Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 12 2013
Михаил БАЛКАРОВ  10 декабря 2013

Кондиционеры с водяным и гликолевым охлаждением

Системы кондиционирования с водяным или гликолевым охлаждением конденсатора – вовсе не экзотика, хотя встречаются не слишком часто.

Михаил БАЛКАРОВ, технический эксперт, Emerson Network PowerВ последнее время их популярность выросла, поскольку в моделях с косвенным свободным охлаждением используется тот же принцип работы.

Мы, как обычно, рассмотрим некоторые тонкие моменты, связанные с проектированием и применением таких машин.

Конструкция

В первую очередь следует упомянуть путаницу в терминологии. Кондиционеры на чиллерной воде (CW) – это простые теплообменники в корпусе с вентиляторами. В свою очередь, гликолевые (G) и водяные (W) системы устроены как полный фреоновый кондиционер, но внешний блок в них не выведен на улицу, а представляет собой пластинчатый теплообменник фреон/жидкость. Кстати, кондиционеры с воздушным охлаждением можно самостоятельно переделать в аналогичную водяную модель, добавив подходящий теплообменник к выходу фреоновых магистралей. Некоторые производители относят к отдельной группе гликолевые модели и к отдельной – водяные. В этом случае различие между ними не в принципе (и те и другие работают на горячей жидкости), а в конструкции теплообменников. На водяных моделях теплообменник допускает более грязный теплоноситель – значит, требуется большее расстояние между пластинами или возможность разборки для очистки.

Принципиальная схема такого кондиционера показана на рис. 1: теплообменник конденсатора 2 находится внутри кондиционера. Для отвода тепла используется вторичный контур, образуемый прокачиваемой через теплообменник жидкостью. Тепло в гликолевой схеме сбрасывается в раствор гликоля, циркулирующий по замкнутому контуру благодаря работе насоса 9 и охлаждаемый на улице в теплообменнике 8 (так называемая сухая градирня). Вентилятор 7 регулирует уровень охлаждения, управляя потоком воздуха. Трехходовой автоматический клапан 10 поддерживает достаточно высокую температуру конденсации фреона, расширительный бак 11 компенсирует рост давления в системе при нагреве жидкости.

Остальная часть кондиционера эквивалентна обычной фреоновой системе с воздушным охлаждением: компрессор 1 сжимает и нагревает газ, в теплообменнике конденсатора 2 газ охлаждается и превращается в жидкость. Через расширительный клапан 3, управляемый по давлению и температуре теплообменника испарителя 4, жидкость впрыскивается в испаритель. Именно для обеспечения этого процесса давление конденсации не должно быть слишком низким. Отнимая тепло у воздуха, прогоняемого вентиляторами 6 внутреннего блока, жидкость испаряется в испарителе 4, превращаясь в газ, и засасывается компрессором 1. Фильтр со смотровым стеклом и индикатором 5 защищает ТРВ и выступает как средство экспресс-диагностики.

Плюсы и минусы

К числу преимуществ гликолевой и водяной схем относится, во-первых, гибкость при выборе расположения и количества внешних блоков. Отсутствуют ограничения по длине трасс и перепадам высот: на практике даже расстояния в 1000 м находятся вполне в пределах разумного. Во-вторых, простота монтажа не требует высокой квалификации работников, особенно если сам кондиционер поставляется с заводской заправкой фреоном.

 Чем измеряется эффективность

SEER (Seasonable Energy Efficient Ratio) – среднегодовое потребление электроэнергии (в кВт) относительно количества производимого холода в кВт. Зависит от климата в месте инсталляции системы. Для величин в статье приняты условия средней полосы РФ.

PUEмеханич = 1 + 1/SEER  

В случае водяной схемы возможна утилизация тепла, хотя следует понимать, что это тепло низкопотенциальное. Оно неплохо послужит для подготовки горячей воды или работы теплых полов, а вот стандартные калориферы работать не будут, поскольку рассчитаны на гораздо более горячий теплоноситель.

К числу преимуществ относится и меньшее количество фреона в помещении, чем при воздушной схеме охлаждения. Соответственно меньше вероятность утечек фреона из-за некачественного монтажа.

Такая характеристика, как возможность работы при низких температурах наружного воздуха, определяется ограничениями внешней градирни, а не кондиционера.

Из недостатков гликолевой и водяной схем в первую очередь отметим заметное усложнение и удорожание системы по сравнению с воздушной – примерно на 30–40%. Далее, за счет дополнительного контура снижаются КПД и максимальная допустимая рабочая температура внешнего воздуха. Практически SEER уменьшается до 2,5 для гликолевой схемы с сухой градирней.

Как вариант повышения энергоэффективности можно рассмотреть комбинированные модели со свободным охлаждением (схема такой машины приведена на рис. 2). Пока воздух на улице теплый, работает водяная схема. Как только температура наружного воздуха снижается в достаточной степени, компрессор останавливается и для охлаждения внутреннего воздуха используется второй теплообменник 12, устроенный так же, как в моделях на чиллерной воде. Клапан 13 (в этой схеме двухходовой) служит для регулировки подачи теплоносителя. Градирня в данном случае используется для производства жидкости с низкой температурой.

SEER для таких машин выше, чем для моделей с воздушным охлаждением (у которых его значение около 3), но не намного. Можно ожидать его значений около 3,5, поскольку все равно нужно учитывать расходы на круглогодичную работу насоса и неэффективность работы компрессоров в теплом сезоне.

Еще один недостаток рассматриваемых схем состоит в том, что для обеспечения бесперебойной работы в компрессорном режиме требуются мощные ИБП.

Энергоэффективность

Вернемся к вопросу об энергоэффективности. Адиабатические системы, полузамкнутые с мокрой градирней и форсуночные с сухой, могут работать практически при любой температуре, лишь бы воздух был достаточно сухим для испарения воды. SEER в таких условиях, разумеется, заметно выше. Проблема в том, что стоимость системы при этом растет еще больше и появляется зависимость от внешнего водоснабжения.

По мнению автора, для проектов с фреоновыми кондиционерами период окупаемости любых вариантов косвенного жидкостного свободного охлаждения слишком долог, чтобы иметь практический смысл. Косвенное свободное охлаждение можно и нужно использовать только с чиллерными системами.

Схема подключения

Производители в руководстве пользователя обычно приводят достаточно простую типовую схему подключения (рис. 3). Тепло от кондиционера нагревает раствор гликоля до 40–50°С, после чего насос перекачивает его на уличный теплообменник (сухую градирню), где температура теплоносителя снижается на 5–10°С, и после этого он возвращается в кондиционер. Вентиляторы градирни управляются по поддержанию температуры жидкости на выходе. Если у кондиционеров присутствует режим свободного охлаждения, то у конт-роллера вентиляторов градирни должна быть вторая уставка, активируемая кондиционером при достаточно низкой температуре воздуха. При этом градирня переходит в режим подачи теплоносителя относительно низкой температуры – от +5 до +10°С.

Расширительный бак служит для того, чтобы поддерживать постоянное давление в системе, независимо от теплового расширения раствора, которое у гликолей весьма велико. Фильтр защищает теплообменник кондиционера, краны обеспечивают обслуживание, заправку и слив раствора.

Все основные элементы отсекаются кранами для удобства замены и ремонта. Присутствуют клапаны для выпуска воздуха, слива и заправки системы.

Схема проста и работоспособна, но... Для наших применений часть кондиционеров, как правило, являются резервными и не работают. Раствор теплоносителя при этом начинает остывать, что и вызывает проблемы. Во первых, в системах всех производителей жестко ограничивается температура жидкости на входе, в лучшем случае не ниже +5°С. Во вторых, растворы гликолей при низких температурах невозможно перекачивать, поскольку их вязкость довольно велика. Причем чем выше концентрация (неопытные проектировщики пытаются подобрать концентрацию так, чтобы система не замерзала), тем при более высоких температурах начинает расти вязкость. Смысл применения гликоля не в том, чтобы система не замерзала, а в том, чтобы при аварийном замерзании не разорвало трубы. Для этого, кстати, дополнительно требуется, чтобы при замерзании в системе оставался открытый объем. Так что надолго отсекать расширительный бак нельзя ни при каких условиях.

На рис. 4 приведен пример правильной реализации системы из двух резервируемых кондиционеров для резко континентального климата. Краны и прочая вспомогательная арматура на схеме не показаны, чтобы не загромождать картину.

Избыток градирен обеспечивает резервирование и работу во всем диапазоне температур. При летнем максимуме они нагружены как 3+1. При зимнем минимуме – как 1+1, при этом с определенного граничного значения лишние градирни просто отсекаются клапанами и замораживаются на всю зиму. Еще одна функция клапанов – не допустить слишком низкой температуры при подаче на кондиционер. Желательно использовать насосы с переменным расходом, чтобы компенсировать изменения гидравлического сопротивления.

Через все работающие градирни идет постоянный проток теплоносителя, что гарантирует отсутствие в системе слишком холодного гликоля.

Все клапаны и краны желательно располагать в помещении, поскольку низкие температуры никак не способствуют продлению их срока службы. Возможно, потребуется заменить штатные вентиляторы градирен на модели низкотемпературного исполнения. Кроме того, напомним, что современные EC-вентиляторы в принципе не гарантируют работоспособность при температуре ниже –20°С. Соответственно двигатели будут обычные асинхронные, а для регулирования оборотов потребуется тиристорный блок или инвертор. Его также следует размещать внутри помещения, как и температурные датчики.

Основное достоинство моделей кондиционеров, имеющих свободное охлаждение, в том, что их можно настроить на одновременную работу в условиях зимнего режима. Это позволит обойтись без сложных схем с общими градирнями. Тем не менее наличие в схеме дополнительного трехходового клапана поддержания минимума температуры и в этом случае крайне рекомендуется.  

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!
Поделиться: