Bezpośrednie chłodzenie wyparne budynków

Chłodzenie wyparne jest interesującą alternatywą dla dominujących na rynku sprężarkowych urządzeń chłodniczych. Dziesięciokrotnie wyższa efektywność energetyczna oraz brak negatywnego oddziaływania na środowisko to podstawowe atuty tego systemu.

Decydując się na zastosowanie chłodzenia wyparnego, należy jednak wziąć pod uwagę, że w przypadku okresowej wysokiej wilgotności powietrza zewnętrznego odczuwalna moc chłodnicza zastosowanego urządzenia będzie znacznie mniejsza. Ponadto można się spodziewać trochę zwiększonej wilgotności względnej powietrza w chłodzonych pomieszczeniach. Przy prawidłowej eksploatacji urządzenia zagrożenie rozwojem bakterii Legionella pneumophila jest znikome lub w ogóle nie występuje.

Zasada działania chłodzenia wyparnego

Z racji panującego w Polsce klimatu w przeciętnym budynku zużycie energii na ogrzewanie jest zwykle zdecydowanie większe niż na chłodzenie. Jednak w nowych budynkach o wysokiej izolacyjności cieplnej sytuacja może być w niektórych przypadkach odwrotna.

Rosnące wymagania dotyczące efektywności energetycznej budynków oraz wysokie koszty energii skłaniają do poszukiwania nowych rozwiązań technicznych, które zapewnią akceptowalny poziom komfortu w budynkach latem przy ograniczonym nakładzie inwestycyjnym i umiarkowanych kosztach eksploatacji systemu.

Obok najbardziej rozpowszechnionego chłodzenia sprężarkowego na rynku pojawiają się coraz częściej urządzenia do bezpośredniego i pośredniego chłodzenia wyparnego (adiabatycznego, ewaporacyjnego, ang. evaporative cooling). Chłodzenie wyparne ma długą historię, już w starożytności stosowano nawilżane tkaniny do obniżania temperatury w pomieszczeniach.Za rozwiązaniem tym przemawiają aspekty ekologiczne – czynnikiem chłodzącym jest w tym wypadku woda (R-718).

W polskiej literaturze można znaleźć stwierdzenia, że ten sposób ochładzania powietrza jest odpowiedni dla klimatu suchego i gorącego [1].

W artykule przeanalizowano skuteczność i opłacalność zastosowania bezpośredniego chłodzenia wyparnego w warunkach polskich. Zasadę działania i budowę urządzenia do bezpośredniego chłodzenia wyparnego ilustruje rys. 1.

Z punktu widzenia termodynamiki chłodzenie wyparne to wymiana ciepła i masy pomiędzy wodą i przepływającym powietrzem, podczas której następuje odparowanie wody.

Ciepło potrzebne do odparowania wody odbierane jest od przepływającego powietrza, dzięki czemu obniża się jego temperatura i wzrasta zawartość wilgoci. Ciepło jawne pochodzące z powietrza przechodzi w ciepło utajone odparowanej wody.

Cały proces odparowania zachodzi praktycznie bez wymiany ciepła z otoczeniem, a więc całkowita wydajność chłodnicza takiego urządzenia wynosi 0,0 kW. Jednak powietrze opuszczające urządzenie ma temperaturę niższą od powietrza zasysanego nawet o kilkanaście stopni Celsjusza.

Do opisu efektu działania bezpośredniego chłodzenia wyparnego stosowane bywa pojęcie odczuwalnej mocy chłodniczej:

(1)

gdzie:Q – odczuwalna moc chłodnicza, W; – strumień objętości powietrza, m3/s;ρ – gęstość powietrza, kg/m3;c – właściwa pojemność cieplna powietrza, J/(kg K);tin – temperatura powietrza na wlocie do urządzenia, °C;tout – temperatura powietrza na wylocie z urządzenia, °C.

Ponieważ obniżanie temperatury powietrza podczas chłodzenia wyparnego wiąże się ze wzrostem jego wilgotności względnej, wydajność tego typu urządzeń wyraźnie spada przy wysokiej wilgotności względnej powietrza zewnętrznego – latem może się to zdarzyć np. przed burzą.

Pomiary

Żeby ocenić przydatność chłodzenia wyparnego w polskim klimacie, przeprowadzono dwumiesięczne pomiary parametrów pracy urządzenia typu Breeze 900, pracującego przy ok. 75% nominalnego przepływu powietrza. Urządzenie służyło do obniżania temperatury powietrza w hali magazynowej o powierzchni ok. 400 m2, zlokalizowanej na przedmieściach Poznania (fot. 1).

Urządzenie pracujące z wydajnością ok. 10 000 m3/h było monitorowane przez dwa miesiące. Uzyskane wyniki pomiarów posłużyły do obliczeń energetycznych bazujących na godzinowych danych meteorologicznych opublikowanych przez Ministerstwo Infrastruktury i Rozwoju [3]. Pomiary trwały od 1 lipca do 30 sierpnia 2013 r.

Monitoring obejmował:

• temperaturę i wilgotność powietrza zewnętrznego,
• temperaturę i wilgotność powietrza nawiewanego,
• temperaturę i wilgotność powietrza w pomieszczeniu.

Powyższe parametry mierzone były w sposób ciągły z wysoką dokładnością, uśredniane i rejestrowane co 2 minuty. Monitorowano także czas włączenia urządzenia. Pracowało ono od poniedziałku do piątku, od ok. 8:30 do ok. 16:30 i tylko w wypadku, gdy jego praca była niezbędna z uwagi na temperaturę powietrza w obsługiwanym magazynie.

Rys. 2 zawiera dane z całego okresu pomiarów i ilustruje zależność temperatury powietrza nawiewanego od temperatury i wilgotności względnej powietrza zewnętrznego.

W tego typu urządzeniach temperatura powietrza nawiewanego jest tym niższa, im mniejsza jest wilgotność względna powietrza zewnętrznego.

Fakt ten potwierdzają przeprowadzone pomiary: np. przy temperaturze powietrza zewnętrznego równej 32°C temperatura nawiewu wynosiła ok. 23,5°C przy wilgotności względnej powietrza zewnętrznego równej 50%, a obniżała się do 21°C przy wilgotności względnej powietrza zewnętrznego równej 40%.

Z wykresu na rys. 2 wynika, że przy wilgotności względnej powietrza zewnętrznego poniżej 30% możliwe jest schłodzenie powietrza z 32° do mniej niż 20°C.

Rys. 3 ilustruje przebieg mierzonych parametrów w ciągu dwóch kolejnych gorących i słonecznych dni (21 i 22 lipca), przy czym w pierwszym dniu (niedziela) urządzenie było wyłączone, a w następnym pracowało. Dzięki zestawieniu dwóch podobnych dni wykres umożliwia ocenę efektów pracy urządzenia.

Z punktu widzenia użytkownika najbardziej interesująca jest temperatura powietrza w pomieszczeniu.

W niedzielę, przy wyłączonym urządzeniu, przekraczała ona 33°C, natomiast w analogicznych warunkach w poniedziałek, gdy urządzenie działało, temperatura powietrza w pomieszczeniu ograniczona została do ok. 27°C (obniżenie o ok. 6°C).

Zastosowano urządzenie o wydajności o blisko połowę mniejszej, niż wynika z wytycznych producenta dla budynku tej wielkości – przy zastosowaniu poprawnie dobranego urządzenia należy się spodziewać znacznie większego obniżenia temperatury w pomieszczeniu.

Wpływ urządzenia na temperaturę powietrza w pomieszczeniu jest wyraźnie widoczny także w poniedziałek ok. godz. 16:00, kiedy zostaje ono wyłączone. W krótkim czasie temperatura w pomieszczeniu wzrasta o 4°C pomimo słabnącego promieniowania słonecznego i powoli obniżającej się temperatury powietrza zewnętrznego.

W najgorętszej porze dnia, od godz. 13:00 do 16:00, gdy temperatura powietrza na zewnątrz wynosi ok. 32°C, temperatura powietrza nawiewanego podczas pracy urządzenia wynosiła 19–20,7°C, co oznacza ochłodzenie go o ponad 12°C. Z wykresu na rys. 2 otrzymuje się analogiczne wartości tych parametrów.

Tak duże obniżenie temperatury nawiewu wynikało przede wszystkim ze stosunkowo niskiej wilgotności względnej powietrza zewnętrznego w tych godzinach, nieprzekraczającej 35%.

Przy wysokich temperaturach powietrza jego wilgotność względna utrzymuje się zwykle na niskim poziomie, co pozwala osiągnąć dużą wydajność w najgorętszych okresach roku (por. rys. 4).

Podczas pracy urządzenia wilgotność względna powietrza w pomieszczeniu wahała się w granicach 52–57%. Jest to ten sam poziom wilgotności względnej powietrza, który obserwowano w pomieszczeniu bez pracy urządzenia w godzinach nocnych. Moc elektryczna pobierana przez urządzenie wynosiła 680 W.

Analiza sezonowa

Dane pomiarowe zebrane w jednym miejscu i czasie pozwalają określić charakterystyki eksploatacyjne zastosowanego urządzenia dla zastanych warunków zewnętrznych. Żeby jednak ocenić przewidywaną średnią skuteczność oraz sezonowe koszty pracy urządzenia, należy przeliczyć parametry jego pracy uzyskane podczas pomiarów na warunki standardowe.

Zebrane w tym celu dane, zilustrowane częściowo na rys. 2, zostały przybliżone za pomocą funkcji tn = ƒ(te, Φe) oraz Φn = ƒ(te, Φe), gdzie te oznacza temperaturę powietrza zewnętrznego, Φe – wilgotność względną powietrza zewnętrznego, tn – temperaturę.

Korzystając z tak opracowanych zależności oraz danych opublikowanych na stronach Ministerstwa Infrastruktury i Rozwoju [3], obliczono rozkłady temperatury i wilgotności względnych powietrza nawiewanego dla czterech przykładowych miast: Szczecin, Poznań, Warszawa i Katowice.

W każdym wypadku założono, że urządzenie będzie pracowało od 1 czerwca do 31 sierpnia siedem dni w tygodniu, w godzinach, w których temperatura powietrza zewnętrznego przekracza 22°C.

Do obliczenia kosztów eksploatacji przyjęto cenę 1 kWh energii elektrycznej równą 0,60 zł, a 1 m3 wody – 11 zł. Założono strumień objętości powietrza niższy od nominalnego, odpowiadający wartości zastosowanej podczas badań urządzenia. Wyniki obliczeń zebrano w tabeli 1.

Analiza wyników obliczeń pozwala sformułować następujące wnioski:

• Zróżnicowanie czasu pracy urządzenia wynika z odmiennych warunków pogodowych w rozpatrywanych miejscowościach. Najwyższą wartość uzyskuje się w centralnej Polsce (Warszawa, Poznań), a wyraźnie niższą przy wybrzeżu Bałtyku (Szczecin).
• Praca przy małej mocy i niewielkim schłodzeniu powietrza (mniejszym od 4°C) występuje przez 2–10% czasu. Dotyczy to godzin o wysokiej wilgotności powietrza zewnętrznego, ale najczęściej niezbyt wysokiej jego temperaturze (do 25°C) – por. rys. 4, gdy intensywne chłodzenie najczęściej nie jest oczekiwane.
• Średnie schłodzenie powietrza wynosi ok. 7°C, a maksymalne w Poznaniu przekracza 13°C. Przy wysokich temperaturach zewnętrznych urządzenie umożliwia duże schłodzenie powietrza – np. dla Poznania przy temperaturach zewnętrznych przekraczających 30°C powietrze w urządzeniu jest schładzane średnio o ponad 11°C.
• Średnia temperatura powietrza nawiewanego wynosi ok. 18°C, a jego wilgotność względna ok. 90%. Po zaabsorbowaniu zysków ciepła jawnego w pomieszczeniu temperatura powietrza zwykle wzrasta do ok. 25°C, a wilgotność względna spada do ok. 50–60%.
• Średnia odczuwalna moc chłodnicza urządzenia – wyliczona z równania (1) – jest różna dla poszczególnych lokalizacji ze względu na specyficzne warunki pogodowe. Jest ona ok. 35 razy większa od pobieranej mocy elektrycznej. Efektywność energetyczna chłodzenia w badanym urządzeniu jest więc ok. dziesięciokrotnie wyższa niż w powszechnie stosowanych sprężarkowych urządzeniach chłodniczych.
• Średnie zużycie wody przez urządzenie dochodzi do 40 dm³/h, a zużycie w ciągu całego lata wynosi kilkanaście m³. Jeżeli zaprogramowano dodatkowe spusty wody z urządzenia podczas eksploatacji, zużycie wody może wzrosnąć o kilka m³ na sezon.
• Koszty energii elektrycznej i wody są w przybliżeniu równe – każdy z nich odpowiada za ok. 50% łącznego kosztu eksploatacji urządzenia. W przypadku eksploatacji większej liczby urządzeń często opłacalne jest zamontowanie osobnego wodomierza, nieobciążonego opłatą za odprowadzenie ścieków, co istotnie zmniejsza koszty dostawy wody. Jeżeli woda dostarczana jest z własnego źródła, jej koszty są zwykle znikome.
• Łączny koszt eksploatacji urządzenia jest stosunkowo niewielki – nie przekracza 1 zł/h.
• Jednostkowy koszt uzyskania odczuwalnej energii chłodniczej to ok. 3,5 gr/1 kWh – co jest wielkością nieosiągalną dla sprężarkowych urządzeń chłodniczych, których koszty eksploatacji są kilkakrotnie większe – koszt ten jest najczęściej wyższy ok. pięciokrotnie.

Kontrowersje

Znakomita efektywność energetyczna oraz całkowicie ekologiczna praca to niewątpliwe zalety urządzeń do bezpośredniego chłodzenia wyparnego. Charakteryzują się one jednak pewnymi cechami, które budzą czasem wątpliwości projektantów i potencjalnych użytkowników:

• nieosiąganie pełnej wydajności przy dużej wilgotności powietrza zewnętrznego,
• zwiększanie wilgotności względnej powietrza w obsługiwanym pomieszczeniu,
• niebezpieczeństwo rozwoju drobnoustrojów chorobotwórczych.

Jak wspomniano na wstępie, efektywność opisywanych urządzeń do chłodzenia wyparnego spada przy wysokiej wilgotności względnej powietrza zewnętrznego. Tę ostatnią obserwuje się jednak najczęściej przy temperaturach powietrza zewnętrznego poniżej 25°C.

Podane w tabeli 1 liczby godzin o schłodzeniu mniejszym niż 4°C dotyczą takich właśnie umiarkowanych temperatur. Wśród wszystkich analizowanych danych meteorologicznych tylko przez 1 h, w Warszawie, występuje schłodzenie mniejsze od 4°C przy temperaturze powietrza zewnętrznego powyżej 25°C. Należy jednak zaznaczyć, że do powyższych obliczeń wykorzystano dane o średnich godzinowych parametrach powietrza zewnętrznego; w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych incydentalnie może się zdarzyć krótki okres wysokiej temperatury i wilgotności względnej powietrza zewnętrznego – np. przed burzą – w którym urządzenie nie do końca spełni oczekiwania użytkowników.

Dodawanie do powietrza nawiewanego wody w ilości 30–40 dm3/h budzi czasem obawy o niekontrolowany wzrost wilgotności w pomieszczeniu. Byłyby one całkowicie uzasadnione, gdyby urządzenie pracowało na powietrzu obiegowym – podobnie jak w wypadku chłodzenia urządzeniami sprężarkowymi typu split.

Jednak dodanie 35 dm3/h wody do strumienia powietrza świeżego o wielkości 10 tys. m3/h powoduje zwiększenie zawartości wilgoci w powietrzu o niecałe 3 g/kg, co odpowiada zwiększeniu wilgotności względnej o ok. 15% przy temperaturze 25°C, zazwyczaj panującej w chłodzonych pomieszczeniach w letnie dni.

Wyniki pomiarów wykazują, że wilgotność względna powietrza w obsługiwanym pomieszczeniu podczas pracy urządzenia w upalny dzień nie przekraczała 60% (por. rys. 3), co jest zbieżne z wynikami obliczeń: powietrze nawiewane o parametrach tn = 18°C i Φn = 90%, po zaabsorbowaniu jawnych zysków ciepła w pomieszczeniu, w temperaturze ti = 25°C uzyskuje wilgotność względną Φi = ok. 60%.

Może się jednak zdarzyć, że wilgotność względna powietrza zewnętrznego w godzinach południowych przekracza 70% – w takim wypadku jej wartość w chłodzonym pomieszczeniu najprawdopodobniej również przekroczy 70%, ponieważ urządzenia do chłodzenia wyparnego nie mają możliwości osuszania powietrza (w odróżnieniu od sprężarkowych urządzeń chłodzących).

Zakres komfortu w aspekcie wilgotności względnej powietrza dla strefy przebywania ludzi obejmuje przedział od ok. 30 do ok. 70% – przy stosowaniu urządzeń do chłodzenia wyparnego w halach produkcyjnych, magazynach itp. należy sprawdzić dopuszczalny zakres wilgotności względnej powietrza w danym przypadku.

Spośród drobnoustrojów chorobotwórczych związanych z urządzeniami do chłodzenia i klimatyzacji pomieszczeń najpoważniejsze zagrożenie stanowi szczep bakterii Legionella pneumophila. Bakterie te są w niewielkich ilościach spotykane w środowisku naturalnym (np. rzeki, jeziora), rozmnażają się w wodzie o temperaturze od 20 do 45°C z różną intensywnością – najszybciej w 37°C.

Zjadliwość Legionella pneumophila również zależy od temperatury – bakterie te są bardziej agresywne przy ok. 37°C niż w temperaturze poniżej 25°C [4]. Możliwość zakażenia występuje w przypadku wdychania kropelek rozpylonej wody zawierającej bakterie. Woda w postaci cieczy kontaktuje się z nawiewanym powietrzem w większości najpopularniejszych systemów, które służą do chłodzenia, nawilżania lub osuszania powietrza, i w pewnym zakresie wszystkie te systemy należy zabezpieczać przed możliwością rozmnażania się Legionelli – szczegółowe wymagania w tym zakresie można znaleźć m.in. w raporcie Instytutu Techniki Budowlanej [5].

W zakresie klimatyzacji/chłodzenia powietrza największe niebezpieczeństwo wystąpienia bakterii Legionella pneumophila występuje w przypadku zastosowania zraszanych chłodni wieżowych oraz skraplaczy wyparnych z powodu występujących tam wyższych temperatur sprzyjających szybkiemu rozwojowi bakterii.

W przypadku chłodzenia wyparnego (adiabatycznego) jako elementu obróbki powietrza nawiewanego ryzyko namnażania bakterii występuje, gdy w zbiorniku stoi woda podczas pracy przerywanej [4]. Żeby temu zapobiec, należy podczas przerw w pracy urządzenia całkowicie opróżniać jego zbiornik wody. Nowoczesne urządzenia do chłodzenia adiabatycznego wyposażone są w zawory elektromagnetyczne do automatycznego spustu wody.

W badanym urządzeniu temperatura średnia powietrza nawiewanego wynosiła 20,2°C, natomiast w typowych warunkach pogodowych należy się spodziewać średnich temperatur nawiewu na poziomie ok. 18°C (tabela 1). Chwilowe temperatury powietrza opuszczającego urządzenie mogą natomiast sięgać ok. 25°C. Ponieważ do urządzenia w sposób ciągły dostarczana jest zimna woda wodociągowa, średnia temperatura wody jest niższa od temperatury nawiewu.

Ponadto zbiornik wody jest w tym wypadku stosunkowo niewielki – mniejszy, niż wynosi średnie godzinowe zapotrzebowanie na wodę, i dlatego czas przebywania wody w urządzeniu zwykle nie przekracza godziny, zatem ryzyko namnażania się bakterii Legionella jest znikome. Inaczej byłoby, gdyby woda w zbiorniku urządzenia pozostawiana była przy przerwie w pracy, gdyż jej temperatura mogłaby wzrosnąć do temperatury powietrza zewnętrznego (lub powyżej), np. do ponad 30°C. Żeby tego uniknąć, kończąc pracę, należy zadbać o spust wody ze zbiornika urządzenia.

W celu sprawdzenia występowania bakterii w urządzeniu po ponad trzech miesiącach jego eksploatacji pobraną próbkę wody poddano badaniu wg PN-EN ISO 11731-2:2008 na obecność bakterii Legionella pneumophila i nie stwierdzono ich obecności [6].

Podsumowanie

Chłodzenie wyparne (adiabatyczne, ewaporacyjne) jest interesującą alternatywą dla dominujących na rynku sprężarkowych urządzeń chłodniczych.

Dziesięciokrotnie wyższa efektywność energetyczna oraz brak negatywnego oddziaływania na środowisko (czynnikiem chłodzącym jest woda wodociągowa) to podstawowe atuty tego systemu. Decydując się na zastosowanie chłodzenia wyparnego, należy jednak wziąć pod uwagę fakt, że w przypadku okresowo wysokiej wilgotności powietrza zewnętrznego – co zdarza się np. przed burzą – odczuwalna moc chłodnicza zastosowanego urządzenia będzie mniejsza.

Można się ponadto spodziewać nieco podwyższonej wilgotności względnej powietrza w chłodzonych pomieszczeniach. Wartość ta zależy od wielu czynników i najczęściej nie przekracza 55–65%, co jest poziomem akceptowalnym z punktu widzenia komfortu cieplnego człowieka. Przy prawidłowej eksploatacji urządzenia zagrożenie rozwojem bakterii Legionella pneumophila jest znikome lub nie występuje w ogóle, podobnie jak w innych urządzeniach klimatyzacyjnych.

Zastosowanie urządzeń do chłodzenia wyparnego o rozpatrywanej konstrukcji ma jeszcze jedną ważną zaletę, niewymienioną wcześniej: w odróżnieniu od układów chłodzących typu split dostarcza do budynku ogromne ilości świeżego, przefiltrowanego powietrza – analizowane urządzenie nawiewa do budynku 10 000 m3/h schłodzonego powietrza zewnętrznego, co pokrywa zapotrzebowanie na powietrze świeże dla ponad 300 osób, przy całkowitym koszcie eksploatacji nieprzekraczającym 1 zł/h.

W porównaniu do budynków chłodzonych przez urządzenia sprężarkowe odnotować można jeszcze jedną różnicę: na budynku wyposażonym w system chłodzenia wyparnego należy umieścić napisy: „Prosimy nie zamykać okien”.

Literatura

1. Wesołowski A., Przyszłość czynników chłodniczych cz. 1, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 8/2010.
2. www.ekonair.pl.
3. Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków, www.mir.gov.pl/budownictwo/rynek_budowlany_i_technika/efektywnosc_energetyczna_budynkow/typowe_lata_meteorologiczne/strony/start.aspx.
4. The control of legionella bacteria in water systems. Approved Code of Practice and guidance, U.K. Health and Safety Executive, 2009.
5. Kozłowski B., Toczyłowska B., Pykacz S., Wytyczne projektowania, wykonywania i użytkowania instalacji wodociągowych i klimatyzacyjnych w celu ograniczenia zagrożenia bakteriami Legionella, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2011.
6. Sprawozdanie z badań laboratoryjnych nr D/769/1994/2013, oprac. Wojewódzka Stacja Sanitarno-Epidemiologiczna w Poznaniu, 26.09.2013.
7. Sikończyk I., Chłodzenie adiabatyczne w układach klimatyzacji komfortu, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2013.
8. Krajnik-Żuk E., Chłodzenie adiabatyczne w zakładach przemysłowych, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2011.
9. Anisimov S., Pandelidis D., Kierunki rozwoju wyparnego chłodzenia powietrza, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2012.