Chłód za darmo, czyli jak korzystać z technologii Free-coolingu

W dzisiejszych czasach poszukuje się rozwiązań, które będą mogły zapewnić obniżenie kosztów zarówno inwestycyjnych jak i eksploatacyjnych. Fundamentalne znaczenie ma zmniejszenie zużycia energii podczas schładzania powietrza wewnętrznego, dlatego też takie urządzenia i rozwiązania powinny cechować się wysoką sprawnością energetyczną. Free-cooling jest metodą najbardziej przyjazną dla środowiska oraz pozwalającą na wykorzystanie darmowego chłodu, który można uzyskać z powietrza atmosferycznego. W poniższym artykule omówiono najczęściej realizowane sposoby wykorzystania procesu free-cooling.

Free-cooling bezpośredni i pośredni

Free-cooling jest procesem pozwalającym wykorzystać chłód zawarty w powietrzu zewnętrznym o niskiej temperaturze do obniżenia temperatury powietrza wewnątrz budynku, poprzez wytwarzanie schłodzonej wody bez angażowania sprężarek chłodniczych.

Przy wykorzystaniu funkcji free-coolingu w sprężarkowych agregatach chłodniczych do chłodzenia wody ziębniczej wyróżnia się free-cooling bezpośredni i pośredni.

W przypadku tego pierwszego, woda ziębnicza bezpośrednio odbiera chłód od powietrza zewnętrznego (tzw. Direct Free-Cooling -FCD). Do typowych rozwiązań bazujących na procesie free-coolingu bezpośredniego należą standardowe układy w agregatach chłodniczych, wykorzystujące trójdrogowy zawór regulacyjny montowany przedwymiennikiem parowacza oraz dodatkowy wymiennik free-cooling (free-cooler) umieszczany przed skraplaczem.

Jeżeli woda ziębnicza jest schładzana z wykorzystaniem dodatkowych cieczy pośredniczących, mowa jest o free-coolingu pośrednim. Do takich rozwiązań można zaliczyć systemy „non glycol free-cooling" lub podobne firmy Carrier.

Rozwiązanie standardowe z trójdrogowym zaworem regulacyjnym oraz wymiennikiem free-cooling

W tego typu układzie wyróżnia się trzy okresy pracy: letni, przejściowy oraz zimowy. Za okres letni rozumie się czas, kiedy temperatura powietrza zewnętrznego jest równa lub wyższa| od zadanej temperatury czynnika chłodzącego (wody) na wlocie do agregatu. W tym okresie zawór trójdrożny jest zamknięty (funkcja free-cooling jest wyłączona), powodując przepływ wody tylko przez parownik, a tym samym schłodzenie wody ziębniczej w obiegu chłodniczym.

W okresie przejściowym, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest o około jeden stopień niższa od temperatury czynnika na powrocie z instalacji, następuje włączenie systemu free-cooling. Wentylatory przy sekcji skraplacza załączają się na maksymalną prędkość obrotową, w celu pozyskania największego chłodu z powietrza zewnętrznego. Dzięki zaworowi trójdrożnemu, jeżeli zajdzie taka potrzeba, woda jest schładzana do zadanej temperatury przy wykorzystaniu sprężarkowego układu chłodniczego. W okresie zimowym, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest na tyle niska, że pozwala na osiągnięcie przez wymiennik free-cooling 100% ziębienia agregatu, wówczas układ prężarkowy zostaje wyłączony i chłodzenie czynnika następuje tylko za pomocą układu free-cooling. Przy obniżającej się temperaturze powietrza atmosferycznego, następuje zmniejszenie obrotów wentylatorów, aż do ich całkowitego wyłączenia. Ma to na celu uniemożliwienie przechłodzenia wody poniżej żądanej temperatury. Dalszy spadek temperatury powietrza zewnętrznego powoduje przestawienie zaworu trójdrogowego, gdzie następuje regulacja ilościowa. Zmniejszany zostaje przepływ wody przez wymiennik free-cooling i kierowana jest na parownik wyłączonego układu chłodniczego, tak by zadana temperatura została utrzymana. W bezpośrednich systemach ziębienia instalowanych w urządzeniach schładzających wodę problemem jest zamarzanie jej w okresach, kiedy temperatura otoczenia pozostaje na bardzo niskim poziomie bądź urządzenie jest przez pewien czas wyłączone. Dlatego konieczne jest zastosowanie domieszek glikoli w celu obniżenia temperatury krzepnięcia cieczy oziębianej.

Rozwiązanie CARRIER z czynnikiem chłodniczym jako substancją pośredniczącą

Opatentowane przez firmę CARRIER rozwiązanie wykorzystuje cykl chłodniczy, w którym chłodzenie wody jest zapewnione bez udziału sprężarek poprzez minipompę cyrkulacyjną i wentylatory. Chłód zawarty w powietrzu zewnętrznym jest przekazywany do cieczy oziębianej poprzez czynnik chłodzący. W parowniku woda ziębnicza krążąca w instalacji budynku oddaje niesione ciepło do czynnika, które odparowuje. Pary docierają bezpośrednio do skraplacza, bez przechodzenia przez sprężarkę, która jest w trakcie pracy funkcji free-cooling wyłączana. W tym wymienniku ciepła czynnik chłodniczy oddaje ciepło do powietrza atmosferycznego, na skutek czego podlega procesowi skraplania. Minipompa cyrkulacyjną, która w czasie free-coolingu się załącza, wspomaga naturalne krążenie ciekłego czynnika chłodniczego (w zamkniętym obwodzie) powstałe na skutek zmian temperatury i gęstości czynnika. Wydajność chłodnicza jest regulowana przez otwieranie zaworu rozprężnego, regulującego ilość czynnika chłodniczego dopływającą do parownika.


Pompa wspomagająca ma swoją określoną maksymalną liczbę załączeń. Oznacza to, że po osiągnięciu przez czynnik zadanej temperatury, musi upłynąć pewien okres czasu, by pompa ponownie się załączyła. Skutkować to może wzrostem temperatury wody ziębniczej ponad wartości żądane. Z uwagi na wykorzystanie tych samych wymienników jak w układzie chłodniczym sprężarkowym, występują ograniczenia w wydajności wymienników osiąganych w trybie free-cooling. Firma Carrier określa pełną moc chłodniczą, jako maksymalnie 70% wartości wydajności.

Nie da się ukryć, że stosowanie w ramach możliwości technologii free-coolingu niesie ze sobą więcej pozytywów niż negatywów. Wymaga ono co prawda większych nakładów finansowych na początku inwestycji jednak zwrot poniesionych kosztów jest pewny. Warto więc być świadomym, że dla pewnych obiektów wykorzystanie technolii free-coolingu może okazać się bardziej korzystne niż zastosowanie samej instalacji wody lodowej.


Autor: Agata Kępińska

Literatura:

  • Chłodnictwo i klimatyzacja nr 8/2010, Free-cooling pośredni czy bezpośredni? - dylemat inwestora, Bartłomiej Adamski.
  • Chłodnictwo i klimatyzacja nr 4/2008, System DX free-cooling w agregatach wody lodowej Camera, Andrzej Jarosz, Paweł Romańczyk
  • www.energiaibudynek.pl 5/2011, Różne rozwiązania free-cooling, różne oszczędności energetyczne, Bartłomiej Adamski
  • Działanie i ocena techniczna systemu FREE COOLING stosowanego do wytwarzania wody lodowej w systemach klimatyzacyjnych, Adam Kolasa


Rysunki:

  •  Chłodnictwo i klimatyzacja nr 4/2008, System DX free-cooling w agregatach wody lodowej Camera, Andrzej Jarosz, Paweł Romańczyk


Źródło: Flow Magazyn Koła Naukowego Kliwent, Nr. 1