Автор Владимир Заславский, руководитель технического отдела ООО «Треймакс Украина»

Утилизация теплоты конденсации хладагента позволяет наиболее эффективно использовать энергоресурсы при работе холодильной машины, благодаря чему является возможным одновременное получение и холода и теплоты. Этот процесс называется рекуперацией теплоты и позволяет экономить значительное количество энергоресурсов для нагревания теплоносителя, который может использоваться для горячего водоснабжения или технологических потребностей. В условиях, когда стоимость энергоносителей растет из года в год, применение энергосберегающих технологий становится очень актуальным вопросом как в системах кондиционирования воздуха, так и в промышленных системах охлаждения многих предприятий.

Варианты холодильных машин с функцией рекуперации теплоты

В холодильных машинах с функцией рекуперации теплоты между компрессором (после маслоотделителя) и конденсатором устанавливается дополнительный теплообменник, в котором и происходит снятие теплоты конденсации и нагревания теплоносителя. Холодильную систему с функцией рекуперации теплоты возможно создать с помощью следующих вариантов:

1. Использование холодильных машин с воздушным охлаждением конденсатора с функцией рекуперации теплоты. В этом варианте холодильная машина является полностью моноблочной, и весомым преимуществом является относительно простой монтаж и короткое время, необходимое для выполнения монтажных работ. К тому же единая система управления значительно упрощает эксплуатацию холодильной машины. Холодильная машина размещается на улице. Этот вариант наиболее часто применяется на практике.

2. Использование холодильных машин с водяным охлаждением конденсатора с функцией рекуперации теплоты. В этом варианте фреоновый контур холодильной машины является моноблочным, но появляется еще и водяной контур для охлаждения конденсатора. В режиме рекуперации теплоты нагревание теплоносителя может происходить прямо в конденсаторе холодильной машины. Для режима «только охлаждение» с целью охлаждения конденсатора применяются сухие охладители или градирни, которые размещаются на улице (правда, есть варианты размещения градирен и в пределах помещения). Холодильная машина размещается внутри помещения. В этом варианте, в сравнении с первым, кроме дополнительных монтажных работ водяного контура нужна еще и дополнительная площадь для размещения сухих охладителей, или градирен. Кроме этого появляются две системы управления: одна — для холодильных машин, вторая — для сухих охладителей (градирен).

3. Использование холодильных машин с выносным конденсатором воздушного охлаждения и промежуточного теплообменника рекуперации теплоты между компрессором и конденсатором. Недостатками этого варианта является практически те же, что и во втором варианте — дополнительные монтажные работы (в этом варианте — монтаж фреонового контура), дополнительная площадь под выносные конденсаторы, которые размещаются на улице, а также появление двух систем управления — холодильной машины и выносных конденсаторов.

Последние два варианта на практике применяются крайне редко, поэтому более детально остановимся на первом варианте — холодильных машинах с воздушным охлаждением конденсатора с функцией рекуперации теплоты.

Опыт эксплуатации

Около десяти лет тому назад компанией Trane была разработана первая винтовая холодильная машина с функцией рекуперации теплоты, модель RTAB HR, которая позволяла утилизировать всю теплоту конденсации и нагревать теплоноситель до 50 °С. Как пример использования этой холодильной машины можно привести систему кондиционирования воздуха гостиницы «Русь» в г. Киеве суммарной холодопроизводительностью 1250 кВт (эксплуатация первой очереди — с 2000 г., второй очереди — с 2002 г.), где установлены четыре винтовые холодильные машины Trane: три из них с функцией «теплового насоса», одна — с функцией рекуперации теплоты.

Холодильная машина TRANE с функцией рекуперации теплоты

В середине 2005 г. для холодильных машин Trane с воздушным охлаждением конденсатора, модели RTAD была внедрена новая опция — функция рекуперации теплоты, причем в двух вариантах ( рис. 2 ):

❏ частичная рекуперация теплоты — 15-25% утилизированой теплоты от номинальной холодопроизводительности при стандартных условиях, обозначение модели RTAD PHR (RTAD Partial Heat Recovery);

❏ полная рекуперация теплоты — до 80% утилизированой теплоты от номинальной холодопроизводительности при стандартных условиях, обозначение модели RTAD THR (RTAD Total Heat Recovery).

Стандартными условиями являются: полная нагрузка холодильного контура, температура наружного воздуха +35 °С, температура холодоносителя на входе/выходе +12/+7 °С, температура теплоносителя на входе/выходе +40/+50 °С.

Кроме этого в холодильных машинах RTAD с функцией рекуперации теплоты, возможно производить теплоноситель с температурой на выходе до +60 °С.

Холодильная машина Trane с воздушным охлаждением конденсатора, модели RTAD (которая является прототипом для RTAD PHR, RTAD THR) серийно выпускается с 2001 г. на заводе Trane в г. Шарм (Франция).Модельный ряд состоит из восьми типоразмеров мощностью от 270 до 650 кВт. Кроме этого дополнительно выпускаются еще шесть типоразмеров высокоэффективного выполнения (за счет увеличенных теплообменников).

Холодильная машина работает на озонобезопасном хладагенте R134a. Холодильные машины RTAD имеют два контура охлаждения и два винтовых компрессора (по одному на контур). Все модели винтовых компрессоров Trane имеют возможность плавного регулирования холодопроизводительности в диапазоне от 15 до 100%.

Адаптивный алгоритм управления

Адаптивный алгоритм управления, который используется компанией Trane для своих холодильных машин, был разработан для обеспечения работоспособности холодильной машины даже в самых тяжелых условиях эксплуатации, летом — при температуре выше средней, а также зимой — при низких температурах наружного воздуха. Для холодильных машин RTAD с функцией рекуперации теплоты микропроцессорная система управления обеспечивает поддержание требуемых температур как холодоносителя, так и теплоносителя.

Системы диспетчеризации зданий

Холодильные машины модели RTAD (RTAD PHR, RTAD THR), как и все холодильные машины Trane, через свій микропроцессорный модуль управления могут интегрироваться в различные системы диспетчеризации зданий на основании открытых протоколов BACnet ™ , LonTalk ® ,Modbus ® .

Частичная рекуперация теплоты (RTAD PHR)

Опция частичной рекуперации теплоты позволяет утилизировать до 25% теплоты от номинальной холодопроизводительности и может применяться при относительно небольших потребностях в теплоте, например, в офисном здании для полного или частичного нагрева горячей воды.

При частичной рекуперации теплоты холодильная машина на линии нагнетания (после аслоотделителя и перед конденсатором) комплектуется двумя пластинчатыми теплообменниками — по одному на каждый контур, в которых происходит снятие перегрева хладагента и частичная его конденсация. Гидравлическое подключение теплоносителя — один вход и один выход.

Количество утилизируемой теплоты зависит от холодильной нагрузки, а также от температуры наружного воздуха.

Полная рекуперация теплоты (RTAD THR)

Опция полной рекуперации теплоты позволяет утилизировать до 80% теплоты от номинальной холодопроизводительности и предназначена для применения там, где необходима утилизация большого количества теплоты. Это могут быть, например, гостиницы и санатории, где необходимо большое количество воды для горячего водоснабжения. Кроме этого для технологических процессов с одновременным охлаждением и нагреванием, опция полной рекуперации теплоты также может быть полезной.

Количество утилизируемой теплоты зависит от холодильной нагрузки и гораздо меньше, чем при опции частичной рекуперации — от температуры наружного воздуха. В теплый период года количество утилизируемой теплоты фактически не зависит от температуры наружного воздуха (см. рис. 3 ).

При полной рекуперации теплоты холодильная машина комплектуется:

❏ Одним пластинчатым теплообменником на линии нагнетания, в котором происходит снятие перегрева и полная конденсация хладагента (в конденсаторе холодильной машины происходит следующее переохлаждение хладагента).

❏ Ресивером для жидкообразного хладагента (после конденсатора) — для того, что бы сбалансировать заправку хладагента между режимами «только охлаждение» и рекуперации теплоты.

❏ Возможностью переключения между режимами «только охлаждение» и рекуперации теплоты с помощью дистанционного сигнала (сухой контакт).

❏ Вентиляторами с регулированием оборотов (каждого) с двумя установленными параметрами работами:

—Режим «только охлаждение»: минимизация давления конденсации для уменьшения мощности,

которая потребляется компрессором.

—Режим рекуперации тепла: регуляция давления конденсации в зависимости от необходимой (заданной) температуры горячей воды на выходе и текущей температуры горячей воды на входе.

Выводы

1. Рекуперация теплоты позволяет утилизировать теплоту конденсации и использовать ее для нагревания теплоносителя. При работе холодильной машины с функцией рекуперации теплоты возможно одновременное получение и охлажденного холодоносителя, и нагретого теплоносителя.

2. К преимуществам применения холодильных машин Trane с воздушным охлаждением конденсатора с функцией рекуперации теплоты (модели RTAD PHR , RTAD THR ) можно отнести наличие простой гидравлической системы, полностью смонтированной на заводе холодильной машины, которая нуждается лишь в подключении холодоносителя, теплоносителя и электропитании. К тому же небольшие размеры холодильных машин RTAD PHR, RTAD THR, позволяют значительно эффективнее использовать площадь предприятия. Кроме этого единая микропроцессорная система управления позволяет значительно упростить эксплуатацию холодильных машин.

3. Применение холодильных машин Trane, модели RTAD PHR с функцией частичной рекуперации теплоты наиболее эффективно при небольших потребностях в теплоте, а также в областях с большим количеством рабочих часов при температуре наружного воздуха +20…+25 °С (см. рис. 3 ) и соответственно являются наиболее эффективными в южных областях Украины и в Крыму.

4. При больших потребностях в теплоте наиболее эффективно применение холодильных машин Trane,

модели RTAD THR с функцией полной рекуперации теплоты. Причем количество утилизированной теплоты в теплый период года фактически не зависит от температуры наружного воздуха (см. рис. 3 ). Поэтому можно сказать, что эти холодильные машины будут одинаково эффективны на всей территории Украины.

5. Рекуперация теплоты значительно увеличивает энергоэффективность холодильной машины, поскольку, как правило, в холодильных машинах теплота конденсации не используется, а выбрасывается в атмосферу. В условиях значительного подорожания энергоносителей (как в настоящее время, так и в перспективе) применения энергосберегающих технологий, а именно, холодильных машин с функцией рекуперации теплоты обеспечивает значительный экономический эффект для предприятия.