Системы кондиционирования воздуха с аккумулятором холода.

При проектировании систем кондиционирования общественных зданий часто используется схема холодоснабжения с применением чиллеров и фэнкойлов. Холодильные машины рассчитываются на покрытие пиковых тепловыделений в здании. При этом пиковые нагрузки зачастую являются кратковременными и основное время холодильные машины работают на 40-60% от своей максимальной мощности. Суммарное время наработки при полной мощности холодильных машин часто не превышает 100 часов в год. Фактически заказчик вынужден нести затраты на дополнительные мощности оборудования, которые используются с низким коэффициентом загрузки. Кроме того немаловажным моментом является подключение электрических мощностей для запитывания холодильной станции. В таблице 1 показаны тарифы на подключение электрических мощностей в Москве. Типичной является ситуация, когда инвестиции в подключаемые электрические мощности сопоставимы со стоимостью оборудования холодильной станции и его монтажа.

Табл.1. Размер платы за присоединение к электрическим сетям МОЭК (2010г.).

Территориальные границы	Уровень напряжения	Размер платы, руб./кВА (без НДС)
В пределах садового кольца	Среднее	100720
	Низкое	113207
Между садовым и третьим транспортным кольцом	Среднее	90118
	Низкое	101291
Между третьим транспортным кольцом и МКАД	Среднее	77729
	Низкое	87367
За пределами МКАД	Среднее	60648
	Низкое	68168

Эфффективным решением по снижению затрат является включение в схему холодильной станции аккумулятора холода. Это решение несмотря на очевидные преимущества, которые далее будут показаны, все еще не находит широкого применения в нашей стране. Рассмотрим пример, где сравниваются инвестиции в случае традиционной холодильной станции и станции с аккумулятором холода. Взят потребитель с пиковым тепловыделением в 1000кВт. В табл.2 представлено сравнение инвестиционных затрат для традиционной системы и системы с аккумулятором. Аккумулятор выбран с коэффиентом замещения 55%, то есть покрывает более половины дневной нагрузки. Применение аккумулятора холода позволяет снизить суммарные инвестиционные затраты более чем на 40%. В качестве тарифа за присоединение электрических мощностей взят самый низкий тариф для Москвы, для зоны за пределами МКАД, который составляет ~1.500 Евро/кВА (см.табл.1).

Табл.2. Сравнение инвестиций.

	Традиционная система	Система с аккумулятором
Оборудование	Холодильные машины по 500кВт 2шт. Воздухоохладители по 670кВт 2шт. Итого: 400.000 Евро	Холодильная машина 450кВт, воздухоохладитель 600кВт - 180.000 Евро Дополнительные насосы, теплообменник и материалы - 35.000Евро Аккумулятор холода 46м3 - 50.000Евро Итого: 265.000 Евро
Подключение электрических мощностей	350кВт, 525.000 Евро	158кВт, 237.000 Евро
Всего	925.000 Евро	502.000 Евро

Помимо снижения начальных инвестиционных затрат применение аккумулятора холода позволяет снизить эксплуатационные затраты. При использовании на объекте многотарифных счетчиков возможно значительно снизить оплату за электроэнергию. В табл.3 показаны тарифы для Москвы при использовании многотарифных счетчиков. Большая часть потребляемой энергии при применении аккумулятора приходится на ночное время, когда холодильные машины заряжают аккумулятор. Это следует учитывать при проектировании таких систем и стараться «уложить» время зарядки аккумулятора в период действия самого низкого ночного тарифа. Это позволит уменьеньшить оплату за электроэнергию, потребляемую холодильной станцией на 20-40%.

Табл.3. Тарифы на электроэнергию в Москве.

Период суток	Тариф, коп/кВт*ч
Двухтарифный учет
день (с 7-00 до23-00)	242
ночь (с 23-00 до 7-00)	61
Трехтарифный учет
ночь (с 23-00 до 7-00)	61
пик (с 7-00 до 10-00 и с 17-00 до 21-00)	242
п/пик (с 10-00 до 17-00 и с 21-00 до 23-00)	204

Авторами разработана и испытана оригинальная конструкция аккумулятора холода. Аккумуляция холода происходит за счет использования скрытой теплоты замерзания воды. Это позволяет получать значения плотности аккумуляции до 70 кВт*ч/м3. Аккумулятор представляет собой трубчатый теплообменник, погружаемый в ёмкость с водой. Теплообменник состоит из отдельных кассет, которые устанавливаются в емкости параллельно на фиксированном расстоянии друг от друга. Кассеты объединяются коллекторами в единый теплообменник. Каждая кассета представляет собой змеевик из труб, определенным образом уложенных и закрепленных на гофрированном алюминиевом листе (см.рис.1).

Рис.1 Кассета аккумулятора холода.

Во время зарядки аккумулятора по трубкам теплообменника подаётся охлажденный до -5...-8оС раствор этиленгликоля. На поверхности трубок начинает намерзать лёд. Зарядка продолжается до тех пор, пока вся вода в межтрубном пространстве теплообменника не перейдет в твердое состояние. Во время разрядки раствор этиленгликоля имеет температуру на входе +10оС и отдавая тепло льду, постепенно растапливает его. Разработана физико-математическая модель режимов работы аккумулятора холода и соответствующая программа расчета аккумулирования.
На рис.2 представлены температурные графики испытаний разработанного аккумулятора холода в режиме зарядки. Время полной заморозки всего объема воды в аккумуляторе от температуры 23оС не превышает 9 часов. Полной зарядкой аккумулятора считается момент, когда показания термопары, установленной поседине между трубками соседних кассет становятся ниже 0 оС. Расстояние между стенками трубок соседних кассет составляет 80 мм, поэтому контрольная термопара устанавливается на расстоянии 40 мм. Стоит отметить что в условиях работы аккумулятора в реальной системе начальная температура воды в режиме не будет превышать 12-14°С, что соответствует температуре обратки в системе. При таких условиях время полной зарядки не превысит 8 часов. Это означает что полная зарядка аккумулятора может быть осуществлена во время действия ночного тарифа, без захвата утреннего и вечернего пикового тарифа. Ночной тариф в 4 раза ниже пикового и в 3,3 раза ниже дневного.

Рис.2 Температурные зависимости при испытаниях аккумулятора холода

Как уже указывалось выше, на сегодняшний день опыт применения аккумуляторов холода в нашей стране не столь широк. Авторами при проектировании торгового комплекса «Castorama» площадью 9000м2 применен аккумулятор холода емкостью 50м3 теплоемкостью 2600кВт*ч. И это позволило снизить мощность холодильных машин и подключаемых к ним электрических мощностей на 30%.

Рис.3 Схема холодильной станции торгового комплекса «Castorama»

В настоящее время в рамках государственного контракта с министерством образования и науки ведутся работы по освоению опытно-промышленного производства аккумуляторов холода для систем кондиционирования воздуха емкостью 90, 270, 480 кВт*ч. По модульному принципу из них можно будет скомпоновать аккумуляции холода необходимой емкости.
Снижению нагрузки на систему холодоснабжения также способствовало применение эффективных приточно-вытяжных агрегатов с утилизацией теплоты вытяжного воздуха. Благодаря оптимизации воздухораспределения компактными струями по схеме «сверху-вниз» удалось оптимизировать количество агрегатов и получить значительное снижение инвестиционных затрат. По итогам всероссийского конкурса по экологическому девелопменту и энергоэффективности «GREEN AWARDS» в 2011г. проект был признан победителем в номинации «торговая недвижимость».
Подводя итог, стоит отметить, что применение аккумуляторов холода помимо собственных преимуществ, может сочетаться со многими другими энергоэффективными решениями, такими как утилизация теплоты конденсации хладагента, рекуперация теплоты вытяжного воздуха и т.д. Применение всех этих решений вместе позволяет вывести эффективность работы системы кондиционирования на качественно новый уровень.

АВТОРЫ:

А.Л. Наумов – генеральный директор ООО «НПО ТЕРМЭК»
Ю.М.Селиверстов – генеральный директор ООО «ТехноИнж»
В.В. Ефремов – аспирант ОАО «ЦНИИпрозданий»
Г.В.Протасов – ведущий инженер ООО «НПО ТЕРМЭК»