SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Энергосберегающий контроль микроклимата

Отвод тепла из распределительных шкафов – важный компонент производства. При разработке охлаждающих устройств компанией Rittal были тщательно проанализированы все детали и использованы передовые технологии, это максимально оптимизированные решения, позволяющие экономить электроэнергию и средства компаний.

ООО «Риттал», г. Москва

rittal_site.jpg


В последние годы промышленные устройства и распределительные установки становятся все более сложными. Вместе с тем, от них требуется максимальная компактность. В результате уровень тепловыделения, возникающего в распределительном шкафу, постоянно растет, и сегодня установки выделяют такое количество тепла, что его приходится отводить с помощью систем активного контроля микроклимата. При этом востребованными оказываются охлаждающие решения, которые обеспечивают длительную экономию энергии и оптимально подходят для применения в каждой конкретной ситуации.

Компактность и эффективность являются решающими критериями и для компонентов системы контроля микроклимата. Из-за высокой стоимости электроэнергии в последнее время все более важную роль в различных областях играет энергоэффективность решений. Это означает, что и к решениям для контроля микроклимата предъявляются новые требования. Как следствие, за последние годы появилось множество разработок и усовершенствований, с помощью которых были оптимизированы существующие или созданы новые решения для контроля микроклимата.


Вначале была физика

При рассмотрении решений для контроля микроклимата нельзя обойти их физические основы: закон Ома и начала термодинамики определяют физические пределы, в которых должны находиться решения для отвода тепла. В результате электрического сопротивления компонентов при прохождении тока по проводнику часть электрической энергии всегда пре­образуется в тепловую. Поскольку в последние годы машины и распределительные устройства становились все сложнее и вместе с тем компактнее, выросла и абсолютная величина потерь мощности, которая преобразуется в тепло в среднестатистическом распределительном шкафу промышленного назначения. Поэтому во многих случаях вряд ли можно обойтись без активного охлаждения распределительной установки.

Решение для контроля микроклимата должно надежно отводить возникающее тепло, чтобы предотвратить перегрев установленных компонентов и их повреждение. И при отводе тепла законы физики также играют важную роль. Существует три различных механизма отвода тепла: тепловое излучение, теплопередача и конвекция. Главная задача контроля микроклимата состоит в том, чтобы искусно скомбинировать эти три процесса и добиться эффективной теплопередачи в целом.


Альтернативные концепции охлаждения

Установленные внутри распределительного шкафа компоненты сначала отдают тепло в воздух. В простейшем случае вентиляторы выдувают нагретый воздух наружу, всасывая более прохладный воздух из окружающей среды. Однако этот способ эффективен лишь в том случае, если окружающий воздух достаточно прохладен и потери мощности в шкафу при этом не слишком высоки. Если требуется более высокая мощность охлаждения, то применяется более активный контроль микроклимата. В этом случае используется, например, компрессорный холодильный агрегат, который монтируется на шкаф. Тепловая энергия воздуха передается хладагенту такого агрегата и затем отводится. Эти холодильные агрегаты для распределительных шкафов считались передовой технологией еще в 1980‑х годах, и до сих пор они широко применяются в производстве.

Альтернативный вариант подачи холодного воздуха в распределительный шкаф – охлаждение с помощью воды. В этом случае воздух в шкафу передает тепло контуру водяного охлаждения через воздухо-водяной теплообменник. Одно из преимуществ этого решения объясняется физическими свойствами воды: теплоемкость воды значительно выше, что позволяет отводить намного больше тепла, чем через воздух. При типовых значениях температуры и скорости потока через трубопровод системы водяного охлаждения отводится такое количество тепла, для отвода которого потребовался бы воздуховод с поперечным сечением в 30 раз больше. Поэтому вода уже давно применяется в качестве охлаждающей среды в IT-сфере. Производительные серверные шкафы создают десятки киловатт тепловой мощности. При такой теплоотдаче воздушное охлаждение уже недостаточно эффективно.

Рис.1.png

Рис. Распределительный шкаф с системой водяного охлаждения

Преимущества водяного охлаждения очевидно показывает и анализ тенденций в автомобилестроении. Последние двигатели с воздушным охлаждением, которые серийно применялись в автомобилях, стояли на моделях Volkswagen Käfer («жук») и Volkswagen Bus. Сегодня эти модели уже относят к ретро-автомобилям, что красноречиво свидетельствует о начале эры водяного охлаждения.

Вода имеет преимущества как охлаждающая среда в том числе с точки зрения энергоэффективности. Разумеется, идеальная ситуация – это уже подведенная в производственный цех холодная вода, доступная для промышленного использования. В этом случае воздухо-водяные теплообменники в распределительных шкафах просто включаются в существующий контур холодной воды. Центральное холодное водоснабжение нередко эффективнее, даже когда охлаждающая вода требуется только для контроля микроклимата в распределительных шкафах. Именно в крупных распределительных установках применяются так называемые чиллеры, которые охлаждают воду с помощью центрального компрессорного холодильного агрегата и затем распределяют ее по отдельным шкафам.


Сравнение может оказаться выгодным

Смоделировав типовую ситуацию использования, компания Rittal сравнила расходы на оба варианта охлаждения: центральную систему обратного охлаждения и холодильный агрегат. При этом учитывались как инвестиции, так и эксплуатационные затраты. В качестве образца использовалась типовая распределительная установка на 16 шкафов типа TS 8. Инвестиции в компоненты для контроля микроклимата в обоих случаях оказались почти одинаковыми – около 18 000 евро. Однако при расчете затрат на электроэнергию было выявлено существенное различие между двумя вариантами: стоимость электроэнергии для решения с отдельными холодильными агрегатами достигла 5400 евро, у варианта с чиллером TopTherm она составила лишь 3200 евро. Даже с учетом инвестиций экономия за первый год уже составляет 5 %, а если брать в расчет только затраты на электроэнергию – то и все 40 %. При этом стоимость обслуживания и технических работ пока не учитывается. Здесь также следует отметить преимущества центрального холодного водоснабжения. При использовании чиллера TopTherm для технического обслуживания требуются всего лишь один компрессор и один насос для подачи охлаждающей воды.


Экономия электроэнергии благодаря постоянной оптимизации

Даже в традиционном варианте с холодильным агрегатом для распределительного шкафа есть возможности для экономии. Раньше при проектировании таких агрегатов в основном старались добиться высокой мощности охлаждения при компактных размерах. 

В последние годы компания Rittal много инвестировала в исследования и разработки, связанные с энергосберегающими технологиями. Здесь вновь напрашивается сравнение с отраслью автомобилестроения, где высокая стоимость топлива и эколого-политические дискуссии ускорили разработку более экономичных двигателей. При совершенствовании холодильных агрегатов для распределительных шкафов в первую очередь уделяли внимание их холодильным компрессорам, стремясь улучшить показатели энергопотребления и мощности, рассчитать конструкцию таким образом, чтобы она обеспечивала оптимальную работу. Помимо холодильных компрессоров были оптимизированы и другие компоненты. Так, двигатели вентиляторов с электронной коммутацией, которые сейчас применяются, обеспечивают высокий КПД во всем диапазоне скоростей вращения. Была также переработана конструкция внутренних комплектующих. Для того чтобы добиться наивысшей энергоэффективности, специалисты компании проанализировали и улучшили устройство таких компонентов, как конденсаторы, испарители, пластины охлаждения, трубопроводы и проч.

Следующий важный шаг – определение наиболее подходящих объемов хладагента и параметров управляющей электроники: они точно соответствуют условиям применения и требованиям к охлаждению, предъявляемым к устройству, и тем самым повышают эффективность системы охлаждения. Результатом научно-исследовательской работы компании Rittal стали энергосберегающие холодильные агрегаты поколения «Blue e» с мощностью охлаждения от 500 до 4000 Вт. Эти устройства отличаются особенно эффективным использованием первичной электроэнергии и связанной с этим высокой экономичностью. Эти холодильные агрегаты, которые можно установить на стене и на крыше, по расчетам специалистов, экономят до 45 % первичной электрической энергии по сравнению с агрегатами предыдущих моделей.

Определенный потенциал оптимизации заложен и в автоматике. Например, благодаря новому интеллектуальному Eco-режиму, реализованному в холодильных агрегатах и теплообменниках поколения «Blue e», вентиляторы включаются только при необходимости – в зависимости от температуры в распределительном шкафу. Если она опускается на 10 градусов ниже установленного уровня, вентиляторы останавливаются. Для измерения фактической внутренней температуры вентилятор включается каждые 10 минут на 30 секунд, тем самым обеспечивая циркуляцию воздуха в шкафу. Если дверь распределительного шкафа открыта, вентилятор также не работает, чтобы не тратить энергию впустую.


Автомобилестроение как двигатель инноваций

Оптимизированные холодильные агрегаты уже продемонстрировали свою мощность и энергоэффективность в обычных условиях эксплуатации. Один из немецких автопроизводителей в рамках пилотного проекта установил холодильные агрегаты Rittal поколения «Blue e» в штамповочном цехе своего завода. В течение 45 недель устройства ежедневно работали в суровых производственных условиях. При этом они показали исключительно высокую эффективность энергопотребления: во время пробной эксплуатации холодильных агрегатов потребление первичной электроэнергии снизилось на 70 % по сравнению с прежними агрегатами. Затраты на электроэнергию для охлаждения соответственно снизились более чем на 100 евро на каждый распределительный шкаф.

Автомобилестроение всегда считалось передовой отраслью, ориентированной на инновации. Это относится не только к технологиям, делающим автомобили быстрыми и экономичными, но и к технологиям производства.

Поэтому свыше 60 немецких производителей автомобилей и их поставщиков объединились в альянс Green Carbody Technologies. Он должен разрабатывать новые технологии, производственные процессы и инструменты для производства кузова автомобилей. Задача этого союза, поддерживаемого Федеральным министерством образования и научных исследований, состоит в том, чтобы сократить на 50 % затраты энергии в процессе производства. Координаторами проекта являются концерн Volkswagen AG и Институт станков и технологии обработки давлением им. Фраунгофера. В рамках этого альянса компания Rittal изучает, какие методы охлаждения обеспечивают максимальную энергоэффективность в тех или иных условиях окружающей среды.

Аналогичную цель преследует реализуемый Федеральным министерством экономики и технологий Германии проект Maxiem, в рамках которого изучаются возможности сокращения энергопотребления станков. Здесь компания Rittal также выступает активным партнером, предлагая свой опыт в области контроля микроклимата и исследуя возможности дальнейшего повышения эффективности систем водяного охлаждения.


Генерация электричества, тепла и холода

Исследователи и отраслевые специалисты непрерывно изыскивают новые способы энергосберегающего производства холода. Так, компания Rittal совместно с аффилированной компанией Würz Energy представила на промышленной выставке-ярмарке в Ганновере (Hannover Messe) автономный ЦОД, который получает электроэнергию от двух дублирующих друг друга блочных ТЭЦ. При этом отводимое тепло силовой станции используется для охлаждения. В необходимых для этого холодильных установках InvenSor используется процесс адсорбции, при котором охлаждение осуществляется за счет оседания молекул воды на поверхностях адсорбирующих материалов. Таким образом, температура охлаждающей воды в подающем трубопроводе устанавливается в пределах от 4 до 20 °C. Эта система исключительно энергоэффективна и гибка в использовании: при низких температурах внешней среды может осуществляться естественное охлаждение, тогда как отводимое тепло блочной ТЭЦ можно использовать для обогрева.

Рис.2.png

Рис. Автономный ЦОД, разработанный компанией Rittal, на Ганноверской выставке-ярмарке


Заключение

Новые разработки в области фильтрующих вентиляторов, холодильных агрегатов, воздухо-водяных теплообменников и чиллеров поддерживают инициативы производственных предприятий в сфере энергосбережения. Инвестиции в новую холодильную технику обычно окупаются за довольно короткое время. Потенциал для дальнейшей экономии сохранится и в будущем: это подтверждают текущие исследования на предприятиях и в отрасли.


Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 2(44)_2013

ООО «Риттал», г. Москва,
тел.: (495) 775-0230,
e‑mail: info@rittal.ru,
www.rittal.ru