Чиллеры: воздухоохлаждаемые и водоохлаждаемые

В чиллерах с воздушным охлаждением вода охлаждается при помощи испарителя, а для отвода тепла вентиляторы прогоняют воздух через конденсатор. Если изменить направление движения хладагента и использовать воздушный теплообменник как испаритель, чиллер превратится в тепловой насос «воздух — вода», нагревающий воду для отопления и горячего водоснабжения.

Водоохлаждаемые чиллеры также используют испаритель для охлаждения воды, а тепло отводят с помощью конденсаторов с водяным охлаждением или градирен. Если на объекте есть необходимость не только в холоде, но и в тепле, можно использовать воду, прошедшую через конденсатор. В этом случае чиллер выступает в роли теплового насоса «вода — вода». Относительная простота утилизации (рекуперации) бросового тепла - особенность данного типа чиллеров.

Производительность воздухоохлаждаемых чиллеров для систем кондиционирования продолжает расти, увеличиваются и масштабы объектов, на которых они используются. Если ранее речь шла о небольших системах, холодильная мощность которых не превышала 2110 киловатт, то сейчас нередко можно встретить системы производительностью свыше 3500 киловатт, использующие несколько чиллеров сразу.

В то же время чиллеры с водяным охлаждением на основе спиральных, винтовых и центробежных компрессоров применяются не только для кондиционирования, но и для производства холода в промышленных целях. Диапазон холодопроизводительности установок на базе таких устройств составляет от 70 до 21 100 киловатт.

Рыночные тенденции

Структура спроса на различные чиллеры сильно меняется в зависимости от региона.

Чиллеры с воздушным охлаждением, в том числе работающие в режиме теплового насоса, особенно популярны в США, странах Европы и в Японии. При этом если в Японии и Китае основная доля воздухоохлаждаемых чиллеров на рынке — это тепловые насосы, то в США преобладают машины, работающие только в режиме охлаждения.

На такое положение в значительной степени влияют климатические условия и доступность водных ресурсов. На Ближнем Востоке, где вода очень дорога, воздушное охлаждение используется практически во всех чиллерах, за исключением устройств центробежного типа.

Рис. 1. Рыночный спрос на воздухо-/водоохлаждаемые чиллеры.
* За исключением абсорбционных холодильных машин.

Соотношение спроса на водоохлаждаемые чиллеры с электрическим приводом компрессора и на машины с воздушным охлаждением остается неизменным на протяжении последних десяти лет. Однако в Северной Америке рынок воздухоохлаждаемых устройств растет быстрее, чем сектор агрегатов с водяным охлаждением.

Рис. 2. Тенденции рынка холодильных машин.

Диапазон мощностей и производительности

Так как воздушные теплообменники крупнее водяных той же холодопроизводительности, габариты чиллеров с воздушным охлаждением больше, чем с водяным. Габариты и вес являются фактором, ограничивающим максимальную мощность воздухоохлаждаемых холодильных машин.

Используя грузовой контейнер, можно перевезти чиллер с воздушным охлаждением холодопроизводительностью не более 2110 киловатт. Однако с появлением модульных конструкций транспортировка и монтаж мощных воздухоохлаждаемых чиллеров заметно упростились.

На рынке США наиболее востребованы чиллеры с воздушным охлаждением производительностью около 700 киловатт. 75% продаж приходятся на модели холодопроизводительностью до 880 киловатт. Среди водоохлаждаемых чиллеров с компрессорами объемного сжатия (не центробежными) спросом пользуются модели холодильной мощностью 1055 киловатт, их доля составляет примерно 80%. Если требуется более высокая холодопроизводительность, используют центробежные чиллеры с водяным охлаждением. В последнее время, с появлением небольших безмасляных центробежных компрессоров, популярность центробежных чиллеров меньшей холодопроизводительности значительно выросла.

Так как эффективность теплообмена между воздухом и хладагентом существенно меньше, чем между водой и хладагентом, температура конденсации у воздухоохлаждаемых конденсаторов выше, чем у охлаждаемых водой. Следовательно, больше и разница температур конденсации и испарения. Поэтому энергопотребление воздухоохлаждаемых чиллеров выше.

Международный стандарт ANSI/ASHRA/IES90.1 определяет минимальные коэффициенты произво- дительности при полной нагрузке и интегральные показатели эффективности при частичной нагрузке (IPLV) для различных типов чиллеров с учетом их мощности. Конкретные цифры согласно последней редакции стандарта приведены в таблице 1.

Таблица 1. Минимальная эффективность согласно стандарту ANSI/ASHRA/IES90.1

Из таблицы видно, что эффективность водоохлаждаемых чиллеров с компрессорами объемного сжатия должна быть почти в 1,8 раза выше, чем у устройств с воздушным охлаждением. Эффективность же центробежных чиллеров при той же холодопроизводительности — еще выше. Однако для чиллеров с водяным охлаждением необходимо учитывать еще и энергопотребление водяных насосов и вентиляторов градирен. При этом прирост эффективности при частичной нагрузке за счет снижения наружной температуры у чиллеров с воздушным охлаждением гораздо выше, чем у чиллеров с водяным охлаждением, в том числе и центробежного типа.

Преимущество же водоохлаждаемых чиллеров с компрессорами объемного сжатия — удобство транспортировки и высотного монтажа.

Стоимость

Стоимость чиллеров сильно зависит от региона, мощности и эффективности. Согласно данным JARN, средняя цена чиллера холодильной мощностью 1055 киловатт на рынке США составляет примерно 100–155 долларов США за киловатт для устройств с воздушным охлаждением, работающим только в режиме холодильной машины, и 70–85 долларов США за киловатт для винтовых чиллеров с водяным охлаждением. Средняя цена центробежного чиллера холодопроизводительностью 1055–1760 киловатт, как правило, ниже, чем у водоохлаждаемых чиллеров с компрессорами объемного сжатия аналогичной мощности.

Несмотря на то что водоохлаждаемые чиллеры сами по себе дешевле устройств с воздушным охлаждением, их использование требует дополнительных затрат. Сюда входит стоимость строительства градирни, прокладки трубопроводов для охлаждающей и охлажденной воды, монтажа электропроводки. В результате общая сумма капитальных затрат для чиллера с воздушным охлаждением может оказаться меньше, чем для водоохлаждаемого.

Помимо капитальных затрат, в стоимость жизненного цикла системы на базе чиллера входят расходы на эксплуатацию (оплата потребляемой энергии) и обслуживание (водоподготовка, чистка теплообменников и т. д.). Срок службы чиллера при этом зависит от качества сборки и монтажа, климатических условий, стоимости рабочей силы и других факторов. Существует множество исследований, посвященных оценке общей стоимости чиллерных систем. Однако следует помнить, что выбор типа чиллера обычно делается исходя не только из его стоимости, но и прочих обстоятельств: доступности водных ресурсов, наличия квалифицированного обслуживающего персонала, предпочтений заказчика.

Перспективные направления в конструировании

Модульный дизайн

В чиллерах с воздушным охлаждением холодильной мощностью до 700 киловатт обычно используются спиральные и ротационные компрессоры, в устройствах холодильной мощностью от 350 киловатт находят применение и компрессоры винтового типа.

Около десяти лет назад на рынке появились воздухоохлаждаемые холодильные машины модульного типа, собираемые из небольших однотипных чиллеров холодопроизводительностью около 90 киловатт. С разработкой мощных спиральных компрессоров модульные конструкции стали очень популярны в Японии. Такие устройства работают на хладагенте R410A и имеют компактные теплообменники и трубопроводы.

Отдельные блоки с независимыми холодильными контурами проще доставить к месту монтажа и из них можно собрать установку с требуемыми параметрами. По мощности собранный из модулей чиллер может сравниться с холодильной машиной на основе центробежного компрессора. Так как каждый модуль имеет свой собственный фреонопровод, при утечке хладагента в одном из них остальные могут продолжать работу.

Модульная конструкция позволила существенно расширить область применения воздухоохлаждаемых чиллеров. Сейчас в Японии многие мощные чиллеры, в том числе абсорбционные, заменяются модульными системами. Производители предлагают их уже и для промышленного применения.

Использование в качестве теплового насоса

Технология отопления и получения горячей воды при помощи тепловых насосов с электрическим приводом компрессора стала популярной, как производящая меньше парниковых выбросов, чем традиционные котлы. Тепловые насосы, использующие в качестве источника тепла воздух, проще в эксплуатации, однако их эффективность существенно снижается при уменьшении наружной температуры или же в тех случаях, когда требуется повысить температуру нагрева воды.

В промышленности, а также при свободном доступе к незамерзающим природным водоемам, геотермальной энергии или бросовому теплу производственных процессов обычно используют водяные тепловые насосы.

Новейшие промышленные тепловые насосы, как правило, имеют винтовые компрессоры и способны нагревать воду до 65–70°С. Недавно были созданы тепловые насосы, способные одновременно нагревать воду до 90°С и охлаждать до 7°С. Кроме того, разработано устройство, подающее на выход горячий пар температурой 100°С.

Продолжаются работы над созданием промышленных воздушных тепловых насосов. Так, недавно был сконструирован тепловой насос на базе двухступенчатого винтового компрессора, использующий в качестве хладагента смесь гидрофторолефинов. Это устройство нагревает воду до 90°С при наружной температуре 25°С. Способны нагревать воду до 90°С и двухкаскадные воздушные тепловые насосы.

Правила использования материалов сайта