Система чиллер-фанкойл

Система чиллер-фанкойл — централизованная, многозональная система кондиционирования воздуха, в которой теплоносителем между центральной охлаждающей машиной (чиллером) и локальными теплообменниками (узлами охлаждения воздуха, фанкойлами) служит охлаждённая жидкость, циркулирующая под относительно низким давлением, — обыкновенная вода (в тропическом климате) или водный раствор этиленгликоля (в умеренном и холодном климате). Кроме чиллера (чиллеров) и фанкойлов, в состав системы входит трубная разводка между ними, насосная станция (гидромодуль) и подсистема автоматического регулирования. В системах кондиционирования охлаждённый теплоноситель от чиллера, расположенного в центральном техническом помещении, распределяется по теплообменникам (воздухоохладителям) в центральных кондиционерах (фанкойлах) или других типах терминальных устройств. Эти теплообменники передают явное и скрытое тепло от воздуха к охлаждённой воде, тем самым охлаждая и осушая воздушный поток. Затем вода возвращается обратно в чиллер для повторного охлаждения, образуя замкнутый контур.^[1]

Типичный чиллер для систем кондиционирования имеет мощность от 50 кВт (170 тысяч BTU/ч) до 7 МВт (24 миллиона BTU/ч). Температура охлаждённой воды на выходе из чиллера обычно колеблется от +1 до +7 °C (от 34 до 45 °F), в зависимости от требований применения. Чаще всего чиллеры получают воду с температурой +12 °C (температура на входе) и охлаждают её до +7 °C (температура на выходе).

В случаях, когда штатные чиллеры системы кондиционирования неработоспособны, требуют ремонта или замены, могут использоваться аварийные чиллеры. Они обычно смонтированы на прицепе для быстрого развёртывания на объекте. Для подключения арендных чиллеров к системе используются гибкие рукава большого диаметра.^[4]

В промышленных приложениях охлаждённая вода или иная жидкость от чиллера прокачивается через технологическое или лабораторное оборудование. Промышленные чиллеры используются для контролируемого охлаждения продуктов, механизмов и станков в самых разных отраслях: пластмассовая промышленность (инжекционное и выдувное формование), металлообработка (охлаждение смазочно-охлаждающих жидкостей), сварочное оборудование, литьё под давлением, химическая и фармацевтическая обработка, производство продуктов питания и напитков, производство бумаги и цемента, вакуумные системы, рентгеновская дифракция, источники питания, газотурбинные электростанции (для охлаждения воздуха на входе в турбину), производство полупроводников, охлаждение сжатого воздуха и газов. Они также используются для охлаждения специализированного оборудования с высоким тепловыделением, такого как МРТ-аппараты и лазеры в больницах, отелях и университетских городках.

Чиллеры для промышленных применений могут быть:

• Централизованными: один мощный чиллер обслуживает множество потребителей.
• Децентрализованными: каждое применение или машина имеет собственный чиллер.

Каждый подход имеет свои преимущества. Также возможна гибридная схема, сочетающая оба варианта, особенно если требования к охлаждению одинаковы для части применений, но не для всех.^[4]

В некоторых случаях для охлаждения напрямую может использоваться холодная вода из естественных водоёмов (озёр, рек, морей), что заменяет или дополняет градирни. Яркий пример — система глубоководного охлаждения (Deep Water Source Cooling) в Торонто (Канада), которая использует холодную воду из озера Онтарио для охлаждения чиллеров, которые, в свою очередь, охлаждают здания города через систему district cooling. Возвратная вода затем используется для подогрева питьевой воды, что особенно ценно в холодном климате.^[4][1]

Парокомпрессионный чиллер использует один из четырёх основных типов компрессоров: поршневые, спиральные, винтовые и центробежные. Это механические машины, которые могут приводиться в действие электродвигателями, паровыми или газовыми турбинами. Наиболее распространённый привод — электродвигатели в полугерметичном или герметичном исполнении, так как они могут эффективно охлаждаться хладагентом, не требуют подачи топлива, вентиляции выхлопа и не имеют торцевых уплотнений вала, что снижает эксплуатационные расходы и простои. Открытые компрессоры (open drive) также используются, но реже. Охлаждение осуществляется по циклу Ренкина в обратном направлении, известному как парокомпрессионный цикл. При использовании испарительного охлаждения конденсатора их коэффициенты производительности (COP, Coefficient of Performance) очень высоки — обычно 4.0 и более.^[4]

Ключевые компоненты чиллера:

1. Компрессор: Является «сердцем» системы, сжимая парообразный хладагент низкого давления и низкой температуры, повышая его давление и температуру. Мощность компрессора определяет холодопроизводительность чиллера. Подразделяются на поршневые (просты, дёшевы, но менее эффективны и шумны. Подходят для малых и средних мощностей), спиральные (надёжны, тихи, с высоким КПД. Доминируют в секторе малой и средней мощности), винтовые (идеальны для средних и больших мощностей. Высокая эффективность, надёжность, способность работать на частичной нагрузке), центробежные (используются для самых больших мощностей. Высокая эффективность на полной нагрузке, плавное регулирование).
2. Конденсатор — это теплообменник, в котором горячий газообразный хладагент под высоким давлением конденсируется, отдавая тепло вторичной среде (воде или воздуху). Различают конденсаторы воздушного охлаждения (медно-алюминиевые теплообменники, обдуваемые осевыми вентиляторами), водяного охлаждения (кожухотрубные или пластинчатые теплообменники, охлаждаемые водой от градирни), испарительного охлаждения (комбинация воздушного и водяного охлаждения с разбрызгиванием воды).
3. Терморегулирующий вентиль (ТРВ) / устройство дросселирования служащее для создания перепада давления, в результате которого часть жидкого хладагента мгновенно испаряется (флеш-эффект), охлаждая основной поток хладагента до необходимой температуры. Располагается перед испарителем.
4. Испаритель — это теплообменник, в котором жидкий хладагент низкого давления кипит, отнимая тепло от охлаждаемой жидкости (воды). Именно здесь происходит полезное охлаждение. Бывают пластинчатыми (компактные, эффективные) и кожухотрубными (надёжные, ремонтопригодные).

Термодинамический цикл абсорбционного чиллера приводится в действие источником тепла (пар, горячая вода, прямая термальная энергия, продукты сгорания газа). По сравнению с парокомпрессионными чиллерами, абсорбционные имеют очень низкое электропотребление (обычно только для насосов), но требуют значительных затрат тепловой энергии. Их COP значительно ниже: около 0.5-0.7 для одноступенчатых (single-effect) и около 1.0-1.2 для двухступенчатых (double-effect) моделей. Для отвода того же количества тепла им требуется градирня больших размеров.

Однако с точки зрения энергоэффективности абсорбционные чиллеры исключительно выгодны там, где есть доступ к дешёвому или бесплатному низкопотенциальному теплу, например, сбросному теплу от промышленных процессов, когенерационных установок (ТЭЦ) или солнечной энергии. В солнечных регионах солнечные коллекторы успешно используются для работы абсорбционных чиллеров (солнечное кондиционирование).

Наиболее распространённый цикл (водо-бромистолитиевый) использует воду в качестве хладагента и бромистый литий (LiBr) в качестве абсорбента. Цикл работает в условиях глубокого вакуума.

1. Насос раствора: слабый раствор LiBr (концентрация ~60 %) подаётся из абсорбера через теплообменник в генератор.
2. Генератор: в генераторе раствор обогревается паром или горячей водой. Вода (хладагент) испаряется из раствора, а оставшийся крепкий раствор LiBr возвращается в теплообменник и далее в абсорбер.
3. Конденсатор: пар хладагента конденсируется на трубках конденсатора, отдавая тепло охлаждающей воде.
4. Испаритель: конденсат (жидкий хладагент) распыляется в испарителе, где, находясь в условиях вакуума, закипает при низкой температуре (~+4°C), поглощая тепло из контура охлаждаемой воды.
5. Абсорбер: пар хладагента поглощается крепким раствором LiBr, распыляемым в абсорбере. Это поглощение поддерживает вакуум в испарителе. Процесс абсорбции экзотермичен, поэтому тепло также отводится охлаждающей водой. Образовавшийся слабый раствор вновь подаётся насосом в генератор, и цикл повторяется.

Промышленные чиллеры обычно поставляются в виде готовой системы охлаждения, включающую сам чиллер, насосную станцию с рециркуляционным насосом, расширительный бак, средства контроля и защиты. Компрессоры, как правило, винтовые или спиральные. Встроенный или выносной бак-аккумулятор помогает поддерживать стабильную температуру теплоносителя и предотвращает скачки.

Замкнутый контур рециркулирует чистый теплоноситель с постоянными температурой и давлением, что повышает стабильность и воспроизводимость работы технологического оборудования. Если перепад температур на объекте велик, используется большой внешний бак-аккумулятор, который служит «буфером» температуры. Реже встречаются чиллеры открытого типа, которые охлаждают жидкость в открытой ёмкости (ванне), постоянно прокачивая её через себя.^[4] Важным направлением развития является отказ от воздушного охлаждения конденсатора в пользу водяного с использованием градирен. Это позволяет снизить энергопотребление более чем на 15 %, уменьшить размеры чиллера и значительно снизить уровень шума (отсутствуют мощные вентиляторы).

Выбор хладагента является критически важным и зависит от требуемых температурных режимов, давления, токсичности, горючести и, что все более актуально, — экологических факторов. Ключевые параметры — ODP (Ozone Depletion Potential — потенциал разрушения озона) и GWP (Global Warming Potential — потенциал глобального потепления).

Экологический тренд — переход на хладагенты с низким GWP. Это приводит к активному внедрению «природных» хладагентов, таких как:

• R-717 (Аммиак, NH3): Отличные термодинамические свойства, нулевые ODP и GWP. Но токсичен и горюч. Широко используется в крупной промышленности.
• R-744 (Диоксид углерода, CO2): Нулевые ODP и очень низкий GWP. Работает при высоком давлении. Перспективен для каскадных систем и тепловых насосов.
• R-290 (Пропан), R-600a (Изобутан): Отличные термодинамические свойства, нулевые ODP и низкий GWP. Высокая горючесть требует специальных мер безопасности. Используются в малых и средних системах. Синтетические хладагенты, такие как R-134a (GWP=1300) и R-410A (GWP=1725), все ещё широко распространены, но их использование постепенно ограничивается международными соглашениями (Кигалийская поправка к Монреальскому протоколу). На смену им приходят хладагенты с пониженным GWP, например, R-32 (GWP~675) для кондиционирования.

Перевод английского «сhiller» в ГОСТ 22270-76 «Оборудование для кондиционирования воздуха, вентиляции и отопления»^[5] отсутствует. Для термина «fan coil unit» ГОСТ даёт перевод «вентиляторный доводчик» (доводчик, осуществляющий с помощью встроенного вентилятора местную рециркуляцию и подачу в помещение смеси внутреннего воздуха с наружным воздухом, предварительно прошедшим обработку в центральном кондиционере воздуха, а также нагрев и/или охлаждение воздуха).

По сравнению с VRV/VRF системами, в которых между холодильной машиной и локальными узлами циркулирует газовый хладагент, системы чиллер-фанкойл обладают отличиями:

• В два раза большее максимальное расстояние между чиллером и фанкойлами. Длина трасс может достигать сотен метров, так как при высокой теплоёмкости жидкого теплоносителя удельные потери на погонный метр трассы ниже, чем в системах с газовым хладагентом.

• Стоимость разводки. Для связи чиллеров и фанкойлов используются обыкновенные водяные трубы, запорная арматура и т. п. Балансировка водяных труб, то есть выравнивание давления и скорости потока воды между отдельными фанкойлами, существенно проще и дешевле, нежели в газонаполненных системах.

• Безопасность. Потенциально летучие газы (газовый хладагент) сосредоточены в чиллере, устанавливаемом, как правило, на открытом воздухе (на крыше или непосредственно на земле). Аварии трубной разводки внутри здания ограничены риском залива, который может быть уменьшен автоматической запорной арматурой.

Системы чиллер-фанкойл более экономичны по потребляемой электроэнергии, чем крышные системы, но безусловно проигрывают в экономичности системам c переменным расходом хладагента (VRF). Однако предельная производительность VRF-систем ограничена (объёмы охлаждаемых помещений до нескольких тысяч кубометров).

• Утечка фреона. Утечка фреона может произойти в результате негерметичного соединения фреонового контура.
• Выход из строя компрессора. В компрессоре, как правило, выходит из строя его электродвигатель (происходит сгорание обмотки статора) или разрушаются клапаны (поршневой группы).
• Влага в холодильном контуре. Влага (вода) в холодильный контур может попасть в результате образования утечки в испарителе, вследствие чего происходит смешение двух контуров «фреон-вода»^[6].