Сравнительный анализ многоступенчатого испарительного охлаждения и обычных холодильных машин для охлаждающих нагрузок офисного масштаба

Почему охлаждение зданий действительно важно

По мере того как города становятся жарче, а офисы всё больше зависят от кондиционирования, охлаждение зданий незаметно превращается в один из главных факторов потребления электроэнергии и выбросов, приводящих к изменению климата. В этом исследовании ставится практический вопрос с глобальными последствиями: можно ли поддерживать комфорт в больших офисах в жаркое индийское лето и влажный сезон муссонов, потребляя при этом куда меньше электроэнергии, чем современные стандартные системы охлаждения? Авторы сосредотачиваются на сочетании хорошо знакомой рабочей лошадки — механического чиллера — с более умной формой «охлаждения воздухом с водой», чтобы сократить энергопотребление без ущерба для комфорта.

Новый взгляд на охлаждение с помощью воды

Многие знакомы с «пустынными» охладителями, которые продувают воздух через влажные матрицы. Они используют воду вместо химических хладагентов, но слабо работают во влажную погоду и не всегда обеспечивают требования комфорта в современных офисах. Команда изучала более продвинутую версию — косвенное испарительное охлаждение, где наружный воздух охлаждается, проходя рядом с влажной поверхностью, не насыщаясь дополнительной влагой. Этот предварительно охлаждённый воздух затем подаётся на обычный теплообменник с охлаждённой водой. Ключевая идея в том, что при промежуточном охлаждении воздуха с помощью воды чиллер выполняет меньшую работу и потребляет меньше электроэнергии.

Использование собственного воздуха здания в качестве помощника

Исследователи предлагают простое, но эффективное изменение: вместо того чтобы использовать переменный наружный воздух в качестве «рабочего» потока внутри косвенного охладителя, применить возвратный воздух, поступающий из офисных помещений. Этот возвратный воздух обычно более стабильный по температуре и во время работы может быть фактически холоднее наружного воздуха. Пропуская этот воздух через влажную сторону косвенного охладителя и затем удаляя его, система может отводить больше тепла из поступающего свежего воздуха. В некоторых случаях предохлаждённый воздух на выходе из установки опускается ниже обычного температурного предела, определяемого по наружному температурному конденсату (влажному термометру), что показывает: подход с возвратным воздухом выжимает дополнительное охлаждение из каждого килограмма воздуха.

Тестирование идеи в климатах Индии

Чтобы понять, является ли это лабораторным трюком или реальным решением, авторы смоделировали большое офисное здание и рассчитали подробные тепловые нагрузки для нескольких индийских городов, представляющих жарко‑сухой, тёпло‑влажный, умеренный, холодный и смешанный климаты. Они сравнили три схемы: автономный чиллер, традиционный комплект «косвенный охладитель + чиллер» и новую версию с использованием возвратного воздуха. С использованием стандартных проектных метеоданных для пикового лета и влажного сезона муссонов они отслеживали, какое охлаждение требовалось каждой системе и сколько электроэнергии потреблял бы чиллер для поддержания типичной заданной температуры внутри около 27 °C при комфортной влажности.

Сколько энергии и оборудования можно сэкономить

Результаты показывают, что даже обычная ступень косвенного испарительного охлаждения перед чиллером может сократить требуемую мощность чиллера примерно на 50–60 тонн холодильной мощности для эталонного здания. Модифицированная многоступенчатая система с возвратным воздухом идёт ещё дальше, уменьшая необходимый размер чиллера на 80–140 тонн в зависимости от города и сезона. Поскольку воздух, поступающий к охлаждающему змеевику, уже менее тёплый, чиллер работает реже и потребляет значительно меньше электроэнергии. При одинаковой потребности в охлаждении обычная комбинация чиллер + косвенный охладитель сократила потребление электроэнергии примерно на 28% по сравнению с автономным чиллером, тогда как новая система с использованием возвратного воздуха достигла порядка 35% экономии. Важно, что это более сильное улучшение сохранялось даже в влажных условиях муссона, когда традиционные испарительные охладители обычно теряют большую часть своей эффективности.

Что это значит для будущих зданий

Говоря простыми словами, исследование показывает: большие офисы и фабрики в Индии могут поддерживать комфорт для работников, потребляя примерно на треть меньше электроэнергии на охлаждение, просто перенастроив движение воздуха и воды в оборудовании, которое уже имеется. Позволив чиллеру разделить свою задачу с грамотно спроектированным водяным охладителем, который повторно использует внутренний воздух в качестве вспомогательного потока, владельцы зданий смогут устанавливать меньшие чиллеры, снижать эксплуатационные расходы и уменьшать нагрузку на энергосети во время волн жары. По мере роста спроса на охлаждение из‑за изменения климата такие гибридные системы предлагают практический и масштабируемый путь к более холодным зданиям, более бережно относящимся к кошелькам и планете.

Цитирование: Chiranjeevi, C., Sekhar, Y.R., Javith, J. et al. A comparative analysis of multi-stage evaporative cooling and conventional chillers for office-scale cooling loads. Sci Rep 16, 11244 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41650-9

Ключевые слова: испарительное охлаждение, энергопотребление зданий, гибридные системы ОВК, охлаждение офисов, климат Индии