Energy efficiency study of the system air conditioning with secondary cooling circuit

Full Text

Введение

В настоящее время наиболее актуальной проблемой является снижение глобального потепления. Поэтому в ряде стран принимаются на законодательном уровне специальные меры и ограничения, позволяющие сдерживать увеличение температуры климатической системы Земли в пределах 1,5 град. Одним из главных факторов, влияющих на глобальное потепление, является выброс углекислого газа в результате работы электростанций [1].

В свою очередь, из всех инженерных систем практически любых видов объектов капитального строительства с большим строительным объемом (многоквартирные жилые дома, общественные и административные здания, торгово-развлекательные центры) наибольшее потребление электроэнергии в процессе эксплуатации наблюдается у систем кондиционирования воздуха (СКВ). Наибольшее распространение в настоящее время получили СКВ чиллер-фанкойл (охладитель жидкости) на базе компрессоров спирального или винтового типа. Эффективность работы холодильной установки выражается коэффициентом энергопотребления EER. Он вычисляется как отношение холодопроизводительности системы к потребленной энергии. В современных СКВ EER варьируется от 2 до 6 единиц и зависит от условий эксплуатации. Увеличение коэффициента EER и поддержание его на высоком уровне является первостепенной задачей, начиная от стадии проектирования и заканчивая текущим и капитальным ремонтом СКВ [2−5, 12].

Энергоэффективность СКВ будет складываться из отношения холодопроизводительности системы к сумме затрат электроэнергии на привод насосов гидравлического контура, вентиляторов фанкойлов и компрессора чиллера. Более 90 % электроэнергии в системе чиллер-фанкойл затрачивается на привод компрессора. Поэтому особое внимание следует уделять увеличению EER, позволяющему уменьшить затраты электроэнергии и снизить выбросы углекислого газа электростанциями [1].

Материалы и методы

Одним из способов увеличения энергоэффективности СКВ чиллер-фанкойл является использование морской или речной воды для охлаждения конденсатора чиллера (охладителя жидкости), так как увеличение температуры конденсации приводит к повышенным затратам на сжатие хладагента вследствие повышения требуемого давления конденсации [6−10]. Температура конденсации зависит от температуры окружающей среды и, как правило, больше последней на 10-15 °С. То есть при воздушном охлаждении конденсатора чиллера при температуре окружающего воздуха 30-35 °С температура конденсации хладагента будет составлять не менее 45 °С.

В исследуемом варианте установки предлагается замена воздушного конденсатора на водяной, охлаждаемый морской водой. В качестве объекта капитального строительства примем гостиницу, которая должна располагаться в непосредственной близости к прибрежной зоне для исключения повышенных затрат на электроэнергию на привод насосов. Нагрузку на систему кондиционирования и холодоснабжения примем равной 500 кВт при условии расположения гостиницы в Краснодарском крае на побережье Черного моря.

 

В настоящее время известно две разновидности СКВ с охлаждением конденсатора: с первичным и вторичным охлаждающим контуром [9]. Примем схему СКВ с вторичным охлаждающим контуром (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема системы кондиционирования с вторичным охлаждающим контуром для охлаждения циркулирующей пресной воды с помощью морской воды и использования ее для нужд горячего водоснабжения: 1 – конденсатор; 2 − промежуточный теплообменник; 3 – теплообменник; 4 − циркуляционный насос; 5 − насос для подачи морской воды; 6 − самоочищающийся фильтр морской воды; 7 − мембранный бак; 8 − запорная арматура; 9 − обратный клапан; 10 − электромагнитный клапан

 

Применение вторичного охлаждающего контура позволяет увеличить ресурс конденсатора 1 и снизить трудоемкость его технического обслуживания благодаря предварительной фильтрации и наличию промежуточного контура теплообмена. Также при наличии дополнительного (вторичного) контура охлаждения конденсатора предоставляется возможность сэкономить тепловую энергию на нагрев холодной воды для нужд горячего водоснабжения. Вторичный охлаждающий контур возможно также использовать на период проведения ремонта и чистки теплообменника 2 и фильтра 6 первого контура.

Установка СКВ с вторичным охлаждающим контуром работает следующим образом: винтовой компрессор сжимает хладагент до значения величины давления, соответствующей температуре конденсации, и направляет хладагент в конденсатор 1, представляющий собой паяный теплообменник. Парообразный хладагент в конденсаторе 1 за счет контакта с водой вторичного контура, образованного между теплообменниками 1 и 2, охлаждается, полностью конденсируется и направляется в жидком состоянии в испаритель чиллера. Первичный контур обеспечивает забор морской воды, поддержание постоянного давления и расхода в теплообменнике 2 насосами 5, фильтрацию с помощью самоочищающегося фильтра 6 и теплообмен с вторичным контуром посредством пластинчатого теплообменника 2. В схеме предусмотрен отбор теплоты на нужды горячего водоснабжения с помощью пластинчатого теплообменника 3 и насоса 4 системы горячего водоснабжения здания.

Для исследования энергоэффективности СКВ при использовании конденсатора с водяным охлаждением необходимо учитывать, что температура конденсации будет зависеть от расхода и температуры морской воды. Также энергоэффективность будет зависеть от степени загрузки компрессора, т. е. от выбранной ступени производительности. Степень регулирования производительности необходимо учитывать для прогнозирования потребления электроэнергии в зависимости от количества посетителей гостиницы (загруженности номеров) и температуры наружного воздуха, которая сильно отличается в течение суток.

Распределение температуры воды в г. Сочи в период с 1 по 30 июня представлено на рис. 2 и в табл. 1 [11].

 

Рис. 2. Средняя расчетная температура морской воды в июне

 

Таблица 1. Расчетная температура воды в июне

День	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Температура морской воды, ˚С	18,6	19,1	18,8	18,4	19,1	18,2	18,5	19,2	20,3	21,2
День	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
Температура морской воды, ˚С	22,3	21,8	21,4	22,4	22,6	22,9	23,1	22,7	22,8	23,3
День	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
Температура морской воды, ˚С	23,6	23,3	23,4	23,9	24,6	24,9	25,2	25,6	26,2	25,9

 

На основании уравнения теплового баланса [1], характера движения теплоносителя, температуры на входе и выходе из теплоносителей первичного и вторичного контура распределились следующим образом (рис. 3−5):

 

Рис. 3. Расчетная температура воды первичного и вторичного контура (июнь)

 

Рис. 4. Расчетная температура воды первичного и вторичного контура (июль)

 

Рис. 5. Расчетная температура воды первичного и вторичного контура (август)

 

Выполним многофакторный эксперимент 3² по трем летним месяцам (июнь, июль, август). В качестве факторов выберем среднюю температуру морской воды и ступень производительности компрессора чиллера. Уровни варьирования факторов и план полного факторного эксперимента одного из трех месяцев приведены в табл. 2 и 3.

 

Таблица 2. Факторы, интервалы и уровни их варьирования (июнь)

Уровни и интервалы варьирования	Факторы
	Температура воды Х1,°C	Ступень регулирования производительности Х2, %
Основной уровень, х1=0	22	75
Интервал варьирования, I1	4	25
Верхний уровень, х1=1	26	100
Нижний уровень, х1= -1	18	50

 

Таблица 3. План полного факторного эксперимента 3² (июнь)

Номер опыта	Кодовый масштаб		Натуральный масштаб
	Х1	Х2	Х1	Х2
1	-1	-1	18	50
2	0	-1	22	50
3	1	-1	26	50
4	-1	0	18	75
5	0	0	22	75
6	1	0	26	75
7	-1	1	18	100
8	0	1	22	100
9	1	1	26	100

 

Результаты

Проведенный многофакторный эксперимент 3² позволил установить влияние температуры морской воды и степень загрузки компрессора чиллера на показатель EER энергоэффективности системы кондиционирования воздуха, оборудованной вторичным охлаждающим контуром. В результате проведения многофакторного эксперимента получены данные и уравнения регрессии, показывающие зависимость EER от температуры морской воды и степени загрузки компрессора (табл. 4).

 

Таблица 4. Уравнения регрессии, полученные в результате многофакторного эксперимента исследования EER СКВ чиллер-фанкойл с вторичным охлаждающим контуром

Месяц	Параметр оптимизации	Уравнение регрессии
Июнь	EER	Y1 = 5,279 – 0,628X1 + 0,052X2 + 0,231X22
Июль	EER	Y1 = 4,837 – 0,457X1 + 0,053X2 + 0,119X22
Август	EER	Y1 = 5,057 – 0,463X1 + 0,056X2 + 0,134X22

 

Поверхности отклика, полученные на основании уравнений регрессии исследования энергоэффективности СКВ чиллер-фанкойл с вторичным охлаждающим контуром, показаны на рис. 6−8.

 

Рис. 6. Результаты многофакторного исследования EER в июне

 

Рис. 7. Результаты многофакторного исследования EER в июле

 

Рис. 8. Результаты многофакторного исследования EER в августе

 

Данные модели могут быть использованы для целей прогнозирования работы систем СКВ для определения энергозатрат в зависимости от температуры воды, а также требуемой ступени производительности компрессора холодильной установки.

Дискуссия

Проведенный полнофакторный эксперимент позволил установить влияние температуры морской воды за три месяца эксплуатации СКВ чиллер-фанкойл и ступени регулирования производительности компрессора на коэффициент энергоэффективности СКВ – EER. В ходе проведенных расчетов установлено, что самое минимальное значение отклика EER = 4,63 (июнь), EER = 4,37 (июль), EER = 4,6 (август) наблюдается при температуре морской воды t_воды = 26 °С (июнь), t_воды = 28 °С (июль), t_воды = 26,5 °С (август) и ступени производительности 75 % (июнь, июль, август).

Максимальное значение отклика EER = 6,11 (июнь), EER = 5,45 (июль), EER = 5,69 (август) наблюдается при температуре морской воды t_воды = 18 °С (июнь), t_воды = 22 °С (июль), t_воды = 20,5 °С (август) и ступени производительности 100 % (июнь, июль, август).

Выявлено, что минимальное значение EER наблюдается при 75 % производительности компрессора. Это в первую очередь связано с технологическим процессом сжатия хладагента в винтовом компрессоре. Поэтому при изменении максимальной степени сжатия на 25 % наблюдается наиболее выгодное потребление электрической энергии компрессором.

Выводы

На основании уравнения регрессии и наглядного изображения поверхности отклика можно сделать заключение, что наибольшее влияние на коэффициент энергоэффективности СКВ – EER оказывает температура морской воды. Ступенчатое регулирование производительности компрессора позволяет сгладить неравномерное потребление «холода» в течение дня, в зависимости от пиковых значений температур наружного воздуха.

Полученные данные результатов многофакторного исследования позволяют сделать вывод о том, что температура морской воды будет оказывать значительное влияние на энергоэффективность СКВ чиллер-фанкойл. Результаты экспериментов могут быть использованы при конструировании и последующей эксплуатации усовершенствованных систем кондиционирования с конденсатором, охлаждаемым морской водой.

About the authors

Dmitry A. Edukov

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: inbox163@inbox.ru

Academy of Civil Engineering and Architecture
PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Heat and Gas Supply and Ventilation Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Olga G. Saimanova

Samara State Technical University

Email: tosp@samgtu.ru

Academy of Civil Engineering and Architecture
PhD in Economics, Associate Professor of the Technology and Organization of Construction Production Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Vasily A. Edukov

Samara State Technical University

Email: edukov-v@yandex.ru

Academy of Civil Engineering and Architecture
PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Heat and Gas Supply and Ventilation Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

References

Supplementary files