Chłodzenie obiektów przemysłowych

Oprócz aspektów ekonomicznych coraz większą rolę przy wyborze technologii odgrywają również kwestie ekologiczne – wysoka efektywność, jak najmniejsze nakłady energii oraz unikanie czynników chłodniczych mających wpływ na efekt cieplarniany. Dlatego sięga się między innymi po technologię chłodzenia adiabatycznego.

Możliwości i ograniczenia

Chłodzenie adiabatyczne (wyparne) wykorzystuje zjawisko wymiany ciepła i masy pomiędzy wodą i przepływającym powietrzem – woda odbiera ciepło z powietrza i spada jego temperatura, a rośnie wilgotność.Im powietrze zewnętrzne ma mniejszą wilgotność i wyższą temperaturę, tym skuteczniejsze jest schłodzenie.

Przykładowo powietrze zewnętrzne o temperaturze 32°C i wilgotności względnej 50% po przejściu przez urządzenia adiabatyczne osiąga temperaturę 24–25°C, a gdy wilgotność maleje do 40%, uzyskuje się temperaturę 21–23°C.

Z kolei przy wilgotności względnej poniżej 30% możliwe jest schłodzenie powietrza z 32 do mniej niż 20°C.

Temperatury nie można obniżać w nieskończoność – granicą jest najczęściej różnica ok. 10 K między temperaturą zewnętrzną i wewnętrzną (rys.1).

Możliwości obniżenia temperatury i wydajności chłodzenia uzyskiwane przy użyciu urządzeń do chłodzenia adiabatycznego podano w tab. 1.

Kiedy powietrze jest bardzo wilgotne, system nie jest już tak wydajny. W naszym klimacie jednak przy wysokich temperaturach powietrza zewnętrznego wilgotność względna utrzymuje się zwykle na niskim poziomie, poza krótkimi okresami poprzedzającymi burze.

Z kolei przy temperaturze 24–25°C wilgotność bywa wysoka, ale nie ma wówczas potrzeby chłodzenia i wystarcza odpowiednio wysoka wymiana powietrza.

Właściwie zastosowany system chłodzenia adiabatycznego zapewnia stały przepływ chłodnego powietrza, które absorbuje ciepło z całej kubatury obiektu i wszystkich odkrytych powierzchni, w tym od urządzeń.

Koszty eksploatacyjne tej technologii to energia do zasilania wentylatora oraz zużyta woda.

W stosunku do kosztów eksploatacji urządzeń sprężarkowych koszt wytworzenia 1 kWh odczuwalnej energii chłodniczej jest pięciokrotnie niższy. Koszt ten wzrośnie, jeśli układ będzie pośredni – z wymiennikiem. W takim rozwiązaniu powietrze wewnętrzne wywiewane jest przez nawilżacz i tak schłodzone przechodzi przez wymiennik, w którym schładza powietrze nawiewane.

Powyższe rozwiązanie stosuje się w na obszarach o klimacie, w którym przeważa wysoka wilgotność przy wysokiej temperaturze.

Technologia chłodzenia adiabatycznego działa również jako filtr powietrza – pyły z nawiewanego powietrza wiązane są przez wodę.

Efektywność systemu

Skuteczność układu chłodzenia wyparnego zależy m.in. od optymalnego zaprojektowania systemu wentylacji.

Warto brać pod uwagę rozwiązania kompleksowe. Wiele zależy od tego, czy obiekt został już wybudowany i ma problem z przegrzewaniem, czy jest dopiero na etapie projektowania.

Jedną z możliwości dla już istniejących obiektów jest montaż kilku jednostek chłodzących oraz instalacji rozprowadzania chłodzonego powietrza albo budowa systemu pracującego przez cały rok. Zimą układ może bowiem wykorzystywać wywiewane ciepłe powietrze wewnętrzne i mieszać je z nawiewanym zimnym i świeżym powietrzem zewnętrznym.

Z kolei w nowo budowanych obiektach jednostki chłodzące można lokować razem z czerpnią powietrza. Rozwiązanie takie przez cały rok zapewnia dopływ świeżego powietrza z zewnątrz. Natomiast z funkcji chłodzenia korzysta się tylko wówczas, gdy wymagają tego warunki zewnętrzne.

Gorące powietrze znajdujące się wewnątrz budynku pod dachem usuwane jest za pomocą otworów wywiewnych lub wentylatorów. Taki system chłodzenia wyróżnia się niskim kosztem eksploatacji i konserwacji przy średnim zużyciu ok. 1 kW energii i 50 l wody na 10 000 m³/h dostarczonego powietrza.

Są też jednostki, które mogą pełnić funkcje:

• chłodzenia (pośrednie adiabatyczne),
• pracy z użyciem powietrza mieszanego,
• recyrkulacji i filtracji powietrza.

W razie potrzeby można zastosować filtry o odpowiedniej skuteczności, a standardem jest montaż siatek przeciw owadom. Układy takie szczególnie sprawdzają się w przemyśle tworzyw sztucznych, metalowym i spożywczym, magazynach oraz centrach handlowych i wystawienniczych.

Przykład zastosowania

Chłodzenie ewaporacyjne wykorzystano m.in. w zakładzie produkcji opakowań z tworzyw sztucznych w Zwenkau niemieckiej Weidenhammer Packaging Group, w którym w ramach modernizacji zoptymalizowano system wentylacyjny.

Modernizację przeprowadzono m.in. z uwagi na rozszerzenie produkcji o opakowania do żywności oraz zapewnienie optymalnych warunków pracownikom. Wybrano system chłodzenia adiabatycznego, gdyż zapewniał niższe wydatki na energię przy zachowaniu płynnej produkcji i komfortu dla pracowników oraz reżimu higienicznego.

W zakładzie tym linie produkcyjne pracują na trzy zmiany, a wtryskarki generują spore ilości ciepła i latem często występują upały.Wcześniej hale wentylowane były naturalnie (grawitacyjnie) poprzez świetliki wentylacyjne z wydajnością 20 000 m³/h.

Koncepcja modernizacji wentylacji zakładała, że temperatura w halach może wynosić maksymalnie 28°C przy wilgotności względnej 60%, a system ma odebrać ciepło z maszyn produkcyjnych, które zużywają łącznie 3,5 MW energii.

Projektanci zaproponowali system wentylacji mechanicznej skoordynowanej z chłodzeniem adiabatycznym jako systemem chłodzenia szczytowego.
Całkowity przepływ powietrza wynosi 216 000 m3/h, a moc chłodnicza chodzenia adiabatycznego to min. 1311 kW (fot. 1).

• Zaprojektowano specjalną instalację nawiewu chłodnego powietrza i jego dystrybucji w halach.
• Połączenie wentylacji mechanicznej i chłodzenia adiabatycznego pozwala na indywidualne kontrolowanie temperatury w poszczególnych strefach, które zostały wydzielone w halach.
• System rozprowadzania jest tak zaprojektowany, aby nie dochodziło do powstawania uczucia przeciągu – rozproszona dystrybucja pozwala na nawiew z prędkością nieprzekraczającą 0,2 m/s w strefie przebywania ludzi i kierowanie go do strefy rozgrzanych maszyn.
• Powietrze po ogrzaniu unosi się do góry i jest wywiewane przez wentylatory wywiewne, co zapobiega ewentualnej migracji pyłów i nieświeżego powietrza po hali.
• Praca i wydajność wentylatorów jest skorelowana z pracą instalacji nawiewnej i nawiewnych urządzeń chłodzących, a nad całością czuwa system zarządzania budynkiem.
• Roczne oszczędności w stosunku do systemu z agregatami chłodniczymi wynoszą 655 500 kWh, a emisja CO₂ została zmniejszona o 332 tony.