Chłodzenie adiabatyczne budynków przemysłowych

Coraz więcej budynków przemysłowych – produkcyjnych i magazynowo-logistycznych – wymaga wysokoefektywnych systemów chłodzenia. Wiąże się to ze specyfiką procesów technologicznych czy warunkami magazynowania produktów. Wiele z nich, np. produkty wykonane z drewna, żywność, farmaceutyki, wymaga dokładnie określonych wartości temperatury i wilgotności. Zapotrzebowanie na chłodzenie związane jest także z rosnącą liczbą dni z temperaturą wyższą lub równą 30°C. W wielu krajach – w tym w Polsce – przez ostatnie 10 lat (2010–2019) liczba ta zwiększyła się trzykrotnie, a model klimatyczny CSIRO MK3.3.0 zakłada, że pod koniec stulecia będzie ok. 50 dni upalnych w roku [1].

W konwencjonalnych systemach do ochładzania powietrza wykorzystuje się systemy chłodnicze sprężarkowe, które są energochłonne. Związane jest to przede wszystkim z napędzaniem sprężarek czy zaworów, transportem chłodziwa, a także z kosztami uzupełniania czynnika w obiegach chłodniczych.

Ważną kwestią wpływającą na decyzje w zakresie klimatyzacji i chłodzenia obiektów kubaturowych jest rosnące zainteresowanie technologiami alternatywnymi wobec systemów sprężarkowych. Chodzi też o ograniczenia, jakie są nakładane na układy oparte na fluorowanych syntetycznych czynnikach chłodniczych (F-gazach) o wysokim GWP (np. R-404A). Wiąże się to ze stopniowym wycofywaniem takich czynników chłodniczych z instalacji klimatyzacyjno-chłodniczych. W Polsce zagadnienia te reguluje ustawa F-gazowa [2], odwołująca się do obowiązującego rozporządzenia UE 517/2014 [3].

Wymienione uwarunkowania wpływają na większe zainteresowanie inwestorów i projektantów systemami chłodzenia wyparnego (ewaporacyjnego), czyli opartego na zjawiskach związanych z odparowaniem wody. Po rozwiązania te sięga się przy chłodzeniu centrów danych czy budynków komercyjnych, ale przede wszystkim – budynków przemysłowych (produkcyjnych i magazynowo-logistycznych). „Chłodzenie ewaporacyjne” w obiektach przemysłowych można rozumieć dwojako – albo jako zmianę temperatury powietrza (pośrednią lub bezpośrednią, zależnie od kontaktu chłodzonego powietrza z wodą), albo jako chłodzenie płynów roboczych (np. wody technologicznej) z wykorzystaniem zjawisk ewaporacyjnych.

Działanie urządzeń ewaporacyjnych opiera się na zjawisku konwersji ciepła jawnego na utajone w procesie parowania wody. Energia jest pobierana z powietrza w procesie obniżania jego temperatury i przekazywana wodzie w procesie przechodzenia w stan gazowy. Do odparowania każdego kilograma wody z powietrza pobieranych jest 2257 kJ (0,62 kWh) energii. Jednocześnie jednak energia całkowita powietrza pozostaje niezmieniona – dlatego technika ta bywa nazywana także „chłodzeniem adiabatycznym”.

Zastosowanie wody (której ilość można optymalizować) do obniżania temperatury powietrza, skuteczność procesu, prostota układu i minimalne zużycie energii sprawiają, że metoda chłodzenia wyparnego uważana jest za funkcjonalną, ekonomiczną i przyjazną środowisku. Z punktu widzenia podmiotu korzystającego z tego rozwiązania najważniejsze są następujące korzyści:

• większa energooszczędność i mniejsza moc szczytowa (zapotrzebowanie na energię elektryczną jest mniejsze o 80–90% w porównaniu do systemów sprężarkowych);
• zapewnienie tej samej mocy chłodniczej jest ok. pięciokrotnie tańsze niż dla urządzeń sprężarkowych;
• brak syntetycznych czynników chłodniczych w układzie – rozwiązanie to jest przyszłościowe także w takim sensie, że prawo nie będzie wymuszało konieczności np. przezbrojenia układu chłodzącego;
• ograniczenie do minimum podzespołów mechanicznych podatnych na uszkodzenia i zużywających energię (występują tylko wentylatory);
• pozytywny wpływ na jakość powietrza wewnętrznego – odpowiednia wilgotność względna powietrza (RH – relative humidity) ma pozytywny wpływ na samopoczucie i produktywność pracowników (RH wynoszące 40–60%) oraz na niektóre procesy technologiczne;
• łatwość montażu urządzeń chłodzenia wyparnego w już istniejących budynkach, także w takich z ograniczoną dostępnością miejsc na instalacje;
• łatwe sterowanie bezpośrednie;
• efektywność kosztowa i szybki zwrot inwestycji;
• efekt środowiskowy – emisja CO2 jest obniżona o ok. 90% w porównaniu do systemów sprężarkowych.

Po stronie ograniczeń należy wskazać:

• zużycie wody (dla niektórych rozwiązań bardzo wysokie);
• w niektórych przypadkach (niekorzystne warunki zewnętrzne) podnoszenie wilgotności względnej powietrza do poziomu nieakceptowalnego z punktu widzenia np. procesu przemysłowego;
• ograniczenie minimalnej osiągalnej temperatury chłodzonego powietrza do:
  • temperatury termometru mokrego (układ idealny chłodzenia bezpośredniego),
  • temperatury punktu rosy (temperatury granicznej, przy której rozpoczyna się wykroplenie pary wodnej z powietrza);
• sprawność ok. 80–95% dla systemów bezpośrednich i jeszcze niższa dla systemów pośrednich – ok. 55% [4]:

gdzie:
t_ts1 – temperatura termometru suchego powietrza wlotowego, °C;
t_tm1 – temperatura termometru mokrego powietrza wlotowego, °C;
t_tm2 – temperatura termometru suchego powietrza wylotowego, °C.

Czytaj też: Wentylacja szkół – rekomendacje REHVA >>

---

Literatura

1. Gordon Hal B. et al., The CSIRO Mk3 Climate System Model, „CSIRO Atmospheric Research Technical Paper” 60, Canberra 2002.
2. Ustawa z dnia 15 maja 2015 r. o substancjach zubożających warstwę ozonową oraz o niektórych fluorowanych gazach cieplarnianych (DzU 2015, poz. 881).
3. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 517/2014 z dnia 16 kwietnia 2014 r. w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych i uchylenia rozporządzenia (WE) nr 842/2006 (Dz.Urz. UE L 150/195).
4. Rogdakis Emmanuel, Tertipis Dimitros, Maisotsenko cycle: technology overview and energy-saving potential in cooling systems, „Energy and Emission Control Technologies” 3, 2015, p. 15–22, DOI: https://doi.org/10.2147/EECT.S62995.
5. Tapple Peter (red.), Wegweiser für eine gesunde Raumluft. Die Chemie des Wohnens, Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft i Österreichisches Institut für Baubiologie und -ökologie, Wien 2009, http://www.raumluft.org/fileadmin/dokumente/wegweiser.pdf.
6. The European Evaporative Cooling Industry in a Nutshell, Eurovent Industry Monograph 9/1 – 2019, Brussels, October 2019.
7. Evaporative cooling equipment: how to evaluate and minimise the water consumption, Eurovent Recommendation 9/13 – 2019, Brussels, October 2019.
8. Górka Andrzej, Górzeński Radosław, Bezpośrednie chłodzenie wyparne budynków, „Rynek Instalacyjny” 7–8/2014, rynekinstalacyjny.pl.
9. Pandelidis Denis, Pacak Anna, Nawilżanie powietrza a zużycie energii, „Rynek Instalacyjny” 5/2018, rynekinstalacyjny.pl.
10. Sosnowski Radosław, Przykład realizacji układu chłodzenia adiabatycznego skraplaczy urządzeń chłodniczych, „Rynek Instalacyjny” 1–2/2020, rynekinstalacyjny.pl.
11. Materiały firm: Alfa Laval, ASK, Balticold, Beyond.pl, Carel, Colt, Condair, Ekonair, Hitexa, Hoval, Klingenburg, LNS, Menerga, Munters, Systemair, Swegon, Trotec.

[chłodzenie adiabatyczne, chłodzenie adiabatyczne buydnków przemysłowych, efektywność energetyczna, wentylacja, klimatyzacja, wysokoefektywne systemy chłodzenia]