Фрикулинг (свободное охлаждение) — виды, схемы и расчёт экономии
Фрикулинг — режим, при котором объект охлаждается наружным воздухом, а компрессоры холодильных машин разгружены или остановлены. Смысл в том, что бо́льшую часть года на улице холоднее, чем требуется контуру охлаждения, и производить холод в это время незачем: достаточно перенести тепло наружу. По-русски режим называют свободным охлаждением, в документации встречается написание free cooling.
Экономия здесь не абстрактная: она равна электроэнергии компрессоров за те часы, когда они не работают. Поэтому весь расчёт сводится к двум величинам — сколько часов в году доступен режим на конкретной площадке и какую долю нагрузки он закрывает. Разберём виды фрикулинга, типовые схемы и порядок оценки окупаемости.
Что такое фрикулинг и когда он работает
Любая система охлаждения делает две вещи: забирает тепло у объекта и выбрасывает его наружу. Холодильная машина нужна только для первой части — поднять тепло с низкой температуры на высокую, чтобы его можно было отдать в тёплый наружный воздух. Если же воздух на улице и так холоднее теплоносителя, поднимать ничего не надо: тепло уйдёт само, достаточно прокачать теплоноситель через уличный теплообменник.
Условие включения режима формулируется просто: температура наружного воздуха должна быть ниже температуры обратного теплоносителя минус температурный напор аппарата. Напор для сухих охладителей — порядка 5–10 °C. Отсюда видно, почему высокотемпературные контуры выигрывают больше: если объект работает на воде 18/24 °C, окно свободного охлаждения открывается уже при +10 °C на улице, а контур 7/12 °C потребует околонулевых температур.
Между «полностью на компрессорах» и «полностью на фрикулинге» есть промежуточный режим — частичный. Наружный воздух снимает часть нагрузки, предварительно охлаждая теплоноситель, а холодильная машина доводит его до уставки, работая с пониженной производительностью. По времени этот режим обычно самый длинный за год, и именно он даёт основную часть экономии.
Виды: прямой и косвенный
Прямой воздушный фрикулинг — наружный воздух подаётся прямо в помещение через систему вентиляции с фильтрацией. Самый эффективный по энергии вариант: между улицей и объектом нет ни одного теплообменника, а значит и потерь напора. Ограничения серьёзные: нужна очистка воздуха, контроль влажности и защита от резких изменений параметров, плюс сам объект должен допускать подачу наружного воздуха.
Косвенный фрикулинг — наружный воздух охлаждает промежуточный теплоноситель, а тот уже забирает тепло у объекта. Контуры разделены, воздух с улицы внутрь не попадает. Именно этот вариант применяют в системах холодоснабжения зданий и на технологических контурах, и именно в нём работает драйкулер.
Косвенный с адиабатическим предохлаждением — надстройка над предыдущим: перед теплообменником ставится увлажнительная кассета, наружный воздух охлаждается испарением воды и приходит на аппарат уже холоднее. Это расширяет окно работы режима на жаркие часы, когда сухого охлаждения не хватает. Принцип и расчёт эффекта разобраны в статье об адиабатическом охлаждении воздуха.
| Вид | Как устроен | Сильная сторона | Ограничение |
|---|---|---|---|
| Прямой воздушный | Наружный воздух подаётся в помещение через фильтры | Максимальная эффективность, нет промежуточных теплообменников | Требует фильтрации, контроля влажности, допустимости наружного воздуха для объекта |
| Косвенный (гидравлический) | Драйкулер охлаждает теплоноситель, контуры разделены | Универсальность, объект изолирован от улицы | Потери на теплообмене, нужен температурный напор |
| Косвенный с адиабатикой | Воздух перед аппаратом охлаждается испарением воды | Работает в жару, расширяет окно режима | Нужна водоподготовка и обслуживание кассет |
| Встроенный в чиллер | Дополнительный теплообменник в корпусе холодильной машины | Одно изделие, заводская автоматика | Меньшая гибкость, поверхность ограничена габаритом машины |
Схема с чиллером и драйкулером
Самая распространённая конфигурация выглядит так: контур потребителей, чиллер и драйкулер, включённый последовательно в обратную магистраль перед испарителем холодильной машины. Обратный теплоноситель сначала проходит через сухой охладитель, отдаёт часть тепла наружному воздуху и уже подохлаждённым поступает в чиллер, которому остаётся добрать разницу до уставки.
Логику переключения ведёт автоматика по двум температурам — наружного воздуха и обратного теплоносителя. Пока разница мала, вентиляторы драйкулера стоят, работает только чиллер. При похолодании включаются группы вентиляторов, нагрузка на компрессоры падает. Когда наружный воздух становится достаточно холодным, чиллер выключается полностью, а требуемая температура держится оборотами вентиляторов.
Три вещи, которые определяют, будет ли схема работать как задумано:
Гидравлика. Драйкулер добавляет сопротивление в контур. Напор насосов должен быть посчитан с его учётом, иначе расчётный расход не достигается и вся схема недобирает мощность.
Байпас. Обвод сухого охладителя с трёхходовым клапаном позволяет исключить его из контура летом и при обслуживании. Без байпаса аппарат в жару работает нагревателем: наружный воздух теплее теплоносителя.
Защита от переохлаждения. Зимой мощность сухого охлаждения избыточна, и без плавного регулирования теплоноситель уходит ниже допустимого. Это ломает работу потребителей и создаёт риск для оборудования.
Расчёт часов работы режима
Считать экономию «на глаз» бессмысленно — она полностью определяется климатом площадки и температурным графиком контура. Порядок расчёта такой:
Шаг 1. Определить пороговую температуру. Это температура обратного теплоносителя минус температурный напор аппарата. Для контура с обраткой 18 °C и напором 6 °C порог составит около +12 °C: при более холодном наружном воздухе режим доступен полностью.
Шаг 2. Взять климатические данные площадки. Нужна повторяемость температур наружного воздуха по часам года для конкретного города — она берётся из строительной климатологии, а не из бытового прогноза. Считается, сколько часов в году температура держится ниже порога, сколько — в промежуточной зоне, сколько — выше.
Шаг 3. Разбить год на три периода. Полный фрикулинг, частичный и работа на компрессорах. Для каждого периода известна потребляемая мощность: в первом — только вентиляторы и насосы, во втором — вентиляторы плюс частично загруженные компрессоры, в третьем — полная нагрузка холодильных машин.
Шаг 4. Свести потребление. Сумма по трём периодам даёт годовое электропотребление системы с фрикулингом. Разница с вариантом «только чиллер» и есть экономия в киловатт-часах, которую остаётся умножить на тариф.
Главный вывод из этой арифметики: чем выше температурный график контура, тем ниже порог включения не требуется — окно режима открывается раньше и держится дольше. Поэтому при проектировании имеет смысл сначала проверить, нельзя ли поднять температуру теплоносителя у потребителей, и только потом считать оборудование.
Что влияет на окупаемость
Температурный график контура — фактор номер один. Разница между контурами 7/12 и 18/24 °C меняет число часов свободного охлаждения кратно.
Климат площадки. Чем длиннее холодный период, тем быстрее окупаются вложения в дополнительный аппарат и обвязку. В южных регионах при низкотемпературном контуре режим может оказаться экономически бессмысленным.
Профиль нагрузки. Объект с круглосуточной нагрузкой — дата-центр, непрерывное производство — выигрывает больше, чем объект, работающий днём в тёплое время суток.
Тариф на электроэнергию. Экономия считается в киловатт-часах, а окупаемость — в деньгах; при низком тарифе срок растягивается.
Стоимость самой схемы. Помимо аппарата в неё входят обвязка, насосы, арматура, автоматика и работы. Считать нужно систему целиком, а не только цену сухого охладителя.
Фрикулинг в ЦОД
Дата-центры — классический случай, где режим окупается быстрее всего: нагрузка круглосуточная и круглогодичная, а требования к температуре холодоносителя сравнительно мягкие. Современные рекомендации допускают в холодном коридоре заметно более высокие температуры, чем принято было раньше, и это напрямую поднимает температурный график контура — а с ним и число часов свободного охлаждения.
Вторая особенность — резервирование. Схема с фрикулингом не должна снижать надёжность: холодильные машины остаются в системе и обязаны принять полную нагрузку в любой момент, а переход между режимами не должен вызывать провалов по температуре. Поэтому автоматика переключения проектируется с гистерезисом и задержками, а не по одному пороговому значению.
Третья — качество воздуха и обслуживание. В прямом воздушном варианте фильтрация становится критичной статьёй эксплуатации; в косвенном обслуживание сводится к очистке оребрения аппаратов, но и его нельзя откладывать: загрязнённый теплообменник сужает окно режима, и система незаметно возвращается к работе на компрессорах.
Ошибки проектирования
Считают экономию по среднегодовой температуре. Средняя температура ничего не говорит о числе часов ниже порога. Нужна повторяемость температур по часам года, иначе расчёт расходится с фактом в разы.
Забывают про напор аппарата. Порог включения режима — это не температура обратки, а обратка минус 5–10 °C. Ошибка в этом месте завышает ожидаемые часы работы.
Не поднимают температурный график, хотя могут. Контур проектируют на 7/12 °C по привычке, притом что потребители допускают более высокие температуры. Это самый дешёвый способ увеличить экономию — и его чаще всего пропускают.
Ставят аппарат без байпаса и регулирования. Летом он греет теплоноситель, зимой переохлаждает. Оба режима стоят денег и нервов службе эксплуатации.
Не учитывают гидравлику и рециркуляцию. Дополнительное сопротивление в контуре и горячий воздух, возвращающийся на забор аппарата, съедают расчётный эффект ещё до пуска.
Оборудование в каталоге
Изготовление под параметры контура · теплообменники в наличии · автоматика режима
Расчёт аппарата свободного охлаждения по вашему контуру: производство драйкулеров →