Duże centrale chłodnicze znajdują zastosowanie w obiektach przemysłowych i wielkokubaturowych budynkach, takich jak hotele czy galerie handlowe. Dobór urządzeń i parametry instalacji chłodniczej, a także rodzaj przyjętego czynnika chłodniczego zależą ściśle od przeznaczenia obiektu, dotyczy to w szczególności instalacji przemysłowych.

Systemy chłodnicze i klimatyzacyjne w dużych obiektach mają zasadniczy wpływ zarówno na koszty inwestycyjne, jak i późniejsze koszty eksploatacyjne. Zagadnienie to dotyczy także budynków mieszkalnych ze scentralizowanymi systemami – dodatkowym wymogiem jest w tym wypadku elastyczność systemu obsługującego różnych użytkowników. Istnieje także wiele zastosowań przemysłowych, w których czynnik chłodzący służy zapewnieniu prawidłowego przechowywania towarów i przebiegu procesów czy też komfortu operatora.

Podstawową wadą dużych central chłodu na potrzeby klimatyzacji jest duży koszt inwestycyjny. Wady tej nie da się uniknąć. Jednakże oczywistym faktem jest, że budowa wielkokubaturowych obiektów cechuje się proporcjonalnie wyższymi nakładami finansowymi. Główną zaletą jest natomiast duży potencjał energooszczędności, gdyż w takich systemach opłacalne staje się zastosowanie wielu rozwiązań, które, ze względu na zbyt wysoki koszt inwestycyjny, nie znajdują zastosowania w małych systemach np. wież chłodniczych (rys. 1.). Niniejszy artykuł przedstawi kilka mniej znanych, a wartych rozważenia rozwiązań mogących przyczynić się do znacznego zmniejszenia kosztów eksploatacyjnych tego typu instalacji.

Rys. 1. System wody lodowej z wieżą chłodzącą i blokiem pompowym

Wybrane rozwiązania energooszczędne

Zastosowanie systemów VRV chłodzonych wodą

Systemy chłodnicze chłodzone wodą zazwyczaj utożsamiane są z systemami opartymi na wodzie lodowej. Jednakże producenci systemów VRV również mają w swojej ofercie agregaty chłodzone cieczą, które w wielu wypadkach mogą się okazać bardziej opłacalne niż systemy wody lodowej. Wynika to z kilku istotnych przewag systemów VRV [1]:

• Po pierwsze systemy te nie „dublują” instalacji grzewczej i chłodniczej: układy wody lodowej w systemie grzewczo/chłodzącym wymagają prowadzenia osobnej instalacji grzewczej i chłodniczej, co podwyższa koszty inwestycyjne, ale przede wszystkim zajmuje dużo miejsca. Możliwe jest oczywiście zastosowanie dwururowego systemu z przełączaniem, jednakże jest on znacznie mniej wygodny w użytkowaniu. W przypadku systemów VRV można wykorzystać agregaty rewersyjne i używać tych samych przewodów do grzania i chłodzenia. Jeśli potrzebne jest jednoczesne grzanie i chłodzenie różnych pomieszczeń, można zastosować system trzyrurowy z odzyskiem ciepła, który w typowych aplikacjach potrafi zapewnić podobne możliwości grzania i chłodzenia jak system wody lodowej.
• Po drugie, ze względu na niewielki spadek temperatury (zazwyczaj 6°C), instalacje wody lodowej wymagają większych średnic w porównaniu do np. instalacji c.o. Generuje to wyższe koszty inwestycyjne, obciąża konstrukcję budynku oraz zabiera miejsce, co utrudnia prowadzenie innych instalacji, np. wentylacyjnej. Średnice przewodów instalacji freonowej są mniejsze, dlatego nie zabierają tak dużej ilości przestrzeni jak instalacje wodne.
• Po trzecie instalacje VRV nie wymagają stosowania całego szeregu zaworów regulacyjnych. W przypadku wody lodowej w systemie czterorurowym koszt zakupu zaworów regulacyjnych w zasadzie należy liczyć podwójnie.

Oczywiście nie jest możliwe jednoznaczne stwierdzenie, która instalacja, wody lodowej czy VRV jest lepsza, ponieważ bardzo dużo tutaj zależy od specyfi ki obiektu. W niektórych rozwiązaniach system wody lodowej może okazać się bardziej opłacalny niż VRV, w innych przypadkach jest odwrotnie. Dlatego dobór systemu musi zostać poprzedzony rzetelną analizą ekono miczną oraz musi uwzględniać specyfi kę budynku. W przypadku gdy wyżej wymienione przewagi systemu VRV są znaczące, ale jest mało miejsca na prowadzenie instalacji w nowych obiektach (przypadki takie są częste), warto przyjrzeć się bliżej systemowi chłodzonemu wodą.

Podstawową przewagą systemu chłodzonego wodą jest znacznie większe uniezależnienie się od warunków zewnętrznych niż w przypadku systemów chłodzonych powietrzem. Wymaga to oczywiście odpowiedniego przygotowania instalacji wody technologicznej odbierającej ciepło ze skraplacza. Najbardziej energooszczędnym rozwiązaniem jest system z bezpośrednimi lub pośrednimi zraszanymi wieżami chłodniczymi, gdyż wówczas sprawność ochładzania wody technologicznej nie jest ograniczona temperaturą termometru suchego powietrza na zewnątrz (czyli temperaturą odczytywaną na zwykłym termometrze), tylko jego temperaturą termometru mokrego, która generalnie jest znacznie niższa. Niższa temperatura czynnika odbierającego ciepło z agregatu gwarantuje wyższą sprawność i wyższe COP. Możliwe jest też zastosowanie dry-coolerów, jednakże w tym przypadku COP systemu będzie niższe. Przewagą dry-coolerów jest natomiast mniejszy ciężar. Warto tutaj wspomnieć, że w przypadku gdy agregaty chłodzone powietrzem (lub dry-coolery) stoją na dachu, rzeczywista temperatura powietrza w tym miejscu, ze względu na ciągłą ekspozycję na słońce, jest często znacznie wyższa niż właściwa temperatura zewnętrzna. Jeśli dach dodatkowo jest pokryty ciemnym materiałem, temperatura termometru suchego powietrza chłodzącego agregaty (lub dry-cooler) może dochodzić nawet do 60°C. Powoduje to znaczny spadek COP systemu oraz znacznie zwiększa jego energochłonność. Jeśli w analogicznym miejscu znajduje się wieża chłodnicza, jej sprawność ograniczona jest znacznie niższą temperaturą termometru mokrego powietrza na dachu. Ze względu na brak zysków wilgoci, powietrze w tym miejscu jest gorące, ale nie jest wilgotne. Pozwala to osiągnąć relatywnie wysoką sprawność ochładzania wody technologicznej pomimo wysokiej temperatury termometru suchego (wynika to ze specyfiki chłodzenia wyparnego [2]).

Warto tutaj wspomnieć, że „wodne” agregaty systemów VRV mogą także pracować w trybie grzewczym, woda służy wówczas do ogrzewania parowacza (rys. 2.). Praca w trybie grzewczym odbywa się w trybie pompy ciepła. Źródłem ciepła ogrzewającym wodę technologiczną może być zarówno wymiennik gruntowy jak i zwykły kocioł gazowy. Standardowo, dla pewnego zakresu temperatury wody technologicznej agregaty nie potrzebują dodatkowego jej dogrzewania, w przypadku spadku temperatury poniżej pewnej wartości granicznej, woda technologiczna musi zostać podgrzana. Praca w takim systemie pozwala uniknąć kolejnego niekorzystnego aspektu związanego z zastosowaniem agregatów VRV chłodzonych/grzanych powietrzem – przy bardzo niskiej temperaturze zewnętrznej COP takich systemów bardzo gwałtownie spada i następuje istotne zwiększenie energochłonności. 

Rys. 2. System Multi V Water firmy LG [1]: a) wygląd agregatu, b) schemat systemu

Żeby ułatwić zrozumienie jak takie systemy operują w okresie całorocznym, poniżej zostało przedstawione przykładowe rozwiązanie.

(...)

Skuteczny odbiór ciepła

Efektywność dużych systemów chłodniczych, w tym i zaprezentowanego powyżej, zależy od skutecznego odbioru ciepła ze skraplacza. Jak już zostało to wcześniej wspomniane, autorzy zalecają w miarę możliwości stosowanie systemów zraszanych (wież chłodniczych pośrednich i bezpośrednich oraz zraszanych dry-coolerów), ze względu na lepszą skuteczność ochładzania czynnika technologicznego. Warto tutaj zwrócić uwagę na kilka ciekawych rozwiązań, które mogą znacząco przyczynić się do obniżenia zużycia energii przez duże centrale chłodnicze.

Ciekawą możliwością pozwalającą na efektywną pracę wieży chłodniczej jest zastosowanie systemu częściowego zraszania wymiennika ciepła (rys. 5. [1]). Urządzenie pracuje w trzech trybach: suchym, częściowo mokrym i mokrym. W trybie suchym, w okresie występowania niskiej temperatury zewnętrznej, zraszanie wężownicy jest wyłączone. W zależności od temperatury zewnętrznej, wentylator pracuje z różną prędkością, co pozwala na relatywnie dokładne sterowanie wydajnością wieży. W tym przypadku realizowana jest wyłącznie wymiana ciepła jawnego. W tym trybie pracy ograniczane jest zużycie wody do zraszania wymiennika oraz zmniejszone jest ryzyko zamarznięcia instalacji zraszającej. W przypadku trybu częściowo mokrego zraszana jest tylko część wymiennika ciepła. Pracuje tylko jedna pompa obiegowa układu zraszającego, co pozwala na ograniczenie zużycia energii pobieranej do pompowania. Takie rozwiązanie pozwala także wyeliminować zbędne zużycie wody podczas częściowego obciążenia systemu, a także zmniejsza ryzyko unoszenia się mgły wodnej w powietrzu usuwanym z wieży. Tryb mokry włączany jest przy pełnym obciążeniu systemu, wówczas zraszany jest cały wymiennik ciepła, co pozwala na pełne, efektywne schładzanie medium przepływającego przez wymiennik ciepła.

Rys. 5. Pośrednia wieża chłodnicza z częściowo zraszaną wężownicą firmy Evapco [1]

W przypadku wprowadzenia takiego rozwiązania do systemu VRV chłodzonego wodą, za sterowanie zraszaniem odpowiadałby sterownik wieży – w przypadku przekroczenia zadanych parametrów woda technologiczna kierowana byłaby do wieży. Gdy system BMS daje sygnał załączenia zraszania, regulator wieży ustawia ją na tryb częściowomokry. Jeśli spadek temperatury nie jest wystarczający, uruchamiany jest tryb mokry i wieża pracuje z pełną wydajnością. Dzięki temu oszczędzana jest woda i energia elektryczna.

W nowoczesnych rozwiązaniach wież chłodniczych i zraszanych dry-coolerów dąży się do usprawnienia każdego elementu urządzeń. Podstawowym, wciąż ulepszanym elementem jest wymiennik ciepła. W zraszanych systemach w pośrednich wieżach chłodniczych istotne jest, by powierzchnia wymiany ciepła była jak największa, dlatego wymienniki są odpowiednio ożebrowane. Nowe technologie wykorzystują rury eliptyczne (rys. 6b), które pozwalają zmniejszyć odległości pomiędzy poszczególnymi elementami wężownicy oraz lepiej rozwinąć powierzchnię wymiany ciepła niż rury okrągłe. Takie rozwiązania umożliwia także lepsze rozprowadzenie wody po powierzchni oraz zmniejsza opory przepływu powietrza [1]. Dodatkowo eliptyczne rury są odpowiednio ożebrowane, dzięki czemu powierzchnia wymiany ciepła jest dodatkowo zwiększana (rys. 6c). Żebra mają niewielką długość, żeby uniknąć zjawiska, w którym przepływające powietrze nawilżane jest adiabatycznie, a woda nie pobiera ciepła do parowania od chłodzonego medium.

Rys. 6. Rozwiązania poprawiające efektywność i komfort użytkowania [1]: a) klasyczne wypełnienie; b) wypełnienie eliptyczne firmy Evapco; c) cichy wentylator; d) ultra-cichy wentylator; e) tłumik spadającej wody

Modyfikowane są również wentylatory współpracujące z wieżami chłodniczymi i dry-coolerami (rozwiązania widoczne na rysunku 6c i d), pozwalają na zredukowanie poziomu hałasu generowanego przez urządzenia na poziomie odpowiednio 7 i 15 dB(A). Dodatkowo pośrednie wieże chłodnicze mogą być wyposażone w tłumiki spadającej wody (rys. 6e), dzięki którym możliwa jest redukcja poziomu dźwięku słyszanego w odległości 1,5 m o 4÷7 dB(A).

Innym sposobem uzyskania wyższej skuteczności omawianych urządzeń jest wstępne obniżenie temperatury powietrza chłodzącego wymiennik. Przykładowe rozwiązania umożliwiające istotną poprawę efektywności wież chłodniczych i zraszanych dry-coolerów przedstawiono na rysunku 7. W rozwiązaniu widocznym na rysunku 6a zastosowano małe krzyżowe, wyparne wymienniki ciepła, służące do wstępnego obniżenia temperatury powietrza przepływającego przez wieżę (dry-cooler). W tym przypadku jeden strumień powietrza płynie grawitacyjnie w kanałach mokrych (niebieska strzałka), natomiast drugi płynie kanałami suchymi, gdzie obniża swoją temperaturę, a następnie jest kierowany do zraszanego wymiennika ciepła. W drugim rozwiązaniu zastosowano dodatkowe wymienniki ciepła (rys. 7b), z zamkniętym obiegiem wody, który pozwala odzyskiwać chłód z powietrza przechodzącego przez wymiennik (ma ono zazwyczaj temperaturę niższą niż na wejściu do wieży chłodniczej). Innym rozwiązaniem jest częściowa recyrkulacja wody zraszającej wymiennik, która prowadzona jest poprzez wymiennik ciepła, a następnie z powrotem do systemu dysz rozpylających (rys. 7c). Powietrze przepływa przez wymiennik ciepła i ochładza się, a następnie kierowane jest do właściwego wymiennika w wieży.

Rys. 7. Wstępne ochładzanie powietrza przed wejściem do wieży chłodniczej [1]: a) poprzez zastosowanie grawitacyjnych wymienników wyparnych; b) poprzez zastosowanie odzysku chłodu z usuwanego powietrza; c) poprzez częściowe zawrócenie zraszającej wody do wymiennika ciepła

Podsumowanie

W niniejszej części artykułu przedstawiono 2 z czterech interesujących rozwiązań pozwalających na znaczące obniżenie zużycia energii przez duże centrale chłodnicze: systemy VRV chłodzone wodą oraz nowe konstrukcje pośrednich wież chłodniczych różnego typu. Zaprezentowano także różne algorytmy sterowania takimi systemami, zapewniające proste i wygodne sterowania w okresie całorocznym. W następnej części artykułu przedstawione zostaną dwa inne rozwiązania, które również w istotny sposób mogą obniżyć konsumpcję energii przez taki system.

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] Materiały i katalogi producentów dostępne w Internecie.

[2] S. ANISIMOV, D. PANDELIDIS: Theoretical study of the basic cycles for indirect evaporative air cooling. International Journal of Heat and Mass Transfer. 84 (2015). 974–989.