Techniki adiabatyczne w klimatyzacji, chłodzeniu i nawilżaniu pomieszczeń

Procesy chłodzenia z zastosowaniem urządzeń opartych na sprężarkach są energochłonne, dlatego jako rozwiązania alternatywne lub wspomagające stosuje się układy chłodzenia adiabatycznego, w których wykorzystywane jest zjawisko konwersji ciepła jawnego na utajone w procesie odparowania wody. Do odparowania każdego kilograma wody z powietrza pobierane jest 2257 kJ energii, co powoduje obniżenie jego temperatury. Producenci układów adiabatycznych szacują, że w porównaniu do systemów sprężarkowych oszczędności energii elektrycznej – wynikające z ograniczenia czasu pracy sprężarek czy zaworów – sięgają 80–90% (energia w układach adiabatycznych potrzebna jest do wentylatorów nadających kierunek przepływu powietrza oraz do przygotowania wody do odparowania). Układy, w których jako chłodnica wstępna stosowana jest chłodnica adiabatyczna z panelami ewaporacyjnymi, mają wydajność chłodniczą nawet o 40% wyższą niż standardowe [1].

Chłodzenie adiabatyczne wymaga uzyskania jak największej powierzchni wymiany ciepła między wodą a chłodzonym powietrzem. Dlatego chłodzenie i nawilżanie powietrza zachodzi najczęściej albo podczas odparowania zatomizowanych kropli wody w powietrzu w pomieszczeniu, albo (częściej) podczas przepływu powietrza przez panele (maty) ewaporacyjne. Dużą powierzchnię parowania uzyskuje się np. poprzez pokrycie mat o znacznej powierzchni czynnej cienką warstwą wody lub „zatomizowanie” wody – rozbicie jej na drobne krople o wymiarach rzędu 10 μm i napięciu powierzchniowym niższym niż otaczające powierzchnie. Do tych celów potrzeba stosunkowo niewielkich nakładów energii – jeden z producentów szacuje, że zużycie energii na rozbicie wody na cząstki o odpowiedniej wielkości wynosi od 4 do 8 W na każdy l/h użytej wody. Aby zoptymalizować proces chłodzenia adiabatycznego, można nim sterować w oparciu np. o temperaturę wylotową powietrza chłodzonego i wody, dzięki czemu zużycie wody i energii jest zminimalizowane.

Parametry chłodzenia adiabatycznego

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 suchego powietrza wylotowego, °C.

Zobacz także: Chłodzenie adiabatyczne w systemach HVAC

Faktyczna wartość temperatury i różnicy między temperaturą zewnętrzną i wewnętrzną zależy także od rzeczywistych warunków pogodowych. Parametry powietrza zewnętrznego optymalne dla chłodzenia adiabatycznego to RH < 30% i temperatura ok. 30°C, natomiast RH = 50% traktowane jest jako górna granica opłacalności stosowania tego rodzaju chłodzenia. Zależność temperatury wylotowej (temperatury w pomieszczeniu) od temperatury i wilgotności powietrza zewnętrznego podawana jest przez producentów w formie wykresów lub tabel. Ograniczeniem procesu chłodzenia adiabatycznego jest minimalna temperatura, którą może osiągnąć chłodzone powietrze – dla chłodzenia bezpośredniego jest to temperatura termometru mokrego, a dla chłodzenia pośredniego temperatura punktu rosy, przy której następuje wykroplenie pary wodnej z powietrza.

Rozwiązania techniczne

Urządzenia przeznaczone do chłodzenia bezpośredniego (ang. direct evaporative cooling, DEC), czyli zapewniające odparowanie wody bezpośrednio do chłodzonego powietrza (a więc nawilżające i chłodzące powietrze), są popularne w zastosowaniach przemysłowych dzięki wysokiej efektywności (ich sprawność wynosi nawet 85–95%) i łatwości montażu, także w już istniejących budynkach. Szerokie zastosowanie znajdują chłodnice adiabatyczne (klimatyzatory ewaporacyjne) stosowane w urządzeniach mobilnych oraz jako rozwiązanie uzupełniające dla tradycyjnego chłodzenia sprężarkowego – chłodnice tzw. mokre, zapewniające chłodzenie wstępne w rooftopach (jednostkach dachowych) lub w chłodniach wentylatorowych (dry coolerach). W sprzyjających warunkach pogodowych udział chłodzenia ewaporacyjnego w całkowitym procesie chłodzenia może nawet przekroczyć 80%.

W chłodnicach adiabatycznych stosowane są najczęściej panele (maty) ewaporacyjne z materiałów higroskopijnych o dużej powierzchni czynnej, takich jak celuloza, wiskoza czy włókna polimerowe. Przez tak przygotowane panele przepływa krzyżowo (prostopadle do kierunku wody) chłodzone powietrze, któremu kierunek nadaje wentylator promieniowy lub osiowy. Po panelach od góry spływa woda, tworząc na powierzchni czynnej warstwę o niewielkiej objętości, ale znacznej powierzchni. Wydatek wody zależy od wydajności chłodniczej urządzenia oraz od warunków (wilgotności i temperatury powietrza) panujących na zewnątrz i oczekiwanych wewnątrz klimatyzowanych pomieszczeń.

W rooftopach chłodnica adiabatyczna może obniżać temperaturę powietrza zewnętrznego, które pełni funkcję powietrza pomocniczego kierowanego na wymiennik przeponowy – układ chłodzenia sprężarkowego pomimo wysokich zysków ciepła może wówczas pracować z obciążeniem częściowym. Przy częściowych zyskach ciepła wykorzystywany jest free cooling (bez pracy sprężarkowego układu chłodzenia) – powietrze schłodzone w chłodnicy adiabatycznej ma już odpowiednio niską temperaturę, zatem omija wymiennik przeponowy i jest kierowane bezpośrednio do pomieszczenia.

Ograniczeniem chłodzenia bezpośredniego jest ryzyko uzyskania w pomieszczeniu zbyt wysokiej wilgotności względnej, np. powyżej 60%, jeśli chłodnica adiabatyczna chłodzi powietrze obiegowe kierowane bezpośrednio do pomieszczeń.

W przypadku chłodzenia pośredniego (ang. indirect evaporative cooling, IEC) 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 [2]. Jed­nym z najbardziej efektywnych obiegów chłodzenia adiabatycznego jest obieg Maisotsenki (M-obieg) – jego sprawność całkowita jest wyższa niż 105% [3]. Powietrze po wejściu do wymiennika jest dzielone na dwa strumienie: główny, schładzany w kanałach suchych bez zmiany wilgotności względnej oraz pomocniczy, który przez otwory w ściance kanału suchego kierowany jest do kanału mokrego z materiałem porowatym, gdzie jest chłodzony adiabatycznie. Strumień pomocniczy, schładzany zarówno pośrednio, jak i bezpośrednio, przepływa krzyżowo w stosunku do strumienia głów­nego, co powoduje jego schładzanie bez kontaktu tych dwóch strumieni. Urządzenia oparte na M-obiegu są bardzo popularne w Ameryce i stopniowo zaczynają się pojawiać także na rynku polskim, m.in. za sprawą badań prowadzonych na Politechnice Wrocławskiej [4].

Pośrednie chłodzenie adiabatyczne stosowane jest coraz częściej – także w Polsce – w profesjonalnych centrach danych. W polskich warunkach klimatycznych pełni ono funkcję systemu wspomagającego, zarówno dla free coolingu (w tej roli może być efektywnie wykorzystywane przez ok. 2 miesiące w roku), jak i systemu sprężarkowego [5].

Adiabatyczne chłodzenie pośrednie sprawdzi się także w mniejszych obiektach – mieszkalnych, usługowych czy komercyjnych – z wentylacją mechaniczną z odzyskiem ciepła (ale bez wymiany wilgoci). Chłodnica z panelami ewaporacyjnymi montowana jest na kanale wywiewnym przed wymiennikiem, powodując adiabatyczne schładzanie strugi powietrza do temperatury termometru mokrego. W wymienniku, który pracuje wówczas jako wymiennik chłodny, schłodzone powietrze ochładza strugę powietrza zewnętrznego bez zmiany jego wilgotności. Skuteczność chłodzenia zależy od przepływu powietrza przez rekuperator, od temperatury powietrza zewnętrznego oraz od wilgotności względnej powietrza wywiewanego – im niższa jest wilgotność względna w pomieszczeniach, tym większa skuteczność chłodzenia. Chłodnica kanałowa wyposażona jest w sterownik, który reguluje jej pracę zależnie od wilgotności względnej i temperatury w kanale za chłodnicą oraz zapobiega kondensacji i tworzeniu zastoisk wody, co stanowi ochronę przed bakteriami Legionella.

Jakość wody do chłodzenia

Norma brytyjska wydana przez Health Security Executive [6] podaje podstawowe wymagania dla jakości wody stosowanej w procesach chłodzenia adiabatycznego, szczególnie w odniesieniu do zastosowań wymagających recyrkulacji wody. Rozwiązania techniczne wymienione i opisane w rekomendacjach to wieże chłodnicze otwarte i zamknięte oraz skraplacze i chłodnice adiabatyczne.

Ponieważ do zasilania systemów chłodzenia adiabatycznego stosuje się przede wszystkim wodę wodociągową, możliwe jest wprowadzenie wraz z tą wodą niewielkiej (niepowodującej szkodliwego oddziaływania na zdrowie) ilości bakterii Legionella pneumofila [6]. W procesie ochrony systemów nawilżania adiabatycznego przed Legionellą ważne jest, by zapobiegać jej niekontrolowanemu rozwojowi. Pod kątem jakości wody ważna jest nie tylko całkowita zawartość bakterii tlenowych, ale też składników odpowiedzialnych za powstawanie kamienia kotłowego i biofilmu oraz substancji organicznych – ich obecność nie tylko sprzyja rozwojowi Legionelli, ale też zapewnia im doskonałe i bezpieczne warunki bytowania, utrudniając pełne usunięcie w przypadku dezynfekcji. Produkty korozji i substancje organiczne stanowią doskonałą pożywkę dla tych bakterii, a biofilm – osłonę przed wpływem środków dezynfekcyjnych. Całkowita liczba bakterii w wodzie chłodzącej nie powinna przekraczać 104 jtk/ml, a zawartość bakterii Legionella – 100 jtk/l. Woda powinna mieć także określoną twardość – składniki wpływające na ten parametr wody są także składnikami nierozpuszczalnych osadów składających się na kamień kotłowy. Poza zmiękczaniem i ewentualnie dezynfekcją promieniami UV woda zwykle nie wymaga dodatkowego uzdatniania. Producenci urządzeń adiabatycznych zalecają także, by do zmiękczania i dezynfekcji nie stosować metod chemicznych, ponieważ produkty uboczne reakcji mogą powodować powstawania osadów na matach – zaleca się uzdatnienie wody za pomocą odwróconej osmozy.

Profilaktyka obejmuje także prawidłowy projekt technologiczny rozwiązania chłodzącego, eliminujący powstawanie zastoisk i innych warunków sprzyjających rozwojowi tej bakterii, oraz prawidłową eksploatację. Zbiornik na wodę powinien mieć małą objętość (poniżej średniego godzinowego zapotrzebowania na wodę), a na tacy skroplin należy zapewnić temperaturę poniżej 20°C. Tacę skroplin i inne miejsca potencjalnej kolonizacji bakterii można pokryć powłokami bakteriostatycznymi. Przed matami ewaporacyjnymi można również zastosować opatentowane filtry wodne, usuwające mikroorganizmy z wody. Maty powinny być zawsze zalane (podczas wysychania wody może się wytrącić osad), w czym pomaga utrzymanie minimalnej wielkości przepływu i ciśnienia (np. 3 bar) wody doprowadzanej do paneli. Obie wartości wskazywane są w dokumentacji producenta. Do stagnacji wody może dojść podczas dłuższych przerw w pracy instalacji, dlatego w takich sytuacjach zbiornik należy opróżniać z wody, np. poprzez zastosowanie automatycznych zaworów elektromagnetycznych, otwierających się po określonym czasie przestoju. Ważne jest także cykliczne płukanie zbiorników i tac ociekowych.

Literatura

1. Pandelidis Demis, Pacak Anna, Nawilżanie powietrza a zużycie energii, „Rynek Instalacyjny” 5/2018, www.rynekinstalacyjny.pl

2. Górka Andrzej, Gorzeński Radosław, Bezpośrednie chłodzenie wyparne budynków, „Rynek Instalacyjny” 7–8/2014, www.rynekinstalacyjny.pl

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, https://doi.org/10.2147/EECT.S62995

4. Pandelidis Demis, Modelowanie procesów wymiany ciepła i masy w wymienniku z M-obiegiem stosowanym w instalacjach 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: 10.03.2023)

6. Health Safety Executive, HSG274. Legionnaires’ disease: Technical guidance. Part 1: The control of legionella bacteria in evaporative cooling systems, London 2013

7. Materiały techniczne firm: Alfa Laval, ASK, Balticold, Carel, Colt, Condair, EETS, Klingenburg, Mark, Secespol, Swegon