Проектирование инженерных систем в умеренном климате сегодня привычно и более-менее понятно. Но, как только температурный диапазон смещается в сторону низких температур (Зауралье, Якутия, Крайний Север), зачастую начинаются сложности. И именно они вызывает большое количество дорогостоящих ошибок, либо излишних инвестиционных затрат, которых легко можно было бы избежать. Всего лишь проанализировав объект на стадии концепции, и приняв во внимание несколько важных факторов:
Если у нас в изделии есть 2 материала, то использовать это изделие мы можем исключительно до тех пор, пока скорость температурного расширения/сжатия этих материалов имеет схожие значения, как только значения скорости расширения/сжатия начинают различаться, или скажем один материал расширяется, а другой сжимается, наше изделие разрушается.
Итак, на что стоит обратить внимание.
Давайте начнем с выбора системы охлаждения. Фреоновая или водяная? Какой системе отдать предпочтение?
Фреон кажется идеальным хладагентом для климата, где температура зимой опускается ниже -40°C, а то и ниже -50°C. Фреон не замерзает, его концентрацию не нужно увеличивать, да и с зимним запуском не будет проблем, если правильно спроектировать систему, включая низкотемпературный комплект (НТК). Большой проблемой таких систем является эквивалентная длина трасс. Для того, чтобы система работала без проблем, она не должна превышать 50 метров. Все, что больше, в комплекте со стандартным НТК работает крайне плохо. Здесь уже нужен промышленный НТК. И в случае маломощных систем (до 500 кВт) его стоимость будет превышать стоимость всех остальных частей системы вместе взятых. Следующая проблема: отсутствие фрикулинга и круглогодичная работа компрессоров. Как следствие – большие энергозатраты. Однако, до тех пор, пока стоимость электроэнергии в регионах с холодным климатом остается низкой, проблемы с получением необходимого количества электричества тоже не возникает. Поэтому как проблема зачастую не воспринимается.
Первое, что мы слышим, когда заходит разговор о применении водяных систем на Крайнем Севере – резкое отрицание. Даже когда речь идет о снятии тепла в мегаваттных величинах. Скепсис понятен: чтобы аппараты наружного охлаждения не потекли зимой в случае, например, остановки системы, приходится работать на высокопроцентном гликоле. При низких температурах гликолевые смеси становятся вязкими, как масло. Поток такой жидкости строго ламинарный, как следствие – низкая теплопроводность и большие потери давления. Приходится не только переразмеривать непосредственно аппараты наружного охлаждения, но и всю систему: насосы, трубопроводы, заглушки, клапана и прочее. Огромные инвестиционные затраты, колоссальный расход энергоресурсов, даже в режиме фрикулинга. Кроме того, в современных аппаратах можно применять гликолевые смеси с концентрацией до 60%. Все, что выше, рискует привести к закупориванию трубного пучка. А вот температура замерзания у такой смеси не слишком низкая, всего лишь -55 °C. Но даже если увеличивать концентрацию до максимальной, а именно 70%, то и тут температура замерзания не слишком низкая, а именно -58 °C. И, например, для Якутии, где зимой может быть ниже -60 °C, даже такая система не подойдет. Все это не означает, что от применения водоводяных систем в холодном климате нужно отказаться. Их спокойно можно применять, снизив концентрацию гликоля до разумной, и использовав решение «теплый дом».
Когда Вы выбрали систему, стоит обратить пристальное внимание на ее компоненты. Самое лучшее для такого климата использовать компрессор содержащие компоненты (холодильную машину/ прецизионный кондиционер и проч.), предназначенные для внутренней установки. И конденсаторы/драйкулеры в наружных системах. Использование моноблочных холодильных машин в очень холодном климате сильно затруднено. Даже производители, способные изготовить такие машины, не рекомендуют их использование. Почему? Вам придется не только изготавливать все теплообменные части из специальных материалов, но и обогревать каждую из составных частей: насосы, трубопроводы, компрессоры… кроме того, шкаф управления в исполнении ниже -40/-50°C выполнить невозможно. Всю электронику просто необходимо убирать в теплое помещение.
Стоимость моноблочной холодильной машины, изготовленной всего лишь для температурного диапазона -40°C — -50°C, увеличивается почти вдвое по сравнению со стандартной моноблочной холодильной машиной того же производителя.
Если у Вас нет места для установки холодильных машин в хладоцентре, возможно использование холодильных машин внутренней установки в утепленном контейнере.
Изготовить же теплообменники наружной установки (конденсаторы и драйкулеры) для холодного климата гораздо проще.
А точнее, материал труб, именно он имеет значение. Лучше не использовать медные трубы: какие бы производители не писали письма о том, что их можно использовать при низких температурах, из-за термического расширения очень велик риск протечки в местах пайки. Припой должен быть специальным, низкотемпературным, и это сразу делает медный теплообменник практически таким же дорогим, как и изготовленный с трубами из нержавеющей стали. При этом стальные соединения сварные, нержавейка имеет гораздо больший диапазон термических расширений, и никакие морозы ей не страшны.
Ошибочно полагать, что Вы возьмете вентиляторы с низкотемпературной смазкой и это решит проблему. Дело в том, что при изменении смазки температурный диапазон вентилятора останется одним и тем же, он просто «сдвинется» в сторону низких температур. Что имеется в виду? Представьте себе: Ваш аксиальный вентилятор работал в диапазоне -40/+60. А воздух на выходе из теплообменного аппарата летом (например, в Якутии летом температура может достигать +37°C) был порядка +56°C. Вы заказали такой же вентилятор с низкотемпературной смазкой. И теперь его диапазон стал, например, -50/+50. И летом он просто выйдет из строя.
Гораздо эффективнее применять системы обогрева двигателя вентилятора CABERO. Достаточно просто приобрести частотный регулятор CABERO со встроенной функцией подогрева, и проблем с охлаждением мотора и подшипника при очень низких температурах не возникнет. Функция отрегулирована таким образом, чтобы не перегревать излишне двигатель, и не приводить к образованию конденсата. Последний при низких температурах мгновенно замерзает на лопастях и подшипниках вентиляторов, и приводит к их остановке. А в некоторых случаях и повреждению вентиляторов. При использовании системы обогрева двигателя вентилятора CABERO такой проблемы не возникает.
И самое приятное: частотный регулятор CABERO с такой функцией стоит столько же, сколько и обычный частотный регулятор CABERO.
Обычная вентиляторная решетка при температурах ниже -50°C становится хрупкой, как стекло. Попадание в нее при этих температурах любого постороннего предмета — сосульки, ветки и проч. – приведет к тому, что она разлетится вдребезги. Поэтому лучше использовать решетку вентиляторов из нержавеющей стали.
Довольно дорогостоящая и в большинстве случаев совершенно лишняя функция. В лучшем случае она будет бесполезна, в худшем приведет к образованию наледи на лопастях и подшипниках вентилятора за счет оттаявшего на диффузоре и мгновенно замерзшего на вентиляторе снега. Есть только один тип вентиляторов (ЦА+), в котором эта функция имеет смысл. Но стоимость опции в четырехзначных цифрах в Евро на один вентилятор не оправдывает преимуществ использования таких вентиляторов. Кроме того, их нижний диапазон температур ниже, чем у обычных аксиальных вентиляторов, и составляет всего лишь -55°C.
При сильно отрицательных температурах смерзается клапан наружного воздуха за счет вымораживания воздуха внутреннего объема помещения в период, когда установка не работает и клапан закрыт. Поэтому воздушные клапаны вентиляционных установок обязательно должны быть с системой электрического подогрева как клапана, так и привода.
Ввиду того, что, нагрев требуется на большую разницу температур, сталкиваемся с проблемой регулирования производительности: для обеспечения заданной производительности в зимний период требуется большая поверхность теплообмена, поэтому нагреватель переразмечен по поверхности для межсезонья, и его просто необходимо делить на 2 ступени.
В условиях низких температур, колоссальный расход энергоресурсов расходуется на нагрев, поэтому, чтобы хоть как-то их сэкономить предпочтительнее использовать по возможности рециркуляционные либо рекуперативные системы приточно-вытяжной вентиляции.
Отчего зависит эффективность рекуператора?
Так или иначе рекуператор — это тоже теплообменный аппарат, только теплообмен происходит между приточным и вытяжным воздухом. Важна площадь поверхности теплообмена: чем она больше, тем рекуператор эффективнее, но и дороже. Роторный рекуператор, пластинчатый или с промежуточным теплоносителем — обмерзают все. Степень их обмерзания определяется влажностью вытяжного воздуха и температурой уличного воздуха. Чем больше влагосодержание вытяжного воздуха, тем больше воды сконденсируется на рекуператоре в вытяжной части. При отрицательных температурах уличного воздуха, конденсат в вытяжной части рекуператора замерзает и рекуператор встает в режим оттайки. Чем больше циклов оттайки у рекуператора, тем ниже его эффективность. Чтобы минимизировать количество циклов оттайки, необходимо минимизировать, а по возможности совсем исключить образование конденсата или зон отрицательных температур в рекуператоре. В большинстве случаев данную проблему решают посредством преднагрева.
Кроме того, все электрические кабели должны быть выполнены в специальной оплётке, которая не будет растрескиваться в сильные морозы, а циркуляционные насосы и шкаф управления, при размещении установки на улице, должны быть выполнены в корпусе с электронагревом или, как мы писали ранее, вынесены в отапливаемое помещение.
