Е.С. Бондарь,
директор Учебного центра внедрения
климатических технологий при ООО «ИВИК»
П.В. Калугин, технический директор ООО «Сан-Айс»

В связи с ростом дефицита и цен на энергоносители проблемы энергоснабжения приобретают всю большую актуальность. В промышленных холодильных установках и крупных системах кондиционирования воздуха (СКВ) широко используются водоохлаждающие машины — чиллеры. В СКВ доля водоохлаждающих холодильных установок составляет не менее 80 %. Поэтому энергосбережение с использованием этого класса оборудования может способствовать успешному выполнению программы энергосбережения [1], особенно в связи с участившимися энергетическими коллизиями в Украине и возможностью введения ночных тарифов на электроэнергию.

Снижение энергопотребления во многом определяется на этапе проектирования конкретного объекта путем выбора схемы, подбора оборудования и алгоритма работы. При проектировании систем кондиционирования воздуха расчетные параметры наружного воздуха должны соответствовать СниП 2.04.05-91 [2]. Для территории Украины максимальная температура не превышает +31,5 °С, однако для охладителей жидкости с воздушным охлаждением конденсатора принимают другие расчетные условия: температура окружающего воздуха +35 °С, температура воды на выходе чиллера +7 °С, на входе +12 °С.

Одним из важных моментов при проектировании является учет неравномерности нагрузки на СКВ во времени. Нередко подбор оборудования производят по пиковым нагрузкам, что приводит к необходимости увеличивать производительность СКВ на 30-40 % относительно допиковой нагрузки. Так, в системах кондиционирования офисных помещений в летний период пиковые нагрузки возникают с 12 до 15 часов, в то же время ночью СКВ практически не используется. Перепад суммарных теплопритоков достигает значений 2,5-3,0. В театральных залах максимальный теплоприток приходится на период представления (80-150 Вт на человека). Пиковые нагрузки возникают во многих технологических процессах, например на молочных фермах объем молока необходимо охладить в течение 2-3 часов после удоя, рыбу на рыболовецких судах — при выборке трала и т. д.

Для уменьшения установочной производительности СКВ и обеспечения технологических или комфортных условий при пиках нагрузки используютаккумуляторы холода [3, 4, 5], принцип работы которых состоит в следующем: до наступления пиковой нагрузки холодильная машина включается на полную мощность и в резервуарах-охладителях замораживается вода или охлаждается жидкость с отрицательной температурой замерзания. В период пика путем отбора холода от льда (плавление) или охлажденной жидкости пополняют недостающую производительность холодильной машины. Сезонные пиковые нагрузки, характерные для СКВ, можно сглаживать путем отбора холода от льда, накапливаемого в изотермических контейнерах в межсезонье.

Аккумулировать холод можно с температурами ниже 0 °С, используя эвтектические растворы этиленгликоля, солей хлористого калия, хлористого натрия, хлористого магния и др. Известно несколько способов аккумуляции холода.

Аккумуляция холода путем намораживания льда на поверхности испарителя
До наступления пиковой нагрузки на поверхности испарителя холодильной машины намораживается слой льда, который плавится в период пиковой нагрузки. В [4] описан аккумулятор холода на базе испарителя панельного типа с площадью поверхности 30 м2. При толщине намораживания льда 40 мм, массе намороженного льда 1 т время намораживания составляет 3,8 ч, температура воды на выходе из испарителя +1 °С, емкость водяного бака 2,51 м3. Удельная тепловая нагрузка составляет в среднем 1 337 Вт/м2, коэффициент теплоотдачи — 300- 800 Вт/м2.К.

Одним из недостатков аккумуляторов с намораживанием льда на поверхности испарителя являются небольшие площади теплообмена лед-вода. В связи с этим необходимо принимать меры по интенсификации теплообмена, например активно перемешивать лед в процессе отвода или увеличивать циркуляцию охлажденной воды. Но даже при принятии указанных мер температура воды в часы пик несколько повышается. Второй недостаток — понижение температуры кипения холодильного агента из-за увеличения сопротивления теплопередачи слоя льда в процессе намораживания.

Несмотря на эти недостатки, аккумуляторы с намораживанием на поверхности испарителя используются в ряде оборудования, например в установках для охлаждения молока при транспортировании.

Аккумуляция холода льдоводяной смесью
В этом типе аккумуляторов лед вырабатывается при помощи льдогенератора и ссыпается в аккумулятор. В аккумуляторе образуется смесь льда и воды — «шуга».

Поверхность теплообмена лед-вода в этом способе значительно больше, чем в аккумуляторах с накоплением льда на поверхности испарителя, аккумуляция холода происходит при постоянной температуре кипения хладагента в льдогенераторе. В работе [6] предложено применение «чешуйчатого» льда. По утверждению авторов, важным преимуществом аккумуляторов холода с чешуйчатым льдом является отбор воды постоянной температуры +1 °С даже при пиковой нагрузке. Коэффициент теплопередачи в теплообменнике охладителя при применении пневматической циркуляции воды достигает 580 Вт/м2.К. Для получения 1 т льда используется бак объемом 4 м3 [3].

Недостатком аккумуляторов с льдоводяной смесью является необходимость перемешивания льдоводяной смеси и низкая температура кипения холодильного агента, снижающая показатели работы холодильных машин.

В литературе описаны различные методы повышения эффективности аккумуляторов холода с льдоводяной смесью, например орошение генератора холода циркулирующей водой, барботаж воздуха в аккумуляторах, размещение испарителя льдогенератора в баке аккумулятора и др.

Аккумуляция холода с использованием капсул-заполнителей
Этот способ состоит в том, что лед в аккумуляторе холода не имеет непосредственного контакта с охлаждающей жидкостью, а образуется в полиэтиленовых капсулах-накопителях. Аккумулятор холода, представляющий собой теплоизолированный резервуар, заполняется такими капсулами. Капсулы отливаются под давлением из полиэтилена высокой плотности и заполняются специальной жидкостью.

В аккумуляторе циркулирует жидкий теплоноситель (например, водный раствор этиленгликоля) с температурой ниже 0 °С, вызывая кристаллизацию жидкости внутри заполнителей. Тем самым достигается аккумулирование энергии в виде скрытой теплоты кристаллизации в период фазового перехода из жидкого состояния в твердое. Шарообразная форма капсул обеспечивает большую площадь теплообмена. Используя различные жидкости, как для охлаждения, так и для заполнения капсул, можно задавать температуру льдообразования.

Такой способ аккумуляции использован в оборудовании французской фирмы Cristopia (энергосберегающие системы STL), являющейся подразделением ведущего европейского производителя климатическойтехники компании CIAT (Франция). Предлагается ряд баков-аккумуляторов объемом от 2 до 100 м3 (табл. 1) и капсулы-заполнители (диаметром 96 мм для СКВ и 77 мм для холодильных установок), способные аккумулировать тепловую энергию при температурах от -33 до 27 °С (рис. 1).


Капсулы-заполнители допускают не менее 10 000 циклов (замораживаниеразмораживание), срок службы — не менее 20 лет. Фирма Cristopia предлагает целый ряд капсул-накопителей, разработанных для конкретных отраслей:
AS 27 — тепловые насосы;
AC — системы кондиционирования воздуха;
S 00 — компьютерные помещения;
SN 03 — молочная промышленность;
SN 06 — центральные кухни;
SN 10 — коптильни, пивоварни;
SN 15 — предприятия мясной промышленности;
SN 18 — фармацевтическая промышленность;
SN 21 — обеспечение химических процессов;
SN 26, SN 29-33 — химические производства.

Основные технические характеристики капсул-заполнителей приведены в табл. 2.

Упрощенная гидравлическая схема (основные элементы), по которой можно проследить принцип работы аккумуляторов холода STL, представлена на рис. 2.

Схема состоит из двух контуров — первичного и вторичного. Первичный контур служит для зарядки аккумулятора холода. В этом контуре охлаждающая жидкость циркулирует с постоянным расходом и изменяющейся температурой. Во вторичном контуре охлаждающая жидкость циркулирует с постоянной температурой, но с переменным расходом.

В теплообменнике (испарителе) водоохладителя (рис. 2, поз. 1) фреон испаряется и понижает температуру охлаждающей жидкости.

Насосы (6) и (11) обеспечивают циркуляцию жидкости по первичному и вторичному контурам. Регулировка расхода охлаждающей жидкости по вторичному контуру осуществляется трехходовым вентилем (5).
Работа системы включает 5 режимов.

Режим накопления холода в аккумуляторе (рис. 2, а)
В период, когда не требуется охлаждать нагрузку (в СКВ — помещение), работает только первичный контур. Температура охлаждающей жидкости понижается до температуры, меньшей точки кристаллизации заполнителя в капсулах. Фазовое состояние заполнителя изменяется, при этом абсорбируется энергия охлаждения. В этом режиме работает только насос (11), открыты клапаны (3) и (12), а трехходовой вентиль (5) закрыт полностью.

По мере кристаллизации коэффициент теплопередачи постепенно уменьшается и температура охлаждающей жидкости понижается. Понижение температуры характеризует окончание цикла зарядки. По установленной температуре термостат Т2 отключает холодильную машину.

Режим прямого охлаждения (рис. 2, б)
В случае, когда аккумулятор холода заряжен, а нагрузка не превышает установочной производительности водоохладителя, реализуется режим прямого охлаждения. Вентиль (3) закрыт, регулировка производительности осуществляется трехходовым вентилем по температуре охлажденной жидкости. Подача жидкости по контуру осуществляется насосами (6) и (11).

Режим прямого охлаждения и накопления холода в аккумуляторе (рис. 2, в)
Данный режим используется, когда потребность в холоде меньше производительности водоохладителя, а температура жидкости выше заданной. В этом режиме работают насосы (6) и (11). Клапан (10) закрыт. Накопление холода осуществляется через клапан (3) до срабатывания термостата. Регулировка производительности производится трехходовым вентилем по датчику Т1.

Режим разрядки аккумулятора холода (рис. 2, г)
В случае, если необходимо провести регламентные и ремонтные работы с чиллером, используется холод, накопленный в аккумуляторе. В этом режиме клапаны (3), (10) и (12) закрыты, компрессор холодильной машины выключен и в теплообменник кондиционера поступает жидкость, охлаждаемая в аккумуляторе холода.

Режим разрядки аккумулятора холода и прямое охлаждение (рис. 2, д)
При пиковых нагрузках, когда производительности водоохладителя недостаточно, аккумулятор холода включается на разрядку. Насосы (6) и (11) работают, регулировка производительности осуществляется трехходовым вентилем (5).

---

Приведем пример подбора водоохладителя с аккумулирующим баком, используя оборудование французской фирмы CIAT.

Исходные данные.
Расчётная мощность охлаждения для снятия тепловой нагрузки составляет 800 кВт. Потребляемая электрическая мощность водоохладителя не должна превышать 250 кВт.

Решение задачи.
Принимаем:

• температуру наружного воздуха 35 °С;
• параметры холодоносителя внутреннего контура (вода) 7/12 °С;
• параметры холодоносителя наружного контура (40 % смесь этиленгликоля с водой) 5/10 °С;
• длительность пиковой нагрузки (дневное время) — 8 часов.

Используя программное обеспечение фирмы CIAT, подбираем водоохладитель, обеспечивающий выбранные выше параметры с потребляемой электрической мощностью не более 250 кВт.

Результат подбора — модель ROWERCIAT 2500Z HPS серии LX, холодопроизводительностью 543 кВт с потребляемой электрической мощностью 221 кВт.

Недостающая холодопроизводительность 800 - 543 = 257 кВт должна быть скомпенсирована аккумулятором холода. Для систем кондиционирования фирмой CIAT рекомендуются капсулынакопители типа АС со скрытой теплотой 48,4 кВт ч/м3 (табл. 2).

В этом случае объём аккумулирующего бака должен быть не менее 257 кВт . 8 ч 48,4 (кВт . ч/м3).

По табл. 1 выбираем ближайший по объёму бак, равный 50 м3.

Одной из важных особенностей систем управления водоохладителей CIAT стандартной комплектации является возможность устанавливать два значения поддержания параметров холодоносителя. Эта возможность контроллера ExtraCONNECT фирмы CIAT обеспечит нам зарядку аккумулятора холода в ночное время работы при установочных отрицательных параметрах холодоносителя и поддержание рабочих (положительных) параметров холодоносителя в дневное время суток.

Примеры баков-аккумуляторов фирмы Cristopia см. на фото.

Аккумуляция холода с использованием оборудования фирмы Cristopia (системы STL) характеризуется следующим:
1. STL совместимы с любой системой кондиционирования воздуха или промышленной системой охлаждения.
2. Обеспечивается равномерная работа холодильного оборудования.
3. STL может использоваться как резервный источник в случае выхода из строя основного холодильного оборудования или при проведении профилактических работ.
4. Использование холодильного оборудования меньшего типоразмера на 30-40 % и, следовательно, уменьшение капитальных затрат.
5. В странах с «ночным» тарифом стоимости электроэнергии снижаются эксплуатационные затраты.
6. Эффективное использование электроэнергии в течение суток для районов с ограниченным (лимитированным) расходом электроэнергии.

Литература
1. Энергосбережение в Украине: реалии, приоритеты и перспективы // С.О.К. — 2004. — № 6. — C. 8.
2. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование.
3. Абдульманов Х.А. Аккумуляция холода // Холодильный бизнес. — 2004. — № 6. — C. 12-14.
4. Иванова Р.Б., Коробов А.В. Аккумуляторы холода с льдогенераторами чешуйчатого льда // Холодильная техника. — 1980. — № 11. — C. 23-25.
5. Оніщенко В.П., Хоменко О.В. Акумулятори холоду // Холод, М+Т — 2003. — № 4. — C. 32-35.
6. Філін С., Хмельовський М. Виробництво лускатого льоду // Холод, М+Т. — 2004. — № 6. — C. 28-30.
7. Рекламные проспекты фирмы Cristopia.