Чиллер с фрикулингом: принцип работы и когда он выгоден

Фрикулинг (free cooling, свободное охлаждение) — режим чиллера, в котором воду охлаждает холодный наружный воздух, а компрессоры работают меньше или стоят. Он возможен, когда воздух холоднее воды, которая возвращается от потребителя. Выгоден фрикулинг там, где нагрузка есть круглый год: на производстве, в серверных, на лазерах и линиях переработки пластмасс.

Как устроен фрикулинг

В контур добавляют сухой охладитель — теплообменник с вентиляторами на улице. Тёплая вода от потребителя сначала проходит через него и отдаёт тепло воздуху, а потом попадает в испаритель чиллера, который доохлаждает её до заданной температуры. Трёхходовой клапан пускает воду через охладитель, только когда на улице достаточно холодно.

Встроенный фрикулинг — теплообменник стоит в корпусе чиллера рядом с конденсатором и использует его вентиляторы. Выносной — отдельный сухой охладитель и пластинчатый теплообменник, их можно добавить к работающему чиллеру.

Уличная часть зимой замёрзнет на воде, поэтому в ней циркулирует раствор гликоля. Либо гликоль заливают во весь контур, либо отделяют его от воды потребителя промежуточным теплообменником. Второй вариант оставляет потребителю воду, но добавляет 2–3 °C к температуре на выходе из фрикулинга.

Три режима работы

Режим определяется наружной температурой и температурами воды. Охладитель не может остудить воду ниже, чем температура воздуха плюс его температурный напор Δt_н — разность между водой на выходе из охладителя и воздухом. Ориентировочно Δt_н = 5–6 °C, с промежуточным теплообменником — на 2–3 °C больше.

• Летний режим. Воздух теплее, чем t_обр − Δt_н: охладитель ничего не даёт, клапан пускает воду мимо него, работают только компрессоры.
• Смешанный режим. Охладитель снимает часть перепада, компрессоры догружают остальное и работают с меньшей нагрузкой.
• Полный фрикулинг. Воздух холоднее, чем t_под − Δt_н: охладитель снимает весь перепад, компрессоры стоят, энергия тратится только на вентиляторы и насос.

Долю нагрузки, которую снимает фрикулинг, оценивают так:

k = (t_обр − t_в − Δt_н) / (t_обр − t_под)

k — доля фрикулинга, от 0 до 1 (меньше нуля — 0, больше единицы — 1); t_обр — вода от потребителя, °C; t_под — вода к потребителю, °C; t_в — наружный воздух, °C; Δt_н — температурный напор охладителя, °C. Формула приблизительная: она считает, что охладитель рассчитан на полный расход и его напор не меняется.

Когда фрикулинг выгоден

Выгода зависит от двух условий: нагрузка есть зимой и вода не слишком холодная. Чем выше температура воды, тем раньше осенью начинается фрикулинг и тем позже весной заканчивается. Для воды 15/20 °C полный фрикулинг наступает уже около +9 °C, для воды 7/12 °C — только около +1 °C.

Нагрузка круглый год бывает у технологического охлаждения: пресс-формы, экструдеры, лазерные источники, гидравлика, серверные. Кондиционирование зданий зимой почти не нагружено, и фрикулинг там окупается плохо, если нет серверных или других внутренних нагрузок.

Минусы — гликоль в уличной части, дополнительный теплообменник, клапан и автоматика, больше места на улице и больше гидравлическое сопротивление контура. Если оборудование работает зимой одну смену или контур небольшой, экономия может не окупить эти затраты. Зимний комплект для компрессоров нужен и с фрикулингом — в межсезонье они работают при +5…−5 °C, что разобрано в справочнике о чиллере зимой. Сколько энергии фрикулинг сберегает в конкретном городе, считают в расчёте экономии от фрикулинга.

Что из этого следует для подбора

• Холодопроизводительность считают на лето. Фрикулинг не уменьшает чиллер: в жару он не работает, и компрессоры должны снять всю нагрузку с запасом. Нагрузку считают по оборудованию, например для экструдера или лазерного станка, либо по расходу в расчёте мощности по расходу и температурам.
• Температуру воды задают максимально допустимую для процесса. Как выбирают график и что он даёт чиллеру, разобрано в справочнике о температурном графике чиллера. Каждый градус выше по воде расширяет сезон фрикулинга.
• Концентрацию гликоля считают по зимнему минимуму воздуха — в расчёте концентрации гликоля. Гликоль снижает теплоёмкость, поэтому расход и трубы пересчитывают: диаметр трубопровода.
• Подбор индивидуальный. Чиллер с фрикулингом работает на гликоле и требует расчёта охладителя на климат площадки, поэтому его подбирают по запросу с исходными данными: нагрузка, температуры воды, минимальная температура воздуха, режим работы зимой.