Главная

Экоэффективные системы централизованного холодоснабжения

Экоэффективные системы централизованного холодоснабжения предприятий розничной торговли с новыми компрессорами Bitzer

 
 
В последние годы отчётливо выявляется необходимость рассматривать долгосрочные стратегии развития всех отраслей мировой экономики, прежде всего, промышленности, неразрывно с возможными экологическими последствиями такого развития.
По мере выявления негативных факторов, влияющих на природу Земли, правительствами крупнейших государств мира, а также руководством ООН и других общественных организаций, имеющих влияние на формирование общественного мнения,  создавались различные комитеты, в задачи которых входили не только систематизация научных данных о том или ином природоразрушающем процессе, но и принятие действенных мер по сдерживанию его опасного развития.
С точки зрения современных учёных попадание в атмосферу используемых сегодня в мировой холодильной технике синтетических хлор- и фторсодержащих хладагентов, также, как и выбросы промышленных предприятий, негативно влияет на целостность озонового слоя атмосферы Земли, а также на прогрессирование т.н. «парникового эффекта», выражающегося в ежегодном увеличении среднегодовой температуры на поверхности нашей планеты. Этот вызывающий тревогу процесс получил название «Глобальное потепление климата».
Для сдерживания развития этих негативных процессов вследствие эмиссии в атмосферу хладагентов были выработаны следующие стратегические концепции.
В1987 году в Монреале было подписано межправительственное соглашение - Монреальский протокол, в котором была зафиксирована программа поэтапного вывода из употребления   хладагентов, обладающих потенциалом воздействия на озоновый слой ODP. Таковыми считаются CFC (ХФУ) хлорфторуглероды (R12 и др.) и HCFC (ГХФУ) гидрохлорфторуглероды (R22 и др.).
В 1997 году в Киото были определена перспективная программа до 2012 года - Киотский протокол по ограничению выбросов в атмосферу т.н. парниковых газов. Это прежде всего СО2 от промышленных предприятий и тепловых электростанций, метан, как побочный продукт животноводства, а также синтетические фторсодержащие хладагенты – наиболее распространённые гидрофторуглероды HFC (ГФУ).
В декабре 2009 года проходила Копенгагенская конференция под эгидой ООН, на которой были определены новые вызовы мировой экономике  с учетом меняющейся экологической ситуации.
Но, не дожидаясь общего решения вопроса, страны Европейского Союза принимают инициативные меры по ограничению использования хладагентов с высоким потенциалом глобального потепления GWP. Общеевропейская директива «F-Gas Регулирование» регламентирует использование гидрофторуглеродов в холодильных установках, определяет размер штрафов, налагаемых на организации, эксплуатирующие установки с большой долей утечек хладагента. Предполагается, что директива будет пересмотрена уже в 2011/2012 г.г. в сторону ещё более строгих санкций.  В рамках реализации этой директивы ожидается постепенный отказ всех производителей и потребителей холодильного оборудования от использования HFC хладагентов с высоким GWP. Основное предпочтение должно быть отдано природным хладагентам СО2, NH3, углеводородам, а также синтетическим хладагентам с минимальным значением GWP. Таковыми являются, например, HFO (ГФО) гидрофторолефины. Фирма «Дюпон» проводит в настоящее время успешные испытания хладагента этой группы HFO1234yf, предназначенного для использования в системах кондиционирования.
Уже сейчас маркировка на кондиционерах и тепловых насосах эмблемой «ЕСО» допускается только при использовании в этом оборудовании хладагентов с GWP < 2000.
Строгое ограничение на использования даже HFC хладагентов и специальное налогообложение компаний, эксплуатирующих такое холодильное оборудование, уже свыше 15 лет введено в Дании и Норвегии.
В таблице приведены основные эксплуатационные параметры наиболее известных хладагентов по отношению к параметрам хладагента R22, бывшего до недавнего времени наиболее распространённым в России и Китае. Сейчас уже и на этих рынках набирает обороты процесс замещения R22 другими хладагентами.
 

 

 1 - HFC, HFO - условия по стандарту EN12900
 2 - CO2:
         - MT (транскритический): to= -7°C / tgc 35°C (86bar)
         - LT (субкритический): to= -32°C / tc= -5°C
 3 - A2L – Слабо горючее вещество
 4 - Долгосрочная химическая и термическая стабильность еще на доказаны
 
При более детальном рассмотрении совокупного вклада при использовании в холодильных установках того или иного хладагента в процесс глобального потепления климата Земли становится очевидным, что помимо собственного показателя GWP не менее важными являются и энергетические затраты холодильной установки с этим хладагентом. В связи с этим, в обиход вошёл новый термин Экоэффективность холодильных установок, характеризующий их энергетическую эффективность и степень воздействия на природу и климат Земли. 
Для количественной оценки всех негативных факторов, определяющих комплексный вклад хладагентов в глобальное потепление, был введен расчетный показатель экологической чистоты холодильной установки - фактор TEWI.
TEWI – фактор суммарного эквивалентного воздействия хладагента на глобальное потепление рассчитывается по формуле:
 
 
 
 
GWP   =   потенциал глобального потепления используемого хладагента
L         =   утечки хладагента в год              (кг)
n          =   срок службы холодильной установки (год)
m         =   количество / заправка хладагента         (кг)
αreс    =   коэффициент утилизации
Eannual          =   потребление электроэнергии в год      (кВт·ч)
β          =   эмиссия СО2 на 1 кВт·ч, (кг/кВт·ч) - показывает количество диоксида углерода, выделяемое при производстве 1 кВт×ч электроэнергии. При сжигании углей a » 1, при сжигании мазута a » 0,6. Электроэнергия, полученная с помощью гидростанций, атомных станций, ветряков, приливных, геотермальных и солнечных электростанций имеет a = 0.
 
Из формулы видны пути снижения фактора TEWI – суммарного эквивалентного воздействия на глобальное потепление конкретной холодильной установки:
  •      Использование в установке хладагента с более низким потенциалом глобального потепления GWP.
  •      Повышение герметичности холодильной установки и снижение утечек хладагента.
  •      Снижение потерь хладагента при утилизации установки.
  •      Повышение энергетической эффективности установки.
 
Как видно из таблицы, наиболее предпочтительным для среднетемпературного применения на сегодня является уже давно апробированный азеотропный HFC хладагент R134a. Он давно и успешно применяется как в климатических, так и в среднетемпературных холодильных системах. Его физико-химические свойства хорошо изучены. И самое главное, потенциал глобального потепления R134a составляет одну треть от GWP R404A, т.е. при использовании в установке R134a прямое воздействие на глобальное потепление в три раза меньше, чем при использовании  в установке хладагента R404A.
 

Более того, в немалой степени способствует снижению интенсивности утечек хладагента R134a из контуров холодильных установок и его более низкий, чем у R404A уровень рабочих давлений. На рис. 3 показана диаграмма относительных значения утечек различных хладагентов в сравнении с R404A при ламинарном истечении из одинаковых неплотностей холодильных контуров в условиях to= -10°C; tc= 45°C     (R744 -35° / -5°C)

Видим, что при использовании в холодильной установке R134a за счёт более низкого рабочего давления интенсивность утечек примерно в 3 раза ниже, чем при использовании R404A.

 
Новая серия поршневых компрессоров BITZER ECOLINE
 
Как ответ на эти вызовы, инженеры компании Битцер в тесном сотрудничестве с представителями экономических и технических служб ведущих ОЕМ производителей холодильного оборудования и крупнейших европейских торговых сетей разработали новую серию поршневых компрессоров, специализированных для работы на R134a, получившую название BITZER ECOLINE.  Данная серия компрессоров охватывает диапазон моделей с объёмной производительностью от 35 м3/ч до 152 м3/ч.
Компрессоры серии BITZER ECOLINE представляют собой модифицированную версию широко известных и прекрасно зарекомендовавших себя на рынке поршневых компрессоров Bitzer серий C4, B5 и B6, оптимизированных для работы с R134a. В обозначениях моделей этих компрессоров указывается специальный индекс Е
При сохранении внешних габаритов и использовании стандартных опций в конструкцию компрессоров BITZER ECOLINE были привнесены существенные изменения, обеспечивающие значительное увеличение эффективности по сравнению со стандартными компрессорами. В этих компрессорах увеличены внутренние проточные сечения, используются клапанные доски новой конструкции, а также специально разработанные для этой серии новые высокоэффективные моторы.
                                                                                                  Модельный ряд Bitzer Ecoline
 Работая на R134a с меньшей, чем с R404A разницей рабочих давлений  инновационные компрессоры BITZER ECOLINE демонстрируют более высокий СОР, чем стандартные поршневые и даже неоптимизированные для R134a спиральные компрессоры, обеспечивая тем самым значительную экономию электроэнергии и эксплуатационных расходов.
Более того, область их допустимого применения значительно расширена в сторону пониженных температур конденсации. Если температура окружающей среды позволяет работать холодильным установкам с компрессорами BITZER ECOLINE с низкой температурой конденсации, то их эффективность может возрасти до недосягаемых ранее значений. Следствием высокой эффективности компрессоров является их более быстрая окупаемость.
  Расширенная в сторону низких температур конденсации область применения Ecoline                                         
 
Наряду с повышенной эффективностью компрессоры BITZER ECOLINE имеют более низкие шумовые показатели по сравнению со стандартными компрессорами, что даёт им дополнительное преимущество при эксплуатации в коммерческом холоде.
Также как и стандартные серии, компрессоры BITZER ECOLINE могут оснащаться и более мощными моторами для работы с высокими температурами конденсации для специальных применений, например, в тепловых насосах.
 Компрессоры BITZER ECOLINE также приспособлены для работы с частотными инверторами для регулирования производительности в допустимом частотном диапазоне от 25Гц до 70Гц со стандартными электродвигателями без каких-либо специальных дополнительных технических решений. Благодаря подключению компрессоров через инверторы можно увеличить их производительность на 35% выше номинальной. С учётом того, что потребляемая мощность высокоэффективных компрессоров BITZER ECOLINE ниже компрессоров, работающих на R404A, для регулирования их производительности требуются более дешёвые инверторы меньшей мощности.
Из приведённого ниже примера сопоставления эксплуатационных и экономических параметров двух холодильных установок наглядно видно преимущество компрессоров BITZER ECOLINE в системе холодоснабжения типового супермаркета. Обе установки, первая – на базе трёх компрессоров BITZER ECOLINE 4NES-12Y на R134a, а вторая – на базе трёх компрессоров BITZER 4CC-9.2Y на R404A, имеют одинаковые эксплуатационные параметры:
Холодопроизводительность:       ~ 47 кВт / режим постоянной нагрузки
Рабочие температуры:       to=-7°C, tc=30°C…50°C, Dtcu=2K, Dtoh=20K / полезный 7K
Географический район:                   Германия, Карлсруэ
Тариф электроэнергии:                     0,15 €/кВт·ч
Темп. перепад в конденсаторе:    tamb-tc= 10K

 
Установка с тремя компрессорами BITZER ECOLINE 4NES-12Y на R134a
Установка с тремя стандартными компрессорами
4CC-9.2Y на R404A
Преимущество системы с компрессорами BITZER ECOLINE
Холодопроизводи-тельность
51,7 кВт
47,8 кВт
 
Годовое энергопотребление
111.947 кВт·
132.411 кВт·ч
- 20.464 kWh
Потребление энергии за 10 лет
1.119.470 кВт·ч
1.324.110 кВт·ч
- 204.640 kWh
Эмиссия СО2 за 10 лет эксплуатации*
689594 кг CO2
815652 кг CO2
-126058 кг CO2
Среднегодовой  СОР
3,68
3,11
+ 18,3 %
Стоимость годового энергопотребления **
16.792,- €
19.862,- €
-3.070,-  €

* По докладу BMU 07: 616 г СО2/ кВт·ч
** 0,15 €/кВт·ч
 
Из анализа данных в таблице видим, что за счёт высокой эффективности первоначальные инвестиции на приобретение более дорогих компрессоров 4NES-12Y BITZER ECOLINE в первой установке окупаются менее чем через 1 год! Второй и все последующие годы эксплуатации такой установки уже обеспечивает существенный экономический и экологический эффект.
На диаграмме, показанной ниже, приведено относительное сравнение комплексных затрат на 10 лет эксплуатации типовых установок для супермаркетов.
 

 

Видим, что при примерном равенстве суммы первичных инвестиционных затрат и затрат на обслуживание всех трёх установок, основное отличие заключается в затратах на электроэнергию. И это отличие из расчёта 10 лет работы является довольно существенным в количественном исчислении. Энергозатраты установки с BITZER ECOLINE на R134a ниже, чем энергозатраты установки со стандартными компрессорами BITZER на R404A на 15,5%!
 
Экоэффективные гибридные установки R134а/СО2
Для комплексного обеспечения холодом всех потребителей типовых супермаркетов разработчиками компании Битцер во взаимодействии с представителями крупных европейских торговых сетей были разработаны схемы каскадно-сателитных, или гибридных холодильных систем. В верхнем среднетемпературном каскаде таких установок используются компрессоры BITZER ECOLINE на R134a, а в нижнем низкотемпературном каскаде – специализированные компрессоры BITZER на СО2 с субкритическим циклом.
В установках такого типа был также реализован принцип обеспечения максимальной энергетической и экологической эффективности.
 
С точки зрения экологии, выбранный для низкотемпературного каскада СО-хладагент R744  также является наиболее оптимальным. Показатель глобального потепления GWP CO2 = 1, а его удельнаяхолодопроизводительность очень высока.
При сравнительном анализе стандартной и гибридной установок холодоснабжения супермаркета видны выигрышные преимущества последней. У гибридной установки интенсивность утечек хладагентов как R134a, так и СО2 значительно ниже, чем у стандартной установки на R404A. На диаграмме на рис. 8 показаны значения фактора TEWI для таких установок с наглядным выделением  прямого и косвенного воздействия этих установок на глобальное потепление на примере реальных  стандартной и гибридной установок холодоснабжения супермаркета в г. Берлине.
 
 

 

Систематизированные результаты вычисления значений фактора TEWI различных установок на различных хладагентах сведены в диаграмму, на которой показано поле относительных значений, определяющих экономическое и экологическое преимущество той или иной холодильной системы. Очевидным лидером в этом сравнении является гибридная каскадная схема на R134а/СО2. Даная диаграмма наглядно демонстрирует содержание термина комплексного критерия экоэффективность, характеризующего  экологические и экономические показатели холодильной установки.
 
 

 

Развитие модельного ряда поршневых компрессоров Битцер серии Н Octagon® для СО2
 
Поршневые компрессоры Битцер серии Н Octagon®, специализированные для работы на  CO2 в субкритических циклах, производятся уже довольно долго, и в Европе, некоторых странах Азии и в Австралии накоплен значительный опыт их применения в нижних каскадах низкотемпературных установок, в том числе, и для коммерческого холода. 
 

 

 
С учётом необходимости удовлетворить повышенные требования заказчиков новых гибридных установок, особенно в части повышения их экоэффективности, разработанные ранее компрессоры Битцер серии Н были модифицированы для работы с более высокими температурами конденсации. Для этих компрессоров разработаны новые высокоэффективные моторы версии 2, позволяющие поднять верхний предел температуры конденсации до 5оС, а также моторы версии 1, для работы с температурами конденсации до 15оС.  
                Расширенная в сторону высоких температур конденсации область применения поршневых компрессоров Битцер серии Н Octagon®                                   
 
 

Наличие модифицированных моторов версии 2 позволяют эффективно применять  эти компрессоры в низкотемпературных каскадах новых гибридных установках для коммерческого холода. А компрессоры с моторами версии 1 могут быть даже использованы в обычных низкотемпературных установках с конденсаторами водяного охлаждения, позволяющих не превышать допустимую температуру конденсации 15 оС.  

Сегодня модельный ряд компрессоров Octagon® для работы с CO2 в субкритических циклах уже включает в себя 17 моделей с мотором версии 2 и 15 моделей с моторами версии 1.
 
 

 

Большое количество моделей компрессоров BITZER ECOLINE на R134a, а также  серии Н Octagon® для СО2 позволяет холодильным компаниям производить экоэффективные гибридные установки различных производительностей и конфигураций для супермаркетов различного формата. На основании существующего опыта эксплуатации гибридных схем R134а/СО2 некоторые торговые сети в Европе уже приняли стратегическое решение переоснастить старые и оборудовать новые магазины гибридными установками R134а/СО2 синновационными компрессорами Битцер.
 
 
Сегодня даже на развивающихся рынках традиционные технологии централизованного холодоснабжения предприятий розничной торговли столкнулись с серьезными законодательными вызовами в отношении выбора хладагентов и системных решений. В связи с этим в России схемы холодильных установок с использованием наиболее распространённых сейчас хладагентов R404A/R507A не могут более рассматриваться в качестве средне- и долгосрочных технических перспектив.
Всё большему числу инженеров и экономистов российских холодильных компаний и эксплуатирующих организаций становится очевидной необходимость совмещения экологического и экономического аспектов проблемы в поиске новых решений для перспективных холодильных проектов.
Поэтому компания Битцер, создавая совершенные холодильные компрессоры, учитывающие современные мировые тенденции, и активно продвигая их на российский рынок, обеспечивает надежную компонентную базу для реализации наиболее экоэффективных решений для систем централизованного холодоснабжения предприятий розничной торговли.
 
Зам. Генерального директора Битцер СНГ, ООО
Терпеньянц Юрий
 
Представитель   Битцер СНГ, ООО в Санкт-Петербурге
Корнивец Дмитрий