Трудно представить себе мир без охлаждения. Если бы все скоропортящиеся продукты портились естественным образом при высоких температурах, их нельзя было бы долго хранить или распределять на большие расстояния: наш рацион стал бы более локализованным, менее разнообразным и намного более трудоемким. Наша повседневная жизнь была бы омрачена размножением вредных бактерий. Исследовательские лаборатории и медицинский прогресс были бы подорваны.
Поэтому неудивительно, что на протяжении всей истории человечество стремилось найти способы снижения температуры контейнеров, используемых для хранения и транспортировки, до безопасного и гигиеничного уровня.
До тех пор, пока охлаждение включало в себя нечто большее, чем просто использование кубиков льда, оно было механическим. Идея использования насоса для создания вакуума – с целью вызвать кипение химического вещества и таким образом извлечь тепло из окружающего воздуха – была впервые продемонстрирована в восемнадцатом веке эдинбургским врачом Уильямом Калленом.
Последующие поколения ученых продолжили разработку парокомпрессионного холодильного цикла, первый рабочий прототип которого был построен американцем Джейкобом Перкинсом в 1834 году. Повторяющаяся последовательность процессов – сжатие и выпуск паров хладагента, конденсация этого пара в жидкость и охлаждение жидкости, готовой к ее испарению (фаза цикла, которая поглощает тепло из области, подлежащей охлаждению) – продемонстрировала, что эффект непрерывного охлаждения может быть создан за счет машина.
С тех пор коммерческие холодильники и морозильники, гораздо более крупные и износостойкие, чем бытовые, и часто изготовленные на заказ, стали незаменимыми для функционирования пищевой промышленности и здравоохранения; их можно найти на всех мясоперерабатывающих заводах, супермаркетах, ресторанах, фармацевтических фабриках, больницах и в автомобильные, железнодорожные и океанские перевозчики, которые перемещаются между ними.
Работа, которую должен выполнять холодильник, чтобы сохранить его содержимое охлажденным, зависит от того, насколько он полностью загружен. И, хотя система спроектирована так, чтобы функционировать на полную мощность, более 90% времени она работает ниже этого уровня, создавая значительный потенциал для неэффективного использования энергии. Если процесс каким-то образом не может быть точно настроен, он либо будет работать неоправданно усердно, либо – при простом включении и выключении – лишь грубо отразит частичную производительность, а также приведет к чрезмерному износу составных частей.
Одной из стратегий адаптации производительности системы к частичной загрузке является использование двух или более компрессоров в конструкции холодильника. Стойка с двумя компрессорами — это простой способ обеспечить столь же эффективную работу агрегата на половинной мощности, как и на полной. Три компрессора обеспечивают три различных ступени производительности – или больше, если конденсаторы разных размеров используются в разных комбинациях.
Приводы с регулируемой частотой вращения (VSD), использующие только необходимую энергию и плавно разгоняющиеся до полной мощности при средних условиях, когда это необходимо, играют более чем одну роль в коммерческих системах охлаждения: от управления компрессором до работы вентиляторов в конденсаторном блоке, которые охлаждают пары хладагента.
Подавая в операционную систему импульс обратной связи для каждого кВт-ч, привод переменного тока с регулируемой скоростью на компрессоре обеспечивает более точный контроль и регулирование потребления энергии, чем это было бы возможно в противном случае, и, даже при колебаниях уровня нагрузки, поддержание желаемой температуры более или менее в той степени.
При регулировании скорости вентиляторов конденсатора VSD непрерывно сравнивают температуру конденсации с температурой наружного воздуха и работают только в соответствии с разницей, тем самым снова оптимизируя эффективность при сохранении энергии.
В более крупных системах привод может управлять одним компрессором или вентилятором при работе на базовом уровне; затем по мере увеличения энергопотребления каскадно запускаются дополнительные агрегаты. (В таких сценариях системы могут быть сконструированы таким образом, чтобы предотвратить неравномерный износ путем поворота выбранного начального узла.)
Одним из положительных побочных эффектов роли VSD в обеспечении правильно откалиброванных уровней мощности холодильных систем является общее снижение уровня шума. Поскольку двигательная активность в целом снизилась, а вентиляторы конденсатора, в частности, теперь не работают на полную мощность, холодильники требуют меньшей звукоизоляции (или архитектурно удаленного расположения), чем раньше.
Однако выдающимся преимуществом VSD является заметное снижение общего энергопотребления, которое они обеспечивают. Благодаря уникальной математической зависимости между крутящим моментом, скоростью и мощностью, уменьшение частоты вращения вентилятора приводит к более чем равному процентному сокращению потребляемой энергии: например, уменьшение скорости на 10% приводит к экономии энергии на 30%.
Это уравнение имеет особое значение для мира коммерческого охлаждения. Недавнее британское исследование использования электроэнергии на коммерческих кухнях показало, что охлаждение является наиболее энергоемким аспектом деятельности, на долю которого приходится 41% потребляемой электроэнергии. Финансовые последствия повышения эффективности двигательного поведения в этом контексте не являются тривиальными.
Одно британское предприятие по переработке пищевых продуктов – возьмем пример из тематических исследований «Методы управления» – обнаружило, что при замене плавного пуска компрессора на привод с регулируемой частотой вращения экономия энергии составила примерно 7500 кВт*ч, что составляет примерно половину общего годового энергопотребления предприятия (или 23 400 фунтов стерлингов).
Согласно одному из отчетов, рынок коммерческого холодильного оборудования, по прогнозам, будет активно расти в течение следующего десятилетия – более чем на 5,1%. Причины выходят за рамки простого роста численности населенияt Урбанизация продолжает формировать новые структуры потребления. Продуктов питания, особенно в Индии и Китае. Широкий выбор свежих, а не консервированных поставок является предпочтительным рационом питания все большего числа потребителей. И по мере развития глобализации торговли цепочки поставок населения становятся все длиннее и сложнее.
В этих быстро меняющихся условиях, которые слишком часто характеризуются плохо скоординированными системами и неравномерными технологиями, потенциал для отходов – пищевых продуктов и энергии – остается высоким. Приводы с регулируемой скоростью — это одно из средств, с помощью которого, единица за единицей, бизнес за бизнесом, можно повысить эффективность всей системы с самого начала.
