Повышение энергоэффективности инженерных систем торгово-развлекательных центров

А. С. Рубцов, генеральный директор ООО «Вент-Дизайн», as.rubcov@vent-design.ru

Любой торговый центр имеет теплоизбытки внутри помещений, и не только летом, но также и зимой, поэтому для экономии электрической энергии, затрачиваемой на работу компрессоров холодильных установок, и для увеличения ресурса компрессоров придумали удобный механизм – свободное охлаждение (free cooling). С точки зрения энергосбережения это не что иное, как сброс на улицу низкопотенциальной теплоты помещений. Эту теплоту целесообразно использовать на нужды ТРЦ (теплоснабжение калориферов кондиционеров, ГВС). Ниже приведено описание данного технического решения с расчетами энергопотребления и показана экономия, которая достигается при его применении.

Исходные данные

Рассмотрим ТРЦ площадью 70000 м². Такой объем удобно масштабировать, к примеру, в Западной и Восточной Сибири присутствует много объектов площадью 60000–80000 м², а также формата 150000 м². При этом автостоянка часто не входит в данный объем и вообще может быть снаружи здания. В состав ТРЦ, как правило, входят порядка 10 кинотеатров, 12 кафе и ресторанов, игровая зона, супермаркет.

Теперь поговорим о том, какие технические решения, обеспечивающие энергоэффективную работу инженерных систем ТРЦ, стоит обсудить. В первую очередь, это касается роторных рекуператоров – сегодня это уже не новость практически для всех участников строительного рынка. Справедливости ради надо отметить, что роторному рекуператору более 50 лет, и эту технологию знали и понимали еще в СССР. Давайте вспомним, чем же хорошо изобретение вращающегося теплообменника, в чем его гениальность. Ротор может сберегать (возвращать потребителям) несколько сотен (!) киловатт теплоты при расходе электроэнергии на привод моторчика ротора 100–300 Вт. Применение таких эффективных методов теплосбережения особенно оправданно в холодных регионах нашей страны, отопительный период в которых длится более 200–230 суток и средняя температура зимой бывает ниже –8 °C. Так или иначе, хорошо иметь в здании надлежащую теплоизоляцию и в целом грамотно выполненные ограждающие конструкции, однако ниже будет показано, что основные затраты теплоты идут не на отопление ТРЦ, а на теплоснабжение тепловых завес и калориферов, даже с учетом применения роторов.

Во всех случаях будем предполагать, что кратность воздухообмена по основным помещениям (торговые залы, бутики) должна быть 2,0…2,5. И на самом деле, такая же кратность получится по всему объекту при полностью загруженном ТРЦ – примерно 2,3. По всему объекту допустимо присутствие до 23000 человек, средняя плотность людей предполагается на уровне 3 м² на одного человека. Данные требования по воздухообмену соответствуют уровню выше среднего, ближе к высокому. Даже если в ТРЦ не могут одновременно собраться столько людей, данный воздухообмен все равно необходим, т.к. в торговых помещениях всегда есть различные запахи, которые нужно по возможности эффективно удалять, и при распространенной практике подачи приточного воздуха сверху остается лишь увеличить кратность воздухообмена хотя бы до 2,5. В сравнении разных технических решений участвуют абсолютно идентичные исходные условия и, конечно, производительности систем.

Два подхода к проектированию инженерных систем ТРЦ

Итак, рассмотрим два разных подхода к инженерным системам ТРЦ. По первому типу построены ТРЦ с общеобменными системами на роторных рекуператорах, с местными отсосами технологии сразу на улицу, с холодильным центром на базе чиллеров с водяным конденсатором и, к примеру, с температурами воды/гликоля на конденсаторе +35…+30 °C. Разумеется, охладители гликоля должны быть с орошаемой насадкой, которая распрыскивает воду в пиковые жаркие дни. Но благодаря более низким температурам гликоля на конденсаторах чиллеров, существенно возрастает холодильный коэффициент чиллеров – для одновинтовых компрессоров на фреоне R134 он может быть выше 5. В качестве доводчиков холода используются классические устройства – фэнкойлы для локального контроля зон – и, конечно же, приточный воздух подготавливается летом до температуры +18…+20 °C в охладителях центральных кондиционеров. Вообще охлаждение приточного воздуха необходимо по возможности выполнять всегда, и только если уровень комфорта объекта допускает быть ниже 3* (или В для офисных зданий), можно обойтись в летний период теплым приточным воздухом и доводчиками внутри помещений. Посмотрим на рис. 1 – так выглядят расчетные тепловые и электрические мощности ТРЦ зимой. Как мы видим, существенную нагрузку по теплоте несут калориферы, даже с учетом того, что 80% всех систем вентиляции выполнены с применением эффективных роторных рекуператоров (температурный КПД выше 72%). Второе, на что нужно обратить внимание,– освещение и технологическое оборудование, доля этих потребителей немалая. В данном сравнении выбраны обычные светильники, те, которые массово применяются на объектах строительства, соответственно, здесь тоже есть потенциал энергосбережения.

Рисунок 1. Расчетные тепловые и электрические мощности в зимний период (5,18 МВт электроэнергии, 6,4 МВт тепловой энергии)

На рис. 2 приведены ежегодные расходы на оплату энергоресурсов, но уже с учетом работы всех систем, в том числе систем кондиционирования, т.е. это затраты по всем инженерным системам в комплексе. Удельная энергоемкость ТРЦ показана на рис. 3.

Рисунок 2. Структура расходов на оплату энергоресурсов (всего – 41,7 млн руб./год)

Рисунок 3. Структура энергоемкости ТРЦ (всего– 316 кВт·ч/год·м2)

Теперь рассмотрим, что же нам даст использование сбросной теплоты системы свободного охлаждения. И в этом же варианте рассмотрим сбросную теплоту местных отсосов ресторанов, поскольку их довольно много и по количеству, и по объему вытяжки. Предлагаем для вентиляции ресторанов и кафе использовать агрегаты с гликолевым контуром или батарейный тип утилизаторов вытяжной теплоты. Зачем это нужно и как быть с жирами и парами масел от технологии? Во-первых, все равно нужно надлежащим образом фильтровать воздух от жира и масел, иначе воздуховоды и вентиляторы быстро засорятся жировыми отложениями, и это создаст взрывоопасную ситуацию. Если с вентиляторами можно что-то регулярно делать, то воздуховоды очень часто необслуживаемые. Во-вторых, воздух от технологии влажный и горячий, что повышает целесообразность применения утилизации теплоты. Что касается практики, то в Сибири есть несколько объектов, где батарейный контур успешно эксплуатируется именно на кухонных вытяжках.

Принципиальная схема кондиционирования воздуха ТРЦ в зимний период показана на рис. 4. Чиллер ХМ1 и градирня ГР1 нужны только летом, они обеспечивают холодной водой +7…+12 °C секции охлаждения центральных установок, поэтому на зиму вода из ГР1 сливается. Более интересна обвязка доводчиков холода, рационально выбрать температуры воды доводчиков чуть выше, чем обычно – +10…+15 °C. Это дает несколько преимуществ. Во-первых, вырастает холодильный коэффициент чиллера ХМ2, во‑вторых, в доводчиках холода уменьшаются потери на скрытую теплоту, ориентировочно потери снизятся с 25 до 15%. Это экономия на производительности холодильного центра и его стоимости, хотя нужно понимать, что доводчики с такими параметрами будут по типоразмерам больше, чем при более холодном теплоносителе. И в‑третьих, при параметрах +10…+15 °C доводчики создают меньше сквозняков. Но главное, такие параметры делают работу чиллера ХМ2 в режиме теплового насоса зимой более эффективной. Еще одно преимущество таких параметров – режим свободного охлаждения можно использовать уже при +5 °C на улице. И еще на конденсаторе ХМ2 можно выбрать температуры выше, чем у ХМ1 – +50…+45 °C. Это снизит холодильный коэффициент летом, зато есть возможность круглый год иметь горячую воду за счет сбросной теплоты ХМ2. Нагрев происходит в теплообменнике ПТО2. Ее можно немного догреть до необходимой температуры в штатном теплообменнике ПТО3 в холодный период или в бойлере летом. Теплота на конденсаторе ХМ2 зимой будет востребована главным образом не для ГВС, а для калориферов центральных установок. Доводчики собирают зимой порядка 2,5–3,0 МВт теплоизбытков, а для нужд ГВС требуется значительно меньше. Роль теплообменников для калориферов выполняет ПТО1. В периоды, когда не хватает теплоты от ХМ2, например утром, когда мало посетителей, автоматика приоткрывает клапан теплоносителя Т1 от ИТП. Но если говорить о гибкой автоматике, когда посетителей мало, то и производительность систем должна быть меньше, или, иначе говоря, нужно организовать принцип «регулирование по реальной потребности». В этом случае мы можем говорить о реальном сокращении расчетных тепловых мощностей для согласования технических условий подключения.

Рисунок 4 (подробнее) Принципиальная схема кондиционирования воздуха ТРЦ в зимний период

Полностью уйти от традиционной схемы свободного охлаждения не удастся. Причина в том, что когда период переходный или даже «минус», догревающим калориферам почти совсем не нужно теплоты, кроме установок с прямоточным принципом работы. Все равно нужно куда-то девать 3 МВт, поэтому в параллель к ХМ2 нужен ПТО4 – для реализации стандартного сброса теплоты на улицу через К1, в обход работы теплового насоса ХМ2. Таким образом, ХМ2 должна включаться всегда, когда есть потребность в тепле, например для ГВС, а свободное охлаждение должно справляться с остальной невостребованной теплотой.

Было просчитано, что дополнительные теплообменники, узлы обвязки, автоматика, способная управлять таким решением, окупаются примерно за 1 год. Выгода же в том, что потребляется меньше коммерческой теплоты, а стоимость электроэнергии для работы теплового насоса ХМ2 незначительна, ввиду высокого теплового коэффициента ХМ2.

На рис. 5 видно, что тепловая мощность сократилась на 1,7 МВт только благодаря использованию теплоты местных отсосов ресторанов.

Рисунок 5. Расчетные тепловые и электрические мощности в зимний период при использовании теплового насоса (5,18 МВт электроэнергии, 4,7 МВт тепловой энергии)

На рис. 6 показан вклад в экономию общих расходов на эксплуатацию ТРЦ – отдельно от использования теплоты технологии и отдельно от сбросной теплоты доводчиков холода. Общий эффект более 5 млн руб./год.

Рисунок 6. Структура расходов на оплату энергоресурсов при использовании теплового насоса (всего – 36,2 млн руб./год)

На рис. 7 приведены вклады от инженерных систем в общую энергоемкость ТРЦ. Благодаря двум решениям, общий показатель потребления снизился на 26%.

Рисунок 7. Структура энергоемкости ТРЦ при использовании теплового насоса (всего – 234 кВт·ч/год·м2)

Рассмотренный в статье пример показывает, что существуют простые технические решения, которые экономят существенные ресурсы объекта строительства, другой вопрос в том, что на технически продуманном объекте их может быть не так много, и они лежат не на поверхности. Тем не менее ежегодная экономия 5 млн руб. при небольшом сроке окупаемости может быть весьма привлекательной.

Литература

1. Тарабанов М.Г., Прокофьев П.С. Роторный утилизатор теплоты: результаты экспериментальных исследований // АВОК.– 2011.– № 7.