Косвенное адиабатическое охлаждение

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.

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. 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 компаний, производителей 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 температуры 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.

Рис. 1. Принципиальная схема установки адиабатического охлаждения.

Выходом из положения явилось разделение процессов тепло и массообмена путем реализации косвенного адиабатического увлажнения (рис. 1), 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 вод (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.

Рис. 2. Термадинамические процессы косвенного адиабатического охлаждения

На рис. 2 указанные процессы представлены в координатах i–dдиаграммы. 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 Hoval AdiaVent (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 Украине 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.

Прикладные задачи

Одной из компаний продемонстрировавшей возможность эффективного использования системы косвенного адиабатического охлаждения является Компания LU-VE (Италия). Система Dry&Spray была разработана компанией LU-VE Contrado при научном содействие Миланского Политехнического университета и при поддержке Министерства высшего образования и научных исследований Италии (MIUR). Dry&Spray это высокоэффективная система адиабатического охлаждения, в которой уменьшение температуры хладаносителя в контуре сухой градирни достигается за счет распыления предварительно подготовленной воды вблизи теплообменной поверхности. Использование такого подхода позволило повысить эффективность теплообмена. Фактически температура воды на выходе сухой градирни с технологией Dry&Spray мало отличается от температуры наружного воздуха по влажному термометру. Сухие градирни и выносные конденсаторы с технологией Dry&Spray можно использовать в системах кондиционирования жилых и административных зданий, а также зданий промышленного назначений.

Рис. 3. Сухие градирни и выносные конденсаторы Dry&Spray компании LU-VE

Компания Hoval (Лихтенштейн) также продемонстрировала высокоэффективные разработки для систем кондиционирования на основе технологий косвенного адиабатического охлаждения. Продукт получил коммерческое обозначение AdiaVent. Это компактная установка, используемая для вентиляции и кондиционирования помещений различного назначения. Особенностью установок AdiaVent является, то что поддержание требуемых параметров температуры воздуха в помещении осуществляется за счет обработки рециркуляционного воздуха. Также возможен подмес небольшого количества свежего воздуха. Высокая эффективность применения технологии адиабатического охлаждения при вентиляции и кондиционировании помещений с использованием установок AdiaVent обусловлена тремя факторами: наличием высокоэффективной системы распределения воздуха в кондиционируемых помещениях, наличием высокоэффективной системы адиабатического охлаждения, для кондиционирования используется рециркуляционный воздух.

Рис. 4. Адиабатический агрегат для охлаждения
замкнутых пространств Hoval AdiaVent ADV

Еще одним решением, эффективного использования технологии косвенного адиабатического охлаждения являются системы кондиционирования на базе охлаждаемых потолочных панелей, работающих совместно с градирнями открытого исполнения. На рисунке 5 показана принципиальная схема такой системы кондиционирования. Перспективы использования таких систем кондиционирования в Украине очевидны и обусловлены климатическим фактором. Значение температуры наружного воздуха по влажному термометру в летний период времени в большинстве наших регионов, достаточно для поддержания комфортных условий в рабочих зонах кондиционируемых помещений.

Рис. 5. Система кондиционирования на базе охлаждаемых потолочных панелей

Важным критерием работы системы кондиционирования на базе градирни открытого исполнения и потолочных панелей является: значение температуры эффективного охлаждения, которое соответствует разнице температуры воды на выходе градирни и температуры наружного воздуха по мокрому термометру (Tas). Требования европейских стандартов к современным системам кондиционирования предполагают разделение двух гидравлических контуров: открытый гидравлический контур, в котором циркулирует орошаемая вода, должен быть разделен с закрытым гидравлическим контуром, в котором циркулирует вода, используемая непосредственно в охлаждаемых потолочных панелях. Для большей наглядности демонстрации эффективного использования системы кондиционирования у нас можно использовать другой критерий, соответствующий разнице температуры воды на выходе промежуточного теплообменника и температуры наружного воздуха по влажному термометру (Tss – Tas). В охлаждаемых потолочных панелях используется вода с температурой 14-20°С. В соответствие с нашими стандартами, в некоторых регионах нашей страны в летний период времени температура наружного воздуха по влажному термометру не превышает 20°С. Таким образом при использовании в системе кондиционирования высокоэффективных градирен открытого исполнения, охлаждаемых потолочных панелей и высокоэффективных пластинчатых теплообменников поддержание требуемых параметров микроклимата может осуществляться без использования холодильного контура и компрессора, либо при использовании холодильного контура меньшей производительности. В последнее время на рынке появились охлаждаемы подвесные панели Uponor Comfort, которые выглядят как обычный подвесной потолок. Рабочая поверхность панелей Uponor Comfort выполнена из оцинкованного стального листа со стекловолокнистым звукопоглощающим покрытием белого цвета. Внутри панели располагается змеевик из гибких труб Uponor PЕ-X 10x1,5 мм, по которому движется охлажденная вода, что обеспечивает равномерное распределение температуры по поверхности. Панели выпускаются разных размеров, благодаря чему для оснащения каждого конкретного объекта можно подобрать оптимальный вариант

Рис. 6. Охлаждаемые потолочные панели Uponor Comfort

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 сплитсистемы 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.

Правила использования материалов сайта