Definicja chłodzenia wyparnego w układach chłodniczych odmieniana jest w różnych kontekstach, których wspólnymi elementami są opisy termodynamiczne procesu wymiany ciepła w systemach pośrednich, bezpośrednich i mieszanych chłodzenia adiabatycznego z odprowadzeniem (lub nie) ciepła utajonego, przy czym zawsze wskazywane są zalety związane z oszczędnością energii i zyski w postaci zmniejszonych nakładów inwestycyjnych. 

W istocie, dzięki wykorzystaniu efektu wymiany ciepła pomiędzy odparowywaną wodą a przepływającym powietrzem, wyparne układy chłodzenia wyróżniają się pośród systemów odprowadzenia ciepła z instalacji budynków dzięki uzyskiwaniu temperatur chłodziwa zbliżonych do temperatur powietrza zewnętrznego, co w zależności od zastosowanych rozwiązań pozwala na osiągniecie wysokiej sprawności instalacji. Zależność od temperatury wilgotnego termometru (ang. WB= wet bulb) powoduje, że chłodzenie wyparne w odniesieniu do rodzaju urządzenia powinno rozpatrywać temperaturę wyjściową chłodziwa na poziomie gwarantowanej WB+2,8 K. Uzyskanie temperatur w zbliżeniu do i poniżej wartości temperatury wilgotnego termometru nie jest gwarantowane jednak w całym czasokresie użytkowania instalacji, ze względu na dużą wrażliwość systemów wyparnych na oddziaływanie czynników zewnętrznych. Zalety rozwiązania podkreślają znaczne oszczędności przestrzeni i w wymiarowaniu instalacji, zmniejszając wielkość urządzeń i tras przesyłowych czynnika chłodniczego oraz optymalizując zużycie energii elektrycznej i nakłady inwestycyjne.

Wrażliwość na oddziaływanie czynników zewnętrznych, a konkretnie parametrów powietrza odpowiedzialnego za przebieg adiabatycznych procesów chłodzenia stanowi, oprócz zapotrzebowania na uzdatnioną wodę, podstawową wadę systemów wyparnych instalacji chłodzenia i powinny być one oszacowane w koncepcji rozwiązania projektowego, uwzględniając zalety praktyczne systemów oraz nakłady inwestycyjne, a także eksploatacyjne.

Chłodzenie wyparne kojarzone jest najczęściej z wieżami chłodniczymi, których różne odmiany w zależności od użytego materiału i rozwiązania konstrukcyjnego można podzielić na wieże otwarte (ang. open cooling tower) i wieże typu zamkniętego (ang. fluid cooler) oraz układy zamknięte wież otwartych (ang. closed circuit open cooling towers). Te ostatnie defi niowane są jako układy zamknięte wież otwartych, gdy w bliskiej odległości od wieży otwartej znajduje się wymiennik ciepła stanowiący przeponowe oddzielenie układu chłodniczego od systemu obiegu wieży otwartej 1. Bardzo często ten system zamknięty wieży otwartej mylony jest z wieżami typu zamkniętego (fl uid cooler), gdyż projektant w obu przypadkach odczytuje układ jako zamknięty, a w istocie różnica w funkcjonowaniu obydwu systemów urządzeń ma wpływ na sprawności wymiany ciepła i koszty inwestycyjne oraz obsługowe, ale także bezpieczeństwo eksploatacyjne.

Oprócz typoszeregu wież chłodniczych występują też schładzacze cieczy (ang. dry-cooler) wykorzystujące adiabatyczne chłodzenie z wykorzystywaniem wody odparowującej bezpośrednio na powierzchni wymiennika, złożu zraszalnika umieszczanym w oknie na wlocie powietrza lub rozpylanej w bliskiej odległości przed wejściem na wymiennik, dzięki czemu obniża się temperatura wejściowa powietrza odpowiedzialnego za wymianę ciepła.

Chłodzenie wyparne wykorzystywane jest także w wymiennikach ciepła stosowanych w centralach wentylacyjnych wykorzystujących efekt adiabatycznego chłodzenia lub system kombinowany wraz z osuszaniem, np. na wirniku sorpcyjnym.

Projektując układy chłodzenia należy zawsze rozważyć w pierwszej kolejności ich przeznaczenie, opierając się na funkcji jaką mają one spełnić w zależności od rodzaju budynku i jego cech użytkowania. Istotne różnice pomiędzy budynkami komercyjnymi i biurowymi zostały uwzględnione w normach projektowych dotyczących poszczególnych zastosowań i stanowią obowiązującą wykładnię projektowego minimum zgodności, bazujących na podstawach opracowania projektu w relacji z Rozporządzeniami Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Każdy projekt, także instalacji chłodu jako części szczegółowej projektu głównego, jest inżynierską wizją symulacji funkcjonowania obiektu w oparciu o jego założone przeznaczenie i powinien obligatoryjnie uwzględniać założenia ogólne oparte o minimum normatywne parametrów powietrza zewnętrznego oraz wewnętrznego w odniesieniu do oczekiwanego komfortu. Założenia normatywne stanowią minimum parametrów wyjściowych do doboru urządzeń, które oprócz cech dopasowania wydajnościowego powinny uwzględniać specyfi czne warunki określane w normach, ale też indywidualnie w zależności od przyjętej koncepcji projektowej w odpowiedzi na wymogi użytkownika lub właściciela. Już na etapie wypracowania koncepcji pojawiają się sprzeczności przy projektowaniu budynków komercyjnych i biurowych dotyczące elementów dopasowania cech urządzeń do norm, czasami odbiegających znacznie od symulowanych parametrów pracy instalacji i wymogów użytkownika. Dlatego też, projektując należy zwracać uwagę na istotne cechy i różnice poszczególnych zastosowań oraz uwzględniać parametry pracy ekstremalne i możliwości ich wystąpienia wraz z możliwymi schematami optymalizacji pracy instalacji w takich warunkach.

Rys. 1. Centrala wentylacyjna wykorzystująca suszenie i chłodzenie przez parowanie (ang. Desiccative Evaporative Cooling), źródło http://www.klingenburg.pl/wiedza/dec-chlodzenie-wyparne/

Budynki biurowe cechuje znaczna przewidywalność w projektowanym obciążeniu cieplnym, co pozwala na bardziej precyzyjne dobranie instalacji chłodniczej w oparciu o kalkulowane zyski ciepła, które z reguły pozostają niezmienne wraz z okresem użytkowania. Występujące piki obciążenia wkalkulowane są w wielkość zastosowanych urządzeń i rurociągów przesyłowych, a okresy obsługowe mogą być ujęte w procesie projektowania schematycznie. W przypadku budynków komercyjnych kalkulowane zyski ciepła muszą przewidzieć wiele schematów obciążenia instalacji chłodniczej, która powinna zapewnić nie tylko sprawne i bezpieczne funkcjonowanie w pełnym zakresie wydajności, ale także umożliwić zaspokojenie potrzeb użytkowników przy ekstremalnie różnych temperaturach zewnętrznych latem i zimą. Do tego, projektant musi brać pod uwagę istotną różnicę w kalkulowanych obciążeniach cieplnych, która dla budynku biurowego oznacza stabilne i wysokie zapotrzebowanie na chłód latem oraz zminimalizowane, ale nadal stabilne i przewidywalne zimą. Z kolei budynki komercyjne w swojej charakterystyce zysków ciepła posiadają w ciągu lata okresy maksymalnego obciążenia, co decyduje o konieczności przewymiarowania urządzeń i instalacji przez uwzględnienie większego współczynnika jednoczesności. W okresach przejściowych jesienią i wiosną występują stabilne obciążenia wraz z charakterystycznymi pikami związanymi z sezonowym obciążeniem w wykorzystaniu budynków, w zależności od ich przeznaczenia. Natomiast zima może zaskakiwać, pomimo niskich temperatur zewnętrznych, zwiększonym zapotrzebowaniem na chłód zbliżonym nawet do okresów letnich, w niektórych momentach.

Powyższa charakterystyka, przedstawiona w skrócie bez rozważania indywidualnego każdego z rodzaju budynków, wpływa na projektowanie wyparnych układów chłodzenia, jeżeli zostaną one uwzględnione w fazie wstępnej projektu, jako jedna z alternatyw. Przyjmuje się także, iż budynki biurowe w swojej strukturze nie będą ulegały zmianom co do przeznaczenia i z reguły instalacja chłodu pozostaje w takich budynkach niezmieniona, a modernizacja polega na ewentualnej przebudowie architektonicznej z pozostawieniem istniejącej instalacji chłodu. Budynki komercyjne ulegają, natomiast ciągłym zmianom i instalacja chłodu musi być dopasowywana do zmian obejmujących często konieczność wymiany urządzeń lub ich nowego usytuowania. Dlatego w tych zastosowaniach większość instalacji chłodzenia opartych o urządzenia wyparne projektowane są w układzie pętli wodnej, która rozprowadza medium stałymi rurociągami.

Rys. 2. Schemat skraplacza adiabatycznego wg. rozwiązania firmy Muller (Jacir)

 (...)

 ¹ Eurovent 9/12 – 2016 Performance Effi ciency Standard for Evaporative Cooling Equipment, Published on 11 October 2016 by Eurovent, 80 Bd. A. Reyers Ln, 1030 Brussels, Belgium, str. 6, dostęp: 29.10.2017, https://eurovent.eu/?q=content/eurovent-912-2016-performance-efficiency-standard-evaporative-cooling-equipment

Podsumowanie

Reasumując, stosowanie wyparnych układów chłodzenia w projektowaniu instalacji dla budynków biurowych i komercyjnych ma swoje uzasadnienie ekonomiczne i technologiczne, ale jak i w przypadku innych rozwiązań wymaga kompleksowego podejścia projektowego. Wydaje się także, iż dzięki zastosowaniu czynnika ekologicznego, jakim jest woda oraz zwiększające się zapotrzebowanie na odprowadzenie ciepła przy równoczesnym zwiększaniu bezpieczeństwa pracy instalacji, wyparne układy chłodzenia powinny być częściej uwzględniane w rozwiązaniach koncepcyjnych dla budynków biurowych i komercyjnych. Wymaga to od projektującego większego zainteresowania kompleksową oceną wybranego systemu w perspektywie długoletniej eksploatacji, a nie tylko uwzględniania kontrargumentów przeciwników chłodzenia wyparnego, którzy podkreślają jedynie negatywne cechy tych rozwiązań pomijając lub tylko minimalnie sygnalizując zalety.

Rys. 5. Przykładowe usytuowanie wież chłodniczych BAC na dachu

 Jerzy KOT – Strategic Business Unit Head
– Process Cooling, Thermax India Limited