Новые разработки газовых холодильных машин

W. Rian, старший научный сотрудник Центра энергоресурсов, Университет штата Иллинойс, г. Чикаго, США; член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)

Что касается газа, повсеместно установленные зимой 2000/01 года высокие цены немедленно рухнули, как только установилась теплая погода и спрос уменьшился.

В США большие средства вкладываются в развитие энергетики, однако различные направления этой отрасли не сбалансированы должным образом. Система производства и распределения электроэнергии рассчитана на покрытие максимальных летних нагрузок. Газовые сети, соответственно, отвечают потребностям зимних пиковых нагрузок.

Специалисты в области электроэнергетики осознали эту проблему. Ответным шагом стало появление в 1960-х годах электроотопления, которое до сих пор остается популярным для коммерческих зданий. Позднее большое распространение на рынках южных районов получили воздухо-воздушные тепловые насосы.

Однако в северных районах США энергетика наименее сбалансирована, хотя зимой там высокие отопительные нагрузки, а летом нагрузки по холоду не уступают южным, но не являются столь продолжительными. К сожалению, сокращение длительности нагрузки не решает проблему. Электрические станции и сети должны соответствовать пиковой потребности.

В электроэнергетике были предприняты серьезные шаги для того, чтобы сбалансировать нагрузку путем развития грунтовых теплонасосных систем, которые способны обеспечивать достаточную теплопроизводительность в северном климате. Однако монтаж грунтовых теплообменников, необходимых для этих систем, чрезвычайно дорог – примерно $2 000 или более на тонну холода*, в зависимости от производительности системы.

Для того чтобы в летнее время сменить перегруженную энергосистему (электрическую) на недогруженную (газовую), можно использовать газовое охлаждение. В 1990-х годах это привело к популярности больших бромисто-литиевых абсорбционных холодильных машин. Однако они использовались преимущественно в больших коммерческих зданиях с центральной холодильной станцией.

Не менее 70 % общей площади коммерческих зданий составляют здания с площадью около 9 290 м². В зданиях малого размера и в жилых домах обычно используются автономные кондиционеры. Ясно, что без перераспределения нагрузок в таком большом сегменте рынка сбалансировать систему энергоснабжения будет сложно.

Одним из способов решения этой проблемы может стать возрождение технологии, популярной в 1960-х годах, но мало распространенной сегодня, а именно технологии с использованием кондиционеров с газовыми холодильными машинами. В отличие от громоздких бромисто-литиевых установок, эти агрегатированные газовые кондиционеры с водо-аммиачной холодильной машиной, охлаждаемой воздухом, были разработаны для жилых и малых коммерческих зданий. Широко распространенные в 1960-х годах, затем эти установки были заброшены из-за их малой эффективности. С тех пор технология была усовершенствована и эффективность систем увеличилась почти вдвое. В настоящее время, в обстановке недостаточно сбалансированной энергетики, эта технология опять востребована рынком.

Рисунок 1. Схема цикла «генератор-абсорбер-теплообменник (GAX)»

Краткое описание

Сегодня большинство специалистов ОВК незнакомы с водо-аммиачным охлаждением для систем кондиционирования воздуха. Так что же такое – эта старая/новая система?

Водо-аммиачная холодильная машина работает так же, как другие абсорбционные холодильники, при этом аммиак является хладагентом, а вода – абсорбентом. Аммиак выпаривается из воды при нагреве с помощью газогорелочного устройства, затем конденсируется в теплообменнике, охлаждаемым наружным воздухом. Жидкий аммиак испаряется при низком давлении с отводом тепла от охлаждаемой среды, затем снова абсорбируется водой.

Опасен ли аммиак? На самом деле, аммиак – это замечательный хладагент. У него удельная теплота парообразования в 2,5 раза выше, чем у фреонов, он не приводит к повреждению озонового слоя, не обладает потенциалом влияния на глобальное потепление климата. При утечках аммиак удаляется из атмосферы во время дождя и не загрязняет окружающую среду. Аммиачные растворы являются основой большинства современных удобрений.

Опасность возникает только при утечках аммиака в большом количестве или в закрытом помещении. Поэтому такие холодильные системы обычно размещают вне зданий. Поскольку холодопроизводительность этих установок не превышает 18–28 кВт, количество используемого аммиака невелико. Даже в случае единовременной утечки этого незначительного количества газа он быстро рассеивается.

Водо-аммиачные холодильные установки имеют следующие преимущества перед бромисто-литиевыми:

- Аммиак – это хладагент, работающий на высоком давлении, поэтому можно использовать в качестве конденсатора компактный теплообменник с прямым воздушным охлаждением. Градирни устанавливать не требуется.

- В водо-аммиачной среде не происходит кристаллизация солей.

- Система работает при избыточном давлении, поэтому все компоненты более компактны и не нужны вакуум-насосы.

- Поскольку установки размещаются снаружи, для них не требуется специальное вентилируемое помещение.

Кондиционеры на водо-аммиачном охлаждении превосходят также обычные парокомпрессионные холодильные машины для систем кондиционирования воздуха по следующим показателям:

- Имеют очень мало движущихся частей, известны своей долговечностью (некоторые установки 1960-х годов работают до сих пор).

- Работают с однофазным электроснабжением вплоть до холодопроизводительности 18 кВт.

- Потребляют электроэнергию для привода насосов и вентиляторов в объеме 300 Вт/тонну холода, тем самым электроэнергия высвобождается для других нужд. Это хороший показатель по сравнению с 1,2 кВт/тонну холода для агрегатированных кондиционеров типа 10 EER в том же диапазоне холодопроизводительности (до 18 кВт).

Новые системы, новые возможности

Что можно сказать об установке этих систем? В зависимости от обстоятельств, это может стать наиболее интересным аспектом в работе с газовыми кондиционерами. Система подает в здание охлажденную воду или гликолевый раствор. При добавлении к кондиционеру газового бойлера вода/раствор могут не только охлаждаться, но и нагреваться для нужд отопления.

Газовые кондиционеры всегда были и, по-видимому, останутся гораздо дороже, чем агрегатированные кондиционеры с электроприводом. Тем не менее, новые высокоэффективные установки могут обеспечивать большую экономию эксплуатационных затрат в тех районах США, где в последнее время наблюдается стремительный рост энергопотребления (например, в Калифорнии). Однако большинство пользователей кондиционеров в жилом секторе и малых коммерческих зданиях не настолько озабочены эксплуатационными затратами, чтобы обратиться к новой технологии.

Для того чтобы заинтересовать покупателей и оправдать дополнительные затраты на газовый кондиционер, необходимо разрабатывать преимущества водных (фактически водно-гликолевых) систем, демонстрируя их новые возможности и потребительские качества. При использовании фэнкойлов для подачи охлажденного воздуха в помещении возможно:

- Заменить систему воздуховодов трубопроводами охлажденной воды малого диаметра (большое преимущество в сложных ситуациях реконструкции и при значительной потребности в холоде).

- Освободить крышу и таким образом не портить архитектурный облик установкой кровельных агрегатов.

- Осуществлять зонирование путем индивидуального регулирования фэнкойлов (актуально для больших домов).

- Снизить температуру подаваемого воздуха по сравнению с большинством кондиционеров для жилых зданий (расширяется возможность осушения воздуха).

- Регулировать температуру охлажденной воды для регулирования степени осушения, если это необходимо.

- Использовать несколько газовых кондиционеров с общим водяным контуром, что обеспечивает взаимное замещение кондиционеров (преимущество для медицинских, компьютерных и других помещений с высокими требованиями к надежности системы кондиционирования воздуха).

- Благодаря снижению пиковых электрических нагрузок можно снизить мощность резервных автономных энергоустановок (еще одно преимущество для помещений с высокими требованиями к надежности системы).

- Размещать установки вдали от дома (для больших домов – в удобном месте двора).

- Реализовать преимущество больших центральных систем кондиционирования воздуха в диапазоне малых мощностей – разновременное обслуживание нескольких помещений. Одна установка холодопроизводительностью 18 кВт может заменить три стандартных кондиционера по 7 кВт, обслуживающих разные зоны.

Это лишь некоторые из возможностей рассматриваемых систем. Гибкость, присущая водно-гликолевым системам кондиционирования воздуха, открывает новые горизонты для проектировщика. Хотя малые электрические водоохлаждающие установки применяются достаточно давно, их стоимость не уступает стоимости газовых кондиционеров, при отсутствии экономии эксплуатационных затрат.

Еще одно соображение, ограничивавшее применение кондиционеров с водяным охлаждением в США, – высокая стоимость прокладки трубопроводов по сравнению с воздуховодами. К счастью, появление новых гибких пластиковых трубопроводов, которые произвели революцию на рынке установок напольного отопления, может сыграть решающую роль и в рассматриваемой области.

Технические новшества

Если все так прекрасно, почему же мы не видим широкого применения водо-аммиачных систем? Помимо причины, связанной с неосведомленностью проектировщиков, водо-аммиачные абсорбционные системы традиционно были низкоэффективными, используя до 125 000 Btu/ч* тепла на обеспечение холодопроизводительности 18 кВт. Сейчас на рынке появились новые установки, потребляющие тепло в количестве лишь 85 000 Btu/ч (на 32 % меньше). В чем тут секрет?

Водо-аммиачный цикл имеет одно отличие от бромисто-литиевого. Когда вода поглощает аммиак, выделяется тепло. Но, в отличие от бромисто-литиевых систем, здесь тепло частично генерируется при высокой температуре. Это позволяет осуществлять регенерацию тепла на нагрев, с соответствующим сокращением затрат топлива.

Звучит очень просто? На самом деле это было не совсем так. Описываемый процесс разрабатывался Департаментом энергетики США и научно-исследовательским институтом газа в течение 15 лет (!) и сейчас еще продолжает совершенствоваться. Эта технология реализована в установке «генератор-абсорбер-теплообменник (GAX)», которая прошла испытания и уже появилась на рынке.

Новая продукция

Существующие изделия

Водо-аммиачные кондиционеры постоянно продаются начиная с 1964 года. Один из производителей недавно перешел на выпуск агрегатов по циклу «генератор-абсорбер-теплообменник (GAX)».

Новые поступления на рынок

Высокоэффективные системы GAX, разработанные Университетом штата Огайо и лабораторией «Battelle», начали поставляться на рынок.

Характерная особенность этой серии состоит в замещении кожухотрубных теплообменников, ранее используемых для газовых кондиционеров, более компактными, изготовленными из никелированных пластин. Такие теплообменники, первоначально разработанные для авиационной промышленности, применяются для абсорбера и испарителя. В отличие от предшествующих моделей газовых кондиционеров, здесь для сокращения времени выхода на режим и улучшения возможности регулирования используется термостатический дроссельный вентиль и многоскоростной вентилятор для охлаждения конденсатора.

Готовится к выпуску

В настоящее время разрабатывается третья модель газового кондиционера типа GAX. В этой системе GAX-цикл будет использоваться еще более эффективно. Коммерческие поставки запланированы на весну 2003 года.

Направление дальнейших разработок

Аммиачные абсорбционные системы предоставляют широкие возможности для выбора областей применения помимо кондиционирования воздуха. Одна исследовательская фирма, при финансовой поддержке Департамента энергетики США, разрабатывает улучшенную концепцию водо-аммиачного цикла. Эта система характеризуется еще большей эффективностью цикла и новыми возможностями.

- Использование нового типа теплового насоса для кондиционирования воздуха в небольших коммерческих зданиях. В этой холодильной/теплонасосной установке производительностью по холоду 28 кВт холодильный коэффициент достигает 0,87 при воздушном охлаждении конденсатора и 1,1 – при водяном охлаждении. Это наиболее высокие из опубликованных показателей эффективности для водо-аммиачных систем. Коэффициент преобразования теплового насоса составляет 1,45. Эта установка в полублочной конфигурации прошла лабораторные испытания, и сейчас блочная компоновка перерабатывается для натурных испытаний.

- Была проведена серия исследований установок с холодопроизводительностью 35–1 055 кВт и температурой в испарителе 0 …-50 оС для промышленных холодильных установок. В таких установках для нагрева может применяться как газ, так и сбросное тепло. При этом может использоваться теплота охлаждения двигателей, турбин, топливных элементов или другие вторичные энергоресурсы.

- Новый газовый тепловой насос для нагрева технической воды. В этой установке осуществляется нагрев воды до 60 оС (при коэффициенте преобразования более 1,3) и попутное производство холода. Диапазон производительности по теплу 58,6–879 кВт, по холоду, соответственно, 28–350 кВт. Демонстрация работы этой установки в натурных условиях планируется на следующее лето.

- Для микротурбинных силовых установок был разработан охладитель дутьевого воздуха, использующий сбросное тепло. Это техническое решение предотвращает тепловое загрязнение окружающей среды, производимое микротурбинами, обеспечивает как производство холода, так и нагрев технической воды.

Эффективность всех вышеперечисленных систем повышена за счет использования новых теплообменных и массообменных компонентов.

Наконец, интересным направлением будущих разработок является использование сбросного тепла микротурбин для производства холода, напрямую используемого при охлаждении помещений. Тогда микротурбинная силовая установка освободится от нагрузки систем кондиционирования и электроэнергия будет использоваться для других, более стабильных нагрузок.

Стоимость газа

Вопрос, который может возникнуть с учетом высоких цен на газ зимой 2000/01 года, – почему надо стремиться к еще одной газоиспользующей технологии. Объяснение этого – устойчивая тенденция снижения стоимости газа летом. Даже после взлета цен во время отопительного сезона 2000/01 года оптовые цены на газ летом снизились до 20 % зимнего уровня. Газовые кондиционеры позволяют извлекать выгоду из динамики рынка.

Выводы

Газовые кондиционеры, долгое время не входившие в основную группу товаров, опять готовятся к выходу на рынок. Эти системы никогда не будут столь дешевы, как массовые сплит-системы с электроприводом, и вряд ли станут массовым продуктом в ближайшем будущем. Однако газовые кондиционеры дают разработчику систем ОВК новые возможности решения задач проектирования и в определенных случаях обладают преимуществами для пользователей.

Перепечатано с сокращениями из журнала ASHRAE.

Перевод с английского О. П. Булычевой.

Научное редактирование выполнено канд. техн. наук Е. Г. Малявиной,

тел. (095) 188-3607.