Free cooling, або вільне охолодження, дає змогу відводити тепло від промислового процесу в холодніше навколишнє середовище, зменшуючи роботу компресорів холодильного агрегату. Однак це не означає охолодження без електроенергії: насоси, вентилятори й автоматика продовжують працювати. Фактичний ефект залежить від потрібних температур теплоносія, графіка потреби в холоді та ефективності всієї системи в різні години року.
Як працює free cooling у промисловості?
У звичайній системі охолодженої води чилер відбирає тепло від рідини за допомогою холодильного циклу з компресором. У системі free cooling холодніше зовнішнє повітря відводить тепло через сухий охолоджувач (dry cooler) або теплообмінник, інтегрований у чилер. За достатньо сприятливих умов компресори можна вимкнути. Якщо цих умов немає, система здатна лише попередньо охолодити рідину, а решту потрібної холодопродуктивності забезпечить чилер.
Це рішення застосовують, зокрема, для охолодження машин, технологічного обладнання, пресформ, технологічних контурів та інших споживачів холоду, які працюють і поза літнім сезоном. Його не слід ототожнювати з будь-яким використанням прохолодного повітря для вентиляції будівель. Тут ми розглядаємо насамперед free cooling у системах охолодженої води та промислових рідинних контурах, а не проєктування всієї холодильної установки. Ширший контекст обладнання та споживачів холоду наведено в матеріалі про промислове холодильне обладнання.
Коли зовнішнє повітря достатньо холодне?
Основна умова — передавання тепла від теплішої рідини до холоднішого середовища. Але сама лише температура зовнішнього повітря, нижча за температуру зворотної лінії, не гарантує повного free cooling. Потрібно також врахувати температурний напір для теплообміну, потужність теплообмінника, витрату рідини, забруднення поверхонь і втрати в наступних елементах системи.
Припустімо, що процес потребує воду з температурою подачі 14°C, а повертає її з температурою 19°C. Якщо за заданої витрати та навантаження сухому охолоджувачу умовно потрібна різниця 5 K між зовнішнім повітрям і температурою рідини на виході, то за зовнішньої температури 6°C може бути достатній запас для повного охолодження. За 12°C у такому спрощеному прикладі можна розглядати охолодження зворотної води приблизно до 17°C, але не до потрібних 14°C. Тоді чилер має додатково охолодити воду. Значення 5 K — це припущення для прикладу, а не універсальна характеристика сухого охолоджувача; фактичні температури визначаються робочими характеристиками обладнання.
| Режим роботи | Технічна умова | Що споживає електроенергію? |
|---|---|---|
| Повний free cooling | Система теплообмінників забезпечує потрібне навантаження за заданої температури подачі. | Передусім насоси, вентилятори, автоматика та, за потреби, допоміжне обладнання; компресори залишаються вимкненими. |
| Частковий free cooling | Умови довкілля дозволяють попередньо охолодити рідину, але не покривають усієї потреби в холоді. | Допоміжні приводи й чилер, що працює зі зменшеним навантаженням. |
| Механічне охолодження | За наявних умов вільне охолодження не забезпечує корисної холодопродуктивності. | Чилер, насоси та інші приводи, необхідні для роботи установки. |
Перехід від механічного охолодження через частковий до повного free cooling також описує Daikin у матеріалі про рішення з вільним охолодженням. Випарне охолодження слід оцінювати інакше, ніж роботу сухого охолоджувача: тут важливі також температура за вологим термометром і водогосподарські аспекти. Тому температурні пороги різних технологій не можна переносити без перевірки.
Доступність free cooling потрібно розраховувати погодинно
Той факт, що в певному регіоні протягом багатьох годин бувають низькі температури, ще не доводить доцільності інвестиції. У ці самі години підприємство має справді потребувати холоду, а обладнання — передавати необхідну теплову потужність за заданих параметрів. Підприємство, що працює цілий рік у три зміни, зазвичай має інший потенціал, ніж об’єкт, якому охолодження потрібне лише під час літнього виробництва.
Для аналізу потрібні щонайменше такі дані:
- Профіль холодильного навантаження в часі: холодопродуктивність або кількість холоду за окремими годинами, зміни виробництва та простої.
- Температури подачі та зворотної лінії і допустимі відхилення, яких потребує технологічний процес.
- Витрата рідини, характеристики насосів, втрати тиску й можливі відмінності між контурами.
- Метеорологічні дані з місця, максимально наближеного до обладнання, за години роботи підприємства.
- Робочі характеристики теплообмінника та сухого охолоджувача для відповідних температур, витрат і режимів регулювання вентиляторів.
- Споживана електрична потужність чилера й допоміжних приводів у відповідних робочих точках.
Початковими джерелами зовнішніх даних можуть бути дані вимірювань і спостережень польського інституту IMGW-PIB або погодинні дані реаналізу ERA5 від Copernicus. Для точного підбору обладнання слід враховувати різницю між даними метеостанції чи розрахункової сітки та реальними умовами на вході повітря в сухий охолоджувач, наприклад на нагрітому даху виробничого цеху.
Як визначити холодильне навантаження за результатами вимірювань?
Для водяного контуру приблизну потужність відведення тепла можна обчислити за формулою: Q [kW] ≈ 1,163 × витрата [m³/h] × різниця температур [K]. За витрати 17,2 m³/h і різниці 5 K це приблизно 100 kW. Це спрощення для води у звичайному діапазоні температур; для гліколевих розчинів потрібно брати відповідні питому теплоємність і густину з урахуванням фактичного складу та температури.
Для кожної години моделювання слід визначити потребу процесу в холоді, доступну потужність сухого охолоджувача за поточних умов та електричне навантаження всього варіанта системи. Лише зведення за всі години показує тривалість повного й часткового режимів, кількість холоду, забезпеченого вільним охолодженням, та електроенергію, потрібну для його подавання.
Повний і частковий free cooling потребують належної автоматики
Контролер має обирати режим за реально досяжною температурою подачі, потребою в холоді та балансом електричної потужності. Типова послідовність передбачає запуск контуру вільного охолодження, регулювання витрати рідини й частоти обертання вентиляторів, а потім — за потреби — поступове збільшення або зменшення внеску чилера. Принцип спільної роботи сухого охолоджувача з наявною системою охолодженої води описує також Trane.
На практиці слід перевірити:
- гістерезис перемикань, щоб чилер і клапани не вмикалися та не вимикалися надто часто за незначних змін температури;
- датчики температури й витрати по обидва боки теплообмінника та достовірність їхніх показань;
- обмеження мінімальної витрати через чилер, теплообмінник і обладнання споживачів;
- пріоритет підтримання технологічних параметрів під час запуску, зупинки й аварій;
- захист від замерзання, гідравлічні байпаси та порядок повернення до механічного охолодження;
- реєстрацію режиму роботи, температур, витрат, потужності й аварійних сигналів у системі моніторингу.
Не кожен випадок із теоретичною можливістю попереднього охолодження дає економію електроенергії. Якщо додаткова робота насосів і вентиляторів потребує більше електроенергії, ніж економиться завдяки компресору, автоматика не повинна примусово вмикати змішаний режим лише тому, що надворі похолоднішало.
Насоси, вентилятори та гліколь можуть змінити енергетичний баланс
Слово «free» стосується джерела холоду, а не вартості роботи установки. Додавання сухого охолоджувача може потребувати нових вентиляторів, насоса зовнішнього контуру, додаткового пластинчастого теплообмінника, арматури та спричинити більший гідравлічний опір. Різницю у споживанні електроенергії потрібно обчислювати для всієї системи, враховуючи як наявні, так і додані приводи, а не просто порівнювати потужність компресора з потужністю вентиляторів. Міністерство енергетики США описує водяні економайзери, які залежно від конфігурації можуть замінювати роботу чилера або попередньо охолоджувати воду. Наведений приклад стосується центрів обробки даних, проте принцип загальносистемного балансу важливий і для промислових процесів.
Контур, який може зазнавати дії морозу, потребує захисту від замерзання відповідно до місцевих умов і документації виробника. Часто застосовують водний розчин гліколю. Він змінює теплові та гідравлічні властивості рідини, тому не можна приймати продуктивність насоса й втрати тиску такими самими, як для чистої води. Один із варіантів — окремий зовнішній гліколевий контур, відділений теплообмінником від технологічного. Це обмежує потрапляння гліколю в процес, але створює додатковий термічний опір і може потребувати окремого насоса. Документація рішень Daikin показує варіанти з гліколем і зовнішнім контуром, відділеним від системи споживача.
Скільки електроенергії можна заощадити? Приклад для одного періоду роботи
Припустімо, що промисловому контуру потрібно 100 kW холоду протягом 1000 вибраних годин, коли умови дозволяють повний free cooling. Для порівняння в обох варіантах приймаємо однакове холодильне навантаження та ті самі потрібні температури. Наведені значення електричної потужності — умовні припущення, що охоплюють усі суттєві приводи в кожному варіанті, а не результати вимірювань на конкретному підприємстві.
| Параметр | Лише холодильний агрегат | Повний free cooling |
|---|---|---|
| Забезпечена холодопродуктивність | 100 kW | 100 kW |
| Сумарна електрична потужність: компресори, насоси, вентилятори та інші приводи | 35 kW | 13 kW |
| Тривалість роботи в дослідженому наборі годин | 1000 h | 1000 h |
| Електрична енергія | 35 000 kWh | 13 000 kWh |
Різниця становить (35 − 13) kW × 1000 h = 22 000 kWh, тобто 22 MWh електроенергії за ці години. Це не обов’язково річна економія підприємства. В інші години система може працювати в частковому режимі або лише з механічним охолодженням, а споживання залежатиме від реального навантаження та регулювання.
Для оцінки економічної доцільності потрібно врахувати капітальні, експлуатаційні й сервісні витрати, можливу заміну гліколю та вартість електроенергії в години фактичного скорочення споживання. Варіанти також варто порівняти для теплішого року та нижчого виробничого навантаження. Якщо інвестицію обґрунтовують економією енергії, доречним інструментом може бути аудит енергоефективності з чіткою методикою порівняння базового стану й варіанта модернізації.
На яких підприємствах модернізація доцільна, а де потрібна обережність?
Найперспективніші системи з цілорічним або тривалим сезоном охолодження, стабільною потребою в холоді та достатньо високою температурою подачі, яку зовнішні умови можуть забезпечувати протягом багатьох годин. Сприятливі умови можуть бути, наприклад, у контурах відведення тепла від виробничого обладнання. Проте кожен процес потрібно перевіряти окремо: надмірне підвищення температури води здатне погіршити якість продукції або умови роботи машин.
Ретельнішої оцінки потребують випадки, коли холод потрібний майже виключно у спекотні дні, процес вимагає дуже низької температури подачі, бракує місця для сухого охолоджувача або новий теплообмінник істотно збільшить гідравлічні втрати й обсяг переобладнання. Варто також перевірити, чи можна корисно використати відпрацьоване тепло: іноді рекуперацію тепла в промисловості доцільно окремо порівняти з відведенням тепла назовні. Це різні енергетичні рішення, які за певних умов можуть конкурувати між собою.
Що перевірити перед інвестицією та під час приймання?
- Визначте межі системи. Укажіть, які чилери, контури, насоси та споживачі включено в порівняння, щоб не пропустити допоміжне споживання.
- Зберіть вимірювання за типові періоди роботи. Потрібні витрати рідини, температури, електрична потужність, технологічне навантаження та дані про зміни виробництва й простої.
- Складіть погодинний енергетичний баланс. Зіставте години роботи споживачів холоду з погодою та характеристиками обладнання й визначте частку повного, часткового та механічного охолодження.
- Перевірте технічні обмеження. Оцініть захист від морозу, насоси й гідравлічний опір теплообмінників, місце встановлення, шум, доступність обслуговування та збереження параметрів процесу в разі аварії.
- Встановіть критерії приймання. За відповідних робочих умов підтвердьте температуру подачі, витрату рідини, режим керування та електричну потужність усієї установки. Забезпечте реєстрацію даних для оцінки результату після модернізації.
З погляду енергоаудитора важливо розділити два запитання: скільки холоду можна забезпечити без компресорів і на скільки фактично зменшиться споживання електроенергії всією установкою. На перше відповідає теплотехнічний розрахунок, на друге — лише баланс усієї системи на основі реальних виробничих даних.
З чого почати оцінку free cooling на своєму підприємстві?
Почніть із простого опису установки: що саме охолоджують, у які години, які потрібні температури подачі та повернення і яке обладнання та вимірювання вже доступні. Це допоможе визначити, що важливіше насамперед: аналіз профілю навантаження, перевірка автоматики чи порівняння варіантів модернізації. Не потрібно збирати всі вимірювання до першої розмови. Якщо хочете впорядкувати дані та обсяг такої оцінки, зв’яжіться з Energy Trend.
Технічні джерела та дані для аналізу
- Daikin — рішення free cooling для чилерів із повітряним охолодженням: конфігурації контурів і перехід між режимами роботи.
- Trane — вільне охолодження: принцип роботи сухого охолоджувача із системою охолодженої води.
- Міністерство енергетики США — Cooling Water Efficiency Opportunities: водяні економайзери, підключені паралельно або послідовно з чилером.
- IMGW-PIB — відкриті дані: інформація про доступність метеорологічних вимірювань та архівів.
- Copernicus Climate Data Store — ERA5: погодинні дані реаналізу погоди з обмеженнями просторової роздільності.
