Współczesny inżynier technolog systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych w celu dokonania właściwego wyboru systemu klimatyzacyjnego powinien weryfikować oferty różnych producentów. Z uwagi, iż oferta producentów jest bardzo duża, wybór często jest trudny, tym bardziej, że działania marketingowe i promowanie określonego produktu uwypukla same tylko jego zalety. O jego wadach, inwestorowi lub także samemu projektantowi przychodzi dowiedzieć się podczas codziennej eksploatacji systemu. Do takich przykładowych dylematów można zaliczyć wybór rozwiązania free-cooling wykorzystywanego przez większość producentów agregatów wody ziębniczej. W niniejszym artykule autor dokona porównania dwóch najbardziej popularnych metod wykorzystania funkcji freecooling w sprężarkowych agregatach wody ziębniczej, a także zwróci uwagę, czym się kierować przy wyborze najwłaściwszego rozwiązania.

Free-cooling pośredni a free-cooling bezpośredni

„Free-cooling” to proces wykorzystania darmowych pokładów chłodu zawartych w powietrzu zewnętrznym o niskiej temperaturze do schłodzenia powietrza wewnątrz budynku. W praktyce wykorzystanie naturalnego chłodzenia powietrza może odbywać się w sposób pośredni i bezpośredni. Tutaj warto dokonać wyjaśnienia stosowanego nazewnictwa.

Jeżeli rozpatrujemy proces free-coolingu w centrali klimatyzacyjnej, który polega na zwiększeniu udziału świeżego powietrza zewnętrznego do chłodzenia pomieszczenia w okresie występowania niskich temperatur powietrza atmosferycznego, to taki proces możemy nazwać free-coolingiem bezpośrednim. Jeżeli proces schładzania powietrza odbywa się z wykorzystaniem wody ziębniczej schłodzonej w agregacie wody ziębniczej, za pośrednictwem funkcji free-cooling agregatu, to taki proces, patrząc pod kątem centrali, realizowany jest w sposób pośredni. Woda ziębnicza jest cieczą pośredniczącą pomiędzy powietrzem zewnętrznym a schładzanym powietrzem wewnętrznym. Obydwa powyższe przypadki dotyczą wykorzystania funkcji free- -cooling, w której odbiornikiem chłodu jest powietrze wewnętrzne.

Z kolei przy wykorzystaniu funkcji free-cooling w sprężarkowych agregatach chłodniczych do chłodzenia wody ziębniczej istnieje podobna nomenklatura z tym, że odbiornikiem chłodu zawartego w powietrzu zewnętrznym jest woda ziębnicza. Jeżeli woda ziębnicza bezpośrednio odbiera chłód od powietrza zewnętrznego to mamy w takim przypadku do czynienia z free-coolingiem bezpośrednim (tzw. Direct Free-Cooling – FCD). Do typowych rozwiązań realizujących ten proces free-coolingu należą tradycyjne rozwiązania w agregatach chłodniczych, wykorzystujące dodatkowy wymiennik wodny montowany przed skraplaczem oraz trójdrogowy zawór regulacyjny (rys. 1).

Rys. 1. Przykład tradycyjnego rozwiązania free-coolingu bezpośredniego. Free- -cooling w sprężarkowym agregacie chłodniczym wyposażonym w trójdrogowy zawór regulacyjny oraz dodatkowy wymiennik free- -coolingu. Woda ziębnicza bezpośrednio odbiera chłód od powietrza zewnętrznego. 1 – powrót medium z instalacji; 2 – wylot schłodzonej wody na instalację; 3 – wymiennik „free-cooling” (tylko dla wersji z funkcją „free-cooling”); 4 – skraplacz; 5 – sprężarki; 6 – parowacz; 7 – pompy cyrkulacyjne; 8 – zawór trójdrogowy (tylko dla wersji z funkcją „free-cooling”); 9 – wentylatory; 10 – armatura obiegu chłodniczego; 11 – powietrze zewnętrzne

Jeżeli woda ziębnicza jest schładzana z wykorzystaniem dodatkowych cieczy pośredniczących, w takim wypadku mówimy o free-coolingu pośrednim. Do takich rozwiązań możemy zaliczyć tzw. systemy „non glycol free- cooling” (rys. 2) lub podobne oferowane przez firmę Carrier (rys. 3).

Rys. 2. Przykład zastosowania pośredniego systemu free-cooling w tzw. systemie „no glycol free-cooling”. Woda ziębnicza jest schładzana przez powietrze zewnętrzne za pośrednictwem cieczy pośredniczącej. a) Free-cooling w sprężarkowym agregacie chłodniczym wyposażony w pompę glikolową, dodatkowy wymiennik frez coolingu oraz wymiennik pośredniczący. Praca w okresie letnim; b) Free-cooling w sprężarkowym agregacie chłodniczym wyposażony w pompę glikolową, dodatkowy wymiennik frez coolingu oraz wymiennik pośredniczący. Praca w okresie przejściowym; c) Free-cooling w sprężarkowym agregacie chłodniczym wyposażony w pompę glikolową, dodatkowy wymiennik frez coolingu oraz wymiennik pośredniczący. Praca w okresie zimowym

Rys. 3. Rozwiązanie free-cooling oferowane przez firmę Carrier jest typowym rozwiązaniem tzw. free-coolingu pośredniego. Woda ziębnicza jest schładzana z wykorzystaniem czynnika ziębniczego, który stanowi medium pośredniczące pomiędzy powietrzem zewnętrznym a schładzaną wodą. Wymiana ciepła usprawniona jest poprzez zastosowaniem pomp czynnika chłodniczego zamontowanych na układzie chłodniczym agregat

Aby dokonać racjonalnego porównania najbardziej popularnych rozwiązań warto przypomnieć krótko zasadę ich działania. W dalszej części autor dokona analizy porównawczej rozwiązań tak, by było możliwe ich bezpośrednie skonfrontowanie dla identycznych warunków pracy.

Zasada działania dostępnych rozwiązań free-cooling

Rozwiązanie „tradycyjne”
W tradycyjnym rozwiązaniu dodatkowy wymiennik free-cooling jest montowany przed skraplaczem, zaś trójdrogowy zawór regulacyjny umieszczony przed parowaczem sprężarkowego układu chłodniczego. Dodatkowy wymiennik free-cooling powoduje zwiększone opory na drodze przepływu powietrza i cieczy oziębianej, podobnie zwiększone opory pojawią się na drodze przepływu cieczy przez dodatkowy zawór trójdrogowy. Z uwagi na możliwość zamarznięcia wody konieczne jest zastosowanie domieszek glikolu w celu obniżenia temperatury krzepnięcia cieczy oziębianej.

W tego typu układzie rozróżnić należy trzy zasadnicze okresy pracy: letni, przejściowy oraz zimowy. Za okres letni rozumie się okres, w którym temperatura powietrza zewnętrznego jest wyższa lub równa w stosunku do temperatury wody na powrocie z instalacji (na wlocie do agregatu). W tym okresie funkcja free-cooling pozostaje wyłączona. (...)

Rozwiązanie CARRIER z wykorzystaniem czynnika chłodniczego jako substancji pośredniczącej (...)

Wady poszczególnych rozwiązań (...)

Porównanie i analiza pracy dla takich samych warunków (...)

Wnioski

- zastosowanie cieczy pośredniczących w różnych rozwiązaniach free-cooling powoduje obniżenie się temperatury powietrza zewnętrznego, przy której rozpoczyna się proces free-cooling. Powoduje to olbrzymie straty w oszczędnościach wynikających z zastosowania free-coolingu pośredniego. Dotyczy to zarówno rozwiązania firmy Carrier, jak również rozwiązań typu „non glycol free-cooling”;

- zastosowanie tradycyjnego rozwiązania free-cooling z trójdrogowym zaworem regulacyjnym oraz dodatkowym wymiennikiem free-cooling jest rozwiązaniem najprostszym, sprawdzonym w polskich warunkach klimatycznych oraz najbardziej korzystnym, patrząc z punktu widzenia oszczędności energii chłodniczej;

- w tradycyjnych rozwiązaniach freecooling (dodatkowy zawór trójdrogowy, dodatkowy wymiennik free-coolera) możliwe jest wyeliminowanie glikolu z instalacji poprzez zastosowanie wymiennika pośredniego na instalacji wody ziębniczej (pomiędzy agregatem a instalacją) i rozwiązanie to, patrząc tylko z punktu widzenia pracy free- -cooling, w dalszym ciągu będzie bardziej korzystne w stosunku do rozwiązań pośredniego free-coolingu (CARRIER, „non glycol free-cooling”).