Porównanie układów free-coolingu w agregatach i w szafach klimatyzacji precyzyjnej
Ocena użytkowników: / 0
SłabyŚwietny 
Data dodania: 17.05.2018

O systemach wolnego chłodzenia w urządzeniach sprężarkowych z bezpośrednim odparowaniem czynnika dyskutowano już niejednokrotnie. Każdy producent zachwala swoje rozwiązanie jako najlepsze, wiodące, na dodatek zużywające najmniej energii. Najciekawsze w całej dyskusji jest to, że w praktyce – wszyscy mają rację. Bez popełniania większego błędu można powiedzieć, że konkretne rozwiązanie sprawdza się w ograniczonym zakresie zastosowań i że nie ma systemu najlepszego na każdym polu. 

 

 

Free-cooling freonowy a glikolowy

 

W agregatach wody lodowej z free-coolingiem rozróżniane są dwa podstawowe rozwiązania (dwie filozofie) – bezpośrednie chłodzenie glikolu powietrzem zewnętrznym w dodatkowym wymienniku lub wykorzystanie potencjału chłodzącego ciekłego czynnika wprowadzanego w ruch przez pompę zastępującą sprężarkę.

 

W przypadku pierwszego rozwiązania, w samym wymienniku free-coolingu musi płynąć ciecz niezamarzająca, na przykład wodny roztwór glikolu o stężeniu odpowiednim do temperatur występujących w danej lokalizacji. Stosowanie czystej wody powoduje zagrożenie zamrożeniem jej wewnątrz rurek wymiennika i ich trwałym uszkodzeniem przez rozsadzenie. Nie jest jednak przeszkodą samo wprowadzanie czystej wody do agregatu free-coolingowego – po doposażeniu go w dodatkowy wymiennik (nazywany Glycol Free, Glycol Loop etc.), możliwe jest korzystanie z pełnej funkcjonalności systemów glikolowych, dzięki odizolowaniu bezpośredniego wpływu zimnego powietrza na czystą wodę (schemat rozwiązania na rys. 1.).

 

 

2018 03 56 1

Rys. 1. Układ free-cooling z dodatkowym wymiennikiem Glycol Free (C)

 

 

Takiego wymiennika nie wymagają urządzenia pracujące w trybie free-coolingu freonowego, pracującego na zasadzie „odwrócenia” procesu termodynamicznego w układzie, gdzie sprężarka zastępowana jest przez pompę ciekłego czynnika.

 

Schemat ideowy takiego rozwiązania przedstawia rysunek 2.

 

 

2018 03 56 2

Rys. 2. Schemat układu free-coolingu freonowego

 

 

Oprócz pompy ciekłego czynnika, stosowany jest dodatkowy zawór rozprężny, gwarantujący odpowiednią regulację układu.

 

Aby zobrazować ten tryb pracy free-coolingu, posłużymy się wykresem P-h dla czynnika R134a. Rysunek 3. obrazuje procesy zachodzące w układzie freonowym w trybie pracy sprężarkowej oraz wolnego chłodzenia.

 

 

2018 03 56 3

Rys. 3. Widok cykli pracy free-coolingu na układzie P-h

 

 

Charakterystyczny ząb na lewym końcu niebieskiego pięcioboku to ilustracja pracy pompy ciekłego czynnika.

 

W celu porównania obu systemów, należy przede wszystkim wspomnieć o trybach pracy free-coolingu glikolowego. Rozwiązanie to umożliwia pracę w trybie mieszanym, czyli wykorzystującym zarówno wymiennik FC, jak i sprężarki. Jest to możliwe dzięki oddzieleniu pracy układu freonowego od systemu wolnego chłodzenia. Taki tryb jest niedostępny w jednoobiegowych urządzeniach z free-coolingiem freonowym – urządzenia te pracują albo w trybie sprężarkowym, albo pompowym. Z kolei urządzenia dwuobiegowe – o ile sterownik urządzenia to umożliwia – mają możliwość pracy mieszanej. Jeden obieg pracuje wtedy w trybie pompowym, drugi w sprężarkowym.

 

 

Który wariant należy więc wybrać?

 

Wszystko zależy od charakterystyki instalacji i zapotrzebowania budynku na chłód. Nie wszystkie instalacje wymagają dostępności pełnej wydajności chłodniczej w trybie wolnego chłodzenia.

 

Jeśli profil obciążenia termicznego budynku w okresie zimowym pozwala na znaczne obniżenie całkowitego zapotrzebowania na chłód, a instalacja jest w stanie pracować ze zmiennym przepływem medium, to zastosowanie tego typu układu może nabrać sensu.

 

Po analizie osiąganych wydajności przez układy, łatwo zauważyć uwypuklające się między nimi różnice. Ogólnodostępne materiały promocyjne firm pozwalają na stworzenie porównania obu technologii. Warunkami brzegowymi jakie przyjęliśmy są: 

 

  • praca na czystej wodzie (0% glikolu); 
  • fouling factor = 0,00018 m2K/kW (współczynnik zanieczyszczenia parownika); 
  • temperatura wody w trybie sprężarkowym: 12/7°C;
  • temperatura wody w trybie FC: 15/10°C.

 

Porównanie zostało sporządzone dla agregatów o wydajności w trybie mechanicznym (liczonej przy temperaturze powietrza zewnętrznego +35°C) równej około 950 kW. Przyjęto również zmniejszone zapotrzebowanie na chłód w okresie zimowym (do około 400 kW), aby można było uwzględnić włączony tryb free-coolingowy w wersji freonowej.

 

Przy identycznych warunkach wejściowych, układ glikolowy jest w stanie zagwarantować nawet 2,5-krotnie więcej wydajności chłodniczej, co zdecydowanie determinuje użycie tego rodzaju sprzętu w instalacjach wymagających intensywnego chłodzenia przez cały rok.

 

Należy zauważyć, że w obu przypadkach występują czynniki sprzyjające zwiększaniu ogólnej sprawności sezonowej: charakterystyka pracy układu glikolowego (możliwość uruchomienia trybu mieszanego) oraz brak dodatkowego wymiennika free-coolingowego na skraplaczach w urządzeniach z trybem freonowym (brak wymiennika korzystnie wpływa na pobór mocy przez wentylatory).

 

Po zestawieniu profilu zapotrzebowania na chłód przez typowy budynek biurowy z charakterystyką urządzeń, otrzymano następujące wyniki: 

 

  • urządzenie z free-coolingiem freonowym zapewni tańsze chłodzenie przez około 960 godzin w roku, przy czym należy pamiętać o założonej redukcji całkowitego zapotrzebowania w zimie;
  • agregat z free-cooligiem glikolowym, dzięki swym właściwościom, będzie wykorzystywał tryb wolnego chłodzenia przez prawie 6 tysięcy godzin w roku, w proporcji chłodzenia całkowitego do częściowego równej 1/9 (598/5340 godzin).

 

 

2018 03 57 1

Rys. 4. Porównanie wydajności w trybie sprężarkowym i FC

 

 

Porównanie liczby godzin pracy w trybie FC oraz średnioroczne współczynniki sprawności dla obu urządzeń przedstawiono na rysunkach 5a, b i 6.

 

 

2018 03 58 1

Rys. 5 a i b. Ilość godzin pracy w trybie FC

 

 

2018 03 58 2

Rys. 6. Sprawności średnioroczne

 

 

Na potrzeby porównania obu technologii posłużymy się wartościami otrzymanymi z programu symulującego średnie sprawności sezonowe urządzeń oraz wyliczającego zapotrzebowanie na wydajność chłodniczą w ciągu roku.

 

Dane wejściowe: 

 

  • Qmax = 950 kW;
  • budynek biurowo-usługowy;
  • parametry wody lodowej 7/12°C; 
  • lokalizacja: Warszawa. Wynik: zapotrzebowanie na chłód w wysokości: 3,363 MWh rocznie.

 

Do dalszych obliczeń przyjęto uśrednioną stawkę za energię elektryczną w wysokości 500 PLN/MWh.

 

Dzieląc całkowite zapotrzebowanie na chłód przez uśrednioną sprawność sezonową, otrzymujemy uśredniony pobór mocy: 

 

  • Free-cooling glikolowy: SEER = 6,6 -> 509 MWh · 500 PLN / MWh -> 254 500 PLN rocznie 
  • Free-cooling freonowy: SEER = 5,23 -> 643 MWh · 500 PLN / MWh -> 321 510 PLN rocznie Różnica: 67 tys. PLN rocznie.

 

Na niekorzyść urządzeń z free-cooligiem glikolowym działa ich cena – różnica w cenie zakupu urządzeń w analizowanym przypadku sięga 58 tys. € (ok. 242 tys. PLN). Biorąc pod uwagę powyższe czynniki i założenia, na zwrot z inwestycji możemy liczyć po upływie około 3,5 roku (ok. 43 miesiące). Przy założonej przynajmniej dziesięcioletniej żywotności urządzeń, na korzyść rozwiązania glikolowego przemawia prawie 430 tysięcy złotych.

 

 

A jak to wygląda w przypadku szaf klimatyzacji precyzyjnej?

 

(...)

 

 

Free-cooling bezpośredni w DC

 

Kolejną odmianą free-coolingu w szafach klimatyzacji precyzyjnej jest układ ze specjalną nadstawką umożliwiającą wprowadzanie powietrza zewnętrznego do klimatyzowanego pomieszczenia. To tzw. free-cooling bezpośredni. Jego dużą zaletą jest bardzo wczesne rozpoczęcie procesu wolnego chłodzenia, gdyż otwarcie przepustnic powietrza zewnętrznego może nastąpić w momencie spadku temperatury otoczenia poniżej temperatury panującej w chłodzonym pomieszczeniu. W porównaniu do układów z czynnikiem pośrednim, jest to kilka stopni zysku. Minusem tego typu instalacji jest brak, albo względnie mały wpływ na kontrolę wilgotności w klimatyzowanym pomieszczeniu i bardzo duża zależność od warunków panujących na zewnątrz. Mowa tutaj o wspomnianej wcześniej wilgotności, dużych amplitudach dobowych temperatur oraz narażeniu na zanieczyszczenia zawieszone w powietrzu zewnętrznym. Układy te muszą być bardzo często serwisowane, a rozbudowane układy fi ltracji powodują duże opory przepływu powietrza. Skutkuje to zdecydowanym zwiększeniem zapotrzebowania na moc do napędu wentylatorów obiegowych. Cechy te powodują, że instalacje tego typu nie są u nas zbyt popularne, mimo swoich oczywistych zalet i prostoty działania.

 

 

2018 03 61 1

Rys. 13. Szkic dostawki do szafy klimatyzacji precyzyjnej modułu z free-coolingiem bezpośrednim

 

 

Podsumowanie

 

Stając przed dylematem wyboru konkretnego rozwiązania, przede wszystkim należy jasno określić swoje warunki brzegowe, minimalne wymagania sprawnościowe oraz brać pod uwagę nie tylko zakup, ale przede wszystkim roczne koszty użytkowania i serwisowania. Stwierdzeniem tym nie odkrywany Ameryki, gdyż dotyczy ono praktycznie każdej inwestycji. Problemem natomiast może się okazać poprawne sprowadzenie porównywanych ofert do wspólnego mianownika i wzięcie pod uwagę tylko tych parametrów, które dostatecznie dobrze odzwierciedlają analizowane obszary. Oczywiście nie trzeba tego robić samodzielnie – w razie wątpliwości zachęcamy do kontaktu z naszym działem wsparcia technicznego.

 

 

 

Michał URASIŃSKI
– Product Manager
Air-Water Systems
TROX BSH Technik Polska Sp. z o.o.

 

 

 

LITERATURA

[1]http://www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl/artykuly/245-wydanie-06-2015/3506-lieberteconophase-free-cooling-ukladow-freonowych-klimatyzacja-precyzyjna-oparta-obezposrednie-odparowanie.html.

[2] https://www.hvacr.pl/sites/default/files/article/attachment/04/1290/carrierfreecooling2013.pdf.

[3] https://www.hvacr.pl/carrier-unowoczesnia-system-dx-free-cooling-1290.

[4]https://www.vertivco.com/globalassets/products/thermal-management/room-cooling/liebert-econophase-pumped-refrigerant-economizer/liebert-econophase-85kw-24-tons-125kw-35-tons-user-manual.pdf.

[5] Materiały własne.

 

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Pompy ciepła 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

  • Pompy ciepła 2012

  • Pompy ciepła 2013

  • Termografia w podczerwieni 2009

Reklama
  • omii

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.