W pierwszej części artykułu (CHiK 5/2014 str. 40) przedstawiono różne metody ograniczenia zużycia energii przez systemy chłodnicze – dobór odpowiedniego wentylatora skraplacza i freecooling. W drugiej części zostaną zaprezentowane inne metody ograniczenia zużycia energii przez agregaty chłodnicze.

Agregaty chłodnicze są podstawową częścią wszystkich układów klimatyzacyjnych (rys. 1.). Obecnie, ze względu na stale rosnące koszty energii, dąży się do maksymalizowania efektywności pracy systemów chłodniczych. Dlatego coraz większy nacisk kładzie się na odpowiedni dobór wytwornicy chłodu, który pozwala na energooszczędną pracę całego układu.

Jest wiele sposobów na obniżenie energochłonności agregatów chłodniczych. Bardzo ważnym czynnikiem jest odpowiedni dobór projektowanego systemu do danego typu klimatyzowanego obiektu [2]:

• na potrzeby systemów klimatyzacyjnych, obsługujących pomieszczenia cechujące się w przybliżeniu stałym obciążeniem cieplnym należy dobierać agregaty chłodnicze o wysokich wskaźnikach efektywności osiąganych przy stałej wydajności, równej w przybliżeniu nominalnemu obciążeniu systemu,ƒƒ
• na potrzeby systemu o wysokiej zmienności obciążeń (np. obiekty użyteczności publicznej) należy uwzględnić, że maksymalne obciążenia systemu występują przez bardzo krótki okres czasu (kilka-kilkanaście dni w roku), dlatego należy dobierać systemy, które cechują się wysokimi wskaźnikami efektywności w szerokim zakresie wydajności (wskaźnik efektywności dla obciążenia maksymalnego może być nawet nieco niższy),
• ƒƒwiele obecnie budowanych obiektów cechuje się bardzo dużym przeszkleniem elewacji, co wiąże się z występowaniem częstych okresów jednoczesnego zapotrzebowania na moc grzewczą i chłodniczą w okresie przejściowym. Dla takich systemów dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie układów ze zmiennym przepływem czynnika ziębniczego z możliwością jednoczesnej pracy systemu w trybie grzania i chłodzenia (systemy VRF) lub systemów czterorurowych klimakonwektorów zasilanych wodą grzewczą i wodą lodową.

Rys. 1. Przykładowy system HVAC z agregatem wody lodowej i skraplaczem chłodzonym cieczą [1]

Odbiór ciepła ze skraplacza [3÷5]

Skraplacze chłodzone powietrzem

W przypadku wytwornic wody lodowej lub agregatów freonowych ze skraplaczem chłodzonym powietrzem, ciepło skraplania jest przekazywane do atmosfery. Urządzenia tego typu pracują z niższą efektywnością energetyczną, spowodowaną: przekazywaniem ciepła skraplania do powietrza zewnętrznego w sposób uniemożliwiający jego odzysk i stosunkowo wysoką temperaturą skraplania (temperatura powietrza zewnętrznego na wlocie do skraplacza przyjmowana jest na poziomie 30÷35°C). 

Efektywność energetyczną układów chłodzonych powietrzem można częściowo poprawić, stosując dochładzacz ciekłego czynnika chłodniczego za skraplaczem (tzw. ekonomizer) oraz poprzez elektroniczne zawory rozprężne. Funkcja ekonomizera realizowana jest poprzez dodatkowy wymiennik ciepła, zawór elektromagnetyczny oraz dodatkowy zawór rozprężny (rys. 2a). Po otwarciu zaworu elektromagnetycznego część czynnika chłodniczego kierowana jest do zaworu rozprężnego obiegu ekonomizera, gdzie ulega rozprężeniu oraz obniża swoją temperaturę. Chłodziwo o obniżonej temperaturze wpływa do wymiennika ciepła, gdzie ochładza pozostałą częścią czynnika chłodniczego o wyższej temperaturze i ciśnieniu. Część czynnika z obiegu ekonomizera odparowuje i kierowana jest bezpośrednio do sprężarki (w postaci przegrzanej pary). Pozostała część freonu o wyższej temperaturze ulega dochłodzeniu na wymienniku, a następnie zostaje rozprężona na właściwym zaworze rozprężnym, po czym kierowana jest do parowacza (lub parowaczy).

a)

b)

Rys. 2. Rozwiązania ograniczające zużycie energii przez skraplacze chłodzone powietrzem [1]: a) ekonomizer; b) moduł c.w.u.

Kolejną możliwością poprawy efektywności agregatów ze skraplaczami chłodzonymi powietrzem jest zastosowanie dodatkowych wymienników ciepła po stronie wysokiego ciśnienia (umieszczonych szeregowo przed skraplaczem lub równolegle ze skraplaczem) służących do odzysku ciepła skraplania na potrzeby np. instalacji ciepłej wody użytkowej (rys. 2b).

Skraplacze chłodzone cieczą

W przypadku agregatów ze skraplaczem chłodzonym wodą ciepło kondensacji najczęściej zostaje przekazane do wody a następnie przy użyciu dodatkowych urządzeń (dry-cooler’ów, wież chłodniczych) do atmosfery. 

Wieże chłodnicze 

Wieże chłodnicze stanowią jeden ze sposobów schładzania medium, wykorzystywanego do odprowadzenia ciepła ze skraplaczy agregatów chłodniczych. Wieże chłodnicze można podzielić na dwie grupy:

• ƒƒwieże chłodnicze z otwartym obiegiem schładzania,
• ƒƒwieże chłodnicze z zamkniętym obiegiem schładzania.

W zależności od sposobu przepływu strumienia powietrza można dokonać kolejnego podziału na wieże o przepływie przeciwprądowym (rys. 3a), krzyżowym (rys. 3b) i mieszanym. W wieżach chłodniczych stosowane są wentylatory zasysające lub tłoczące oraz specjalne konstrukcje wypełnienia pozwalające na maksymalnie równomierne rozprowadzenie wody. Przy nieskończenie wielkiej powierzchni kontaktu wody z powietrzem, woda mogłaby się schłodzić do granicznej temperatury równej temperaturze termometru mokrego powietrza atmosferycznego. Prowadzone są badania nad rozwiązaniami umożliwiającymi obniżenie temperatury wody do wartości niższej niż temperatura termometru mokrego, poprzez wykorzystanie mieszanych schematów przepływu powietrza i wody z uwzględnieniem kontaktu pośredniego i bezpośredniego [6]. Skuteczność wież chłodniczych zależy od temperatury wlotowej powietrza atmosferycznego oraz od jego wilgotności względnej. W typowych rozwiązaniach osiągana temperatura schłodzonej wody jest o około 5°C wyższa od temperatury termometru mokrego powietrza na wlocie.

a)

b)

Rys. 3. Schemat przepływu powietrza i wody w wieżach chłodniczych [1]: a) przeciwprądowy; b) krzyżowy

Wieże chłodnicze bezpośrednie

(...)

Wieże chłodnicze pośrednie

(...)

Dry coolery

(...)

Akumulacja chłodu [4, 6, 7]

W systemach akumulacji energii ciepło (chłód) z urządzeń chłodniczych jest odbierane lub dostarczane do medium magazynującego, w celu późniejszego wykorzystania. Magazynowanie energii dla systemów klimatyzacji może odbywać się w dużym przedziale temperatury, zarówno na potrzeby grzewcze jak i chłodnicze. Energia ta jest akumulowana w cyklach: dobowych, tygodniowych, rocznych lub sezonowych. W procesach składowania energii wykorzystuje się zarówno zjawiska fizyczne jak i chemiczne. Podstawowym znaczeniem akumulacji jest umożliwienie przechowywania energii chłodniczej dla najwyższych, szczytowych okresów zapotrzebowania na chłód. Zasobnik chłodu pozwala na rozłożenie czasu ładowania i znaczące obniżenie mocy agregatów ziębniczych obsługujących daną instalację. Akumulacja chłodu odbywająca się w cyklu dobowym może być realizowana jako pełna, częściowa lub z limitem wydajności. Podczas magazynowania pełnego, chłód jest wytwarzany tylko poza godzinami szczytowymi (agregat chłodniczy pracuje w czasie obowiązywania taryfy nocnej). W trakcie pracy układ pokrywa zapotrzebowanie chłodu podczas jego szczytowego zapotrzebowania wyłącznie za pomocą energii chłodniczej zmagazynowanej w zasobniku. Zasobnik jest ładowany podczas niskiego zapotrzebowania na chłód lub gdy zapotrzebowanie takie nie występuje. Sytuacja taka ma miejsce w godzinach nocnych, w których energia elektryczna jest tańsza (przy systemie dwutaryfowym). Podczas magazynowania częściowego, chłód w okresie jego największego zapotrzebowania jest dostarczany zarówno z zasobnika, jak i z agregatu chłodniczego. Magazynowanie z limitem wydajności łączy cechy obu tych systemów akumulacji, pozwalając racjonalnie wykorzystać taryfę nocną i obniżając wydajność w okresie obowiązywania taryfy dziennej na energię elektryczną.

Można rozróżnić dwa sposoby magazynowania energii:

• jawny – związany ze zmianą temperatury materiału akumulującego ciepło,ƒƒ
• utajony – związany ze zmianą stanu skupienia materiału akumulującego ciepło

Przykładowe metody akumulacji chłodu:

• ƒƒlód na wężownicy – schładzanie wewnętrzne: system cechuje się przyrostem objętości lodu przy zamarzaniu, w zasobniku musi zostać zainstalowana wężownica,
• lód w kapsułkach: system wymaga stworzenia warunków do przepływu czynnika pośredniczącego,ƒƒ
• lód zawiesinowy (mieszanina zawierająca kryształki lodu o średnicy okolo 1 mm oraz substancję przeciwdziałającą krzepnięciu wody): system cechuje się niskim stężeniem lodu w mieszaninie, gdyż musi ona być pompowana.

Zastosowanie wody w systemach akumulujących ciepło utajone w chłodnictwie i klimatyzacji stwarza duży problem techniczny związany ze wzrostem objętości właściwej tej substancji przy zamarzaniu, który powoduje duże naprężenia w konstrukcjach samych zasobników ciepła. Jednym z możliwych rozwiązań, pozwalających na efektywną realizację akumulacji jest system wykorzystujący specjalne powłoki sferyczne STL do magazynowania chłodu (rys. 7.). Dodatkową zaletą tego rozwiązania jest możliwość wykorzystania do celów akumulacji „substancji roboczych” w postaci specjalistycznych związków, mogących zmieniać stan skupienia w temperaturze różnej od 0°C. Takie materiały nazywają się PCM (Phase Change Materials). System oparty na technologii STL, przedstawiony na rysunku 7., składa się z trzech podstawowych elementów składowych:

• materiału akumulacyjnego wypełniającego zbiornik – zasobnik STL,ƒƒ
• agregatu ziębniczego przystosowanego do współpracy z systemem akumulującym chłód,ƒƒ
• układu regulacji i sterowania.

Rys. 7. Schemat systemu akumulacji STL [1]

Materiał akumulacyjny stanowią kule z powłoką wykonaną z tworzywa sztucznego z większą częścią objętości wypełnioną substancją typu PCM (rys. 8.), która zmienia swój stan skupienia w zależności od temperatury płynu pośredniczącego w wymianie ciepła. Czynnik pośredniczący, przepływając w przestrzeni pomiędzy kulami, wymienia ciepło z substancją typu PCM. Jeżeli jego temperatura jest niższa od temperatury zmiany stanu skupienia, substancja w kulach zamarza i akumuluje w sobie chłód otrzymany od czynnika. Trwa wówczas proces tzw. ładowania zasobnika, odbywa się on w czasie niższych obciążeń chłodniczych układu (np. w godzinach nocnych). W przypadku, gdy czynnik ma wyższą temperaturę niż czynnik w kulach, następuje przekazywanie energii chłodniczej zgromadzonej w zasobniku do systemu klimatyzacji (tzw. proces rozładowania zasobnika). Mechaniczny i chemiczny charakter powłoki kulki jest dobrze przystosowany do warunków spotykanych w systemach klimatyzacyjnych i chłodniczych. Średnice kulistych powłok wynoszą, w zależności od typu systemu 77, 78 lub 98 mm. Ilość zmagazynowanej energii dla każdego typu STL jest proporcjonalna do objętości zbiornika napełnionego w całości kulkami.

Adsorpcyjne układy chłodnicze [4, 8, 9] 

(...)

Podsumowanie

W niniejszej części artykułu zaprezentowano metody ograniczenia zużycia energii przez agregaty chłodnicze wykorzystywane w systemach klimatyzacyjnych. Do wymienionych rozwiązań należą:

• ƒefektywne odprowadzanie ciepła ze skraplacza:
  • wykorzystanie ekonomizera w skraplaczach chłodzonych powietrzem,
  • wykorzystanie modułów hydraulicznych c.w.u.,
  • zastosowanie wież chłodniczych (bezpośrednich i pośrednich) do skuteczniejszego chłodzenia skraplacza,
  • wykorzystanie dry coolerów do ograniczenia miejsca zabudowy na dachu oraz ograniczenia rozmiarów urządzenia chłodniczego,
• akumulacja chłodu w systemach chłodniczych,ƒƒ
• zastosowanie adsorpcyjnych agregatów chłodniczych w obiektach dysponujących dużą ilością ciepła odpadowego.

prof. dr hab. inż. Sergey ANISIMOV
Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa,
Wydział Inżynierii Środowiska,
Politechnika Wrocławska

mgr inż. Demis PANDELIDIS
Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa,
Wydział Inżynierii Środowiska,
Politechnika Wrocławska

LITERATURA:
[1] Dostępne katalogi i pomocnicze materiały projektowe producentów.
[2] ADAMSKI B.: Jak zmniejszyć koszty eksploatacyjne systemów klimatyzacyjnych w nowoczesnych budynkach. Rynek Instalacyjny. 3/2010. ss. 47–53.
[3] ADAMSKI B.: Możliwości odbioru ciepła ze współczesnych sprężarkowych urządzeń chłodniczych. www. klimatyzacja.pl (opublikowano 13.08.2008 stan z dn. 12.04.14).
[4] H. RECKNAGEL, E. SPRENGER, W. HON-MANN, E. R. SCHRAMEK: Poradnik Ogrzewanie + Klimatyzacja. Wydanie 1. Gdańsk 1994. 
[5] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Nowoczesne rozwiązania w technologiach wież chłodniczych i dry-coolerów. Chłodnictwo & Klimatyzacja. 11/2012.
[6] RABCZAK S.: Metody akumulacji chłodu w instalacjach klimatyzacyjnych. Czasopismo inżynierii lądowej, środowiska i architektury. 1-3/2013. ss. 145–160.
[7] WOJTAS K.: System akumulacji chłodu STL. Podstawy obliczeniowe i wymiarowanie systemu. www.klimatyzacja.pl (opublikowano 23.11.2005 stan z dn. 12.04.14).
[8] GWADERA M., KUPIEC K.: Adsorpcyjne układy chłodnicze. Inżynieria i aparatura chemiczna. 2011. 50, 5, ss. 38–39. 
[9] GRZEBIELEC A.: Zastosowanie i perspektywy rozwoju adsorpcyjnych urządzeń chłodniczych w chłodnictwie i klimatyzacji. www.klimatyzacja.pl (opublikowano 12.07.2007 stan z dn. 12.04.14).