Adiabatyczne systemy chłodzenia w budynkach przemysłowych

W budynkach przemysłowych – szczególnie produkcyjnych, ale także logistyczno-magazynowych – często występują duże nadwyżki ciepła. Ze względu na prawidłowość procesów technologicznych oraz cykl pracy, a także komfort pracujących w tych obiektach osób konieczne jest skuteczne odprowadzanie tych zysków ciepła.

Inwestorzy i osoby zarządzające szukają rozwiązań chłodzących skutecznych i wydajnych, a jednocześnie o możliwie małym zapotrzebowaniu na energię elektryczną. Rozwiązaniem coraz chętniej wybieranym w obiektach wielkokubaturowych – szczególnie takich, w których nie jest konieczna precyzyjna regulacja temperatury i wilgotności – są systemy chłodzenia adiabatycznego (zwanego też wyparnym lub ewaporacyjnym). Wykorzystywane są w nich przemiany cieplne towarzyszące odparowaniu wody, a niebagatelną zaletą jest stosunkowo prosty proces technologiczny, bez konieczności stosowania skomplikowanych, energochłonnych układów klimatyzacyjno-chłodniczych.

W procesie chłodzenia adiabatycznego wykorzystywane jest zjawisko konwersji ciepła jawnego (temperatura powietrza) na utajone (wilgotność powietrza). Do tego przekształcenia dochodzi w procesie odparowania wody – stąd nazwa „chłodzenie ewaporacyjne” lub „wyparne”. Do odparowania każdego kilograma wody zużywanych jest 2257 kJ energii pobieranej z powietrza w procesie obniżania temperatury. Przemiana ta odbywa się bez zmiany energii całkowitej powietrza. Stąd kolejna spotykana nazwa procesu – „chłodzenie adiabatyczne”.

Chłodzenie bezpośrednie – nawilżanie adiabatyczne

Najprostszą formą chłodzenia adiabatycznego bezpośredniego – czyli takiego, w którym proces odparowania wody i obniżania temperatury zachodzi na powietrzu obiegowym – jest zastosowanie nawilżaczy adiabatycznych, które sprawdzą się w niektórych halach przemysłowych: magazynach, zakładach przemysłu drzewnego czy papierniczego, halach przemysłu mechanicznego, tworzyw sztucznych czy nawet spożywczego.

Choć główną rolą nawilżaczy adiabatycznych jest zapewnienie odpowiedniej wilgotności powietrza w hali, dzięki przemianom cieplnym ciepło jawne – utajone w pomieszczeniu realizowane jest także chłodzenie powietrza. Nawilżanie polega na rozpyleniu wody w drobną mgiełkę za pomocą odpowiednich dysz. Każdy kilogram wody wprowadzonej w ten sposób do pomieszczenia może zapewnić moc chłodniczą odpowiadającą 640 W. Zasoby zużywane w tym procesie to oczywiście woda oraz energia pobierana przez pompę obiegową obsługującą dysze wysokociśnieniowe. Jak wskazuje jeden z producentów nawilżaczy adiabatycznych, temperatura w pomieszczeniu może zostać obniżona nawet o 2–5°C.

Chłodzenie bezpośrednie – „klimatyzatory” ewaporacyjne

Często stosowanym rozwiązaniem do „klimatyzacji” ewaporacyjnej są urządzenia, w których przebiega proces chłodzenia wyparnego, a powietrze kierowane jest nadmuchowo do chłodzonych pomieszczeń. Na rynku występują pod różnymi nazwami, np. schładzacze ewaporacyjne, klimatyzatory (klimatyzery) wodne czy klimatyzatory wyparne (ewaporacyjne). Spotkać można urządzenia mobilne i stacjonarne – te ostatnie są często stosowane jako urządzenia dachowe (rooftopy).
Urządzenie zamontowane w trwałej obudowie z odpowiednio zabezpieczonej (powlekanej) stali lub polimerowych tworzyw sztucznych odpornych na działanie promieni UV zawiera panele celuluzowe, na które podawana jest woda wodociągowa, niewymagająca dodatkowego uzdatniania. Panele mają odpowiednią strukturę (np. plastra miodu), która pozwala uzyskać dużą powierzchnię czynną odparowania, co usprawnia cały proces i zwiększa jego wydajność.

Woda (w średniej ilości 25–40 dm³/h, w zależności głównie od parametrów powietrza zewnętrznego) kierowana jest do instalacji rurowej wewnątrz schładzacza, skąd spływa po lamelach paneli celulozowych. Powietrze nawiewane z zewnątrz (o odpowiednio wysokiej temperaturze i niskiej wilgotności) przechodzi przez panele – zachodzi na nich wówczas odparowanie wody. Parowanie wody z panelu zapewnione jest dzięki przekształcaniu energii jawnej powietrza w energię utajoną (odparowanej wody).

Istotnym elementem i głównym urządzeniem pobierającym energię elektryczną jest wentylator – zwykle promieniowy lub osiowy, charakteryzujący się dużym przepływem powietrza i odpowiednim systemem regulacji (np. inwerterowej). Jego zadaniem jest zassanie powietrza na panele celulozowe, a następnie nadmuch powietrza (wyrzut organizowany jest jako dolny, górny lub boczny – zależnie od konstrukcji i montażu urządzenia) do pomieszczenia. Schładzacz jest często dodatkowo wyposażony w siatki filtrujące, które zabezpieczają panele przed zanieczyszczeniami zewnętrznymi.

Na koszty eksploatacyjne tego rozwiązania składają się energia do zasilania wentylatora oraz zużyta woda (każdy z tych komponentów odpowiada zwykle za około połowę całości kosztów). Jeśli porównać pracę „klimatyzera wodnego” do zapewniającego podobną moc chłodniczą klimatyzatora tradycyjnego (sprężarkowego), zużycie energii elektrycznej może okazać się nawet o 80% mniejsze. Jeden z producentów tych rozwiązań szacuje, że zużywając ok. 1,1 kW energii elektrycznej oraz ok. 25 dm³/h wody, urządzenie zdoła przewentylować i schłodzić 150–300 m² powierzchni. Wskazuje się też na efekt środowiskowy – emisja CO₂ obniżona jest o ok. 90%.

Adiabatyczne chłodzenie pośrednie

Wzrost wilgotności powietrza, który w naturalny sposób towarzyszy chłodzeniu adiabatycznemu bezpośredniemu, nie zawsze jest pożądany. Jeśli chodzi o komfort przebywania ludzi, zakres wilgotności względnej latem (kiedy chłodzenie ewaporacyjne może być stosowane) wynosi 30–70%. Drugim zagadnieniem jest wrażliwość procesów technologicznych na wzrost wilgotności.

Dlatego w zastosowaniach, gdzie kontrola wilgotności jest ważna, stosuje się także pośrednie chłodzenie adiabatyczne, które wyklucza nawilżenie powietrza obiegowego. W tym wypadku powietrze o zwiększonej wilgotności (nawilżone) nie jest powietrzem obiegowym, a chłodzenie przez odparowanie jest jednym z procesów prowadzących do uzyskania właściwej temperatury powietrza w pomieszczeniu.

Adiabatyczne chłodzenie pośrednie, które ze względu na obecność dodatkowych wymienników jest bardziej kosztowne niż adiabatyczne chłodzenie bezpośrednie, realizowane jest albo w centralach wentylacyjnych (w sekcji wymiany ciepła), albo w samodzielnych jednostkach. Do zastosowań przemysłowych przeznaczone są przede wszystkim te ostatnie, choć w przypadku kontroli jakości powietrza wewnętrznego w branżach wrażliwych (takich jak przemysł farmaceutyczny) zastosowanie chłodzenia adiabatycznego elementu centrali wentylacyjnej może się przyczynić do obniżenia kosztów procesu chłodzenia w skali roku.

Jednym z procesów, w których można efektywnie zastosować powietrze schłodzone adiabatycznie, jest chłodzenie na obrotowym wymienniku ciepła, mającym zdolność kumulacji chłodu. Powietrze „procesowe” – w tym wypadku wywiewane z pomieszczenia – przepływa przez komorę nawilżania, gdzie następuje proces chłodzenia adiabatycznego, ponieważ wprowadzana do komory mgła wodna odbiera ciepło z powietrza. Schłodzona masa powietrza kierowana jest do wymiennika obrotowego, w którym następuje kumulacja chłodu, a następnie schłodzenie powietrza zewnętrznego, po czym schłodzony strumień kierowany jest do pomieszczenia. Tak zastosowane chłodzenie adiabatyczne wspomaga, a w sprzyjających warunkach nawet zastępuje działanie sprężarkowych agregatów chłodniczych.

Innym rozwiązaniem jest wymiennik z tzw. obiegiem Maisotsenki. W obiegu tym, zwanym też M-obiegiem (M-cycle), połączono przepływ regeneracyjny oraz krzyżowy. Powietrze po wejściu do wymiennika dzielone jest na strumień główny i pomocniczy. Strumień główny kierowany do tzw. kanału suchego jest ochładzany i kierowany do pomieszczenia. Strumień pomocniczy przez otwory w ściance suchego kanału pomocniczego przepływa do kanału mokrego z wilgotnym materiałem porowatym, na którym woda rozprowadzana jest za pomocą sił kapilarnych. W kanale tym realizowane jest chłodzenie wyparne. Schłodzony strumień pomocniczy w kanałach mokrych przepływa krzyżowo w stosunku do strumienia głównego – w ten sposób realizowana jest wymiana ciepła, bez nawilżania powietrza obiegowego.

Wydajność i niskie zużycie zasobów

Do oceny efektu działania chłodzenia wyparnego stosuje się pojęcie odczuwalnej mocy chłodniczej. Jest ona ok. 35 razy większa od pobieranej mocy elektrycznej, co urządzeniom chłodzenia bezpośredniego zapewnia efektywność energetyczną chłodzenia około 10 razy wyższą niż w przypadku urządzeń sprężarkowych i około pięciokrotnie niższy koszt wytworzenia 1 kWh odczuwalnej mocy chłodniczej. Dla chłodzenia wyparnego pośredniego koszt będzie większy.

Za zasadniczą zaletę systemów chłodzenia ewaporacyjnego uważa się ich niską energochłonność w porównaniu do systemów sprężarkowych wykorzystujących przemiany cieplne czynnika chłodniczego. Zależnie od tego, do jakiego systemu porówna się chłodzenie adiabatyczne, oszczędności energii elektrycznej sięgają 80–90%. Do kosztów energii elektrycznej potrzebnej do zasilania pompy podającej wodę i wentylatora dochodzą koszty wody stosowanej do odparowania. Jeśli eksploatowana jest większa liczba urządzeń, dodatkowe oszczędności eksploatacyjne można osiągnąć, stosując osobny wodomierz – dzięki temu woda zużyta do chłodzenia adiabatycznego nie jest obciążana opłatą za odprowadzanie ścieków.

Technologia zależna od warunków

Odczuwalna moc chłodnicza zależy od strumieni objętości powietrza, gęstości i pojemności cieplnej powietrza oraz różnicy temperatury na wlocie i wylocie urządzenia – czyli w praktyce od warunków pogodowych. Im powietrze zewnętrzne ma mniejszą wilgotność i wyższą temperaturę, tym chłodzenie adiabatyczne będzie skuteczniejsze. Producenci podają zwykle tabele, w których wskazują zależność wydajności systemu (wyrażoną zazwyczaj jako różnica temperatury zewnętrznej i wewnętrznej) od wilgotności. Przykładowo powietrze zewnętrzne o temperaturze 32°C może po przejściu przez urządzenie chłodzenia adiabatycznego:

• przy wilgotności względnej 50% osiągnąć temperaturę 24–25°C;
• przy wilgotności względnej 40%: 21–23°C;
• przy wilgotności względnej poniżej 30%: mniej niż 20°C.

W warunkach polskich przy wysokiej temperaturze powietrza zewnętrznego jego wilgotność jest zwykle niska, z wyjątkiem krótkich okresów poprzedzających burze. Producenci rozwiązań z wykorzystaniem chłodzenia wyparnego pośredniego wskazują jako graniczną (górną) wartość opłacalności stosowania chłodzenia wyparnego wilgotność względną 50%.

Bezpieczeństwo higieniczne

Instalacje chłodzenia adiabatycznego powinny być zabezpieczone przed namnażaniem bakterii powodujących nieswoiste zapalenie płuc (chorobę legionistów) Legionella pneumophila, dla których sprzyjającymi warunkami bytowania i namnażania są wody stojące o temperaturze 20–45°C, z optimum rozwoju w 37°C. Możliwość zakażenia bakterią pojawia się podczas wdychania kropelek rozpylonej wody zawierającej te mikroorganizmy. Ponieważ w przypadku chłodzenia adiabatycznego bezpośredniego nie uniknie się kontaktu ludzi z rozpylanymi kroplami wody, należy zabezpieczyć sam schładzacz, nie dopuszczając do powstania warunków sprzyjających namnażaniu bakterii.

Ryzyko namnażania występuje, gdy w zbiorniku urządzenia stoi woda. W normalnych warunkach pracy woda nie przebywa w zbiorniku dłużej niż godzinę ze względu na jego małą objętość (niższą niż objętość wynikająca ze średniego godzinowego zapotrzebowania na wodę). Ryzyko natomiast pojawia się, jeśli woda pozostawałaby w zbiorniku podczas przerwy w pracy. W takich okresach należy całkowicie opróżniać zbiornik wody za pomocą specjalnych urządzeń spustowych. Nowoczesne urządzenia do chłodzenia adiabatycznego wyposażone są w zawory elektromagnetyczne umożliwiające automatyczny spust wody.

Chłodzenie wyparne – dla konkretnego obiektu

Systemy chłodzenia wyparnego mogą być zastosowane w niemal każdym obiekcie przemysłowym jako rozwiązania wspomagające pracę systemów sprężarkowych, a w niektórych warunkach nawet jako samodzielne urządzenia chłodzące. Ten drugi przypadek dotyczy zwykle obiektów, które nie mają żadnego systemu chłodzenia, a inwestor lub zarządca jest zainteresowany jego wprowadzeniem choćby ze względu na komfort osób przebywających w pomieszczeniach latem.

Chłodzenie adiabatyczne jest więc dobrym rozwiązaniem przy modernizacji budynków. Często możliwe jest łatwe i szybkie dodanie ich do już istniejącego i funkcjonującego obiektu. Nie ingerują w konstrukcję – np. rooftopy są lekkie i nie przyczyniają się do obciążania dachu. Zużycie zasobów (wody i energii elektrycznej) nie wymaga ani przydzielania dodatkowej mocy elektrycznej przez zakład obsługujący daną inwestycję, ani znaczących zmian w instalacji wodociągowej.

Istotny jest jednak dobór odpowiedniego rozwiązania do specyfiki procesów zachodzących w danym obiekcie przemysłowym, szczególnie pod kątem kontroli wilgotności. Jeśli restrykcyjne dotrzymanie parametrów powietrza jest istotne dla procesów przemysłowych, zwykle budynek wyposaża się w precyzyjny system kontroli tych parametrów, np. centrale wentylacyjne. W takiej sytuacji system chłodzenia adiabatycznego pośredniego (zintegrowany z centralą lub dodany do niej jako samodzielna jednostka) może przyczynić się do uzyskania oszczędności energii wydatkowanej na chłodzenie.

Literatura

1. Anisimov Sergey, Pandelidis Demis, Kierunki rozwoju wyparnego chłodzenia powietrza, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2012.
2. Kowalski Piotr, Kwiecień Dariusz, Symulacje całorocznej pracy systemów wentylacyjnych z nawilżaniem adiabatycznym, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2018.
3. Kowalski Piotr, Kwiecień Dariusz, Nawilżanie adiabatyczne – alternatywny sposób chłodzenia powietrza, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2017.
4. Maludziński Bogusław, Wojtas Kazimierz, Nawilżanie adiabatyczne w klimatyzacji hal przemysłowych – studium przypadku, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2017.
5. Górka Andrzej, Górzeński Radosław, Bezpośrednie chłodzenie wyparne budynków, „Rynek Instalacyjny” nr 7–8/2014.
6. Krajnik-Żuk Ewa, Chłodzenie adiabatyczne w zakładach przemysłowych, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2011.