Free cooling w klimacie polskim

Najpopularniejszymi obecnie i mającymi największe znaczenie w technice klimatyzacyjnej i chłodniczej urządzeniami stosowanymi w Polsce i na świecie do klimatyzacji i chłodzenia pomieszczeń są agregaty sprężarkowe ze skraplaczami bezpośrednio bądź pośrednio chłodzonymi powietrzem atmosferycznym.

Skraplacz może być chłodzony powietrzem zewnętrznym lub wodą chłodniczą przygotowywaną w przeponowych albo bezprzeponowych schładzaczach wody. Są to najczęściej urządzenia przygotowujące wodę chłodniczą o stałych parametrach w ciągu roku.

Agregaty sprężarkowe to urządzenia zużywające dużo energii elektrycznej. Tymczasem rosnące potrzeby oszczędności energii oraz konieczność ograniczania zanieczyszczenia powietrza zobowiązują do powszechniejszego stosowania rozwiązań sprzyjających wykorzystaniu darmowej energii naturalnej.

Do zmian w sektorze energetycznym obligują nas także dyrektywy przyjmowane przez Parlament Europejski. Dlatego również w szeroko pojętej branży budowlanej bardzo pożądane są wszelkie działania prowadzące do ograniczenia zużycia energii oraz skutecznego zwiększania efektywności działania urządzeń, zwłaszcza zapewniających właściwy mikroklimat pomieszczeń. A warto przypomnieć, że w naszej strefie klimatycznej na potrzeby kształtowania komfortu cieplnego, ogrzewanie i chłodzenie, zużywane jest prawie 40% wytwarzanej energii.

Zmniejszenie zapotrzebowania na energię oraz zwiększenie wykorzystania energii odnawialnej może być, w zależności od funkcji obiektu, realizowane różnymi metodami: poprawia się izolacyjność cieplną budynków, stosuje odzysk energii z usuwanego z nich powietrza czy instaluje kolektory słoneczne i panele fotowoltaiczne.

W systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych można również rozważyć zastosowanie swobodnego chłodzenia, które w sprzyjających warunkach może pokryć pewną część potrzeb chłodniczych lub częściowo wspomóc działanie instalacji opartych na wspomnianych powyżej urządzeniach i tym samym ograniczyć pracę sprężarki.

Swobodne chłodzenie

Zadaniem swobodnego chłodzenia, czyli tzw. free coolingu, jest maksymalne wykorzystanie potencjału zawartego w powietrzu zewnętrznym w momencie, w którym jego temperatura jest niższa od parametrów pracy instalacji chłodniczej.

W rozwiązaniu takim część energii niezbędnej do obniżenia temperatury czynnika chłodniczego, która w wariancie podstawowym związana jest z pracą sprężarki, zastąpiona zostaje energią dostarczoną w sposób bezpośredni (wymiana ciepła czynnik wodny – powietrze atmosferyczne w wymienniku przeponowym), z pominięciem lub ograniczeniem pracy obiegu sprężarkowego.

W związku z ograniczeniem zużycia energii na pracę agregatu chłodniczego efektem zastosowania swobodnego chłodzenia jest wzrost efektywności energetycznej procesu ochładzania wody na potrzeby klimatyzowania pomieszczeń oraz redukcja kosztów tego procesu.

Swobodne chłodzenie może być z powodzeniem stosowane w obiektach biurowych, handlowych, usługowych i mieszkalnych oraz przemysłowych. Czynnikiem wpływającym na potencjał jego wykorzystania jest jednak temperatura czynnika wodnego zasilającego chłodnice powietrza. Im jest ona niższa, tym mniejsza wymagana powierzchnia wymiany ciepła, a więc mniejsze gabaryty chłodnic powietrza, a także mniejsze średnice instalacji rozprowadzającej czynnik. Niestety jednocześnie mniejszy staje się potencjał wykorzystania free coolingu. Niska temperatura czynnika gwarantuje także większe osuszenie powietrza przepływającego przez chłodnicę, co niekiedy jest zjawiskiem koniecznym, a w innym przypadku niepożądanym.

W praktyce inżynierskiej, biorąc pod uwagę parametry wodnego czynnika chłodniczego, wyodrębnić możemy następujące grupy urządzeń:

• urządzenia pracujące na niskim parametrze – najczęściej chłodnice w centralach wentylacyjnych, czasami urządzenia indywidualne montowane w pomieszczeniach; konieczne jest wyposażenie ich w tace ociekowe i odprowadzenie skroplin do kanalizacji; parametry czynnika chłodniczego to np. 5/10°C, 6/12°C, 7/13°C,
• urządzenia pracujące na podwyższonym parametrze – najczęściej urządzenia indywidualne montowane w pomieszczeniach (np. wentylokonwektory), mogą to być również chłodnice w centralach wentylacyjnych; konieczne jest ich wyposażenie w tace ociekowe i odprowadzenie skroplin do kanalizacji, ponieważ okresowo na ich powierzchni następuje wykraplanie wilgoci; parametry czynnika chłodniczego to np. 8/14°C, 10/15°C, 12/16°C,
• urządzenia pracujące na wysokim parametrze – najczęściej urządzenia indywidualne montowane bezpośrednio w pomieszczeniach (np. belki chłodzące, wentylokonwektory, płaszczyzny chłodzące); w zależności od parametrów czynnika mogą to być urządzenia pracujące z okresowym wykraplaniem wilgoci lub bez wykraplania; w przypadku okresowego wykraplania wilgoci wyposażone są w tacę ociekową z podłączeniem do kanalizacji lub bez niego; jeśli urządzenie nie ma tacy ociekowej, konieczne jest dobranie parametrów czynnika wykluczających kondensację; parametry czynnika chłodniczego to np. 14/18°C, 16/20°C, 17/20°C.

Istnieje szereg rozwiązań schładzania i dochładzania wody powracającej z urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, ale także wiele możliwości rozwiązania samego procesu uzdatniania powietrza. Z tego powodu każdorazowo wybór konkretnego rozwiązana dopasowuje się do potrzeb instalacji i charakteru zapotrzebowania na energię chłodniczą obiektu oraz możliwości zastosowania dodatkowych układów pozyskujących energię naturalną.

Analiza

Korzystając ze statystycznych danych klimatycznych udostępnionych na stronie Ministerstwa Infrastruktury i Budownictwa [1], przeanalizowano temperatury zewnętrzne dla 61 stacji meteorologicznych na terenie całego kraju. Rozpatrzono dwa przypadki pracy instalacji, tj. całoroczne i sezonowe (w miesiącach V–IX) działanie układu chłodniczego. Ponadto założono trzy warianty pracy instalacji wentylacyjnych lub klimatyzacyjnych z chłodzeniem powietrza za pomocą czynnika wodnego:

• I wariant – praca instalacji oparta na ochładzaniu powietrza w chłodnicy centralnej pracującej na parametrach czynnika chłodniczego 6/12°C,
• II wariant – praca instalacji oparta na ochładzaniu powietrza w klimakonwektorach pracujących na parametrach czynnika chłodniczego 10/15°C,
• III wariant – praca instalacji oparta na ochładzaniu powietrza w belkach chłodzących pracujących na parametrach czynnika chłodniczego 16/20°C.

Założono akumulację ciepła w zbiorniku buforowym ładowanym w korzystnych okresach. Na potrzeby analizy przyjęto układ przedstawiony na rys. 1.

Dane meteorologiczne przeanalizowano wyłącznie pod kątem możliwości pełnego oraz częściowego wykorzystania swobodnego chłodzenia. Analiza dotyczyła jedynie potencjału powietrza zewnętrznego i nie uwzględniała możliwości zapewnienia wymaganej ilości energii oraz doboru urządzeń dla konkretnego rozwiązania. Z danych godzinowych obejmujących czas działania instalacji wyodrębniono okresy, kiedy:

• temperatura powietrza zewnętrznego jest co najmniej o 1°C niższa od temperatury zasilania instalacji chłodniczej – praca free coolingu jest uzasadniona i za jej pośrednictwem możliwe jest pokrycie potrzeb chłodniczych,
• temperatura powietrza zewnętrznego jest co najmniej o 1°C niższa od temperatury powrotu instalacji chłodniczej, ale jednocześnie wyższa bądź równa temperaturze zasilania – praca free coolingu jest uzasadniona i za jej pośrednictwem możliwe jest wstępne schłodzenie czynnika, jednak wymagana jest także praca tradycyjnego układu sprężarkowego,
• temperatura powietrza zewnętrznego jest równa bądź wyższa od temperatury powrotu instalacji chłodniczej – praca free coolingu jest nieuzasadniona, nie jest możliwe schłodzenie czynnika chłodniczego, wymagana jest praca tradycyjnego układu sprężarkowego.

Na rys. 2–4 i rys. 5-7 zaprezentowano szczegółowe wyniki sezonowej i całorocznej pracy układów dla 61 polskich stacji meteorologicznych. Kolorem zielonym na wykresach zaznaczono liczbę godzin, kiedy temperatura powietrza zewnętrznego umożliwia schłodzenie czynnika do założonych parametrów. Kolorem pomarańczowym oznaczono liczbę godzin, kiedy powietrze zewnętrzne pozwala na częściowe schłodzenie czynnika, jednak konieczna jest także praca tradycyjnego układu sprężarkowego. Kolorem niebieskim natomiast oznaczono liczbę godzin, kiedy niemożliwe jest schłodzenie czynnika za pomocą free coolingu i konieczne staje się działanie agregatu.

Na rysunkach zauważyć można, że największy potencjał wykorzystania swobodnego chłodzenia gwarantują instalacje pracujące na wysokich parametrach czynnika chłodniczego. W praktyce sytuacja ta ma najczęściej miejsce w przypadku urządzeń pracujących z wykluczeniem kondensacji wilgoci na powierzchniach wymiennika oraz w urządzeniach z ograniczeniem kondensacji.

Z przeprowadzonej analizy wynika, że średni możliwy czas wykorzystania swobodnego chłodzenia wynosi w Polsce:

• dla parametrów czynnika chłodniczego 6/12°C i pracy całorocznej ok. 3600 h, a dla pracy w okresie V–IX ok. 80 h,
• dla parametrów czynnika chłodniczego 10/15°C i pracy całorocznej ok. 4900 h, a dla pracy w okresie V-IX ok. 430 h,
• dla parametrów czynnika chłodniczego 16/20°C i pracy całorocznej ok. 7000 h, a dla pracy w okresie V–IX ok. 2000 h.

Na kolejnych wykresach (rys. 8 i rys. 9) przedstawiono możliwości wykorzystania free coolingu wyrażone w udziale czasu wykorzystania instalacji. Są to wyniki średnie obliczone dla całej Polski, z pominięciem trzech lokalizacji – Helu, Śnieżki i Kasprowego Wierchu. Stacje te zostały pominięte, gdyż ich wpływ na wynik jest bardzo duży, a nie są reprezentatywne dla całego kraju. Nie stanowią także typowej lokalizacji dla klimatyzowanych obiektów.

Dla potrzeb całorocznego użytkowania instalacji chłodniczej, pracującej na parametrach czynnika 6/12°C, możliwe jest wykorzystanie swobodnego chłodzenia średnio przez 41% roku. Z kolei w instalacji pracującej na parametrach czynnika 10/15°C wykorzystanie free coolingu jest możliwe przez 56% roku. Jeśli z kolei parametry czynnika w instalacji chłodniczej będą wynosiły 16/20°C, to średnio przez 80% roku powietrze zewnętrzne będzie miało temperaturę umożliwiającą swobodne chłodzenie.

Powyższe szacunki pozwalają stwierdzić, że w polskich warunkach klimatycznych zastosowanie free coolingu w instalacjach chłodniczych użytkowanych całorocznie ma szanse stać się inwestycją uzasadnioną ekonomicznie.

Zupełnie inaczej przedstawia się sytuacja w przypadku urządzeń chłodniczych pracujących w cyklu sezonowym. Dla instalacji pracującej w miesiącach V–IX z parametrami czynnika chłodniczego 6/12°C wykorzystanie free coolingu możliwe będzie średnio tylko przez 2% sezonu chłodniczego. Dla instalacji, w której obliczeniowe parametry czynnika wynoszą 10/15°C, udział ten wynosi również niewiele – 12% czasu trwania sezonu.

Jedynie najwyższe parametry czynnika chłodniczego, 16/20°C, dają zadowalające rezultaty – średnio przez 55% czasu trwania sezonu możliwe będzie swobodne chłodzenie.

Jeżeli chodzi o rozbieżności pomiędzy poszczególnymi regionami kraju, jak można było zobaczyć na rys. 2–4 i rys. 5-7, to poza odrzuconymi lokalizacjami górskimi nie są one bardzo wyraźne.

Na rys. 10-11 umieszczono poglądowe mapy terenu Polski obrazujące możliwy procentowy czas wykorzystania swobodnego chłodzenia w instalacjach pracujących na najkorzystniejszych parametrach (16/20°C).

Dla pracy całorocznej maksymalna różnica wynosi 10% bez uwzględnienia stacji meteorologicznej w Zakopanem i 13% przy jej uwzględnieniu.

Dla pracy sezonowej natomiast różnica ta wynosi 20% bez uwzględnienia Zakopanego i 30% przy jego uwzględnieniu.

Na rys. 12 i rys. 13 przedstawiono praktyczne wykresy umożliwiające szacunkowe określenie udziału czasu możliwego wykorzystania swobodnego chłodzenia w zależności od przyjętej temperatury zasilania i założonego przyrostu temperatury czynnika chłodniczego.

Dla przyjętej temperatury zasilania odczytać można, w jakim zakresie możliwe jest pełne wykorzystanie free coolingu. Ponadto dla założonego przyrostu temperatury czynnika uzyskujemy informację o możliwym dodatkowym okresie wspomagania pracy instalacji. Czas pracy w funkcji wspomagania jest różnicą wartości odczytanych dla założonego przyrostu i swobodnego chłodzenia.

Wykresy, podobnie jak rys. 8 i rys. 9, wykonano dla uśrednionych wartości pomiarów ze wszystkich stacji meteorologicznych z pominięciem Helu, Śnieżki i Kasprowego Wierchu. Mogą one znaleźć praktyczne zastosowanie przy wstępnej ocenie zasadności wykorzystania danego rozwiązania instalacyjnego w średnich polskich warunkach klimatycznych. Odchylenie wyników dla poszczególnych lokalizacji w odniesieniu do wartości uśrednionych jest niewielkie i sięga kilku procent, co jest wystarczające na potrzeby szacunków inżynierskich czynionych w różnego rodzaju przedsięwzięciach projektowych.

Wnioski

Dla całorocznego użytkowania układu chłodniczego, np. dla pomieszczeń o prawie stałych zyskach ciepła (wewnętrzne serwerownie czy pomieszczenia centrów handlowych), zastosowanie swobodnego chłodzenia może się okazać korzystne w przypadku wszystkich rozpatrywanych parametrów czynnika chłodniczego.

Najbardziej zadowalające pod względem kosztów eksploatacji będzie rozwiązanie opierające się na możliwie najwyższych parametrach pracy instalacji.

Powyższa analiza stawia pod sporym znakiem zapytania zasadność inwestycji w system swobodnego chłodzenia dla instalacji pracujących wyłącznie w sezonie ciepłym, szczególnie na niskich i średnich parametrach czynnika chłodniczego.

Dla eksploatacji w rozpatrywanym trybie sezonowym wykorzystanie free coolingu jest uzasadnione jedynie w przypadku najwyższych parametrów pracy instalacji chłodniczej. W praktyce rozwiązanie to może znaleźć zastosowanie głównie dla układów pracujących przy wykorzystaniu belek i płaszczyzn chłodzących, które, póki co, w naszym kraju nie należą do najbardziej popularnych, choć liczba instalacji tego typu w ostatnim czasie wyraźnie rośnie.

Należy również mieć na uwadze, że najkorzystniejsze efekty ekonomiczne uzyskamy wówczas, kiedy agregat przygotowywał będzie czynnik o możliwie najwyższej chwilowej temperaturze zasilania, co może być realizowane w nowoczesnych urządzeniach dostępnych na rynku. Umożliwi to pracę urządzenia z wyższym współczynnikiem efektywności, co przełoży się na obniżoną konsumpcję energii elektrycznej.

Jak wynika z rysunków, możliwości wykorzystania swobodnego chłodzenia nie różnią się znacznie na terenie Polski i zaproponowany uproszczony sposób oceny możliwości wykorzystania free coolingu jest wystarczający do różnego rodzaju wstępnych analiz i porównań. Większe różnice zaobserwowano jedynie w regionach górskich.

Podsumowanie

Przeprowadzona analiza możliwości wykorzystania swobodnego chłodzenia na potrzeby przygotowania czynnika chłodniczego dla systemów wentylacji i klimatyzacji pomieszczeń miała na celu wykazanie wrażliwości wyników na parametry oraz czas użytkowania instalacji.

Właściwie wykorzystane chłodzenie swobodne pozwala na ograniczenie zużycia energii, a dzięki temu na zmniejszenie zużycia paliw kopalnych i zredukowanie zanieczyszczania środowiska. Rozwiązanie to powinno być każdorazowo brane pod uwagę już na etapie planowania, projektowania, jak i realizacji nowych inwestycji, jednak jego zastosowanie musi zostać poprzedzone analizą techniczno-ekonomiczną, gdyż może się okazać inwestycją zarówno opłacalną, jak i zupełnie nierentowną.

Literatura

1. www.mib.gov.pl.
2. ASHRAE Handbook, 2015.
3. Recknagel H., Sprenger E. i in., Kompendium wiedzy – ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo 08/09, Omni Scala, Wrocław 2008.