На протяжении многих лет интерес к использованию технологий адиабатического охлаждения в системах кондиционирования был обусловлен рядом преимуществ, к которым относится возможность радикального решения вопроса по снижению энергопотребления.

Автор: Е.П. ВИШНЕВСКИЙ, к.т.н., технический директор United Elements Engineering;
Г.В. МАЛКОВ, продукт‑менеджер United Elements Engineering

Как известно, в традиционных кондиционерах источником холода является термодинамический процесс, протекающий по циклу Карно в холодильном контуре. В системах с технологией адиабатического охлаждения источником холода является адиабатический процесс — частный случай термодинамического процесса бестопливной энергетики [1]. Такой подход в охлаждении позволяет полностью или частично отказаться от главного потребителя электроэнергии — компрессора. Главным фактором при использовании систем адиабатического охлаждения является значение температуры наружного воздуха по влажному термометру в летний период времени.

Недавно системы адиабатического охлаждения в основном использовались в регионах с сухим и жарким климатом. Но последние разработки компанийпроизводителей климатического оборудования продемонстрировали большой потенциал использования систем адиабатического охлаждения также в европейских регионах с умеренным климатом.

Принцип адиабатического охлаждения основан на уникальном свойстве воды, обладающей огромной скрытой теплотой испарения (580 ккал/кг или 2,4 МДж/кг), что обеспечивает непревзойденную энергетическую эффективность. Указанный процесс в действии можно наблюдать в жаркую погоду, приблизившись к фонтану и ощущая приятную прохладу. Однако в замкнутом объеме реализация процесса непосредственного адиабатического испарения не приносит желаемых результатов, поскольку одновременно с понижением температуры имеет место накопление водяных паров и сопутствующее этому повышение влажности воздуха.

С точки зрения физиологических ощущений температура и влажность воздуха тесно связаны между собой.

Ярким свидетельством этому является тот факт, что в финской бане при влажности воздуха порядка 20 % человек может выдерживать температуры до 120 °C. В русской бане при влажности 60 % труднопереносимыми являются тем пературы порядка 80 °C. В турецкой же бане (хаммам), где влажность воздуха по определению составляет 100 %, температура поддерживается в пределах 40 °C. Другой пример — ощущения воздействий на человека отрицательных температур. Например, в Мурманске, где незамерзающим является Кольский залив, влажность воздуха зимой близка к 100%, и температуры, приближающиеся к –25 °C, ощущаются на пределе человеческих возможностей. В то же время в Сибири, где влажность воздуха в зимний период сравнительно невелика, даже при температурах порядка –40 °C занятия детей в школах не прекращаются, а если это имеет место, то можно их видеть радостно резвящимися на открытом воздухе.

Отмеченный факт тесной связи между собой температуры и влажности воздуха приводит к тому, что при использовании непосредственного адиабатического охлаждения в замкнутом объеме понижение температуры при одновременном увеличении влажности не только не улучшает условия комфорта, но и в ряде случаев ухудшает их, особенно в регионах, где климат не является сухим и жарким.

Выходом из положения явилось разделение процессов тепло‑ и массообмена путем реализации косвенного адиабатического увлажнения, при котором организуются два контура воздушных потоков, объединяемые между собой пластинчатым теплообменником типа «воздух–воздух».

Один из контуров является рециркуляционным, в котором воздух, забираемый из помещения и вновь возвращаемый в него по замкнутой схеме, охлаждается, но не увлажняется.

Во втором, внешнем открытом контуре атмосферный воздух адиабатически охлаждается с использованием встроенной системы тонкого распыления воды (атомайзера) и, будучи при этом увлажненным, далее выбрасывается в атмосферу. При этом на границе потоков осуществляется обмен явным теплом без массообмена.

Во внешнем контуре при испарении распыляемой воды происходит переход явного тепла, характеризуемого температурой воздуха, в скрытое, характеризуемое содержанием в воздухе паров воды Образуемая разница по явному теплу на входе и выходе открытого внешнего контура через пластинчатый теплообменник с эффективностью порядка 60–70 % передается во внутренний контур, понижая температуру циркулирующего в нем воздуха без увеличения влагосодержания.

На рис. 1 указанные процессы представлены в координатах i–d‑диаграммы. Синим цветом отмечен процесс, происходящий во внешнем контуре, а красным — во внутреннем, рециркуляционном контуре. Индексами отмечены узловые точки. Первое знакоместо в индексах относится к обрабатываемому контуру (1 — внутренний, рециркуляционный; 2 — внешний, открытый). Второе знакоместо относится к стадии процесса (1 — вход атмосферного воздуха; 2 — вход в пластинчатый теплообменник; 3 — выход из пластинчатого теплообменника). Техническая реализация указанных термодинамических процессов осуществлена в агрегатах типа AdiaVent [2] (рис. 2). Принципиальная схема работы агрегатов типа AdiaVent представлена на рис. 3. Особенностью их технической реализации в дополнение к ранее изложенному является обеспечение возможности подмеса во внутренний рециркуляционный контур небольшого количества свежего воздуха, а также использование двух ступеней пластинчатых теплообменников, что существенно повышает эффективность обмена по явному теплу между контурами.

Принципиально косвенное адиабатическое охлаждение способно заменять дорогостоящие, сложные и потребляющие большое количество энергии системы механического охлаждения, такие как «чиллер–фанкойл», агрегаты непосредственного испарения с холодильным контуром и др. При этом ключевыми факторами, определяющими качество технической реализации, являются используемые системы тонкого распыления воды (атомайзеры) и пластинчатые теплообменники, совершенство которых служит необходимым условием обеспечения хороших функциональных свойств, удобства эксплуатации и ремонтопригодности изделия в целом.

Широкий спектр задач, в которых может использоваться технология косвенного адиабатического охлаждения, включает системы микроклиматической поддержки торговых центров, спортивных комплексов, офисов, производственных предприятий, центров обработки данных (ЦОД) и т.п. Перспективы развития систем косвенного адиабатического охлаждения в России связаны не только с климатическим фактором, но также с их высокой энергоэффективностью и экономичностью как в части текущих операционных, так и капитальных затрат.

В любом случае косвенное адиабатическое охлаждение — это технология, которая требует повышенного внимания со стороны инженеров, инвесторов и других участников рынка.

Рассмотрим опыт использования косвенного адиабатического охлаждения на двух примерах из зарубежной практики.

Пример 1. Автосалон Bentley в г. Женева (Швейцария). Проектные параметры имели следующие значения (табл. 1). Установлены два агрегата AdiaVent с системой автоматики DigiNet 5, имеющие следующие технические характеристики (табл. 2). Система успешно работает с мая 2008 г.. Проведенный энергетический аудит показал снижение годового энергопотребления по сравнению с ранее использовавшейся системой механического охлаждения на 63% с 45 до 17 МВт⋅ч/год. Результаты финансового анализа произведенной замены механической системы охлаждения на косвенную адиабатическую сведены в табл. 3.

Коэффициент энергетической эффективности (Energy Efficiency Ratio, EER), представляющий собой отношение холодопроизводительности к затрачиваемой электрической мощности, достигал значения EER = 11,2.

Пример 2. Автосалон Ford в г. Кирхберг (Тироль, Австрия). До установки адиабатических охладителей на объекте работали сплит-системы общей холодопроизводительностью 6 кВт, но, как показала практика, этого было явно недостаточно.

Необходимое количество холода составляет порядка 50 кВт. Было решено применить два агрегата AdiaVent с системой автоматики DigiNet 5.

Для анализа эффективности установленной системы косвенного адиабатического охлаждения путем мониторинга ряда теплофизических параметров были специально смонтированы датчики, как показано на принципиальной схеме агрегата AdiaVent. Проектные параметры имели следующие значения (табл. 4). Замеры производились в самый теплый период 2010 г. (первая половина августа). Результаты мониторинга (показания установленных датчиков) представлены в табл. 5.

Выводы
Из представленных материалов можно заключить, что косвенное адиабатическое охлаждение доказало свою техническую целесообразность и экономическую эффективность в решении проблем создания комфортных условий на рассматриваемых объектах.

Требуемые микроклиматические параметры стабильно поддерживаются при сокращенных капитальных и эксплуатационных расходах. Достигаемая при этом энергетическая эффективность (EER = 11,2) демонстрирует рекордные значения по отношению к традиционно используемым системам охлаждения воздуха.

Представляет несомненный интерес распространение данной технологии на объекты существенно больших масштабов, что при сопоставимых относительных значениях эффективности обеспечит большой экономический и энергетический эффект по валовым показателям.

1. Опарин Е.Г. Физические процессы бестопливной энергетики. Изд. 3. — М.: Изд‑во ЛКИ, 2007.
2. Hoval AdiaVent. Рециркуляционный агрегат для охлаждения замкнутых пространств // С.О.К. (Москва),  № 7/2007.