Jak działa chłodzenie adiabatyczne / chłodzenie wyparne?

1. Czynniki wpływające na osiągalny efekt chłodzenia

W przypadku pośredniego chłodzenia wyparnego parowanie wody odbywa się po stronie powietrza wywiewanego w urządzeniu wentylacyjnym, dzięki czemu ciepłe powietrze zewnętrzne jest schładzane poprzez następujący po nim proces Odzysku ciepła. Osiągalne schłodzenie powietrza zewnętrznego zależy zatem od ilości wody odparowanej po stronie powietrza wywiewanego oraz od konstrukcji i sprawności zastosowanego systemu Odzysku ciepła. Powietrze wywiewane może być przy tym nawilżane niemal do stanu nasycenia, bez powodowania wzrostu wilgotności w powietrzu nawiewanym.

Oprócz prędkości przepływu powietrza przez chłodnicę wyparną, ilość odparowanej wody, a tym samym osiągnięte schłodzenie, zależy od stanu powietrza, z jakim powietrze wywiewane wpływa do chłodnicy wyparnej.

Decydujące znaczenie mają przy tym:

• temperatura powietrza przed Odparowaniem: im jest ona niższa, tym mniej wilgoci może ono wchłonąć i tym mniejszy jest efekt chłodzenia
• wilgotność powietrza przed Odparowaniem: Im więcej wody zawiera już powietrze, tym mniej wilgoci może wchłonąć i tym mniejszy jest uzyskany spadek temperatury

Teoretyczną granicę chłodzenia wyparnego osiąga się przy całkowitym nasyceniu powietrza wodą – czyli przy wilgotności względnej wynoszącej 100%. W systemach wentylacji realistyczne jest, przy ekonomicznie uzasadnionych nakładach, podwyższenie wilgotności do wartości od 92 do 95%, w zależności od typu zastosowanej chłodnicy wyparnej.

2. Oszczędność energii dzięki pośredniemu chłodzeniu wyparnemu w Systemie wentylacji

Zapotrzebowanie budynku na energię chłodniczą jawową zależy głównie od promieniowania słonecznego oraz wewnętrznych obciążeń cieplnych generowanych przez osoby, urządzenia i systemy oświetleniowe. Aby utrzymać dopuszczalną wilgotność powietrza w pomieszczeniach, w zależności od stanu powietrza zewnętrznego i wewnętrznych źródeł wilgoci, potrzebna jest dodatkowo energia chłodnicza utajona.

Chłodzenie wyparne pośrednie nadaje się do chłodzenia czuczyowego powietrza nawiewanego. Chłodzenie utajone wymagane dodatkowo do osuszania lub chłodzenie czuczyowe wykraczające poza potencjał chłodzenia wyparnego musi nadal odbywać się za pomocą mechanicznego, ale odpowiednio mniejszej mocy agregatu chłodniczego. Przy odpowiedniej koncepcji instalacji chłodzenie wyparne pośrednie pozwala zaoszczędzić znacznie więcej energii elektrycznej potrzebnej do napędu mechanicznego agregatu chłodniczego niż energia wymagana do pokonania dodatkowego spadku ciśnienia po stronie powietrza spowodowanego przez wentylator wywiewny.

Jeśli już na etapie projektowania chce się ustalić, ile energii można odzyskać i faktycznie zaoszczędzić dzięki pośredniemu chłodzeniu wyparnemu, należy to określić za pomocą symulacji pracy Systemu wentylacji w danej lokalizacji budynku. W symulacji tej należy uwzględnić wszystkie warunki powietrza zewnętrznego występujące w ciągu roku, a także istotne parametry projektowe Systemu wentylacji.

3. Przykład obliczeniowy dla symulowanego Systemu wentylacji

Symulacja Systemu wentylacji z pośrednim chłodzeniem wyparnym. Wkład energetyczny pośredniego chłodzenia wyparnego (chłodzenie adiabatyczne) zostanie teraz przedstawiony na podstawie przykładowej symulacji dla budynku modelowego. Oznacza to, że na podstawie danych meteorologicznych dla danej lokalizacji oblicza się, jaka jest faktyczna całkowita praca chłodnicza wymagana do schłodzenia budynku modelowego oraz jaki wkład wnosi w nią chłodzenie wyparne pośrednie w ciągu roku. Wyniki te mogą następnie służyć jako realistyczna podstawa do prawidłowego doboru wielkości instalacji oraz oceny opłacalności tego środka zwiększającego efektywność energetyczną w ramach projektowania instalacji.

Przyjęto następujące dodatkowe parametry projektowe istotne dla symulacji instalacji:

Natężenie przepływu powietrza w centrali wentylacyjnej: 52 500 m³/h

Liczba dni użytkowania w tygodniu: 7 dni

Godzina rozpoczęcia codziennej eksploatacji: 6:00

Przyrost wilgotności w pomieszczeniu: 1,0 g/kg

Minimalna/maksymalna wilgotność powietrza w pomieszczeniu: 40/65% w.p.

Różnica temperatur przełączania chłodzenia wyparnego: 1,0 K

Sprawność nawilżania: 94%

Sprawność Odzysku ciepła: 0,75

Łączny roczny wkład energetyczny uzyskuje się poprzez zsumowanie poszczególnych wyników ustalonych w symulacji dla każdej godziny w roku. Obliczenia opierają się na statystycznych danych lokalizacyjnych pochodzących z globalnej bazy danych meteorologicznych Meteonorm w wersji 6.1 dla 5 lokalizacji: Berlina, Monachium, Stuttgartu, Wiednia i Bregencji.

Berlin:

Qₖ (32°C, 40% wilgotności względnej): 321 kW | Czas działania: 912 h/rok | Qₖ, ogółem: 560 kW | Qₖ, mechaniczne: 351 kW | Qₖ, parowanie + z odzyskiem ciepła: 209 kW | Wₖ, ogółem: 120 098 kWh/rok | Wₖ, mechaniczne: 53 887 kWh/rok | Wₖ, parowe: 56 479 kWh/rok | Wₖ, z odzyskiem ciepła: 9 733 kWh/rok | Reg: 55,1 %

Monachium:

Qₖ (32°C, 40% wilgotności względnej): 321 kW | Czas działania: 758 h/a | Qₖ, ogółem: 371 kW | Qₖ, mechaniczne: 269 kW | Qₖ, odparowanie + z odzyskiem ciepła: 102 kW | Wₖ, ogółem: 93 628 kWh/rok | Wₖ, mechaniczne: 44 849 kWh/rok | Wₖ, parowe: 42 871 kWh/rok | Wₖ, z odzyskiem ciepła: 5 909 kWh/rok | Reg: 52,1 %

Stuttgart:

Qₖ (32°C, 40% wilgotności względnej): 321 kW | Czas działania: 1 127 h/a | Qₖ, ogółem: 486 kW | Qₖ, mechaniczne: 289 kW | Qₖ, odparowanie + z odzyskiem ciepła: 197 kW | Wₖ, ogółem: 154 993 kWh/rok | Wₖ, mechaniczne: 67 192 kWh/rok | Wₖ, parowe: 72 132 kWh/rok | Wₖ, z odzyskiem ciepła: 15 669 kWh/a | Wydajność: 56,6 %

Wiedeń:

Qₖ (32°C, 40% wilgotności względnej): 321 kW | Czas działania: 1 213 h/a | Qₖ, ogółem: 598 kW | Qₖ, mechaniczne: 416 kW | Qₖ, parowe + z odzyskiem ciepła: 182 kW | Wₖ, ogółem: 184 584 kWh/rok | Wₖ, mechaniczne: 96 235 kWh/rok | Wₖ, parowe: 72 873 kWh/rok | Wₖ, z odzyskiem ciepła: 15 477 kWh/rok | Reg: 47,9 %

Bregenz:

Qₖ (32°C, 40% wilgotności względnej): 321 kW | Czas działania: 727 h/a | Qₖ, ogółem: 538 kW | Qₖ, mechaniczne: 364 kW | Qₖ, odparowanie + odzysk ciepła: 174 kW | Wₖ, ogółem: 111 707 kWh/rok | Wₖ, mechaniczne: 66 994 kWh/rok | Wₖ, parowanie: 38 741 kWh/a | Wₖ, odzysk ciepła: 5 972 kWh/a | Reg: 40,0 %

Wyniki symulacji odnoszą się do przykładowego Systemu wentylacji w 5 wybranych lokalizacjach. Wkład energetyczny pośredniego chłodzenia wyparnego znacznie zmniejsza moc chłodniczą, jaką musi dostarczyć mechaniczna chłodziarka w celu schłodzenia budynku.

QK (32°C, 40% wilgotności względnej): Całkowita moc chłodnicza przy standardowych warunkach powietrza zewnętrznego

QK, ges*: Całkowita moc chłodnicza (wartość ekstremalna)

QK, mechaniczna*: Mechaniczna wydajność chłodnicza (wartość ekstremalna)

QK, parowanie i WRG*: Regeneracyjna wydajność chłodnicza (wartość ekstremalna)

WK, ogółem: Całkowita roczna energia chłodnicza (wartość średnia)

WK, mechaniczna: Udział energetyczny mechanicznego wytwarzania chłodu (wartość średnia)

WK, parowanie: Udział energetyczny pośredniego chłodzenia wyparnego (wartość średnia)

WK, WRG: Wkład energetyczny Odzysku ciepła (wartość średnia)

ηReg: Udział energii odnawialnej (wartość średnia)

Jak pokazuje symulacja, pośrednie chłodzenie wyparne zapewnia znaczny wkład energii odnawialnej. Przy pozostałych parametrach instalacji niezmienionych, dane pogodowe dla wybranych lokalizacji powodują wyraźne różnice. W regionach o wyższej wilgotności powietrza zewnętrznego, gdzie konieczne jest większe osuszanie, udział energetyczny tego procesu jest proporcjonalnie mniejszy. Wyraźnie widać to w Bregencji, na której klimat ma wpływ bezpośrednie położenie na wschodnim brzegu Jeziora Bodeńskiego. Całkowity udział energii odnawialnej wynika z sumy wkładów energetycznych chłodzenia wyparnego pośredniego oraz Odzysku ciepła. W wybranych lokalizacjach budynków wynosi on od 40 do 56,6% całkowitej rocznej energii chłodniczej, jaką należy dostarczyć.

Kwestia opłacalności

Największą przeszkodą w praktycznym wykorzystaniu energii odnawialnych jest opłacalność. Środki zwiększające efektywność, takie jak pośrednie chłodzenie wyparne (chłodzenie adiabatyczne), muszą się opłacać. Dodatkowe koszty inwestycyjne muszą zostać zrekompensowane przez oszczędności uzyskane podczas eksploatacji. Bilans ten należy sporządzić dla każdego budynku z osobna. Wiarygodna symulacja instalacji uwidacznia zależności i umożliwia realistyczne porównanie z konwencjonalnymi metodami chłodzenia budynków.