Chłodzenie adiabatyczne w układach klimatyzacji komfortu

Coraz większe wymagania Unii Europejskiej w zakresie efektywności energetycznej budynków i stale rosnące ceny energii zmuszają do poszukiwania nowych, bardziej energooszczędnych rozwiązań.

Pomimo że w Polsce zużycie energii na potrzeby chłodzenia budynków nie jest znaczące w porównaniu z kosztami ich ogrzewania i wentylacji, można w tym obszarze uzyskać spore oszczędności. Tym bardziej że ze względu na coraz większą popularność systemów klimatyzacji zużycie energii do chłodzenia budynków w całej Europie zauważalnie wzrasta.

Problem jest na tyle istotny, że został dostrzeżony przez autorów zmodernizowanej dyrektywy EPBP, którzy akcentują wagę strategii mających na celu poprawę charakterystyki cieplnej budynków w okresie letnim.

Chłodzenie adiabatyczne

Adiabatyczne chłodzenie powietrza pozwala w niektórych przypadkach istotnie ograniczyć zarówno koszty inwestycyjne, jak i eksploatacyjne. Wynika to z faktu, że chłodzenie osiągane jest nie dzięki pracy sprężarek chłodniczych i zużyciu zasilającej je energii elektrycznej, lecz dzięki efektowi obniżenia temperatury powietrza przy odparowaniu wody.

Odparowanie 1 dm³/h wody pozwala uzyskać ok. 0,7 kW mocy chłodniczej jawnej przy pomijalnie małym zużyciu energii elektrycznej (rys. 1). To zaś z kolei może prowadzić do istotnego ograniczenia mocy agregatów chłodniczych, a w niektórych przypadkach nawet do ich całkowitego wyeliminowania.

Bezpośrednie nawilżanie powietrza nawiewanego w celu obniżenia jego temperatury nie jest jednak dobrym rozwiązaniem, gdyż prowadzi do niepożądanego wzrostu jego wilgotności. Problem ten nie występuje, jeśli zamiast powietrza nawiewanego nawilżane jest powietrze usuwane, a uzyskiwana w ten sposób moc chłodnicza przekazywana jest na stronę powietrza nawiewanego za pośrednictwem wymiennika zapewniającego wymianę samego ciepła bez wilgoci, czyli tzw. rekuperatora.

Efekt chłodzenia powietrza nawiewanego jest tym większy, im wyższa jest sprawność wymiany ciepła rekuperatora, dlatego rozwiązanie to najwyższą efektywność osiąga w przypadku zastosowania wymienników obrotowych.

Można odnieść wrażenie, że dochodzi tu do sprzeczności, gdyż wymienniki obrotowe są zaliczane do regeneratorów, czyli urządzeń realizujących wymianę ciepła i masy (wilgoci). Sprzeczność ta jest jednak tylko pozorna.

Wymienniki obrotowe w wersji niehigroskopijnej, których rotor wykonany jest z taśmy aluminiowej bez powłoki higroskopijnej, w istocie realizują odzysk wilgoci, jednak tylko przy niskich temperaturach zewnętrznych, z wykorzystaniem mechanizmu kondensacji, gdy temperatura powierzchni wymiennika jest niższa od temperatury punktu rosy powietrza usuwanego.

W okresie letnim takie zjawisko nie występuje i zachodzi jedynie wymiana ciepła jawnego. Trzeba jednak pamiętać, że stosowanie chłodzenia adiabatycznego w połączeniu z wymiennikami higroskopijnymi realizującymi odzysk wilgoci także w lecie jest niezasadne.

Nawilżanie powietrza

W praktyce do realizacji procesu adiabatycznego nawilżania powietrza wykorzystuje się dwa typy nawilżaczy: wysokociśnieniowe i wyparne. Pierwsze za pomocą specjalnych dysz, do których dostarczana jest woda pod wysokim ciśnieniem, wtryskują do przepływającego powietrza tzw. zimną parę. W przypadku drugich powietrze przepływa przez zraszane złoże i przejmuje wilgoć na zasadzie odparowania wody z powierzchni złoża.

Do niewątpliwych zalet nawilżaczy wysokociśnieniowych należą: wysoka sprawność odparowania, a tym samym niższe zużycie wody, precyzyjna regulacja wydajności, niskie opory przepływu powietrza oraz własności higieniczne. Mają one jednak również istotne wady rzutujące na opłacalność ich stosowania. Są to: wysoka cena zakupu, duża moc pompy i związane z tym koszty energii elektrycznej oraz konieczność stosowania wody zdemineralizowanej (dodatkowe koszty stacji uzdatniającej).

Główne zalety nawilżacza wyparnego to z kolei: znacznie niższe koszty inwestycyjne, niższe bezpośrednie koszty eksploatacyjne (mała moc silnika pompy cyrkulacyjnej) oraz brak konieczności uzdatniania wody. Do wad należą: możliwość rozwoju zanieczyszczeń mikrobiologicznych w wannie cyrkulacyjnej, wyższe opory przepływu powietrza oraz konieczność okresowej wymiany złoża wyparnego.

W celu ograniczenia ilości wytrącanych zanieczyszczeń mineralnych w wannie cyrkulacyjnej konieczne jest zapewnienie ciągłego przelewu wody. Dlatego całkowite zużycie wody przez nawilżacz jest równe sumie ilości wody odparowanej i wody przelewowej. Współczynnik ilości wody przelewowej (FB) zależy od składu chemicznego i odczynu wody zasilającej.

Ze względów ekonomicznych jego wartość nie powinna przekraczać 2 (ilość wody przelewowej równa ilości wody odparowanej). Nawilżacze wyparne osiągają sprawność nawilżania do 90%. Przy chłodzeniu adiabatycznym w większości przypadków bardziej zasadne – głównie ze względu na koszty – będzie zastosowanie nawilżacza wyparnego.

Kiedy stosować?

Zastosowanie chłodzenia adiabatycznego może dać największe korzyści w przypadku obiektów, w których powietrze świeże w niezbędnych ilościach higienicznych uzdatniane jest i dostarczane centralnie, natomiast zyski ciepła jawnego i utajonego w poszczególnych pomieszczeniach odbierane są przez indywidualne urządzenia wewnętrzne (np. klimakonwektory, jednostki VRV). Typowe obiekty tego typu to biurowce, hotele bądź galerie handlowe.

Zazwyczaj w obiektach takich temperatura dostarczanego centralnie powietrza świeżego utrzymywana jest w lecie na poziomie ponad 20°C. Oznacza to, że w niektórych przypadkach wydajność układu adiabatycznego chłodzenia może być wystarczająca do utrzymania wymaganej temperatury nawiewu bez konieczności stosowania agregatów chłodniczych.

W ogólnym rozrachunku pozwala to ograniczyć budżet inwestycji nie tylko o koszty zakupu agregatów chłodniczych, ale również koszty rurociągów, glikolu czy też wykonania instalacji zasilania elektrycznego agregatów sprężarkowych. Oczywiście z drugiej strony rośnie koszt wyposażenia centrali w nawilżacz adiabatyczny. Dlatego konieczne jest porównanie całkowitych kosztów dla obu wariantów rozwiązań.

Ograniczenie mocy chłodniczej

Na rys. 2 pokazano przebieg procesów obróbki powietrza w przypadku bezpośredniego chłodzenia powietrza zewnętrznego (rys. 2a), chłodzenia powietrza po odzysku „chłodu” na wymienniku obrotowym (rys. 2b) oraz przy wykorzystaniu chłodzenia adiabatycznego (rys. 2c).

W tabeli 1 podano możliwe do osiągnięcia ograniczenie mocy agregatu chłodniczego dla różnych parametrów powietrza usuwanego i temperatury nawiewu. Jako 100% przyjęto moc potrzebną przy bezpośrednim chłodzeniu powietrza zewnętrznego do wymaganej temperatury nawiewu.

Wyniki podano dla następujących założeń dodatkowych: sprawność temperaturowa wymiennika obrotowego: 75%, sprawność nawilżania: 85%, temperatura wody lodowej: 7/12°C, parametry powietrza zewnętrznego: 32°C/40%, ciśnienie atmosferyczne: 1013 hPa, rozstaw lameli chłodnicy: 2,5 mm, równe strumienie powietrza nawiewanego i usuwanego. Jak widać, przy parametrach powietrza usuwanego 24°C/45% chłodzenie adiabatyczne umożliwia uzyskanie temperatury nawiewu 22°C bez pomocy chłodnicy powierzchniowej.

Porównując przedstawione wyniki, trzeba jednak uwzględnić fakt, że w układach wykorzystujących chłodzenie adiabatyczne proces obróbki powietrza na chłodnicy powierzchniowej zaczyna się i kończy przy wyższej wilgotności względnej powietrza. Oznacza to, że część mocy do osuszania powietrza wewnętrznego, dostarczana dotychczas przez powietrze nawiewane, będzie musiała zostać pokryta przez wewnętrzne jednostki chłodzące.

Redukcja kosztów chłodzenia

Ograniczenie zapotrzebowania na moc chłodniczą dla skrajnych warunków obliczeniowych i wynikające z tego obniżenie nakładów inwestycyjnych nie jest jednoznaczne z tym, że chłodzenie adiabatyczne jest opłacalne z punktu widzenia całościowych kosztów instalacji (inwestycyjnych i eksploatacyjnych) w całym okresie jej użytkowania. Dopiero porównanie sumarycznych kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych dla różnych wariantów daje odpowiedź na pytanie, które z rozwiązań jest korzystniejsze.

Ponieważ realizacja chłodzenia adiabatycznego wiąże się z koniecznością zastosowania rekuperatora, jako bazę porównawczą do dalszych rozważań przyjęto zużycie energii przez centralę wyposażoną w niehigroskopijny wymiennik obrotowy i chłodnicę lamelową dochładzającą powietrze do wymaganej temperatury. Poniżej przedstawiono porównanie kosztów chłodzenia dla obu wariantów.

Wariant 1. Centrala z niehigroskopijnym wymiennikiem rotacyjnym realizującym odzysk chłodu (rys. 2b)

Ze względu na ogromną zmienność parametrów powietrza zewnętrznego w celu wiarygodnego oszacowania sezonowego zużycia energii na potrzeby chłodzenia konieczne jest wykonanie obliczeń dla każdej godziny statystycznego roku meteorologicznego.

Zużycie energii cieplnej w takim przypadku w przeliczeniu na 1 m³/h powietrza przy gęstości normalnej (1,2 kg/m³) określa zależność:

gdzie:

N – liczba godzin w ciągu roku, w których występuje potrzeba chłodzenia (temperatura zewnętrzna wyższa od temperatury wewnętrznej) [szt.],

h_Z2 – entalpia powietrza świeżego w danej godzinie za wymiennikiem obrotowym [kJ/kg],

h_Z3 – entalpia powietrza świeżego w danej godzinie za chłodnicą powierzchniową [kJ/kg].

Bezpośrednie koszty chłodzenia w takim układzie będą wynikały ze zużycia energii elektrycznej przez agregat chłodniczy zasilający chłodnicę w centrali klimatyzacyjnej. Roczny koszt energii elektrycznej wynosi:

gdzie:

c_EL – cena energii elektrycznej [zł/kWh],

ERR_S – średnia roczna wartość wskaźnika efektywności energetycznej agregatu chłodniczego (ze względu na fakt, że dane takie zazwyczaj nie są publikowane przez producentów, w miejsce wskaźnika ERR_S można stosować zdefiniowany przez Eurovent wskaźnik ESEER).

W tab. 2 i 3 przedstawiono wyniki obliczeń zapotrzebowania na energię chłodniczą w przypadku danych klimatycznych typowego roku meteorologicznego dla Krakowa [3]. Parametry powietrza i pozostałe założenia do obliczeń – jak poprzednio. Dodatkowo przyjęto, że instalacja pracuje w godzinach od 6.00 do 22.00 przez 7 dni w tygodniu. Do określenia końcowego punktu procesu chłodzenia na chłodnicy powierzchniowej wykorzystano algorytm podany w publikacji [2].

Wyniki podano w przeliczeniu na 10 000 m³/h, tak aby łatwo można je było praktycznie wykorzystać.

Wariant 2. Centrala z chłodzeniem adiabatycznym powietrza usuwanego i niehigroskopijnym wymiennikiem obrotowym (rys. 2c)

W przypadku układu wykorzystującego chłodzenie adiabatyczne do oszacowania rocznych kosztów eksploatacyjnych konieczne jest określenie zużycia wody do nawilżania oraz zużycia energii elektrycznej na dochłodzenie powietrza świeżego po rotorze do zakładanej temperatury nawiewu.

Zużycie wody do nawilżania w przeliczeniu na 1 m³/h powietrza nawiewanego o gęstości normalnej można określić za pomocą zależności:

gdzie:

N – liczba godzin w ciągu roku, w których występuje potrzeba chłodzenia (temperatura zewnętrzna wyższa od temperatury wewnętrznej) [szt.],

X_W1 – zawartość wilgoci w powietrzu usuwanym [kg/kg],

X_W2 – zawartość powietrza w powietrzu usuwanym w końcowym punkcie nawilżania [kg/kg].

Roczny koszt zużycia wody wynosi:

gdzie:

C_w – cena wody [zł/dm³],

F_B – współczynnik ilości wody przelewowej.

Natomiast zapotrzebowanie na energię cieplną dla chłodnicy liczone analogicznie jak w poprzednim wariancie wynosi:

gdzie:

h_Z2 – entalpia powietrza świeżego w danej godzinie za wymiennikiem obrotowym [kJ/kg],

h_Z3 – entalpia powietrza świeżego w danej godzinie za chłodnicą powierzchniową [kJ/kg].

Stąd bezpośrednie koszty chłodzenia dla wariantu 2 są równe:

Wyniki obliczeń wartości Q_CH3 i G_WN dla różnych wartości temperatur nawiewu i parametrów powietrza usuwanego podano w tabeli 2 i 3,

gdzie:

Q_ch1 – zużycie energii do chłodzenia na chłodnicy w wariancie bez odzysku chłodu (rys. 2a),

Q_ch2 – zużycie energii do chłodzenia na chłodnicy w wariancie z odzyskiem chłodu (rys. 2b),

Q_rek – roczny odzysk chłodu na wymienniku obrotowym (rys. 2b),

Q_ch3 – zużycie energii do chłodzenia na chłodnicy w wariancie z chłodzeniem adiabatycznym (rys. 2c),

Q_ad – roczna ilość energii uzyskana dzięki chłodzeniu adiabatycznemu (rys. 2c),

G_WN – roczne zużycie wody do nawilżania adiabatycznego (bez wody przelewowej) (rys. 2c).

Analizując wartości podane w tabelach, należy podobnie jak przy ocenie ograniczenia zapotrzebowania na moc chłodniczą wziąć pod uwagę, że w porównaniu do wariantu chłodzenia bez odzysku ciepła w układach wykorzystujących chłodzenie adiabatyczne proces obróbki powietrza na chłodnicy powierzchniowej zaczyna się i kończy przy wyższej wilgotności względnej powietrza, w związku z czym końcowa entalpia powietrza nawiewanego jest wyższa. Wykorzystywana do osuszania powietrza wewnętrznego energia wynikająca z różnicy entalpii musi być dostarczona przez jednostki wewnętrzne (rys. 3).

Określenie opłacalności

Kiedy chłodzenie adiabatyczne pozwala na obniżenie zarówno kosztów eksploatacyjnych, jak i nakładów inwestycyjnych, jego zastosowanie wydaje się w pełni uzasadnione – przynajmniej z ekonomicznego punktu widzenia.

Natomiast jeśli wykorzystanie chłodzenia adiabatycznego prowadzi do zwiększenia kosztów inwestycyjnych w porównaniu do rozwiązania bazowego, konieczne jest oszacowanie, w jakim okresie oszczędności kosztów eksploatacyjnych pokryją zwiększone nakłady inwestycyjne.

Jeśli okres zwrotu będzie wystarczająco krótki, wykorzystanie chłodzenia adiabatycznego nadal będzie opłacalne. Tzw. prosty okres zwrotu nakładów (bez uwzględnienia rachunku dyskontowego) SPBP (ang. simple payback period), określa wzór:

gdzie:

DK_I – wzrost kosztów inwestycyjnych związany z zastosowaniem chłodzenia adiabatycznego [zł],

K_CH2 i K_CH3K – roczne koszty chłodzenia dla obydwu wariantów [zł/rok].

Ze względu na fakt, że roczne koszty chłodzenia dla obu rozwiązań muszą być rozpatrywane w układzie porównawczym, w przypadku rozwiązania z chłodzeniem adiabatycznym konieczne jest uwzględnienie dodatkowych kosztów zużycia energii elektrycznej do napędu pompy obiegowej nawilżacza adiabatycznego oraz ze względu na podwyższony o opory przepływu przez nawilżacz spręż wentylatora.

Skorygowana wartość kosztów chłodzenia do porównania będzie równa:

gdzie:

P_ELN – moc silnika pompy nawilżacza [kW]. W przypadku nawilżacza wyparnego wartość ta jest pomijalnie mała,

N – liczba godzin w ciągu roku, w których występuje potrzeba chłodzenia (temperatura zewnętrzna wyższa od temperatury zewnętrznej) [szt.],

N_C – całkowita liczba godzin pracy centrali w ciągu roku [szt.],

V – przepływ powietrza usuwanego [m³/s],

DP – opory przepływu przez nawilżacz [Pa],

h_C – całkowita sprawność układu wentylator – silnik – falownik.

Wartość całkowitych oszczędności w całym okresie eksploatacji LCS (ang. life cycle savings) można natomiast określić z zależności:

gdzie:

r_i – rzeczywista stopa procentowa,

n – przewidywany okres eksploatacji.

Wnioski końcowe

Zastosowanie chłodzenia adiabatycznego pozwala istotnie zmniejszyć zapotrzebowanie na moc i zużycie energii chłodniczej. Pomimo że przedstawione w artykule wyniki zużycia energii należy traktować jedynie jako szacunkowe, wykazane oszczędności pokazują, że zastosowanie chłodzenia adiabatycznego warte jest rozważenia, szczególnie gdy zakładana temperatura nawiewu w okresie letnim jest stosunkowo wysoka.

Opisane rozwiązanie jest z pewnością ciekawą opcją również w przypadku modernizacji i zwiększania wydajności istniejących instalacji z chłodnicami powierzchniowymi.

Literatura

1. Piccolo A., Simonetti R., Marcello M., Evaporative Cooling, Carel S.r.l., 2012.
2. Zeller M., Zellers Handbuch Klimatisierung, Zeller Consulting Suisse, 1999.
3. Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków, www.transport.gov.pl/2-48203f1e24e2f-1787735-p_1.htm.
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno­‑użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (DzU nr 201/2008, poz. 1240).
5. PN-EN 15459 Charakterystyka energetyczna budynków. Ekonomiczna ocena instalacji energetycznych w budynkach.
6. PN-EN 13779 Wentylacja budynków niemieszkalnych. Wymagania dotyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji.
7. PN-B-03421:1978 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach do stałego przebywania ludzi.
8. Centrale klimatyzacyjne AF, katalog techniczny Frapol, 2004.