Энергосберегающий потенциал системы центрального кондиционирования, использующей источники холода/тепла, соответствующие уровню нагрузки

По материалам доклада профессора Ли Сянь Тяня (отделение строительных наук и технологий Института архитектуры Университета Цинхуа, Пекин, КНР)

Системы вентиляции и кондиционирования воздуха, а также холодильное оборудование по-прежнему, несмотря на все усилия ученых, инженеров и конструкторов, остаются одними из самых энергозатратных элементов в инфраструктуре любого общественного, коммерческого или промышленного объекта.

На первый взгляд, в это трудно поверить. Однако, согласно результатам проведенного в 2021 году в Китае исследования эффективности оборудования для кондиционирования воздуха, примерно 50% электроэнергии, которая расходуется стандартным офисным зданием, потребляют именно системы вентиляции, центрального кондиционирования и холодоснабжения. Если же принять в расчет все жилые, административные, производственные, коммерческие объекты в крупнейших городах КНР, то удельный вес HVAC/R-оборудования в структуре энергопотребления превысит 15%. По этому показателю оно занимает второе место после технологического оборудования, используемого для производства продукции.

Повышенное потребление электроэнергии приводит к увеличению углеродного следа, иными словами, выбросов парниковых газов при добыче, производстве и потреблении различных видов топлива, товаров, строительстве, оказании транспортных услуг и т.п. В свою очередь, увеличение объема выбросов самым негативным образом влияет на климат: планета уже стоит на пороге превышения долгосрочного предела, установленного в 2015 году Парижским соглашением по климату. Несмотря на то что подписавшие соглашение страны обязались ограничить глобальное потепление до 1,5 °С по сравнению с доиндустриальным периодом, датируемым 1850—1900 годами (тогда впервые начали проводиться высококачественные измерения температуры поверхности суши и океана), уже в феврале 2023 — январе 2024 года они превысили установленный показатель.

Чтобы избежать дальнейшего негативного воздействия на окружающую среду, необходимо разработать комплексные меры, направленные на повышение энергоэффективности каждого сегмента экономики. Разумеется, это касается и климатической техники, без которой сегодня невозможно представить ни одно производство, торговый объект, медицинское учреждение, учебное заведение или спортивную арену. Поэтому перед учеными всего мира стоит задача устранить недостатки традиционных систем вентиляции, центрального кондиционирования и холодоснабжения и разработать инновационное HVAC/R-оборудование, которое будет обеспечивать максимальную эффективность охлаждения или нагрева при минимальном уровне выбросов парниковых газов.

Недостатки традиционной системы центрального кондиционирования

Как известно, традиционные системы вентиляции и центрального кондиционирования воздуха проектируются исходя из расчетных значений нагрузки в теплое (лето) и холодное (зима) время года. С одной стороны, такой подход имеет свои преимущества. Например, он дает возможность стандартизировать конструкцию и рабочие параметры систем, которые будут эксплуатироваться в примерно одинаковых условиях. С другой — остается нерешенной проблема, как достигнуть максимально возможной эффективности при эксплуатации системы кондиционирования в режиме частичной нагрузки в межсезонье — весной и осенью.

В различных проектных решениях для получения холодной или горячей воды, как правило, используется соответственно чиллер либо тепловой насос (электрокотел или иное водогрейное оборудование). Вода доводится до стандартной температуры (например, до 7 °С в режиме охлаждения и до 60 °С в режиме нагрева), после чего нагнетается в водяной теплообменник воздухообрабатывающей установки. Та, в свою очередь, обрабатывает свежий или рециркулирующий воздух, обеспечивая стабильный микроклимат в обслуживаемых помещениях на протяжении всего календарного года. 

Упрощенная схема работы системы вентиляции

Как известно из второго начала термодинамики, для перехода тепла от холодного тела к более горячему необходимо затратить определенное количество энергии. Чем выше разность температур холодного и горячего тел, тем больше энергии потребуется. В результате, как показали многочисленные испытания, фактическая эффективность водоохлаждаемого винтового чиллера составляет не более 0,309—0,50 от максимально возможной при идеальных условиях эксплуатации, геотермального теплового насоса — 0,30—0,50, теплового насоса типа «воздух — вода» — 0,25—0,33. Чтобы несколько повысить термодинамическую эффективность перечисленных устройств, необходимо увеличить температуру кипения хладагента и уменьшить давление конденсации. Правда, и в этом случае эффективность останется в пределах вышеуказанных значений, по крайней мере при использовании современных фреонов (R32, R410A, R134a, R290, R404 и др.).

Для доведения хладо- или теплоносителя до требуемой температуры чиллеры и тепловые насосы (электрокотлы и др.) расходуют значительное количество электроэнергии. Из-за использования низкотемпературных источников холода или высокотемпературных источников тепла для обработки воздуха эффективность многих реальных систем кондиционирования остается довольно низкой: коэффициент EER обычно не превышает 4,0. Если же учитывать энергопотребление вентиляторов воздухообрабатывающих установок, то общая эффективность системы становится очень низкой. Зачастую она может быть даже ниже, чем у бытовых кондиционеров.

Традиционная система вентиляции и центрального кондиционирования и ее эффективность

Еще одним существенным недостатком является то, что воздухообрабатывающие установки, входящие в состав традиционных систем вентиляции и кондиционирования воздуха, укомплектованы множеством компонентов, незадействованных в тот или иной период. Например, в теплое время года водяные нагреватели и увлажнители отключают, тогда как в холодное время года простаивают водяные охладители. Пластинчатые или роторные теплоутилизаторы наиболее эффективны зимой, тем не менее они эксплуатируются круглый год. Все перечисленные агрегаты характеризуются высоким аэродинамическим сопротивлением, из-за чего нагрузка на вентилятор и, следовательно, его энергопотребление возрастают. Кроме того, из-за снижения энтальпийного перепада между свежим и вытяжным воздухом понижается эффективность рекуперации тепла и, следовательно, холодопроизводительность вентиляционной установки.

Сложившаяся ситуация объясняется тем, что существующие сегодня теории не отвечают на вопрос: какую температуру хладо- или теплоносителя нужно брать для расчета нагрузки на систему кондиционирования воздуха?

Уровень нагрузки на нетрадиционную систему кондиционирования с многоуровневой обработкой воздуха

Из-за использования хладо- или теплоносителя определенной температуры (7/12 °С либо 60/50 °С) для обработки воздуха коэффициент теплопередачи в разных частях теплообменника вентиляционной установки крайне неравномерен, а разность температур воздуха и воды на его противоположных концах очень велика. В результате эффективность теплопередачи остается довольно низкой.

Температура воды и воздуха на разных участках теплообменника воздухообрабатывающей установки

Чтобы снизить разность температур воздуха и воды на противоположных концах теплообменника до разумного диапазона, при эксплуатации традиционной системы центрального кондиционирования в теплое (лето) и холодное (зима) время года используют хладоноситель более высокой температуры и теплоноситель более низкой температуры. Это позволяет эффективнее обработать тепловую нагрузку и снизить энергопотребление системы в целом. Тем не менее ее фактическая энергоэффективность все еще не выйдет за пределы 0,50 от максимального EER/COP, полученного в идеальных условиях эксплуатации.

Процесс обработки воздуха идеальной системой центрального кондиционирования подразумевает под собой полное соответствие видов и количества устройств, требующихся в тот или иной момент времени для доведения свежего или рециркулирующего воздуха до заданной пользователем температуры, влажности и степени очистки. Такая система должна быть максимально гибкой и своевременно автоматически модифицироваться в зависимости от нагрузки.

Идеальный процесс обработки воздуха

Чтобы повысить фактическую энергоэффективность реальной вентиляционной установки и обеспечить максимально возможное соответствие тепловой нагрузке, следует укомплектовать ее несколькими близкостоящими теплообменниками, что позволит снизить разность температур воздуха и хладо/теплоносителя на их противоположных концах до разумного диапазона. Количество одновременно эксплуатируемых теплообменников (этапов термической обработки воздуха) следует определять, руководствуясь наиболее рациональной разностью температур, рассчитанной с помощью нижеприведенной диаграммы:

где Δtstage — это средняя разность температур воздуха на противоположных концах каждого теплообменника. Чем меньше Δtstage, тем больше теплообменников требуется для обработки воздуха и тем эффективнее будет обрабатываться нагрузка; Δttrans — это разность температур воздуха и воды на каждом этапе обработки. Чем меньше Δttrans, тем ниже качество подаваемой воды.

Определение оптимальной разности температур воздуха и воды на противоположных концах теплообменников вентиляционной установки

Как показали исследования, проведенные учеными отделения строительных наук и технологий Института архитектуры Университета Цинхуа (Пекин), уже на протяжении нескольких десятков лет являющегося университетом номер 1 в Национальном рейтинге вузов КНР, рациональные диапазоны Δt_stage и Δt_trans составляют:

·         в теплое время года: Δt_stage = 2~5 °С, Δt_trans = 4~8 °С;

·         в холодное время года: Δt_stage = 2~7 °С, Δt_trans = 5~12 °С.

Приведение фактических температурных разниц к минимальным значениям Δt_stage и Δt_trans позволяет оптимизировать общий уровень энергопотребления чиллера (теплового насоса), вентилятора и водяного насоса.

Если удалить из системы неиспользуемые компоненты, это позволит существенно снизить аэродинамическое сопротивление и снизить нагрузку на вентилятор и его двигатель, а следовательно, уменьшить потребляемую им мощность и общее энергопотребление. Для обхода неиспользуемых устройств воздушным потоком рекомендуется оснастить воздухообрабатывающую установку одним или несколькими обводными вентиляционными клапанами.

Использование обводных вентиляционных клапанов для обхода неиспользуемых теплообменников и снижения энергопотребления вентилятора вентустановки

Чтобы снизить потери производительности при обработке воздуха, следует: минимизировать расстояние между теплообменниками и уменьшить разность температур на их входах и выходах, добавлять или удалять теплообменники в зависимости от текущих рабочих условий на каждом этапе, использовать обводные вентиляционные клапаны для обхода неиспользуемых теплообменников, более эффективно расходовать электроэнергию и ресурсы окружающей среды, своевременно модернизировать оборудование.

Потери, приводящие к снижению энергоэффективности традиционной системы кондиционирования, и способы их устранения

Использование поэтапной обработки свежего воздуха позволило повысить общую энергоэффективность системы кондиционирования с 2,98 до 8,47, рециркулирующего воздуха — с 2,41 до 7,42. Испытания проводились в Пекине.

Сравнение трехуровневой и последовательной систем центрального кондиционирования с большим (0—30 °С) и умеренным (15—30 °С) перепадом температур

Повысить энергоэффективность системы центрального кондиционирования и сократить затраты на ее монтаж можно и за счет оптимизации конструкции гидравлического контура. В настоящее время используются, как правило, многоуровневые системы кондиционирования, в которых каждый источник холодной/горячей воды подключается к водяному охладителю/нагревателю всех вентиляционных установок, входящих в гидравлический контур.

Большой перепад температур воздуха на входе и выходе теплообменника (0—30 °С). На рисунке приведена схема трехуровневой системы центрального кондиционирования с тремя комплектами водяных насосов и водопроводных труб, подсоединенных к теплообменнику каждой установки. На одном уровне осуществляется обработка свежего воздуха, на остальных — рециркуляционного.

Трехуровневая система обработки воздуха

При использовании последовательной системы обработки воздуха три источника холода/тепла подключаются последовательно к одной водопроводной магистрали, которая, в свою очередь, подводит хладо- или теплоноситель ко всем вентиляционным установкам в гидравлическом контуре. В результате уменьшается количество труб, водяных насосов, сокращаются затраты на их закупку и монтаж, снижается вероятность повреждения и утечки, на одном уровне обрабатываются как свежий, так и рециркуляционный воздух.

Последовательная система обработки воздуха

Как показали испытания, температура горячей воды на первом и втором уровнях параллельной системы, ниже чем последовательной, поэтому мощность теплового насоса меньше, а выходная и потребляемая мощность водяного насоса больше. В целом же производительность последовательной системы обработки воздуха при большой разности температур теплоносителя на 4,7% выше, чем параллельной.

Умеренный перепад температур воздуха на входе и выходе теплообменника (15—30 °С). В случае монтажа N-уровневой (N-температурной) и последовательной систем обработки воздуха упрощенная схема будет выглядеть следующим образом (в качестве примера взята трехуровневая система):

Упрощенные схемы трехуровневой и последовательной систем обработки воздуха (умеренная разность температур)

Производительность тепловых насосов (чиллеров) в данном случае будет одинаковой, равно как и вентиляционных установок, а вот выходная мощность водяных насосов будет существенно отличаться. Это объясняется большим гидравлическим сопротивлением, которое придется преодолевать трем водяным насосам, что повлечет за собой рост их энергопотребления. Формула расчета потерь давления воды в каждом трубопроводе многоуровневой системы выглядит следующим образом:

Δp = Δp_{конденсатор} + Δp_{теплообменник} + Δp_прочее

Совокупные потери давления воды во всех трубопроводах составят:

N ✕ Δp = N ✕ ΔP_{конденсатор} + N ✕ Δp_{теплообменник} + N ✕ Δp_прочее

Формула расчета потерь давления воды в многоуровневой последовательной системе выглядит следующим образом:

Δp = N ✕ ΔP_{конденсатор} + N ✕ Δp_{теплообменник} + Δp_прочее

То есть разница в гидравлическом сопротивлении при сравнении обеих систем составит:

(N – 1) ✕ Δp_прочее

В приведенном примере с перепадом температур воздуха 15—30 °С выходная и потребляемая мощность водяного насоса, входящего в состав последовательной системы обработки воздуха, будет примерно на 25% ниже. В результате общая потребляемая мощность всей последовательной системы кондиционирования будет на 0,3% ниже, чем трехуровневой.

Согласно результатам многочисленных исследований, по мере уменьшения или увеличения перепада температур разница между многоуровневой и последовательной системами обработки воздуха сначала сокращается, а затем снова увеличивается. При небольшом перепаде температур воздуха (0—15 °С) аэродинамическое и гидравлическое сопротивление в последовательной системе больше, чем в многоуровневой, что влечет за собой увеличение потребляемой мощности. При умеренном перепаде температур воздуха (15—30 °С) гидравлический контур последовательной системы становится более энергоэффективным за счет уменьшения количества водяных насосов, в результате потребляемая ей мощность снижается по сравнению с многоуровневой. При значительном перепаде температур воздуха (0—30 °С) в последовательной системе выходная мощность компрессоров тепловых насосов (чиллеров) существенно возрастает, а вместе с ней увеличивается производительность и всей системы. Несмотря на рост потребляемой мощности, КПД последовательной системы превышает аналогичный показатель многоуровневой.

Эффективность трехуровневой и последовательной систем обработки воздуха в холодное и теплое время года

Таким образом, вентиляционная система с последовательной обработкой воздуха с большим перепадом температур на входе и выходе теплообменника — это наилучшее решение для центрального кондиционирования, близкое к идеальному.

Выводы

В традиционной системе центрального кондиционирования используется один холодильный контур, по которому циркулирует хладо- или теплоноситель, что приводит к снижению энергоэффективности.

Применение поэтапной обработки воздуха позволяет значительно понизить температуру хладо- или теплоносителя, а следовательно, потребляемую мощность охлаждающих либо нагревающих его источников холода/тепла. Кроме того, благодаря обходу неиспользуемых теплообменников с помощью обводных вентиляционных клапанов существенно уменьшается энергопотребление вентиляторов. Все это позволило повысить общую энергоэффективность тестовой системы обработки свежего воздуха с 2,98 до 8,47, возвратного воздуха — с 2,41 до 7,42 (испытания проводились в климатических условиях Пекина).

Система центрального кондиционирования, оснащенная несколькими последовательно подключенными чиллерами (тепловыми насосами) и работающая с большим перепадом температур воздуха на входе и выходе теплообменника вентиляционной установки, позволяет в некоторой степени реализовать поэтапную обработку нагрузки (ступенчатое снижение/повышение температуры воздуха). При этом благодаря уменьшению количества вентиляторов снижается их энергопотребление, система значительно упрощается, а следовательно, сокращаются затраты на ее монтаж и эксплуатацию.

Повышение энергоэффективности климатической техники должно стать приоритетным направлением развития HVAC-индустрии. Чтобы добиться этого, следует ужесточить национальные стандарты как в сфере энергопотребления, так и в области охраны окружающей среды. Кроме того, необходимо предусмотреть различные меры стимулирования инновационных производств (например, налоговые льготы), закрепленные на законодательном уровне. Все это подтолкнет производителей систем вентиляции, кондиционирования и холодоснабжения вкладывать средства в сектор исследований и разработок и искать новые пути совершенствования своей продукции.

Ярким примером эффективной реализации такого подхода является компания TICA, первой из китайских производителей отказавшаяся от хлорсодержащих фреонов (R22 и др.) и перешедшая к использованию хладагентов R410A и R134a. В 2008 году она получила статус высокотехнологичного центра национального уровня и стала своего рода инкубатором для выращивания новых брендов. С тех пор на ее производственных площадках и в испытательном центре в Нанкине (КНР), а также в научно-исследовательском институте в Осаке (Япония) проводятся исследования в сфере ОВиК, ученые апробируют свои проекты и защищают диссертации на соискание степени доктора естественных наук.

Мощная опора на фундаментальную науку постепенно принесла плоды. Сегодня, как и на протяжении последних 12 лет, вентиляционные установки и фанкойлы TICA считаются лучшими в Китае по данным Министерства промышленности и информатизации КНР. Также компания входит в топ-2 по объемам выпуска и продаж водоохлаждаемых винтовых чиллеров, в топ-4 — мультизональных VRF-систем. После приобретения канадской компании SMARDT группа TICA Group стала мировым лидером по объемам производства и продаж безмасляных чиллеров с компрессорами на магнитных подшипниках, характеризующихся самой высокой энергоэффективностью среди всех существующих сегодня видов климатической техники.

Но и это еще не все! Для того чтобы снизить углеродный след и помочь компаниям как можно раньше добиться углеродной нейтральности, TICA Group силами своих дочерних инжиниринговых предприятий Exergy и Sebigas (Италия) разрабатывает стационарные и модульные ORC-установки, преобразующие тепловую энергию недр земли, солнца, биомассы, уходящих газов в электрическую.

Чтобы пройти путь от регионального дилера климатической техники западного бренда до одного из ведущих игроков мирового рынка HVAC-оборудования, компании TICA понадобилось 30 лет. Сегодня глобальная сеть группы TICA Group насчитывает свыше 100 филиалов и сервисных центров, работающих в 87 государствах. В России и странах СНГ ее интересы представляет ООО «ТИКА ПРО». Всего за четыре года работы в регионе компания открыла 5 филиалов, создала широкую сеть дилеров и авторизованных сервисных центров и реализовала уже более сотни проектов.

Пример TICA Group наглядно демонстрирует, что начинать следует с насущных направлений, которые легче всего претворить в жизнь, и затем шаг за шагом совершенствовать их, чтобы в конце концов добиться прорыва. Даже если для этого понадобится не один десяток лет.

Хотите приобрести энергоэффективную приточно-вытяжную установку?