Układy ziębnicze - Przydróżny

W artykule przedstawiono wybrane układy chłodnicze stosowane do całorocznego zasilania urządzeń w rozbudowanych systemach klimatyzacyjnych. W systemach tych różne urządzenia i aparaty aby prawidłowo funkcjonować muszą być zasilane czynnikiem ziębniczym o różnych temperaturach. Zwrócono tu także uwagę na efektywność stosowania „chłodzenia naturalnego" oraz możliwość jego wprowadzenia do istniejących i eksploatowanych układów chłodniczych.

Układy ziębnicze z systemem naturalnego chłodzenia w klimatyzacji.

Ochładzanie powietrza uzdatnianego w centralnych urządzeniach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych realizowane jest zwykle przy temperaturach powietrza zewnętrznego przekraczających 12-M4°C. Chłodnice zasilane są czynnikiem przygotowanym w agregatach ziębniczych z odparowaniem bezpośrednim lub z obiegiem pośrednim. Przyjmowane temperatury robocze tych czynników pozwalają na osuszanie powietrza, nie powinny jednak doprowadzać do oszraniania powierzchni wymienników. Temperatury zasilania stosowane w układach pośrednich wody lub wodnych roztworów glikolu są w przedziale 5-^7°C. Procesy ochładzania powietrza w centralnych urządzeniach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych realizowane są przez 25-^30% czasu eksploatacji tych urządzeń. W takim czasie eksploatowane są również urządzenia chłodnicze. W wyjątkowych przypadkach, dotyczących głównie klimatyzacji technologicznej, urządzenia centralne pracują z minimalnym udziałem powietrza zewnętrznego i wówczas ochładzanie powietrza nawiewanego może być niezbędne nawet przy najniższych temperaturach zewnętrznych. Zatem przez cały czas eksploatacji urządzeń klimatyzacyjnych należy zasilać chłodnice powietrza.

Obecnie projektowane i wykonywane są rozbudowane systemy klimatyzacyjne, o dwustopniowym uzdatnianiu powietrza klimatyzującego, w których powietrze nawiewane ochładzane jest przez cały rok. Należą do nich systemy z klimakonwektorami indukcyjnymi lub wentylatorowymi (wentylokonwektorami) oraz systemy z aktywnymi bądź biernymi belkami chłodzącymi. Omawiane systemy stosowane są przede wszystkim do klimatyzacji pomieszczeń bytowych (pokoje hotelowe, biura) i usługowych. Zatem wymienione urządzenia i systemy klimatyzacyjne wymagają całorocznego zasilania chłodnic czynnikiem ziębniczym przygotowywanym w agregatach ziębniczych.

Problem całorocznego ochładzania powietrza pojawia się również w obiektach modernizowanych, które poddawane są termomodernizacji oraz wyposażane są w sprzęt elektroniczny. Następuje tutaj proces znacznego zmniejszania strat ciepła budynków poprzez wzrost ich ochrony cieplnej i szczelności, a także zwiększania wewnętrznych zysków ciepła od urządzeń biurowych o zasilaniu elektrycznym oraz powiększającego się przeszklenia elewacji zewnętrznych budynków. Pomieszczenia tego typu, mimo że wcześniej nie wymagały ochładzania powietrza w okresie zimowym, po przeprowadzonej modernizacji mogą być przegrzewane przy ujemnych temperaturach zewnętrznych. Zatem wymagają całorocznego ochładzania powietrza wentylującego bądź klimatyzującego.

Co zrobić, aby ograniczyć koszty całorocznego ochładzania powietrza?

W celu ograniczenia całorocznych kosztów eksploatacyjnych urządzeń ziębniczych należy dążyć do ograniczenia rocznego czasu pracy energochłonnych podzespołów w agregatach ziębniczych (np. sprężarek). Można stosować, w zależności od warunków miejscowych, źródła naturalnego chłodzenia takie jak powietrze zewnętrzne lub wody gruntowe o obniżonej temperaturze. Naturalne chłodzenie powoduje obniżenie zapotrzebowania na energię do zasilania agregatów chłodniczych, a tym samym obniżenie kosztów eksploatacyjnych. W większości przypadków wykorzystuje się niską temperaturę powietrza zewnętrznego do przygotowania (ochładzania) czynnika ziębniczego. Takie rozwiązania stosowane są w agregatach bądź systemach chłodniczych z tzw. naturalnym chłodzeniem (Free-Cooling). W dalszej części artykułu przedstawione zostaną przykładowe rozwiązania agregatów i układów chłodniczych z wykorzystaniem, przy niskich temperaturach zewnętrznych, „naturalnego chłodzenia" czynnika ziębniczego. Ponadto przedstawione zostaną możliwości zwiększenia udziału „naturalnego chłodzenia" w całorocznym przygotowaniu czynnika ziębniczego.

Centrale klimatyzacyjne. wentylokonwektory, belki chłodzące

Urządzenia (centrale klimatyzacyjne) i aparaty (wentylokonwektory czy też belki chłodzące) stosowane w rozbudowanych systemach klimatyzacyjnych wymagają zasilania czynnikiem chłodniczym o zróżnicowanej temperaturze. Wartości temperatur czynnika zasilającego chłodnicę są ściśle związane są z planowanymi procesami uzdatniania powietrza. Stosowanie niskich temperatur czynników (np. 6 lub 5/12°C) w centralach klimatyzacyjnych podyktowane jest przeważnie koniecznością osuszania powietrza uzdatnianego centralnie. Wyższe temperatury (np. 8/14°C) zasilania chłodnic w wentylokonwektorach stosowane są w celu ograniczenia wykraplania pary wodnej z ochładzanego powietrza obiegowego. Natomiast belki chłodzące zasilane są czynnikami ziębniczymi o zdecydowanie wyższych temperaturach (np. 14/17°C), by podczas ochładzania powietrza wyeliminować możliwość jego osuszania. Układy chłodzenia przedstawione schematycznie w tym artykule pozwalają na zasilanie chłodnic, w różnych urządzeniach i aparatach klimatyzacyjnych, czynnikiem ziębniczym o różnej temperaturze.

Projektowane systemy z naturalnym chłodzeniem - schemat układu chłodzenia

Już na etapie projektowania urządzeń 1 systemów klimatyzacyjnych należy określić warunki zewnętrzne, przy których niezbędne jest ochładzanie powietrza klimatyzującego. Roczny czas pracy urządzeń oraz temperatury powietrza zewnętrznego, przy których niezbędna jest praca urządzeń chłodniczych, powinny być istotnymi, a niekiedy podstawowymi przesłankami wyboru systemu chłodzenia. Na wybór systemu chłodniczego wpływ mają zarówno warunki techniczne jak również koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Przy większych mocach urządzeń dominującymi systemami chłodniczymi dla potrzeb klimatyzacji są systemy chłodzenia pośredniego ze sprężarkowymi urządzeniami chłodniczymi, w których skraplacze chłodzone są cieczą lub powietrzem.

1 - agregat chłodniczy z systemem Free-Cooling,

1a - wymiennik naturalnego chłodzenia,

1b - skraplacz,

1c - sprężarka,

1d - parownik,

1 e - wentylator,

2, 8 - zawory regulacyjne trójdrogowe,

3 - zbiornik buforowy,

4, 5, 6, 7 - pompy obiegowe.

Na rysunku 1 zamieszczono schemat układu chłodzenia z agregatem wyposażonym w system naturalnego chłodzenia (Free-Cooling). Agregat chłodniczy z tego rodzaju systemem jest dwuobiegowy. Naturalne chłodzenie czynnika zachodzi w dodatkowym wymienniku (chłodnicy powietrznej) 1a, który montowany jest w standardowym rozwiązaniu agregatu. Rozpływy wodnego roztworu glikolu sterowane są zaworem trójdrogowym 2. Praca agregatu regulowana jest sterownikiem mikroprocesorowym. W okresie letnim przepływ wodnego roztworu glikolu wymuszany przez pompę 4, odbywa się poprzez zawór trójdrogowy 2 i parownik 1d. Natomiast w okresach przejściowych i zimowym przepływ ten odbywa się przez obejście zaworu trójdrogowego 2, wymiennik systemu naturalnego chłodzenia 1a, zawór trójdrogowy 2 i parownik 1d. Jeśli temperatura powietrza zewnętrznego spadnie poniżej temperatury wodnego roztworu glikolu wracającego z urządzeń odbiorczych (np. z chłodnic powietrza w centralach klimatyzacyjnych) do agregatu chłodniczego, wówczas sterownik mikroprocesorowy ustawia zawór trójdrogowy 2 tak, by wodny roztwór glikolu schładzany był wstępnie w powietrznej chłodnicy 1a (Free-Cooling), następnie dochładzany został do temperatury zasilania w klasycznym parowniku 1d sprężarkowego obiegu chłodniczego. W okresie zimowym przy temperaturze powietrza zewnętrznego 5°C i niższej, układ sterowniczy agregatu chłodniczego wykorzystuje do schładzania wodnego roztworu glikolu tylko wymiennik układu naturalnego chłodzenia 1a bez załączenia sprężarkowego.

Zastosowane zawory regulacyjne 8 i pompy obiegowe 5 oraz 7 zapewniają wymagane temperatury wody ziębniczej w obiegach zasilających wentylokonwektory i belki chłodzące.

Wyposażenie agregatów chłodniczych z opcją Free-Cooling

Agregaty chłodnicze z opcją Free-Cooling, wyposażone w więcej niż jedną sprężarkę i posiadające całkowicie niezależne obiegi chłodnicze, umożliwiają również skrócenie czasu pracy sprężarek i wentylatorów. W takich przypadkach, w zależności od tem¬peratury zewnętrznej i obciążenia chłodniczego, pewne obiegi systemu Free-Cooling mogą pracować zarówno z pełną mocą jak i z wydajnością ograniczoną, gdyż poszczególne sprężarki i wentylatory mogą być wyłączane bądź pracować z regulowaną prędkością obrotową.

W celu zabezpieczenia się przed zbyt niską temperaturą wodnego roztworu glikolu wypływającego z wymiennika 1a naturalnego chłodzenia, spowodowaną niską temperaturą powietrza zewnętrznego, stosowany jest system jej kontroli i regulacji wydajności tego wymiennika.

1 - agregat chłodniczy ze skraplaczem cieczowym,

1b - skraplacz,

1c - sprężarka,

1d - parownik,

2 - wentylatorowa chłodnica wodnego roztworu glikolu obiegu skraplacza bądź naturalnego chłodzenia,

3 - zbiornik buforowy,

4, 5, 6, 7,10 - pompy obiegowe,

8, 11, 12, 13, 14 - zawory regulacyjne trójdrogowe,

9 - zawór regulacyjny przelotowy.

Na rysunku 2 przedstawiono schemat układu z systemem naturalnego chłodzenia przy zastosowaniu agregatu chłodniczego 1 ze skraplaczem cieczowym (wodny roztwór glikolu) 1b oraz oddzielną, powietrzną chłodnicą wodnego roztworu glikolu 2. Zastosowane urządzenia oraz odpowiedni układ przewodów umożliwiają realizację naturalnego chłodzenia czynnika w okresie zimowym przez powietrze zewnętrzne, przy wyłączonych sprężarkach w agregacie. Czynnikiem zasilającym chłodnice w centralach klimatyzacyjnych, klimakonwektorach i belkach chłodzących jest wodny roztwór glikolu krążący również w obiegu skraplacza i parownika. Temperatury krążącego wodnego roztworu glikolu zależą od chwilowej funkcji, którą w danej chwili musi spełniać. W okresie zimowym i przejściowym będzie to wymagana i zadana temperatura czynnika chłodniczego. Natomiast w okresie letnim w obiegu skraplacz 1b - chłodnica wentylatorowa 2 będzie to temperatura 25*45°C, zaś w obiegach parownik 1d zasilającego poszczególne urządzenia klimatyzacyjne - bufor 3 oraz bufor - odbiorniki temperatura wodnego roztworu glikolu będzie wymaganą temperatura czynnika chłodniczego zasilającego poszczególne urządzenia klimatyzacyjne. Zastosowany w układzie zbiornik buforowy (akumulator energii chłodniczej) 3 spełnia równocześnie rolę sprzęgła hydraulicznego, rozdzielającego obieg hydrauliczny parownika od obiegów odbiorczych. Takie rozwiązanie wpływa korzystnie na pracę sprężarek 1c agregatu, układ ciśnień oraz dobór i pracę pomp obiegowych. Podstawowym jednak zadaniem zbiornika jest ograniczenie liczby włączeń sprężarki agregatu ziębniczego przy zmniejszonym zapotrzebowaniu energii ziębniczej.

Przełączanie obiegu chłodniczy glikolu 2

Do przełączania obiegu chłodnicy glikolu 2 z podstawowego dla okresu letniego i przejściowego na naturalne chłodzenie realizowane w okresie zimowym i przejściowym służy zawór trójdrogowy 8. W okresie tym pracująca pompa 5 będzie miała do pokonania opory obiegu pomniejszone o dość znaczny opór na skraplaczu 1b w agregacie. W związku z tym powinna być to pompa o płynnej zmianie prędkości obrotowej, a więc dopasowująca swoje parametry zgodnie z mierzoną różnicą ciśnienia. W tym okresie pracy dla utrzymania temperatury czynnika dopływającego do obiegów odbiorczych należy stosować regulację wymiany ciepła w wentylatorowej chłodnicy 2 przez sterowanie pracą wentylatorów. Do omawianej regulacji zastosowano dodatkowo zawór regulacyjny przelotowy 9 umieszczony na obejściu chłodnicy wentylatorowej 2, który jest otwierany przy wyłączonych wentyla¬torach chłodnicy 2 i niskich temperaturach powietrza zewnętrznego oraz niewielkim zapotrzebowaniu na energię chłodniczą.

Trójdrogowe zawory regulacyjne 11 i 14 oraz pompy obiegowe 6 i 10 zapewniają wymagane temperatury wody w układach zasilających klimakonwektory i belki chłodzące.

W omawianych układach możliwe jest efektywne wykorzystanie naturalnego chłodzenia (różne, indywidualne) w poszczególnych obiegach ziębniczych. Chłodzenie to jest wykorzystywane w okresie zimowym i przejściowym. Temperatura powietrza zewnętrznego i uzyskiwane schłodzenie wodnego roztworu glikolu w chłodnicy wentylatorowej 2 decyduje o czasie wykorzystywania chłodzenia naturalnego. W okresach przejściowych mogą zachodzić przypadki, w których czynnik ziębniczy zasilający klimakonwektory przygotowywany będzie w części sprężarkowej agregatu, zaś belki chłodzące w wymienniku wentylatorowym 2 przy wykorzystaniu chłodzenia naturalnego.

Wyeliminowanie rozprowadzenia wodnego roztworu glikolu

W celu wyeliminowania rozprowadzenia wodnego roztworu glikolu do chłodnic urządzeń zlokalizowanych w pomieszczeniach (wentylokonwektory, belki chłodzące) można zastosować pośredni układ ich zasilania. Przykładowy schemat takiego układu pokazano na rysunku 3.

1 - agregat chłodniczy ze skraplaczem cieczowym,

1b - skraplacz,

1 c - sprężarka,

1d - parownik,

2 - wentylatorowa chłodnica wodnego roztworu glikolu obiegu skraplacza bądź naturalnego chłodzenia,

3 - zbiornik buforowy,

4, 5, 6, 6a, 7, 10, 10a - pompy obiegowe,

8 - wymiennik ciepła,

9 - zawór regulacyjny przelotowy,

11, 12, 13 - zawory regulacyjne trójdrogowe.

Rozwiązanie układu ziębniczego z pośrednim zasilaniem chłodnic w klimakonwektorach i belkach chłodzących ogranicza czas eksploatacji chłodzenia naturalnego. Pozwala jednak na zastąpienie, co jest szczególnie istotne w rozbudowanych układach, wodnego roztworu glikolu, który jest czynnikiem tanim i zdecydowanie mniej kłopotliwym w eksploatacji, a którego własności termodynamiczne są bardziej korzystne.

Przygotowanie czynnika chłodniczego i praca agregatu, pomp i wentylatorów nadzorowana jest przez układ automatycznej regulacji i sterowania optymalizujący wykorzystanie naturalnego chłodzenia we wszystkich obiegach poboru energii ziębniczej.

1 - agregat chłodniczy,

1a - skraplacz,

1c - sprężarka,

1d - parownik,

1e - wentylator,

2 - wymiennik do chłodzenia czynnika ziębniczego powietrzem,

2a - wentylator,

3 - zbiornik buforowy,

4, 5, 6, 7 - pompy obiegowe,

A, B, C, D, E, F - zawory trójdrogowe.

Modernizowane układy chłodnicze wyposażane w systemy naturalnego chłodzenia

Na rysunkach 1, 2 i 3 przedstawiono schematycznie układy ziębnicze z systemami naturalnego chłodzenia czynnika, które w omawianych układach występują jako wyposażenie standardowe. W trakcie projektowania systemów klimatyzacji bądź wentylacji ustalono, że ochładzanie powietrza klimatyzującego wymagane będzie przy niskich ujemnych temperaturach zewnętrznych. Zatem racjonalnym i ekonomicznie uzasadnionym jest zastosowanie naturalnego chłodzenia. W ostatnich latach do przygoto¬wania czynnika ziębniczego takie układy projektowane i stosowane są coraz częściej.

Obecnie jednak szereg układów chłodniczych zasilających systemy klimatyzacyjne, z rozczłonkowanym urządzeniem ziębniczym i skraplaczem chłodzonym powie¬trzem pracuje praktycznie przez cały rok. W układach tych przygotowanie czynnika ziębniczego wymaga ciągłej pracy spręża¬rek bądź stałego dostarczania energii cieplnej do warników agregatów absorpcyjnych. Taka sytuacja może być efektem:

minimalizacji kosztów inwestycyjnych bez uwzględniania kosztów eksploatacyjnych,
nieprawidłowej oceny warunków pracy klimatyzacji przy niskich temperaturach zewętrznych,
termomodernizacji budynków i zastosowania szczelnej stolarki okiennej, a w konsekwencji zdecydowanego ograniczenia strat ciepła przez przegrody zewnętrzne,
wyposażania pomieszczeń w sprzęt elektryczny i elektroniczny i w efekcie wzrost zysków ciepła oraz uzyskiwania dodatnich bilansów cieplnych nawet przy najniższych temperaturach zewnętrznych.

W istniejących układach chłodniczych, w których czynnikiem ziębniczym jest woda lub wodny roztwór glikolu istnieje możliwość wprowadzenia dodatkowo systemu naturalnego chłodzenia czynnika ziębniczego. Przykładowe rozwiązania rozbudowy istniejących układów chłodniczych o system naturalnego chłodzenia czynnika ziębniczego pokazano schematycznie na rysunkach 4 do 8.

1 - agregat chłodniczy,

1a - skraplacz,

1c - sprężarka,

1d - parownik,

1e - wentylator,

2 - wymiennik do chłodzenia czynnika ziębniczego powietrzem,

2a - wentylator,

3 - zbiornik buforowy,

4, 6, 7, 8 - pompy obiegowe,

A, B, C, D, E, F - zawory trójdrogowe.

Sposób zastosowania naturalnego chłodzenia czynnika ziębniczego w istniejących układach chłodniczych z agregatami wyposażonymi w skraplacze freonowe chłodzone powietrzem przedstawiono schematycznie na rysunkach 4, 5 i 6. Zaznaczono na nich zakres zmian z dodatkowymi elementami, które tworzą system naturalnego chłodzenia, wprowadzonymi do istniejących układów chłodniczych. Do ochładzania czynnika ziębniczego powietrzem zewnętrznym zastosowano wymiennik 2 posadowiony na zewnątrz z wymuszonym przez wentylatory 2a przepływem powietrza zewnętrznego. Pompa obiegowa 4 powoduje przepływ czynnika ziębniczego przez wymiennik 2 do naturalnego chłodzenia lub parownik 1d agregatu chłodniczego. Zawór regulacyjny A steruje przepływem czynnika ziębniczego przez wymiennik 2 lub przez jego obejście.

1 - agregat chłodniczy,

1a - skraplacz,

1c - sprężarka,

1d - parownik,

1e - wentylator,

2 - wymiennik do chłodzenia czynnika ziębniczego powietrzem,

2a - wentylator,

3 - zbiornik buforowy,

4, 5, 6, 7 - pompy obiegowe,

8 - wymiennik ciepła,

A, B - zawory trójdrogowe.

Przy najniższych temperaturach zewnętrznych oraz ograniczonym zapotrzebowaniu na energię chłodniczą zawór A reguluje temperaturę czynnika ziębniczego zapewniającodpowiednie proporcje strumieni czynnika ziębniczego przepływających przez wymiennik 2 i jego obejście.

Zawór trójdrogowy B ustawia przepływ wody (wodnego roztworu glikolu) przez parownik 1d lub przez jego obejście bezpośrednio do zbiornika buforowego 3. W okresach przejściowych możliwy jest przepływ wodnego roztworu glikolu zarówno przez wymiennik 2 do chłodzenia naturalnego oraz przez parownik 1d. Przy takim przepływie czynnika pompa obiegowa 4 powinna mieć możliwość regulacji parametrów pracy, które dostosowywane będą do wymaganych przepływów i oporów. Zawory trójdrogowe C i F pozwalają na regulację temperatury czynnika ziębniczego w układach zasilania belek chłodzących i klimakonwektorów. Zawory trójdrogowe D i E pozwalają na optymalne wykorzystanie chłodzenia naturalnego w poszczególnych obiegach zasilanych chłodnic.

Wprowadzenie systemów naturalnego chłodzenia czynnika ziębniczego jest możliwe tylko w przypadkach, gdy tym czynnikiem jest wodny roztwór glikolu lub woda. Czynnikiem przepływającym przez wymiennik 2 do systemu naturalnego chłodzenia musi być wodny roztwór glikolu (ciecz o obniżonej temperaturze_zamarzania), który po ochłodzeniu przepływa przez zbiornik buforowy 3 do instalacji zasilającej chłodnice urządzeń wentylacyjnych bądź klimatyzacyjnych. Takie rozwiązania przedstawiono na rysunkach 4 i 5. Natomiast na rysunku 6 oprócz obiegów zasilania chłodnic wodnym roztworem glikolu, krążącym przez wymiennik do chłodzenia naturalnego, zastosowano obieg pośredniego zasilania chłodnic wodą ochłodzoną właściwości wody są korzystniejsze niż wodnego roztworu glikolu, dlatego stosowanie jej jako czynnika ziębniczego do zasilania chłodnic przy rozbudowanych (rozległych) instalacjach jest szczególnie korzystne.

Na rysunkach 7 i 8 przedstawiono schematy układów chłodniczych ze skraplaczami agregatów chłodzonymi wodnym roztworem glikolu.

W układach tych chłodnica 2 wodnego roztworu glikolu przewidziana pierwotnie do ochładzania skraplacza 1b w okresach zimowym i przejściowym wykorzystywana jest do przygotowania czynnika ziębniczego.

1 - agregat chłodniczy ze skraplaczem cieczowym,

1b - skraplacz,

1c - sprężarka,

1d - parownik,

2 - wentylatorowa chłodnica wodnego roztworu glikolu obiegu skraplacza bądź naturalnego chłodzenia czynnika,

2a - wentylator,

3 - zbiornik buforowy,

4 - wymiennik ciepła,

5, 6, 7, 7a, 8 - pompy obiegowe,

9 - zawór trójdrogowy,

10 - zawór regulacyjny przelotowy,

11, 11a - zawory przełączające.

W rozwiązaniu przedstawionym na rysunku 7 pompa obiegowa wodnego roztworu glikolu 6 pracuje przez cały rok. W okresie letnim zapewnia przepływ przez skraplacz 1b i wymiennik powietrze - wodny roztwór glikolu 2. Regulacja temperatury roztworu glikolu dopływającego do skraplacza zapewniana jest pracą wentylatorów 2a chłodnicy 2 i zmianę przepływu powietrza przez ten wymiennik.

Przy niskich temperaturach zewnętrznych możliwe jest przygotowanie czynnika ziębniczego bez konieczności pracy sprężarki 1c. Przygotowany w chłodnicy 2 roztwór glikolu pompa 6 przetłacza przez zawór trójdrogowy 9 i dodatkową instalację do układu zasilania obiegów odbiorczych. Przy takim cyklu pracy zamknięty jest zawór 11a, a otwarty 11.

Podgrzany w układach odbiorczych roztwór glikolu powraca, przez dodatkową instalację z otwartym zaworem 11 do chłodnicy glikolu 2. Regulacja temperatury roztworu glikolu realizowana jest podobnie jak w okresie letnim. Ponadto zawór regulacyjny 10 wykorzystywany jest jako drugi stopień regulacji temperatury roztworu glikolu, który może być wykorzystany przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych i niewielkim zapotrzebowaniu na energię ziębniczą w obiegach odbiorczych.

W układzie chłodniczym przedstawionym na rysunku 7 zawory 9, 11 i 11a pracują tylko w dwóch położeniach „zamknięty" lub „otwarty". Ich zadaniem jest skierowanie przepływu roztworu glikolu przez skraplacz 1b agregatu chłodniczego 1 lub do instalacji zasilającej obiegi odbiorcze. W omawianym układzie nie ma możliwości jednoczesnego wykorzystania chłodnicy roztworu glikolu 2 do schładzania skraplacza 1b i dostarczania schłodzonego roztworu glikolu do układu zasilania obiegów odbiorczych. Zatem naturalne chłodzenie czynnika ziębniczego nie może być wspomagającym pracę parowacza 1d agregatu chłodniczego.

Przedstawione niedogodności wykorzystania chłodzenia naturalnego mogą być ograniczone przez zastosowanie rozdzielonych układów chłodzenia skraplacza i zasilania, ochładzanych naturalnie roztworem glikolu, obiegów odbiorczych. Schemat układu chłodniczego z takim rozwiązaniem przedstawiono na rysunku 8.

1 - agregat chłodniczy ze skraplaczem cieczowym,

1b - skraplacz urządzeń klimatyzacyjnych,

1c - sprężarka,

1d- parownik,

2 - wentylatorowa chłodnica wodnego roztworu glikolu obiegu skraplacza bądź naturalnego chłodzenia czynnika,

3 - zbiornik buforowy,

4 - wymiennik ciepła,

5,6,6a, 7, 7a, 8 - pompy obiegowe,

9, 9a 9b – zawory regulacyjne trójdrogowe,

11 – zawór przełączający.

Pompa obiegowa 6 wymusza przepływ roztworu glikolu w układzie skraplacz 1b agregatu - chłodnica glikolu 2. Sterowanie pracą wentylatorów 2a chłodnicy oraz przepływem roztworu glikolu przez trójdrogowy zawór regulacyjny 9 zapewniają jego wymaganą temperaturę na wlocie do skraplacza 1b. Natomiast pompa obiegowa 6a zapewnia przepływ naturalnie ochłodzonego, w chłodnicy 2, roztworu glikolu do układu zasilania obiegów odbiorczych. Zawór regulacyjny 9a steruje przepływem roztworu przez wymiennik 2 i jego obejście zapewniając, przy niskich temperaturach powietrza zewnętrznego, wymaganą temperaturę roztworu glikolu zasilającego obiegi odbiorcze. Wzrost temperatury zewnętrznej powoduje ograniczenie przepływu roztworu przez obejście wymiennika 2. Przy dodatnich temperaturach zewnętrznych cały strumień roztworu glikolu transportowanego pompą 6a przepływa przez wymiennik 2 przy zamkniętym jego obejściu.

Zawór regulacyjny 9b steruje przepływem naturalnie ochłodzonego roztworu glikolu bezpośrednio do układu zasilania obiegów odbiorczych lub przez pompę 5 do parownika 1d agregatu ziębniczego 1 układu zasilania obiegów odbiorczych.

Zawór 9b może być sterowany w sposób płynny lub dwupołożeniowo. Jeżeli temperatura roztworu glikolu za wymiennikiem 2 nie przekracza założonej temperatury zasilania obiegów odbiorczych, to doprowadzony jest on bezpośrednio do tego układu zasilania. Jeżeli temperatura ochładzanego naturalnie roztworu glikolu wzrasta powyżej temperatury zasilania obiegów odbiorczych, to zawór 9b część lub cały strumień, kieruje do parownika 1d, w którym następuje dalsze ochłodzenie roztworu. Wówczas do zasobnika 3 wpływa mieszanina roztworu glikolu ochłodzonego naturalnie w wymienniku 2 oraz parowaczu 1d urządzenia ziębniczego, bądź roztwór glikolu ochładzany kolejno w chłodnicy 2 i parowaczu 1d. Gdy temperatura roztworu glikolu ochłodzonego naturalnie w wymienniku 2 przekroczy temperaturę powrotu z obiegów odbiorczych, należy wyłączyć system naturalnego ochładzania, a czynnik ziębniczy przygotowywany będzie w urządzeniu ziębniczym 1. Przy wyłączeniu systemu naturalnego ochładzania roztworu glikolu należy zamknąć zawór odcinający 11.

Zastosowanie układu chłodniczego przedstawionego na rysunku 8 pozwala na optymalne wykorzystanie naturalnych własności powietrza zewnętrznego (jego temperatury) do ochładzania roztworu glikolu, który wykorzystywany jest w układzie zasilającym chłodnice urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych.

Udział naturalnego chłodzenia w całołocznym cyklu pracy układów chłodniczych

Układy ziębnicze z systemami naturalnego ochładzania czynnika ziębniczego stosowane powinny być przy ich całorocznej eksploatacji. Udział naturalnego ochładzania w całorocznym przygotowaniu wodnego roztworu glikolu zależy od szeregu uwarunkowań, z których najistotniejsze to:

wymagane temperatury czynnika ziębniczego w okresach zimowym i przejściowym,
wartości obciążeń chłodniczych w okresie zimowym i przejściowym porównywalne z obciążeniami maksymalnymi,
moce cieplne (chłodnicze) stosowanych wentylatorowych chłodnic roztworu glikolu porównywalne z obciążeniami chłodniczymi pomieszczeń w okresie przejściowym.

Wszystkie te uwarunkowania wpływają na wartość minimalnej różnicy między temperaturą zasilania roztworu glikolu a powietrza zewnętrznego, przy której zapewniona zostanie wymagana temperatura czynnika ziębniczego. Do naturalnego przygotowania roztworu glikolu może wystarczyć różnica między temperaturą zasilania czynnika ziębniczego a temperaturą powietrza zewnętrznego 4-5(6)°C. Zatem naturalne przygotowanie czynnika ziębniczego o temperaturze 5/10°C jest możliwe, gdy temperatura powietrza zewnętrznego nie przekracza 0-1 °C. Natomiast przy temperaturze czynnika 10/15°C naturalne chłodzenie jest wystarczające przy temperaturze zewnętrznej nie przekraczającej 5-6°C. W przypadku stosowania belek chłodzących temperatura wody zasilającej powinna być taka, aby temperatura powierzchni zewnętrznej rurek w miejscu wlotu wody chłodzącej była powyżej temperatury punktu rosy powietrza w pomieszczeniu. Zazwyczaj stosowana jest woda (czynnik chłodniczy) o temperaturze na wlocie 14-16°C i jej schłodzeniu o 2-3°C. Przyjmując temperaturę czynnika 14/17°C naturalne chłodzenie będzie wystarczające przy temperaturze zewnętrznej nie przekraczającej 8-9°C. W okresie przejściowym przy wyższych temperaturach zewnętrznych naturalne ochładzanie czynnika ziębniczego może wspomagać pracę urządzeń ziębniczych.

Na rysunku 9 przedstawiono przeciętny czas występowania temperatury powietrza zewnętrznego we Wrocławiu dla trzech przedziałów pracy instalacji wentylacyjnej bądź klimatyzacyjnej w ciągu doby: 24 godz.; 16 godz. (od 600 do 2200) i 10 godz. (od 600 do 1600) lit. 9. Jak wynika z rozporządzenia lit. 10 dla pomieszczeń w budynkach użyteczności publicznej i produkcyjnych, których przeznaczenie wiąże się z ich okresowym użytkowaniem, instalacja wentylacji mechanicznej powinna zapewniać możliwość ograniczenia intensywności działania lub jej wyłączenia poza okresem użytkowania pomieszczeń, z zachowaniem warunku normalnej pracy przez co najmniej jedną godzinę przed i po ich użytkowaniu.

Korzystając z danych przeciętnego czasu występowania temperatur powietrza zewnętrznego w cyklu rocznym wyznaczono przeciętną roczną liczbę godzin z temperaturami zewnętrznymi równymi lub niższymi od danej temperatury oraz procentowy udział występowania wybranych przedziałów temperatur powietrza zewnętrznego. Powyższe zależności przedstawiono na wykresach zamieszczonych na rysunkach 10 i 11.

Z wykresów tych wynikają następujące wnioski:

przy temperaturach czynnika ziębniczego 5/10°C jego przygotowanie przez naturalne chłodzenie jest możliwe przez 18-21% czasu rocznej eksploatacji oraz dodatkowo przez 17-19% czasu rocznej eksploatacji naturalne chłodzenie może być jako wspomagające,
przy temperaturach czynnika ziębniczego 10/15°C naturalne ochładzanie może zapewnić jego przygotowanie przez 35-40% czasu rocznego ponadto przez 17-19% cyklu rocznego może być wspomagającym pracę urządzenia ziębniczego,
przy temperaturach czynnika ziębniczego 14/17°C (belki chłodzące) naturalne ochładzanie może zapewnić jego przygotowanie przez 46-52% czasu rocznego ponadto przez 17-19% cyklu rocznego może być wspomagającym pracę urządzenia ziębniczego.

Czas wykorzystania naturalnego ochładzania czynnika ziębniczego w rocznym cyklu pracy układów chłodniczych obrazuje ograniczenie okresu utrzymania w gotowości do pracy agregatów ziębniczych oraz czas niezbędnej pracy sprężarek przy dodatnich temperaturach zewnętrznych. Energetyczne efekty uzyskiwane w wyniku stosowania systemu naturalnego ochładzania czynnika ziębniczego wyznacza się indywidualnie dla każdego układu chłodniczego przy uwzględnieniu całorocznego poboru energii ziębniczej przez urządzenia i systemy wentylacyjne oraz klimatyzacyjne.

Podsumowanie

Stosuje się urządzenia i systemy wentylacyjne oraz klimatyzacyjne, które wymagają całorocznej dostawy energii ziębniczej do procesów uzdatniania powietrza. W takich przypadkach nie¬zbędna jest całoroczna praca układów chłodniczych. 2. W celu ograniczenia kosztów ich eksploatacji należy stosować urządzenia z naturalnym chłodzeniem czynnika ziębniczego przez powietrze zewnętrzne, w okresach, gdy jego temperatura jest niższa od temperatury powrotu czynnika. Naturalne ochłodzenie może w pełni przygotowywać czynnik ziębniczy przy niskich temperaturach zewnętrznych lub być wspomagającym prace agregatów (urządzeń) chłodniczych. 3. Dostępne są urządzenia chłodnicze wyposażone w systemy naturalnego chłodzenia tzw. „free cooling”. 4. Istniejące układy chłodnicze pracujące w cyklu całorocznym, w których czynnikiem ziębniczym jest woda lub wodny roztwór glikolu, można rozbudować o systemy naturalnego ochładzania czynnika. 5. W okresach zimowym i przejściowym zapotrzebowanie na energię chłodniczą z reguły jest mniejsze niż w okresie letnim, zatem wymagane chwilowe zapotrzebowanie mocy chłodniczej odbiorników chłodu może być uzyskiwane przy wyższych parametrach czynnika chłodniczego np. 10/15°C. 6. Podwyższenie parametrów może następować automatycznie przez sterownik agregatu chłodniczego w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego, bądź sygnałem bezpośrednim z urządzeń klimatyzacyjnych. Taki tryb działania powoduje wydłużenie okresu energooszczędnej pracy systemu chłodzenia. 7. Przy kształtowaniu parametrów powietrza z wykorzystaniem belek bądź stropów chłodzących, które zasilane są wodą o relatywnie wysokiej temperaturze (np. 14/17°C), stosowanie chłodzenia naturalnego może być szczególnie efektywne.

LITERATURA

BIAŁKO B., KRÓLICKI Z., RESZEWSKI S.: System bezpośredni z zestawem sprężarkowym czy system pośredni - dylemat inwestora. Chłodnictwo & Klimatyzacja 11/2004.
MONTAIR: Darmowe chłodzenie? Agregaty chłodnicze z zastosowaniem „Free Cooling". Polski Instalator 9/2000.
WYSOCKI J.: System „FREE COOLING" w agre¬gatach wody lodowej chłodzonych powietrzem. Technika chłodnicza i klimatyzacyjna 8/2002.
PRZYDRÓŻNY E., RUSZEL F.: Układy zasilania klimakonwektorów indukcyjnych i wentylatorowych czynnikami energetycznymi. Mat. Konf. „Problemy inżynierii środowiska u progu nowego tysiąclecia", Politechnika Wrocławska - Wydział Inżynierii Środowiska, Wrocław-Szklarska Poręba 2000.
PRZYDRÓŻNY E., RUSZEL F.: Układy energooszczędnego transportu wody grzewczej i chłodniczej do klimakonwektorów. INSTAL 2/2003.
PRZYDRÓŻNY E., RUSZEL F.: Układy ziębnicze do całorocznego ochładzania powietrza w urządzeniach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. INSTAL 7-8/2005.
System Free - Cooling instalowany w agregatach chłodniczych chłodzonych powietrzem. Prospekt TEOMA SA Warszawa.
Halton Room Systems: Przewodnik do projektowania systemów belek chłodzących.
HALUPCZOK J., TOMCZAK W., RUSZEL F., SURMACZ P.: Krzywe czasu trwania temperatury i entalpii powietrza zewnętrznego do oceny odzysku ciepła w wentylacji i klimatyzacji. COW 11/1978.
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. Nr 75, poz. 690 z późn. zm.).

Dr inż. Edward Przydróżny, dr inż. Franciszek Ruszel - Katedra Klimatyzacji i Ciepłownictwa, Politechnika Wrocławska

Artykuł pochodzi z miesięcznika: Chłodnictwo & Klimatyzacja 1-2/2006