Система чиллер-фанкойл: принцип работы, преимущества и недостатки

Система чиллер-фанкойл – это централизованная, многозональная система кондиционирования воздуха, в которой теплоносителем между центральной охлаждающей машиной (чиллером) и локальными теплообменниками (узлами охлаждения воздуха, фанкойлами) служит охлаждённая жидкость, циркулирующая под относительно низким давлением, – обыкновенная вода (в тропическом климате) или водный раствор этиленгликоля (в умеренном и холодном климате). Кроме чиллера (чиллеров) и фанкойлов, в состав системы входит трубная разводка между ними, насосная станция (гидромодуль) и подсистема автоматического регулирования.

Системы с чиллерами и фанкойлами позволяют обеспечить независимое регулирование температуры одновременно в большом количестве помещений, например в гостиницах, офисах и т. д.

Потребители – кондиционеры-доводчики (фанкойлы) могут произвольно включаться и выключаться, изменять свою холодо- или теплопроизводительность.

Система с чиллерами и фанкойлами позволяет вводить здание в эксплуатацию, постепенно наращивая количество потребителей.

Кроме фанкойлов, в качестве потребителей могут быть теплообменники центрального кондиционера, какое-либо технологическое оборудование.

Охлаждение производится жидкостью, циркулирующей по системе трубопроводов от источника холода к конечному потребителю.

Источником холода является охладитель жидкости – так называемый чиллер.

Чиллер представляет собой законченную холодильную машину, предназначенную для охлаждения жидкости (вода, незамерзающие жидкости). Некоторые модели чиллеров могут работать в режиме теплового насоса. В этом случае возможен подогрев помещений.

Фанкойл – это агрегат, устанавливаемый в помещении и включающий теплообменник с вентилятором, фильтр, пульт управления (встроенный или выносной).

Как работает система чиллер-фанкойл

Воздух из помещения подается вентилятором на теплообменник фанкойла, в котором он охлаждается или подогревается. В фанкойл может подаваться некоторое количество свежего воздуха от центрального кондиционера или приточной установки. В этом случае система с чиллерами и фанкойлами позволяет одновременно решать задачи вентиляции.

Циркуляция жидкости от чиллера к потребителю обеспечивается насосными станциями.

Насосные станции представляют собой законченный агрегат, включающий циркуляционные насосы, расширительный бак, аккумулирующий бак, запорную арматуру и необходимую автоматику.

Насосная станция может управляться чиллером или работать самостоятельно.

На рисунке показана схема системы с применением чиллера, фанкойлов и насосной станции.

1 – чиллер с осевыми вентиляторами; 

2 – насосная станция; 

3 – фанкойл вертикального расположения; 

4 – фанкойл бескорпусный горизонтального расположения; 

5 – фанкойл горизонтального расположения с возможностью забора свежего воздуха.

Чиллер с воздушным охлаждением конденсатора (1) устанавливается на крыше здания. Насосная станция (2) располагается рядом с чиллером.

По системе трубопроводов жидкость разводится по помещениям здания к фанкойлам (3, 4, 5) различного типа.

Показанная схема обеспечивает только кондиционирование помещений. Более сложная система с использованием центрального кондиционера, позволяющая обеспечить вентиляцию помещений, показана на рисунке ниже.

Чиллер с центробежным вентилятором устанавливается на чердаке здания рядом с центральным кондиционером. От чиллера охлаждающая жидкость подается на фанкойлы, установленные в помещениях, и на теплообменник центрального кондиционера.

Центральный кондиционер обеспечивает подачу охлажденного воздуха в помещения в количестве, обеспечивающем выполнение санитарных норм.

Регулирование температуры в каждом помещении обеспечивается фанкойлами. К фанкойлам подается свежий воздух от центрального кондиционера и рециркуляционный воздух из данного помещения.

Такое решение позволяет существенно снизить расход воздуха и соответственно размеры и стоимость центрального кондиционера, так как количество воздуха, необходимого по санитарным нормам для вентиляции, значительно меньше количества воздуха, необходимого для поддержания заданной температуры в помещении.

Распределительная сеть трубопроводов системы «чиллеры-фанкойлы» имеет, как правило, подающую и возвратную ветки, к которым параллельно подключены потребители (рисунок ниже).

Расход охлаждающей жидкости через каждый потребитель определяется потребной холодопроизводительностью, температурой жидкости на входе и выходе, температурой в помещении.

Необходимое распределение расхода охлаждающей жидкости по потребителям обеспечивается соответствующим расчетом и установкой специальных балансировочных клапанов. Регулировка клапанов выполняется при настройке системы.

Естественно, в любых условиях должен сохраняться необходимый расход жидкости через чиллер, определяемый холодопроизводительностью чиллера. Большое значение имеет выбор оптимальной температуры воды на выходе чиллера и перепад температуры на входе и выходе чиллера, так как это позволяет существенно сократить суммарную стоимость оборудования.

С одной стороны, увеличение температуры воды на выходе из чиллера повышает его холодопроизводительность. Например, увеличение температуры на 1 °С увеличивает производительность чиллера на 3%. Появляется возможность уменьшить размеры и стоимость чиллера.

С другой стороны, увеличение температуры воды, подаваемой в фанкойлы, уменьшает холодопроизводительность фанкойлов, так как уменьшается перепад между температурой воздуха в помещении и температурой жидкости.

Для компенсации этого уменьшения необходимо увеличить размер фанкойла. Естественно, при этом увеличивается его стоимость.

Уменьшение перепада температур на входе и выходе чиллера также позволяет уменьшить габариты фанкойлов за счет уменьшения средней температуры жидкости. Однако для снятия заданного количества тепла при малом перепаде температур приходится увеличивать расход охлаждающей жидкости через систему.

Естественно, большой расход воды повлечет за собой увеличение перепада давлений в чиллере и фанкойлах, потребует более мощный циркуляционный насос и увеличение эксплуатационных затрат.

Таким образом, выбор оптимальной температуры жидкости и разницы температур на входе и выходе чиллера является как бы компромиссным соотношением эксплуатационных затрат, размеров оборудования и капитальных затрат на покупку такого оборудования.

Как правило, температура воды на выходе составляет 5 – 8 °С. Оптимальное значение разности температур обычно находится в пределах 5 – 6 °С.

Минимальный объем воды в системе

Тепловая нагрузка, как правило, изменяется в зависимости от времени суток и времени года. Так как холодопроизводительность чиллера выбирается исходя из максимальной нагрузки, то в какие-то моменты появляется несоответствие между располагаемой холодопроизводительностью чиллера и реальной потребностью.

В этом случае чиллер быстро «вырабатывает» необходимое количество холода, после чего отключается. Таким образом, чиллер «вынужден» работать короткими импульсами. Частые пуски больше всего влияют на компрессор кондиционера, что выражается в износе его узлов и деталей, а также перегреве обмоток, вызываемом пусковыми токами.

Поэтому в системе управления чиллера задан параметр, называемый «временем задержки включения компрессора», который дает разрешение на пуск компрессора только по истечении минимально необходимого времени между предыдущим и последующим включением. Это время, как правило, не менее 6 минут.

Если время рабочего цикла меньше заданного значения времени задержки включения компрессора, то возникает «вынужденный останов» компрессора, в течение которого охлаждение помещения не происходит.

Естественно, за время вынужденного останова компрессора температура воздуха в помещениях может значительно отклониться от заданной. При последующем включении температура в помещениях быстро снизится до заданной, чиллер отключится, и процесс пойдет снова с большими колебаниями температуры в помещениях.

Необходимо, чтобы время цикла превышало «время задержки включения компрессора». Время цикла можно увеличить либо применением чиллеров с несколькими ступенями мощности, либо увеличением тепловой инерции благодаря установке дополнительных аккумулирующих баков.

Объем воды в системе должен обеспечить работу как минимум в течение 5 минут после отключения чиллера. Если объема воды в системе недостаточно, то необходимо устанавливать аккумулирующий бак.

Преимущества системы чиллер-фанкойл

Система «чиллеры-фанкойлы» имеет следующие преимущества:

• Система обладает большой гибкостью при кондиционировании большого количества помещений. К одному чиллеру может подключаться большое количество фанкойлов, а также теплообменники центрального кондиционера или приточной вентиляционной установки. Каждый потребитель может работать практически независимо друг от друга – изменять режим работы, включаться или отключаться.
• Можно задавать не только общий тепловой режим всей системы, но и регулировать режим работы каждого фанкойла с выносного пульта управления либо вмонтированного в фанкойл, либо установленного на стене помещения.
• Можно постепенно наращивать мощность потребителей, что позволяет вводить объект в эксплуатацию постепенно, отдельными этапами.
• Предельное расстояние между чиллером и фанкойлом не лимитируется и определяется возможностями насосной станции и теплоизоляцией трубопроводов.

Недостатки

Системы чиллер-фанкойл более экономичны по потребляемой электроэнергии, чем крышные системы, но безусловно проигрывают в экономичности системам c переменным расходом хладагента (VRF). Однако предельная производительность VRF-систем ограничена (объёмы охлаждаемых помещений до нескольких тысяч кубометров).