Применение систем холодоснабжения в решении задач смежных разделов
Марина МАРЧЕНКО, главный специалист по разделу «Холодоснабжение»
(Журнал "Микроклимат и Холод" сентябрь, 2019)
Часто в жизни встречаются задачи, для решения которых требуются совместные усилия работников из разных областей. Например, строительство здания. Здесь задействованы специалисты по вопросам конструктива и архитектуры, электроснабжения и водоснабжения, отопления и автоматизации, дизайнеры и многие другие. То же касается и ремонта дома, пошива одежды, пищевого производства и прочих областей жизни. В данном вопросе очень подходит слово «синергия» — когда совместное действие отдельных работников существенно превосходит простую сумму действий каждого из указанных специалистов.
В статье речь пойдет о применении системы холодоснабжения в решении трех часто встречающихся задач систем вентиляции, отопления и кондиционирования, а именно:
1) применение систем холодоснабжения в чиллерах — для охлаждения воздуха через фанкойлы, промышленное кондиционирование воздуха в производственных цехах;
2) обеспечение требуемой скорости воздуха в камерах созревания сыров и колбас;
3) отопление помещений нагретой от системы холодоснабжения водой, либо гликолем. Здесь же рядом стоит и подогрев воды оборудованием систем холодоснабжения — для горячего водоснабжения (ГВС).
Многое из вышеперечисленного, помимо направления «Вентиляция, отопление и кондиционирование», также касается разделов «Технологические решения» и «Водоснабжение и канализация».
Рассмотрим применение систем холодоснабжения в чиллерах для охлаждения воздуха через фанкойлы. Чиллером называется холодильная машина, которая посредством фреона охлаждает жидкость (например, воду, гликолевый раствор и др.) как конечный охлаждаемый продукт, либо для его дальнейшего использования при охлаждении (как хладоноситель).
В промышленности часто охлаждают воду либо гликолевые растворы, чтобы эта охлажденная среда соприкасалась с охлаждаемым продуктом: в пищевом производстве — для охлаждения молока, шоколада и прочего, в строительстве — бетонных смесей, заморозки грунтов и т. п., в автомобилестроении — для охлаждения сварочных аппаратов, пресс-форм и др.
В случае применения чиллера в системе вентиляции, отопления и кондиционирования рабочей (охлаждаемой) средой является воздух. Такие системы применяются для кондиционирования промышленных и административно-бытовых помещений, когда охлажденная до определенных температур вода либо водные растворы гликолей подаются в теплообменный аппарат — фанкойл, расположенный в охлаждаемом помещении (сам фанкойл напоминает внутренний блок привычного всем кондиционера — может быть как кубического, так и двухпоточного исполнения). Вентиляторы в блоке фанкойла направляют воздух из помещения через теплообменный блок фанкойла, где он соприкасается с теплообменной поверхностью, охлаждается и поступает обратно в помещение. Теплообменный блок фанкойла представляет собой систему трубопроводов с оребрением, внутри труб проходит охлажденная вода, либо гликоль. Охлажденный таким образом воздух подается в помещение, а отепленная жидкость поступает по обратным трубопроводам к теплообменнику, расположенному на чиллере: вода (гликоль)/фреон — для повторного охлаждения фреоном. Цикл замкнулся.
Такие системы имеют как преимущества, так и недостатки по сравнению с классическими фреоновыми, где хладоносителем является фреон.
Рассмотрим достоинства системы кондиционирования воздуха чиллер-фанкойл.
1. Система дешевле в части рабочей среды: вода в нашей стране на сегодняшний день значительно дешевле, чем фреоны. Это касается и первоначальной заправки системы и дозаправки в случае утечки. Даже если рассматривать вариант, когда теплоноситель не вода, а водные растворы гликолей, в целом хладоноситель обходится дешевле.
Если говорить о промышленном кондиционировании цехов либо административно-бытовых помещений, то там зачастую присутствуют люди. В таких условиях применяются водные растворы пропиленгликоля различной концентрации, потому как пропиленгликоль не обладает токсичностью, а при условии присутствия людей или в пищевом производстве это важно на случай утечки. Если же охлаждаемое помещение не является пищевым производством, и там не находятся люди, то допустим и этиленгликоль как хладоноситель. Этиленгликоль дешевле пропиленгликоля, но он токсичен.
Концентрация растворов гликолей зависит от требуемой температуры в охлаждаемом помещении и от пути прохождения трассы от чиллера до помещения, которая может идти либо по помещениям, либо по улице. В случае прохождения трассы по улице при выборе концентрации гликоля следует учитывать не рабочую температуру в помещении, а точку замерзания раствора гликоля в зимний период, когда на улице глубокий минус, и система по каким-то причинам остановлена на непродолжительное время, когда слив теплоносителя в ресивер не требуется. Либо в случае прокладки трассы по улице может быть перенесен сам теплообменник фреон/хладоноситель, но в этом случае увеличиваются фреоновая трасса и емкость фреона в системе. О минусах данного варианта — чуть ниже.
2. Также удешевление системы охлаждения чиллер-фанкойл по сравнению с полностью фреоновым охлаждением происходит за счет экономии средств на трубопроводах. В случае применения фреонового охлаждения трубопроводы должны быть изготовлены из меди или стали, что, помимо стоимости материалов, увеличивает и стоимость монтажа — ввиду квалификации монтажников и необходимости во вспомогательных монтажных материалах при пайке/сварке труб (пост пайки, вакуумный насос, припой и пр.).
При прокладке труб для хладоносителя чаще всего применяются полипропиленовые или стальные трубопроводы. В этом случае стоимость трассы существенно ниже как на сами трубопроводы, так и на фитинги, а также не монтажные работы.
Из недостатков системы чиллер-фанкойл можно отметить, что такой тип охлаждения воздуха имеет ограничение при применении в качестве хладоносителя воды — температура воздуха в охлаждаемом помещении не ниже 12 оС. В случае необходимости охлаждения воздуха до значений ниже 12 оС следует применять гликолевые растворы. Об особенности выбора концентрации гликоля написано выше (с учетом места прокладывания трассы). Концентрация гликоля влияет на выбор насоса следующим образом: чем больше концентрация раствора гликоля, тем его точка замерзания ниже (охладить помещение можно до более низких значений), но вместе с тем его вязкость увеличивается, и, соответственно, требуется бОльшая мощность насоса для его перекачки. Чем мощнее насос, тем больше электроэнергии он потребляет. При постоянной работе системы (не периодически) это существенный фактор при выборе.
Поэтому в сравнении с системой на фреоне в системе с промежуточным хладоносителем расходы на электроэнергию больше из-за наличия насосов: для циркуляции воды либо гликолевых растворов нужны насосы, которые являются дополнительными потребителями электроэнергии в сравнении с тем, что фреоновая DX-система работает без насосов — по разности давлений в системе. Расходы на дополнительный теплообменник фреон/хладоноситель также присутствуют. К тому же следует учесть необходимость химической подготовки воды и присадок для растворов гликолей.
Еще нужно отметить, что при концентрации гликолей более 50 % резко сокращается номенклатура возможных применяемых запорно-регулирующих устройств. Из-за коррозионной активности таких растворов требуется специальное покрытие этих устройств либо их исполнение из нержавеющей стали. Поэтому каждый раз необходимо учитывать экономическую целесообразность применения той или иной системы.
Говоря о промышленном кондиционировании цехов, следует отметить важность двух факторов:
1) температурного — производственные цеха пищевой промышленности для переработки мяса имеют ограничения по температуре воздуха: должна быть не выше (10–14) оС. Температура определяется видом продукта, указывается в санитарных нормах по переработке и обеспечивает недопущение размножения патогенных микроорганизмов в продукте;
2) человеческого, а именно — скорость воздуха в производственном помещении напрямую влияет на производительность труда и состояние здоровья работников.
Как правило, требуемая скорость воздуха в производственных цехах в зоне, где работают люди, ограничивается 0,5 м/с (не более). Это крайне сложно обеспечить вентиляторами воздухоохладителей либо фанкойлов, обычно она в разы больше. Чтобы создать такую низкую скорость воздуха на выходе из вентилятора, необходимо значительно увеличить теплообменную поверхность, чтобы при минимальной циркуляции воздуха он, проходя теплообменник, успевал охладиться.
Особенно это актуально для мясных производств, где стоят мощные технологические аппараты, выделяющие большое количество тепла в цех от электродвигателей (мясорубки, фаршемешалки и пр.). Но увеличение площади теплообменника увеличило бы габариты охлаждающих аппаратов и значительно их удорожило.
Поэтому в производственных цехах, где работают люди, как правило, применяются два варианта решения вопроса снижения направленного воздушного потока на работников, при условии сохранения компактного размера воздухоохладителей (фанкойлов):
Первый вариант — воздухоохладители (фанкойлы) для промышленного кондиционирования. Они имеют вид двухпоточного охладителя, но крепятся в помещении не вплотную к потолку, а отстоят от него на ножках вниз на ±(350–500) мм. Направление потока воздуха через такие теплообменники происходит с забором теплого воздуха над охладителем сверху и раздачей его в стороны параллельно полу. Таким образом, воздух в конце длины струи опускается вниз к полу, нагревается, компенсируя теплопритоки в помещении.
Эти охладители дороже охладителей стандартной двухпоточной конструкции (с забором воздуха снизу и раздачей в стороны). Недостатки стандартной конструкции — создание сильного направленного потока на всасывании, который проходит вдоль спин работников цеха, вызывая дискомфорт и простудные заболевания. Поэтому двухпоточные конструкции лучше не применять для цехов, особенно при малой высоте помещения.
Второй способ решения вопроса кондиционирования производственных помещений заключается в раздаче охлажденного в охладителе воздуха с помощью системы воздуховодов. В этом случае система воздуховодов присоединяется к диффузору вентилятора на воздухоохладителе (фанкойле), и воздух равномерно распределяется по помещению. Чаще выход из воздуховодов направлен в сторону рабочих мест.
Раздача охлажденного воздуха стандартными оцинкованными воздуховодами имеет ряд плюсов и минусов. Из достоинств можно назвать их неприхотливость: они не боятся промывок химическими реагентами, что нередко бывает на пищевых производствах, и не требуют после монтажа никакого особого обслуживания. Недостатки — существенная стоимость, монтаж специализированными компаниями и отсутствие большого разнообразия в габаритах и форме (круглые либо прямоугольные), что иногда критично в стесненных условиях работы (например, при малой высоте помещений). К тому же раздача приточного воздуха осуществляется через решетки, что даже при их значительной площади создает направленное движение воздуха, хоть и с меньшей скоростью по сравнению с вентилятором воздухоохладителя.
Альтернативой оцинкованным являются текстильные воздуховоды. Они имеют широкий диапазон возможных форм: от классических круглых и прямоугольных до полукруга и сегмента переменного радиуса. Могут быть исполнены с различным типом перфорации: от равномерного распределения сопел по всей окружности до раздачи воздуха направленно под любым углом, в том числе переменным по длине. Текстильные воздуховоды могут быть выполнены из различных типов ткани: стандартной, легкой (при «слабых» по давлению вентиляторах воздухоохладителей/фанкойлов), а также в антибактериальном исполнении.
Имеют простые требования по монтажу, поэтому заказчик может монтировать их самостоятельно. Допускают частые стирки в стиральной машине с последующим монтажом. Могут быть выполнены в различных цветовых решениях, если это имеет значение в интерьере. Из минусов — необходимость стирки воздуховодов, что неудобно в случае большой высоты помещения.
3. Еще одна часто встречающаяся задача для систем холодоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха — обеспечение требуемых температурно-влажностных параметров воздуха и скорости его движения в камерах созревания сыров и колбас. Здесь много вариаций на тему температуры и влажности воздуха за время процесса созревания продукта — в зависимости от технологии и вида сыра и колбас.
Требования: скорость воздуха — не более 0,5 м/с (для исключения заветривания и уменьшения усушки продукта при длительном процессе созревания, для равномерного распределения температуры); температура — от (10–12) оС до 22 оС; относительная влажность воздуха — 75–90 %. К тому же требуется обеспечить воздухообмен в камере созревания в объеме 3–5 крат в сутки, потому как эти продукты «дышат».
Идеальное решение для такой задачи — это приточно-вытяжная установка с блоками охлаждения воздуха (блок охлаждения подключается к холодильному агрегату, идущему в комплекте с установкой, либо закупаемому отдельно) и увлажнения. Для распределения воздуха нужна система воздуховодов.
Зачастую такие приточно-вытяжные установки слишком дороги, и заказчик предпочитает обойтись вариантом «попроще»: когда для камеры предусматриваются: компрессорно-конденсаторный агрегат с воздухоохладителем (для охлаждения воздуха), тепловая пушка — для подогрева воздуха в зимнее время, пароувлажнитель — для поддержания влажности воздуха, приточный и вытяжной вентиляторы — для кратности воздухообмена, система воздуховодов — для равномерного распределения воздуха и соблюдения нормативной скорости его движения. Движение воздуха по камере обеспечивается работой вентиляторов воздухоохладителя с подачей фреона в режиме охлаждения, либо без подачи фреона в случае нагрева.
4. Последний по списку из рассматриваемых в этой теме вариантов применения системы холодоснабжения для целей смежных разделов — обогрев разных сред от системы холодоснабжения.
Этот вариант возможен только во время работы холодильной системы, что является ограничивающим условием для применения. Речь идет о возможности нагрева любой среды с нагнетающей стороны цикла работы холодильной машины. Для работы системы охлаждения сжатые в компрессоре пары хладагента должны охладиться и сконденсироваться, оставаясь под высоким давлением, поэтому для холодильной машины нет разницы, кому «отдавать» теплоту нагнетаемых паров: воздуху — в случае воздушного конденсатора, воде — в случае водяного и испарительного конденсатора, либо на полезный нагрев через теплообменник любой среды: воды — для горячего водоснабжения, либо растворов гликолей — для воздушного отопления и т. п. Нагрев какой-либо среды теплотой нагнетаемых паров называется системой рекуперации теплоты паров нагнетания.
Для сопоставления: температура паров нагнетания при работе фреоновых поршневых компрессоров составляет порядка (70–80) оС, при работе винтовых компрессоров достигает 90 оС.
Вариантов, где можно использовать теплоту паров нагнетания немало. Наиболее часто применяемые — нагрев воды для системы горячего водоснабжения. При этом требуется насос для прокачки воды через теплообменник фреон/вода, сам теплообменник фреон/вода и емкость для аккумуляции нагреваемой воды. Плюсы данного варианта — использование бросового тепла, и значит, экономия ресурсов на нагрев воды. Минусы — необходимость закупки дополнительного оборудования (насос, теплообменник, емкость). К тому же емкость должна иметь ТЭНы для подогрева либо догрева воды — на случай остановки холодильной машины или ее частичной работы, когда выделенного тепла недостаточно для нагрева до нужного значения.
Также бросовое тепло паров нагнетания можно использовать на обогрев помещений через фанкойлы, на обогрев тепловых завес рамп, полов в системе защиты грунтов от промерзания, для предподогрева воды перед газовыми котлами в случае применения пара на предприятии, и еще на многие другие нужды в зависимости от специфики предприятия.
Итак, система холодоснабжения может решать широкий спектр вопросов на предприятиях и гражданских объектах — не только прямую задачу охлаждения, но и обогрева, отопления и просто распределения воздуха. Зачастую стоимость дополнительных вспомогательных материалов и оборудования несравнимо меньше эффекта экономии энергоресурсов в долгосрочной перспективе. Как и везде, важны комплексный подход к решению задач и грамотное экономическое обоснование решений.