Читать начало статьи в журнале СОК №01/2022
Читать продолжение статьи в журнале СОК №02/2022
Небоскрёб Бурдж-Халифа (Burj Khalifa)
11. Ограничения на длину трубопроводов и перепад высот
Существует множество уникальных зданий, которые требуют, в свою очередь, уникальных решений для систем холодоснабжения. Например, сверхвысотный небоскрёб Бурдж-Халифа (Burj Khalifa) в Дубае (ОАЭ). Высота этого здания — 828 м, и кондиционирование такого сооружения представляет интересную инженерную задачу.
Перепад высот в 800 м — это очень много, как для фреоновых систем кондиционирования, так и для водяных. Давление водяного столба достигает 80 бар, что превышает возможности не только трубопроводов, но и элементов систем. Рабочее давление водяных систем обычно составляет до 10 бар, в высоконапорных системах — до 16 бар. Для нормального функционирования система холодоснабжения здание Бурдж-Халифа была разделена на отдельные гидравлические циркуляционные кольца, разделённые противоточными теплообменниками — с их помощью этих теплообменников удалось избежать огромного давления в нижней части здания.
Это инженерное решение показывает, что существуют задачи, которые сегодня можно решить только с помощью систем «чиллер-фанкойл». VRF-системы обладают максимальным перепадом высот 110 м и кондиционировать более высокое здание не могут в принципе (при размещении наружных блоков на крыше здания).
Однако, справедливости ради, необходимо привести пример другого высотного здания — элитного отеля Ritz-Carlton в столице Индонезии Джакарте (фото 1), которое состоит из 48 надземных и четырёх подземных этажей. Высота его 212 м. Несмотря на то, что высота здания в два раза превышает возможный перепад высот для систем VRF, оно оснащено именно ими. Какое же инженерное решение было там применено? Дело в том, что наружные блоки VRF-систем были размещены не на крыше здания, а на специальных балконах на каждом этаже.
Фото 1. Здание отеля Ritz-Carlton в Джакарте
Это решение идеально подходит для высотных зданий, поскольку:
- позволяет кондиционировать любое количество этажей, так как одна система замкнута только на один этаж;
- расстояние между источником холода и приёмником холода минимально, следовательно, нет затрат на перемещение холодоносителя на дальние расстояния — энергоэффективность максимальна;
- нет потерь полезной площади здания на вертикальные коммуникации.
Итак, мы возвращаемся к сравнению наших конкурирующих вариантов и смотрим на табл. 1.
Для чиллерных систем ограничений нет никаких. Мы можем сколь угодно далеко или высоко разнести фанкойлы и чиллеры. Нам будет нужно подобрать нужные насосы и диаметры трубопроводов, при необходимости поставить разделительные теплообменники при большой высоте, но принципиально всё возможно.
Для систем VRF ограничения существуют. По сравнению с системами 2004 года, VRF 2022-го сделали большой шаг вперёд, увеличив возможный перепад высот с 50 до 110 м, а возможную длину главного трубопровода — с 100 до 200 м. Но, тем не менее, эти ограничения существуют, и не все здания могут быть охвачены системами VRF. Теоретически VRF-системы могут кондиционировать любое здание до 30 этажей высотой при расположении наружных блоков на крыше здания (рис. 1). При установке наружных блоков на поэтажных балконах, как в отеле Ritz-Carlton в Джакарте, количество этажей здания может быть любым.
Рис. 1. Ограничения максимальной длины трубопроводов и перепада высот между внутренними и наружным блоками
Вывод 11. Для VRF-систем имеются ограничения на длину трубопроводов и перепад высот между внутренними и наружным блоками. Для систем «чиллер-фанкойлы» таких ограничений нет.
12. Максимальный расход электроэнергии (установочная мощность)
Много ли потребляют системы кондиционирования электроэнергии? Грамотный человек ответит, что это можно сказать только по сравнению с чем-то. Как вы думаете, сколько электроэнергии потребляют системы кондиционирования воздуха по сравнению с другими инженерными системами здания: освещением, насосами систем водоснабжения и отопления, компьютерами, серверными, источниками бесперебойного питания и т. д.?
Так вот — системы кондиционирования воздуха потребляют электроэнергии больше, чем все остальные потребители современного здания, вместе взятые. То есть вопрос энергоэффективности систем кондиционирования воздуха стоит достаточно остро.
Кроме того, энергоэффективное оборудование не только потребляет меньше энергии, но и производит меньше шума, так как подводимая энергия тратится именно по назначению.
Для начала рассмотрим и сравним максимальные величины энергопотребления оборудования или их установочную мощность.
Будем исходить из того, что мы сравниваем наши системы в одинаковых условиях и при одинаковой производительности. Допустим, это 100 кВт по холоду, которые поступают к внутренним блокам. Но тут есть интересный нюанс. Дело в том, что чиллерные системы подают холодную воду с помощью насосов к фанкойлам, и, естественно, по пути происходят потери холода на теплопроводность. Мы уже рассматривали этот вопрос в первой статье этого цикла в разделе «Фактическая производительность наружных блоков VRF и чиллеров» [1]. И выяснили, что чиллерные системы теряют примерно 3% своей производительности через теплоизоляцию трубопроводов и 4% — на нагрев за счёт турбулентных потерь в насосах. Итого, чтобы чиллеру доставить 100 кВт холода к фанкойлам, необходимо иметь производительность на 7% бóльшую, то есть 107 кВт.
Несколько иная картина с доставкой холода в системах VRF. Дело в том, что в случае VRF транспортирование холода осуществляется с помощью жидкого хладагента, имеющего температуру около 25–30°C. Во внутренних блоках находится электронный регулирующий вентиль, на котором происходит падение давления хладагента до его необходимой температуры кипения — от 0 до +10°C в зависимости от требуемой производительности внутреннего блока и режима энергоэффективности системы в целом.
Таким образом, температура подающего жидкостного трубопровода равна либо чуть выше температуры окружающей среды, и потерь драгоценного холода через стенки подающего трубопровода не происходит.
Энергопотребление чиллерных систем складывается из энергопотребления: самого чиллера, циркуляционных насосов водно-гликолевой смеси (без этого чиллер замёрзнет зимой), циркуляционных насосов внутреннего контура с водой (по нормам безопасности запрещается подавать водно-гликолевые смеси в фанкойлы, установленные в помещениях жилых, общественных и административно-бытовых зданий) и непосредственно фанкойлов (табл. 2). Сравнивания параметры, приведённые в табл. 2, можно отметить нижеследующее.
Энергопотребление источников холода
Энергопотребление обычных чиллеров с ON-OFF компрессорами максимально. Хотя на максимальной производительности разница с инверторными компрессорами часто невелика, поскольку падение энергопотребления инверторов более заметно при частичной загрузке.
Современные VRF-системы также потребляют меньше энергии, чем устаревшие модели 2004 года. Это объясняется использованием в современных моделях только DC-инверторных компрессоров и оптимизацией холодильного контура.
Энергопотребление внутренних блоков
В общем балансе энергопотребления внутренние блоки и фанкойлы занимают совсем небольшую долю, примерно 1–3%. Фанкойлы потребляют немного больше электроэнергии, чем внутренние блоки VRF, так как их производительность по воздуху больше при одинаковой производительности по холоду.
Энергопотребление насосов
Первая ступень чиллерных систем работает на гликолевых растворах. Раствор гликоля обладает большей вязкостью и меньшей теплоёмкостью, поэтому требует большего расхода и напора насоса.
С другой стороны, циркуляционный контур между чиллером и теплообменником «гликоль-вода» более короткий, чем между этим же теплообменником и фанкойлами. В целом энергопотребление насосов на гликолевом контуре выше, чем на водяном.
Итого пиковое энергопотребление современных VRF-систем значительно меньше энергопотребления современных чиллеров на 20–35%. Это часто бывает важно даже не с точки зрения стоимости затраченной электроэнергии, а для выделения располагаемой мощности на объект. Часто чиллерные системы просто не проходят по требованию располагаемой мощности объекта кондиционирования.
Вывод 12. За счёт отсутствия циркуляционных насосов и потерь холода по длине трубопроводов максимальный расход электрической энергии (установочная мощность) для VRF-систем в полтора раза меньше, чем для систем «чиллер-фанкойлы» при одинаковой полезной холодопроизводительности.
13. Сезонная энергоэффективность систем кондиционирования воздуха
Выше мы определили максимальную величину энергопотребления конкурирующих вариантов систем кондиционирования, которая влияет прежде всего на выделенную мощность. Но общий расход электроэнергии за сезон, который влияет на текущую стоимость затрат, мы пока не знаем и определим его в этой части. Что же влияет на энергоэффективность систем кондиционирования воздуха?
В первую очередь — температура наружного воздуха и степень загрузки системы. Чем ниже температура наружного воздуха, тем ниже давление конденсации, и тем меньше энергии тратит компрессор на сжатие хладагента. Степень загрузки системы влияет главным образом на системы кондиционирования с инверторным приводом компрессора, поскольку именно инверторный компрессор позволяет при снижении загрузки в два раза снизить энергопотребление в четыре раза. Ещё влияют, конечно, особенности конкретной техники, размеры конденсатора, производительность вентиляторов и т. д.
Для полной оценки и приближенной к реальному энергопотреблению кондиционера были разработаны сезонные коэффициенты энергоэффективности SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) и SCOP (Seasonal Coefficient of Performance).
Расчёт обобщённых показателей производится с четырёхступенчатым осреднением по стандартной формуле [7]:
Index = W1EER (A1 [%], B1 [°C]) + W2EER (A2 [%], B2 [°C]) + W3EER (A3 [%], B3 [°C]) + W4EER (A4 [%], B4 [°C]),
где W1 — относительная длительность периода с загрузкой А [%] при температуре наружного воздуха или соответствующей температуре охлаждающей воды В [°C]. При этом сумма W1 + W2 + W3 + W4 всегда равна 1,0.
Европейский сезонный показатель энергоэффективности (ESEER)
Европейский сезонный показатель энергетической эффективности ESEER (European Season Energy Efficiency Ratio) определяется в соответствии с директивами Евросоюза согласно спецификации ЕЕССАС (Energy Efficiency and Certification of Central Air Conditioners — «Оценка энергетической эффективности и сертификация кондиционеров воздуха»).
В Европе следует использовать именно ESEER, который рассчитывается по следующей формуле:
ESEER = 0,03EER (100%, 35°C) + 0,33EER (75%, 30°C) + 0,41EER (50%, 25°C) + 0,23EER (25%, 20°C).
Параметры для расчёта ESEER приводятся в табл. 3. Показатели SEER, конечно, ближе к реальности, чем показатели номинального энергопотребления. Но, с другой стороны, даже в европейской части России есть такие города, как Мурманск и Сочи. И понятно, что для них сезонная оценка энергоэффективности будет принципиально отличаться.
Поэтому мы построим график условной эффективности при снижении наружной температуры от +35 до +15°C и загрузки системы от 100 до 50% производительности (рис. 2).
Рис. 2. Изменение холодильного коэффициента различных систем кондиционирования при снижении наружной температуры и степени загрузки
Теперь о том, какие выводы можно сделать из рис. 2.
Вывод 13.
1. Все системы увеличивают свой холодильный коэффициент при снижении нагрузки и понижении наружной температуры. На самом деле это не очевидный вывод для чиллерных систем с ON-OFF компрессорами, так как при снижении производительности чиллера остаётся постоянным расход энергии на привод насосов, а также потери холода на теплопроводность. Но снижение энергопотребления компрессора за счёт пониженной наружной температуры компенсирует эти потери.
2. На всём диапазоне загрузки и наружной температуры VRF-системы обладают значительно бóльшим холодильным коэффициентом и, следовательно, меньшим энергопотреблением. Объяснить этот факт можно отсутствием насосов в холодильном контуре VRF, отсутствием теплообменников «фреон-вода» и «вода-гликоль» и, как следствие, дополнительных потерь. Инверторные компрессоры VRF также резко снижают потребление энергии при частоте 60–40 Гц.
3. Бóльшую часть времени системы охлаждения работают при загрузке 60–80%. В этом диапазоне системы с переменным расходом хладагента (VRF) потребляют в два раза меньше электроэнергии, чем системы «чиллер-фанкойлы». Следовательно, за сезон энергопотребление систем VRF будет примерно в два раза меньше, чем чиллерных систем.
4. Инверторные чиллеры потребляют меньше электроэнергии, чем чиллеры с ON-OFF компрессорами, но всё равно их энергопотребление значительно больше систем VRF. Причина этого — в сохранении конструктивных недостатков чиллерных систем, а именно непосредственно гидравлического контура. В результате в любом случае остаются потери на циркуляцию холодоносителя и потери холода через стенки трубопроводов.
14. Энергоэффективность систем VRF и чиллеров с водяным охлаждением конденсатора
Кроме систем с воздушным охлаждением конденсатора, существуют системы с водяным охлаждением конденсатора, как у VRF (рис. 3), так и у чиллеров. И у этих систем есть интересная цифра в каталоге — коэффициент энергоэффективности. Он значительно выше, чем коэффициент воздушных систем, поэтому многие специалисты упрекают меня в предвзятости и требуют рассчитывать энергоэффективность чиллерных систем именно с водяным охлаждением. Давайте сейчас это и сделаем.
Рис. 3. Схема функционирования систем VRF с водяным охлаждением конденсатора
Для начала стоит отметить, что с точки зрения второго закона термодинамики все процессы, которые протекают не напрямую, а с промежуточными теплообменными процессами, будут всегда приводить к повышению энтропии системы, а следовательно, они всегда более энергозатратны. Поскольку в водяных системах присутствует дополнительный водяной контур со стороны конденсатора, такие системы не могут потреблять меньше энергии, чем системы с прямым охлаждением. А теперь мы докажем это утверждение цифрами.
Так откуда же появился миф о малом энергопотреблении систем с водяным охлаждением конденсатора? От лукавства поставщиков оборудования и невнимательности заказчиков. Если мы посмотрим на характеристики систем в обычных каталогах, то увидим следующие цифры (табл. 4).
Иными словами, при сравнении величины EER из таблицы каталога у заказчиков складывается впечатление, что если EER у водяных систем выше, то и энергоэффективность водяных систем «естественно, тоже выше». Однако «дьявол всегда прячется в деталях» и «всё самое важное пишется самым мелким шрифтом». И что же написано под каждой таблицей в каталогах для водяных систем? А вот что: «Производительность указана при номинальных параметрах: температура охлаждённой воды — 7–12°C, температура охлаждающей воды на входе в конденсатор — 30°C».
Постойте, но ведь для систем VRF номинальная наружная температура равна +35°C? Теперь давайте зададим главный вопрос: «Какую минимальную температуру охлаждающей воды мы можем получить в сухом охладителе (драйкулере) при наружной температуре 35°C?» При бесконечно большом теплообменнике получим те же 35°C, но это практически нереально. А при реальных размерах теплообменника мы получим воду с температурой на 5–10°C выше, чем охлаждающий её воздух. То есть реальная температура воды на входе в конденсатор чиллера будет не 30°C, а в лучшем случае 40°C, а реальнее — 45°C. И как же изменятся характеристики энергопотребления при этих условиях?
Давайте посмотрим на табл. 5. Мы видим, что, во-первых, производительность водяных систем резко упала: блоки выдают уже меньше холода при других параметрах охлаждающей воды. А энергопотребление, наоборот, возросло. Коэффициент энергетической эффективности EER источников холода опустился до 3,8 и 3,6, что значительно ниже EER = 4,0 для систем VRF воздушного охлаждения того же производителя. Если же посчитать суммарные затраты электроэнергии, то итоговый EER всей системы в реальных условиях составит 3,94 для VRF с воздушным охлаждением конденсатора, 2,67 для VRF с водяным охлаждением конденсатора и 2,51 — для чиллера с водяным охлаждением конденсатора.
Вывод 14. Энергоэффективность систем VRF с водяным охлаждением конденсатора и чиллерных систем с водяным охлаждением конденсатора в 1,5–2 раза ниже, чем систем VRF с воздушным охлаждением конденсатора.
Продолжение следует.
