

Размещение

Погоня за более дешёвой электроэнергией и меньшими налогами меняет критерии развития индустрии строительства офисных комплексов или центров обработки данных, размещая огромные объекты в отдалённых местах.

При размещении в месте, где температура опускается ниже нуля, чиллеры с воздушным охлаждением могут быть проще в эксплуатации, поскольку они устраняют проблемы, связанные с эксплуатацией градирни в суровых зимних условиях. Градирням могут потребоваться специальные последовательности управления, нагреватели бассейнов или даже внутренний отстойник для безопасной работы в морозную погоду.

Энергоэффективность

Чиллеры с водяным охлаждением обычно более энергоэффективны, чем чиллеры с воздушным охлаждением. Температура конденсации хладагента в чиллере с воздушным охлаждением зависит от температуры окружающей среды по сухому термометру. Температура конденсации в чиллере с водяным охлаждением зависит от температуры воды в конденсаторе, которая зависит от температуры окружающей среды по влажному термометру. Поскольку температура по влажному термометру часто значительно ниже температуры по сухому термометру, температура (и давление) конденсации хладагента в чиллере с водяным охлаждением может быть ниже, чем в чиллере с воздушным охлаждением. Более низкая температура конденсации и, следовательно, более низкое давление конденсации означает, что компрессор должен выполнять меньше работы, то есть он будет потреблять меньше энергии.

Это преимущество в эффективности может уменьшиться во время работы в ночное время, поскольку в ночное время температура по сухому термометру имеет тенденцию падать быстрее, чем температура по влажному термометру.

Транспортировка и монтаж

Большинство чиллеров с воздушным охлаждением представляют собой «компактные системы». Система, включающая конденсатор, компрессор и испаритель, проектируется, изготавливается и настраивается на заводе для обеспечения оптимальной производительности и надёжности, что сокращает время проектирования и поставки, а также упрощает монтаж оборудования на объекте.

Следует отметить, что монтаж чиллеров с водяным охлаждением конденсатора имеет дополнительные сложности, связанные с проектированием и монтажом на объекте элементов трубопроводов контура конденсатора: насосов, градирен, средств управления и т. п.

Долговечность

В связи с непрерывным развитием бизнеса в различных отраслях жизнедеятельности человека инженерная инфраструктура того или иного объекта должна быть в состоянии поддерживать это развитие, обеспечивая при этом стабильную производительность.

Как правило, чиллеры с воздушным охлаждением служат от 15 до 20 лет, а чиллеры с водяным охлаждением — от 20 до 30 лет. Отчасти это связано с тем, что чиллеры с водяным охлаждением обычно устанавливаются внутри помещений и работают при более низком давлении хладагента в конденсаторе, а чиллеры с воздушным охлаждением работают на открытом воздухе при более высоком давлении в конденсаторе.

Экономия воды

Использование воды в системе холодоснабжения, её стоимость, требования к очистке, а также потенциальная дополнительная сложность строительства — всё это играет роль при выборе компоновки системы. Поскольку чиллеры с воздушным охлаждением не требуют постоянного потребления воды, они часто являются предпочтительным выбором, особенно в местах, где есть нехватка воды или вода очень дорогая.

Таким образом, преимущество чиллера с воздушным охлаждением включает в себя более низкие затраты на техническое обслуживание, поскольку они представляют собой однокомпонентную систему, упрощающую проектирование и монтаж, а также лучшую холодопроизводительность при температурах в зимний период. Преимущества чиллеров с водяным охлаждением включают более высокую энергоэффективность, бóльшую производительность и более длительный срок службы оборудования. Тем не менее, лучший выбор решения для конкретного проекта может зависеть от совершенно другого набора критериев. В любом случае проектировщикам систем холодоснабжения важно учитывать все факторы, чтобы убедиться, что чиллер, который в конечном итоге будет выбран, будет соответствовать всем целям в долгосрочной перспективе.

В качестве заключения можно сделать краткий обзор достоинств и недостатков каждого варианта.

Заключение

1. Чиллеры с воздушным охлаждением используют окружающий воздух для отвода теплоты от хладагента через конденсатор. Кроме того, вентиляторы, которыми оснащены эти устройства, помогают ускорить этот процесс. Чиллеры с воздушным охлаждением применяются в тех случаях, когда отвод значительного количества теплоты на объекте не является проблемой. Чиллеры с воздушным охлаждением лучше подходят для холодильных установок производительностью до 1,5 МВт, для холодного или мягкого климата, а также для регионов с ограниченными водными ресурсами.

Достоинства:

  • более низкие первоначальные затраты на систему холодоснабжения;
  • водосберегающее решение;
  • требуется небольшая площадь для размещения оборудования;
  • технологичное и недорогое техническое обслуживание;
  • имеются портативные решения для помещений с ограниченным пространством;
  • в зависимости от модельного ряда производителя чиллеры с воздушным охлаждением применимы для охлаждения коммерческих объектов с небольшой и средней площадью;
  • теплота, выделяемая чиллером, может быть использована для обогрева помещений в холодные периоды, при этом обеспечивая дополнительную экономию затрат и энергии.

Недостатки:

  • в чиллерах с воздушным охлаждением используются охлаждающие вентиляторы, создающие повышенный уровень шума;
  • ожидаемый срок службы чиллера с воздушным охлаждением может быть меньше, чем у чиллера с водяным охлаждением;
  • как правило, более низкая энергетическая эффективность;
  • холодопроизводительность на единицу ограничена примерно 1,5 МВт.

2. Чиллеры с водяным охлаждением конденсатора идеально подходят для крупных холодильных установок, например, для централизованного холодоснабжения больших офисных комплексов или центров обработки данных.

Достоинства:

  • высокая энергоэффективность, особенно при работе в комплексе с испарительными градирнями;
  • наличие агрегатов большой холодопроизводительности (до 15 МВт);
  • чиллеры с водяным охлаждением более эффективны, чем чиллеры с воздушным охлаждением;
  • уровень шума ниже, чем у чиллеров с воздушным охлаждением;
  • широкий диапазон производительности — могут применяться как на очень малых, так и на очень больших объектах для комфортного или технологического охлаждения;
  • срок службы выше по сравнению с чиллерами с воздушными конденсаторами;
  • имеются портативные решения для помещений с ограниченным пространством.

Недостатки:

  • высокие первоначальные затраты из-за дополнительных элементов контура конденсатора (градирни, резервуары, трубопроводы и водяной насос);
  • высокие затраты на техническое обслуживание контура конденсатора и высокий расход воды при работе с испарительными градирнями;
  • поскольку этим чиллерам для охлаждения конденсатора требуется постоянная подача воды из внешнего источника, они могут не подходить для регионов с ограниченными запасами пресной воды;
  • системы с водяным охлаждением требуют периодической химической обработки воды конденсатора для предотвращения образования минеральных отложений в системе;
  • для системы холодоснабжения требуется большая площадь для размещения оборудования;
  • риск размножения патогенных бактерий, например, широко известной легионеллы (Legionella).