Что такое энергоэффективность и какие способы ее оценки существуют?

По оценке, приведенной в марте 2023 года Интернет-порталом Refrigeration World, холодильное оборудование и системы кондиционирования воздуха потребляют около 20% всей производимой в мире электроэнергии, производя примерно 8% мировых парниковых выбросов.

При этом утечки хладагентов в процессе монтажа, работы, обслуживания и выведения оборудования из эксплуатации составляют лишь 37% от общих парниковых выбросов холодильных и климатических систем. Оставшиеся 63% приходятся на косвенные выбросы, связанные с производством электроэнергии.

Исследования показывают, что отказ от фторсодержащих газов в пользу природных веществ, таких как аммиак, диоксид углерода (CO2), углеводороды, вода и воздух, позволяет существенно сократить как прямые, так и косвенные выбросы оборудования, поскольку природные вещества отличаются не только нулевым или пренебрежимо малым потенциалом глобального потепления (ПГП), но и высокой энергоэффективностью при использовании в качестве хладагентов.

Одним из таких исследований стала оценка жизненного цикла бытовых тепловых насосов «воздух-вода», проведенная Институтом энергетической эффективности зданий и микроклимата при Рейнско-Вестфальском техническом университете Ахена (Германия). В ходе оценки сравнивались три фторсодержащих хладагента (ГФУ и ГФО) и четыре природных вещества (три простых углеводорода и аммиак). Для каждого вещества исследователи рассчитали удельный заряд и показатель энергоэффективности, на основании которых получили величину заправки и количество электрической энергии, необходимых для отопления одноквартирного дома в климатических условиях Западной Германии.

В качестве показателя энергоэффективности был взят сезонный коэффициент производительности SCOP, значения которого составили, соответственно: 3,71 для ГФУ-410a, 3,99 для ГФУ-32, 3,82 для ГФО-1234yf, 4,2 для пропана (R290), 4,19 для пропилена (R1270), 3,81 для изобутана (R600a) и 4,27 для аммиака (R717).

Чтобы разобраться, в чем заключается физический смысл приведенных цифр, и почему именно показатель SCOP лучше всего подходит для оценки энергоэффективности в данном случае, вспомним, что же такое энергоэффективность сама по себе, и какие существуют способы ее оценки.

Энергоэффективность

Эффективностью принято называть соотношение затраченных усилий и полученного результата: чем меньше тратится усилий при неизменном результате, тем она выше. Энергетическая эффективность (энергоэффективность) – это то же соотношение, в котором затраченные усилия выражаются в форме потребленной энергии. Стандарт ISO 50001 определяет энергоэффективность как отношение или другую количественную взаимосвязь между результатом работы, услуги, произведенными товарами или энергией и потребленной энергией, поступившей на вход.

Результат работы холодильной техники – холодопроизводительность, измеряемая в киловаттах, а затраченное усилие – входная электрическая (иногда – механическая) мощность, также выраженная в киловаттах. Соответственно, показатель энергоэффективности холодильного оборудования представляет собой безразмерную величину.

COP, EER и COSP

Чаще всего для определения энергоэффективности холодильного оборудования, систем кондиционирования воздуха и тепловых насосов используют показатель COP — коэффициент производительности или холодильный коэффициент, определяемый формулой:

COP = выходная мощность (холодопроизводительность), кВт/ входная мощность, кВт

Показатель COP рассчитывается при полной (100%) нагрузке.

Исторически холодопроизводительность для кондиционеров воздуха часто указывается в BTU/h (БТЕ/ч) — британских тепловых единицах в час, а для мощных чиллеров — в холодильных тоннах (х. т., RT). Кроме того, может использоваться и такая единица, как лошадиная сила (л. с., hp). Чтобы получить соответствующие значения в кВт, следует использовать следующие пересчетные коэффициенты:

• 1 кВт = 3412,142 BTU/h

• 1 кВт = 0,284 х. т.

• 1 кВт = 1,34 л. с.

В Европе для измерения энергоэффективности при охлаждении принято использовать аналогичный по смыслу показатель EER (Energy Efficiency Rate – показатель энергоэффективности):

EER = выходная мощность (холодопроизводительность), кВт/ входная мощность, кВт

Показатель EER рассчитывается при полной (100%) нагрузке.

COP в Европе используется для измерения энергоэффективности обогрева (режима теплового насоса) и определяется как:

COP = производительность конденсации, кВт/ входная мощность, кВт, что эквивалентно:

COP = (холодопроизводительность + входная мощность), кВт/ входная мощность, кВт

Показатель энергоэффективности EER введен Европейским комитетом изготовителей оборудования для обработки и кондиционирования воздуха EUROVENT. Номинальное значение EER определяется для одних и тех же стандартных температур испарения и конденсации, чтобы иметь возможность сравнить энергоэффективность разного оборудования.

Для измерения общей энергоэффективности установки используется показатель COSP –коэффициент производительности системы. Он учитывает все вспомогательные нагрузки, например, электродвигатели вентиляторов и насосов, а также другое оборудование, обеспечивающее функционирование системы.

Коэффициент производительности системы COSP определяется как отношение холодопроизводительности к сумме всей мощности, потребляемой системой (компрессорами, вентиляторами, насосами, устройствами управления и т. д.):

COSP = холодопроизводительность, кВт/ Σ входная мощность (компрессоры, вентиляторы, насосы, устройства управления…), кВт

SCOP, ESEER и IPLV

Показатели COP и EER отражают энергоэффективность установок при 100%-ной нагрузке, однако, как правило, холодильное оборудование бывает полностью нагружено лишь в ограниченный период времени. Степень нагрузки на системы кондиционирования и тепловые насосы в значительной степени определяется температурой наружного воздуха. В качестве показателей, более точно отражающих энергоэффективность установок при неполной нагрузке, были предложены сезонные коэффициенты SCOP и ESEER.

Европейский сезонный коэффициент энергоэффективности ESEER разработан в результате исследования изменений тепловой нагрузки зданий и режима эксплуатации зданий в Европе в течение года. По сути, ESEER является суммой коэффициентов энергоэффективности (EER) при нагрузке 100%, 75%, 50% и 25%, длящейся, соответственно 3%, 33%, 41% и 23% от общего времени работы (табл. 1).

Таблица 1. Рабочие температуры и весовые коэффициенты для расчета ESEER чиллеров с воздушным и водяным охлаждением в Европе 

Показатель ESEER рассчитывается по формуле:

ESEER = А*EER100% + В*EER75% + С*EER50% + D*EER25%,

где A, B, С и D – весовые коэффициенты, равные, соответственно 0,03, 0,33; 0,41 и 0,23.

Для определения среднегодовой эффективности тепловых насосов в Европе применяется аналогичный показатель — сезонный коэффициент производительности SCOP, методика вычисления которого описана в стандарте EN 14825.

Принцип вычисления SCOP заключается в разделении всего времени отопительного сезона на периоды («корзины») с различной температурой наружного воздуха и соответствующей тепловой нагрузкой. Для всех «корзин» определяются значения COP и складываются с учетом продолжительности каждой «корзины». Стандарт обязывает указывать SCOP для умеренного климата (A, соответствует Страсбургу), кроме того, может быть указан SCOP для зон жаркого (W, соответствует Афинам) и холодного (C, соответствует Хельсинки) климата. Продолжительность отопительного сезона для зоны А составляет 4910 часов, для W – 3590 часов, для С – 6446 часов.

Для определения SCOP тепловой насос испытывается в нескольких температурных точках. В таблице 2 представлены такие точки (температура снаружи/внутри помещения) для насоса «воздух – воздух». Аналогичные таблицы существуют для устройств «воздух – вода» и «вода (рассол) – вода».

Таблица 2. Температурные точки для теплового насоса «воздух – воздух» 

За 100%-ную нагрузку теплового насоса принимается проектная (расчетная) тепловая нагрузка, соответствующая номинальной температуре, определенной для зоны каждого климата: -10°C для умеренного, 2°C для жаркого и -22°C для холодного.

В таблице 3 приведены значения частичной нагрузки (в % от расчетного значения) для различных температурных точек и климатических зон.

Таблица 3. Частичная нагрузка для различных температурных точек 

В США для чиллеров используют схожий с ESEER показатель IPLV (интегральный показатель эффективности при неполной нагрузке), разработанный Институтом кондиционирования воздуха, систем отопления и холодоснабжения (AHRI). Аналогично ESEER, IPLV представляет собой сумму холодильных коэффициентов (COP) при нагрузке 25%, 50%, 75% и 100%, обозначающихся A, B, C, D, и рассчитывается по следующей формуле:

IPLV = 0,01A + 0,42B + 0,45C + 0,12D

Для условий эксплуатации, отличных от стандартных, используют показатель эффективности при неполной нагрузке в нестандартных условиях NPLV, вычисляемый по той же формуле.

TEWI (ОКЭП)

Аббревиатурой TEWI (или ОКЭП) обозначают общий коэффициент эквивалентного потепления, отражающий полное воздействие холодильной установки на климат в результате как прямых выбросов используемого хладагента, так и косвенных выбросов, связанных с производством потребляемой энергии.

В стандарте EN 378-1 (ГОСТ 34891.1-2022), охватывающем вопросы проектирования и использования холодильных установок, а также проблемы безопасности и герметичности систем, приведена следующая формула для расчета TEWI:

TEWI = (ПГП m L n) + ПГП m (1 – αрекуперации) + (Eгодовое β * n), где

ПГП — потенциал глобального потепления хладагента

L — утечка хладагента в год (кг)

n — срок службы установки (лет)

m — количество холодильного агента в системе (кг)

αрекуперации — коэффициент рекуперации хладагента, может принимать значения от 0 до 1

Eгодовое — энергопотребление за год (кВт⋅ч в год)

β — выбросы CO2 при производстве электроэнергии, кг/кВт⋅ч.

Если парниковые газы могут выделяться из теплоизоляции или других компонентов холодильной системы, к формуле следует добавить еще одно слагаемое:

ПГПi mi (1 – αi), где

ПГПi — потенциал глобального потепления газа, содержащегося в теплоизоляции;

mi — количество газа, содержащегося в теплоизоляции, кг;

αi — коэффициент извлечения газа из теплоизоляции после окончания срока службы, от 0 до 1.

Из формулы видно, что при использовании природных веществ с нулевым или сверхнизким ПГП в качестве хладагентов и вспенивателей в составе изоляционных материалов парниковое воздействие холодильной установки будет определяться почти исключительно ее энергопотреблением.

Что влияет на энергоэффективность холодильного оборудования

Среди основных факторов, определяющих энергоэффективность холодильной установки, можно выделить следующие:

• Температура испарения — понижение температуры испарения на 1°C ухудшает холодильный коэффициент (COP) на 1,5%—3% в зависимости от хладагента и конструкции установки.

• Температура конденсации — понижение температуры конденсации на 1°C улучшает холодильный коэффициент (COP) на 2%—3% в зависимости от хладагента.

• Перепад давления в трубопроводе и теплообменниках — потери, возникающие в результате перепада давления, компенсируются с помощью компрессоров, насосов и вентиляторов, которым из-за этого требуется больше энергии (мощности). При проектировании установки следует тщательно учитывать перепад давления в трубопроводах, вентилях, теплообменниках. Слишком маленький диаметр труб или слишком большие перепады давления теплообменника сразу сделают установку неэффективной.

• Регулирование расхода жидкостей и газов — при уменьшении расхода потребление энергии любого поточного оборудования (например, вентиляторов, насосов, центробежных компрессоров) падает в кубической зависимости.

• Система управления — адаптация к действительной тепловой нагрузке за счет управления скоростью компрессора, насосов и вентиляторов (например, с помощью инверторных преобразователей) существенно уменьшает энергопотребление.

• Эксплуатация и техническое обслуживание — регулярная очистка теплообменников от загрязнений и инея позволяет предотвратить снижение COP на 5%—15%. Неисправность вентиляторов конденсатора ведет к повышению температуры конденсации и ухудшению COP. Регулярное обслуживание и замена фильтров препятствуют росту перепада давления и, как следствие, увеличению энергопотребления. Регулярное обслуживание компрессора обеспечивает бесперебойность его работы.