Чиллер с free cooling использует холод наружного воздуха для охлаждения теплоносителя и сокращает время работы компрессоров. Когда температура на улице становится достаточно низкой, часть или вся холодильная нагрузка покрывается без обычного парокомпрессионного цикла. Такой режим называют фрикулингом, или свободным охлаждением.
Технология особенно полезна для объектов, которым холод нужен круглый год: ЦОД, серверных, телекоммуникационных площадок, производственных линий и зданий с постоянными теплопритоками. Чем больше часов наружный воздух холоднее обратного теплоносителя, тем выше потенциальная экономия электроэнергии.
Что такое фрикулинг
Фрикулинг — использование низкой температуры наружного воздуха как естественного источника холода. В обычном чиллере тепло от воды или гликоля переносится хладагентом и отводится через конденсатор. Основную часть электроэнергии потребляет компрессор.
В режиме свободного охлаждения теплоноситель проходит через дополнительный воздушный теплообменник. Вентиляторы прогоняют наружный воздух через оребрение, и жидкость охлаждается напрямую. Компрессоры отключаются либо работают только на недостающую часть мощности.
Как устроен чиллер с фрикулингом
Чиллер с фрикулингом включает холодильный контур, воздушный конденсатор, теплообменник free cooling, вентиляторы, регулирующие клапаны и автоматику. Контроллер сравнивает температуру наружного воздуха, обратной жидкости и заданную температуру подачи, после чего выбирает подходящий режим.
Три режима работы
Компрессорное охлаждение
При высокой наружной температуре free cooling не обеспечивает полезного перепада. Чиллер работает как обычная холодильная машина: компрессоры переносят тепло из испарителя в конденсатор, а вентиляторы удаляют его наружу.
Частичный free cooling
Когда наружный воздух уже холоднее обратного теплоносителя, свободный контур предварительно охлаждает жидкость. Компрессоры доводят её до требуемой температуры. Смешанный режим снижает нагрузку на холодильный контур и уменьшает энергопотребление.
Полный free cooling
При достаточно низкой температуре теплоноситель охлаждается без компрессоров. Работают главным образом вентиляторы, насосы и автоматика. Максимальная экономия достигается именно в этом режиме, хотя энергия по-прежнему расходуется на перемещение воздуха и жидкости.
При какой температуре включается свободное охлаждение
Единой температуры включения нет. Она зависит от температуры обратной воды, требуемой подачи, площади теплообменника, концентрации гликоля, расхода жидкости и алгоритма управления. Чем выше допустимая температура холодоносителя, тем раньше начинается свободное охлаждение.
Система с подачей 15–18 °C для серверного оборудования использует наружный холод дольше, чем установка, которой требуется вода 6–7 °C для традиционных фанкойлов. Поэтому повышение температурного графика увеличивает количество часов фрикулинга.
Free cooling для ЦОД
Free cooling для ЦОД эффективен благодаря круглогодичной холодильной нагрузке. Серверы выделяют тепло независимо от сезона, поэтому зимой и в межсезонье наружный холод заменяет часть компрессорной мощности.
Дополнительный эффект дают повышенные температуры воды, разделение холодных и горячих коридоров и точное регулирование вентиляторов. Чем выше температура возврата к чиллеру, тем больше температурный напор на теплообменнике free cooling.
Для ЦОД необходимы резервирование N+1, независимые насосные группы, контроль качества теплоносителя и обслуживание без полной остановки. Экономия не должна снижать надёжность или нарушать допустимые параметры воздуха в машинных залах.
Преимущества технологии
- сокращение времени работы компрессоров;
- уменьшение годового энергопотребления;
- снижение износа компрессорного оборудования;
- круглогодичное охлаждение при низкой наружной температуре;
- повышение сезонной энергоэффективности;
- автоматическое переключение режимов без остановки холодоснабжения.
От чего зависит экономия
Энергоэффективное охлаждение определяется не только наличием функции free cooling. Необходимо учитывать климат региона, количество часов работы, температурный график воды, фактическую нагрузку, мощность вентиляторов и насосов, сопротивление теплообменников и настройки автоматики.
На объекте с сезонной работой и небольшой зимней нагрузкой дополнительный теплообменник используется редко. Для ЦОД или промышленного процесса с постоянным тепловыделением полезных часов значительно больше, поэтому срок окупаемости обычно короче.
Как рассчитать годовой эффект
Для расчёта применяют почасовые климатические данные и профиль холодильной нагрузки. Для каждого диапазона наружной температуры определяют доступную мощность свободного охлаждения и потребление компрессоров, вентиляторов и насосов. Затем сравнивают годовое потребление обычного чиллера и установки с free cooling.
- Определить температуры подачи и возврата.
- Собрать почасовой профиль нагрузки.
- Использовать климатические данные конкретного города.
- Рассчитать часы полного и частичного фрикулинга.
- Учесть потребление насосов и вентиляторов.
- Сравнить капитальные и эксплуатационные расходы.
Вода или гликоль
При отрицательной температуре вода в наружном теплообменнике может замёрзнуть, поэтому часто применяют водно-гликолевый раствор. Концентрацию выбирают по минимальной расчётной температуре с запасом.
Гликоль повышает вязкость, увеличивает требуемый напор насосов и ухудшает теплопередачу. Эти свойства учитывают при подборе теплообменников, расхода и насосного оборудования. Избыточная концентрация уменьшает эффективность системы.
Интегрированный чиллер или отдельный сухой охладитель
Free cooling может быть встроен в чиллер или организован через отдельный сухой охладитель и промежуточный теплообменник. Интегрированная установка компактнее и поставляется с согласованной автоматикой. Отдельная схема удобна при модернизации и на крупных объектах.
В обоих случаях проверяют расходы, гидравлическое сопротивление, клапаны, минимальный объём контура и взаимодействие насосов. Ошибки в обвязке уменьшают температурный перепад и ожидаемую экономию.
Автоматика и обслуживание
Переход между компрессорным, смешанным и свободным режимами должен происходить без скачков температуры подачи. Для этого применяют регулируемые вентиляторы, инверторные компрессоры и модулирующие клапаны. BMS позволяет контролировать температуры, процент free cooling и фактическое энергопотребление.
Сервис включает очистку оребрения, проверку вентиляторов, клапанов, датчиков, насосов и качества гликоля. Загрязнённый теплообменник снижает теплопередачу, поэтому компрессоры включаются раньше и работают дольше.
Типичные ошибки
- подбор без годового энергетического расчёта;
- использование усреднённого климата вместо данных города;
- слишком низкая температура воды;
- неучтённое потребление вентиляторов и насосов;
- неправильная концентрация гликоля;
- рециркуляция тёплого воздуха у теплообменника;
- отсутствие резервирования для критического объекта;
- неверные уставки переключения режимов.
Итог
Чиллер с free cooling особенно выгоден там, где охлаждение требуется большую часть года и наружная температура часто ниже температуры обратного теплоносителя. Свободное охлаждение уменьшает нагрузку на компрессоры, снижает энергопотребление и повышает сезонную эффективность. Для реального результата необходимо рассчитать климатические часы, температурный график, гидравлику, гликоль, автоматику и резервирование. NIKLAND подбирает чиллеры с фрикулингом для ЦОД, коммерческих зданий и промышленных объектов с учётом фактического режима эксплуатации.
