Chłodzenie adiabatyczne w systemach HVAC

Systemy chłodzenia adiabatycznego we współczesnej technice HVAC stosowane są jako rozwiązanie alternatywne lub wspomagające dla konwencjonalnych systemów sprężarkowych. Zgodnie z nazwą, w procesie chłodzenia adiabatycznego nie występuje zmiana całkowitej energii układu – jedynie konwersja ciepła jawnego na utajone. Ciepło jawne jest pobierane z powietrza (obniża się jego temperatura) i przekazywane wodzie w procesie przechodzenia w stan gazowy. Do odparowania każdego kilograma wody z powietrza pobierane jest 2257 kJ energii (690 W) [1].

Głównym powodem wykorzystywania tego procesu w technice chłodniczej i klimatyzacyjnej jest oszczędność energii i wiążący się z tym pozytywny efekt środowiskowy. Według oszacowań producentów oszczędności energii elektrycznej sięgają 80–90% w porównaniu do systemów sprężarkowych, a emisja CO₂ jest niższa o ok. 90%. Wynika to głównie z faktu, że w układach chłodzenia adiabatycznego nie pracują sprężarki czy zawory ani inne energochłonne podzespoły mechaniczne.

Nakłady energetyczne ponoszone są na cyrkulację chłodzonego powietrza (energia do napędu wentylatorów) oraz zapewnienie odpowiednich warunków do odparowywania wody (pompowanie, rozpylanie, atomizowanie). Do tego celu konieczne jest osiągnięcie jak największej powierzchni wymiany ciepła między wodą a chłodzonym powietrzem poprzez:

• dużą powierzchnię parowania, uzyskaną np. poprzez pokrycie panelu ewaporacyjnego o znacznej powierzchni czynnej cienką warstwą wody – różnica ciśnienia cząstkowego między powietrzem a powierzchnią wody zapewnia jej wówczas „naturalne” odparowanie;
• „zatomizowanie” wody – rozbicie jej do postaci bardzo drobnych kropel (o wymiarach rzędu 10 μm) o niższym napięciu powierzchniowym niż otaczające powietrze umożliwia jej odparowanie bez dodatkowego nakładu energii.

Do celów tych potrzeba stosunkowo niewielkich nakładów energii – jeden z producentów szacuje, że zużycie energii na „zatomizowanie” wody (czyli rozbicie jej na cząstki o odpowiedniej wielkości) wynosi od 4 do 8 W na każdy l/h, a inny podaje, że do schłodzenia 30 000 m³/h powietrza zewnętrznego nawet o 10°C potrzeba zaledwie 2,4 kW energii i 80 l wody.

Woda do chłodnic adiabatycznych

Chłodzenie i nawilżanie powietrza zachodzi podczas odparowywania zatomizowanych kropli wody w powietrzu w pomieszczeniu albo (częściej) podczas przepływu powietrza przez panele (maty) ewaporacyjne. Panele wykonywane są z materiałów higroskopijnych o dużej powierzchni czynnej, takich jak celuloza, wiskoza lub włókna polimerowe, ponieważ na złożach powinna się znajdować warstwa wody o możliwie niewielkiej objętości, ale znacznej powierzchni. Ważna jest nie tylko właściwa struktura paneli, ale także ich odpowiednia geometria i ustawienia.

Czytaj też: Fancoile – uniwersalne urządzenia HVAC »

Woda jest zatem zasadniczym kosztem – w niektórych rozwiązaniach chłodzenia adiabatycznego wymagane są jej znaczne ilości. Nie wymaga jednak uzdatniania i można w tym celu stosować wodę wodociągową, ale o określonej twardości, co zapobiegnie wytrącaniu się osadu na panelach ewaporacyjnych.

Cyklem adiabatycznym można sterować w oparciu np. o temperaturę wylotową powietrza chłodzonego i wody, dzięki czemu zużycie wody i energii jest minimalizowane. Warto, szczególnie w przypadku wykorzystania techniki chłodzenia adiabatycznego do wież chłodniczych, wyposażyć część instalacji kierującej wodę do chłodnic adiabatycznych we własny wodomierz. Wówczas do opłaty za wodę nie jest doliczana opłata za odprowadzanie ścieków. W niektórych rozwiązaniach możliwa jest także recyrkulacja wody – niewykorzystana zbierana jest w wannie układu recyrkulacji i ponownie podawana na panel ewaporacyjny.

Wielu producentów wskazuje, że nie zaleca się stosowania chemicznych środków uzdatniających wodę doprowadzoną na panele ewaporacyjne, gdyż mogą się one przyczynić do wytrącania osadu. Z podobnego powodu należy także utrzymywać panele w stanie zalanym (podczas wysychania wody może się wytrącić osad) – producenci wskazują minimalne wielkości przepływu wody dla swoich rozwiązań. Konieczne jest również utrzymywanie odpowiedniego ciśnienia dostarczanej wody sieciowej (przykładowa minimalna wartość wskazywana przez jednego z producentów wynosi 3 bary).

Instalacje chłodzenia adiabatycznego należy także zabezpieczyć przed stagnacją wody, która mogłaby sprzyjać namnażaniu bakterii Legionella. Może do niej dojść podczas dłuższych przerw w pracy instalacji. W takich sytuacjach zbiornik należy opróżniać z wody – najlepiej automatycznie, np. wykorzystując zawory elektromagnetyczne, które opróżniają zbiornik po określonym okresie przestoju.

Zastosowanie chłodzenia adiabatycznego

Montaż urządzeń chłodzenia wyparnego w już istniejących budynkach jest łatwy, także przy ograniczonej dostępności miejsca. Nieskomplikowane jest również bezpośrednie sterowanie tymi urządzeniami. Zwykle są to rozwiązania umiarkowane pod względem kosztów inwestycyjnych, zapewniające zwrot z inwestycji. Inwestycja taka pozwala także ograniczyć do minimum liczbę podzespołów mechanicznych podatnych na uszkodzenia i zużywających energię (występują tylko wentylatory).

Chłodzenie adiabatyczne można realizować jako bezpośrednie lub pośrednie. Bezpośrednie wiąże się ze wzrostem wilgotności względnej chłodzonego powietrza. Może to mieć pozytywne przełożenie na samopoczucie i produktywność pracowników oraz niektóre procesy technologiczne (RH 40–60%), natomiast w przypadku innych procesów wzrost wilgotności względnej jest niekorzystny. Natomiast chłodzenie pośrednie można realizować w licznych układach technologicznych z wykorzystaniem wymienników krzyżowych i regeneracyjnych – dzięki temu proces można zoptymalizować.

Chłodzenie adiabatyczne ma naturalne (związane z naturą tego procesu) ograniczenie dotyczące minimalnej temperatury, którą może osiągnąć chłodzone powietrze – w przypadku chłodzenia bezpośredniego może ona odpowiadać maksymalnie temperaturze termometru mokrego, a dla chłodzenia pośredniego nie może być niższa od temperatury punktu rosy, przy której następuje wykroplenie pary wodnej z powietrza. Sprawność procesu zależy od temperatury i wilgotności powietrza wlotowego oraz od osiąganej temperatury powietrza wylotowego [2]:

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

W praktyce obniżenie temperatury powietrza zależy w znacznym stopniu od warunków pogodowych. Producenci wyparnych urządzeń chłodzących podają zależność temperatury wylotowej (temperatury w pomieszczeniu) od temperatury i wilgotności powietrza zewnętrznego – jako tabele lub wykres. Optymalne parametry powietrza zewnętrznego dla chłodzenia adiabatycznego to RH < 30% i temperatura ok. 30°C, natomiast RH = 50% traktowane jest jako górna granica opłacalności stosowania tego rodzaju chłodzenia.

Chłodzenie adiabatyczne bezpośrednie

W procesie chłodzenia bezpośredniego (DEC – direct evaporative cooling), realizowanego przez tzw. klimatyzatory ewaporacyjne, zachodzi jednocześnie chłodzenie i nawilżanie. Jako klimatyzatory ewaporacyjne najczęściej stosuje się urządzenia dachowe (rooftopy) oraz pomieszczeniowe urządzenia mobilne.

Woda odparowywana jest do powietrza dostarczanego bezpośrednio do pomieszczeń. Chłodzenie bezpośrednie jest wysoce efektywne (sprawność wynosi nawet 85–95%), jednak jego ograniczeniem jest ryzyko doprowadzenia do pomieszczenia powietrza o zbyt wysokiej wilgotności względnej (np. powyżej 60%) z punktu widzenia użytkownika czy procesu technologicznego.

W klimatyzatorze ewaporacyjnym na panele ewaporacyjne od góry podaje się wodę, która stopniowo spływając po ich powierzchni, pokrywa je cienką warstwą. Wydatek wody zależy nie tylko od wydajności chłodniczej klimatyzatora, ale także od temperatury i wilgotności powietrza zewnętrznego. Z kolei chłodzone powietrze przepływa przez panele krzyżowo, a jego nadmuch wymuszany jest przez wentylator promieniowy lub osiowy z możliwością płynnej regulacji obrotów.

Ciekawym rozwiązaniem wykorzystującym chłodzenie pośrednie jest zastosowanie układu chłodzenia adiabatycznego z osuszaniem (desiccative evaporative cooling). W tym przypadku układ chłodzenia adiabatycznego jest komponentem w układzie wymienników – oprócz wymiennika regeneracyjnego pracuje także wirnik sorpcyjny. Powietrze zewnętrzne jest najpierw osuszane (i ogrzewane wskutek oddawania wilgoci) na wirniku sorpcyjnym, następnie chłodzone na wymienniku regeneracyjnym, a dopiero w końcowej fazie chłodzone adiabatycznie w komorze nawilżania. Dzięki temu powietrze przepływające do pomieszczenia ma parametry cieplno-wilgotnościowe z zakresu komfortu cieplnego.

Efektywność urządzeń chłodzenia bezpośredniego jest ograniczona temperaturą termometru mokrego.

Chłodzenie adiabatyczne pośrednie

Chłodzenie pośrednie (IEC – indirect evaporative cooling) polega na tym, że strumień powietrza chłodzony i nawilżany adiabatycznie jest strumieniem pośrednim (chłodziwem).

Chłodzenie powietrza kierowanego do pomieszczeń następuje pośrednio poprzez wymienniki powietrze-powietrze, dzięki czemu obniżenie temperatury nie wiąże się ze wzrostem wilgotności. Sprawność pośredniego chłodzenia adiabatycznego jest jednak niższa niż bezpośredniego, stosuje się zatem różne układy technologiczne usprawniające ten proces [2].

Jed­nym z najbardziej efektywnych układów chłodzenia adiabatycznego jest obieg Maisotsenki (M-obieg) – jego sprawność całkowita jest wyższa niż 105% [3]. Powietrze po wejściu do wymiennika dzielone jest na dwa strumienie: główny i pomocniczy. Strumień główny schładzany jest w kanałach suchych i zachowuje stałą wilgotność względną. Strumień pomocniczy jest wstępnie schładzany w pomocniczym kanale suchym, a następnie przez otwory w ściance kanału suchego dostaje się do kanału mokrego z wilgotnym materiałem porowatym. W kanale mokrym woda roz­prowadzana jest równomiernie za pomocą sił kapilarnych, dzięki czemu nie są potrzebne dysze rozpylające. Strumień pomocniczy w kanałach mokrych chłodzony jest adiabatycznie. Cały proces jest zwielokrotniony, następuje swego rodzaju „pętla chłodzenia” – strumień pomocniczy, płynąc w kanałach suchych, jest pośrednio chłodzony przez kanały mokre, zatem do kanałów mokrych trafia powietrze schłodzone w jeszcze większym stopniu. Schłodzony strumień pomocniczy przepływa krzyżowo w stosunku do głów­nego, powodując jego schładzanie bez kontaktu tych dwóch strumieni. W ten sposób M-obieg łączy pracę wymiennika regeneracyjnego (w którym z kolei połączone jest chłodzenie ewaporacyjne i suche) oraz wymiennika krzyżowego. Urządzenia oparte na M-obiegu są bardzo popularne w Ameryce, stopniowo zaczynają pojawiać się także na rynku polskim, m.in. za sprawą badań nad rozwiązaniami technicznymi (urządzeniami), w których wykorzystywany jest ten obieg, na Politechnice Wrocławskiej [4].

Czytaj też: iUNIT – nowy segment urządzeń HVAC »

Chłodzenie adiabatyczne w centrach danych w warunkach polskich

Coraz chętniej także i w Polsce chłodzenie adiabatyczne stosuje się w profesjonalnych centrach danych. W polskich warunkach klimatycznych chłodzenie takie stosowane jest jako system wspomagający – może zarówno wspierać free cooling w cieplejszych miesiącach, jak i stanowić wspomaganie dla systemu sprężarkowego. Pionierem w stosowaniu tej technologii w Polsce była firma Beyond.pl, w której systemie chłodzenia zastosowano dwa systemy „naturalne” (bezsprężarkowe) – główny na górnym piętrze serwerowni, obejmującym cztery komory serwerowe o powierzchni łącznej 1000 m2, oraz wspomagający system chillerów na dolnej kondygnacji [5].

Chłodzenie w poznańskim centrum danych odbywa się na wymienniku krzyżowym zainstalowanym na dachu, w którym działa zarówno free cooling (wykorzystanie powietrza zewnętrznego o niskiej temperaturze), jak i chłodzenie adiabatyczne wykorzystujące odparowanie wody podawanej (rozpylanej) na powierzchnię wymiennika. Nakłady na tę formę chłodzenia to energia potrzebna do uruchomienia cyrkulacji powietrza (kierowania ciepłego powietrza na dach do wymiennika i odbierania powietrza schłodzonego) i obsługi rozpylania wody oraz sama woda – według szacunków zastosowanie chłodzenie adiabatycznego konieczne jest przez sześć–osiem tygodni w roku, kiedy temperatura zewnętrzna jest zbyt wysoka, by free cooling wystarczył do odpowiedniego schłodzenia powietrza.

Chłodzenie adiabatyczne w zastosowaniach przemysłowych

Najczęściej spotykanym układem przemysłowego chłodzenia ewaporacyjnego są wieże chłodnicze przeznaczone do chłodzenia płynu układowego – najczęściej wody przemysłowej.

Stosuje się wieże otwarte oraz zamknięte. W wieżach otwartych gorącą wodę przemysłową podaje się na płytę mokrą (powierzchnię wymiany ciepła), z którą kontaktuje się zimne powietrze atmosferyczne. Dzięki temu następuje odparowanie niewielkiej ilości wody z powierzchni, co zwiększa efektywność procesu chłodzenia wody.

W wieżach z zamkniętym obiegiem chłodzenia płyn układowy nie kontaktuje się bezpośrednio z powietrzem zewnętrznym – przepływa wewnątrz wężownicy stanowiącej wymiennik ciepła, a zimne powietrze zewnętrzne omywa wężownicę. Wężownica może być dodatkowo zwilżana wodą pomocniczą, co stwarza warunki chłodzenia adiabatycznego i zwiększa efektywność chłodzenia płynu w wężownicy. Według szacunków organizacji Eurovent, wieże chłodnicze w Europie umożliwiają obniżenie emisji CO2 o 56 tys. ton rocznie oraz uzyskanie oszczędności energii – 15,5% dla zastosowań przemysłowych i 16% dla zastosowań HVAC [6].

Przemysłowe chłodnie adiabatyczne często stosowane są także jako główny układ schładzania medium technologicznego (np. glikolu) do temperatury ok. 20–25°C, wspomagany chillerem tylko przy najwyższych temperaturach otoczenia.

Chłodnice adiabatyczne występują również jako chłodnice tzw. mokre (wstępne), stosowane np. w dry coolerach (chłodnicach wentylatorowych) czy rooftopach. Pełnią one względem układów sprężarkowych funkcję pomocniczą lub uzupełniającą. Chłodnica adiabatyczna (klimatyzator ewaporacyjny) z panelami ewaporacyjnymi zastosowana w roli chłodzenia wstępnego pozwala zwiększyć wydajność chłodniczą układu nawet o 40%. We wstępnej chłodnicy komorowej za chłodzenie adiabatyczne może też odpowiadać mgła wodna (woda zatomizowana) o dużej powierzchni odparowania. Stosuje się także wstępne chłodnice lamelowe, w których w trybie mokrym (adiabatycznym) powierzchnia wymiany po osiągnięciu określonej temperatury powietrza zewnętrznego zraszana jest wodą pomocniczą. Dzięki temu tryb chłodzenia suchego wspomagany jest przez chłodzenie adiabatyczne.

Chłodnica lamelowa to przykład rozwiązania hybrydowego. W zamkniętych urządzeniach hybrydowych chłodzących płyn układowy znajdują się dwie (lub więcej) odrębne sekcje wymiany ciepła, odpowiedzialne za chłodzenie suche powietrzem zewnętrznym oraz za chłodzenie adiabatyczne. W układach hybrydowych wykorzystywany jest ten tryb chłodzenia (suchy lub adiabatyczny), który jest w danym momencie najbardziej efektywny. Umożliwia to optymalne zużycie wody i energii dzięki przełączaniu się na tryb odpowiedni do panujących warunków. Im wyższy jest punkt przejścia między trybem suchym a mokrym (temperatura, przy której uruchamiane jest chłodzenie adiabatyczne), tym mniejsze zużycie wody w skali roku.

Literatura

1. Pandelidis Demis, Pacak Anna, Nawilżanie powietrza a zużycie energii, „Rynek Instalacyjny” 5/2018, www.rynekinstalacyjny.pl
2. Pandelidis Demis, Pacak Anna, Analiza pracy przeciwprądowych pośrednich wymienników wyparnych. Część 1. Analiza ogólna, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” 3(51)/2020
3. 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
4. Pandelidis Demis, Modelowanie procesów wymiany ciepła i masy w wymienniku z M-obiegiem pracującym w urzędzeniach klimatyzacyjnych, rozprawa doktorska, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2016
5. Sposób działania i korzyści z chłodzenia adiabatycznego, https://www.beyond.pl/newsy/aktualnosci/sposob-dzialania-korzysci-chlodzenia-adiabatycznego (dostęp: 2.03.2022)
6. The European Evaporative Cooling Industry in a Nutshell, „Eurovent Industry Monograph” 9/1 – 2019, Brussels 2019
7. Górka Andrzej, Górzeński Radosław, Bezpośrednie chłodzenie wyparne budynków, „Rynek Instalacyjny” 7/2014
8. Sosnowski Radosław, Przykład realizacji układu chłodzenia adiabatycznego skraplaczy urządzeń chłodniczych, „Rynek Instalacyjny” 1-2/2020, www.rynekinstalacyjny.pl
9. Materiały firm: Alfa Laval, ASK, Balticold, Carel, Colt, Condair, EETS, Klingenburg, Mark, Secespol, Swegon