Режим вільного охолодження

Мал. 3. Чилер компанії Emerson Network Power Liebert серії HPC з функцією фрікулінга

При проектуванні систем кондиціонування для приміщень, які потребують постійного охолодження, - технічних зон, серверних, центрів обробки даних, виробничих майданчиків з високим рівнем теплонадлишків - неминуче постає питання: чи не можна в зимову пору року використовувати для їх охолодження зовнішній холодне повітря? Саме таку можливість і відкриває технологія вільного охолодження - фрікулінга (від англ. «Freecooling» - «вільне охолодження»).

витоки фрікулінга

Як відомо, холодильна машина - це пристрій, який передає тепло від менш нагрітого тіла до більш нагрітого. Для того щоб здійснити такий перекидання тепла, потрібно затратити енергію. У звичних для нас кондиціонерах елементом, який забезпечує таке перенесення, є компресор. Він і споживає основну частку витрачається кондиціонером енергії.

Але при похолоданні ми перестаємо використовувати кондиціонер для охолодження внутрішнього повітря. Замість цього ми просто відкриваємо вікно і задовольняємося природною вентиляцією. Що заважає застосувати подібну схему і для приміщень, які потребують цілорічне охолодження? Для електрощитових, приміщень з джерелами безперебійного живлення і акумуляторними батареями, невеликих серверних і великих центрів обробки даних, промислових майданчиків і виробничих цехів - всюди, де є значні теплонадлишки (більше 200 Вт / м 2) потрібне охолоджування не тільки в літній, а й в зимовий час.

У ті моменти, коли температура зовнішнього повітря не перевищує температуру повітря в приміщенні, тобто коли тепло потрібно передавати не від більш холодної середовища до більш теплою, а від більш нагрітої середовища до менш нагрітої, і може бути задіяний фрікулінг.

Незалежно від того, охолоджується приміщення зовнішнім повітрям безпосередньо або ж через додатковий повітряний або водяний контур, фрікулінг несе в собі величезний енергозберігаючий потенціал. Адже в цьому режимі не задіюється найенергоємніший елемент будь-якого кондиціонера - компресор. Це ж породжує і ще одна перевага режиму вільного охолодження - економію ресурсу компресора: найдорожчий елемент кондиціонера використовується рідше, а тому прослужить довше.

Види вільного охолодження

Існують дві архітектури систем вільного охолодження. Це непрямий і прямий фрікулінг.

Різниця між ними полягає в тому, що при непрямому фрікулінг зовнішнє повітря потрапляє безпосередньо в обслуговуване приміщення (рис. 1), а при прямому фрікулінг потрапляє (рис. 2), як якщо б це дійсно були відкриті вікна.

Кожна з двох архітектур має свої переваги і недоліки. Так, при прямому фрікулінг вдається досягти більшого енергозбереження, та й сама система стає простіше. Однак подача зовнішнього повітря в приміщення вимагає приділити велику увагу очищенню цього повітря. Причому, важливо відзначити, що витрати повітря в таких системах значні, а тому і система фільтрації повинна бути потужною.

У той же час при непрямому фрікулінг зовнішнє повітря не подається в приміщення, а тому вимоги по його очищенні відсутні. Однак в системі виникають додаткові елементи - повітро-повітряний або повітро-водяний теплообмінник, траси для підводу води та інше. В результаті і енергоефективність всієї системи в цілому трохи нижче.

Реалізація вільного охолодження

Існує кілька варіантів реалізації систем прямого і непрямого вільного охолодження - як вбудованих в холодильне обладнання, як правило, в чиллери, так і незалежних від них.

Чиллер з функцією фрікулінга

Однією з найбільш поширених реалізацій системи вільного охолодження є використання чиллерів з функцією фрікулінга (рис. 3).

Дане обладнання дозволяє відмовитися від використання компресора в перехідний і зимовий періоди. За допомогою триходового клапана вода перетворюється на додаткову теплообмінну систему фрікулінга і вже потім - у випарник. Агрегат відрізняється компактними розмірами, так як теплообмінник фрікулінга вбудований в корпус чилера.

Перевагою використання чиллерів з функцією фрікулінга є вбудована система управління, що передбачає автоматичне перемикання обладнання з компресійного режиму на вільне охолодження і навпаки.

Повітряно-повітряний теплообмінник

Мал. 4. Використання роторного теплообмінника для реалізації системи вільного охолодження

Інший набирає популярність варіант реалізації фрікулінга полягає в використанні повітро-повітряного теплообмінника (рис. 1) з використанням роторних теплообмінників (рис. 4).

Безумовним недоліком подібних систем є їх габарити. Установки можуть займати цілий поверх будівлі, а іноді і два, коли висота теплообмінника досягає 6 м. Однак для виробничих та інших зон, враховуючи їх і без того чималі габарити, розміри систем вільного охолодження, побудованих на основі повітро-повітряних теплообмінників, цілком прийнятні. Крім того, їх можна розмістити на технічних поверхах або на горищі будівлі.

Очевидним же перевагою є вкрай високий потенціал енергозбереження. Вони можуть працювати при температурах зовнішнього повітря, майже рівних температурі внутрішнього, тобто, практично, протягом усього року. На енерговитратну компресійну систему охолодження випадає не більше 10% часу в році.

Реалізація системи прямого фрікулінга

Мал. 5. Прямий фрікулінг в моноблочних кондиціонерах

Одна з найбільш популярних схем реалізації прямого фрікулінга заснована на застосуванні моноблочних прецизійних кондиціонерів, оснащених цією функцією. Такі рішення найбільш придатні для відносно невеликих об'єктів, теплонадлишки яких не перевищують 50 кВт.

При цьому моноблочний кондиціонер встановлюється впритул до зовнішньої стіни, а в його конструкцію входить клапан, який змінює напрямок руху повітря. В результаті цього в зимовий час холодне зовнішнє повітря, який раніше призначався для охолодження конденсатора, через змішувальний вузол прямує в приміщення (рис. 5).

Оцінка енергозбереження від використання фрікулінга

Однією з актуальних задач на сьогоднішній момент залишається оцінка ефективності роботи архітектури вільного охолодження. Перш за все слід з'ясувати, протягом якого часу в році буде задіяний режим фрікулінга і кліматичні особливості регіону, де буде змонтована система охолодження.

Якщо використовується непрямий фрікулінг на основі чиллерна обладнання, то максимальна зовнішня температура, до якої може бути задіяний режим вільного охолодження, становить, як правило, 7 ° C. Відразу обмовимося, що ця цифра - не догма і залежить від компонування всієї системи в цілому, числа контурів в ній, температурного графіка теплоносія та інших критеріїв. Однак «середньої по лікарні», як показує досвід, можна прийняти температуру 7 ° C.

Тривалість періоду з середньодобовою температурою менше 7 ° C для різних городовУкаіни, розрахована на основі даних з СНиП 23-01-99 * «Будівельна кліматологія», приведена в таблиці.

Слід зазначити, однак, що в таблиці наведені дані по середньодобовим температурам, в той час як в перехідний і літній періоди температура повітря вдень часто вище заданої позначки, а вночі - нижче її. Обумовлені перепадами температури додаткові години використання режиму вільного охолодження тут не враховані.

Онлайн-додаток дозволяє з високою точністю розрахувати ті чи інші кліматичні показники, наприклад мінімуми / максимуми, і середні значення за певний період, а також тривалість періоду, протягом яких задані показники клімату не перевищували заданих порогових значень.

Крім того, задаючи температуру переходу на фрікулінг і основні характеристики системи охолодження (споживану потужність в звичайному і енергозберігаючому режимах), стає можливим оцінити тривалість задіяння режиму вільного охолодження в даному регіонеУкаіни, а також пов'язану з цим економічну вигоду і окупність витрат на підвищення енергоефективності системи охолодження .

Таблиця. Орієнтовна річна тривалість періодів для різних городовУкаіни, протягом яких середньодобова температура повітря менше +7 ° C (на основі СНиП 23-01-99 * «Будівельна кліматологія»)

Безумовно, погода постійно змінюється, і навіть у відповідних фахівців не завжди виходить точно її передбачити. Як результат, розрахувати якесь середнє значення використання фрікулінга за останні 15 років, на наш погляд, є не найвірнішим способом оцінки його енергозберігаючого потенціалу. Набагато більш правильним бачиться варіант оптимістичного і песимістичного прогнозування.

В результаті розрахунків (для кожного року за останні 15 років) ми отримаємо 15 цифр, серед яких буде свій мінімум (найменший ефект від вільного охолодження - песимістичний варіант) і максимум (найвищий ефект від вільного охолодження - оптимістичний варіант). Таким чином, прогнозуючи ефект від впровадження фрікулінга на майбутнє, можна оперувати конкретними цифрами, що характеризують песимістичний і оптимістичний варіанти розвитку подій.

висновок

Системи вільного охолодження дозволяють в значній мірі скоротити витрати на електроенергію, яка споживається системою охолодження приміщень, яким потрібна цілорічне кондиціонування. Прямий фрікулінг більш ефективний, але вимагає особливих заходів з очищення зовнішнього повітря. Непрямий фрікулінг менш ефективний, але і не допускає зовнішнє повітря всередину приміщення.

Використовуючи у своїй практиці оптимістичний і песимістичний прогнози на основі кліматичних даних за найбільш холодний і теплий роки, можна з великою точністю передбачити діапазон термінів окупності енергозберігаючих технологій, а також швидкість повернення інвестицій за рахунок економії на експлуатаційних витратах.

У статті використані дані з технічної документації кліматичного обладнання компанії Emerson Network Power, компанії KyotoCooling, а також дані з інтернет-порталу www.AboutDC.ru