Ekonomiczne aspekty stosowania free-coolingu

Dobór agregatów z systemem free-cooling’u nie jest łatwy jeśli nie zna się zasad działania takiego systemu oraz zasadności jego stosowania. Dodatkowo zastanawiają różne metody realizowania free-coolingu przez poszczególnych producentów, a w szczególności sposób w jaki podawana jest ilość chłodu uzyskiwana przez urządzenia w zmiennych warunkach temperatury zewnętrznej. Niniejszy artykuł będzie próbą zebrania i opisania tytułowego systemu oraz odpowiedzią na najczęściej zadawane pytania.

Co to jest free-cooling?
Free-cooling, czyli chłodzenie swobodne jest sposobem wykorzystania powietrza zewnętrznego o odpowiednich parametrach do chłodzenia powietrza wewnątrz pomieszczeń. Generalnie chłodzenie swobodne można podzielić na bezpośrednie (direct) i pośrednie (In-direct). W chłodzeniu bezpośrednim wykorzystuje się do chłodzenia strumień powietrza zewnętrznego nawiewany bezpośrednio do pomieszczeń klimatyzowanych. W tym rozwiązaniu należy pamiętać o odpowiedniej obróbce nawiewanej strugi (filtrowanie) oraz o odprowadzeniu powietrza z pomieszczeń np. poprzez przepustnice nadciśnieniowe. W chłodzeniu pośrednim, chłód do pomieszczeń dostarcza się za pomocą medium pośredniego (np. mieszanin glikolu schładzanych w suchych chłodnicach glikolu).
Oba typy free-coolingu stosowane są z powodzeniem w urządzeniach firmy RC. Chłodzenie bezpośrednie wykorzystywane jest w typoszeregu szaf klimatyzacji precyzyjnej Heat Hunter i neXt oraz urządzeniach typowych dla telekomunikacji: Energy Split, Minipac i Enertel. Idea chłodzenia pośredniego realizowana jest w agregatach wody lodowej Maximo i Glider oraz również w szafach typoszeregu neXt i Pegasus.

Wykorzystanie free-cooling’u bezpośredniego
Tak jak już wspomniano na wstępie, free-cooling bezpośredni stosowany jest w szafach klimatyzacji precyzyjnej. Dlaczego?
Szafy klimatyzacji precyzyjnej są urządzeniami w których obróbce poddaje się powietrze obiegowe, dlatego wykorzystanie strumienia powietrza zewnętrznego o odpowiednich parametrach wprowadzonego do pomieszczenia pozwala na utrzymanie temperatury, bez konieczności załączania sprężarek, lub ogranicza długość ich pracy. Pozwala to na znaczące oszczędności w zużyciu energii elektrycznej, ponieważ do utrzymywania parametrów w pomieszczeniu wykorzystywana jest tylko praca wentylatorów. Dla uzmysłowienia sobie ilości oszczędzanej energii można posłużyć się zestawieniem z tabeli.

Analiza danych z tabeli pokazuje ilość mocy elektrycznej, jaką można oszczędzić stosując układ chłodzenia bezpośredniego w tych urządzeniach. Jak widać, dla szafy HeatHunter DX 045 Z1 H1 pobór mocy elektrycznej podczas pracy w trybie chłodzenia sprężarkowego wynosi 13,22 kW z czego 94,5% tej mocy przypada na sprężarkę i wentylator skraplacza. Załączenie trybu FC pozwala na oszczędność takiej właśnie ilości energii elektrycznej. Dla szaf tego typu, z nominalnym przepływem powietrza 10 000 m3/h temperatura nawiewu wynosi około 11ºC, dlatego przy temperaturze powietrza zewnętrznego oscylującej w tych pobliżu tej wartości urządzenia będą pracowały tylko na powietrzu zewnętrznym, a poniżej, z domieszaniem powietrza obiegowego, tak aby nie dopuścić do przechłodzenia pomieszczenia. Należy dodatkowo podkreślić, iż w tego typu urządzeniach wentylator powietrza obiegowego pracuje zawsze, gdy urządzenie pozostaje załączone. Można się pokusić o stwierdzenie, że w tym przypadku zastosowanie chłodzenia swobodnego pozwala na darmowe chłodzenie klimatyzowanych pomieszczeń.

Przykład wykonania systemu
Rysunek 1 pokazuje sposób doprowadzenia powietrza zewnętrznego do urządzenia, oraz umiejscowienie przepustnicy nadciśnieniowej, która pozwala na prawidłową pracę systemu, odprowadzając nadmiar powietrza z pomieszczenia.
Układ chłodzenia swobodnego stosowany w urządzeniach RC można z powodzeniem stosować we wszystkich aplikacjach w których istnieje konieczność ciągłego usuwania zysków ciepła, a różnica pomiędzy temperaturą w pomieszczeniu a temperaturą powietrza zewnętrznego są niewielkie. Ograniczeniem stosowania takiego systemu jest dostęp do powietrza zewnętrznego, dlatego systemu takiego nie stosuje się w pomieszczeniach znajdujących się w znacznych odległościach od ścian zewnętrznych budynku, oraz w aplikacjach w których istnieją bardzo ostre reżimy odnośnie wprowadzania do pomieszczenia powietrza zewnętrznego.

Wykorzystanie free-cooling’u pośredniego
We wszystkich aplikacjach, w których nie ma możliwości doprowadzenia jako medium chłodzącego powietrza zewnętrznego, można zastosować free-cooling pośredni.
Dla szaf klimatyzacji precyzyjnej z chłodnicą freonową osiąga się to poprzez zastosowanie dodatkowego wymiennika, tuż przed chłodnicą freonową, który jest zasilany wodą lodową (glikolem), uzyskiwaną z suchych chłodnic glikolu, a w szafach z chłodnicą wodną – z agregatem wody lodowej z opcją free-coolingu. Najciekawszym rozwiązaniem, jest układ FC zastosowany w szafach typoszeregu neXt serii DX, z chłodnicą freonową, dodatkowym wymiennikiem FC, skraplaczem wewnętrznym chłodzonym wodą i dry-coolerem. Podczas pracy z wysokimi parametrami powietrza zewnętrznego, układ działa w oparciu o sprężarki i chłodnicę freonową a dry-cooler usuwa ciepło skraplania. Wraz z obniżaniem się temperatury zewnętrznej i spadkiem parametrów glikolu w układzie chłodzenia skraplacza, układ przestawia się z pracy sprężarkowej na pracę mieszaną lub na całkowity free-cooling.

W przypadku agregatów wody lodowej, free-cooling realizowany jest przy użyciu dodatkowych chłodnic glikolu (co prawda istnieją systemy, wykorzystujące do chłodzenia zimny freon, ale są to rozwiązania pionierskie, które można na razie traktować jako ciekawostki, a nie urządzenia o wartościach użytkowych – istnieją aplikacje oparte na takich agregatach, które w sezonie 2008/2009 ani razu nie pracowały w trybie FC z racji niesprzyjających warunków pogodowych).
Obecnie można wyróżnić kilka sposobów na uzyskanie chłodzenia swobodnego, polegających na zastosowaniu:
● dodatkowych, zewnętrznych suchych chłodnic glikolu;
● dodatkowego wymiennika FC, zamontowanego nad skraplaczem, bezpośrednio pod wentylatorami skraplacza;
● skraplacza ze zintegrowanym w jednej baterii lamel rurkami freonowymi i wodnymi;
● dodatkowych wymienników FC, zintegrowanych ze skraplaczem, ale znajdujących się przed nim.
(...)
Pełna treść artykułu "Ekonomiczne aspekty stosowania free-coolingu" w nr 4/2009 Chłodnictwo&Klimatyzacja