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.

W procesie chłodzenia ewaporacyjnego powietrza wewnętrznego mogą zostać zastosowane dwie strategie:

• chłodzenie bezpośrednie (DEC – direct evaporative cooling) – woda odparowywana jest do powietrza, które dostarczane jest bezpośrednio do pomieszczeń. Strumień powietrza jest jednocześnie schładzany i nawilżany. Przez panele (bloki), na które woda procesowa podawana jest przez pompę wodną, przepływa krzyżowo suche i ciepłe powietrze zewnętrzne. Ciepło z powietrza zużywane jest na odparowanie wody – w powietrzu zwiększa się zawartość wilgoci, czyli wilgotność względna. Cały proces odbywa się bez doprowadzenia lub odprowadzenia dodatkowej energii (następuje tylko jej konwersja). Efektywność bezpośrednich urządzeń wyparnych jest ograniczona temperaturą termometru mokrego;
• chłodzenie pośrednie (IEC – indirect evaporative cooling) – zjawisko ewaporacji zachodzi w strumieniu pomocniczym (roboczym), który z kolei schładza przeponowo (bez kontaktu) strumień główny, czyli „właściwe” powietrze wymieniane we wnętrzu. W strumieniu pomocniczym zachodzi chłodzenie i nawilżanie ewaporacyjne. Tak przygotowany strumień chłodzi strumień główny. Strumienie oddzielone są wymiennikiem powietrze-powietrze – przeponą przewodzącą ciepło, ale nieprzepuszczalną dla wody. Dzięki temu strumień główny jest chłodzony, ale bez nawilżania. Powietrze doprowadzane do pomieszczenia nie jest więc tak wilgotne jak przy chłodzeniu bezpośrednim, ale też mniejsza jest osiągana różnica temperatury.

Obniżenie temperatury powietrza w procesie chłodzenia ewaporacyjnego zależy w dużym stopniu od warunków pogodowych. Im mniejsza wilgotność względna i temperatura powietrza zewnętrznego (wlotowego), tym większa skuteczność chłodzenia adiabatycznego. Producenci urządzeń chłodzących wyparnych podają zwykle dane w formie tabelarycznej lub graficznej, pokazując zależność temperatury wylotowej (czyli temperatury w pomieszczeniu) od temperatury i wilgotności powietrza zewnętrznego. Z ich materiałów wynika, że chłodzeniu ewaporacyjnemu najbardziej sprzyja powietrze o wilgotności RH < 30 i temperaturze ok. 30°C. Jako graniczną (górną) wartość opłacalności stosowania chłodzenia wyparnego producenci wskazują wilgotność względną powietrza zewnętrznego RH = 50%.

Klimatyzatory ewaporacyjne

Chłodzenie bezpośrednie realizowane jest przez klimatyzator wyparny (ewaporacyjny), nazywany także klimatyzatorem wodnym lub schładzaczem ewaporacyjnym. Nazwy te oddają istotę jego działania. W urządzeniu tym w procesie chłodzenia wyparnego (adiabatycznego) – czyli z wykorzystaniem odparowania wody – przygotowywane jest powietrze kierowane bezpośrednio do chłodzonego pomieszczenia.

Chłodzenie (i nawilżanie) powietrza odbywa się na panelach, nazywanych także blokami, wkładami wyparnymi lub z angielska padami (pad – płyta, panel) adiabatycznymi. Energia jawna powietrza jest przekształcana w energię utajoną pary wodnej. Powietrze po przejściu przez panel ma zatem niższą temperaturę, ale większą wilgotność.

Podstawą chłodzenia wyparnego jest proces parowania z powierzchni wody. Dlatego ważne jest, by na złożach znalazła się woda o możliwie niewielkiej objętości, ale znacznej powierzchni. Panele wykonuje się więc z materiałów higroskopijnych o rozbudowanej powierzchni czynnej, takich jak celuloza lub odpowiednie włókna polimerowe. Ważna jest nie tylko właściwa struktura paneli, ale też ich odpowiednia geometria i ustawienie (np. odpowiednie nachylenie), tak by optymalnie wykorzystać powierzchnię parowania.

Spływająca od góry woda pokrywa panele cienką warstwą. Stosuje się wodę wodociągową (niewymagającą odrębnego uzdatniania). Pompa wodna kieruje wodę najpierw do zbiornika, a następnie – przez instalację rurową – na górę paneli. Wydatek wody zależy nie tylko od wydajności chłodniczej klimatyzatora, ale także od temperatury i wilgotności powietrza zewnętrznego.

Natomiast powietrze przepływa przez panele poziomo. Napływ powietrza wlotowego (zewnętrznego) przez panele oraz nadmuch uzdatnionego powietrza do pomieszczenia wymusza wentylator – zwykle promieniowy lub osiowy z możliwością płynnej regulacji obrotów, np. przez falownik.

Instalacje chłodzenia bezpośredniego powinny być szczególnie uważnie zabezpieczone przed powstawaniem warunków sprzyjających namnażaniu bakterii Legionella, a więc przede wszystkim przed stagnacją wody. W normalnym trybie pracy nie powstają zastoiska wody, ale ryzyko pojawia się w przypadku przerw w pracy. Zbiornik powinien wówczas zostać całkowicie opróżniony z wody (np. przez zawory elektromagnetyczne umożliwiające spust automatyczny po określonym czasie przestoju).

Popularnymi rozwiązaniami technicznymi w zakresie chłodzenia ewaporacyjnego bezpośredniego są urządzenia dachowe (rooftopy) oraz pomieszczeniowe urządzenia mobilne.

Adiabatyczne chłodzenie pośrednie

W obiektach przemysłowych częściej stosowane jest chłodzenie pośrednie – w jego wyniku nie następuje wzrost wilgotności powietrza obiegowego towarzyszący chłodzeniu bezpośredniemu. Wzrost wilgotności do zalecanych wartości (rys. 1) jest korzystny dla procesów technologicznych czy samopoczucia pracowników. Jednak przekroczenie tych wartości negatywnie wpływa na produkowane czy magazynowane wyroby oraz powoduje uczucie duszności i spadek samopoczucia u osób przebywających w obiekcie.

W pośrednim chłodzeniu adiabatycznym bezpośrednio jest chłodzone (a więc także nawilżane) tylko powietrze technologiczne. W wymienniku powietrze-powietrze strumień schłodzonego ewaporacyjnie powietrza jest chłodziwem (czynnikiem chłodniczym), które obniża temperaturę właściwego powietrza wewnętrznego bez wpływu na jego wilgotność względną.

Chłodzenie ewaporacyjne z osuszaniem

Chłodzenie ewaporacyjne wykorzystywane jest m.in. w wymiennikach regeneracyjnych. Ciekawym rozwiązaniem technicznym eliminującym problem nadmiernego wzrostu wilgotności w strumieniu powietrza obiegowego jest układ chłodzenia ewaporacyjnego z osuszaniem (Desiccative Evaporative Cooling). W takim układzie oprócz wymiennika regeneracyjnego znajduje się wirnik sorpcyjny. Powietrze zewnętrzne najpierw jest osuszane (i ogrzewane wskutek oddawania wilgoci) na wirniku sorpcyjnym, a następnie chłodzone na wymienniku regeneracyjnym. Kolejnym etapem jest chłodzenie wyparne w komorze nawilżania. Taki układ technologiczny sprawia, że do pomieszczeń trafia powietrze o parametrach mieszczących się w zakresie komfortu cieplnego (rys. 1). W pomieszczeniu następuje osuszanie i ogrzewanie powietrza, więc powietrze usuwane z pomieszczenia kierowane jest na nawilżacz, gdzie następuje chłodzenie ewaporacyjne i nawilżenie. Tak przygotowane powietrze kierowane jest na wymiennik obrotowy, skąd odbiera ono energię cieplną i oddaje chłód (wymiennik regeneracyjny może następnie oddać skumulowany chłód do powietrza zewnętrznego). Opuszczając wymiennik regeneracyjny, powietrze jest ogrzewane za pomocą źródła zewnętrznego, a następnie kierowane na wirnik sorpcyjny. Odbiera z niego zmagazynowaną wilgoć – w ten sposób zachodzi desorpcja, która umożliwia regenerację wirnika.

M-obieg: efektywne chłodzenie adiabatyczne pośrednie

Za najbardziej efektywny układ pośredniego chłodzenia ewaporacyjnego uważa się obieg Maisotsenki (M-obieg). Powietrze po wejściu do wymiennika dzielone jest na dwie części:

• strumień główny (powietrze obiegowe), płynący kanałami suchymi i zachowujący stałą wilgotność względną;
• strumień pomocniczy (powietrze „technologiczne” pełniące funkcję chłodziwa), płynący przez pomocniczy kanał suchy, z którego przez perforację ścianek przepływa do kanału mokrego wypełnionego materiałem porowatym. W kanale mokrym następuje intensywne chłodzenie ewaporacyjne.

W kanałach mokrych materiał porowaty pozwala na rozprowadzenie wody dzięki siłom kapilarnym (nie są potrzebne dysze zraszające). Konstrukcja włókien umożliwia wypełnienie powierzchni kanału mokrego w sposób równomierny cienką warstwą wody. Zapewnia to wysoką efektywność procesów parowania.

Strumień pomocniczy jest chłodzony „iteracyjnie” – płynąc w kanałach suchych, ma kontakt pośredni z kanałami mokrymi, do których oddaje ciepło. W kanałach mokrych strumień jest intensywnie chłodzony w procesie odparowania, zatem zapewnia dalsze obniżanie temperatury strumienia w kanale suchym.

Tak przygotowany strumień pomocniczy kontaktuje się pośrednio w sekcji wymiany ciepła ze strumieniem głównym. Przepływając w stosunku do niego krzyżowo, odbiera od niego ciepło i jest kierowany z powrotem do pomocniczych kanałów suchych, gdzie proces chłodzenia z przechodzeniem strumienia do kanału mokrego się powtarza.

W ten sposób M-obieg łączy pracę wymiennika regeneracyjnego (chłodzenie strumienia pomocniczego przez połączenie chłodzenia ewaporacyjnego i suchego) oraz wymiennika krzyżowego (suche chłodzenie strumienia głównego w przeponowej sekcji wymiany ciepła).

M-obieg zapewnia najwyższą możliwą efektywność zarówno chłodzenia wyparnego bezpośredniego (proces parowania w kanale mokrym), jak i pośredniego (wymiana ciepła między strumieniem pomocniczym a głównym). Dzięki wykorzystaniu sprzężeń zwrotnych przy iteracyjnym chłodzeniu strumienia sprawność obiegu jest wyższa niż 105% [4]. Strumień główny uzyskuje temperaturę najbardziej zbliżoną do temperatury powietrza wylotowego uzyskiwanej w klasycznych systemach klimatyzacji.

W stosunku do klasycznego chłodzenia pośredniego M-obieg charakteryzuje większa efektywność, a jednocześnie oszczędność energii. Zapewniona jest wyższa różnica temperatury między strumieniem głównym a pomocniczym niż w przypadku klasycznego chłodzenia pośredniego. Teoretyczna minimalna temperatura powietrza wylotowego odpowiada temperaturze punktu rosy powietrza wlotowego. W praktyce osiągana jest wartość plasująca się między temperaturą termometru mokrego a temperaturą punktu rosy powietrza wlotowego.

Na efektywność M-obiegu wpływa – jak w każdym rozwiązaniu z zakresu chłodzenia ewaporacyjnego – natężenie przepływu powietrza w obiegu oraz warunki zewnętrzne (temperatura i wilgotność powietrza wlotowego).

Wieże chłodnicze

Wieże chłodnicze (chłodnie wentylatorowe) są przykładem przemysłowego chłodzenia ewaporacyjnego do schładzania płynu układowego – najczęściej wody przemysłowej.

W wieżach otwartych gorąca woda przemysłowa jest podawana przez specjalne dysze na powierzchnię wymiany ciepła, tzw. płytę mokrą, z którą zimne powietrze atmosferyczne ma bezpośredni kontakt. Wymiana ciepła może następować w przepływie krzyżowym (powietrze zewnętrzne płynie prostopadle do powierzchni wymiany) lub przeciwprądowym (powietrze płynie pionowo w górę płyty). Podczas kontaktu wody z powietrzem następuje odparowanie jej niewielkiej części (tylko z powierzchni), co zwiększa efektywność procesu chłodzenia wody przez powietrze atmosferyczne. Schłodzona woda gromadzona jest w dolnej części wieży, skąd kierowana jest ponownie do źródła ciepła i proces się powtarza.

W wieżach z zamkniętym obiegiem chłodzenia płyn układowy nie kontaktuje się bezpośrednio z powietrzem zewnętrznym. Płyn przepływa wewnątrz wężownicy stanowiącej wymiennik ciepła. Zimne powietrze zewnętrzne omywa wężownicę, dzięki czemu następuje wymiana ciepła woda–powietrze (z płynu przepływającego wewnątrz wymiennika usuwane jest ciepło). Wężownica może być dodatkowo zwilżana wodą pomocniczą, co stwarza warunki chłodzenia ewaporacyjnego powietrza zewnętrznego. Dzięki temu powietrze chłodzi płyn w wężownicy z większą efektywnością.

Porównania wież chłodniczych z agregatami chłodzonymi powietrzem dokonali autorzy projektu „Evaporative Cooling 2030” [6]. W wyniku symulacji rocznej pracy instalacji chłodniczych dla różnych profili obciążenia cieplnego, warunków klimatycznych i sposobów sterowania stwierdzono, że w skali europejskiej dzięki zastosowaniu wież chłodniczych można obniżyć emisję o 56 tys. ton CO2 rocznie. Co więcej, można uzyskać 15,5% oszczędności energii dla zastosowań przemysłowych i 16% oszczędności dla zastosowań HVAC [6].

Aspektem wskazywanym jako pewne ograniczenie wież chłodniczych jest duże zużycie wody. Eurovent opracował w tym zakresie zalecenia informujące, że oszczędności mogą przynieść rozwiązania, w których zużycie wody zależy od obciążenia cieplnego. Na tej samej zasadzie powinno być wyznaczane projektowe zużycie wody – do oszacowania ilości wody powinno się wykorzystywać zarówno profil obciążenia cieplnego, jak i statystyczne dane klimatyczne. Oszacowania Euroventu wskazują, że w klimacie podzwrotnikowym zapotrzebowanie na wodę wyznaczone z użyciem symulacji jest ok. trzykrotnie mniejsze niż zapotrzebowanie wyliczone według prostego wzoru. W klimacie umiarkowanym ciepłym zapotrzebowanie wyliczone według danych klimatycznych i profilu obciążenia cieplnego może być ok. 4,5-krotnie mniejsze niż zapotrzebowanie wyznaczone w prostym obliczeniu [7].

Pewne oszczędności eksploatacyjne, związane nie tylko z wieżami chłodniczymi, może przynieść odpowiednie opomiarowanie wody przeznaczonej do chłodzenia adiabatycznego. Jeśli ta gałąź instalacji wodociągowej wyposażona jest w odrębny wodomierz, do opłaty za wodę zużytą na te cele nie zostanie doliczona opłata za odprowadzanie ścieków.

Chłodzenie adiabatyczne uzupełniające inne układy

W układach chłodzenia powietrza czy wody chłodzenie adiabatyczne może odgrywać rolę pomocniczą lub uzupełniającą.

Pierwszą możliwością jest zastosowanie dodatkowych jednostek (modułów) w centralach wentylacyjno-klimatyzacyjnych. Moduł taki może zmniejszać temperaturę powietrza nawiewanego (chłodzenie bezpośrednie), ale też schładzać powietrze odprowadzane z pomieszczenia, co pozwala na przekazanie uzyskanego chłodu do strumienia powietrza doprowadzanego (chłodzenie pośrednie).

W rooftopach stosuje się klimatyzatory wyparne jako chłodnice pierwszego stopnia, które obniżają temperaturę powietrza zewnętrznego pełniącego funkcję powietrza pomocniczego. Jeśli w obiekcie występują maksymalne zyski ciepła, strumień powietrza kierowany jest także na wymiennik przeponowy. Przy obciążeniu częściowym wykorzystywany jest free cooling – powietrze schłodzone w klimatyzatorze wyparnym prowadzone jest by-passem omijającym chłodnicę przeponową. Powietrze pomocnicze może też zostać skierowane na skraplacz w układzie sprężarkowym, zwiększając efektywność chłodzenia tego wymiennika.

Sektorem, który chętnie sięga po rozwiązania z zakresu chłodzenia adiabatycznego do uzupełnienia systemu sprężarkowego, jest IT. W centrach danych na utrzymanie odpowiedniej temperatury i wilgotności przeznacza się ok. 40% całkowitego zużycia energii. Dzięki zastosowaniu dodatkowego chłodzenia adiabatycznego koszty energii przeznaczonej na klimatyzację centrów danych wyraźnie spadają. Jednym z pionierów światowych jest tu firma Facebook, która wykorzystała rozwiązania adiabatyczne w swoim centrum zlokalizowanym na pustyni w Oregonie, gdzie gorące i suche powietrze jest chłodzone wyparnie z dużą efektywnością. Dzięki temu uzyskano wartość wskaźnika efektywności zużycia energii (PUE – Power Usage Effectiveness) wynoszącą 1,07. W Polsce podobne rozwiązania obecne są od 2016 roku. Ze względu na warunki klimatyczne pełnią ważną funkcję uzupełniającą, przyczyniając się do zmniejszenia wskaźnika PUE do wartości 1,1.

Innym rozwiązaniem jest dodanie do układu chłodniczego chłodnicy tzw. „mokrej”, zwanej też wstępną lub adiabatyczną. Pod względem technicznym może być ona rozwiązana na kilka sposobów:

• wstępna chłodnica wyłącznie adiabatyczna (klimatyzator wyparny), w której przez wkłady ewaporacyjne zraszane wodą wodociągową (niewymagającą dodatkowego uzdatniania) przepływa powietrze zewnętrzne. Ulega ono w ten sposób chłodzeniu bezpośredniemu. W takim rozwiązaniu unika się recyrkulacji wody, dzięki czemu nie powstaje para wodna czy aerozol i zachowane są odpowiednie warunki higieniczne. Według jednego z producentów takie rozwiązanie zwiększa wydajność chłodniczą nawet o 40% w porównaniu do chłodzenia wstępnego;
• wstępna chłodnica adiabatyczna komorowa, w której rozpylana jest mgła wodna. Rozpylanie wody do postaci mgły sprawia, że zwiększa się powierzchnia odparowania. Zamknięta komora sprawia, że nie następuje odkładanie zanieczyszczeń, a zatrzymanie aerozolu zapobiega powstawaniu warunków do rozwoju bakterii Legionella;
• chłodnica wstępna lamelowa, która może pracować w trybie „mokrym” (adiabatycznym) – w tym rozwiązaniu powierzchnia wymiany ciepła jest zraszana wodą pomocniczą. Tryb ten uruchamiany jest po osiągnięciu określonej temperatury powietrza zewnętrznego. Wówczas oprócz chłodzenia „suchego” płynu układowego występuje chłodzenie adiabatyczne powietrza chłodzącego.

Można wymieniać szereg przykładów zastosowania chłodnicy wstępnej. Może ona wspomagać pracę wież chłodniczych, dry coolerów (chłodnic suchych) czy rooftopów.

W wieżach chłodniczych korzysta się z nawilżenia wężownicy lub ze wstępnego schłodzenia powietrza w klimatyzatorze wyparnym.

W dry coolerach chłodnica wstępna to zwykle klimatyzator wyparny lub komora z mgłą wodną – oba te rozwiązania w warunkach temperatury wyższej niż graniczna (charakterystyczna dla danego rozwiązania) zapewniają wstępne adiabatyczne schłodzenie strumienia powietrza zewnętrznego.

Urządzenia hybrydowe

Urządzenia hybrydowe są szczególnym przypadkiem chłodzenia płynu układowego. Ich ideą jest efektywne wykorzystanie chłodzenia wyparnego, tylko wtedy, kiedy jest ono niezbędne. Urządzenia te zawierają dwie (lub więcej) odrębne sekcje wymiany ciepła, w których zachodzi chłodzenie „suche” – powietrzem zewnętrznym oraz chłodzenie „mokre” – przy odparowaniu wody.

„Hybrydy” są rozwiązaniami o obiegu zamkniętym. Chłodzony płyn układowy przepływa w chłodnicach (wężownicach). Izolowanie płynu układowego od otoczenia zapewnia jego czystość i kontrolę warunków przepływu (np. strumień przepływu).Rozwiązania hybrydowe umożliwiają optymalne zużycie wody i energii, przełączając się na dany tryb odpowiednio do panujących warunków – wyłączając tryb, z działania którego w danym momencie nie uzyskuje się maksymalnych korzyści. Im wyższy jest punkt przejścia między trybem suchym a mokrym (temperatura, przy której uruchamiane jest chłodzenie adiabatyczne), tym mniejsze zużycie wody w skali roku. Dzięki temu rozwiązania hybrydowe mogą się okazać bardziej oszczędne niż rozwiązania pracujące wyłącznie w trybie adiabatycznym bądź tylko na sucho.

W chłodnicy hybrydowej mogą mieć miejsce następujące tryby pracy:

• połączenie trybu suchego i mokrego – chłodzenie właściwego płynu przebiega zarówno w chłodnicy wstępnej, jak i w wężownicy. Powierzchnia chłodnicy wstępnej jest dodatkowo zwilżona wodą, zachodzi więc odparowanie wody i wstępne chłodzenie powietrza. Do wężownicy przepływa płyn już wstępnie schłodzony, a także podawane jest wstępnie schłodzone powietrze – potrzeba więc mniejszego nakładu energii, by ochłodzić płyn roboczy. Takie rozwiązanie sprawia, że nawet podczas szczytowego poboru mocy zużywa się mniej wody niż w pełnym trybie adiabatycznym;
• tryb adiabatyczny (mokry) – płyn kierowany jest tylko do wężownicy (obejście chłodnicy wstępnej). Woda na chłodnicy wstępnej odparowuje, zatem powietrze jest wstępnie schłodzone, zanim dotrze do wężownicy. Ponieważ powietrze (nawet zawierające parę wodną) jest chłodniejsze, niż byłoby bez chłodzenia adiabatycznego, ograniczone jest zjawisko kondensacji pary wodnej (np. na ścianach budynków) z powietrza opuszczającego wieżę chłodniczą;
• tryb suchy – pracują obie chłodnice (wstępna i wężownica), ale na chłodnicę wstępną nie jest podawana woda. Zużycie wody jest więc zerowe. Brak wody (a tym samym pary wodnej w powietrzu) zapobiega zjawisku kondensacji pary z powietrza opuszczającego wieżę chłodniczą.

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: 
5. https://doi.org/10.2147/EECT.S62995
6. 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, 
7. http://www.raumluft.org/fileadmin/dokumente/wegweiser.pdf
8. The European Evaporative Cooling Industry in a Nutshell, Eurovent Industry Monograph 9/1 – 2019, Brussels, October 2019.
9. Evaporative cooling equipment: how to evaluate and minimise the water consumption, Eurovent Recommendation 9/13 – 2019, Brussels, October 2019.
10. Górka Andrzej, Górzeński Radosław, Bezpośrednie chłodzenie wyparne budynków, „Rynek Instalacyjny” 7–8/2014, rynekinstalacyjny.pl.
11. Pandelidis Denis, Pacak Anna, Nawilżanie powietrza a zużycie energii, „Rynek Instalacyjny” 5/2018, rynekinstalacyjny.pl.
12. Sosnowski Radosław, Przykład realizacji układu chłodzenia adiabatycznego skraplaczy urządzeń chłodniczych, „Rynek Instalacyjny” 1–2/2020, rynekinstalacyjny.pl.
13. Materiały firm: Alfa Laval, ASK, Balticold, Beyond.pl, Carel, Colt, Condair, Ekonair, Hitexa, Hoval, Klingenburg, LNS, Menerga, Munters, Systemair, Swegon, Trotec.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!