Улучшение рабочих характеристик систем кондиционирования в супермаркетах

J.M. Hill, Пенсильванский государственный университет, Гаррисбург, США

A. S. Lau, Пенсильванский государственный университет, Гаррисбург, США

Тепловая нагрузка супермаркетов в летний период существенно отличается от аналогичных показателей зданий гражданского назначения. Действительно, наличие охлаждающих прилавков на больших участках продажи пищевых продуктов нейтрализует большую часть физической нагрузки по охлаждению и, следовательно, сокращает потребность в централизованном охлаждении приточного воздуха, необходимого для управления температурным режимом в помещении. Из этого следует, что в охлаждающей нагрузке в значительной степени превалируют скрытые нагрузки, а это значит, что в помещении будут высокая влажность и высокая тепловая нагрузка на холодильное оборудование, в первую очередь на открытые холодильные прилавки. В силу того что осушающая способность холодильного оборудования прилавков значительно меньше, чем у систем кондиционирования, растут общие затраты энергоресурсов и потребности в электроэнергии. Высокий уровень влажности в помещении может стать причиной порчи продуктов питания, существенно повышать нагрузку на размораживание агрегатов, вести к образованию конденсата на выставленном товаре, продукты могут покрываться инеем, что в совокупности в отдельных случаях может вызвать отказ холодильного оборудования. Свойства центральных систем супермаркетов развивались как раз в сторону решения проблемы контроля влажности. Ныне системы кондиционирования обеспечивают рециркуляцию воздуха как под прилавками, так и в пунктах продаж посредством обвода (bypass) воздуха рециркуляции от прилавков и оптимизацией параметров испарителей в целях устранения латентного тепла. В системах, обеспечивающих рециркуляцию воздуха из-под прилавков, применяются встроенные в прилавки колосниковые решетки, которые сокращают расслоение температуры воздуха и препятствуют существенному понижению температуры в коридорах. Обычно такой воздух рециркуляции обводится через батарею охлаждения, поскольку частично он уже охлажден и подсушен самими холодильными прилавками. Таким образом, можно пропускать через испарительную батарею смесь наружного воздуха и воздуха рециркуляции с точек продаж, более теплого и влажного, что эффективно в плане охлаждения и удаления влаги. С некоторых пор в супермаркетах применяются новые технологии контроля уровня влажности, которые обеспечивают удаление влаги из воздуха посредством сиккативов, специально разработанные для супермаркетов методики механического охлаждения, в том числе с использованием трубчатых теплообменников.

Упомянутые методики централизованного охлаждения предусматривают систему двойной обработки воздуха: сначала только наружного воздуха, затем смеси подаваемого воздуха. С технологической точки зрения такая система представляется весьма привлекательной, однако, по показателям энергопотребления ее привлекательность тускнеет. А вот применение трубчатых теплообменников, напротив, дает весьма обнадеживающие положительные результаты. В доказательство этому утверждению было проведено тщательное обследование шести американских супермаркетов, оборудованных традиционными системами кондиционирования на основе трубчатых теплообменников, способных улучшить контроль уровня влажности. В рамках обследования были измерены также показатели влияния, которое уровень влажности оказывает на расход энергоресурсов и на потребности в электроэнергии, цель измерений – собрать предварительные данные, которые могли бы оказаться полезными для изучения инженерных систем супермаркетов.

Характеристики супермаркетов

Шесть обследованных супермаркетов расположены в различных регионах на востоке Соединенных Штатов. Данные торговые объекты оказывают полный спектр услуг, для чего имеют в своем составе пекарню, а также кондитерский и цветочный отделы. Их общая площадь варьируется от 3 000 до 5 850 м², где собственно торговая площадь составляет от 65 до 88% при стандартной высоте потолков 4,30 м. Во всех случаях мы имеем один и тот же тип сооружения: наружные стены выполнены из бетонных блоков, кровля уложена на стальные перекрытия. Единственное остекление расположено на фасаде здания и имеет площадь от 1/3 до 1/2 его ширины. В табл. 1 приведены основные физические характеристики шести супермаркетов (латинскими сокращениями обозначены штаты, в которых находятся обследованные объекты).

Характеристики холодильного оборудования

Наиболее значительные холодильные установки состоят из двух и более мульти-компрессорных агрегатов (Racks), где компрессоры каждого агрегата работают параллельно. Каждый агрегат обслуживает нагрузки одного температурного режима, низкотемпературные на хладагенте R-502 до -18°C, среднетемпературные – на R22 до -12°C или выше, с учетом того, что в одном из обследованных супермаркетов имеется низкотемпературный двухступенчатый агрегат на R22. Во всех супермаркетах применяется последующий нагрев, обеспечиваемый конденсирующей холодильной батареей, расположенной на подаче воздуха, для обеспечения одной или нескольких эксплуатационных услуг:

подогрева воды, подогрева воздуха, последующего нагрева воздуха, а также контроля уровня влажности, размораживания горячим газом. В табл. 2 приведены сводные данные по основным характеристикам холодильных систем шести обследованных супермаркетов.

Характеристики систем кондиционирования воздуха

Системы кондиционирования воздуха обследованных объектов являются оборудованием крышного типа (Roof-Top), соответствующим образом доработанным с целью использования трубчатых теплообменников, установленных вокруг холодильной батареи. Три из рассматриваемых установок относятся к системам «простой обработки» (рис. 1), и еще три – к системам «двойной либо параллельной обработки» (рис. 2).

Рисунок 1. Схема станции кондиционирования воздуха по типу «простой обработки» Обозначения: А – конденсирующая секция В – поступление наружного воздуха С – испаритель D – трубчатый теплообменник Е – фильтрующая секция F – вентилятор большой мощности G – газовый нагреватель H – подаваемый воздух I – батарея рекуперации тепла L – рециркуляция воздуха от прилавков M – заслонка байпаса N – рециркуляция воздуха от точек продажи O – секция компрессоров и управления

Рисунок 2. Схема станции кондиционирования воздуха «двойной обработки» А – конденсирующая секция B – обводные (bypass) заслонки на теплообменнике НРНХ C – балансировочные заслонки D – фильтрующая секция E – главный испаритель F – вентилятор большой мощности G – газовый нагреватель H – подаваемый воздух I – регенерация тепла L – обводные (bypass) заслонки M – рециркуляция воздуха от холодильных прилавков N – рециркуляция воздуха из точек продажи O – поступление наружного воздуха P – трубчатый теплообменник НРНХ Q – испаритель на наружный воздух R – контрольно-компрессорная секция

Общим принципом для всех систем является отделение воздуха

рециркуляции из торговой зоны от воздуха рециркуляции прилавков и обвод последнего через холодильную батарею. Как было отмечено выше, число секций холодильной батареи прямого испарения достаточно для эффективного съема латентного тепла, а наличие конденсирующей батареи в подающем коллекторе позволяет регенерировать тепло для последующего нагрева (контроль влажности) и дополнительного отопления. Воздушный поток идет с постоянной скоростью, воздух подается на лицевой стороне здания по линиям выхода посетителей, перемещаясь к задней стороне в силу имеющихся здесь воздухозаборных решеток рециркуляции.

В табл. 3 приведен сводный перечень основных характеристик данных систем.

На рис. 1 показано, что трубчатый теплообменник устанавливается на участке между рециркуляцией воздуха из торговой зоны и поступающим воздушным потоком, с тем чтобы предварительно охлаждать до 3–5°C только воздух рециркуляции.

Охлаждающие компрессоры у всех систем регулируются как по температуре, так и по влажности, посредством ступенчатого регулятора, имеющего шаг около 0,3°C. Регенерация тепла конденсирующей батареи включается, когда температура воздуха в помещении опускается ниже установленного минимального значения, для обеспечения вторичного нагрева воздуха, если в процессе удаления влаги воздух чрезмерно охлаждается.

В трех супермаркетах, имеющих системы двойной обработки воздуха, наружный воздух регулируется отдельно от главной системы с помощью энтальпийного регулятора, который производит замеры состояния наружного воздуха и включает соответствующий холодильный компрессор, когда энтальпия превышает установленный уровень. Обработка наружного воздуха запускается каждый раз, когда внешняя температура по мокрому термометру поднимается выше 10°C.

Система сбора данных

Большая часть данных, использованных для анализа холодильных агрегатов и систем кондиционирования воздуха, была получена с помощью компьютерных систем сбора данных, которыми оснащены все супермаркеты. Указанные данные включают в себя показатели температуры и влажности воздуха как в помещении, так и снаружи, а также расход электроэнергии в различных режимах нагрузки. Кроме того, были собраны данные по расходу электроэнергии на обеспечение внутреннего освещения, электрического размораживания, работы антиконденсирующих подогревателей и водонагревателей. Указанные системы сбора данных через равные интервалы (минута или менее минуты) подключаются к датчикам и выдают промежуточные или итоговые отчеты с интервалом в 15 и 30 минут.

Затем несколько раз в неделю в течение, по крайней мере, всего летнего периода информация передается через модем на центральный пункт обработки данных для их анализа и хранения.

Функциональные данные по холодильным установкам

Целью исследования было определить воздействие температуры точки росы на энергопотребление, а также потребности холодильных агрегатов в энергоресурсах (включая двигатели компрессоров, электрические вентиляторы конденсаторов, подающие вентиляторы, лампы освещения прилавков, антиконденсирующие подогреватели, размораживатели и регуляторы).

Результаты исследований, проводившихся в предыдущие годы, показали, что внутренняя влажность и температурные показатели внутри и снаружи по сухому термометру являются переменными параметрами, в значительной степени определяющими величину энергопотребления холодильных агрегатов.

В большинстве случаев было установлено, что энергопотребление

определяется главным образом температурой точки росы среды и внешней температурой по сухому термометру.

Результаты проведенного анализа приведены в табл. 4. Из них становится ясно, что данные о возможном энергосбережении при понижении температуры точки росы существенно отличаются по объектам. Энергосбережение в абсолютных показателях варьируется от 13,7 до 55,6 кВт.ч в день х К, составляя в среднем 31,1. В относительных показателях диапазон от 0,47 до 2,0% в день х К, со средним значением 1,2%.

Экономия ресурсов в абсолютных показателях относительно потребности электроэнергии варьируется от 0,58 до 3,1 кВт/°C, составляя в среднем 2,0, а в относительных показателях – от 0,43 до 1,4%/°C со средним значением 1,1%. Точный расчет возможной экономии энергоресурсов на холодильном оборудовании при понижении температуры точки росы среды сделать непросто, поскольку проверка показала, что среднее значение этой температуры в течение летнего периода оказалось ниже условной контрольной точки 14,5°C (около 24°C по сухому термометру при 55% относительной влажности воздуха) в силу метеорологических колебаний.

Поэтому эксперты, проводившие проверку, пока отказались от попыток разработать простой и удобный способ количественной оценки данного эффекта.

Функциональные данные по системам кондиционирования воздуха

Следует дополнительно отметить, что проверявшиеся системы стали одними из первых, где для улучшения характеристик среды по уровню влажности были применены трубчатые теплообменники. Вследствие этого контрольные замеры имели главной целью определить их предельные функциональные характеристики, степень воздействия самих теплообменников на КПД системы в режимах охлаждения и удаления влаги, а также критерии надежности.

Как было отмечено выше, экспертам удалось обеспечить функционирование большого числа объектов при температуре точки росы среды гораздо ниже условного контрольного значения 14,5°C, в некоторых случаях до 10°C, что, естественно, объясняется особенностями самих систем и использованием в них трубчатых теплообменников.

Среди систем различного типа наиболее подходящей для работы с латентными нагрузками, обусловленными инфильтрацией воздуха, признана система одинарной, а не двойной обработки.

Помимо прочего в системе двойной обработки испаритель зачастую вынужден функционировать в «ненормальных» условиях, когда температура наружного воздуха по мокрому термометру слишком низкая, вследствие чего возникают проблемы с возвратом масла на компрессор.

Были получены показатели производительности СОР в пределах 3,8 в условиях среды, близких к проектным. Среднее сезонное значение составило 3,4.

Количество удаляемой влаги также замерялось с учетом и без учета действия теплообменников, при этом масса удаленного конденсата сопоставлялась с количеством потребленной электроэнергии (кг/кВт.ч). На объекте W1 были получены средние значения 3,0 кг/кВт.ч, при этом диапазон показателей составил от 0,4 до 3,6 в зависимости от колебаний состояния наружного воздуха. Что же касается общей тепловой нагрузки, оказалось невозможным получить количественные показатели преимущественного использования трубчатых теплообменников, когда они применяются для сокращения потребности электроэнергии холодильных агрегатов и их энергопотребления путем понижения точки росы среды. На самом деле экономия ресурсов, получаемая на холодильных агрегатах, частично уравновешивается ростом энергопотребления и потребностей электроэнергии систем кондиционирования воздуха. Показатели этого роста существенно варьируются и обусловлены множеством факторов.

Энергопотребление и энергозапросы

На рис. 3 приведены итоговые показатели энергопотребления в летний период, унифицированные с учетом общей площади каждого супермаркета. Средний показатель составил 272 кВт.ч/м².

На той же диаграмме показано частичное энергопотребление холодильных агрегатов и систем кондиционирования воздуха с учетом того, что в обоих случаях в расчет принимались только компрессоры и электровентиляторы конденсаторов.

Потребление электроэнергии на холодильных агрегатах варьируется от 72 до 119 кВт.ч/м², что составляет от 20 до 40% общего количества электроэнергии. Энергопотребление

систем кондиционирования воздуха составляет лишь от 3,5 до 6,1% от общего объема.

На рис. 4 показаны пиковые значения потребности электроэнергии в летний период, унифицированные с учетом общей площади каждого супермаркета. Общие потребности электроэнергии варьируются от 88 до 112 Вт/м², а средний показатель составил 100 Вт/м². В этом случае удельное воздействие системы кондиционирования воздуха выше и составляет от 9,3 до 14% от общего значения.

Рисунок 3. (увеличить) Сводная диаграмма итоговых показателей энергопотребления в летний период, унифицированных с учетом общей площади каждого супермаркета	Рисунок 4. (увеличить) Сводная диаграмма пиковых значений потребности электроэнергии в летний период, унифицированных с учетом общей площади каждого супермаркета

Распределение воздуха в супермаркетах

Половина обследованных супермаркетов проектировалась на объемы воздуха порядка 18,5 м³/ч на 1 м² кондиционированной площади или на показатели, близкие к обычно применяемым в этих случаях.

Оставшиеся три супермаркета работают с меньшим расходом воздуха – от 10 до 14 м³/ч, но и при таких скромных показателях жалоб от посетителей не поступало, хотя существенно сокращается установленная мощность электровентиляторов, что в свою очередь дает значительную экономию энергоресурсов.

Наличие трубчатых теплообменников, естественно, ведет к росту аэродинамического сопротивления и, как следствие, к увеличению мощности электродвигателя вентилятора, что обуславливает эксплуатационные показатели системы за весь год, а не только в летний период.

Заключение

Во всех супермаркетах было отмечено существенное сокращение потребления энергоресурсов на холодильном оборудовании вследствие понижения температуры точки росы внутреннего воздуха. Средний показатель сбережения энергоресурсов составил 31 кВт.ч/день х К. Относительные показатели экономии энергоресурсов варьировались в диапазоне от 0,47% в день х К до 2,0% в день х К, средний показатель составил 0,65% в день х К.

Относительные показатели экономии потребностей электроэнергии идентичны. Во многих супермаркетах удалось организовать регулирование температуры точки росы на уровне, который существенно ниже условного контрольного значения (в отдельных случаях до 10°C), путем применения трубчатых теплообменников. Теплообменники в системах кондиционирования воздуха «простой обработки» признаны более эффективными для поддержания низких значений точки росы, нежели в системах «двойной обработки», в силу неконтролируемой инфильтрации воздуха. Потребность электроэнергии систем «простой обработки», функционирующих с условными значениями 24°C по сухому термометру и 55% относительной влажности воздуха, дает показатель СОР 3,8.

Использование трубчатого теплообменника в системах такого типа дает ограниченный эффект воздействия на общую охлаждающую производительность, однако повышает эффективность удаления влаги из воздуха с 18 до 27%. При этом применение теплообменника в системах «двойной обработки» с последовательными батареями заметного результата, в частности, в удалении влаги, не принесло. То есть более эффективной является, скорее всего, система «двойной обработки» с параллельными батареями.

Перепечатано с сокращениями из журнала RCI.

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.

Научное редактирование выполнено М. Г. Тарабановым, директором НИЦ «Инвент».