Free cooling (cz. 2)

Rozwiązania free coolingu bezpośredniego

Metoda free coolingu bezpośredniego w agregatach chłodniczych to rozwiązanie polegające, jak sama nazwa wskazuje, na bezpośrednim schłodzeniu wody ziębniczej na wymienniku free coolingu z wykorzystaniem naturalnych pokładów chłodu zawartych w powietrzu zewnętrznym. Obecnie na rynku najpopularniejsze są dwa rozwiązania.

Pierwsze wykorzystuje trójdrogowy zawór regulacyjny oraz dodatkowy wymiennik free coolera montowany przed skraplaczem sprężarkowego agregatu chłodniczego, a drugie polega na wykorzystaniu dry coolera w sprężarkowym agregacie ziębniczym, który ponadto pełni funkcję free coolera w okresie zimowym.

Wykorzystanie trójdrogowego zaworu regulacyjnego i dodatkowego wymiennika free coolera

W tradycyjnym rozwiązaniu dodatkowy wymiennik free coolingu jest montowany przed skraplaczem, a trójdrogowy zawór regulacyjny umieszczony przed parowaczem sprężarkowego układu chłodniczego. Dodatkowy wymiennik free coolingu powoduje zwiększone opory na drodze przepływu powietrza i cieczy oziębianej, podobnie zwiększone opory pojawią się na drodze przepływu cieczy przez dodatkowy zawór trójdrogowy. Z uwagi na możliwość zamarznięcia wody konieczne jest zastosowanie domieszek glikolu w celu obniżenia temperatury krzepnięcia cieczy oziębianej.

W tego typu układzie rozróżnić można umownie trzy zasadnicze okresy pracy: letni, przejściowy oraz zimowy. Jako okres letni rozumie się okres, w którym temperatura powietrza zewnętrznego jest wyższa lub równa temperaturze wody na powrocie z instalacji (na wlocie do agregatu). Funkcja free coolingu pozostaje wtedy wyłączona.

Proces free coolingu rozpoczyna się w okresie przejściowym, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest o około jeden stopień niższa od temperatury wody ziębniczej na powrocie z instalacji. Wentylatory przy sekcji skraplacza załączają się na maksymalną prędkość obrotową, tak by z powietrza zewnętrznego uzyskać jak największe pokłady naturalnego chłodu.

Ponieważ temperatura powietrza zewnętrznego jest zbyt wysoka, by uzyskać zadaną temperaturę wody na wyjściu z agregatu tylko z wykorzystaniem wymiennika free coolingu, dodatkowe schłodzenie wody do żądanej temperatury odbywa się z wykorzystaniem sprężarkowego układu chłodniczego. Problematyczne przechłodzenie powierzchni skraplacza w okresie przejściowym, spowodowane wymuszoną pracą wentylatorów z pełną prędkością obrotową, jest rozwiązane poprzez asymetryczny podział powierzchni sekcji skraplacza.

Zmniejszenie powierzchni wymiany ciepła powoduje podniesienie temperatury skraplania w układzie chłodniczym do wartości gwarantujących poprawne i stabilne warunki pracy załączanego układu chłodniczego.

W okresie zimowym, gdy temperatura powietrza zewnętrznego pozwala na uzyskanie z wymiennika free coolingu 100% wydajności znamionowej agregatu, woda ziębnicza osiąga zadaną temperaturę przy całkowicie wyłączonym układzie chłodniczym (sprężarki pozostają wyłączone). Temperatura powietrza zewnętrznego, przy której wymiennik free coolingu osiąga 100% wydajności ziębienia agregatu, zależy od producenta, konstrukcji agregatu oraz temperatury wody ziębniczej w instalacji.

Szacunkowo można przyjąć, że temperatura ta jest mniejsza o ok. 16–20°C (zależnie od konstrukcji agregatu) od temperatury wody ziębniczej na powrocie z instalacji (na wlocie do agregatu).

W miarę obniżania się temperatury powietrza zewnętrznego wydajność wymiennika zwiększa się, co może powodować przechłodzenie wody poniżej zadanej temperatury. Logika sterowania polega na zmniejszaniu obrotów wentylatorów aż do ich całkowitego wyłączenia. Dalsze obniżanie się temperatury powietrza atmosferycznego powoduje przestawienie zaworu trójdrogowego i regulację ilościową na wymienniku free coolingu. Przepływ przez wymiennik free coolingu jest zmniejszany i kierowany do parowacza wyłączonego układu chłodniczego, tak by zadana temperatura wody na wyjściu pozostała utrzymana.

Z punktu widzenia energochłonności agregatu i możliwości funkcji free coolingu można zaobserwować charakterystyczne punkty pracy:

• proces free coolingu rozpoczyna się przy temperaturze powietrza zewnętrznego mniejszej o 1 lub 2°C od temperatury wody na powrocie (dla parametrów wody ziębniczej 12/7°C start free coolingu rozpoczyna się przy temperaturze zewnętrznej 11 lub 10°C, zależnie od konstrukcji agregatu),
• w zakresie pomiędzy temperaturą powietrza zewnętrznego o jeden lub dwa stopnie niższą od temperatury powrotu cieczy z instalacji a temperaturą otoczenia, przy której wymiennik free coolingu osiąga 100% mocy chłodniczej, płynnie zwiększa się udział wydajności free coolingu przy stopniowym wyłączaniu się poszczególnych stopni układu chłodniczego (sprężarek),
• osiągnięcie 100-proc. wydajności chłodniczej odpowiada temperaturze powietrza zewnętrznego o ok. 16 do 20°C niższej od temperatury powrotu wody ziębniczej z instalacji (dla parametrów 12/7°C wartość ta wynosi od –4 do –8°C w zależności od konstrukcji agregatu).

Wykorzystanie dry coolera w sprężarkowym agregacie ziębniczym

Ten typ free coolingu wykorzystywany jest w agregatach ze skraplaczem chłodzonym cieczą współpracujących z dry coolerem. Dry cooler pełni w takich układach w okresie letnim funkcję urządzenia odprowadzającego ciepło od wody chłodzącej skraplacz agregatu chłodniczego, w związku z czym parametry pracy dry coolera wynikają z przyjętej obliczeniowej temperatury powietrza zewnętrznego.

Temperatura wody na dry coolerze powinna być w takim przypadku wyższa od temperatury powietrza zewnętrznego, tak by możliwe było przekazywanie ciepła z dry coolera do powietrza atmosferycznego. Przy najczęściej przyjmowanej obliczeniowej temperaturze powietrza zewnętrznego od 30 do 35°C temperatura wody na dry coolerze wynosi od 45/40 do 50/45°C.

Analizując pracę i parametry dry coolera, można zauważyć, że dla założonych parametrów wody ziębniczej na parowaczu agregatu (np. 12/7°C) jego wydajność chłodnicza zmienia się wraz z temperaturą powietrza zewnętrznego. Przy określonej temperaturze powietrza zewnętrznego wydajność dry coolera będzie odpowiadać wydajności ziębniczej agregatu chłodniczego.

Jeżeli istnieje potrzeba doprowadzenia w takich warunkach chłodu do systemu, zastosowanie sprężarkowego układu chłodniczego o dużym poborze mocy elektrycznej przez sprężarki jest nieuzasadnione. Układ może przełączyć się na tryb free coolingu, pobierając dużo mniejszą moc elektryczną (tylko przez wentylatory) w stosunku do załączonego układu sprężarkowego o dużo większym poborze (koniecznym do napędu sprężarek).

Wentylatory kontrolują temperaturę wody na wylocie przy wyłączonym sprężarkowym układzie chłodniczym. Jak wynika z analizy przeprowadzonej przez autora, jeżeli dry cooler zostanie dobrany tylko do mocy chłodniczej i parametrów wynikających z potrzeby odprowadzenia ciepła ze skraplacza agregatu chłodniczego, temperatura powietrza zewnętrznego, przy której dry cooler mógłby się załączyć w trybie free coolera, jest na tyle niska, że oszczędności energetyczne nie będą zadowalające.

Uzasadnione jest zatem przewymiarowanie powierzchni dry coolera lub też dobór dry coolera dla parametrów pracy w trybie free coolingu (z weryfikacją parametrów pracy dry coolera w okresie letnim).

Przewymiarowanie powierzchni dry coolera lub też jego dobór na potrzeby pracy jako free coolera powoduje konieczność sprawdzenia dwóch warunków: pierwszy wynika ze zmiany przepływów dla dwóch różnych trybów pracy i prawdopodobieństwa zmniejszenia liczby Reynoldsa poniżej wartości dopuszczalnych, drugi związany jest z ograniczeniem przepływu przez dry cooler wynikającym z ewentualnego wykorzystania tej samej pompy cyrkulacyjnej do pracy dry coolera i free coolera.

W rozwiązaniu tego typu należy przeanalizować fakt, że moment przełączania układu z trybu dry coolera na free cooler i odwrotnie nie jest korzystny dla instalacji. Następuje nagła zmiana parametrów pracy instalacji, co powoduje wahania temperatury wywołane bezpośrednio zmianą parametrów pracy dry coolera lub dłuższym postojem związanym z wyregulowaniem temperatur w instalacji. Nie do pominięcia jest fakt, że w tradycyjnych rozwiązaniach tego typu nie jest możliwa jednoczesna praca dry coolera jako urządzenia odprowadzającego ciepło z dry coolera oraz free coolera.

W związku z tym niemożliwa jest jednoczesna praca sprężarkowego agregatu chłodniczego oraz układu free coolingu w tym samym czasie. Powoduje to, że układ free coolingu zostaje załączany z dużym opóźnieniem w stosunku do np. rozwiązania z trójdrogowym zaworem regulacyjnym i dodatkowym wymiennikiem free coolera.

Im „później” zostaje załączony układ free coolingu, tym mniejsza pozostaje możliwa liczba godzin pracy w sezonie związana z wykorzystaniem darmowego źródła chłodu. Przenosi się to na różnice w oszczędnościach energii elektrycznej. Z punktu widzenia pracy układu free coolingu dla tego rozwiązania można zauważyć, że:

• w tego typu rozwiązaniach (brak możliwości jednoczesnej pracy suchej chłodnicy jako dry coolera i free coolera) dry cooler pracuje jako urządzenie odprowadzające ciepło ze sprężarkowego agregatu chłodniczego aż do momentu osiągnięcia dla zadanych parametrów wody ziębniczej 100% mocy chłodniczej agregatu,
• aby dry cooler mógł pracować jako free cooler, często konieczne staje się jego przewymiarowanie w stosunku do dry coolera wymiarowanego tylko na potrzeby odprowadzenia ciepła z agregatu,
• temperatura zewnętrzna, przy której wymiennik free coolingu osiąga pełną wydajność ziębniczą, jest zależna od powierzchni wymiany ciepła wymiennika free coolera, temperatur czynników uczestniczących w procesie wymiany ciepła itp. Każdorazowo przy wymiarowaniu free coolera konieczne staje się określenie temperatury zewnętrznej, przy której układ ma się przełączyć na tryb free coolingu,
• w zakresie występowania temperatur zewnętrznych, od maksymalnych do temperatury odpowiadającej punktowi przełączania układu na free cooling, pracuje sprężarkowy układ chłodniczy (dry cooler odprowadza ciepło z agregatu). Poniżej tej temperatury układ przełącza się na tryb free coolingu. Rozpatrywane są zatem dwa umowne okresy pracy: letni i zimowy,
• z uwagi na brak możliwości pracy w umownym okresie przejściowym przewidywane są straty energetyczne związane z pracą układu sprężarkowego zamiast układu free coolingu, w odniesieniu do rozwiązań umożliwiających pracę free coolingu w tym okresie. Porównanie analityczne obu metod free coolingu bezpośredniego

Porównanie analityczne obu metod free coolingu bezpośredniego

Rozwiązanie free coolingu w postaci trójdrogowego zaworu regulacyjnego i dodatkowego wymiennika free coolingu zostało skonfrontowane z rozwiązaniem free coolingu w postaci agregatu ze skraplaczem chłodzonym cieczą z dry coolerem pełniącym w okresie letnim funkcję urządzenia odbierającego ciepło od skraplacza, a w okresie zimowym funkcję free coolera.

W obydwu przypadkach mamy zatem do czynienia z rozwiązaniami free coolingu bezpośredniego. Różnią się one tym, że analizowane rozwiązanie z dry coolerem nie pozwala na równoległą pracę free coolingu i sprężarkowego układu chłodniczego. Start procesu free coolingu rozpoczyna się z dużym opóźnieniem w stosunku do rozwiązania z trójdrogowym zaworem regulacyjnym i dodatkowym wymiennikiem free coolingu. Powodować to może duże różnice w kosztach eksploatacji.

Dane techniczne agregatu A (wg kart doborów technicznych)

• parametry pracy: 12/7°C MEG 40%, powietrze zewnętrzne: 32°C;
• moc chłodnicza: 381 kW;
• pobór mocy sprężarek: 111 kW;
• pobór mocy wentylatorów: 13 kW;
• efektywność energetyczna układu chłodniczego EER: 381/111 kW = 3,43;
• efektywność energetyczna agregatu chłodniczego bez uwzględnienia pomp parowacza: 381/(111 + 13) = 381/124 = 3,07;
• free cooling: start przy 10°C. Wydajność 100% uzyskiwana przy –8,0°C. Możliwość równoległej pracy układu sprężarkowego oraz układu free coolingu w okresie przejściowym, co pozwala przewidywać oszczędności energetyczne.

Dane techniczne agregatu B (wg kart doborów technicznych)

• parametry pracy: 12/7°C MEG 35%, woda chłodząca skraplacz: 45/40°C MEG 35%, powietrze zewnętrzne: 32°C;
• moc chłodnicza: 383 kW;
• pobór mocy sprężarek: 118 kW;
• pobór mocy wentylatorów dry coolera: 26 kW;
• pobór mocy przez pompy skraplacza: ok. 3 kW;
• efektywność energetyczna układu chłodniczego EER: 383/118 = 3,24;
• efektywność energetyczna agregatu chłodniczego bez uwzględnienia pomp parowacza: 383/(118 + 26 + 3) = 381/147 = 2,59;
• free cooling: start i przełączanie na tryb free coolingu przy temperaturze –1°C. Brak możliwości pracy równoległej układu sprężarkowego oraz free coolingu pozwala przewidywać straty energetyczne.

Założenia pracy instalacji

Agregaty pracują stale z pełną wydajnością 380 kW przez cały sezon (8761 godzin). W analizie uwzględniono pobór mocy przez sprężarki i wentylatory przy pominięciu wpływu temperatury zewnętrznej na osiągi urządzeń (pominięto wpływ zmiany temperatury zewnętrznej na wydajność chłodniczą i pobór mocy elektrycznej przez agregaty). Kalkulacje są szacunkowe.Przy założeniu ciągłej pracy urządzeń chłodniczych przez cały sezon można rozpatrywać charakterystyczne punkty pracy obu rozwiązań:

• agregat A – praca układu chłodniczego w zakresie temperatur powietrza zewnętrznego +35 do –1°C; praca w okresie przejściowym (częściowa praca układu chłodniczego/częściowa praca w trybie free coolingu) od +10 do –8°C; praca w trybie free coolingu w zakresie temperatur powietrza zewnętrznego od –8 do –20°C;
• agregat B – praca tylko układu chłodniczego w zakresie temperatur powietrza zewnętrznego od +35 do –1°C; praca w trybie free coolingu w zakresie temperatur  powietrza zewnętrznego od –1 do –20°C.

Dane meteorologiczne dla Krakowa

Liczba godzin pracy sprężarek: 8761 godz./sezon. Liczba godzin pracy w zakresie weryfikowanych przedziałów częstości występowania temperatur zewnętrznych:

agregat A:

• od +35 do –10°C: 3879 godz./sezon,
• od +10 do –8°C: 4596 godz./sezon,
• od –8 do –20°C: 286 godz./sezon,
• razem: 8761 godz./sezon;

agregat B + dry cooler:

• od +35 do –1°C: 7265 godz./sezon,
• od –1 do –20°C: 1496 godz./sezon,
• razem: 8761 godz./sezon.

Analiza porównawcza

Zużycie energii elektrycznej dla rozwiązania opartego na agregacie A

Kalkulacje dla trzech okresów wyznaczonych przez pracę układu free coolingu.

Okres letni:

Okres przejściowy:

Okres zimowy:

gdzie:

P_el – pobór mocy elektrycznej przez sprężarki jest wartością interpolowaną dla okresu przejściowego: 0% przy temperaturze –8,0°C, 100% przy temperaturze 10°C. Funkcja w przybliżeniu liniowa w tym zakresie.

Zużycie energii elektrycznej dla rozwiązania opartego na agregacie B wraz z dry coolerem

Praca układu chłodniczego:

Praca trybu free coolingu:

Różnica w kosztach eksploatacji

Agregat A: 799 540 kWh.

Agregat B + dry cooler: 1 106 851 kWh.

Różnica w zużyciu energii elektrycznej w sezonie wynikająca z zastosowania agregatu A z funkcją free coolingu w stosunku do agregatu B:1 193 970 – 799 540 = 307 311 kWh.

Oszczędności w kosztach eksploatacji w wyniku zastosowania agregatu A przy ww. założeniach oraz po przyjęciu kosztów w wysokości 1 kWh = 0,40 zł: 122 924 zł/sezon.

Wnioski

Na podstawie obydwu części artykułów można wyciągnąć następujące wnioski:

• poszczególne rozwiązania funkcji free coolingu różnią się między sobą nie tylko konstrukcyjnie, ale także pod względem przewidywanych oszczędności energetycznych wynikających z ich zastosowania,
• w oparciu o analizę porównawczą niektórych rozwiązań free coolingu można wykazać, że różnice w kosztach eksploatacji mogą być bardzo znaczące,
• w celu porównania różnych rozwiązań funkcji free coolingu konieczne jest przeanalizowanie zachowania się układów free coolingu w pełnym zakresie występowania temperatur zewnętrznych (kiedy następuje rozpoczęcie procesu free coolingu, możliwość równoległej pracy ze sprężarkowym układem chłodniczym, kiedy dany układ free coolingu osiąga 100-proc. wydajność ziębniczą agregatu itp.),
• jak wynika z przeprowadzonych analiz, rozwiązania free coolingu, które pozwalają na pracę już od wysokich temperatur powietrza zewnętrznego (niewiele niższych od wymaganej temperatury wody na powrocie z instalacji),
• równoległą pracę układu free coolingu i sprężarkowego układu chłodniczego, a także osiągnięcie pełnej wydajności chłodniczej przy stosunkowo wysokiej temperaturze powietrza zewnętrznego, cechują się największymi oszczędnościami energetycznymi,
• rozwiązania tradycyjne oparte na trójdrogowym zaworze regulacyjnym i dodatkowym wymienniku free colingu spełniają powyższe postulaty i powinny być rozpatrywane w pierwszej kolejności jako cechujące się największymi oszczędnościami energetycznymi, prostotą i zintegrowanym sterowaniem oraz umożliwiające płynne przejście z pracy układu sprężarkowego na układ free coolingu bez konsekwencji dla instalacji (zmiany temperatury w układzie), w instalacjach, w których z różnych przyczyn nie jest możliwe wykorzystanie tradycyjnych rozwiązań free coolingu, zalecane jest stosowanie innych metod.

W obydwu częściach artykułu pominięto analizę układu free coolingu opartego na agregacie chłodniczym ze skraplaczem chłodzonym cieczą oraz dry coolerem połączonych ze sobą układem hydraulicznym umożliwiającym jednoczesną pracę dry coolera w trybie free coolingu (free cooler) oraz urządzenia odprowadzającego ciepło ze skraplacza agregatu chłodniczego.

Literatura

1. Adamski B., Free-cooling pośredni czy bezpośredni? Dylemat inwestora i projektanta, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 8/2010.
2. Klimczuk B., Tzw. free-cooling w systemach z bezpośrednim odparowaniem syntetycznego czynnika chłodniczego, „Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna” nr 3/2010.
3. Kot J., DX free-cooling – w oczekiwaniu na polemikę, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 5/2008.
4. Adamski B., Systemy free coolingu pośredniego. Analiza i symulacja oszczędności pod kątem nakładów eksploatacyjnych cz. 1, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2009.
5. Adamski B., Systemy free coolingu pośredniego. Analiza i symulacja oszczędności pod kątem nakładów eksploatacyjnych cz. 2, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2009.