Решения системы холодоснабжения

Решения системы холодоснабжения

Наш проектный отдел разработал рабочую документацию для монтажа системы холодоснабжения (холодоцентра).

проект ХС холодоснабжения

Холодоснабжение

Основные решения системы холодоснабжения

Спецификой этого проекта является развертывание в районе строительства системы централизованного холодоснабжения по технологии District Cooling с прокладкой кольцевой магистрали. Параметры холодоносителя 6/11°С. Присоединение к сети осуществляется в камере, оборудованной комплектом запорной и регулирующей арматуры таким образом, чтобы обеспечить приток холодоносителя с двух сторон сети относительно точки подключения, тем самым увеличивая надежность решения в случае внештатных ситуаций на магистрали.

Централизованная система является основным источником холода для всех зданий объекта.

Кроме того, предусматривается резервные холодильные центры (по одному на два модуля машинных залов) на случай планового обслуживания и аварийных ситуаций в сети холодоснабжения. Для достижения требуемых показателей по энергоэффективности холодильные центры проектируются с применением передового оборудования, а также прогрессивных схем компоновки и сопряжения этого оборудования.

Потребителями холода являются:

- Центральные вентиляционные установки технологического кондиционирования;

- Прецизионные кондиционеры;

- Центральные кондиционеры системы общеобменной вентиляции;

- Доводчики в офисных и административных помещениях.

Предварительная потребность объекта в холоде составляет 9 МВт.

Система технологического холодоснабжения.. Водоохлаждаемые чиллеры на базе 3-х винтовых чиллеров.

Одним из наиболее оптимальных и энергоэффективных решений для системы холодоснабжения может стать применение 3-х винтовых холодильных машин, подключенных по последовательно-противоточной схеме.

Все чиллеры оснащены частотно-регулируемыми электроприводами, прошедшими заводские испытания в составе холодильной машины. Частотно-регулируемый электропривод обеспечивает плавный пуск и малые пусковые токи.

Конструкция чиллера разработана для функционирования при положительном давлении в контуре хладагента. Поэтому не требуется установки дополнительного оборудования, необходимого для чиллеров, работающих при отрицательных давлениях. Даже в случае частичной разгерметизации чиллера в контур хладагента не попадет воздух/влага. Например, у чиллера 23XRV производства фирмы Carrier самый низкий (подвержденный ASHRAE) показатель утечек фреона в отрасли – 0,1% в год.

Еще одним достоинством чиллера является то, что опционально устанавливаемый запорный вентиль позволяет полностью заправить его фреоном на заводе и сократить время проведения пуско-наладочных работ, сервисного обслуживания. Кроме того, по желанию заказчика чиллер может быть оснащен системой откачки фреона. Чиллеры также имеют сертификат для их установки в зданиях, расположенных в сейсмически активных зонах.

Благодаря конструктивным особенностям 3-х винтового компрессора данный тип чиллеров значительно превосходит по своим эксплуатационным показателям модели, выпускаемые на базе традиционных двухвинтовых и центробежных компрессоров.

Охлаждаемый фреоном двигатель компрессор не выделяет теплоту в машинный зал, поэтому не требуется увеличивать производительность системы кондиционирования и вентиляции. Мощность, затрачиваемая на охлаждение двигателя, уже входит в общую потребляемую чиллером мощность и учитывается в холодильном коэффициенте.

Кроме того, в отличие от компрессоров с открытым приводом, не требуется специального уплотнения вала, что способствует не только сокращению потенциальных утечек, но и снижает затраты заказчиков на сервисное обслуживание.

Регулирование холодопроизводительности чиллера осуществляется изменением скорости вращения, поэтому, в конструкции компрессора отсутствуют такие механизмы регулирования, как золотниковый клапан и направляющий аппарат. Минимальное количество подвижных элементов увеличивает надежность чиллера.

Сбалансированная 3-х винтовая конструкция снижает нагрузку на подшипники настолько эффективно, что оборудование в условиях, соответствующих нормам AHRI, будет безотказно работать более 50 лет.

Включение в конструкцию 3-х винтового компрессора нового поколения позволяет достичь уникальных эксплуатационных характеристик чиллера Carrier 23XRV. Поэтому, достичь значений эффективности близких к показателям IPLV* чиллера 23XRV просто оснастив «частотником» двухвинтовой компрессор не удастся.

Integral Parl Load Value – интегральный показатель эффективности работы холодильной машины при частичных / не полных нагрузках. Частичная нагрузка подразумевает не только теплоизбытки (которые в случае ЦОД остаются постоянными практически весь год), но и изменяющиеся климатологические условия.

Таблица 6 – Основные характеристики чиллера

Холодопроизводительность

чиллера

100%

(1000 кВт)

75%

(750 кВт)

50%

(500 кВт)

Холодильный коэфф.-ет

(COP)

7

9,4

12,4

У двухвинтовых компрессоров, оснащенных частотно-регулируемым электроприводом, по сравнению с компрессором нового типа есть несколько основных недостатков. К ним относится наличие значительных радиальных и осевых нагрузок, что требует применения усиленных подшипников и большого количества масла. Изменение скорости вращения винтов накладывает дополнительные, более высокие требования, предъявляемые к вязкости масла и системе смазки компрессора в целом. Как правило, длина двухвинтового компрессора вдвое больше, чем 3-х винтового. Это приводит к увеличению радиальных нагрузок на подшипники и более высоким потерям в процессе сжатия. Известно, что в винтовых компрессорах масло используется не только для смазки подшипников, но и для обеспечения масляной пленки и исключения перетечек между винтами в процессе сжатия. Передача большего крутящего момента между двумя винтами требует большего количества масла. Эта дополнительная смазка, по существу, просто обеспечивает функцию передачи большего крутящего момента и не служит никакой другой полезной цели.

Благодаря рассмотренным конструктивным особенностям чиллер имеет широкий рабочий диапазон. Температура на выходе из испарителя может варьироваться в интервале от +4 до +12°С, а на стороне конденсатора – от +13 до +38°С. Возможет также и инверсионный пуск, когда температура воды на входе в конденсатор ниже температуры воды на входе в испаритель (что особенно актуально при экстренном запуске холодильного оборудования в холодный / переходный периоды года особо ответственных объектов – ЦОДы, больницы и т.п.). На рисунке 3 изображена трехмерная карта работы компрессора. Чиллер стабильно функционирует как в любой точке внутри куба, так и в его углах. При этом «помпаж» (нестабильный газодинамический режим работы компрессора, приводящий, как правило, к аварийной остановке холодильных машин или выходу из строя компрессора) исключен при любых режимах работы! Центробежные чиллеры любой конфигурации (одно, двух, 4-ступенчатые) при значительном отклонении рабочих условий от расчетных значений (температур и давлений конденсации и кипения, работе при неполных/частичных нагрузках) склонны к переходу в режим «помпажа» и остановке по аварии.

В случае выхода из строя вентилятора градирни температура воды в контуре конденсатора увеличивается на 20 градусов менее чем за 6 минут.

На рисунке 5 график, построенный на данных из реального лог-файла системы диспетчеризации одного из объектов, в которой чиллер «опрашивается» каждые 15 сек.

В настоящий момент на рынке нет чиллеров на базе центробежных комперссоров (вне зависимости от типа применяемых подшипников – к примеру электромагнитных), который в такой ситуации не перешел бы в аварийный/помпажный режим работы. 23XRV просто снизил холодопроизводительность для того, чтобы не превысить максимально-допустимой температуры нагнетания, при которой он останавливается. При этом снижение холодопроизводительности чиллера 23XRV происходит за минимальное время, не достижимое холодильными машинами на базе стандартных 2-х винтовых компрессоров.

Эффективное управление и эксплуатационные характеристики.

Все чиллеры Evergreen от Carrier поставляются со встроенной многоязычной системой управления, позволяющей пользователю регулировать более 125 рабочих и диагностических параметров. Автоадаптивные алгоритмы контроллера чиллера, поддерживающие максимальные показатели энергоэффективности холодильной машины в каждый момент времени, могут стать одним из ключевых факторов, который позволит наиболее эффективно использовать систему холодоснабжения в соответствии с изменяющимися условиями работы.

- 23XRV стабильно работает при 25% от номинальной холодопроизводительности при температуре воды на входе в конденсатор 36,7°C .

- 23XRV выходит на 100% холодопроизводительность менее чем за 5 минут после восстановления электропитания:

- 23XRV стабильно работает при 10% от номинальной холодопроизводительности при температуре воды на входе в конденсатор 28,3°C.

- 23XRV работает при уменьшении на 50% расхода через конденсатор за 30 с.

- проток через испаритель уменьшился вдвое меньше чем за одну минуту – 23XRV быстро адаптировался к новым рабочим условиям. Данная функциональная возможность чиллера особенно актуальна для схем холодоснабжения с переменным расходом хладоносителя (воды) через испарители чиллеров:

В системах с переменных расходом хладоносителя в случае, расход уменьшается вдвое, то холодопроизводительность чиллера также должна быть уменьшена на 50%. Если чиллер не снизит свою холодильную мощность достаточно быстро, то это приведет к резкому снижению температуры воды на выходе из испарителя, что, в свою очередь, может стать причиной аварийной остановке чиллера по защите от замерзания хладоносителя.

Последовательно-противоточная схема хладоцентра. Принцип работы.

Отепленный хладоноситель (вода) с температурой +15 град. поступает от потребителей (охлаждающих секций вент.установок) на вход ведомого чиллера (ХМ 2), охлаждается до темперетуры +12,5 град. и поступает на вход ведущего чиллера (ХМ 1), где доохлаждается до требуемой расчетной температуры +10 градусов и подается потребителям. На стороне конденсаторов направление потока противоположное – охлажденный в градирнях теплоноситель (гликоль, 40%) с температурой +30 град. поступает на вход ведущего чиллера, нагревается до темперетуры +33 град. и поступает на вход ведомого чиллера, где нагревается до температуры +36 градусов и направляется обратно в градирни.

Принцип сопряжения холодильных машин показан на схеме холодильного центра.

В первую очередь, значительное повышение энергоэффективности данного решения по сравнению с традиционными («параллельными») гидравлическими схемами холодильных центров достигается за счет:

- сокращения разницы давлений (температур) конденсации и кипения в цикле каждой холодильной машины (уменьшается требуемое усилие на валу компрессоров для сжатия газа).

- единого контура производства и распределение хладоносителя –> переменный расход через испарители чиллеров -> применение насосов с электроприводом переменной частоты (дополнительный потенциальный плюс – отсутствие второй насосной группы у потребителей, охлаждающих теплообменников вент.установок).

Логика управления, регулирование холодопроизводительности.

Красным цветом обозначена управляющая шина связи двух чиллеров (витая пара).

Базовая логика (алгоритм) работы и управления холодильными машинами ЦОДа.:

  1. Чиллер ХМ-1 программируется в качестве «ведущего» чиллера, чиллер ХМ-2 – в качестве «ведомого».
  2. Чиллер ХМ-1 пускается первым, выходит на значение холодопроизводительности Q0 = 80% от номинальной (расчетной).
  3. При достижении значения Q0 = 80% , чиллер ХМ-1 дает команду на запуск ХМ-2. Т.к. испарители чиллеров установлены / соеденены последовательно, хладоноситель уже проходит через испаритель чиллера ХМ-2 и переохлаждения воды до требуемой температуры +10 градусов начинается не замедлительно. ХМ-1 управляет обоими чиллерами, выравнивая их единовременную мощность. ХМ-1 увеличивает или уменьшает холодопризводительность чиллеров для поддержания значения уставки хладоносителя.
  4. При достижении значения холодопроизводительности Q0 =35% (от номинальной) чиллер ХМ-1 дает команду на отключение ХМ-2.

В случае аварии ХМ-1 контроллер чиллера переводит ХМ-2 в режим «ведущего». ХМ-2 поддерживает требуемую температуру хладоносителя на выходе из испарителя по датчику температуры в точке Т5. При потери связи (обрыве шины) каждая из холодильных машин переходит в автономный режим управления по датчику Т5. «Ведущий-ведомый» + резервный.

- ХМ-1 управляет чиллерами 1 и 2.

- В случае аварии ХМ-1, чиллер ХМ-2 переходит в режим «ведущего», чиллер ХМ-3 становится «ведомым».

- ХМ-2 управляет чиллерами 2 и 3, оптимизируя их эффективность в зависимости от нагрузки на хладоцентр (управляющий параметр – показания датчика Т5).

Дальнейшие пути повышения энергоэффективности хладоцентра ЦОДа.

Одной из возможностей дополнительного повышения энергоэффективности решения по холодоснабжению ЦОДа может стать применение в качестве резервного чиллера так называемой «тепловой машины» (heta machine) – холодильной машины, приоритетной задачей которой является утилизация конденсаторного тепла для нужд теплоснабжения административных зон будущего ЦОДа и прилегающих к нему объектов недвижимости при одновременном процессе выработки холода.

Противоточная схема, рекуперация

Гибридные охладители.

Для осуществления холодильного цикла чиллеров теплота кондесации передается окружающему воздуху с помощью гибридных водосберегающих градирен. Для поддержания требуемого температурного графика теплоносителя Tinlet/outlet = +30/+360С предлагается использовать охладители Baltimore HFL.

Гибридный охладитель Baltimore HFL

К основными преимуществами гибридных охладителей Baltimore HFL с секциеи сухого охлаждения по сравнению с традиционными закрытыми испарительными градирнями можно отнести устранение эффекта “парения/выхлопа” и значительную экономию воды. Особенности конструкции охладителей удовлетворяют современным требованиям к охране окружающей среды, минимизируют стоимость монтажа, обеспечивают максимальную надежность круглогодичной эксплуатации и упрощают требования к обслуживанию.

HFL предлагает комбинацию физического (сухого), адиабатического и испарительного теплопереноса для существенного снижения любого выхлопа, который может возникнуть у обычного испарительного охладительного оборудования. В холодное время года, когда возникновение видимого выхлопа наиболее вероятно, HFL работает 100% в сухом режиме, что полностью исключает эффект “парения/выхлопа”.

За счет трех различных режимов работы HFL экономия воды достигается на протяжении всего года.

- В пиковых условиях и в "сухом/влажном" режиме работы значительная часть тепла удаляется за счет физического теплопереноса, что обеспечивает пониженное потребление воды по сравнению с обычным испарительным охлаждением.

- Когда тепловая нагрузка и/или окружающая температура понижается, потребление воды еще больше снижается в "адиабатическом" режиме работы

- В "сухом" режиме работы вода не потребляется совсем.

HFL обеспечивает отвод тепла с минимально возможным энергопотреблением и требованиями к обслуживанию за счет:

- Высокоэффективных осевых вентиляторов с низким энергопотреблением

- Системы нескольких моторов вентилятора

- Закрытой системы охлаждения теплообменника, что сводит ее засорение к минимуму

- Запатентованной технологии комбинированного потока, которая снижает испарение непосредственно со змеевика, минимизируя возможность образования накипи и загрязнений.

- Параллельных потоков воздуха и распыляемой воды, что устраняет сухие участки, где образуется накипь.

Состав и размещение холодильных центров.

Помимо холодильных машин и градирен в состав системы холодоснабжения входит следующее оборудование:

- насосные группы испарительного контура, конденсаторного контура и контура потребителей;

- расширительные баки;

- гидравлический разделитель;

- трубопроводы;

- фильтры;

- запорная и регулирующая арматура.

Градирни устанавливаются на прилегающей к зданию территории. Холодильные машины, насосные группы конденсаторного и испарительного контура, а также контура потребителей, и гидравлический разделитель размещаются в помещении холодоцентров на -1 этаже.

В связи с тем, что в качестве источников бесперебойного питания применяются динамические роторные ИБП, применение баков-аккумуляторов холода для непрерывной подачи холода потребителям не требуется, что дает существенную экономию в площадях и объеме используемого холодоносителя.

В качестве холодоносителя в испарительном контуре и контуре потребителей предусмотрен подготовленная вода.. В качестве холодоносителя конденсаторного контура принят антифриз на основе 40%-го раствора этиленгликоля с комплексом антикоррозионных присадок. Заполнение контура осуществляется из стандартных емкостей, в которых поставляется теплоноситель.

Циркуляционные насосы запроектированы с учетом схемы резервирования N+1 (рабочий + резервный). При выходе из строя рабочего насоса должен автоматически включаться резервный.

Для равномерной наработки оборудования осуществляется смена статуса насосов (рабочий/резервный). Переключение осуществляется одновременно с холодильными машинами.

Для исключения гидравлических ударов и стабилизации параметров работы насосы холодоцентра укомплектовываются частотными преобразователями, поставляемыми комплектно.

Проектом предусматривается необходимое количество запорной и регулирующей арматуры для гидравлической увязки системы, регулирования параметров холодоносителя, возможности отключения отдельных участков системы для обслуживания и ремонта. Для достижения требований по надежности уровней Tier III и Tier IV отдельные коммуникации дублируются, при необходимости. В высших точках трубопроводов на каждом секционируемом участке устанавливаются устройства для выпуска воздуха, а в низших точках – для слива холодоносителя.

Указания по монтажу.

Монтаж системы холодоснабжения вести в строгом соответствии с требованиями СНиП 3.05.01-85 «Внутренние санитарно-технические системы», а также паспортами на применяемое оборудование.

Трубопроводы системы теплоснабжения предусмотрены из стальных электросварных труб по ГОСТ 10704-91*.

Трубопроводы системы теплоснабжения изолировать трубной изоляцией из вспененного каучука K-Flex или аналогичной.

Участки наружных трубопроводов защитить дополнительным металлическим кожухом.

Трубопроводы прокладываются с уклоном 0,002 в сторону расположения сливных кранов. Для спуска воды предусматривается установка шаровых кранов. Отвод дренажа осуществляется по месту или с помощью гибкого шланга в ближайший приямок.

После прокладки коммуникаций через строительные конструкции здания (стены, перекрытия) обеспечить заделку зазоров и отверстий негорючими материалами, обеспечивающими нормируемый предел огнестойкости ограждений.

Защита от шума.

Для достижения в помещениях уровней шума, не превышающих нормируемые значения, который создается работающим оборудованием системы холодоснабжения предусмотрены следующие мероприятия:

- размещение оборудования в отдельных специальных помещениях, имеющих звукоизолированные ограждающие конструкции;

- применение оборудования с пониженным уровнем шума и вибраций;

- установка основного оборудования на виброизолирующие основания;

- применение гибких вставок для подключения оборудования;

- монтаж трубопроводов с помощью хомутов и прокладок из виброизолирующей резины.