Фрикулинг на производстве: как охлаждать зимой без компрессора

Фрикулинг, или свободное охлаждение (free cooling), — режим, в котором воду для технологии охлаждает наружный воздух через градирню или драйкулер, а компрессор холодильной машины стоит. Производству он выгоднее, чем офису: нагрузка есть круглый год, а в Москве мокрый термометр ниже 5 °C держится 4696 часов в год, больше половины года. На 1 МВт технологической нагрузки это до 1,78 млн кВт·ч электроэнергии в год, которую компрессоры не потребляют.

Почему фрикулинг выгоден именно производству?

Экономия появляется только в те часы, когда на улице холодно и одновременно есть нагрузка. Комфортное кондиционирование зимой почти не работает, поэтому фрикулинг там добавит насосам и клапанам больше расходов, чем сэкономит. На заводе всё наоборот: экструдеры, прессы, пастеризаторы, сварка, компрессорные станции и печи отдают тепло круглый год, и холодная вода нужна в январе так же, как в июле.

Второе условие — температура воды. Чем теплее вода, которую просит технология, тем раньше осенью включается фрикулинг и тем позже весной выключается. Каждый градус подачи вверх сдвигает порог включения на градус и добавляет часы без компрессора. Поэтому на этапе инженерной концепции мы первым делом спрашиваем технологов, какую воду процесс действительно требует, а какую заложили «с запасом».

Какие схемы фрикулинга мы применяем на заводах?

В проектах встречаются три схемы. Выбор зависит от того, что уже стоит на площадке и есть ли вода на подпитку.

Для производства, где уже есть оборотный цикл с градирней, чаще всего подходит вторая схема (водяной экономайзер). Градирня работает от мокрого термометра, а он ниже сухого, поэтому часов фрикулинга у неё больше, чем у драйкулера. Если воды на площадке нет или контур потребителя нельзя смешивать с открытой водой, работаем на гликоле через драйкулер. Чиллеры NCT серии NASA выпускаются со встроенным фрикулингом, а для серии NCSA с выносным конденсатором фрикулинг заявлен в каталоге — модели на странице «Купить чиллер».

При какой температуре на улице включается фрикулинг?

Фрикулинг работает, когда улица холоднее воды на сумму недоохлаждений (approach) градирни или драйкулера и промежуточного теплообменника. Примем для примера 5 К на градирне и 2 К на теплообменнике, всего Δ = 7 К. Тогда:

• частичный режим начинается, когда наружная температура ниже температуры обратной воды минус Δ: теплообменник снимает часть нагрузки, машина добирает остаток;
• полный режим — когда наружная температура ниже подачи минус Δ: компрессоры стоят, машина в резерве.

Для воды 7/12 °C частичный фрикулинг начинается ниже 5 °C, полный — ниже 0 °C. Для воды 12/18 °C пороги на 6 К выше: частичный — ниже 11 °C, полный — ниже 5 °C. Для схемы с градирней в расчёт берут мокрый термометр, для драйкулера — сухой. Рабочие значения Δ дают подборы градирни и теплообменника под конкретный объект.

Сколько часов в году производство может работать без компрессора?

Мы посчитали часы по реанализу ERA5 за 2015–2024 годы для Москвы и Петербурга.

Для Москвы и схемы с градирней это значит: при воде 7/12 °C — 3207 часов полного фрикулинга и 1489 часов частичного, при воде 12/18 °C — 4696 часов полного и не меньше 1275 часов частичного. Для драйкулера цифры из таблицы — верхняя оценка, точные часы считаем по почасовому ряду сухого термометра площадки.

Сколько экономит фрикулинг на 1 МВт технологической нагрузки?

Пример: нагрузка 1000 кВт круглый год, Москва, схема с градирней, Δ = 7 К. Машина с воздушным охлаждением конденсатора при холодильном коэффициенте 3,0 берёт из сети 333 кВт.

В частичном режиме мы приняли, что теплообменник снимает в среднем половину нагрузки. Из экономии вычитаем то, что добавляет сама система: если теплообменник и гликоль добавляют насосам 5 кВт круглый год, это 0,044 млн кВт·ч, меньше 3 % выигрыша. Плюс энергия вентиляторов градирни в зимнем режиме — по паспорту.

Две оговорки. Зимой холодильный коэффициент машины выше 3,0, поэтому расчёт на постоянном коэффициенте даёт верхнюю оценку. А если чиллер уже охлаждается градирней и его коэффициент около 6, базовое потребление вдвое ниже, и экономия от фрикулинга тоже примерно вдвое меньше. Зато и переделка дешевле: градирня уже стоит, добавить нужно теплообменник, клапаны и автоматику.

Как добавить фрикулинг к действующей системе охлаждения?

Фрикулинг лучше закладывать вместе с машиной на стадии проекта, но на действующем заводе его тоже можно встроить. Что мы проверяем при обследовании:

1. Нагрузка зимой. Сколько тепла технология отдаёт в холодные месяцы и какой температуры вода ей нужна на самом деле.
2. Градирня. Есть ли у неё зимний режим: подогрев поддона, частотный привод вентилятора, защита от обмерзания. Без этого схема с водяным экономайзером зимой не работает.
3. Место под теплообменник и врезку в контур потребителей, запорную арматуру для переключения без остановки производства.
4. Автоматика. Логика «сначала фрикулинг, машина добирает», гистерезис между режимами и минимальное время работы в каждом.

Последний пункт часто недооценивают. Из опыта эксплуатации: схемы на трёхходовых смесительных клапанах в межсезонье работают неустойчиво и постоянно включают и выключают чиллер. Поэтому переходы делаем с зоной нечувствительности и проверяем расчётом объём контура.

Как фрикулинг работает на наших объектах?

На заводе порошковой металлургии мы спроектировали и запустили хладоцентр на 4600 кВт с графиком +7…+12 °C: АБХМ Thermax, три градирни NCT VR2S и насосную группу NCT. Градирни работают в двух режимах. В основном режиме все три охлаждают воду конденсатора АБХМ с 32,3 до 25 °C. В режиме фрикулинга две градирни из трёх через теплообменники охлаждают воду потребителей с 12 до 7 °C — холод даёт улица, а не машина.

На заводе пищевых ингредиентов «Дёлер» в Лобне АБХМ Thermax на 1500 кВт работает на тепле газопоршневых установок и охлаждает пастеризаторы. Рядом стоят две сухие градирни с пластинчатыми теплообменниками — это контур фрикулинга для холодного времени года. Мы разработали разделы ХС и АХС, поставили оборудование и провели пусконаладку.

Зимнюю работу открытых градирен на производстве мы обеспечиваем подогревом поддона, частотным приводом и зимним комплектом — так, например, работает четырёхсекционная градирня NCT VR1S на «СветлогорскХимволокно» в Беларуси. Как ещё снизить потребление холодильной машины, рассказываем на странице «Снижение электропотребления чиллера».

Когда фрикулинг не окупается?

• Нагрузка сезонная: кондиционирование цехов, которое зимой стоит.
• Технологии нужна очень холодная вода, например 0…+2 °C: часов с такой улицей мало, а гликоль и теплообменник добавляют потерь.
• Зимняя нагрузка мала по сравнению с летней, и экономия не покрывает теплообменник, клапаны и автоматику.

Во всех остальных случаях мы считаем баланс в киловатт-часах: сэкономленное компрессорами минус добавленное насосами и вентиляторами. Тариф подставляет заказчик.

Частые вопросы