Obecnie, przy procesach uzdatniania powietrza w okresie letnim, ale również i zimną, stałym elementem systemu klimatyzacji są urządzenia chłodzące powietrze, które umożliwiają obniżenie temperatury ciepłego powietrza do żądanej, niskiej wartości, a także jego osuszenie w sposób pozwalający na utrzymanie parametrów komfortu termicznego w klimatyzowanych obiektach. Przy tak dużym wykorzystaniu warto zatem zastanowić się, jak możemy zaoszczędzić na ich eksploatacji, poprawiając efektywność.

W agregatach chłodniczych ciepło z powietrza przekazywane jest do czynnika chłodniczego (układy z bezpośrednim odparowaniem – chłodnice freonowe – w takich rozwiązaniach wskutek poboru ciepła czynnik chłodniczy odparowuje) lub zimnej wody (chłodnice wodne: układy chłodnicze pośrednie, w których woda chłodzona jest bezpośrednio freonem, a następnie transportowana do wymienników, w których pobiera ciepło z powietrza i zwiększa swoją temperaturę) w zależności od rodzaju chłodnicy. Źródłem chłodu dla pierwszego z wymienionych sposobów ochładzania powietrza są agregaty skraplające (rys. 1a.), zaś drugi z wymienionych sposobów stanowią agregaty wody lodowej (tzw. chillery – rys. 1b.).

Rys. 1. gregaty chłodnicze [1]: a) agregat do układu z bezpośrednim odparowaniem; b) agregat wody lodowej

Do najpopularniejszych systemów z bezpośrednim odparowaniem czynnika chłodniczego zalicza się układy spli, multisplit oraz VRF (lub VRV) (rys. 2a.). W systemach split mamy do czynienia z układem agregat chłodniczy + jednostka wewnętrzna, pełniąca funkcję chłodnicy w pomieszczeniu. Systemy VRF oraz multisplit są z pozoru bardzo podobne, gdzie jedna jednostka zewnętrzna obsługuje co najmniej dwie jednostki wewnętrzne. Typoszereg jednostek wewnętrznych i ich gabaryty są podobne, a wskaźniki efektywności energetycznej często zbliżone. Jednak różnice pomiędzy tymi systemami są zasadnicze (rys. 2a.). Generalnie można stwierdzić, że systemy multi są systemami o dużo skromniejszych możliwościach niż systemy VRF. Różnią się także liczbą jednostek, które można podłączyć do jednego agregatu. Systemy multisplit występują w wersjach przeznaczonych do maksymalnie 8 jednostek wewnętrznych [1]. VRF to systemy, do których możemy podłączyć do 64 jednostek wewnętrznych [1].

Rys. 2. Systemy freonowe i wody lodowej [1]: a) system freonowy multi-split i typu VRF; b) system wody lodowej z wieżą chłodzącą oraz blokiem pompowym

Dla systemów klimatyzacji freonowej, instalacja wody lodowej jest często alternatywą relatywnie tanią i dobrze spełniającą swoje zadanie. Cechą charakterystyczną instalacji jest, że czynnikiem chłodniczym nie jest freon, tylko woda schładzana do temperatury zazwyczaj ok. 6°C. W niektórych przypadkach, woda może być schładzana nawet do 1°C. System wody lodowej składa się z agregatu wody lodowej (chiler'a) oraz różnego rodzaju wewnętrznych odbiorników chłodu (rys. 2b.). Agregat wody lodowej to urządzenie zewnętrzne, w którym woda jest schładzana, a następnie wprowadzana do instalacji wewnętrznej za pomocą modułu hydraulicznego. Odbiornikami chłodu są urządzenia wewnętrzne, które gabarytowo oraz funkcjonalnie przypominają jednostki wewnętrzne instalacji freonowych, ale mogą to być także chłodnice w centralach klimatyzacyjnych, lub rozmaite rozwiązania chłodnic strefowych, a także oziębiaczy w urządzeniach przemysłowych. Do zalet instalacji wody lodowej należy relatywnie niski koszt utrzymania, co w dużych instalacjach jest bardzo ważnym czynnikiem. Koszty wynikają z poboru energii elektrycznej do zasilania pomp oraz siłowników przy zaworach regulacyjnych w instalacji. Nakłady inwestycyjne na taką instalację są z reguły większe niż w przypadku instalacji freonowych, rosną one zwłaszcza w przypadku bardzo rozbudowanych instalacji. Instalacje te są także trudniejsze do zaprojektowania, regulacji oraz sterowania.

Woda po ochłodzeniu w chillerze rozprowadzana jest systemem rur od źródła do odbiorników. Instalacja regulowana jest za pomocą odpowiednio dobranej armatury. Woda lodowa często jest roztworem czystej wody z niskokrzepliwymi czynnikami, ze względu na możliwość zamarzania w temperaturze 0°C. Roztwory te mogą składać się z glikolu etylenowego lub propylenowego z wodą lub innych roztworów – solanek. Dostępne na rynku polskim agregaty wody lodowej dysponują mocą od około 10 kW do prawie 3000 kW [1]. W przypadku systemów wody lodowej układ może zasilać dowolną liczbę jednostek wewnętrznych. Układy wody lodowej mogą także pracować przy znacznie większych różnicach wysokości niż systemy freonowe (jednakże duża rozpiętość instalacji wiąże się ze znacznymi nakładami finansowymi na przewody i układy regulacyjne oraz dużym nakładem energetycznym na tłoczenie wody). Układ przygotowania wody lodowej (rys. 2b.) składa się zazwyczaj z agregatu chłodniczego z blokiem pompowym. Blok może być zabudowany w urządzeniu lub montowany osobno. Dodatkowo, z agregatu chłodniczego ciepło może być odbierane za pomocą wież chłodniczych z otwartym bądź zamkniętym obiegiem (rys. 2b.).

W obecnych czasach prawodawstwo oraz rosnące ceny energii elektrycznej wymuszają poszukiwanie najbardziej efektywnych rozwiązań w technologiach chłodniczych. Niezbędne kiew związku z tym staje się lepsze poznanie metod wytwarzania chłodu oraz cech charakterystycznych poszczególnych systemów, w celu dobrania odpowiedniego rozwiązania do wymogów danej instalacji. W niniejszym artykule dokonany zostanie przegląd i analiza cech charakterystycznych poszczególnych metod wytwarzania chłodu. Do sporządzenia przeglądu wykorzystane zostały pozycje literaturowe [1-6].

Budowa agregatów chłodniczych w systemach z bezpośrednim odparowaniem

Podstawowymi elementami agregatów skraplających dla systemów z bezpośrednim odparowaniem są wentylator, obudowa, skraplacz oraz sprężarka. Parowaczem jest chłodnica freonowa w centrali wentylacyjnej lub jednostka wewnętrzna w systemach rozdzielonych typu split, multi-split lub VRF. Element rozprężny, najczęściej termostatyczny zawór rozprężny, oraz inna armatura jest oferowana jako wyposażenie do montażu przed parowaczem. W zależności od sposobu chłodzenia skraplacza można dokonać następującej klasyfikacji tego typu urządzeń:

• agregaty ze skraplaczem chłodzonym powietrzem,
• agregaty ze skraplaczem chłodzonym wodą.

Agregaty dla systemów z bezpośrednim odparowaniem dostępne są również w wersjach z odwracalnym obiegiem chłodniczym (tzw. pompy ciepła), w których wymienniki w jednostkach wewnętrznych pracują jako skraplacz i służą do ogrzewania pomieszczeń. Pozwala to na efektywne wykorzystanie ciepła skraplania w okresie zimowym i przejściowym.

Rysunek 3. przedstawia schemat budowy typowego agregatu i jednostki wewnętrznej systemu split [1]. Na rysunku 3a. widoczny jest agregat chłodniczy, składający się z: sprężarki (1), czterodrogowego zaworu rewersyjnego (pozwala na odwrócenie obiegu chłodniczego i pracę w funkcji pompy ciepła- 2), płytki sterującej (3), wentylatora chłodzącego skraplacz (4), skraplacza (5), filtra czynnika chłodniczego (6), przyłączy skroplin i pary (7) oraz pokrywy (8). Budowa jednostki wewnętrznej (rys. 3b.): obudowa (1), filtr powietrza (2) (pozwala na usunięcie większych zanieczyszczeń powstających w pomieszczeniu), parowacz (3), żaluzje horyzontalne (4) umożliwiające regulację kierunku nawiewu powietrza w pionie, panel sterujący (5), filtr głębokiego oczyszczania (opcjonalnie) (6), wentylator (7), taca ociekowa na skropliny (8).

Rys. 3. Przykład układu z bezpośrednim odparowaniem [1]: a) agregat chłodniczy; b) jednostka wewnętrzna

Systemy wody lodowej – budowa

Zadaniem standardowego agregatu chłodniczego dla instalacji wody lodowej jest ochłodzenie wody lub też mieszaniny wody z glikolem o określonych parametrach i dostarczenie jej użytkownikowi. Najczęściej spotykanymi parametrami, na wlocie i wylocie do wytwornicy wody lodowej są: 6/11°C, 7/12°C lub 10/15°C. Woda ziębnicza (tzw. woda lodowa) ogrzewa się w stopniu zależnym od potrzeb instalacji i powraca do agregatu chłodniczego.

W agregatach wody lodowej ze skraplaczem chłodzonym cieczą wykorzystywane są sprężarki typu spiralnego, śrubowe, a także nowe konstrukcje promieniowe [5, 6]. Zastosowaniem tych ostatnich wiąże się z bardzo wysokimi oszczędnościami energetycznymi, gdyż wał wirnika wiruje w polu magnetycznym, a sprężarka nie wymaga smarowania olejem (olej obniża efektywność pracującego układu chłodniczego [5, 6]). W przypadku agregatów wody lodowej można rozróżnić konstrukcje monoblokowe i rozdzielone. W rozwiązaniach „monoblok” wszystkie elementy układu chłodniczego (sprężarka, parowacz i skraplacz, a także element rozprężny) są umieszczone w jednej obudowie, zazwyczaj na zewnątrz budynku. W przypadku układów rozdzielonych skraplacz montowany jest jako oddzielny element, zazwyczaj na dachu budynku, natomiast pozostałe części układu zabudowane są w kompaktowej obudowie ulokowanej w pomieszczeniach budynku [2]. W zależności od metody chłodzenia skraplacza, agregaty chłodnicze można podzielić w następujący sposób [2]:

• urządzenia ze skraplaczem chłodzonym powietrzem:
  • układ monoblok z wentylatorami charakteryzującymi się niewielkim sprężem, który wystarcza jedynie na pokonanie oporów własnych skraplacza. Przeznaczony do instalacji na zewnątrz budynku (rys. 4a),
  • układ monoblok z wentylatorami promieniowymi o relatywnie wysokim sprężu, który umożliwia pokonanie oporów skraplacza oraz instalacji służącej do doprowadzenia powietrza chłodzącego skraplacz z zewnątrz budynku. Dzięki temu możliwe jest lokowanie ich wewnątrz budynku,
  • typu rozdzielonego: agregat wody lodowej bez skraplacza zabudowany wewnątrz budynku oraz skraplacz zlokalizowany poza budynkiem (rys. 4b.),
• agregaty wody lodowej ze skraplaczem chłodzonym wodą: układ monoblok (rys. 4c.).

Rys. 4. rozwiązania odbioru ciepła ze skraplaczy dla wytwornic wody lodowej: a) agregat ze skraplaczem chłodzonym powietrzem – układ monoblok; b) agregat ze skraplaczem chłodzonym powietrzem – układ rozdzielony; c) układ ze skraplaczem chłodzonym wodą 

Agregaty ze skraplaczem chłodzonym cieczą znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie z uwagi na swoje gabaryty rozwiązania monoblokowe ze skraplaczem chłodzonym powietrzem nie mogą być stosowane. Urządzenia ze skraplaczem chłodzonym cieczą współpracują zazwyczaj z dwoma typami chłodnic cieczy: suchymi chłodnicami (tzw. dry-coolery) oraz wieżami chłodniczymi. Konfiguracja dry-coolerów pozwala na rozmieszczenie ciężaru na dużej powierzchni dachu, przez co obciążenia punktowe są znacznie mniejsze niż w przypadku monoblokowego agregatu chłodniczego chłodzonego powietrzem. Agregaty wody lodowej mogą również pracować w funkcji pompy ciepła Realizacja funkcji grzania w wersjach ze skraplaczem chłodzonym wodą możliwa jest poprzez odwrócenie obiegu chłodniczego lub wodnego (woda chłodząca skraplacz staje się dolnym źródłem ciepła, zaś woda przepływająca przez parowacz staje się medium odbierającym ciepło skraplania [5]).

Poprawa efektywności

Agregaty chłodnicze składają się z wielu komponentów, które wymagają doprowadzenia energii elektrycznej. Do odbiorników energii elektrycznej w agregatach chłodniczych należą:

• sprężarka,
• wentylatory,
• pompy (w przypadku agregatów wody lodowej oraz agregatów chłodzonych cieczą)
• urządzenia automatycznej regulacji.

We wszystkich rozwiązaniach należy dążyć do uzyskania lub zastosowania jak najbardziej sprawnych i efektywnych komponentów, gdyż iloczyn sprawności wszystkich komponentów jest ogólną sprawnością agregatu chłodniczego [3].

Najbardziej energochłonnym tutaj elementem agregatów są oczywiście sprężarki. Najmniejsze zużycie energii elektrycznej związane jest z zasilaniem automatyki chłodniczej. Zużycie prądu przez pompy agregatu chłodniczego jest uzależnione m.in. od przyjętego układu hydraulicznego, zapotrzebowania na chłód budynku oraz długości instalacji hydraulicznej i wymaganego ciśnienia dyspozycyjnego [3].

Wentylatory

Przykładem poprawy efektywności rozwiązań technologicznych agregatów chłodniczych może być odpowiedni dobór i umieszczenie wentylatora w odbudowie [3]. W zależności od przyjętego źródła chłodu dla systemu klimatyzacyjnego stosowane są wentylatory osiowe lub promieniowe. Przy zastosowaniu wentylatorów promieniowych zużycie energii elektrycznej będzie wyższe z uwagi na wyższe ciśnienie statyczne wentylatora wymagane do pokonania oporów przyłączonej instalacji kanałowej (strumień objętościowy przetłaczanego powietrza wymaganego do odprowadzenia ciepła ze skraplacza będzie identyczny jak dla wentylatora osiowego). W swojej publikacji pan Adamski [3] wykazał, że ustawienie łopatek wentylatora ma zasadnicze znaczenie w kontekście zużywania energii elektrycznej. W przypadku łopatek zwężających się od piasty w kierunku obudowy, najskuteczniejszym rozwiązaniem w obudowie Venturiego jest położenie łopatek poza lejem wlotowym powietrza (rys. 5a.), zaś w obudowie z krótkiego odcinka kanału oraz z płaskiej ścianki, najskuteczniejsze jest rozwiązanie, w której krawędź natarcia łopatki znajduje się na jednej linii z początkiem kanału (rys. 5b. i c.). W przypadku łopatek rozszerzających się od piasty w kierunku obudowy sytuacja jest analogiczna (rys. 5d-f.). W przypadku łopatek sierpowatych montowanych na odcinku kanału, najlepszym rozwiązaniem jest gdy krawędź spływu łopatki znajduje się poza wlotem powietrza do obudowy (rys. 5h.), a w przypadku montażu w obudowie z płaskiej ścianki, najlepszą pozycją montażu jest ułożenie górnej krawędzi spływu łopatki na jednej linii z początkiem płyty, na której montowany jest wirnik (rys. 5i.).

Rys. 5. Efektywne rozwiązania łopatek wentylatorów w zależności od zabudowy [3]: a) łopatki o zwężającej się krawędzi od piasty w obudowie typu Venturiego; b) łopatki o zwężającej się krawędzi od piasty w obudowie z krótkiego odcinka kanału; c) łopatki o zwężającej się krawędzi od piasty w obudowie z płaskiej ścianki; d) łopatki o rozszerzającej się krawędzi od piasty w obudowie typu Venturiego; e) łopatki o rozszerzającej się krawędzi od piasty w obudowie z krótkiego odcinka kanału; f) łopatki o rozszerzającej się krawędzi od piasty w obudowie z płaskiej ścianki; g) łopatki o kształcie sierpowatym w obudowie typu Venturiego; h) łopatki o kształcie sierpowatym w obudowie z krótkiego odcinka kanału; i) łopatki o kształcie sierpowatym w obudowie z płaskiej ścianki

Free-cooling

Agregaty wody lodowej są urządzeniami o dość dużych wydajnościach, które często muszą pracować w okresie całorocznym. W związku z tym niezbędne jest zastosowanie rozwiązań, które pozwalają zminimalizować zużycie energii elektrycznej związane z ciągłą pracą sprężarek. Jedną z możliwości jest wykorzystanie „darmowej” energii chłodniczej, jaką przez większość roku można pozyskać z powietrza atmosferycznego. Rozwiązanie takie nazywa się free-coolingiem.

Free-cooling polega na wykorzystaniu chłodnego powietrza zewnętrznego do procesu schładzania wody lodowej z pominięciem układu sprężarkowego lub przy jego minimalnym wykorzystaniu. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa od temperatury powrotu wody lodowej. Z uwagi, że przez większość roku powietrze zewnętrzne charakteryzuje się dość niską temperaturą, wykorzystanie tego chłodu do schładzania wody ziębniczej (wody lodowej) nie wiąże się praktycznie z żadnymi kosztami [4].

W agregatach wody lodowej, najprostszym sposobem użycia chłodu zawartego w powietrzu jest skierowanie wody za pomocą zaworu trójdrogowego do wymiennika ciepła, połączonego z drugiej strony z dry-coolerem (rys. 6a.) lub z wieżą chłodniczą (rys. 6b.), gdzie temperatura wody zostaje obniżona. Jeśli wciąż jest zbyt wysoka, strumień kierowany jest do agregatu chłodniczego, gdzie woda zostaje dochłodzona do żądanej wartości temperatury (rys. 6a. i b.).

Rys. 6. Przykłady rozwiązania free-coolingu [1]: a) układ chiller- dry cooler; b) układ chiller-wieża chłodnicza; c) free-cooling z wykorzystaniem zimnego powietrza świeżego

(...)

Okres ciepły (rys. 7a.)

(...)

Okres przejściowy (rys. 7b.)

(...)

Okres zimowy (rys. 7c.)

(...)

Podsumowanie

W niniejszej części artykułu zaprezentowano podstawowe informacje o agregatach chłodniczych wykorzystywanych w systemach klimatyzacyjnych. Przedstawiono możliwości podziału urządzeń pod względem funkcjonalnym. Zaprezentowano też istotne metody ograniczenia zużycia energii przez systemy chłodnicze, jakimi są:

• odpowiedni dobór wentylatorów do agregatów chłodniczych,
• zastosowanie techniki free-coolingu dla agregatów chłodzonych wodą:
  • z wykorzystaniem dry-coolerów lub wież chłodniczych,
  • z zastosowaniem nawiewu zimnego powietrza do pomieszczeń.

W następnej części niniejszego tekstu przedstawione zostaną inne metody ograniczenia zużycia energii przez systemy chłodnicze.

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

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 05/2014