Partneři sekce:
  • REHAU

Systém úsporného chlazení za pomoci nízké teploty venkovního vzduchu

Systém úsporného chlazení za pomoci nízké teploty venkovního vzduchu

Jednou z cest, jak snížit provozní náklady a dosáhnout úspory elektrické energie u zařízení, která vyžadují chlazení, je využití vzduchu bez nutnosti kompresoru, tedy free-cooling. Speciálně navržené chladiče, včetně free-coolingu, odpovídají potřebám na přesné řízení teploty s maximální bezpečností pro nepřetržitý, úsporný a ekologický provoz.

U některých technologií je možné dosáhnout toho tak, že se chladí pouze vzduchem bez nutnosti chodu kompresoru – využívá se tedy tzv. free-cooling. Pokud systém chladí technologické zařízení nebo průmyslové procesy, které jsou provozovány trvale po celý rok, tedy i při nízkých venkovních teplotách, je z hlediska spotřeby energie výhodné použít chladicí systémy s jednotkou volného chlazení.

Tyto jednotky pracují, pokud je venkovní teplota dostatečně nízká, s nižším chladicím výkonem kompresorové části (nebo ji lze zcela vypnout). Právě kompresory jsou přitom tou součástí chladicího systému, jež spotřebovává nejvíce energie. Chlazení pak zajišťují tepelné výměníky vzduch/voda, které jsou nedílnou součástí jednotky. Náklady na pořízení chladné vody jsou – díky venkovnímu vzduchu a malé spotřebě energie ventilátorů – velmi nízké.

Důležité pro naše podmínky je, a ze statistiky teplotních profilů evropských měst to vyplývá, že běžná venkovní teplota je 0–15 °C, proto se při návrhu volného chlazení volí metody, které nejúčinněji fungují v těchto teplotních podmínkách, či ještě lépe při mínusových teplotách.

Zařízení využívající volné chlazení je proto vybaveno systémem, jenž využije nízkou venkovní teplotu i v případě, že nedokáže pokrýt celou tepelnou zátěž, ale jen její část. Tento režim se nazývá smíšený – chladicí jednotka využívá vnější vzduch k předběžnému zchlazení vody v systému, takže kompresory mají méně práce a nižší spotřebu elektrické energie. Tepelná zátěž, kterou musí rozptýlit výparník, je menší než u standardních chladičů fungujících za stejných podmínek.

Existují proto tři provozní režimy:

Strojní chlazení: při teplotách nad 15 °C funguje jednotka s volným chlazením stejně jako standardní chladič, tepelná zátěž je pokryta výparníkem pomocí kompresorů (pracují ventilátory i kompresory).

Smíšené chlazení: při teplotách 5–15 °C stačí venkovní vzduch odvádět jen část tepelné zátěže. Při poklesu venkovní teploty na 15 °C spustí řídicí systém čerpadlo volného chlazení v případě skládaného free-coolingu, nebo přenastaví třícestný ventil v případě kompaktního free-coolingu a voda prochází tepelnými výměníky vzduch/voda, umístěnými sériově s výparníkem, takže se snižuje jeho tepelná zátěž (pracují ventilátory, čerpadlo volného chlazení a kompresory, ovšem jen částečně).

Volné chlazení: pokud je venkovní teplota dostatečně nízká, dokáží tepelné výměníky vzduch/voda odvést celou tepelnou zátěž, aniž by musely běžet kompresory (pracují ventilátory a čerpadlo volného chlazení).
Pro maximální využití free-coolingu je tak vhodné, když je teplota chladicí vody vyšší, než je běžně obvyklé. Běžná teplota chladicí kapaliny bývá např. 6/12 °C, pro free-cooling je vhodnější vyšší teplota – např. 14/18 °C.

Požadovaná teplota chladicí vody je velmi důležitá. Pokud budeme počítat s teplotním spádem 12/6 °C, je free-cooling spínán od teploty okolí +4 °C. Teplota nižší než +4 °C je podle referenčního klimatického roku pro Prahu 3040 hodin/rok. Když zvolíme teplotní spád 14/18 °C, je free-cooling spínán od teploty okolí +12 °C. Teplota nižší než +12 °C je v Praze během roku cca 5700 hod.

V praxi to znamená, že free-cooling funguje během roku o cca 3,5 měsíce déle a tím více spoří elektrickou energii. Zdůraznit je třeba tu skutečnost, že provoz free-coolingu je z energetického hlediska velice nenáročný. Při tomto druhu chlazení se točí pouze ventilátory, které nasávají vzduch skrz lamelový výměník s nemrznoucí kapalinou, ta své teplo odevzdává do vzduchu, a tím se ochlazuje. Elektrický příkon ventilátorů bývá v porovnání s příkonem kompresorů třetinový (účinnost EER = 10).

Graf (obr. 1) určuje závislost spotřebované elektrické energie při měnící se teplotě okolí. Plocha pod červenou křivkou znázorňuje elektrickou energii spotřebovanou za rok, nutnou k provozu kompresorové chladicí jednotky bez free-coolingového zapojení. Část červené a modré křivky ohraničuje plochu, která určuje množství spotřebované elektrické energie při free-coolingovém zapojení. Plocha mezi červenou a modrou křivkou zobrazuje celkově uspořenou energii.

Obr. 1. Graf zobrazující úspory nákladů při provozu free-coolingu
Příklad
Požadovaný chladicí výkon technologie 200 kW,
při teplotním spádu kapaliny 19 °C/14 °C.
Model: Kompresorová chladicí jednotka s integrovaným free-coolingem AS 751 FC
Uspořená energie během roku v porovnání se standardní kompresorovou jednotkou – 47,2 %
Uspořené náklady během roku v porovnání se standardní kompresorovou jednotkou (nepřetržitý provoz 8760 hod./rok) –
510 300 Kč/rok (uvažováno při 3,20 Kč/kWh)
Snížení emisí CO2 za rok – 88,2 t

Popsané zařízení je koncipováno do blokové chladicí jednotky (tzn. jeden stroj). V praxi se zpravidla používá tam, kde se instaluje nová technologie, mění se staré zařízení za nové apod. V případě, že stávající kompresorová jednotka je funkční a zákazník ne-
uvažuje o výměně za novou, je možné nabídnout tzv. skládaný free-cooling. Využívá se stávající kompresorová chladicí jednotka, ke které se připojí atmosférický chladič s ostatní technologií, jenž zastává funkci free-coolingového chladiče. Funkce je obdobná jako u kompaktní free-coolingové jednotky, je však možné dosáhnout vyšších úspor díky širší výrobní škále atmosférických chladičů.

Návratnost free-coolingových instalací je velmi závislá, jak bylo zdůrazněno, na požadované výstupní teplotě ochlazované kapaliny, lokalitě a vytíženosti výroby. Při stejných požadavcích na chladicí výkon, teploty a vytíženosti výroby, ale v odlišných místech v ČR bude zajímavější návratnost v místě s nižší roční průměrnou teplotou.
Aby byl návrh free-coolingového zapojení efektivní, měla by se pohybovat požadovaná výstupní teplota kapaliny nad +10 °C. Pak může být návratnost okolo 3 let. Pozor, není to pravidlo. Každá aplikace se musí posuzovat individuálně.

Důležité informace pro vyhodnocení vhodnosti nabídnout free-cooling
1. Jakým způsobem vychlazují technologickou vodu?
(pokud kompresorovou chladicí jednotkou, má cenu dále pokračovat v získávání informací)
2. Jakou požadují vstupní teplotu vychlazované kapaliny do technologie?
(pokud je nižší než +10°C, je na zvážení, zda bude mít free-cooling zajímavou návratnost)
3. Jaká je vytíženost výroby, kde se vychlazuje kapalina?
(např. třísměnný provoz vč. víkendů, 48 týdnů v roce apod.)
4. Jaké zařízení v současné době používají (výrobce, model), případně plánují rozšiřování výroby?

Obr. 2. Referenční klimatický rok pro Prahu (četnost teplot během roku)Free-cooling umožňuje zejména úsporu provozních nákladů a snížení motohodin na kompresoru z důvodu odpínání kompresorové jednotky v zimních měsících, kdy ji zastupuje free-coolingové chlazení. V případě výpadku zdroje chladu v zimních měsících z důvodu poruchy může free-cooling sloužit jako záložní zdroj chladu. Zařízení navíc snižuje produkci CO2.

Pro dosažení co největší efektivnosti a ekonomičnosti systému je velice důležitý výběr komponent, a to hlavně vzduchového chladiče a deskového výměníku. I nepatrný rozdíl (řádově 0,1 °C) je ve výsledku velice znát na úsporách. Toto dokáže zajistit výběr komponent certifikovaných společností EUROVENT, která laboratorně testuje všechna přihlášená zařízení, zda jejich parametry odpovídají návrhovým technickým listům, a zveřejňuje výsledky na svých stránkách.

Text: Ing. Jan Půlpytel
Autor pracuje v Divizi chlazení Veskom.
Foto: Veskom

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 03/2016.