Расчёт чиллера: методика, формулы, подбор типоразмера

Расчёт чиллера начинается со сбора исходных данных — без них любой подбор типоразмера будет приблизительным.

Минимально необходимый набор параметров технического задания:

• тип объекта и его назначение (офис, производство, пищевое предприятие, ЦОД, гостиница)
• суммарная площадь или объём охлаждаемых помещений
• расчётная температура наружного воздуха в тёплый период по СП 131.13330 (для Москвы — параметр Б: +28,5 °С)
• требуемая температура теплоносителя на выходе испарителя и на входе (Тк и Тн)
• тип теплоносителя: вода или раствор гликоля (концентрация, марка)
• режим работы: круглогодичный или сезонный
• место размещения чиллера: кровля, машинный зал, улица
• наличие требований к резервированию

Расчётная температура Москвы +28,5 °С по параметру Б используется для подбора чиллеров с воздушным охлаждением конденсатора: именно при этой температуре чиллер должен выдавать паспортную холодопроизводительность. Если объект расположен в зоне с нагретыми поверхностями (кровля тёмного цвета, промышленная зона), расчётную температуру воздуха у конденсатора повышают на 3–5 °С.

Общая тепловая нагрузка складывается из нескольких составляющих. Для систем кондиционирования по СП 60.13330.2020:

• Теплопоступления от солнечной радиации (инсоляция) рассчитываются по ориентации фасадов, площади остекления и типу солнцезащиты. Для Москвы максимальные теплопоступления через вертикальное остекление на западный фасад в июле достигают 250–350 Вт/м² остекления.
• Теплопоступления через ограждающие конструкции — через стены, кровлю, перекрытия. Вычисляются как Q = k × A × ΔT, где k — коэффициент теплопередачи Вт/(м²·К), A — площадь, ΔT — разность температур снаружи и внутри.
• Теплопоступления от людей — 75–130 Вт на человека в зависимости от вида деятельности (офисная работа, лёгкий физический труд, интенсивный физический труд).
• Теплопоступления от оборудования — 30–40% от установленной электрической мощности компьютеров и оргтехники, 100% мощности технологического оборудования, тепловыделения серверного оборудования по паспорту.
• Теплопоступления от освещения — 100% мощности ламп накаливания, 50–60% мощности люминесцентных и светодиодных светильников.
• Теплопоступления от вентиляции — наружный воздух, подаваемый в помещение, несёт тепловую нагрузку G × 0,337 × ΔT (кВт), где G — расход воздуха в м³/ч, 0,337 — объёмная теплоёмкость воздуха кВт·ч/(м³·К), ΔT — разность температур наружного и внутреннего воздуха.

Суммируют все составляющие и прибавляют запас 10–15% на неучтённые теплопритоки и деградацию оборудования. Для технологических объектов (охлаждение оборудования, технологических жидкостей) теплопоступления берутся из технологического регламента или паспортов оборудования.

Если тепловая нагрузка на чиллер определена по расходу и температурному перепаду теплоносителя (обратный расчёт — от уже установленной системы), применяют прямую формулу:

• Для воды: Q = G × (Тн − Тк) × 1,163

где Q — холодопроизводительность, кВт; G — расход воды через испаритель, м³/ч; Тн — температура на входе в испаритель, °С; Тк — температура на выходе из испарителя, °С; 1,163 — удельная теплоёмкость воды, кВт·ч/(м³·К).

• Для других жидкостей: Q = G × (Тн − Тк) × Срж × ρж / 3600

где Срж — удельная теплоёмкость жидкости, Дж/(кг·К); ρж — плотность жидкости, кг/м³.

Перевод единиц: 1 кВт = 860 ккал/ч = 3 412 БТЕ/ч. Стандартный температурный перепад для кондиционирования — 5 °С (вход 12 °С / выход 7 °С). Перепад более 8 °С в одном контуре требует промежуточного теплообменника или увеличения расхода теплоносителя.

Расход воды через испаритель определяется из той же формулы, преобразованной относительно G:
G = Q / (ΔТ × 1,163), м³/ч

При стандартном перепаде 5 °С: G ≈ Q / 5,8 (м³/ч на кВт холодопроизводительности). Для чиллера 100 кВт расход воды через испаритель составит около 17 м³/ч. Этот параметр необходим для подбора циркуляционного насоса гидромодуля и расчёта диаметров трубопроводов.

Скорость воды в трубопроводе принимается 0,7–1,5 м/с для магистральных и 0,3–0,7 м/с для распределительных участков. Диаметр трубопровода: d = √(4G / (π × v × 3600)) × 1000, мм, где v — скорость потока, м/с.

Паспортная холодопроизводительность чиллера задана для воды и фиксированной температуры наружного воздуха. При изменении этих условий применяют поправочные коэффициенты.

Поправка на гликоль: при переходе с воды на 25% раствор этиленгликоля холодопроизводительность снижается на 8–12%, на 35% раствор — на 15–18%. Расход теплоносителя увеличивается на 15–20% для сохранения заданного перепада температур. Поправочные коэффициенты запрашиваются у производителя для конкретной серии и типоразмера.

Поправка на температуру наружного воздуха для чиллеров с воздушным охлаждением: при росте температуры на каждые 5 °С сверх паспортных +35 °С холодопроизводительность снижается на 5–10% в зависимости от хладагента и типа компрессора. Для объектов Московского региона с расчётной температурой +28,5 °С (параметр Б по СП 131.13330) паспортная мощность при +35 °С даёт некоторый запас — но только при условии чистого конденсатора и исправных вентиляторах.

Буферный бак (аккумулятор холода) обеспечивает минимальный объём теплоносителя в системе для защиты компрессора от режима short cycling — частых пуско-останов при низкой нагрузке.

Минимальный объём бака:
V = (Q × 60 × τ) / (m × 4,19 × ΔТ), л
где Q — холодопроизводительность чиллера, кВт; τ — минимальный интервал между пуском и остановом компрессора, мин (норматив — 6 ± 1 мин); m — число ступеней производительности; ΔТ — рабочий перепад температуры в баке, °С.

Пример: чиллер 100 кВт, одна ступень, ΔТ = 5 °С, τ = 6 мин: V = (100 × 60 × 6) / (1 × 4,19 × 5) = 36 000 / 20,95 ≈ 1 720 л

Для многоступенчатых и инверторных чиллеров объём бака может быть уменьшен, поскольку компрессор не отключается полностью при снижении нагрузки. При наличии в системе разветвлённой трубопроводной сети большого объёма суммарный объём воды в трубах учитывается в расчёте и уменьшает требуемый объём бака.

Если чиллер предполагается эксплуатировать круглогодично, оценивают экономический эффект от оснащения системы фрикулингом — прямым охлаждением теплоносителя наружным воздухом при низких температурах без работы компрессора.

Для Московского климата температура наружного воздуха ниже +10 °С держится около 4 500–5 500 часов в году. При стандартном режиме теплоносителя 12/7 °С переход в режим полного фрикулинга возможен при температуре воздуха ниже +4…+6 °С — это примерно 3 000–3 500 часов в году. Экономия электроэнергии за счёт фрикулинга на объектах с круглогодичной нагрузкой (ЦОДы, серверные, производство) составляет 30–60% от годового потребления компрессора.

Расчёт точки переключения в режим фрикулинга: температура наружного воздуха, при которой драйкулер или фрикулинговый теплообменник способен обеспечить заданную температуру теплоносителя без компрессора. Рассчитывается из теплового баланса теплообменника с учётом расхода теплоносителя и характеристик вентиляторов.