Есть причина, по которой на крупных объектах почти всегда используются чиллеры с водяным охлаждением. Дело не в сложности или первой стоимости - дело в эффективности. Хорошо спроектированный промышленный чиллер с водяным охлаждением может потреблять значительно меньше электроэнергии, чем агрегат с воздушным охлаждением, выполняющий ту же работу. За годы эксплуатации эта разница превращается в реальные деньги.
Изучив счета за электроэнергию на заводах, перешедших с воздушного охлаждения на водяное, трудно не заметить экономию. Но почему именно они более эффективны? Ответ связан с тем, как отводится тепло и как работают компрессоры.
Это взгляд на физику и инженерию, лежащую в основе того, почему промышленный чиллер с водяным охлаждением выигрывает за счет эффективности.
Основная физика эффективности промышленного чиллера с водяным охлаждением
Эффективность чиллера сводится к одному: насколько интенсивно должен работать компрессор, чтобы переместить тепло от испарителя к конденсатору. Чем ниже температура конденсатора, тем меньше работа компрессора.
Воздух и вода в качестве теплоносителя
Воздух - плохой теплоноситель по сравнению с водой. У него низкая теплопроводность и низкая удельная теплоемкость. Вода, напротив, отлично переносит тепло. Именно поэтому в автомобильных радиаторах используется вода (или охлаждающая жидкость), а не просто воздух.
Промышленные чиллеры с водяным охлаждением используют это преимущество. Для поглощения тепла хладагента в конденсаторе используется вода, которая подается из градирни при температуре около 85°F. В чиллере с воздушным охлаждением используется окружающий воздух, температура которого в жаркий летний день может составлять 95°F или выше, а воздух не так эффективно поглощает тепло.
Температура влажной лампы по сравнению с температурой сухой лампы
Это ключевая концепция. Сайт чиллер с воздушным охлаждением ограничивается температурой сухого термометра - фактической температурой воздуха. В день с температурой 100°F воздух имеет температуру 100°F. Температура конденсации чиллера будет не менее 100°F, обычно выше.
Однако охладитель с водяным охлаждением ограничен температурой мокрого термометра - температурой воздуха, насыщенного влагой. Градирни охлаждают воду за счет испарения, а испарение может снизить температуру воды до уровня, близкого к температуре мокрого термометра. В день с сухой температурой 100°F температура мокрого термометра может составлять всего 75°F. Это на 25°F ниже температуры конденсации.
Более низкая температура конденсации означает более низкий коэффициент давления компрессора. Более низкий коэффициент давления означает меньшую работу. Меньше работы - меньше электроэнергии.
Как температура конденсации влияет на работу промышленного чиллера с водяным охлаждением
Приведем некоторые цифры. Типичный промышленный чиллер с водяным охлаждением может работать с температурой конденсации 95°F в теплый день. Чиллер с воздушным охлаждением в тот же день может работать при температуре конденсации 115°F.
| Параметр | Водяное охлаждение | Воздушное охлаждение | Разница |
|---|---|---|---|
| Температура конденсации | 95°F (35°C) | 115°F (46°C) | На 20°F выше |
| Давление конденсации (R134a) | ~120 psig | ~170 psig | 50 фунтов на кв. дюйм выше |
| Мощность компрессора (относительная) | 1.0 | 1.25-1.35 | 25-35% больше энергии |
Разница в температуре конденсации в 20°F напрямую приводит к увеличению мощности компрессора. Чиллер с воздушным охлаждением работает интенсивнее, прогоняя хладагент под более высоким давлением.
Влияние жаркой погоды
Разрыв в эффективности увеличивается с ростом температуры наружного воздуха. В мягкий день при температуре 75°F чиллер с воздушным охлаждением может быть достаточно эффективным. В день с температурой 105°F он испытывает трудности. Давление конденсации повышается. Компрессор работает интенсивнее. Чиллер может даже выйти из строя - он производит меньше холода, потребляя больше энергии.
Промышленный чиллер с водяным охлаждением, напротив, имеет лишь небольшое снижение эффективности в жаркие дни. Температура мокрого термометра повышается гораздо меньше, чем сухого. В день с сухой температурой 105°F температура мокрого термометра может составлять 78°F. Градирня по-прежнему подает воду температурой около 85°F. Охладитель почти не замечает жары.
По наблюдениям, именно поэтому центры обработки данных и больницы - объекты, нуждающиеся в надежном охлаждении даже во время сильной жары, - почти всегда выбирают водяное охлаждение.
Эффективность при частичной нагрузке и преимущество водяного охлаждения
Чиллеры редко работают с полной нагрузкой. Чаще всего они работают на 40-70% мощности. То, как чиллер работает при частичной нагрузке, имеет большее значение, чем его эффективность при полной нагрузке.
Как водоохлаждаемые чиллеры справляются с частичной нагрузкой
Промышленный чиллер с водяным охлаждением, оснащенный приводом компрессора с регулируемой скоростью вращения и вентиляторами с регулируемой скоростью вращения, может поддерживать отличную эффективность при нагрузке до 20-30%. Температура конденсата может быть сброшена в сторону увеличения при низких нагрузках для экономии энергии башенных вентиляторов, но при этом чиллер все равно работает при низком давлении конденсации.
Чиллеры с воздушным охлаждением больше работают с частичной нагрузкой. Вентиляторы конденсатора включаются и выключаются или работают на фиксированной скорости. Чиллеру может потребоваться включать вентиляторы сильнее, чем необходимо, только для поддержания минимального давления конденсации, особенно в прохладную погоду.
Интегрированная величина нагрузки на деталь (IPLV)
В промышленности эффективность при частичной нагрузке измеряется показателем IPLV (Integrated Part Load Value). У хорошего промышленного чиллера с водяным охлаждением IPLV может составлять 0,35-0,45 кВт/тонну. У чиллера с воздушным охлаждением аналогичного размера этот показатель может составлять 0,70-0,85 кВт/тонну. При типичных условиях эксплуатации агрегат с водяным охлаждением потребляет примерно в два раза меньше электроэнергии.
Реальная экономия энергии
Приведем пример. 300-тонный чиллер работает 4 000 часов в год (типично для производственного предприятия или центра обработки данных). Электроэнергия по цене $0,12 за кВт/ч.
| Тип охладителя | Полная нагрузка кВт/тонна | IPLV кВт/тонна | Годовой кВт-ч | Годовая стоимость |
|---|---|---|---|---|
| Водяное охлаждение | 0.55 | 0.45 | 540,000 | $64,800 |
| Воздушное охлаждение | 0.85 | 0.75 | 900,000 | $108,000 |
Чиллер с водяным охлаждением позволяет экономить $43 200 в год на электроэнергии. За 20 лет службы это $864 000 в виде предотвращенных затрат на электроэнергию. Это окупает многие затраты на обслуживание градирен.
Первый компромисс между затратами
Чиллеры с водяным охлаждением стоят дороже. Сам чиллер стоит дороже. Добавьте градирню, насосы для конденсата, трубопроводы и водоподготовку. Установленная стоимость системы с водяным охлаждением может быть на 30-50% выше, чем у системы с воздушным охлаждением.
Но срок окупаемости часто бывает коротким. В приведенном выше примере, если система водяного охлаждения стоит на $150 000 больше, окупаемость составляет около 3,5 лет только за счет экономии энергии. После этого это чистая экономия.
Другие факторы, влияющие на эффективность
Помимо базовой термодинамики, еще несколько моментов способствуют повышению эффективности промышленного чиллера с водяным охлаждением.
Тип компрессора
В чиллерах с водяным охлаждением часто используются центробежные или винтовые компрессоры, которые по своей природе более эффективны при больших размерах, чем спиральные компрессоры, используемые в агрегатах с воздушным охлаждением. Центробежные компрессоры не имеют трущихся частей и могут достигать очень низких показателей кВт на тонну, особенно при большой производительности.
Конструкция теплообменника
В чиллерах с водяным охлаждением используются кожухотрубные теплообменники. Они имеют отличные коэффициенты теплопередачи - гораздо лучше, чем оребренные трубчатые змеевики в агрегатах с воздушным охлаждением. Это означает, что для передачи тепла требуется меньшая разница температур, что еще больше снижает работу компрессора.
Потенциал свободного охлаждения
В прохладную погоду некоторые системы водяного охлаждения могут использовать градирню непосредственно для подачи охлажденной воды без работы компрессора чиллера. Это называется естественным охлаждением. Байпасная схема направляет башенную воду через теплообменник (или непосредственно в нагрузку), когда температура мокрого термометра достаточно низкая. Чиллеры с воздушным охлаждением не могут этого делать - они должны запускать компрессоры каждый раз, когда требуется охлаждение.
Всегда ли водяное охлаждение более эффективно?
Почти всегда, но бывают и исключения.
Промышленные чиллеры с водяным охлаждением нуждаются в насосах для перемещения конденсаторной воды. Эти насосы потребляют электроэнергию.
В градирнях используются вентиляторы. Для очистки воды используются химикаты и иногда электроэнергия. Эти вспомогательные нагрузки несколько снижают чистую эффективность.
В очень холодном климате чиллер с воздушным охлаждением может использовать преимущества низкой температуры окружающей среды для достижения высокой эффективности. В день с температурой 40°F чиллер с воздушным охлаждением может работать почти так же хорошо, как устройство с водяным охлаждением.
Но в течение всего года в большинстве климатических зон побеждает водяное охлаждение. Наибольший разрыв наблюдается в жарком и влажном климате, где производительность воздушного охлаждения страдает больше всего.
Итог для вашего предприятия
Выбор чиллера - это не только эффективность. Доступность воды, возможность обслуживания, пространство, шум и первоначальная стоимость - все это имеет значение.
Но если приоритетом является энергоэффективность, а для многих предприятий это так, то промышленный чиллер с водяным охлаждением - это очевидный выбор. Физика очевидна. Цифры складываются. И в течение всего срока службы оборудования экономия будет значительной.
Промышленный чиллер с водяным охлаждением является одним из компонентов более крупной системы. промышленная холодильная установка В систему входят градирни, насосы, трубопроводы и системы управления. Все эти компоненты должны работать вместе, чтобы система достигла своей потенциальной эффективности. Но сам чиллер - при правильном выборе и обслуживании - обеспечивает производительность, с которой воздушное охлаждение просто не может сравниться.
Если вы хотите узнать больше о промышленных чиллерах с водяным охлаждением, пожалуйста, прочитайте Что такое промышленный чиллер с водяным охлаждением? Как он работает.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
Насколько эффективнее чиллер с водяным охлаждением, чем с воздушным?
При полной нагрузке в жаркую погоду чиллер с водяным охлаждением обычно эффективнее на 25-40%. При частичной нагрузке разница может составлять 40-50% и более.
Перечеркивает ли потребление воды градирней экономию энергии?
Вода имеет свою стоимость, но она обычно намного ниже, чем экономия электроэнергии. В большинстве регионов стоимость воды, используемой градирней, составляет лишь малую часть сэкономленной электроэнергии.
Можно ли переоборудовать существующую систему с воздушным охлаждением в систему с водяным охлаждением?
Не практически. Потребуется замена самого чиллера. Однако иногда добавляют градирню и новый чиллер с водяным охлаждением, сохраняя существующий агрегат с воздушным охлаждением в качестве резервного.
Russian 
English 
Spanish 
Portuguese 
French 
Arabic 
Japanese 
German