Энергосбережение в системах вентиляции, кондиционирования и теплохолодоснабжения общественных зданий

В настоящее время в число обязательных разделов проектов вентиляции, кондиционирования воздуха и теплохолодоснабжения входит раздел «Мероприятия по энергосбережению». Разработка этого раздела вызывает у проектировщиков определенные трудности, поскольку они считают, что в этом разделе надо отражать какие-то необычные, принципиально новые решения.

В действительности есть целый набор известных решений, которые позволяют значительно сократить энергопотребление системами ОВК без каких-либо сложностей.

Некоторые отечественные специалисты считают, что рециркуляция воздуха вообще не является энергосберегающим мероприятием, однако такое мнение является ошибочным. Центральные СКВ с переменной первой рециркуляцией запроектированы НИЦ «Инвент» для крупного мебельного центра «Гранд-2» с торговой площадью 80 000 кв. м. в г. Химки (Московская область) и для ледового дворца «Айсберг» с трибунами на 12 00 зрителей в г. Сочи.

Энергоэффективность первой рециркуляции наглядно видна на рис. 1, на котором показан процесс обработки воздуха в холодный период года для «Гранд-2» и в теплый период — для «Айсберга». Несложно увидеть, что в кондиционерах на «Гранд-2» вообще нет воздухонагревателя первого подогрева, т.е. потребление теплоты равно нулю, а расход холода в кондиционерах «Айсберга» определяется по разности энтальпий JCM - Jp, которая значительно меньше, чем разность JH - Jp.

Значительно сократить потребление теплоты, холода и электроэнергии системами ОВК в период их эксплуатации можно за счет функционального разделения систем. Например, на катке «Айсберг» предусмотрены четыре отдельных холодильных центра, которые четко завязаны с оборудованием, потребляющим холод в разные периоды года. Один холодильный центр (низкотемпературный) предназначен только для ледовой арены, причем в нем установлены две холодильные машины, которые работают только при заливке льда. В режиме поддержания льда работает одна из этих машин, что позволяет почти в два раза уменьшить потребление электроэнергии в течение года.

Отдельные холодильные центры предусмотрены для кондиционеров, подающих воздух в зону трибун, и кондиционеров, которые подают воздух непосредственно на ледовую арену. Такое разделение обусловлено тем, что для второй группы кондиционеров требуется хладоноситель с более низкой температурой (для более глубокой осушки воздуха), чем для первой группы, к тому же кондиционеры, обслуживающие трибуны при отсутствии зрителей, могут быть переведены в дежурный режим или вообще отключены, и соответственно будет изменяться и режим работы холодильного центра.

Во многих современных общественных зданиях есть помещения, в которых необходимо поддерживать нормируемую относительную влажность воздуха в холодный период, и при этом тепловыделения значительно превышают теплопотери. Обычно для охлаждения воздуха в таких помещениях используют фанкойлы, к которым подается холодная вода, или от холодильных машин (что нецелесообразно в холодный период года), или от промежуточных пластинчатых теплообменников, в которых вода охлаждается раствором этиленгликоля, поступающим от сухих охладителей (dry-cooler). Относительную влажность воздуха в помещении обеспечивает центральный кондиционер, в котором наружный воздух вначале перегревается в воздухонагревателе первого подогрева, а затем адиабатически охлаждается и увлажняется до нужного влаго-содержания и подается в помещение. Описанное традиционное решение требует значительных энергетических и капитальных затрат. Для их уменьшения специалистами НИЦ «Инвент» предложена принципиально новая схема СКВ с центральным кондиционером и местными доводчиками — адиабатными увлажнителями. Данная схема подробно описана в [1], поэтому в настоящей статье рассмотрим только построение процесса на J-d диаграмме. Как видно, наружный воздух в предлагаемой схеме нагревается всего до 13,8 °С, тогда как в традиционной схеме воздух надо нагреть до 36 °С, т.е. расход теплоты на первый подогрев в новой схеме на 50% меньше, чем в традиционной, и, кроме того, сокращаются энергозатраты на увлажнение, т. к. в адиабатных доводчиках требуется меньшая глубина увлажнения, а затраты энергии в вентиляторах доводчиков в несколько раз меньше, чем суммарные затраты в сухих охладителях, в двух группах насосов (этиленгликоль и вода) и в фанкойлах.



Еще одну энергоэффективную схему СКВ мы применили в проекте крупного торгового центра площадью 280 000 кв.м на Варшавском шоссе в г. Москве. В частности, это схема с косвенным испарительным охлаждением наружного воздуха в центральных кондиционерах. Конструктивное решение схемы и построение процесса обработки воздуха подробно описаны в [2], поэтому отмечу только полученные результаты.

Предложенное решение позволило охладить наружный воздух от 30 до 23 °С, снизить холодильную нагрузку на хла-доцентр примерно на 2000 кВт и, соответственно, уменьшить расход электроэнергии на 600 кВт уже на стадии получения технических условий на подключение. Напомню, что подключение 1 кВт электроэнергии в этом районе Москвы стоит 100 000 рублей, т.е. суммарная экономия для заказчика в денежном выражении составила 60 млн рублей, что значительно больше стоимости проекта. Системы с косвенным и двухступенчатым испарительным охлаждением были хорошо известны еще в 70-е годы прошлого столетия, но из-за отсутствия энергоэффективного отечественного оборудования не получили широкого распространения.

Сегодня ситуация с оборудованием совершенно иная, и это заставляет активно переосмысливать известные, но, к сожалению, забытые решения.

В настоящей статье я не буду рассматривать вопросы, связанные с традиционными, известными утилизаторами теплоты и холода, так как они достаточно подробно описаны в технической литературе и в каталогах компаний. Замечу только, что в некоторых проектах мы успешно применяем схемы с утилизацией теплоты, выделяющейся в водоохлаждаемых конденсаторах холодильных машин, т.е. теплоты из системы оборотного водоснабжения. Например, на катке «Айсберг» эта теплота используется для защиты от промерзания бетонного основания ледовой арены и для таяния снега, в одном из крупных офисных центров в г. Москве теплота от конденсаторов используется для предварительного подогрева наружного воздуха в центральных прямоточных СКВ и холодной воды в системе горячего водоснабжения.

Значительный практический интерес представляет использование теплоты оборотной воды системы централизованного теплоснабжения. Формально в большинстве городов России в сети теплоснабжения принят температурный график 150/70 °С, однако фактически, например, в Москве, тепловые сети не поднимают температуру воды выше 128 °С, так как при более высокой температуре и, соответственно, давлении резко возрастает опасность аварий. Таким образом, 1 кг транспортируемой в сети воды вместо 336 кДж доносит до потребителя всего 243 кДж теплоты, т. е. почти на 30% меньше.

Тепловые сети штрафуют потребителей за возврат воды с температурой выше графика регулирования, но каких-либо нормативных ограничений по снижению температуры обратной воды ниже графика регулирования сегодня нет.
Более того, во времена СССР было принято постановление правительства о том, что теплота, полученная потребителем за счет снижения температуры обратной воды ниже графика регулирования, должна была отпускаться бесплатно. Сегодня такого постановления нет, и рассчитывать на его появление в условиях рыночной экономики бессмысленно, но вот внедрение пониженного тарифа за использование теплоты обратной воды требует специального изучения и реализации, поскольку, как показали наши многочисленные обсуждения данного вопроса со специалистами тепловых сетей Москвы, Казани, Волгограда и Санкт-Петербурга, понижение температуры обратной воды экономически выгодно как генерирующим, так и транспортирующим организациям.

В самом деле, переход на график 128/50 °С дает большую экономию теплоты и электроэнергии, поскольку на перекачку только 1 Гкал теплоты требуется не менее 25 кВт электроэнергии, и это очень высокий показатель. Данное решение представляется особенно актуальным в связи с появлением оборудования, которое позволяет нагревать и одновременно увлажнять наружный воздух с отрицательной температурой низкопотенциальным теплоносителем с температурой до 45 °С.

Важным фактором повышения энергоэффективности систем ОВК является выбор энергоэффективного оборудования. Например, можно заложить в проекте чиллеры с воздушным охлаждением конденсатора на хладоне R407, у которых холодильный коэффициент равен 2,8-3 кВт/кВт, и забыть об экономии энергии, а можно запроектировать холодильный центр с современными чиллерами с водоохлаждаемыми конденсаторами на хладоне R134а, у которых холодильный коэффициент равен 6-6,5 кВт/кВт. Да, это значение с учетом энергозатрат в градирнях и насосах уменьшится до 4,5-4,8 кВт/кВт, но все равно будет значительно больше трех. Кстати, уменьшить энергозатраты можно даже за счет правильного выбора типа конденсатора (пластинчатый, кожухотрубный) и температуры хладоносителя, которую можно повышать в зависимости от глубины охлаждения воздуха.

И, в заключение, коротко о разработанных НИЦ «Инвент» тепломассообменных аппаратах, которые производит по индивидуальным заказам Волгоградская компания «ТЭК».

Роторный пластинчатый тепломассо-обменник (РПТМ) уже был представлен в журнале «АВОК Северо-Запад». Роторный пластинчатый утилизатор теплоты (РПУТ) подробно описан в работах. Поэтому рассмотрим только форсуночную камеру. В камере применены центробежные форсунки двустороннего распыления с каплеотбойными цилиндрами, образующие факелы распыла, направленные горизонтально поперек потока воздуха.

Такое решение позволило:

— повысить эффективность обработки воздуха;
— уменьшить длину камеры с 2,4 до 1,5 м;
— снизить энергозатраты на распыливание воды (для камеры с расходом воздуха 125 000 куб.м/ч требуется насос с электродвигателем мощностью 15 кВт, вместо 55 кВт, как для отечественных камер КТЦ);
— ликвидировать входной каплеуловитель, что обеспечивает доступ к форсункам со стороны секции обслуживания во время работы кондиционера и насоса, и тем самым упрощает и резко сокращает трудоемкость чистки форсунок;
— в несколько раз уменьшить количество стояков.

Предложенное решение можно реализовать на существующих камерах отечественного и зарубежного производства производительностью от 5 до 250 тыс. куб. м/ч.

Новые камеры внедрены в торговом центре «Три кита» в Москве и в прядильном цехе Камышинского хлопчатобумажного комбината.

М. Г. Тарабанов, директор НИЦ «Инвент», вице-президент НП АВОК