Оценка эффективности систем холодоснабжения общественных зданий
Часть 1. Энергоэффективность

А. С. Стронгин, канд. техн. наук, главный специалист отдела инженерных систем АО «ЦНИИПромзданий»

В отечественной и мировой практике применяются различные принципиальные схемы холодоснабжения. Выбор оптимальной схемы конфигурации оборудования, его опционального оснащения, оптимизация режимов работы холодильных станций являются сложной задачей, требующей проведения технико-экономических расчетов. Материалы фирм-производителей также не всегда позволяют сделать объективный выбор оборудования и оценить его эффективность для конкретного объекта.

Отсутствие научно обоснованных рекомендаций, методических указаний и нормативных требований приводит к завышению стоимости строительства и перерасходу энергоресурсов. Кроме того, нередко применяется оборудование, не отвечающее современным требованиям по классу энергоэффективности и экологической безопасности.

Выбор системы холодоснабжения здания определяется архитектурно-планировочными решениями и назначением здания.

Классификация систем холодоснабжения

Предлагается классификация систем, графически представленная на рис. 1.

Рисунок 1 (подробнее)   Классификация систем холодоснабжения зданий

По принципу охлаждения системы можно разделить на системы прямого (непосредственного) охлаждения (ПО) и с охлаждением промежуточного холодоносителя (воды или антифриза) в центральной холодильной машине (ХМ).

Системы прямого охлаждения можно разделить на сплит-системы (СК), мульти-сплит-системы (МСК), руфтопы (РК), компрессорно-конденсаторные блоки для секций охлаждения приточных систем (ККБ), а также мультизональные системы кондиционирования (МЗСК). Системы ПО состоят из внутренних блоков, устанавливаемых в помещениях и являющихся испарителями, и внешних блоков, устанавливаемых снаружи и являющихся конденсаторами (компрессорно-конденсаторные блоки). Внутренние и наружные блоки соединены трубопроводами, по которым циркулирует хладагент (легкокипящая жидкость), как правило фреон.

Системы с охлаждением промежуточного хладоносителя имеют в своем составе холодильную машину (чиллер) и насосную группу для распределения хладоносителя по потребителям (гидромодуль).

Потребителями холода являются секции охлаждения центральных кондиционеров и зональные охладители в помещениях (фэнкойлы).

По компоновке основного оборудования системы ХМ можно классифицировать подразделить на схемы с воздушным охлаждением конденсатора, с водяным охлаждением конденсатора, а также с выносным конденсатором. Классификация графически представлена на рис. 2.

Рисунок 2 (подробнее)   Классификация компоновки оборудования ХМ

Различные схемы охлаждения конденсатора

Схемы с воздушным охлаждением конденсатора наиболее экономичны. Чиллер представляет собой моноблок, размещаемый вне здания, как правило на кровле или выгороженной площадке. Холодоноситель подается к потребителям либо непосредственно от чиллера (одноконтурная схема), либо через промежуточный теплообменник гликоль – вода, что снижает энергоэффективность, но упрощает эксплуатацию системы (двухконтурная схема). Моноблок может быть оснащен опциями «свободного охлаждения» (фрикулинга), режима теплового насоса, а также полной или частичной рекуперацией сбросного тепла.

Схемы с водяным охлаждением конденсатора состоят из двух агрегатов: холодильной машины, размещенной в помещении холодильного центра внутри здания, и охладителя жидкости (градирни), размещенной снаружи здания, обычно на кровле. Блоки соединены трубопроводами, по которым циркулирует охлаждающая жидкость (вода или антифриз). Схема может работать в режиме фрикулинга, теплового насоса и рекуперации тепла.

Схема с выносным конденсатором может работать круглогодично без дополнительных опций. Конденсатор и испаритель ХМ соединены фреоновыми медными трубками с маслоподъемными кольцами. Недостатком данной схемы является ограниченное расстояние между блоками, как следствие, возможность применения только в малоэтажном здании.

Выбор схемного решения и оборудования системы холодоснабжения

При выборе схемного решения и оборудования системы холодоснабжения следует руководствоваться классификацией и техническим заданием на проектирование. В техническом задании необходимо отражать следующие основные положения:

• требуемые параметры микроклимата во все периоды года и точность их поддержания;

• требуемая обеспеченность заданных параметров микроклимата;

• ожидаемый профиль тепловой нагрузки в зависимости от климатических условий и технологического назначения здания;

• требуемая степень надежности и резервирования оборудования, максимальная продолжительность перерывов в его работе, связанная с проведением ремонтов и сервисного обслуживания;

• степень энергообеспеченности здания, наличие потенциальных вторичных энергоресурсов и возобновляемых источников энергии.

Выбранное схемное решение системы холодоснабжения должно соответствовать конструктивным особенностям и функциональному назначению зданий по следующим показателям:

• наличие технических помещений с ограниченным доступом для размещения холодильного центра, гидромодуля и вспомогательного оборудования;

• достаточная площадь и несущая способность перекрытий, кровли, наличие коммуникационных шахт;

• обеспечение допустимого звукового давления в окружающей застройке;

• дизайнерские решения интерьера помещений;

• удобство эксплуатации;

• возможность модернизации системы.

Перечисленным требованиям по выбору схемного решения и оборудования системы холодоснабжения могут соответствовать несколько вариантов систем, включая возможность их различного опционального оснащения.

Для выбора оптимальной конфигурации следует рассчитать энергетические, экономические и экологические показатели различных вариантов.

Конфликт интересов при выборе системы холодоснабжения

Объективный выбор оптимального варианта кроме необходимости методической поддержки сильно затруднен различными корпоративными интересами участников строительства и последующей эксплуатации объекта.

Застройщик, частный инвестор (или федеральный бюджет) заинтересован в минимальной стоимости строительства (первоначальных затрат). В результате выбирается самое дешевое оборудование с максимальным энергопотреблением.

Фирма – поставщик оборудования заинтересована в продвижении своего оборудования, поэтому ей нужно выиграть тендер и обеспечить поставку. Результатом становится выбор нерациональных схемных решений, избыточное или недостаточное опциональное оснащение.

Службы эксплуатации заботит упрощение и сокращение регламентных работ по техническому обслуживанию системы, что приводит к выбору неоптимальной конфигурации системы, завышению первоначальных и ежегодных затрат.

Конечный потребитель (заказчик: муниципальные власти или частная компания, несущие расходы по содержанию объекта) заинтересован в минимальных затратах на содержание системы, основную долю которых составляют затраты на энергоресурсы (электрическая и тепловая энергия), поэтому его субъективным решением становится выбор самого дорогого энергоэффективного оборудования с неприемлемо большим сроком окупаемости инвестиций.

Определение энергоэффективности систем холодоснабжения

Первым этапом сравнения вариантов является определение их энергоэффективности.

Существующие показатели энергоэффективности холодильного оборудования (см. табл. 1), получаемые при сертификационных испытаниях оборудования, не могут характеризовать энергоэффективность всей системы холодоснабжения для конкретного объекта (с учетом профиля тепловой нагрузки и других особенностей).

Энергоэффективность системы холодоснабжения предлагается оценивать показателем годовой энергоэффективности Э_Г, рассчитываемым по формуле:

Э_г = (Q_x + Q_т)/Q_эл, кВт•ч/кВт•ч.

Исходные данные для расчета энергетической эффективности приведены в табл. 2.

Требуются расчеты следующих величин:

• ожидаемый профиль нагрузки (холод/тепло) на холодильное оборудование в зависимости от климатических условий и технологического назначения здания;

• текущая величина выработки холода и тепла, а также энергопотребления (часовая, суточная), дифференцированная в соответствии с требованиями многотарифного учета электроэнергии;

• сезонные (годовые) затраты электроэнергии всеми потребителями холодильной станции (холодильная машина, гидромодуль, градирня, зональные охладители) в зависимости от характеристик и алгоритма управления оборудованием.

Пример. Холодильная станция торгово-производственного комплекса

На рисунке графически представлены энергетические характеристики холодильной станции торгово-производственного комплекса, расположенного в Московской области. Станция состоит из 3 инверторных чиллеров с воздушным охлаждением конденсатора, холодильной мощностью 800 кВт каждый, работающих одновременно с одинаковой нагрузкой.

Параметры наружного климата представлены кривой (1), характеризующей годовую длительность периода с данной наружной температурой воздуха (ч/год).

Профиль тепловой нагрузки упрощенно может быть представлен линейной зависимостью (2). Максимальная холодильная мощность (2 400 кВт) требуется при наружной температуре 33 ºС, минимальная (100 кВт) – при 10 ºС.

Кривая (3) характеризует текущее значение выработки холода в соответствии с климатическими данными (1) и профилем тепловой нагрузки (2) (величина q_Xi × t_iX, кВт•ч/год).

Площадь под кривой (3) определяет общую годовую выработку холода Q_X (кВт•ч/год).

Текущие значения требуемой электрической мощности холодильной станции представлены кривой (4) (q_ЭЛ, кВт), а текущие расходы электроэнергии – кривой (5) (величина q_ЭЛi × t_iЭЛ, кВт•ч/год).

Площадь под кривой (5) определяет общие годовые затраты электроэнергии Q_ЭЛ (кВт•ч/год).

Соотношение площадей под кривыми (3) и (5) определяет значение коэффициента годовой энергоэффективности Э_Г, кВт•ч/ кВт•ч.

Данный пример показывает, что значение Э_Г наиболее информативно характеризует энергоэффективность холодильной станции, поскольку позволяет учитывать реальные годовые климатические данные, суточный профиль тепловой нагрузки объекта и характеристики полного комплекта выбранного оборудования.

Полученные при сертификационных испытаниях оборудования коэффициенты энергоэффективности (EER, ESEER, IPVL и пр.) дают только точечные значения, без привязки к конкретному объекту строительства. Рассчитанные значения коэффициентов энергоэффективности для данного примера приведены в табл. 3.

Расчет показателя Э_Г является необходимым, но недостаточным условием для выбора оптимального варианта, поскольку неизвестно, какой ценой достигнута энергоэффективность.

О выборе вариантов систем холодоснабжения с учетом их экономической и экологической эффективности читайте в следующем номере журнала «Энергосбережение».