Абсорбційні холодильні машини Carrier в проєктах тригенерації

І. Марчук

Децентралізована генерація енергії в Україні стрімко розвивається, і разом з нею зростає попит на технології, що дозволяють максимально використовувати кожен кіловат виробленого тепла. Абсорбційні холодильні машини (АБХМ) використовують теплову енергію для генерації холоду для кондиціювання або технологічних потреб. Матеріал охоплює моделі Carrier, технічні аспекти їх інтеграції з газопоршневими установками (ГПУ) та економіку проєктів тригенерації

Принцип роботи та тепловий баланс

Абсорбційна холодильна машина працює за термодинамічним циклом, в якому замість механічного компресора використовується пара робочих речовин – води (холодоагент) та розчину броміду літію (абсорбент). Агрегат відбирає теплоту високого потенціалу від зовнішнього джерела та теплоту від об’єкта, що охолоджується, а сумарну енергію скидає в навколишнє середовище через градирню.

Робочий цикл відбувається при низькому абсолютному тиску, тому навіть незначне проникнення повітря всередину порушує процес абсорбції. У машинах Carrier передбачено автоматичну дегазацію – форвакуумний насос видаляє неконденсовані гази та підтримує потрібний рівень розрідження протягом усього терміну експлуатації.

Для серії 16JLR тепловий баланс базується на коефіцієнті перетворення COP 0,74 і має наступні робочі параметри:

• на вході – гаряча вода з температурою +90…+95 °C, на виході з генератора – +75…+80 °C (мінімальний поріг для роботи +70 °C);
• вода, що повертається від споживача, має температуру +12 °C і охолоджується до +7 °C (стандартна дельта Т = 5 °C, проте можлива до 10 °C);
• на контурі відведення теплоти вода з температурою +30 °C подається на машину, нагрівається до +35 °C і надходить на градирню.

Для отримання 1000 кВт холодопродуктивності потрібно подати ~1350 кВт теплової енергії від КГУ або котла (1000 / 0,74 ≈ 1350). Відводить теплоту в навколишнє середовище через градирню – і від генератора, і від контуру споживача, – що сягає ~2350 кВт (1350 + 1000). Власне електроспоживання агрегату при цьому – лише 5–10 кВт: насос холодоагенту, абсорбційні насоси №1 та №2 (циркуляція літій-бромідного розчину), насос та система керування з датчиками концентрації.

Енергоспоживання: баланс системи

Одна з головних переваг абсорбційної технології – низьке електроспоживання порівняно з компресорними чиллерами. Хоча сам агрегат потребує мінімум електрики, зовнішня насосна система для подолання гідравлічного опору споживає значно більше. Для типової установки потужністю 1000 кВт холоду орієнтовний баланс має такий вигляд:

• власні потреби машини (внутрішні насоси розчину та холодоагенту) – 2–5 кВт;
• насос охолодженої води (циркуляція в контурі фанкойлів чи обладнання) – 15–20 кВт;
• насос градирні – 35–45 кВт (найбільший споживач через високу витрату води);
• насос гарячої води (подача теплоти від КГУ до агрегату) – 7–12 кВт;
• вентилятори градирні – 15–25 кВт (залежно від температури повітря).

Загальне споживання по системі – ~75–110 кВт.

Для порівняння: компресійний чиллер аналогічної потужності споживає ~310 кВт (компресор – ~250 кВт при середньому EER 3,6–4,0, допоміжне обладнання – 40–60 кВт). Сумарне електроспоживання абсорбційної системи у 2,5–3 рази нижче, а споживання самого агрегату (без урахування зовнішніх насосів) – у 50–60 разів менше. При переході на абсорбційну технологію вивільняється ~200–210 кВт електричної потужності на 1000 кВт холодопродуктивності, яку можна спрямувати на інші потреби підприємства або продаж у мережу.

Абсорбційна машина споживає менше електроенергії, однак потребує значної кількості теплоти – ~1350 кВт на 1000 кВт холоду при COP 0,74. Технологія максимально вигідна саме тоді, коли теплота є побічним продуктом – від ГПУ, парових процесів або виробничих циклів.

Гідравлічний баланс та витрати теплоносія

Витрати води по контурах визначають не лише енергоспоживання насосів, а й діаметри трубопроводів, що є значною частиною капітальних витрат. Розрахунок базується на стандартних температурних перепадах.

На контурі холоду при ΔТ = 5 °C для забезпечення холодопродуктивності 1000 кВт прокачувати ~172 м³/год води. На контурі нагріву при ΔТ = 15 °C для передачі ~1350 кВт теплоти (при COP 0,74) – ~78 м³/год. Контур градирні є найбільш навантаженим: відводиться загальна теплота ~2350 кВт, витрата води при ΔТ = 5 °C сягає ~405 м³/год.

Ці дані потрібно враховувати при проєктуванні трубопровідної мережі та підборі насосного обладнання, оскільки значні об’єми прокачування (особливо в контурі градирні) суттєво впливають на загальну гідравліку системи.

Моделі Carrier

Компанія пропонує два типи абсорбційних машин, що відрізняються джерелом енергії для генератора.

З водяним нагрівом (Hot Water) – використовують гарячу воду як енергоносій. Оптимально підходять для ТЕЦ, когенераційних ГПУ та сонячних колекторів. Серія 16JL (Steam / Hot Water) охоплює діапазон від 528 до 3516 кВт (150–1000 RT), серія 16JLR (Hot Water) – від 387 до 2637 кВт (110–750 RT). Обв’язка порівняно проста, COP – ~0,75.

З паровим нагрівом (Steam) – працюють на парі тиском 0,1–0,8 МПа. Компактніші за машини з водяним нагрівом при тій самій потужності, COP досягає ~1,3, означає, що на 1 кВт теплової енергії машина виробляє 1,3 кВт холоду. Втім, для експлуатації потрібна парова інфраструктура. Серія 16NK застосовується переважно на промислових об’єктах, де пара є побічним продуктом (цукрові заводи, комбінати харчової промисловості).

Для більшості когенераційних проєктів в Україні базовим рішенням залишається серія 16JLR з водяним нагрівом, що працює на сорочці охолодження двигуна ГПУ.

Сфери застосування

Абсорбційне охолодження найбільш ефективне там, де є постійне джерело скидної теплоти та одночасна потреба у виробництві холоду. Основні напрямки охоплюють три сектори.

Промислові підприємства. Машини дозволяють перетворювати вторинну теплоту від виробничих процесів на холод для технологічних потреб. На цукрових заводах та комбінатах, де пара є побічним продуктом, установки серії 16NK з паровим нагрівом забезпечують отримання значних обсягів холоду. На виробничих лініях абсорбційні чиллери підтримують температурний режим промислового обладнання та верстатів.

Енергетика та когенерація (тригенерація). Основний сегмет застосування в Україні. Машина інтегрується з ГПУ за схемою «Двигун – Теплообмінник – абсорбційний чиллер»: взимку теплота від двигуна використовується на опалення, влітку – на генерацію холоду. Тригенераційні модулі одночасно виробляють електрику, тепло та холод, що забезпечує цілорічне завантаження КГУ без скидання надлишків теплоти в атмосферу.

Області застосування тригенерації охоплюють усі об’єкти, де цілорічно потрібна безперебійна електрична потужність не менше 100 кВт, є можливість утилізації теплоти потужністю ~200 кВт, а для холодопостачання може застосовуватися вода 7/12 °C (кондиціювання повітря, охолодження обладнання).

Комерційна та цивільна нерухомість. Абсорбційні чиллери Carrier працюють у системах кондиціювання великих об’єктів: бізнес-центрів, торговельно-розважальних комплексів тощо.

Діапазон регулювання потужності

Типовий діапазон плавного регулювання для машин Carrier – від 10% до 100%. Агрегат здатний стабільно працювати при навантаженні від 10%, що дає гнучкість у періоди зниженого попиту на холод.

Регулювання холодопродуктивності відбувається шляхом кількісного керування потоками енергії та розчину – на відміну від електричних чиллерів, де потужність змінюється за рахунок частоти обертання компресора. Регулювальний клапан на лінії подачі гарячої води до генератора зменшує або збільшує потік, сповільнюючи чи прискорюючи випаровування холодоагенту з літій-бромідного розчину. Сучасні моделі Carrier оснащені інверторними абсорбційними насосами №1 та №2, зміна швидкості яких дозволяє точно підлаштовувати потужність і підвищувати ефективність при часткових навантаженнях. Автоматика відстежує концентрацію розчину: при зниженні навантаження система зменшує концентрацію, запобігаючи кристалізації та зайвим енерговитратам.

Контролер забезпечує візуалізацію циклу в реальному часі – оператор бачить усі параметри температур та тиску на схемі потоків (Flow). Передбачено захист від кристалізації з переливним бачком і датчиками концентрації, що автоматично коригує режим роботи при зміні зовнішніх умов. Машина також може працювати у складі мультивалентних систем під керуванням загальних контролерів, наприклад, Vitocontrol 200-M.

Через великий об’єм робочого розчину та значну металоємність конструкції реакція абсорбційного чиллера на зміну положення клапана повільніша, ніж у компресорних систем. Інерційність необхідно враховувати при проєктуванні систем автоматизації будівель (BMS).

Інтеграція з когенераційними установками

Якщо планується впровадження когенерації з подальшим встановленням абсорбційного чиллера, технічний фундамент доцільно закладати вже на етапі проєктування КГУ – це дозволить уникнути дорогої реконструкції в майбутньому.

Спецвиконання КГУ. Когенераційна установка повинна видавати стабільний високотемпературний теплоносій. Систему охолодження двигуна налаштовують так, щоб на виході з сорочки охолодження стабільно забезпечувалася температура +90…+95 °C. Доцільно встановити утилізатор теплоти вихлопних газів, що об’єднає тепловіддачу від сорочки охолодження та вихлопу в єдиний контур нагріву. Контролер КГУ має підтримувати протокол обміну даними (наприклад, Modbus), сумісний із системами керування абсорбційного обладнання та загальновузловими контролерами типу Vitocontrol.

Пріоритезація теплоти. Схема розподілу передбачає сезонне перемикання: взимку теплоносій направляється на розподільчий колектор системи теплопостачання для опалення, влітку – на абсорбційний чиллер для генерації холоду. Для підтримки стабільної температури на вході в машину рекомендовано використовувати триходові клапани.

Аварійне скидання теплового навантаження. Градирня повинна мати резерв потужності для відведення теплоти від двигуна, якщо абсорбційний чиллер раптово зупиниться. Обов’язковим є байпас на контурі нагріву – при раптовому скиданні теплового навантаження теплоносій має миттєво перенаправитися на водоохолоджуючу градирню, щоб уникнути перегріву теплоносія в контурі двигуна та літій-бромідного розчину в машині.

Перевагою тригенераційної конфігурації є можливість цілорічної експлуатації з високою ефективністю: когенераційні модулі виробляють електрику та тепло, абсорбційний чиллер перетворює надлишкову теплоту на холод, а розподільчий колектор забезпечує подачу холодної води до споживачів.

Вартість та економіка проєкту

Абсорбційна технологія потребує вищих початкових інвестицій, ніж компресорне обладнання. Для порівняння: електричний чиллер коштує ~$150/кВт, тоді як абсорбційна машина в повній комплектації – понад $500/кВт.

Структура капітальних витрат (CAPEX) при реалізації проєкту розподіляється орієнтовно так: абсорбційний агрегат – 50–60% вартості, градирня – 15–20%, насоси, автоматика та трубопроводи – ~20% (у грошовому еквіваленті – $100–140 на 1 кВт холодопродуктивності). Загальна вартість реалізації – $500–700 за 1 кВт встановленої холодопродуктивності.

Втім, перевага – в операційних витратах (OPEX). Машина використовує теплоту на корисну холодопродуктивність, яка раніше просто втрачалася або скидалася в навколишнє середовище. За наявності джерела скидного тепла від ГПУ операційні витрати на електроенергію для кондиціювання знижуються на ~70%.

Термін окупності – зазвичай 3,5–5 років при роботі понад 4000 годин на рік.

Типові помилки при проєктуванні

Досвід експлуатації дозволяє виділити кілька найпоширеніших помилок.

Занижена потужність градирні – найчастіша причина аварійних зупинок у липні–серпні. Градирня має бути значно потужнішою, ніж для самої КГУ, оскільки вона відводить теплоту і від двигуна, і від холодильного циклу.

Неправильна хімводопідготовка призводить до обростання трубок конденсатора накипом, що суттєво знижує ККД.

Ігнорування габаритів та ваги. Абсорбційний чиллер у 1,5–2 рази важчий за компресорний – це обов’язково потрібно врахувати в проєкті фундаменту та перекриттів. Висота стелі приміщення має забезпечувати можливість механічного очищення трубок теплообмінників. Також потрібно передбачити місце для роздільних теплообмінників (гідравлічний розрив) між контуром двигуна та контуром машини.

Відсутність байпасу на контурі нагріву створює ризик перегріву розчину при раптовому скиданні теплового навантаження. Теплоносій від двигуна має мати альтернативний шлях відведення.

Інерційність. Абсорбційний чиллер не може миттєво вийти на пікову потужність – на відміну від компресорного, йому потрібен час для виходу на робочий режим. Це враховують при налаштуванні алгоритмів BMS.

Критичний параметр – температура води на вході в абсорбер не має бути нижчою за +20…+22 °C, інакше виникає ризик кристалізації літій-бромідного розчину, що може призвести до аварійної зупинки.

Carrier та Viessmann Climate Solutions

З 2024 року Viessmann Climate Solutions входить до складу Carrier Global. Об’єднання поєднало понад столітній досвід Viessmann у сфері опалювальної техніки та теплових насосів із багаторічною експертизою Carrier як передової компанії у сфері кондиціювання та охолодження, яка стояла біля витоків створення та розвитку цієї технології.

Для споживачів в Україні це означає можливість отримати комплексне рішення від одного постачальника – від когенераційного модуля та системи опалення до сучасних систем холодопостачання та інтелектуального керування всією енергосистемою через платформу Viessmann One Base.

---

---

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 1 614