Zastosowanie procesów adiabatycznych do poprawy efektywności energetycznej systemów chłodniczych

Chłodzenie ewaporacyjne może stanowić uzupełnienie, a w niektórych przypadkach wręcz alternatywę dla chłodzenia opartego na urządzeniach sprężarkowych. Główną przewagą chłodzenia ewaporacyjnego nad sprężarkowym jest dużo mniejsze zapotrzebowanie na energię elektryczną. Energia w chłodzeniu ewaporacyjnym zużywana jest do zapewnienia cyrkulacji chłodzonego powietrza (napęd wentylatorów) oraz przygotowania wody do odparowania (pompowanie, rozpylanie, atomizowanie). Oznacza to nakłady energetyczne nieporównanie mniejsze niż w przypadku zasilania nawet energooszczędnych zespołów sprężarkowych. Oszczędności energii mogą sięgać nawet 80–90%, a zapewnienie takiej samej odczuwalnej wydajności chłodniczej może być aż pięciokrotnie tańsze (co wiąże się również ze zmianą wilgotności powietrza). EER procesu chłodzenia adiabatycznego wynosić może nawet 40 (nakład energetyczny 1 kW oznacza możliwość uzyskania do 40 kW mocy chłodniczej) [1].

Urządzenia chłodzące ewaporacyjne (wyparne) wykorzystują konwersję ciepła jawnego zawartego w powietrzu na ciepło utajone zawarte w cząsteczkach pary wodnej. Zachodzi w nich proces odparowania wody dzięki energii pobieranej z powietrza (do odparowania każdego kilograma wody z powietrza pobierane jest 2257 kJ energii, co odpowiada 0,6 kWh). Podczas tego procesu temperatura powietrza obniża się w wyniku oddawania energii cieplnej wodzie przechodzącej w stan gazowy (energia zmagazynowana w parze wodnej jest więc energią utajoną). Konwersja energii na inną formę przebiega adiabatycznie, tj. energia całkowita układu pozostaje stała – stąd inna nazwa tego procesu, czyli chłodzenie adiabatyczne.

Parametry chłodzenia adiabatycznego

Sprawność całego procesu zależy od temperatury i wilgotności powietrza wlotowego oraz od wymaganej temperatury powietrza wylotowego – docierającego bezpośrednio do pomieszczenia (w przypadku chłodzenia bezpośredniego) lub stanowiącego medium chłodzące (w przypadku chłodzenia pośredniego), a także od prędkości przepływu przez chłodnicę. Skuteczność chłodzenia adiabatycznego uzależniona jest od warunków zewnętrznych, głównie od zdolności przyjęcia przez powietrze wlotowe pary wodnej – powietrze o niższej temperaturze i wyższej wilgotności może przyjąć mniej pary wodnej, co obniża efekt chłodzenia. Sprawność tego chłodzenia jest największa w przypadku wysokiej temperatury zewnętrznej i małej wilgotności powietrza zewnętrznego. Optymalne dla chłodzenia adiabatycznego parametry powietrza zewnętrznego to RH poniżej 30% i temperatura ok. 30°C, natomiast RH równe 50% traktowane jest jako górna granica opłacalności stosowania tego rozwiązania. Możliwości zastosowania chłodzenia adiabatycznego i jego przybliżony faktyczny udział w procesie chłodzenia w skali roku należy oceniać, uwzględniając wymagania dotyczące parametrów powietrza w pomieszczeniach oraz dane meteorologiczne (temperatura i wilgotność powietrza zewnętrznego) dla danej lokalizacji.

Zobacz także: Chłodzenie bez instalacji, czynników chłodniczych i sprężarek

Sprawność chłodzenia opisuje poniższy wzór – teoretyczna granica chłodzenia osiągana jest przy wilgotności względnej powietrza wynoszącej 100% (czyli dla temperatury termometru mokrego), w praktyce możliwe jest zwiększenie wilgotności względnej do maks. 95% (zależnie od konstrukcji ewaporacyjnego urządzenia chłodniczego).

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.

Zależność możliwej do osiągnięcia temperatury w pomieszczeniu od temperatury i wilgotności powietrza zewnętrznego podawana jest przez producentów w formie wykresów lub tabel (por. rys. 2).

Urządzenia do chłodzenia bezpośredniego (ang. direct evaporative cooling, DEC), czyli zapewniające chłodzenie przez nawilżanie, a więc odparowanie wody bezpośrednio do chłodzonego powietrza, cechują się sprawnością wynoszącą nawet 85–95%, jednak kosztem ryzyka uzyskania zbyt wysokiej wilgotności względnej w pomieszczeniu (np. powyżej 60%). Najniższa temperatura chłodzonego powietrza nie może być niższa niż temperatura termometru mokrego.

W przypadku chłodzenia pośredniego (ang. indirect evaporative cooling, IEC) strumień powietrza chłodzony adiabatycznie przez odparowanie wody jest strumieniem pośrednim (chłodziwem, medium chłodzącym). Chłodzenie powietrza kierowanego do pomieszczeń następuje pośrednio, poprzez wymienniki powietrze-powietrze. Dzięki temu obniżenie temperatury nie wiąże się ze wzrostem wilgotności w pomieszczeniu – powietrze chłodzące może być zatem nawilżane aż do poziomu bliskiego nasyceniu. Odbywa się to jednak kosztem sprawności (w porównaniu do pracy układu chłodzenia bezpośredniego). Sprawność takiego systemu wynosi zazwyczaj ok. 55% i poza samym charakterem procesu wpływa na nią także współczynnik sprawności układu odzyskiwania ciepła. Na rynku dostępne są i wciąż rozwijane specjalne układy z wykorzystaniem sekwencji nawilżania i osuszania, zwiększające sprawność całego procesu [2]. Temperatura powietrza chłodzonego w danym pomieszczeniu nie może być niższa niż temperatura punktu rosy (temperatury granicznej, przy której rozpoczyna się wykraplanie pary wodnej z powietrza).

Parametry wody stosowanej do chłodzenia adiabatycznego

Sprawność, a tym samym opłacalność chłodzenia adiabatycznego zależy nie tylko od zewnętrznych warunków cieplno-wilgotnościowych i wymaganych w pomieszczeniu, ale także od powierzchni wymiany ciepła między wodą a chłodzonym powietrzem. Dlatego do nawilżania powietrza w celu jego schłodzenia stosuje się dwa główne rozwiązania techniczne:

• „zatomizowanie” wody – rozbicie jej na dużą liczbę drobnych kropel o wymiarach rzędu 10 μm, o napięciu powierzchniowym niższym niż otaczające je powietrze – dzięki temu powierzchnia wymiany energii jest znaczna, a odparowanie nie wymaga dodatkowego nakładu energii. Zatomizowanie wody wymaga nakładu energii od 4 do 8 W(kg · h);
• przepływ powietrza przez złoża sztywne – panele (maty) ewaporacyjne o znacznej powierzchni czynnej, pokryte cienką warstwą wody. Wówczas różnica ciśnienia cząstkowego między powietrzem a powierzchnią wody zapewnia jej „naturalne” odparowanie. Złoża wytwarzane są z materiałów higroskopijnych o dużej powierzchni czynnej, co wiąże się z rozbudowaną strukturą ich kanałów wodnych (celuloza, wiskoza, włókna polimerowe, ale także odpowiednio zabezpieczone aluminium). Woda spływa po panelach od góry i tworzy na całej powierzchni czynnej maty warstwę o małej objętości, ale dużej powierzchni. Panele ewaporacyjne są zatem zwilżone cienką warstwą wody, co wystarcza do efektywnej pracy.

Wydatek wody używanej w procesie chłodzenia adiabatycznego zależy od warunków temperaturowo-wilgotnościowych oraz od wymaganej temperatury powietrza wylotowego, a także od konstrukcji chłodnicy i zastosowanej metody przygotowania wody do odparowania. Przykładowo w przypadku mat ewaporacyjnych proces chłodzenia adiabatycznego umożliwia wytworzenie 695 kW mocy chłodniczej z 1 m³ wody (dane jednego z producentów).

Do systemów chłodzenia adiabatycznego zwykle stosuje się wodę wodociągową, co wymaga uwzględnienia zagrożenia rozwojem bakterii Legionella pneumophila – należy zapewnić warunki uniemożliwiające bytowanie i namnażanie się tej bakterii, odpowiednio niską ilość składników odpowiedzialnych za tworzenie kamienia kotłowego i biofilmu (twardość, produkty korozji, substancje organiczne), właściwą temperaturę oraz brak zastoisk wody. W Polsce brakuje wymogów dla wody chłodzącej, natomiast według normy brytyjskiej wydanej przez Health Security Executive całkowita liczba bakterii w wodzie chłodzącej nie powinna przekraczać 104 jtk/ml, a zawartość bakterii Legionella – 100 jtk/l [3]. Jeśli w danych warunkach konieczne jest uzdatnienie wody, nie zaleca się stosowania metod chemicznej dezynfekcji czy zmiękczania, ponieważ produkty ich reakcji mogą powodować powstawanie osadów na matach ewaporacyjnych. Zalecanymi procesami są dezynfekcja promieniami UV i odwrócona osmoza. Wytrącaniu osadu na matach sprzyja też wysychanie mat, powinny więc być one zawsze zalane, co wymaga utrzymania minimalnej wielkości przepływu i ciśnienia wody przepływającej przez panele.

Najwyższa efektywność chłodzenia adiabatycznego

W prostych układach chłodzenia adiabatycznego efektywność energetyczna całego procesu osiągana jest dzięki sterowaniu w oparciu o np. temperaturę wylotową powietrza chłodzonego (regulowany jest wówczas wydatek wody) i wody, dzięki czemu zużycie wody i energii jest minimalizowane.

Znaczne zwiększenie efektywności chłodzenia adiabatycznego możliwe jest przede wszystkim dzięki połączeniu w ramach jednego systemu chłodzenia kilku procesów (np. chłodzenie pośrednie i bezpośrednie lub nawilżanie, osuszanie i ogrzewanie) oraz odpowiedniego sterowania. Dzięki temu w danych warunkach realizowany jest proces zapewniający najwyższy komfort, sprawność i efektywność energetyczną.

Układ suszenia i chłodzenia przez odparowanie (w rozwiązaniu jednego z producentów określony jako Desiccative Evaporative Cooling) sprawdza się bardzo dobrze w warunkach „tropikalnego” lata, kiedy powietrze zewnętrzne ma wysoką temperaturę i wilgotność. Wówczas pierwszym etapem procesu jest sorpcja wilgoci na wirniku o własnościach higroskopijnych (i adiabatyczne ogrzanie powietrza w wyniku uwolnienia ciepła adsorpcyjnego), a kolejnymi chłodzenie adiabatyczne pośrednie na obrotowym wymienniku regeneracyjnym i bezpośrednie w komorze nawilżania ewaporacyjnego (z wykorzystaniem mat ewaporacyjnych). Osuszenie i ogrzanie powietrza zewnętrznego w pierwszym etapie powoduje, że może ono przyjąć większą ilość wilgoci i ulec znacznemu ochłodzeniu w procesach chłodzenia adiabatycznego. Dzięki połączeniu kolejnych procesów i dostosowaniu ich udziału do warunków zewnętrznych można realizować chłodzenie przez dłuższy czas, niż byłoby to możliwe przy zastosowaniu samodzielnego chłodzenia adiabatycznego.

Obieg chłodzenia adiabatycznego znany jako obieg Maisotsenki (M-obieg), w Polsce badany i rozwijany m.in. dzięki pracom prowadzonym na Politechnice Wrocławskiej, charakteryzuje się sprawnością wynoszącą ponad 100% (np. 105%) i łączy chłodzenie adiabatyczne pośrednie i bezpośrednie [2, 4]. Po wejściu do wymiennika następuje podział powietrza na dwa strumienie:

• strumień główny schładzany pośrednio (w kanałach suchych), bez zmiany wilgotności względnej;
• strumień pomocniczy – przez otwory w ściance kanału suchego trafia do tzw. kanału mokrego (zawierającego materiał porowaty o dużej powierzchni czynnej), gdzie następuje bezpośrednie chłodzenie adiabatyczne.

Strumień pomocniczy jest schładzany zarówno pośrednio, jak i bezpośrednio – płynąc w kanałach suchych, ma pośredni kontakt z kanałami mokrymi, do których oddaje ciepło, a w kanałach mokrych jest chłodzony w procesie odparowania adiabatycznego. Zapewnia to dalsze obniżanie temperatury strumienia w kanale suchym – następuje „pętla chłodnicza”, która umożliwia znaczne obniżenie temperatury w kolejnych cyklach procesu.

Na rynku spotyka się także układy chłodzenia adiabatycznego zmieniające tryb pracy zależnie od bieżącej sytuacji. Wymagają one dynamicznego systemu sterowania, reagującego na warunki na zewnątrz i wewnątrz budynku i automatycznie dopasowującego najbardziej energooszczędny i najbardziej komfortowy tryb do faktycznych warunków:

• chłodzenie swobodne (free cooling) z wykorzystaniem chłodzenia bezpośredniego powietrzem zewnętrznym o odpowiedniej temperaturze i wilgotności;
• chłodzenie adiabatyczne bezpośrednie z wykorzystaniem bezpośredniego nawilżania powietrza obiegowego – tryb ten sprawdzi się przy niskiej wilgotności powietrza i wysokiej temperaturze;
• chłodzenie adiabatyczne dwustopniowe (pośrednie i bezpośrednie) – powietrze schłodzone adiabatycznie w sposób pośredni (niższa temperatura, bez wpływu na wilgotność) kierowane jest do chłodzenia bezpośredniego – tryb ten sprawdzi się przy bardzo wysokiej temperaturze i dużej wilgotności powietrza w pomieszczeniu.

Rozwiązania techniczne i zastosowania

Popularnymi rozwiązaniami technicznymi w zakresie chłodzenia ewaporacyjnego bezpośredniego (Direct Evaporative Cooling) są:

• chłodnice adiabatyczne, nazywane też klimatyzatorami ewaporacyjnymi, wykonywane jako urządzenia dachowe (rooftopy), w których stosuje się najczęściej odparowanie wody z mat ewaporacyjnych. Są to urządzenia samodzielne lub stanowiące pierwszy etap złożonego systemu chłodzenia – wspomagają wówczas chłodzenie sprężarkowe w stopniu zależnym od panujących warunków zewnętrznych i zapotrzebowania na chłód w pomieszczeniu, kierując wstępnie przygotowany strumień powietrza do układu sprężarkowego. W szczególnie sprzyjających warunkach można dzięki odpowiedniemu by-passowi w ogóle pominąć chłodzenie sprężarkowe i stosować wyłącznie adiabatyczne. Rooftopy tego rodzaju można łatwo dodać do już istniejącego układu chłodzenia – są szybkie w montażu, a dzięki stosunkowo prostej konstrukcji także stosunkowo lekkie, więc nie obciążają w istotny sposób dachu. Instalacje chłodzenia z adiabatyczną chłodnicą wstępną mogą osiągnąć przy takim samym nakładzie energetycznym nawet o 40% wyższą wydajność chłodniczą w porównaniu do rozwiązań bez chłodnicy adiabatycznej [1];
• chłodnice mokre, zapewniające chłodzenie wstępne dla dry-coolerów (gazowych chłodnic suchych) w układach chłodniczych;
• moduły nawilżające w centralach wentylacyjno-klimatyzacyjnych – zwykle w tej funkcji stosowane są nawilżacze wodne z wykorzystaniem mgły (nawilżacz z dyszami niskociśnieniowymi) lub wody zatomizowanej (nawilżacz z dyszami wysokociśnieniowymi). Moduł nawilżania w przypadku rozwiązań niskociśnieniowych, kiedy powstają krople o większych średnicach, musi być wyposażony w odkraplacz, usuwający krople, które nie odparowały w procesie chłodzenia;
• pomieszczeniowe urządzenia mobilne.

Pośrednie chłodzenie adiabatyczne wykorzystywane jest zwykle do chłodzenia pomieszczeń, które wymagają ścisłej kontroli wilgotności oraz są bardziej wrażliwe na zanieczyszczenia niesione z powietrzem zewnętrznym. W takim wypadku powietrze z chłodnicy adiabatycznej (stanowiącej najczęściej rooftop) pracującej w trybie odparowania bezpośredniego (DX) na złożach ewaporacyjnych kierowane jest na wymiennik przeponowy powietrze-powietrze i stanowi płyn chłodzący dla powietrza obiegowego kierowanego do pomieszczenia. Dzięki temu powietrze zewnętrzne nie ma bezpośredniego wpływu na wilgotność czy skład powietrza w pomieszczeniu klimatyzowanym. Chłodzenie adiabatyczne coraz częściej – także w Polsce – zaczyna być standardem efektywności energetycznej w profesjonalnych centrach danych.

Zastosowania przemysłowe – nie tylko chłodzenie powietrza

W zastosowaniach typowo przemysłowych procesy adiabatyczne stosuje się do chłodzenia wody przemysłowej lub technologicznej oraz innych mediów technologicznych, np. roztworów glikolu.

Powszechnie stosowanym rozwiązaniem są chłodnie wentylatorowe (wieże chłodnicze) typu otwartego i zamkniętego. Według szacunków organizacji Eurovent zastosowanie w przemyśle wież chłodniczych zamiast agregatów chłodzonych powietrzem pozwala obniżyć zużycie energii nawet o 15,5% rocznie [5].

W rozwiązaniach typu otwartego wykorzystuje się zjawisko odwrotne niż w przypadku chłodzenia powietrza obiegowego lub pomocniczego – woda jest chłodzona, a powietrze ogrzewane. Na złoże ewaporacyjne za pomocą specjalnych dysz podawana jest od góry woda gorąca, a przeciwprądowo (od dołu) lub krzyżowo (prostopadle do kierunku przepływu wody) – zimne powietrze atmosferyczne, które przepływając przez złoże, ogrzewa się. Niewielka ilość wody odparowuje i w ten sposób odbiera ciepło z pozostałej, właściwej wody chłodzonej. Nagrzane i wilgotne powietrze kierowane jest w górę złoża i tam wyrzucane do atmosfery, natomiast schłodzona woda przepływa na dół wieży i stamtąd kierowana jest ponownie do chłodzenia technologicznego.

W wieżach zamkniętych woda technologiczna nie ma bezpośredniego kontaktu z powietrzem atmosferycznym – przepływa wewnątrz wymiennika ciepła w formie wężownicy, która jest omywana przez zimne powietrze. W ten sposób następuje odebranie ciepła na drodze wymiany woda-powietrze, a więc chłodzenie pośrednie. W tym przypadku można wykorzystać także bezpośredni proces chłodzenia adiabatycznego. Poprzez zwilżenie wężownicy wodą pomocniczą, która odparowuje, następuje schłodzenie powietrza atmosferycznego, co zwiększa efektywność procesu chłodzenia wody technologicznej płynącej w wężownicy. Podobna zasada działania dotyczy także skraplaczy wyparnych w układach chłodzenia przemysłowego.

Wieże chłodnicze mogą być dodatkowo wspomagane przez układy hybrydowe, które dochładzają powietrze potrzebne do chłodzenia wody technologicznej – w trybie suchym (chłodzenie sprężarkowe) lub mokrym (chłodzenie adiabatyczne). Odpowiednie sterowanie takim układem umożliwia pracę w trybie najbardziej efektywnym dla danych warunków, co pozwala optymalnie wykorzystywać energię i wodę potrzebną w procesie chłodzenia. Ważną nastawą przy regulacji tego układu jest punkt przejścia między trybem mokrym a suchym – im niższa jest temperatura tego punktu, tym mniejsze zużycie energii, co odbywa się jednak kosztem wyższego zużycia wody.

Wieże występują w wielu wielkościach wydajności chłodniczej, co pozwala dobrać urządzenie odpowiednie dla zakładów o różnej wielkości. Funkcjonuje też dla nich program certyfikacji Euroventu (potwierdzenie zgodności danych deklarowanych przez producentów z wartościami uzyskanymi podczas pomiarów w niezależnym laboratorium).

Literatura

1. Górka Andrzej, Gorzeński Radosław, Bezpośrednie chłodzenie wyparne budynków, „Rynek Instalacyjny”, https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/projektowanie-went-klima/18997,bezposrednie-chlodzenie-wyparne-budynkow 

2. Pandelidis Demis, Modelowanie procesów wymiany ciepła i masy w wymienniku z M-obiegiem stosowanym w instalacjach klimatyzacyjnych, Wrocław 2015

3. Health Safety Executive, HSG274. Legionnaires’ disease: Technical guidance. Part1: The control of legionella bacteria in evaporative cooling systems, London 2013

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

5. The European Evaporative Cooling Industry in a Nutshell, „Eurovent Industry Monograph” 9/1 – 2019, Brussel, October 2019

6. Materiały techniczne firm: Airtec, Alfa Laval, ASK, Balticold, Carel, COLT, Condair, EETS, Evapco, Klingenburg, Mark, Oxycom, Secespol, Swegon