CC BY
30
УДК 697.9
В.А. Бройда - кандидат технических наук, доцент
Казанский государственный архитектурно-строительный университет (КазГАСУ)
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЧИЛЛЕРА С ЕСТЕСТВЕННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ПРИ РЕГУЛИРОВАНИИ РАСХОДА ХОЛОДНОЙ ВОДЫ
АННОТАЦИЯ
Рассчитываются годовые затраты электроэнергии на работу чиллера с естественным охлаждением и регулированием расхода холодной воды. Учитываются поступления теплоты в помещения, климатические условия, режим работы. Определяются длительности периодов потребления холода, эффективность естественного охлаждения с регулированием расхода, рациональные инвестиции в оборудование.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Чиллер, естественное охлаждение, регулирование расхода, эффективность.
V.A. Broyda - candidate of technical science, associate professor Kazan State University of Architecture and Engineering (KSUAE)
CHILLER’S EFFICIENCY WITH FREE-COOLING UNDER COLD WATER FLOW REGULATION
ABSTRACT
The annual power consumption for chiller operation with free-cooling and cold water flow regulation is calculated. Heat input, climatic conditions and operation modes are taken into consideration. The length of cold consumption periods, free-cooling efficiency with flow regulation, and rational investments into equipment are determined.
KEYWORDS: Chiller, free-cooling, regulation of flow, efficiency.
Введение
Чиллеры - водоохлаждающие холодильные машины, используемые в системах кондиционирования воздуха, являются наиболее дорогими агрегатами инженерного оборудования здания и крупными потребителями электрической энергии. Естественное охлаждение (Free Cooling - FC) применяется в чиллерах для экономии затрат электроэнергии. Сущность FC заключается в том, что при температуре наружного воздуха ниже, чем температура обратной (отепленной) воды, отключается холодильная машина и циркулирующая вода охлаждается в дополнительном теплообменнике наружным воздухом. Такой чиллер дороже, для его круглогодичной работы применяется не вода, а антифриз - обычно 30 + 40 % раствор этиленгликоля.
При фиксированных температуре и расходе жидкости температурные условия применения FC ограничены, невелика выгода от его использования. Для расширения этих условий можно соответственно снижению нагрузки чиллера рационально уменьшать расход жидкости. Тогда повышается её температура в обратной линии, расширяются температурные границы применения, возрастает эффективность FC. При таком регулировании снижаются затраты энергии на работу циркуляционного насоса.
Целью данного исследования является энергетическая и экономическая оценка
эффективности использования чиллеров с естественным охлаждением в годовом цикле при использовании регулирования расхода холодной воды.
Основная часть
Для достижения цели исследования следует: применить соответствующую климатическую модель; применить адекватное описание изменения нагрузки чиллера; выразить потребление электроэнергии основными устройствами чиллера; связать экономию электроэнергии с обоснованными инвестициями в FC.
Приближенной климатической моделью может служить описание годового изменения среднесуточной температуры наружного воздуха
t = tr + A • Cos (z), (1)
где tr, A - соответственно, среднегодовое значение и амплитуда отклонения температуры, величины которых могут устанавливаться по данным [1], 0С; z -
безразмерная переменная времени z = Z • 2p /365;
Z - время, отсчитываемое от годового максимума температуры, сут.
В описании нагрузки чиллера следует указать: постоянные поступления теплоты технологические, от освещения и др.; затраты холода на охлаждение вентиляционного воздуха; трансмиссионные теплопритоки (или теплопотери) через наружные ограждения. Тогда нагрузка чиллера определяется из уравнения теплового баланса
^ = Q -L ■ c ■ р ■ Од - tп) - 3,6 • q ■ V ■ Ов - t), (2)
где Q - теплопоступления в помещения от
оборудования, людей и других источников, кДж/ч; L -расход вентиляционного воздуха, м3/ч; c, р -соответственно, теплоемкость и плотность воздуха,
c =1,005 кДж/(кг- 0С), р =1,2 кг/м3; tВ , tп -соответственно, температуры внутреннего и приточного воздуха, 0С; q - удельная тепловая
характеристика здания, Вт/(м3-°С); V - объем охлаждаемых помещений, м3.
Температура приточного воздуха совпадает с температурой наружного воздуха до некоторого
значения tПР , которое ограничивается способом воздухораспределения.
Если t > t ПР, то tп = t, если t < 1ПР, то (п = t ПР. Чиллер выбирается по нагрузке, соответствующей
максимальным избыткам теплоты AQMAX, которые наблюдаются при максимальной температуре
наружного воздуха, tMAX = tГ + A . Этому состоянию соответствуют температуры холодной и обратной
жидкости tW10 и tW20. Максимальный расход жидкости GWMAX составляет:
GWMAX MAX /(c
W ■ (tW20 tW 10 )), (3)
где cW - теплоемкость жидкости, для воды
cW =4,19 кДж/(кг-0С), для 30 % раствора
этиленгликоля = 3,5 кДж/(кг-0С).
Можно сформулировать условия рационального изменения расхода жидкости: температура холодной
воды постоянна tW 1 = tW 10 =const; разность
температур воздуха в помещениях и обратной жидкости изменяется пропорционально меняющейся нагрузке чиллера, откуда:
tW2 = tВ - (?В - tW20 ) ^ DQ / ^ФкСАХ. (4)
Тогда переменный расход холодной воды определится выражением:
^ =AQ /(^ ^ (V2 - tW 1)). (5)
Номинальная холодопроизводительность БС - QpCO
обтічно приводится при определенной температуре наружного воздуха їрсо и температуре обратной
жидкости tWрсо . При иных температурных условиях
холодопроизводительность собственно БС (теплообменника БС) можно оценить с помощью выражения:
Qрс = 0-РСО ' (tW 2 — I ')/(tWPCO — ^рсо ). (6)
Возможны три режима работы чиллера с БС:
1 - режим работы холодильной машины при температуре наружного воздуха выше, чем температура обратной жидкости, когда использование БС невозможно. Этот режим реализуется в диапазоне
температуры наружного воздуха от до
некоторой температуры і1
^1 tW 2
(2 3); (7)
2 - смешанный режим, используется и БС, и частично холодильная машина, когда с помощью только БС невозможно устранить имеющиеся избытки теплоты. Он реализуется в диапазоне температур
наружного воздуха от Ї1 до некоторой температуры t 2.
Граничная температура ї2 определяется условием
Орс = АО ; (8)
3 - режим БС, когда компрессоры холодильной машины полностью отключаются. Температурная граница использования режима БС и, вообще, режима охлаждения помещений (если потребность в холоде не
круглогодичная) - ї3 находится из условия
АО = 0. (9)
Экономия достигается во 2-м и 3-м режимах, за счет снижения и прекращения затрат электроэнергии на выработку искусственного холода. Кроме того, в режиме БС сберегается ресурс компрессоров.
Временные границы каждого из этих интервалов
(соответствующие некоторой ] -й температуре) в безразмерном виде определяются формулой:
zJ = ArcCos((tJ -їГ)/А). (10)
Во временном интервале 0 - необходимая мощность холодильной машины чиллера определяется формулой (1) АОс = АО , а мощность БС равна 0.
В интервале г1 - г2 мощность естественного охлаждения Орс будет возрастать, а мощность холодильной машины чиллера АОс - снижаться
АОс =АО - Орс . (11)
В интервале г2 - z3 мощность холодильной
машины чиллера равна 0, вся необходимая мощность охлаждения достигается за счет БС и определяется по
той же формуле (1) AQpC = А© .
Необходимое количество холода (кВт-ч), вырабатываемого чиллером без БС за годовой цикл, определяется формулой:
г3
QГ-C = (365/р) ■ (х2 -х1) ■ (5/7)/3600■jAQdz. (12)
0
Необходимое количество холода (кВт-ч), вырабатываемого холодильной машиной при использовании БС за годовой цикл, определяется формулой:
Qг-рс = (365/р) ■ (х2 - х1) ■ (5/7)/3600■
z,
(13)
где х1 и х2 - время начала и окончания работы
чиллера в течение суток, ч; 5 - число рабочих суток в неделю, сут.
Эффективность выработки холода при использовании БС составляет:
Лх = (©г-с - Qг-pс )/Qг-с (14)
Затраты электроэнергии на работу чиллера
складываются из затрат энергии компрессоров N К ,
вентиляторов NВ , насосов NН .
На выработку 1 кВт холода расходуется, в зависимости от типа компрессоров, хладагента и температурных условий, 0,32 - 0,38 кВт электроэнергии
(К =0,32 - 0,38). Повышение температуры холодной
воды на 1 0С, при прочих равных условиях, приводит к снижению потребления энергии компрессором на
1 -1,5 % (К 2 =0,01 - 0,015).
У чиллера с воздушным конденсатором с понижением температуры воздуха на 10С затрачиваемая мощность компрессоров уменьшается
на 2 - 2,5 % (К3 =0,02 - 0,025). С учетом сказанного,
изменение Nк можно описать приближенной зависимостью:
Nк = К1 А© ■ ((1 - К2 ■ ^ 1 - tw 10)) ■
■(1 - К3^ - 0). (15)
Зависимость (15) применяется в данном расчете в зоне работы компрессоров без БС, при t > tl. В зоне температур t < 11 учитывается только зависимость
NК от А© , остальные параметры сохраняются
такими же, как на границе этой зоны.
Мощность вентиляторов чиллера максимальна
NВMAX = к4 ■ AQMAX при = tMAX . В диапазоне
температур от tMAX до t1 мощность вентиляторов снижается пропорционально уменьшению нагрузки. В диапазоне температур от tl до t2 она максимальна, чтобы полностью использовать возможности БС. При дальнейшем снижении температуры до t3 , величина N снижается
В
NВ = К4 ■^ (tW2 - 12)/(tW 2 - t). (16)
В зависимости от конкретной марки и типоразмера чиллера К4 »0,04 - 0,06.
Мощность циркуляционного насоса при неизменном расходе жидкости постоянна, а при регулируемом расходе она пропорциональна 3-ей степени расхода
NН = К5 ■ AQMAX ■ (GW / GWMAX ) . (17)
Мощность насоса зависит от конструкции
гидравлической системы, величина К5 может
варьироваться в широком диапазоне,
ориентировочно К5 =0,03 - 0,15.
Общая мощность устройств чиллера, потребляющих электроэнергию при использовании БС и при отсутствии БС, определяется формулой:
(18)
с учетом высказанных выше особенностей включения и регулирования этих устройств.
Годовое потребление электроэнергии чиллера без БС составит:
Ег-с = (365/р)■(х2 -х1) ■ (5/7)/3600^ |Ndz (19)
0
Годовое потребление энергии чиллером с БС определяется формулой:
Ег-рс = (365/р) ■ (х2 - х1) ■ (5 /7)/3600-
N = Мк + N В + N Н,
(20)
Эффективность энергопотребления при использовании БС составляет:
(21)
тогда уменьшение затрат электроэнергии выражается формулой:
г
Таблица
Тем- ры: Ш10 / Ш 20 , 0С Кли- мат. усл.: 1 г / А, 0С б, ОсМАХ кВт б г—с , б г—рс кВт-ч в год цХ Е г—с Е г—рс кВт-ч в год цЕ Время, Я \ — 0, Я1-Я 2 , Я 3-Я 2 , сут. АЕ, тыс. кВт-ч в год АЭ, тыс. руб/год АИ, тыс. руб
10/15 10/25 15,0 20,3 60846 44231 0,27 27362 17901 0,35 147,1 18,3 199,7 9,5 14.9 168.9
20,0 25,3 92131 58950 0,36 37951 23800 0,37 150,7 23,0 191,3 14,2 29,7 252,5
5/25 15,0 17,6 49857 34149 0,32 23454 14318 0,39 124,8 21,2 219,0 9,1 19,2 163,1
1) 20,0 22,6 81142 47104 0,42 34155 19791 0,43 128,5 26,3 210,2 14,9 31,2 265,3
0/25 15.0 15.0 39551 25051 0,37 19545 10919 0,44 101,1 25,6 238,3 8,6 18,1 154,0
20,0 20,0 70837 36172 0,49 31399 15890 0,49 104.8 31,4 228.8 15,5 32,6 276,8
10/15 5/25 2) 20,0 22,6 81142 47104 0,42 43157 21372 0,51 128,5 26,3 210,2 20,8 45.7 388.7
7/12 5/25 3) 20,0 22,6 81142 48629 0,40 34262 20064 0,41 136,5 23,4 205,1 14,2 29,8 253,4
АЕ = Ег_с — Ег_рс = Ес • цЕ, (22)
а годовая экономия средств (руб/год), связанная с экономией электроэнергии, равна:
АЭ = СЕ •АЕ, (23)
где СЕ - стоимость электроэнергии, руб/кВт-ч .
При норме дисконта г =0,1, инвестиции в энергосбережение являются перспективными с учетом наращивания получаемых доходов, если срок
окупаемости Т0<8,5 лет [2]. Тогда, целесообразные инвестиции (удорожание чиллера с РС), оправданные годовой экономией денежных средств, определяются выражением:
АИ = Т0 • АЭ < 8,5 • АЭ (24)
Результаты
Разработана компьютерная программа, реализующая расчет по указанным выше зависимостям. В таблице приведены результаты расчетов при следующих значениях исходных величин:
V =1000 м3, Ь =1000 м3/ч (1-кратный воздухообмен), ^ В =25 0С, Ц =0,2 Вт/(м3-°С). Характерные температуры:
IП = 10 0С, 1рсо =5 0С, ШС0 = 15,0 0С; для БС-чиллеров типично бРсо » 0,65 -бсМАХ . Коэффициенты: К =0,35, К 2 =0,015, К 3 =0,02, К 4 =0,05, К5 =0,06.
Режим работы - круглосуточный (х2 — х1 =24 ч),
число рабочих суток в неделю ^ = 5 сут. Стоимость электроэнергии - 2,1 руб/кВт-ч. Остальные исходные данные представлены в таблице.
■ е1
е2
температура наружного воздуха
Рис.
Сравнение результатов расчета с данными чиллера КАРРЛ.У2001/БС [3] при неизменной нагрузке (тестовая кривая): е1 - результаты расчета; е2 - данные [3], совпадение хорошее.
Из расчетов следует, что для применения БС наиболее значимы поступления теплоты и климатические условия. Большим поступлениям теплоты соответствует большая эффективность БС, а более жаркому климату - меньшая эффективность.
Варианты длительности работы, зависящие от числа рабочих часов в сутках и количества рабочих суток в неделю, отдельно не представлены, так как ясно, что большей длительности соответствует больший экономический эффект.
Регулирование расхода холодной воды приводит к повышению эффективности БС за счет экономии энергии на работу и компрессоров, и насоса. Снижение потребления энергии насосом особенно заметно при его повышенной установочной мощности. Условия расчетов, помеченных 1) и 2), отличаются только тем, что во втором случае мощность насоса
выше, К5 =0,12. Понижение температур жидкости
tW 10 / tW20 несколько понижает эффективность FC. Это
видно из сравнения расчетов, помеченных 1) и 3),
отличающихся только величинами tW 10 / tW 20.
Эффективность FC с регулированием расхода холодной воды достаточно высока, значительно выше, чем при поддержании постоянной температуры и расхода воды [4].
Заключение
Регулирование расхода воды значительно повышает эффективность чиллеров с FC, расширяет область применения. Полученные результаты дают общую оценку эффективности их использования. Предложенный способ оценки позволяет определять целесообразность применения такого чиллера в конкретных условиях.
Климатическая модель, модель нагрузки чиллера могут совершенствоваться. Уточнение коэффициентов
K1 K5 или более точное описание соответствующих
зависимостей целесообразно для конкретного типоразмера чиллера, с определенным хладагентом и циркуляционным насосом.
Литература
1. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология / Госстрой России. - М.: ФГУП ЦПП, 2003. - 70 с.
2. Табунщиков Ю.А., Шилкин Н.В. Оценка экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия // «АВОК», 2005, № 7. - С. 10-16.
3. «BLUE BOX» condizianamento // http:// www.bluebox.ru/Kappa V 2001 FC s.pdf. (дата обращения 1.03.2009).
4. Бройда В. А. Оценка эффективности использования чиллеров с режимом свободного охлаждения // Материалы Междунар. научн. конф. «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды». - Волгоград, 2007. - С. 121-126.
