Możliwości i ograniczenia pośredniego chłodzenia wyparnego
Obliczanie chłodzenia wyparnego
Za pomocą ogólnie dostępnych narzędzi kalkulacyjnych planiści i konstruktorzy urządzeń mogą w prosty sposób obliczyć energetyczne i ekologiczne korzyści, a także realną wydajność i pracę roczną instalacji chłodzenia wyparnego — dla każdego projektu i z dużą dokładnością.
Do tej pory chłodzenie i osuszanie ciepłego powietrza zewnętrznego do stanu odpowiedniego dla powietrza doprowadzanego odbywało się w centralnych urządzeniach HVAC za pomocą mechanicznych agregatów wody lodowej (tzw. chillerów), pracujących z wykorzystaniem syntetycznych czynników chłodniczych. Celem instalacji pośredniego chłodzenia wyparnego jest przejęcie — poprzez wykorzystywanie odparowanej wody — jak największej części zadań związanych z chłodzeniem i w ten sposób zmniejszenie wydajności uzyskiwanej z agregatów wody lodowej.
Umożliwia to ograniczenie energii elektrycznej i emisji CO2, a także zmniejszenie emisji do otoczenia uciążliwych dla środowiska czynników chłodniczych, pochodzących z urządzeń chłodzących. Dzięki temu proces chłodzenia wyparnego, stosowany do schładzania powietrza w urządzeniach HVAC, w istotny sposób przyczynia się do oszczędzania energii i ochrony środowiska.
Zasada pośredniego chłodzenia wyparnego
W przypadku pośredniego chłodzenia wyparnego odzyskane z budynku powietrze odprowadzane nawilżane jest do maksymalnego możliwego stopnia nasycenia, najbardziej zbliżonego do 100%. Na 1 gram wody pobranej z 1 kilograma powietrza uzyskuje się wówczas schłodzenie powietrza o 2,5 K. Następnie schłodzone o ok. 8–10 K powietrze wylotowe, przepływając przez układ odzyskiwania ciepła w urządzeniu HVAC, może pobrać znacznie więcej ciepła z ciepłego powietrza zewnętrznego. Dzięki temu powietrze zewnętrzne po przepłynięciu przez układ odzyskiwania ciepła w chłodnicy chillera może być w znacznie mniejszym stopniu schładzane w celu uzyskania wymaganej temperatury powietrza doprowadzanego, wynoszącej np. 19°C. Chłodzenie wyparne może w wielu przypadkach zastąpić w sezonie chłodzenia — co zostanie opisane w dalszej części tekstu — ponad 50% mechanicznej pracy w zakresie chłodzenia i spowodować znaczą oszczędność kosztów.Wydajność chłodzenia wyparnego
Wydajność chłodzenia wyparnego zależy od wielu czynników. Zaliczają się do nich m. in.następujące parametry:
Jakość nawilżania
W celu uzyskania maksymalnego chłodzenia należy nawilżyć odprowadzane powietrze do wartości najbardziej zbliżonej do 100% wilgotności względnej. Dobre systemy, na przykład „ME” firmy Condair GmbH, Garching, uzyskują wartości do 97%.Efektywność odzyskiwania ciepła
In bardziej efektywne jest odzyskiwanie ciepła w urządzeniu HVAC (efektywność odzysku ciepła φ), tym więcej ciepła może pobrać z ciepłego powietrza zewnętrznego odprowadzane powietrze, które zostało schłodzone w procesie chłodzenia wyparnego. Przy okazji pozytywny wpływ na urządzenia HVAC ma obowiązująca od 2016 r. dyrektywa ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią. Podane w niej wymagania dla urządzeń HVAC określają, w zależności od konstrukcji układu odzyskiwania ciepła, dobrą efektywność odzysku ciepła wynoszącą co najmniej 63%.
Wpływ stanu powietrza odprowadzanego
Im bardziej suche powietrze odprowadzane, tym bardziej może ono zostać nawilżone i schłodzone. W przypadku chłodzenia wyparnego powietrze odprowadzane o temperaturze między 24 a 28°C, nawilżone do względnej wilgotności powietrza wynoszącej 95%, może zostać schłodzone o ok. 9 K (wilgotność powierza odprowadzanego 30%) lub o ok. 5 K (wilgotność powierza odprowadzanego 60%). Im bardziej suche powietrze odprowadzane, tym większa jest wydajność chłodzenia wyparnego.
Wpływ stanu powietrza zewnętrznego
Im większa jest różnica pomiędzy temperaturą powietrza zewnętrznego a powietrza odprowadzanego i im lepsza jest efektywność odzysku ciepła w układzie odzyskiwania ciepła, tym więcej ciepła może pobrać zimne powietrze odprowadzane z ciepłego powietrza zewnętrznego. Jeśli temperatura powietrza odprowadzanego po schłodzeniu w procesie chłodzenia wyparnego wynosi np. 18°C, wówczas powietrze zewnętrzne o temperaturze wynoszącej 32°C może je schłodzić o wartość od 9 K (efektywność odzysku ciepła 0,65) do 11,5 K (efektywność odzysku ciepła 0,80).
Inne zalety chłodzenia wyparnego
Mechaniczne agregaty wody lodowej, stosowane do chłodzenia powietrza w urządzeniach HVAC, wymagają do uzyskania zimnej wody ok. 1 kWh energii elektrycznej na 3–4 kWh pracy chłodniczej. W Niemczech każda kWh prądu jest obciążona 0,5 kg CO2 (współczynnik mieszany prądu pochodzącego z energii jądrowej, elektrociepłowni i odnawialnych źródeł energii). W przypadku zmniejszenia zużycie energii elektrycznej chillerów przez systemy chłodzenia wyparnego, unika się również emisji CO2.
Pojawia się też dodatkowa korzyść ekologiczna. Na 3–4 kW wydajności chłodniczej agregatu wody lodowej w jego obiegu chłodzenia potrzebny jest 1 kg czynnika chłodniczego. Wypłynięcie takiej ilości czynnika chłodniczego z obiegu chłodzenia do środowiska na skutek niewielkiego wycieku jest równoważne (uwzględniając obecnie używane czynniki chłodnicze) ze skażeniem środowiska przez CO2 w ilości od 1400 do 2100 kg. Agregaty wody lodowej mają współczynnik wycieku wynoszący w przybliżeniu 4–5% napełnionej ilości na rok. Dzięki systemom chłodzenia wyparnego można zmniejszyć wymiary chillerów i eksploatować je z wykorzystaniem mniejszej ilości czynnika chłodniczego, co prowadzi również do zmniejszenie emisji czynnika chłodniczego przyczyniającej się do powstawanie efektu cieplarnianego.
W ustawie o odnawialnych źródłach energii cieplnej (EEWärmeG) traktuje się wszystkie strumienie ciepła i chłodu, przechodzące w instalacji odzyskiwania ciepła urządzenia HVAC z powietrza odprowadzanego do powietrza pobieranego, jako odnawialne źródła energii i można je bilansować zgodnie z wymogami ustawy EEWärmeG. Zalicza się do nich również pracę chłodniczą wykonywaną w procesie chłodzenia wyparnego.
Obliczanie chłodzenia wyparnego
Z doświadczeń uzyskanych na podstawie dotychczasowych wersji wynika, że obliczanie wydajności i faktycznie wykonanej pracy chłodniczej systemu chłodzenia wyparnego zależy od wielu parametrów. Jeszcze bardziej złożone są obliczenia z uwzględnieniem aspektów związanych z miejscem ustawienia, projektem i rodzajem pracy, a przede wszystkim pory roku w powiązaniu z powietrzem zewnętrznym oraz takimi jego cechami jak temperatura, wilgotność i entalpia. Wszystkie wymienione wyżej czynniki zostały uwzględnione przez firmę Condair w bardzo efektywnym i łatwym w obsłudze narzędziu kalkulacyjnym „myCoolblue”. Jest ono bezpłatnie dostępne w formie aplikacji ( www.condair.de/myCoolblue-app ) i składa się z trzech modułów:Moduł 1
obejmuje wprowadzanie lokalizacji projektu oraz wszystkich potrzebnych danych roboczych (okresy użytkowania, wartości zadane temperatury i wilgotności). W aplikacji zapisane są roczne krzywe temperatury zewnętrznej i entalpii dla 15 niemieckich regionów klimatycznych oraz ponad 300 miast na całym świecie, które można wybrać z mapy lub menu. Dane dotyczące stanów normalnych i nominalnych opierają się na VDI 4710 (korelacje t,x) oraz na danych pogodowych z normy meteorologicznej
Moduł 2
obejmuje wprowadzanie danych donoszących się do instalacji. Należą do nich: przepływ objętościowy powietrza, przewidywane wymiary urządzenia HVAC, system odzyskiwania ciepła, współczynniki sprawności i zwiększanie ciśnienia przez wentylatory, a także rozmieszczenie komponentów w urządzeniu HVAC.
Moduł 3
błyskawicznie oblicza wyniki na podstawie tych danych i wyświetla je jako wartości bezwzględne lub na wykresie. Wyniki to na przykład wymagana wydajność nominalna wytwornicy chłodu z uwzględnianiem chłodzenia wyparnego lub bez niego, roczny czas pracy chłodzenia wyparnego, a także całkowita roczna praca chłodnicza przy chłodzeniu powietrza z udziałem chillerów, chłodzenia wyparnego i odzysku ciepła (udział odnawialny). Wyniki można z kolei obliczyć dla trzech przypadków:
Przypadek 1: Symulacja roczna przy normalnym lecie (wartości średnie z 10 lat) przeciętnego oczekiwanego zysku energetycznego chłodzenia wyparnego i ocena ekonomiczności. Należy pamiętać, że wyniki stanowią wartość średnią rozpatrywanego okresu czasu i odzwierciedlają „syntetyczny” przebieg roczny.
Przypadek 2: Symulacja roczna w warunkach ekstremalnie ciepłego lata, przeznaczona do zwymiarowania chłodnicy wyparnej i wytwornicy wody lodowej, w celu pokrycia maksymalnego możliwego zapotrzebowania na chłodzenie. W tym przypadku wybierany jest jeden rok z obserwowanego okresu czasu, w którym zanotowano wyjątkowo wysokie wartości temperatury w lecie. Tym samym odpowiada on oczekiwanym wartościom maksymalnym, które powinny zostać uwzględnione przy precyzyjnych wymaganiach.
Przypadek 3: Tylko wymiarowanie wydajności przy standardowych wymaganiach zewnętrznych wg VDI 4710 lub porównywalnych stanach nominalnych na podstawie danych pogodowych zawartych w normie meteorologicznej, ale bez symulacji rocznej. Przy wynikach wyświetlany jest też wskaźnik pracy rocznej. Wynika on ze stosunku pracy chłodniczej wykonanej w procesie chłodzenia wyparnego do pracy pompy tłoczącej wodę wyparną oraz pracy wentylatora, wykonanej w celu pokonania straty ciśnienia po stronie powietrznej w systemie chłodzenia wyparnego. Dane zostają zapisane w pliku PDF, który może zostać wydrukowany na potrzeby projektu lub wysłany pocztą elektroniczną.
Za pomocą tej aplikacji można też w ciągu kilku sekund wykonać obliczenia i prezentacje kilku wariantów, np. zmian przepływu objętościowego powietrza, temperatury, sposobu odzyskiwania ciepła, stopnia sprawności wentylatora, rozmieszczenia komponentów w urządzeniu HVAC, maksymalnej wilgotności w pomieszczeniu lub w danej lokalizacji. Dzięki temu wyniki symulacji, wykonanej za pomocą opisanej tutaj aplikacji, stanowią optymalną podstawę do realistycznego obliczania oraz szacowania różnych potencjałów i wydajności chłodzenia wyparnego dla poszczególnych projektów.
Przykładowe obliczenia
Poniżej przedstawiono kilka przykładowych obliczeń, wykonanych za pomocą aplikacji „myCoolblue”, w celu oszacowania potencjału oszczędnościowego w procesie chłodzenia wyparnego. W związku z tym przyjęto następujące warunki robocze dla projektu wzorcowego (budynek biurowy):
• Przepływ objętościowy powietrza 27 000 m³/h (= 7,5 m³/s)
• Przekrój poprzeczny urządzenia szer. 2250 x wys. 1750 mm
• Prędkość powietrza 1,9 m/s
• Temperatura powietrza doprowadzanego 18–20°C
• Zadana temperatura w pomieszczeniu / kompensacja letnia 22–26°C
• Maks. wilgotność powietrza w pomieszczeniu 65%
• Efektywność odzysku ciepła 70%
• Praca instalacji HVAC 12 godz./dobę, 5 dni/tydzień (= 3120 h/instalację)
W celu porównania wydajności chłodzenia wyparnego projekt jest pozycjonowany w różnych miejscach w Niemczech i zagranicą, w których panuje gorący, chłodny, wilgotny i suchy klimat. Zmiany lokalizacji i obliczanie wyników trwa zaledwie kilka sekund dzięki wykorzystaniu aplikacji. Wartości w tabeli 1 pokazują kilka ważnych tendencji dla chłodzenia wyparnego. W miejscach o umiarkowanych warunkach klimatycznych (Mannheim, Poczdam, Essen, Rostock) w procesie chłodzenia wyparnego uzyskuje się podczas chłodzenia powietrza od 44 do 51% wymaganej pracy chłodniczej w ciągu roku. W chłodniejszym Fichtelbergu procentowy udział wynoszący 78% jest wprawdzie większy, ale bezwzględna wartość potrzebnej ogółem pracy chłodniczej jest bardzo mała.
W miejscach o gorącym, ale suchym klimacie (Madryt, Riyadh, Las Vegas), uzyskuje się w procesie chłodzenia wyparnego wartości od 52 do 75% rocznej pracy chłodniczej — przy wysokich i bardzo wysokich wskaźnikach pracy rocznej! Ten trend zmniejsza się jednak w przypadku bardziej wilgotnych lokalizacji (Chicago, Colombo): udział chłodzenia wyparnego w rocznej pracy chłodniczej wynosi w tych przypadkach jedynie od 10 do 29%. Należy jednak zauważyć, że chłodzenie wyparne w tropikalnych miejscach, takich jak Colombo, odbywa się przez cały rok.
Instalacja chłodzenia wyparnego przejmuje tutaj na siebie zadanie wstępnego schładzania powietrza zewnętrznego. Aby przygotować powietrze zewnętrzne do uzyskania odpowiedniej wilgotności i temperatury dla powietrza doprowadzanego (szczególnie osuszanie!), mechaniczne urządzenia chłodzące muszą posiadać dużą wydajność uzyskiwaną przy niskiej temperaturze na zasilaniu wodą.
Ekonomiczność chłodzenia wyparnego
Dużą rolę w stosowaniu instalacji pośredniego chłodzenia wyparnego — oprócz ekologicznych zalet takiego rozwiązania chłodniczego — odgrywa również jej ekonomiczność. Dodatkowe koszty związane z jej pozyskaniem powinny zostać skompensowane poprzez oszczędności uzyskane na skutek zmniejszenia kosztów eksploatacji w porównaniu z wytwarzaniem chłodu w sposób mechaniczny.
Ze względu na objaśnione wyżej czynniki, specyficzne dla poszczególnych lokalizacji i sposobu pracy urządzeń, każdy projekt w zakresie klimatyzacji i chłodzenia należy indywidualnie przeanalizować pod kątem ekonomiczności instalacji chłodzenia wyparnego. Ponadto, ważną rolę w każdym projekcie, poza wspomnianymi wyżej parametrami, odgrywają również faktyczne koszty energii elektrycznej i wody. Zasadniczo nie należy jednak rozpatrywać instalacji chłodzenia wyparnego samodzielnie, ale w postaci połączonego systemu, uwzględniającego odzyskiwanie ciepła. Bez niego nie da się bowiem fizycznie stosować pośredniego procesu chłodzenia wyparnego.
Ze względu na objaśnione wyżej czynniki, specyficzne dla poszczególnych lokalizacji i sposobu pracy urządzeń, każdy projekt w zakresie klimatyzacji i chłodzenia należy indywidualnie przeanalizować pod kątem ekonomiczności instalacji chłodzenia wyparnego. Ponadto, ważną rolę w każdym projekcie, poza wspomnianymi wyżej parametrami, odgrywają również faktyczne koszty energii elektrycznej i wody. Zasadniczo nie należy jednak rozpatrywać instalacji chłodzenia wyparnego samodzielnie, ale w postaci połączonego systemu, uwzględniającego odzyskiwanie ciepła. Bez niego nie da się bowiem fizycznie stosować pośredniego procesu chłodzenia wyparnego.
Podsumowanie
Technika chłodzenia wyparnego oferuje znaczny potencjał w wielu rodzajach zastosowań, polegający na zmniejszeniu mocy, pobieranej przez elektryczne agregaty wody lodowej, będące do tej pory praktycznie jednym sposobem chłodzenia powietrza. Na skutek odparowania wody ze strumienia odprowadzanego powietrza w urządzeniu HVAC wytwarzana jest moc chłodnicza praktycznie bez wykorzystania energii elektrycznej. Można doskonale wykorzystać potencjał energetyczny pośredniego chłodzenia wyparnego, gdy spełnione są następujące warunki:
• wysoki stopień sprawności nawilżania w instalacji chłodzenia wyparnego,
• duża efektywność odzysku ciepła,
• mała wilgotność powietrza odprowadzanego,
• lokalizacje o gorącym i suchym lecie.
Instalacja chłodzenia wyparnego nie jest jednak w stanie przejąć chłodzenia całego budynku. Tylko w nielicznych projektach, np. w miejscach o chłodnym klimacie w lecie, może ona całkowicie zastąpić chłodzenie wodą. W związku z tym chłodzenie wyparne należy traktować przede wszystkim jako „podstawowy system ekologiczny do wstępnego schładzania powietrza zewnętrznego”.
Pozostałą część mocy chłodniczej i szczytowego zapotrzebowania na chłodzenie pokryje wówczas mniejszy, a przez to korzystniejszy chiller. Jednak dzięki chłodzeniu wyparnemu można uzyskać duże oszczędności w przypadku prawie wszystkich projektów dotyczących tradycyjnie uzyskiwanej pracy chłodniczej.
Pozostałą część mocy chłodniczej i szczytowego zapotrzebowania na chłodzenie pokryje wówczas mniejszy, a przez to korzystniejszy chiller. Jednak dzięki chłodzeniu wyparnemu można uzyskać duże oszczędności w przypadku prawie wszystkich projektów dotyczących tradycyjnie uzyskiwanej pracy chłodniczej.
Frank Benndorf, Regionalne Centrum Dystrybucji, Zachód