W ostatnich latach nastąpiła wyraźna zmiana na rynku chłodniczym, gdzie coraz większy nacisk kładzie się na systemy chłodzenia swobodnego czyli free-coolingu. Obecnie poza typowo przemysłowymi zastosowaniami czy też układami np. chłodzenia serwerowni typu data center, coraz częściej spotyka się układy free-coolingu pracujące w obszarach wcześniej praktycznie niespotykanych, takich jak typowe systemy klimatyzacji komfortu czyli biurowce oraz hotele. Wynika to z coraz większego zapotrzebowania na chłód i to nie tylko w okresach letnich, jak również ze stale rosnących kosztów energii.

Należy podkreślić, że w Polsce w ciągu ostatnich 12 lat nastąpił bardzo istotny około 60% wzrost kosztów energii elektrycznej. Jednak pomimo tak dużej podwyżki wciąż w Polsce energia elektryczna, liczona w wartościach bezwzględnych, jest jedną z najtańszych w Europie. Przykładowo tuż za naszą zachodnią granicą w Niemczech koszt kW/h w przeliczeniu na złotówki jest praktycznie dwukrotnie wyższy. Dlatego też dalszy wzrost kosztów energii w najbliższych latach wydaje się nieunikniony, zwłaszcza jeżeli weźmiemy pod uwagę strukturę energetyki w Polsce opartą głównie na elektrowniach węglowych oraz politykę klimatyczną Unii Europejskiej i powiązane z tym opłaty za emisję dwutlenku węgla. Należy także pamiętać, że energia zużywana przez agregaty chłodnicze w czasie ich eksploatacji stanowi nawet do 80% ponoszonych wszystkich kosztów związanych z ich użytkowaniem – kalkulowanych łącznie z kosztami inwestycyjnym takimi jak zakup agregatu oraz koszty serwisu czy przeglądów. Daje to odpowiedź, dlaczego coraz większy nacisk kładzie się na efektywność energetyczną urządzeń – a przecież nic chyba nie jest bardziej efektywne niż darmowe chłodzenie czyli free-cooling.

Free-cooling – podstawowe parametry

Niestety wciąż często podchodzi się do free-coolingu bardzo ogólnie i tematyka ta traktowana jest jedynie hasłowo – np. dany agregat lub system ma free-cooling lub nie. Celem tego krótkiego materiału jest próba choć w części przybliżenia tej tematyki, gdzie wydawałoby się niekiedy drobne różnice mogą w bardzo istotny sposób przekładać się na efektywność, czy nawet opłacalność stosowania danego rozwiązania. Aby tego dokonać należy przytoczyć podstawowe pojęcia dotyczące systemów free-coolingu. Istotne parametry efektywności i opłacalności systemu free-coolingu to:

1. Koszty energii;
2. Strefa klimatyczna;
3. Przeznaczenie systemu (przemysł / klimatyzacja komfortu);
4. Projektowane wartości temperatury pracy;
5. Rodzaj przyjętego rozwiązania technicznego.

Na trzy pierwsze wymienione wyżej czynniki nie mamy wpływu. Koszty energii rosną i wszystko wskazuje na to, że będą rosły dalej. Strefa klimatyczna wynika z położenia geografi cznego naszego kraju na świecie. Właśnie dzięki takiemu położeniu mamy strefę klimatyczną z bardzo dużym potencjałem darmowego chłodzenia w ciągu roku. Zgodnie z podawanymi przez organizację The Green Gird danymi bazującymi na zalecanych przez ASHRAE zakresach temperatury i wilgotności, dla przykładowego obiektu typu Data Center przy przyjęciu temperatury wewnątrz obiektu rzędu +27°C dla termometru suchego oraz punktu rosy na poziomie +15°C szacuje się, że system free-coolingu w naszej strefi e klimatycznej może zapewnić chłodzenie takiego obiektu przez około 8000 godzin w ciągu roku. Oznacza to, że średnio tylko przez 1 miesiąc w roku, w czasie występowania najwyższych temperatur zewnętrznych, dla tak założonych warunków pracy, układ free-coolingu nie będzie pracować. Przez pozostałe 11 miesięcy roku może pracować efektywnie odciążając agregaty chłodnicze przynosząc znaczne oszczędności eksploatacyjne.

Projektowane wartości temperatury pracy oraz rodzaj przyjętego rozwiązania technicznego to kluczowe elementy na jakie mamy wpływ przy tworzeniu koncepcji sytemu free-coolingu dla danego obiektu 

Bardzo istotne jest także przeznaczenie sytemu – czy to jest to instalacja przemysłowa pracująca przy stałym zapotrzebowaniu na chłód przez cały rok i 24 godziny na dobę, czy też jest to typowa klimatyzacja komfortu, gdzie zapotrzebowanie na chłód jest zmienne w ciągu roku i przy niskiej temperaturze otoczenia istotnie spada – co ma bezpośredni wpływ chociażby na kalkulację zwrotu kosztów inwestycji w system free-coolingu. Dlatego też oba przypadki wymagają zróżnicowanego podejścia projektowego.

Właśnie na takie kluczowe elementy jak projektowane wartości temperatury pracy oraz rodzaj przyjętego rozwiązania technicznego mamy wpływ przy tworzeniu koncepcji sytemu free-coolingu dla danego obiektu, co zostało omówione w dalszej części artykułu.

Rys. 1. Schemat działania free-coolingu hybrydowego w ciągu roku

Generalnie układy free-coolingu można podzielić na 3 rodzaje:

• Bezpośredni – gdzie wykorzystuje się do chłodzenia strumień powietrza zewnętrznego nawiewany bezpośrednio do pomieszczeń ochładzanych. Free-cooling bezpośredni jest szeroko stosowany od najprostszych rozwiązań (np. poprzez otwarcie okna) po nowoczesne zautomatyzowane systemy spotykane w układach wentylacji i klimatyzacji które, gdy tylko to możliwe, zwiększają udział świeżego powietrza nawiewanego do pomieszczeń poprzez centrale klimatyzacyjne. W wielu jednak przypadkach, zwłaszcza przy dużych zyskach wewnętrznych, free-cooling bezpośredni oparty na wymianie powietrza świeżego nie jest wystarczający. W takich przypadkach stosuje się rozwiązania oparte na free-coolingu pośrednim;
• Pośredni – gdzie chłód do pomieszczeń dostarcza się za pomocą  medium pośredniego (np. mieszanin glikolu);
• Hybrydowy (mieszany) – to system free-coolingu pośredniego umożliwiający równoczesną pracę układów chłodniczych mechanicznych (np. sprężarek) oraz układu free-coolingu. Jest to szczególnie ważne w okresach przejściowych – bardzo istotną część oszczędzanej energii w naszym klimacie właśnie można zachować dzięki wysoko efektywnym systemom free-coolingu hybrydowego.

Analiza opłacalności

W instalacjach chłodzenia standardowe parametry wody lodowej mogą się znacznie różnić dla różnych zastosowań. I tak przykładowo:

• Data Center 15/10°C, 
• przemysł tworzyw sztucznych 15/10°C,
• belki chłodzące 14/18°C,
• klimakonwektory wentylatorowe 7/12°C,
• przemysł chemiczny 20/15°C,
• duże systemy komputerowe 24/19°C.

Sprawdzając w jaki sposób przekładają się parametry opisane powyżej na konkretne rozwiązania instalacji, wykonanych zostało kilka szacunkowych obliczeń porównawczych. W obliczeniach tych skupiono się na prostszym przypadku, czyli instalacji technologicznej lub typu data center, gdzie zapotrzebowanie na chłód w ciągu roku jest stałe. Na podstawie przykładowych danych obliczeniowych z programu producenta Blue Box zestawione zostały dane dla 3 wersji agregatu, gdzie część mechaniczna jest we wszystkich wariantach taka sama, jednak urządzenia te różnią się wielkością sekcji free-coolingu oraz zakładanymi parametrami pracy. W obliczeniach nie uwzględniano energii pobieranej przez układy pomp obsługujących agregaty. Jak widać na wykresie przedstawionym na rysunku 2. w przypadku instalacji pracujących przy stałym obciążeniu przez cały rok nawet przyjęcie podstawowej wielkości sekcji free-coolingu (FC BASIC) daje konkretne oszczędności.

Rys. 2. Porównanie zużycia energii przez agregat z free-coolingiem i bez free-coolingu. Stałe obciążenie w ciągu roku (technologia) oraz stałe parametry pracy: glikol etylenowy 35%; parametry temperaturowe 7/12°C

W następnym przykładzie, aby wykazać jak duże znaczenie mają omawiane parametry – takie jak temperatura powrotu glikolu (EWT) oraz temperatura zastąpienia (TFT), czyli wielkość sekcji free-coolingu – przyjęto do porównania agregat z największą dostępną dla danej wielkości sekcją free-coolingu (FC EXTRA). Założono także istotnie wyższe spotykane m.in. w przemyśle parametry pracy po stronie glikolu (rys. 3.). 

Rys. 3. Porównanie zużycia energii przez agregat z powiększoną sekcją free-coolingu i bez free-coolingu. Stałe obciążenie w ciągu roku (technologia). Parametry pracy: glikol etylenowy 35% parametry temperaturowe 7/12°C oraz 15/20°C

Należy zwrócić uwagę na zmianę wartości ETW – temperaturę powrotu glikolu oraz wartości temperatury zastąpienia (TFT), która dla tego przypadku wynosi ponad 8°C. Warto także tu zaznaczyć, że średnioroczna temperatura podawana przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej dla Warszawy wynosi około 8,5°C – co oznacza, że tak zaprojektowany system free-coolingu ma szansę pracować bardzo efektywnie i przez większość roku przejmować obciążenie cieplne instalacji technologicznej.

Jest to co prawda dość skrajny przypadek, jednak jak najbardziej możliwy. Aby pokazać różnice tych trzech rozwiązań na rysunku 4. zestawiono dane omawianych przypadków. Jak widać dla omawianego przykładu zmiana projektowanej temperatury powrotu glikolu (EWT) i w konsekwencji także temperatury zastąpienia (TFT) oraz wielkości sekcji free-coolingu ma kluczowe znaczenie dla zużycia energii przez agregat i w konsekwencji całej projektowanej instalacji chłodniczej.

Rys. 4. Analiza zużycia energii w ciągu roku przez agregat bez free-coolingu, z sekcją podstawową (FC BASIC) oraz sekcją free-coolingu powiększoną (FC EXTRA). Stałe obciążenie w ciągu roku (technologia). Parametry pracy: glikol etylenowy 35% temperatury 7/12°C oraz 15/20°C dla sekcji (FC EXTRA)

Po przeanalizowaniu różnic w szacowanym zużyciu energii w ciągu roku dla omawianego przykładu instalacji, w przypadku trzech porównywanych wersji agregatu z przeprowadzonych obliczeń wynika, że zastosowanie podstawowego modułu free-coolingu (FC BASIC) daje szansę na oszczędności rzędu 20%, zaś przyjęcie możliwie wysokich parametrów pracy i zastosowanie powiększonej sekcji wymiennika free-coolingu (FC EXTRA) daje możliwość zmniejszenia zużycia energii przez agregat nawet do 60% w skali roku. Jest to niebagatelna różnica dająca szansę bardzo szybkiego zwrotu kosztów inwestycyjnych w system free-coolingu.

Rys. 5. Analiza kosztów zużycia energii w ciągu roku przez agregat bez free-coolingu, z sekcją podstawową (FC BASIC) oraz sekcją free-coolingu powiększoną (FC EXTRA). Stałe obciążenie w ciągu roku

Rozwiązanie Blue Box

Będąc świadomym tych zależności firma Blue Box należąca do koncernu SWEGON już od lat promuje własne innowacyjne rozwiązania w zakresie konstrukcji agregatów chłodniczych z wbudowaną funkcją free-coolingu. To właśnie dzięki zastosowaniu specjalnej modułowej sekcji free-coolingu – unikalnego układu wymienników free-coolingu niezależnego od sekcji skraplacza (posiadającego niezależny przepływ powietrza dla sekcji free-coolingu oraz skraplacza), pozwala na wykorzystanie pełnej wydajności free-coolingu przy równoczesnej niezależnej pracy układu freonowego. Jest to szczególnie ważne, gdyż rozwiązanie takie pozwala na maksymalne wykorzystanie mocy chłodniczej free-coolingu w okresach przejściowych, w których wymienniki free-coolingu jeszcze nie pokrywają pełnego zapotrzebowania na moc chłodniczą obiektu i układ freonowy wciąż musi pracować (tryb pracy hybrydowej). Standardowo w tym zakresie temperaturowym dla agregatu priorytetem jest utrzymanie optymalnych warunków pracy skraplacza (utrzymywanie ciśnienia skraplania na odpowiednim poziomie), co jest możliwe do osiągnięcia poprzez m.in. ograniczanie przepływu powietrza przez skraplacz. Jest to jednak całkowicie przeciwstawne w stosunku do potrzeb układu free-coolingu, z uwagi na małą różnicę wartości temperatury pomiędzy powietrzem i medium chłodzącym (glikolem), który w tym okresie wymaga maksymalnego przepływu powietrza dla uzyskania możliwe dużej mocy chłodniczej z sekcji free-coolingu. Nie jest to w pełni możliwe do osiągnięcia w przypadku standardowych rozwiązań spotykanych na rynku, gdzie skraplacz jest zintegrowany z wymiennikiem free-coolingu agregatu w jeden blok. Takie rozwiązanie jest wyjątkowo istotne w naszym klimacie, gdzie zasadnicze znaczenie ma możliwie efektywna praca hybrydowa układu free-coolingu w okresach przejściowych.

Dodatkowo wentylatory pracujące w agregatach z free- -coolingiem, oferowanych przez firmę Blue Box, nie muszą pokonywać zwiększonych oporów dwóch nałożonych na siebie wymienników (skraplacza oraz sekcji free-coolingu) – tak jak to jest w przypadku standardowych urządzeń oferowanych na rynku. Szczególnie jest to odczuwalne, gdy pracuje tylko jeden z nich – np. układ sprężarkowy, lub tylko system free-coolingu – co znacznie zmniejsza pobór energii przez wentylatory.

Rys. 6. TETRIS FC modułowy free-cooling z rozdzieloną sekcją wymienników skraplacza i free-coolingu

Należy także podkreślić, że w rozwiązaniu tym, uniezależniającym powierzchnię skraplacza od sekcji free-coolingu w obrębie agregatu, mamy możliwość doboru różnych wielkości wymienników free-coolingu dla danej wielkości agregatu (BASIC, CUSTOM lub EXTRA). Dzięki temu projektant ma możliwość dostosowania mocy sekcji free-coolingu do potrzeb budynku.

Równie ciekawym jest rozwiązanie w mniejszych jednostkach typu ZETA FC (rys. 7.), gdzie zastosowano opatentowane rozwiązanie regulacji przepływu rozdzielonych strumieni powietrza. Żądany efekt uzyskano poprzez umiejscowienie po przeciwnych stronach agregatu wymienników free-coolingu i skraplacza oraz regulacji przepływu powietrza za pomocą specjalnych przepustnic. Osiągnięto dzięki temu taki sam rezultat jak w przypadku agregatów opisanych powyżej, czyli TETRIS FC.

Rys. 7. ZETA FC modułowy free-cooling z rozdzieloną sekcją wymienników skraplacza i freecoolingu oraz przepustnicami regulacyjnymi

Podsumowując – dlaczego warto stosować free-cooling: 

• oszczędza energię wykorzystując naturalny chłód z powietrza zewnętrznego;
• zmniejsza koszt energii zużywanej przez obiekt;
• umożliwia wykorzystanie darmowego chłodzenia nocnego nawet w sezonie letnim;
• szczególnie ważne jest, aby wybrane rozwiązanie dawało szansę maksymalnego wykorzystania układu free-coolingu w okresach przejściowych, które stanowią zasadniczą cześć roku w naszym klimacie;
• system free-coolingu działa automatycznie zmniejszając zużycie energii przy pełnym oraz częściowym obciążeniu;
• stosując free-cooling wydłuża się długość życia agregatów wody lodowej;
• zmniejsza koszty eksploatacji agregatów chłodniczych; 
• redukuje się ilość godzin pracy sprężarek;
• zapewnia realny zwrot inwestycji.

Szczegóły oraz materiały techniczne i informacyjne dotyczące unikalnych rozwiązań agregatów z free-coolingiem można znaleźć na stronie http://www.blueboxcooling.com

Witold SKRZYPULEC
Doradca Techniczno-Handlowy,
Swegon