CC BY
43
УДК 697.94
Бройда В.А. - кандидат технических наук, доцент
E-mail: broida@mail.ru
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1
Целесообразность системы кондиционирования воздуха с аккумулированием холода
Аннотация
Выполнена оценка целесообразности аккумулирования холода в системах кондиционирования воздуха. В рамках исследованных моделей (с простым баком-аккумулятором, использующим явную теплоту, и с активным аккумулятором, использующим теплоту фазовых преобразований, а также с вариантами режимных и ценовых параметров) установлено, что с учетом стоимости присоединения к сетям электроснабжения аккумулирование холода может привести к значительному снижению затрат денежных средств. Наибольший экономический эффект достигается при доле использования аккумулированного холода —0,4, тогда снижение приведенных затрат, учитывающих уменьшение инвестиций и годовых эксплуатационных затрат может достигать 40^45 %.
Ключевые слова: аккумулирование холода, потребление, ночной тариф, чиллер, стоимость.
Введение
Потребление холода системами кондиционирования воздуха (СКВ) в течение суток характеризуется существенной неравномерностью. В СКВ с промежуточным теплоносителем подобная неравномерность создает предпосылки для аккумулирования холода в периоды, когда потребление низкое или отсутствует и использования аккумулированного холода в периоды максимального потребления. Такая мера позволяет значительно снизить установочную мощность водоохлаждающей холодильной машины -чиллера, и питающих его силовых коммуникаций, что ведет к снижению инвестиций в СКВ. Существенную часть затрат составляет стоимость подключения к сетям электроснабжения, которая также зависит от установочной мощности оборудования, различается для различных регионов и видов потребителей и может быть кратно больше стоимости чиллера.
Компрессоры чиллера являются основными потребителями электроэнергии, затрачиваемой на выработку холода. Обычно основное потреблений холода приходится на дневное время суток, а аккумулирование можно выполнять в ночное время, когда действует значительно более низкий тариф на электроэнергию, тем самым снижая эксплуатационные затраты. Существуют двойной (ночной, дневной), тройной тариф на электроэнергию (ночной, пиковый, полупиковый) и разрабатываются более сложные тарифы. Для различных регионов и видов потребителей электроэнергии ставки тарифов различаются, но, в настоящее время, например, соотношение ставок дневного и ночного тарифа составляет 1 к 0,4.
Чаще применяются искусственные аккумуляторы холода. Накапливаться может охлажденная вода или незамерзающий раствор, циркулирующий в системе холодоснабжения СКВ, для этого требуются баки-аккумуляторы очень большого объема. Более компактны активные аккумулирующие устройства, использующие теплоту фазового преобразования: аккумуляторы различных конструкций, накапливающие холодную жидкость со льдом; аккумуляторы на основе капсул со специально подобранным материалом, который при изменении температуры затрачивает и выделяет энергию преобразования структуры вещества. Разумеется, единица объема такого аккумулятора холода существенно дороже единицы объема простого бака-аккумулятора. Включение простых объемных баков аккумуляторов, или активных, компактных, но сложных и дорогих фазовых аккумуляторов существенно повышает инвестиции в
систему холодоснабжения. Конструкции баков-аккумуляторов, СКВ с аккумуляцией холода, некоторые оценки их эффективности рассматриваются в работах, [1 - 8 и др.].
Целью данной работы является технико-экономическая оценка целесообразности аккумулирования холода для систем СКВ.
Основная часть
Пусть холодильная нагрузка системы СКВ в расчетные сутки Qx, кВт, описывается функцией:
Qx=f(z), (1)
где г - время, ч.
Потребление холода происходит в период времени суток от z1 до z2, а расход холода в расчетные сутки QХС, кВт-ч, определяется формулой:
2
Qxc = | Qx <к. (2)
Время действия ночного тарифа на электроэнергию начинается в и
заканчивается в z2Н, его продолжительность составляет АzН=z2Н-z1Н.
Без применения аккумулирования холода установочная мощность охлаждения чиллера равна максимальной потребности в холоде в расчетные сутки QЧ=QХшКС.
При использовании аккумулирования холода установочная мощность чиллера меньше, она зависит от планируемой продолжительности работы чиллера в течение суток, Аz, ч.
Qч=Qxc/Аz. (3)
Величина аккумулированного холода Qлкк, кВт-ч, равна:
QАКК = Qч•Аzлкк. (4)
Продолжительность периода аккумулирования холода Аглкк в общем случае может быть больше, меньше или равна продолжительности действия ночного тарифа Аzн.
Потребление электроэнергии на выработку холода в расчетные сутки составляет: Эл=QчАzн/EERн+ ^х^чАгн)/ЕЕЯд, (5)
где EERН, EERд - соответственно, коэффициенты преобразования энергии, характерные для ночного и дневного температурного режима работы чиллера.
Стоимость затраченной электроэнергии для расчетных суток, СтЭЛ, руб./сут., определяется выражением:
Стэл=Cн•Qч•Аzн/EERн+Cд•(Qxc-Qч•Аzн)/EERд, (6)
где сн, сД - соответственно, цена электроэнергии по ночному и дневному тарифу, руб ./(кВт-ч).
Стоимость электроэнергии - это главная составляющая эксплуатационных затрат. Необходимо оценить инвестиции в основное оборудование источника холода для СКВ -это чиллер и бак-аккумулятор.
Можно считать, что стоимость чиллера, Стч, руб., пропорциональна его установочной мощности охлаждения. Кроме того, приблизительно пропорциональны мощности чиллера другие дополнительные затраты, в первую очередь стоимость подключения к электрическим сетям. Все дополнительные затраты учитываются с помощью коэффициента дополнительных затрат т, тогда:
Стч=сч^ч(1+т), (7)
здесь сч - цена 1 кВт охлаждающей мощности чиллера, руб ./кВт.
Рассматриваются два вариант бака-аккумулятора: простой и активный, в котором используется теплота фазового преобразования (таяния-замерзания льда или изменения структуры материала). В первом случае необходимый объем бака-аккумулятора, V], м3, определяется формулой:
V1=3600•Qлкк/(Аtж•Cж), (8)
где сЖ, А Ж - соответственно, теплоемкость рабочей жидкости (вода или незамерзающая жидкость) и разность температур рабочей жидкости, при которой происходит аккумуляция холода, кДж/(кг-0С) и 0С.
Стоимость такого бака-аккумулятора, СтБ-л, руб.:
СтБ-л =Сб-А1 • V], (9)
где сБ-л1 - цена 1 м3 простого бака-аккумулятора, руб./м3.
Во втором случае необходимый объем бака-аккумулятора, V2, м3, определяется выражением:
V2=QАкк/q, (10)
где q - удельная аккумулирующая способность активного бака-аккумулятора, (кВт-ч)/м .
Стоимость активного бака-аккумулятора, руб.:
СтБ-А=СБ-А2^2, (11)
где сБ-А2 - цена 1 м3 активного бака-аккумулятора, руб./м3.
Инвестиции в основное оборудование источника холода с баком-аккумулятором, Ин, руб, составляют:
Ин=СтЧ+СтБ-А. (12)
Основные годовые эксплуатационные затраты связаны с расходом средств на электроэнергию СтЭЛ. Если принять, что период эксплуатации СКВ в течение года длится т суток, среднее потребление холода за этот период составляет долю 3 от потребления холода в расчетные сутки, можно рассчитать приведенные затраты источника холода, Пр, руб./год:
Пр=СmЭЛ•т•3+kПР•Ин, (13)
здесь - коэффициент приведения, коэффициент отнесения инвестиций к годовому периоду эксплуатации, 1/год.
Следует отметить, что в условиях плановой экономики ^Р был величиной нормируемой, его значения для систем обеспечения климата было равно ^Р=0,12 1/год. В условиях рыночной экономики под периодом, к которому следует относить инвестиции, по-видимому, следует понимать срок окупаемости Т. В работе [9] показано, что для мероприятий по энергосбережению в системах отопления вентиляции и кондиционирования при норме дисконта г=0,1 с учетом накопления поступающего дохода оправданный срок окупаемости составляет Т=8^8,5 лет. Тогда kПР=1/T~0,12 1/год.
При выполнении вычислений изменение холодильной нагрузки в течение расчетных суток моделировалось гармонической функцией:
бх=б+АСо8(2п/24(2-2м)), (14)
где Q, А - параметры, характеризующие изменение холодильной нагрузки, кВт; 2м - время максимальной нагрузки, ч.
Потребляемый за сутки холод Qxc, вычисляется следующим образом:
2Г 24 2ж 2ж
бхс = | бх= б • (*2 - 2,) + А • — (&«(—(- 2М)) - ЯИ(—(^ - 2М))). (15)
21
При выполнении расчетов были заданы значения б=60 кВт, А=40 кВт, тогда 6хмакс=6+А=100 кВт.
Принимались следующие значения временных параметров: 2м=15 ч, 2;=8 ч, 22=22 ч, 21Н=23 ч, 22Н=7 ч, А2н=8 ч.
Ценовые характеристики:
- чиллера сЧ=23000 руб./(кВт-ч);
- простого бака-аккумулятора сБ-А1=30+60 тыс. руб./м3, активного аккумулятора
сБ-А2=80^120 тыс. руб./м3;
- электроэнергии по дневному тарифу сд=5 руб./(кВт-ч), - по ночному тарифу сН=2 руб./(кВт-ч).
Характеристики эффективности выработки холода зависят от типа чиллера, хладагента, температурного режима.
Перепад температур холодной воды в системе холодоснабжения обычно составляет 5^6 0С. Для заправки простого бака-аккумулятора можно принять перепад температур воды на 2^3 градуса больше, при этом можно приближенно считать, что коэффициент преобразования энергии ЕЕЯ практически не изменится. С одной стороны понижение температуры холодной воды на 1 0С ведет к снижению ЕЕЯ на 1,3^1,5 %, с другой стороны выработка холода в ночное время происходит при более низкой температуре окружающего воздуха, что у чиллера с воздушным охлаждением конденсатора повышает ЕЕЯ. Летний перепад дневной и ночной температур наружного воздуха для средней полосы России достигает 8^10 0С [10]. Учитывая все сказанное, можно принять в расчет значение ^Ж=8 0С. Расчеты выполнены при величине ЕЕЯд=ЕЕЯН=3,5.
Для активного бака-аккумулятора с накоплением льда температура холодной жидкости при заправке значительно ниже - порядка -5..-10 0С. При этих условиях заметно снижается мощность охлаждения чиллера и его ЕЕЯ. Поэтому для такого случая мощность охлаждения чиллера принимается с повышающим коэффициентом 1,4, а для расчета режима аккумуляции используется значение ЕЕЯ с понижающим коэффициентом 0,85, ЕЕЯАКК=3,0, а для остального периода работы чиллера ЕЕЯ=3,5. По данным работ [1, 2] удельная аккумулирующая способность активного бака-аккумулятора достигает д=70 (кВт-ч)/м3.
В расчете принята продолжительность периода потребления холода т=100 суток в год, а средняя доля потребления холода за этот период ¿=0,4 от потребления холода в расчетные сутки.
Результаты расчетов представлены в виде графических зависимостей относительных приведенных затрат Пр =Пр/Пр0 от величины замещения Зам, доли аккумулированного холода по отношению к всему его суточному потреблению,
Зам=2Акк/2хс.
Величина Пр0 - приведенные затраты при тех же ценовых и режимных условиях, но без аккумуляции холода, руб./год.
0-6(1 о-зи' ■¿.-ЛП'' ■1-.М
/ // ■ '' /V /
- - __ - / Л" / / ■■ / /
л' .' /
0 '!>.2 Г'>г: и.Я
Рис.1. Зависимость относительных приведенных затрат Пр от величины замещения Зам для системы с простым баком-аккумулятором. Обозначение линий: первое число - параметр т, второе число - цена сБ-А1, тыс. руб. за 1 м3
\ 1-31'
V /
о (¡.г си их
Рис. 2. Зависимость относительных приведенных затрат Пр от величины замещения Зам для системы с активным баком-аккумулятором.
Обозначение линий: первое число - параметр т, второе число - цена сБ-А2, тыс. руб. за 1 м3 (линии с параметрами 2-120 и 4-120 практически сливаются с показанными линиями 2-80 и 4-80)
Из результатов расчета следует, что наиболее существенным фактором, влияющим на целесообразность применения аккумулирования холода, является суммарная стоимость чиллера и подключения к сетям электроснабжения.
Для системы с простым баком-аккумулятором без учета стоимости подключения (т=0) при относительно невысокой цене сБ-А1=30 тыс. руб. за 1 м3 объема бака, снижение приведенных затрат составляет менее 10 %. При цене бака сБ-А1=60 тыс. руб. за 1 м3 приведенные затраты только возрастают при использовании аккумулирования холода. При учете стоимости подключения к электросетям (т=2 или т=4) уменьшение приведенных затрат значительно и максимальный эффект достигается при величине замещения Зам~0,4, что соответствует минимальной установочной мощности чиллера при его 24-часовой работе в расчетные сутки.
По сути, результаты для системы с активным баком-аккумулятором аналогичны. Без учета стоимости подключения (m=0) снижение относительных приведенных затрат при использовании условно недорогого бака-аккумулятора сБ-А2=80 тыс. руб. за 1 м3 составляет около 10 % относительно Пр =1, а при использовании бака с ценой сБ-А2=120 тыс. руб. за 1 м3 снижение приведенных затрат незначительно. С учетом затрат на подключение к электросетям относительные приведенные затраты снижаются приблизительно на 40^45 % при величине Зам~0,4.
Использование ночного тарифа ограничено по времени. Увеличение доли холода, выработанного при действии ночного тарифа более Зам~0,4, приводит к возрастанию мощности чиллера, объема бака-аккумулятора и не компенсирует удорожание системы.
Заключение
В результате исследования выполнена численная оценка целесообразности использования аккумулирования холода в системах СКВ. В рамках исследованной модели (вариантов бака-аккумулятора, режимных и ценовых параметров) установлено, что с учетом стоимости присоединения к сетям электроснабжения использование баков-аккумуляторов может привести к значительному снижению затрат денежных средств. Наибольший экономический эффект достигается при доле использования аккумулированного холода —0,4 тогда снижение приведенных затрат, учитывающих уменьшение инвестиций и годовых эксплуатационных затрат (стоимость электроэнергии, затрачиваемой на выработку холода) может достигать 40^45 %.
Список библиографических ссылок
1. Наумов А.Л., Селиверстов Ю.М., Ефремов В.В., Протасов Г.В. Системы кондиционирования воздуха с аккумулятором холода //АВОК, 2012, № 3. - С. 52-56.
2. Селиверстов Ю.М., Ефремов В.В. Экономика систем кондиционирования воздуха с аккумулятором холода // АВОК, 2013, № 1. - С. 30-33.
3. Бондарь Е.С., Калугин П.В. Энергосберегающие системы кондиционирования воздуха с аккумуляцией холода // СОК, 2006, № 3. - С. 44-48.
4. Сотников А.Г. Связь принципиальных решений центральных СХС с холодильной нагрузкой СКВ зданий // ИС, 2012, № 1. - С. 38-41.
5. Abduljalil A. Al-Abidin, Sohif Bin Mat, Sopian K., Sulaiman M.Y., Lim C.H., Abdulrahman Th. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, № 16. - P. 5802-5819.
6. De Falco M., Dose G., Zaccagnini A. Pcm-cold storage system: an innovative technology for air conditioning energy saving. Chemical Engineering Transactions, 2015, vol. 43. -P.1981-1986.
7. Аккумуляторы холода «ООО Эйркул». http://aircool.ru/ (дата обращения: 22.03.2016).
8. Табунщиков Ю.А., Шилкин Н.В. Оценка экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия // АВОК, 2005, № 7. - С.10-16.
9. СП. 131.13330.2012. Строительная климатология. Актуализированная версия СНиП 23-01 -99*/Минрегион России. - М.: ФАУ «ФЦС», 2012. - 108 с.
Broyda V.A. - candidate of technical sciences, associate professor E-mail: broida@mail.ru
Kazan State University of Architecture and Engineering
The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya st., 1
The expediency of the air conditioning system with cold accumulation Resume
Consumption of cold air-conditioning systems is unequally throughout the day. This makes it possible to accumulate cold during small consumption and to use it during the
maximum consumption. This measure significantly reduces installed power of the chiller and its power of communication, which leads to a significant reduction in investment.
It needs a simple (collecting sensible heat) or active (using the heat of phase transformations) storage tank for cold accumulation, which requires additional investment.
Accumulation of cold can be done at night, with a more economical power rate, thus reducing operating costs.
This article focuses on the technical and economic evaluation of the cold accumulation for air-conditioning systems. Within of these models (simple and active storage tanks, operating and cost parameters) it is found that, usage of accumulation can lead to a significant reduction in money resources taking into account the cost of connection to the grid power.
The greatest economic effect is achieved when the share of the cold accumulation is about 0,4 of the daily cold's requirement. The decrease of resulted expenses, taking into account the reduction of investment and annual operating costs are up to 40^45 %.
Keywords: accumulation of cold, consumption, night tariff, chiller, cost.
Reference list
1. Naumov A.L., Seliverstov Y.M., Efremov V.V., Protasov G.V. Air conditioning systems with cold accumulators // AVOK, 2012, № 3. - P. 52-56.
2. Seliverstov Y.M., Efremov V.V. Economics of air conditioning systems with cold accumulators // AVOK, 2013, № 1. - P. 30-33.
3. Bondar E.S., Kalugin P.V. Energy-saving air-conditioning system with cold accumulation // SOK, 2006, № 3. - P. 44-48.
4. Sotnikov A.G. Communication principal decisions of central CS with refrigeration load ACS buildings // IC, 2012, № 1. - P. 38-41.
5. Abduljalil A. Al-Abidin, Sohif Bin Mat, Sopian K., Sulaiman M.Y., Lim C.H., Abdulrahman Th. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, № 16. - P. 5802-5819.
6. De Falco M., Dose G., Zaccagnini A. Pcm-cold storage system: an innovative technology for air conditioning energy saving. Chemical Engineering Transactions, 2015, vol. 43. -P.1981-1986.
7. Cold accumulators «LLC Aircool». http://aircool.ru/ (reference date: 22.03.2016).
8. Tabunschikov Y.A., Shilkin N.V. Estimation of economic efficiency of investments in energy saving measures // AVOK, 2005, № 7. - P. 10-16.
9. SP.131.13330.2012. Building's Climatology. The updated version of SNIP 23-01-99*/Ministry of Regional Development of Russia. - M.: FAA «DSF», 2012. - 108 p.
