ПУТИ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ХОЛОДИЛЬНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ. | Климстар - современные технологии управления микроклиматом помещений.

ПУТИ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ХОЛОДИЛЬНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ

Ольшамовский В.С. октябрь 2017 года

Ольшамовский В.С. (Одесская государственная академия холода (ОГАХ), доцент).
Гоголь Н.И (Одесская государственная академия холода (ОГАХ), с.н.с.).
Дворницин А.П. (ООО “АЙСБЕРГ”, г. Одесса к.т.н.).

Тенденция последних лет к повышению тарифов на оплату энергоносителей – электроэнергии, отопления, газа, горячего водоснабжения продолжается. Оплата коммунальных услуг, без которых не обойтись ни одному предприятию, составляет заметную долю в его расходах, и доля эта будет расти. Компания «АЙСБЕРГ» ЛТД (г. Одесса) совместно с Одесская государственная академия холода(ОГАХ), продолжительное время за нимается комплексной разработкой холодильного оборудования и схемных решений с учётом утилизации теплоты, отводимой в конденсаторах холодильных систем супермаркетов, изготовлением, монтажом и обслуживанием холодильных систем. Продолжительный опыт эксплуатации таких систем показал их жизнеспособность. Снизить общие энергозатраты можно, используя внутренние мощности предприятий. Предприятия, использующие холодильную технику, в том числе и крупные магазины, в которых затраты электроэнергии составляют от 40 до 60 % от общих энергозатрат, могут снизить свои общие энергозатраты, направив выделяемую бросовую теплоту конденсации холодильного агента для:

обогрева помещений магазина в холодный период года;
получения горячей воды для санитарных и технологических нужд предприятия;
выполнения оттаивания снеговой шубы с поверхности охлаждающих приборов промежуточным теплоносителем;

а также, используя комбинированную схему отвода тепла конденсации холодильного агента.

Использование бросовой теплоты, отводимой в конденсаторе холодильной установки, с пользой для предприятия называется утилизацией теплоты. Система утилизации теплоты конденсации холодильного агента сложная техническая система. Из многолетнего опыта внедрения энергосберегающих холодильных технологий в различных торговых сетях сотрудники фирмы “АЙСБЕРГ” и ОГАХ пришли к выводу, что к разработке каждого технического проекта необходимо подходить комплексно, для этого необходимо:

прежде всего должен быть правильно выполнен проект системы холодоснабжения всей установки, учитывающий специфику предприятия, температурные режимы хранения продуктов и температуру окружающей среды, специфику расположения как отдельных элементов холодильной машины, трубопроводов, так и всего комплекса оборудования с соблюдением правил и норм техники безопасности;
подбор основных и вспомогательных элементов холодильной установки должен быть согласован таким образом, чтобы холодильная установка работала в оптимальном режиме, обеспечивающем минимальные температурные перепады в теплообменном оборудовании (конденсаторах, охлаждающих приборах и др.);
система управления и защиты холодильной установки должна быть комплексной с использованием достижений современной электронной техники;
монтаж оборудования должен быть качественным с соблюдением современных технологических требований и норм к монтажным работам;
обязательно должны быть проведены испытания систем холодильной установки на прочность и плотность в полном объёме с оформлением соответствующих актов;
пуско-наладочные работы должны обязательно включать настройку приборов защиты и управления, учитывающую то, что установка должна устойчиво работать круглый год с периодическим обслуживанием;

а также для снижения энергозатрат необходимо:

оценить какая конкретная система или системы утилизации теплоты необходимы на конкретном предприятии и нужна ли такая система объекту вообще;
учесть то, что тепловая нагрузка на холодильное оборудование изменяется не только в зависимости от времени года, но и в течение суток;
учесть наличие производственных цехов, в которых необходима горячая вода для обработки полуфабрикатов, санитарной обработки кухонного инвентаря, принятия душа сотрудниками и т.д.;
учесть возможное непостоянство отбора теплоты от холодильной установки к нагреваемой среде, а также сложность в определении среднесуточного и мгновенного потребления горячей воды;
учесть отсутствие надлежащей водоподготовки на предприятии, что требует разработки схемного решения, исключающего выпадение водяного камня на высокотемпературной поверхности форконденсатора;
учесть то, что для внедрения такой системы требуются дополнительные финансовые затраты от владельца торгового объекта. Последние не всегда готовы осуществлять дополнительные финансовые затраты в новый или реконструируемый объект даже со сроком окупаемости 1÷ 2 года.
при разработке систем утилизации теплоты конденсации для различных объектов необходимо не только грамотно разработать технический проект, выполнить экономические расчёты, но и учитывать психологию заказчика.

. Ниже приведены некоторые схемы, используемые в супермаркетах Одессы, Ужгорода, Николаева, Херсона и других городах Украины, Молдовы Казахстана и Грузии.

В результате совместной работы разработано оборудование для низкотемпературных витрин ̶ “Боннет” с возможностью выполнения оттаивания охлаждающих приборов ‑ воздухоохладителей нагретым в форконденсаторе промежуточным теплоносителем. Схема установки оттаивания воздухоохла̶дителей низкотемпературных витрин приведена на рис. 1.

Рис. 1 – Схема установки оттаивания воздухоохладителей промежуточным теплоносителем

Система оттаивания воздухоохладителя жидкостная (далее – система) предназначена для периодического оттаивания снеговой шубы, образующейся на поверхности воздухоохладителя низкотемпературных охлаждаемых витрин.

Принцип действия – подача нагретого жидкого теплоносителя в отдельную, специально предназначенную для этого, секцию охлаждающего прибора – воздухоохладителя. Поскольку эта секция конструктивно объединена с охлаждающими трубками испарителя с помощью теплообменных ребер, происходит быстрый прогрев всего узла. Нагрев теплоносителя осуществляется за счет тепловой энергии, отводимой от хладагента, сжатого компрессорами холодильного агрегата. Теплоноситель нагревается в течение промежутков времени между оттаиваниями и подается в воздухоохладитель жидкостным центробежным насосом по команде системы управления. Система включает: агрегат оттаивания 1, трубопроводы прямого 2 и обратного 3 потоков, запорные вентили 4, электромагнитные клапаны 5, фильтры 6, а также нагревательные секции воздухоохладителей витрин 7 и пластинчатый теплообменник 8 рекуперации теплоты холодильного агента. Элементы и узлы системы образуют замкнутый герметичный контур, в котором циркулирует жидкий теплоноситель с температурой замерзания не выше минус 40ºС. Циркуляцию осуществляет агрегат оттаивания. Пластинчатый теплообменник 8 подключен одной из своих полостей к холодильному агрегату сразу после маслоотделителя, а другой полостью – к контуру циркуляции теплоносителя. При изменении температуры теплоносителя изменяется и его объем. Ввиду того, что система должна быть герметичной, в нее включен расширительный бачок с разделительной диафрагмой, который компенсирует изменения объема теплоносителя.

Система работает следующим образом (рис.1). В период времени между оттаиваниями теплоноситель циркулирует между агрегатом оттаивания и витринами, при этом клапан 5.1 открыт, а клапаны 5.2 и 5.3 закрыты. Это позволяет поддерживать необходимую температуру теплоносителя в трубах в непосредственной близости от витрин. В это время происходит накопление тепла, необходимого для быстрого оттаивания, с помощью теплообменника 8 и бака-аккумулятора агрегата оттаивания. Под действием насоса теплоноситель движется через теплообменник 8, нагреваясь от сжатого горячего холодильного агента, и поступает в бак-аккумулятор, вытесняя из него холодный теплоноситель в трубы и затем ‑ в теплообменник на нагрев. К моменту оттаивания теплоноситель полностью прогревается – как в баке-аккумуляторе, так и в трубах. Когда наступает время оттаивания, клапан 5.2 открывается, а клапан 5.1 закрывается, и горячий теплоноситель поступает в витрины одной из линий (на схеме их две). Проходя по трубкам секции оттаивания, теплоноситель быстро нагревает испаритель и поддон под ним, растапливая снеговую шубу и лед. Остывший теплоноситель возвращается в бак-аккумулятор, вытесняя из него горячий теплоноситель, поступающий в витрины. Таким образом, бак-аккумулятор обеспечивает постоянную высокую температуру теплоносителя, поступающего в витрины на весь период оттаивания. По окончании оттаивания клапаны 5.1 и 5.2 возвращаются в исходное состояние, и в дальнейшем описанный процесс повторяется через заданный промежуток времени с той разницей, что вместо клапана 5.2 откроется клапан 5.3, и оттаивать будет другая линия витрин.

Очередность и продолжительность оттаивания, а также защитные блокировки и аварийная сигнализации осуществляются с помощью стандартных программируемых электронных блоков, входящих в состав витрин и пульта управления.

Преимущества системы

Использование такой системы оттаивания охлаждающих приборов позволяет:

значительно снизить энергозатраты при эксплуатации оборудования;
- снизить требования к электросети в связи с исключением пиковых нагрузок, создаваемых электронагревателями при оттаивании витрин.
- сократить продолжительность времени оттаивания воздухоохладителей в 1,5-2 раза;
снизить пиковую температуру воздуха в рабочем объеме витрины во время оттаивания до -2…-5ºС;
повысить качество выполнения оттаивания воздухоохладителей и днищ низкотемпературных витрин;
использовать пластиковые трубы для подачи подогретого теплоносителя к охлаждающим приборам, тем самым снизить первоначальные затраты.

Система изготовлена (рис.2) и применяется в супермаркете «Велика Кишеня» (ООО «Квиза-трейд») в г. Краснодоне для оттаивания воздухоохладителей низкотемпературных боннет. Периодичность оттаивания – 8 часов, продолжительность оттаивания 15 минут. Обслуживаются две линии боннет, оттаивание которых осуществляется по очереди.

Рис.2 – Агрегат оттаивания

Практическая реализация

На рис.3 показан график изменения температуры воздуха на входе в воздухоохладитель, полученный с помощью системы компьютерного мониторинга. Временной диапазон составляет трое суток, температура воздуха в точке установки датчика в конце оттаивания составляет от -4 до +2ºС.

Рис.3 – Температура воздуха на входе в воздухоохладитель

Рис.4 – Температура теплоносителя

На рис4 показан график изменения температуры теплоносителя, поступающего в витрины для оттаивания. Температура колеблется в зависимости от времени суток (54…67 ºС), а в конце оттаивания падает до 35-40 ºС. Время восстановления температуры теплоносителя (накопления нужного количества тепла) составляет 1час.

Опыт эксплуатации различных систем утилизации теплоты конденсации холодильного агента для получения горячей воды, необходимой для технологических, санитарных и гигиенических нужд торгового предприятия показал, что наиболее целесообразным вариантом является двухконтурная схема с аккумулятором горячей воды (рис.5). При правильном подборе оборудования вполне реально получить в любой период года температуру воды 40-60 ºС. В случае недостатка горячей воды за счёт утилизации теплоты, сбрасываемой в конденсаторе, предусматривается установка устройств подогрева воды за счёт сжигания газа или тепловыми электрическими нагревателями ─ ТЭНами.

Рис. 5 – Схема подогрева воды

Рис. 6 – Схема отопления торгового зала

Рис.7 Схема комплексной утилизации теплоты конденсации хладагента

На Рис.6 представлена схема утилизации тепла для отопления торгового зала. Подобная схема реализована ООО «Айсберг» в Одесских супермаркетах, оснащенных центральным кондиционером.

Вопросы утилизации тепла можно решать комплексно: за счет теплоты форконденсации нагреваем воду, оставшееся тепло идет на отопления торгового зала. На практике удается использовать до 80% тепловой энергии, обычно отводимой в окружающую среду в холодный период года.

В феврале-марте 2010 г. специалисты ООО «Айсберг» Лтд и компании «БИЛЛА-Украина» совместно выполнили измерения температуры в торговом зале одного из супермаркетов «БИЛЛА» и энергопотребление холодильной установки. При этом штатная система отопления супермаркета была отключена. Холодильная установка работала в двух режимах: с рекуперацией тепла для отопления зала и в обычном режиме с отводом теплоты конденсации хладагента в окружающую среду. Температура конденсации составляла соответственно 38ºС и 20ºС. Номинальная холодопроизводительность установки 107 кВт.

Измеряемые параметры:

температура воздуха в торговом зале;
температура воздуха вне здания супермаркета;
разность температур воздуха, на входе и выходе конденсаторов, размещенных в зале;
расход воздуха, создаваемый вентиляторами дополнительных конденсаторов;
энергопотребление холодильной установки.

Измерение температуры воздуха в торговом зале выполнены в нескольких зонах (прикассовая, овощная, бакалейная, заприлавочная, стеллажи, зона «нон-фуд», деликатесный цех). Энергопотребление холодильной установки определялось по показаниям счетчика учета потребления электричества PIC-XP, установленного в супермаркете при монтаже холодильного оборудования.

Результаты измерений температур представлены в таблице.

Th	Ta	ΔTc	Примечания
ºС	ºС	ºС
20,6	-3	9,9	Система рекуперации тепла включена
14,8	-1	–	Система рекуперации тепла отключена

Обозначения:

Th ‑ средняя температура воздуха в торговом зале;
Ta ‑ температура воздуха вне здания супермаркета;
ΔTc – средняя разность температур воздуха, на входе и выходе конденсаторов, размещенных в зале.

Видим, что система рекуперации тепла повысила температуру воздуха в зале супермаркета в среднем на 5,8ºС, доводя ее до нормальных значений, предусмотренных санитарными нормами, и это ‑ при отключенной штатной системе отопления помещений.

Теплопроизводительность системы рекуперации тепла для отопления в режиме номинальной нагрузки определим следующим образом:

Õ_h= C_pVΔT_c*5/3600 = 1,007×1,174×8451,52×9,9×5/3600 = 137,4 кВт (1)

где:

С = 1,007 кДж/кг/К – средняя теплоемкость воздуха;

r = 1,174 кг/м³ – плотность воздуха в диапазоне измеренных температур;

V = 8451,52 м³/ч – измеренный объемный расход воздуха в конденсаторе;

5 – количество дополнительных конденсаторов отопления, размещенных в зале.

Для расчета среднесуточного поступления тепла в торговый зал супермаркета необходимо учесть неравномерность температуры воздуха в дневное время, отключение части вентиляторов конденсаторов отопления системой управления (общий коэффициент 0,8), ночное снижение холодопроизводительности холодильной установки, а также влияние ночных шторок на витринах (общий коэффициент 0,15). Значения указанных коэффициентов – результат опыта работы на подобных объектах. Среднесуточное поступление тепла в зал:

137,4кВт×14ч×0,8+73кВт×10ч×0,15 = 1745 кВтч (2)

Нетрудно подсчитать, что для получения тепловой энергии в количестве 1745 кВтч требуется 257 м³ природного газа (теплота сгорания газа 24455 кДж/м³). Весь этот газ будет сэкономлен работающей системой утилизации тепла, и при цене газа 2,5 грн/м³ за отопительный сезон (180 суток) экономия составляет 115583 грн. Однако включение системы утилизации повысило среднесуточное энергопотребление холодильной установки на 158 кВтч, что при тарифе 0,771 грн/кВтч повышает расходы на 21927 грн за отопительный сезон. Разница налицо, и она в пользу системы рекуперации тепла.

Рекуперация тепла холодильной установки для отопления торгового зала супермаркета – дело выгодное при действующих тарифах на энергоносители, если рассматривать вопрос комплексно. Учитывая общую тенденцию роста цен на энергоносители, можно смело сделать вывод о перспективности этого направления деятельности компаний, производящих и эксплуатирующих холодильное оборудование. Если систему рекуперации тепла учитывать в составе оборудования торгового предприятия еще на стадии его проектирования, можно существенно снизить соответствующие дополнительные капитальные затраты.

Последнее десятилетие сопровождается ростом температуры окружающей среды и продолжительностью её подержания в летний период. При высоких температурах окружающей среды холодильные установки вынуждены работать при повышенных температурах конденсации холодильного агента, что в свою очередь увеличивает энергопотребление установкой на 1,5 – 2 % на каждый градус увеличения температуры конденсации.

Одним из возможных вариантов снижения энергозатрат холодильным оборудованием предприятий, может служить комбинированная система отвода теплоты конденсации холодильного агента, позволяющая поддерживать температуру конденсации холодильного агента на уровне не превышающем 43 ^оС при температуре окружающей среды выше +35 ^оС, приведенная на рисунке 8.

Комбинированная система отвода тепла конденсации холодильного агента включает:

воздушный конденсатор;
пластинчатый теплообменник, охлаждаемый водой;
вентиляторную градирню;
циркуляционный водяной насос с системой трубопроводов

Такая система внедрена фирмой «АЙСБЕРГ» в магазинах «ВЕЛИКА КІШЕНЯ», и «АБСОЛЮТ», расположенных в городе КИЕВЕ. Подбор теплообменных аппаратов – воздушного конденсатора и пластинчатого теплообменника осуществлялся с учётом того, что:

система работает круглогодично;
летом работают оба конденсатора, при этом конденсатор воздушного охлаждения выполняет роль форконденсатора с частичной конденсацией холодильного агента;
в холодный период года, при температуре окружающей среды ниже +5^оС, работает только конденсатор воздушного охлаждения;

Рис.8

В магазинах «ВЕЛИКА КІШЕНЯ» и АБСОЛЮТ», холодильное оборудование эксплуатировалось в различные периоды года – осенью, зимой, весной и летом. Опыт эксплуатации показал работоспособность данной схемы отвода теплоты конденсации холодильного агента в различные периоды года.

В жаркий период года были проведены замеры давлений конденсации на низкотемпературной и среднетемпературной системах охлаждения, а также температурные перепады холодильного агента и воды на конденсаторе, воздуха на градирне, изменение относительной влажности воздуха в градирне. Проведенные замеры показали:

давление конденсации холодильного агента оказалось ниже на 2,5 – 3,5 бара относительно расчётного давления конденсации при использовании конденсатора воздушного охлаждения;
снижение температуры конденсации автоматически привело к снижению температур нагнетания и конденсации на 5 -8 ^оС;
использование конденсаторов водяного охлаждения позволяет дополнительно переохладить холодильный агент на 3,5 – 4,5 ^оС;
вода в градирне охлаждалась 3,5 – 4 ^оС при относительной влажности воздуха на входе в градирню 52 – 57 %;
воздух прошедший через градирню охлаждался на 3,5 ^оС;

Применение представленной системы отвода теплоты конденсации холодильного агента позволяет снизить энергопотребление холодильной системы только за счёт снижения давления конденсации в жаркий период года до 10%, при этом снижение температуры нагнетания улучшает условия смазки компрессоров, тем самым увеличивая срок их эксплуатации.