Фрикулинг: что это, принцип работы, виды

Содержание:

Современные промышленные и коммерческие объекты требуют круглогодичного охлаждения технологического оборудования, серверных, производственных помещений и офисных зданий. В условиях роста тарифов на электроэнергию и ужесточения экологических требований технология фрикулинга становится ключевым решением для оптимизации энергопотребления систем кондиционирования.

Фрикулинг позволяет использовать низкую температуру наружного воздуха для снижения нагрузки на компрессорное оборудование чиллеров, что существенно снижает нагрузку на компрессоры и энергопотребление системы в переходные периоды (реальный эффект зависит от климатических условий, температурного графика и гидравлической схемы). Особую актуальность технология приобретает для энергоемких объектов с постоянными тепловыделениями: центров обработки данных, промышленных предприятий, торговых центров.

Что такое фрикулинг и когда он используется?

Фрикулинг (free cooling) — технология энергосбережения в системах холодоснабжения, основанная на использовании холодного наружного воздуха или воды для охлаждения теплоносителя без включения компрессорного оборудования либо с его частичной нагрузкой.

Определение фрикулинга

Фрикулинг представляет собой режим работы холодильного оборудования, при котором охлаждение теплоносителя осуществляется за счет естественного температурного потенциала наружной среды. В отличие от традиционного цикла охлаждения, где компрессор сжимает хладагент для отвода тепла, система фрикулинга использует разность температур между охлаждаемой средой и наружным воздухом.

Технология реализуется через дополнительные теплообменные контуры и систему автоматического управления, которые определяют оптимальный режим работы оборудования в зависимости от внешних условий.

Условия применения

Эффективность фрикулинга напрямую зависит от климатических условий региона эксплуатации. Оптимальные условия для применения технологии:

Температурные параметры:

Переход к режиму free-cooling возможен, когда температура наружного воздуха ниже температуры обратной воды как минимум на 3–5 °C (температурный напор). Полное свободное охлаждение достигается, когда температура наружного воздуха становится ниже требуемой температуры подающей воды на величину минимального температурного перепада, определяемого схемой теплообмена.

Характеристики объекта:

• Круглогодичная потребность в охлаждении

• Высокие тепловые нагрузки (свыше 100 кВт)

• Работа системы кондиционирования более 4000 часов в год

• Температура подачи охлажденной воды +7°C...+12°C

Экономические условия:

• Экономическая целесообразность выше при более высоких тарифах на электроэнергию и длительной годовой наработке системы

• Срок эксплуатации оборудования не менее 10 лет

• Возможность интеграции с существующими системами

Сферы использования

Центры обработки данных (ЦОД) Серверное оборудование генерирует постоянные тепловые нагрузки плотностью до 20 кВт/м². Фрикулинг позволяет заметно снизить долю электропотребления на охлаждение и приблизить PUE к целевым значениям для энергоэффективных ЦОД (конкретный показатель зависит от архитектуры, погодных данных и заданного температурно-влажностного диапазона).

Промышленные предприятия Производственные процессы химической, фармацевтической, пищевой промышленности требуют поддержания стабильной температуры технологических сред. Чиллеры с фрикулингом производительностью 500-2000 кВт обеспечивают надежное охлаждение при минимальных эксплуатационных затратах.

Торговые и офисные комплексы Крупные коммерческие объекты площадью свыше 10 000 м² с внутренними тепловыделениями от освещения, людей, оборудования используют системы фрикулинга для снижения пиковых нагрузок на электросеть и оптимизации затрат на кондиционирование.

Принцип работы фрикулинга

Система фрикулинга интегрируется в контур чиллера через дополнительный теплообменник и байпасную схему, которые обеспечивают автоматическое переключение между режимами работы в зависимости от температуры наружного воздуха и требуемых параметров охлаждения.

Использование наружного воздуха

Холодный наружный воздух поступает через систему вентиляторов к внешнему теплообменнику (dry cooler), где происходит теплообмен между циркулирующей в контуре жидкостью и атмосферным воздухом. При достаточном температурном потенциале наружного воздуха система обеспечивает требуемую температуру воды без работы компрессоров; в промежуточных условиях реализуется предварительное охлаждение с частичной компрессорной догонкой.

В режиме частичного фрикулинга (температура наружного воздуха +5°C...+15°C) наружный теплообменник предварительно охлаждает теплоноситель, снижая нагрузку на компрессор на 40-70%. Компрессор включается только для доохлаждения жидкости до заданной температуры.

Роль теплообменников и автоматики

Компоненты системы фрикулинга:

• Драйкулер — наружный теплообменник с вентиляторами переменной производительности

• Трехходовые клапаны — обеспечивают переключение потоков между контурами охлаждения

• Система управления — контроллер с датчиками температуры и алгоритмами оптимизации

• Промежуточный теплообменник — разделяет контуры чиллера и фрикулинга

Автоматика непрерывно анализирует температуру наружного воздуха, нагрузку на систему и требуемую температуру теплоносителя. При достижении оптимальных условий контроллер переводит систему в режим фрикулинга, регулируя производительность вентиляторов драйкулера и положение трехходовых клапанов.

Сравнение с традиционным охлаждением

Энергетические показатели:

В режиме полного фрикулинга энергопотребление снижается до работы только насосов и вентиляторов, что составляет 5-10% от номинальной мощности чиллера. Коэффициент преобразования (COP) увеличивается в 10-20 раз по сравнению с компрессорным охлаждением.

Виды фрикулинга

Классификация систем фрикулинга основана на способе использования наружного воздуха и конструктивном исполнении теплообменного оборудования. Выбор типа системы зависит от климатических условий, требований к качеству воздуха и характеристик объекта.

Чиллер с фрикулингом

Интегрированные чиллеры с функцией фрикулинга объединяют компрессорный контур охлаждения и систему свободного охлаждения в едином агрегате. Например, воздухоохлаждаемые безмасляные чиллеры TICA серий AD и AE производительностью 280-1830 кВт оснащены технологией Smardt's Free-Cooling.

Конструктивные особенности:

• Встроенный промежуточный теплообменник между контурами

• Байпасная схема с автоматическими клапанами

• Система управления с алгоритмами переключения режимов

• Дополнительные защитные устройства для работы при низких температурах

Чиллеры TICA с фрикулингом обеспечивают энергоэффективность на 40% выше требований стандарта ASHRAE 90.1-2016. При температуре наружного воздуха ниже 0°C система автоматически переходит в режим полного фрикулинга, отключая компрессоры и поддерживая циркуляцию только насосами мощностью 15-25 кВт.

Прямой фрикулинг

Прямой фрикулинг предполагает подачу холодного наружного воздуха непосредственно в охлаждаемое помещение через систему приточной вентиляции. Метод применяется в производственных цехах, складских помещениях, где допустимо поступление неподготовленного воздуха.

Области применения:

• Производственные помещения с технологическими процессами

• Склады и логистические центры

• Помещения с низкими требованиями к чистоте воздуха

Ограничения:

• Невозможность точного регулирования температуры и влажности

• Поступление загрязнений с наружным воздухом

• Необходимость дополнительной фильтрации

Косвенный фрикулинг

Косвенный фрикулинг исключает контакт наружного и внутреннего воздуха, используя промежуточный теплообменник для передачи холода. Система обеспечивает поддержание параметров микроклимата при использовании низкой температуры наружной среды.

Схема работы:

1. Холодный наружный воздух охлаждает теплоноситель в наружном теплообменнике

2. Охлажденный теплоноситель поступает во внутренние фанкойлы или ККБ

3. Внутренний воздух охлаждается без контакта с наружной средой

Косвенный фрикулинг применяется в офисных зданиях, медицинских учреждениях, объектах с требованиями к чистоте воздуха. Система позволяет поддерживать температуру внутреннего воздуха с точностью ±1°C.

Фрикулинг в системах вентиляции

Приточно-вытяжные установки с рекуперацией тепла интегрируют функцию фрикулинга через байпасный канал, который позволяет подавать холодный наружный воздух в помещение, минуя теплообменник рекуператора.

Алгоритм работы:

• При температуре наружного воздуха ниже требуемой температуры в помещении система открывает байпасный канал

• Холодный воздух поступает в помещение через основные воздуховоды

• Вытяжной воздух удаляется без теплообмена с приточным потоком

Вентиляционные установки с фрикулингом производительностью 5000-50000 м³/ч снижают энергопотребление на кондиционирование на 25-40% в переходные периоды года.

Преимущества фрикулинга

Экономические и технические преимущества систем фрикулинга обеспечивают быструю окупаемость дополнительных капитальных затрат и повышают энергоэффективность объектов с круглогодичным охлаждением.

Снижение энергопотребления и затрат

Экономия электроэнергии по месяцам года:

• Декабрь-февраль: 60-80% (полный фрикулинг 90% времени)

• Март, ноябрь: 40-60% (смешанный режим)

• Апрель, октябрь: 20-40% (частичный фрикулинг)

• Май, сентябрь: 10-25% (кратковременные периоды)

Для типичного офисного здания площадью 20 000 м² с установленной мощностью чиллеров 500 кВт годовая экономия электроэнергии составляет 300-500 МВт·ч.

Центры обработки данных с непрерывным охлаждением достигают экономии 800-1200 МВт·ч в год на каждый мегаватт установленной мощности чиллерного оборудования.

Увеличение срока службы оборудования

Компрессорное оборудование чиллеров работает в режиме фрикулинга на 40-60% меньше часов в год, что снижает износ механических узлов и увеличивает межсервисные интервалы обслуживания.

Показатели надежности:

• Ресурс работы компрессоров увеличивается на 25-35%

• Периодичность замены масла в винтовых компрессорах возрастает с 8000 до 12000 часов

• Количество пусков компрессоров снижается на 30-50%

Безмасляные центробежные компрессоры на магнитных подшипниках, используемые в чиллерах TICA серии AD/AE, обеспечивают срок службы 25 лет при эксплуатации с системой фрикулинга против 20 лет в стандартном режиме.

Экологичность и снижение выбросов

Снижение энергопотребления систем кондиционирования прямо влияет на сокращение выбросов CO₂ при производстве электроэнергии. Для объектов с установленной мощностью чиллеров 1 МВт система фрикулинга обеспечивает предотвращение выброса 200-400 тонн CO₂ в год.

Использование экологически чистых хладагентов R1234ze, R513A, R515B с низким потенциалом глобального потепления в чиллерах TICA с фрикулингом дополнительно снижает воздействие на озоновый слой в 2-3 раза по сравнению с традиционными системами на R134a.

Расчет окупаемости фрикулинга

Экономическая эффективность системы фрикулинга определяется соотношением дополнительных капитальных затрат на оборудование и годовой экономии эксплуатационных расходов. Точный расчет требует учета климатических условий региона, характеристик объекта и тарифной политики энергоснабжающих организаций.

Факторы, влияющие на окупаемость

Климатические параметры:

• Продолжительность отопительного периода (количество дней с температурой ниже +8°C)

• Средняя температура наружного воздуха в переходные периоды

• Суточные и сезонные колебания температуры

Для Московского региона количество часов с возможностью полного фрикулинга составляет 2800-3200 часов в год, частичного фрикулинга — дополнительно 1500-2000 часов.

Характеристики системы охлаждения:

• Установленная мощность чиллерного оборудования

• Годовое количество часов работы системы

• Коэффициент загрузки оборудования

• Требуемая температура подачи охлажденной воды

Экономические условия:

• Тариф на электроэнергию с учетом мощностной составляющей

• Прогнозируемый рост тарифов на 5-10 лет

• Ставка дисконтирования для расчета NPV проекта

Этапы расчета

1. Сбор исходных данных:

• Часовые графики тепловых нагрузок объекта за год

• Метеорологические данные региона (температура, влажность)

• Характеристики существующего или планируемого чиллерного оборудования

• Тарифы на электроэнергию и их структура

2. Моделирование работы системы:

• Определение режимов работы (полный/частичный фрикулинг/компрессорное охлаждение) для каждого часа года

• Расчет энергопотребления в различных режимах

• Учет дополнительного потребления вентиляторов драйкулера и насосов

3. Экономический анализ:

• Расчет капитальных затрат на дооборудование системы фрикулинга

• Определение годовой экономии эксплуатационных расходов

• Расчет срока окупаемости и чистой приведенной стоимости (NPV)

Пример расчета эффективности фрикулинга

Рассмотрим практический пример внедрения системы фрикулинга для офисного центра в Москве с круглогодичной потребностью в охлаждении серверных помещений и общих зон.

Исходные данные:

• Площадь объекта: 15 000 м²

• Установленная мощность чиллеров: 600 кВт

• Годовое время работы системы: 6500 часов

• Средний коэффициент загрузки: 65%

• Тариф на электроэнергию: 5,2 руб./кВт·ч

• Дополнительные инвестиции в систему фрикулинга: 4,8 млн рублей

Режимы работы в году:

• Полный фрикулинг (t < +2°C): 1200 часов

• Частичный фрикулинг (+2°C...+12°C): 2800 часов

• Компрессорное охлаждение (t > +12°C): 2500 часов

Экономия электроэнергии

Потребление электроэнергии без фрикулинга: 600 кВт × 0,65 × 6500 ч = 2 535 МВт·ч/год

Потребление с системой фрикулинга:

• Полный фрикулинг: 600 × 0,65 × 0,08 × 1200 = 37,4 МВт·ч

• Частичный фрикулинг: 600 × 0,65 × 0,45 × 2800 = 491,4 МВт·ч

• Компрессорное охлаждение: 600 × 0,65 × 1,0 × 2500 = 975,0 МВт·ч

• Итого: 1 503,8 МВт·ч/год

Годовая экономия электроэнергии: 2 535 - 1 503,8 = 1 031,2 МВт·ч (40,7%)

Снижение эксплуатационных расходов

Экономия затрат на электроэнергию: 1 031,2 МВт·ч × 5,2 руб./кВт·ч = 5,36 млн рублей/год

Снижение затрат на техническое обслуживание:

• Уменьшение наработки компрессоров на 40%

• Снижение затрат на сервис: 180 тыс. рублей/год

• Увеличение межсервисных интервалов: 95 тыс. рублей/год

Общая годовая экономия: 5,64 млн рублей

Срок окупаемости: 4,8 млн руб. ÷ 5,64 млн руб./год = 0,85 года (10,2 месяца)

NPV проекта за 15 лет (при ставке дисконтирования 10%): 38,1 млн рублей

Технология фрикулинга представляет эффективное решение для снижения энергопотребления систем охлаждения промышленных и коммерческих объектов. Интеграция систем свободного охлаждения в чиллерное оборудование обеспечивает экономию электроэнергии 30-50% при сроке окупаемости 1-3 года в зависимости от климатических условий и характеристик объекта.

Особую актуальность фрикулинг приобретает для энергоемких объектов с круглогодичным охлаждением: центров обработки данных, промышленных предприятий, торговых центров. Использование современных чиллеров TICA с интегрированной системой фрикулинга, таких как безмасляные центробежные агрегаты серии AD/AE, позволяет достичь максимальных показателей энергоэффективности при соблюдении экологических требований.