Czy agregaty wody lodowej chłodzone cieczą są najwłaściwszym wyborem rozwiązania źródła chłodu dla systemów klimatyzacyjnych, gdy priorytetem są niskie koszty zużycia energii elektrycznej przez system HVAC?

 Na łamach magazynów branżowych często faworyzowane są rozwiązania sprężarkowych agregatów chłodniczych ze skraplaczem chłodzonym cieczą jako te, które generują niskie koszty eksploatacyjne związane z pracą źródła chłodu w systemie klimatyzacyjnym.

Coraz częściej inwestorzy skuszeni taką wizją decydują się na ten rodzaj sprężarkowego agregatu chłodniczego. Podobnie projektanci systemów HVAC w wielu wypadkach, dysponując odpowiednim miejscem na każde z możliwych źródeł chłodu, zastanawiają się nad wyborem właśnie takiego typu agregatu chłodniczego.

W niniejszym artykule poruszono kwestię efektywności energetycznej jako zasadniczego kryterium wyboru rozwiązania źródła chłodu. Zwrócono również uwagę na inne aspekty, które również mogą mieć wpływ na decyzję projektanta bądź inwestora.

Agregaty chłodzone powietrzem i cieczą – różnice w budowie

W agregatach chłodzonych powietrzem mamy zazwyczaj do czynienia z wymiennikiem lamelowym wykonanym z ułożonych w układzie przestawnym miedzianych rurek połączonych mechanicznie z aluminiowymi lamelami. Pofałdowana powierzchnia oraz optymalny rozstaw lamel zapewniają maksymalną sprawność wymiany ciepła.

Agregaty te są wyposażone w wentylatory osiowe bądź promieniowe wymuszające przepływ przez skraplacz oraz umożliwiające odbiór ciepła kondensacji. Urządzenia wyposażone w wentylatory osiowe są poznaczone do montażu zewnętrznego, z kolei wersje z wentylatorami promieniowymi przeznaczone są do montażu wewnętrznego.

Przepływ powietrza przez skraplacz w wykonaniach zewnętrznych agregatów odpowiada przyrostowi temperatury powietrza na skraplaczu zazwyczaj rzędu 10 K. Dla wersji superwyciszonych agregatów ze skraplaczem powietrznym Δt może być większa co obniża wydajność i efektywność agregatu (przy założeniu, że ich wersje w wykonaniu akustycznym standardowym posiadają takie same wymiary jak wersje supewyciszone).

Wykonania wewnętrzne agregatów, w przeciwieństwie do wersji zewnętrznych, projektowane są na przepływy powietrza odpowiadające większej Δt powietrza na skraplaczu (przepływy powietrza są mniejsze niż dla urządzeń podobnej wielkości, ale w wykonaniu zewnętrznym). Wynika to z faktu, że dla urządzeń wysokiej wydajności ilości powietrza chłodzącego są bardzo duże. Przy wymiarowaniu kanałów wentylacyjnych okazałoby się, że pozostawienie takiej samej Δt powietrza na skraplaczu jak dla wersji zewnętrznych wiązałoby się z bardzo dużymi w wymiarami kanałów wentylacyjnych, doprowadzających i odprowadzających powietrze do i z powierzchni skraplacza. Zastosowanie większej Δt powietrza dla wersji wewnętrznych pozwala zatem na zmniejszenie ilości powietrza chłodzącego skraplacz oraz wymiarów kanałów wentylacyjnych.

Z drugiej jednak strony przyjęcie wyższej Δt powietrza na skraplaczu dla wykonań wewnętrznych wiąże się jednak ze spadkiem wydajności i efektywności agregatów. Z tego powodu wersje wewnętrzne posiadają zazwyczaj gorsze efektywności energetyczne, w stosunku do urządzeń o takiej samej mocy, ale w wykonaniu zewnętrznym.

W agregatach wody lodowej chłodzonych cieczą stosowane są:

• lutowane mosiądzem płytowe skraplacze ze stali nierdzewnej o dużej powierzchni wymiany ciepła, wyposażone zazwyczaj w zewnętrzną izolację cieplną / przeciwkondensacyjną.
• skraplacze płaszczowo–rurowe z pokrywą ze stali węglowej, która osłania wewnętrznie ożebrowane przewody miedziane.

Skraplacze projektowane są na przepływy cieczy chłodzącej skraplacz odpowiadające zazwyczaj przyrostowi temperatury cieczy na skraplaczu równej 5 K. Zakres jednak dopuszczalnych przyrostów temperatury cieczy na skraplaczu jest szerszy i mieści się zwykle w zakresie od 3 do 8 K.

Innej Δt wody odpowiadają inne przepływy cieczy. Im większa Δt wody, tym wymagany strumień cieczy chłodzącej skraplacz jest mniejszy. Przyjęcie dla przykładu Δt wody równej 8 K zamiast 5 K zmniejsza przepływ cieczy chłodzącej skraplacz, koszty pompowania oraz koszty samej instalacji hydraulicznej (mniejsze przepływy = mniejsze średnice przewodów).

Podobnie jak dla agregatów chłodniczych w wersji ze skraplaczem chłodzonym powietrzem do instalacji wewnętrznych, przyjęcie wyższej Δt temperatury wody chłodzącej skraplacz (przy założeniu takiej samej temperatury wlotowej cieczy na skraplacz) wiąże się z obniżeniem efektywności energetycznej agregatu oraz jego wydajności. W obydwu rozwiązaniach agregatów ze skraplaczem chłodzonym cieczą i powietrzem wzrost temperatury medium na skraplaczu powoduje obniżenie wydajności agregatu oraz jego wydajności i odwrotnie: przyjęcie niższej temperatury medium powoduje wzrost wydajności i efektywności energetycznej agregatu.

Przykładowy schemat współpracy agregatu chłodniczego ze skraplaczem chłodzonym cieczą z wieżą chłodniczą.

Efektywność energetyczna dla warunków EUROVENT i dla rzeczywistych warunków pracy

(...)

Koszty inwestycyjne i koszty eksploatacyjne

Można zauważyć, że koszty inwestycyjne w przypadku agregató wody lodowej ze skraplaczem chłodzonym cieczą będą wyższe od kosztów agregatów ze skraplaczem chłodzonym powietrzem. W obydwu przypadkach mamy do czynienia z urządzeniami monoblokowymi, kompletnie wyposażonymi w niezbędne elementy układu chłodniczego. Dodatkowo dla prawidłowej pracy agregatów ze skraplaczem chłodzonym cieczą wymagane są urządzenia współpracujące w postaci dry-coolerów lub wież chłodniczych, przez co rośnie ich koszt inwestycyjny.

Prawdą jest fakt, że dla rozwiązań zewnętrznych agregatów wymagany jest glikol dla instalacji zasilających odbiorniki chłodu w budynku. Podobnie jednak rzecz się będzie miała do rozwiązań z zewnętrznymi dry-coolerami czy też wieżami chłodniczymi. Tutaj można co prawda pominąć zastosowanie glikolu w instalacji zasilającej odbiorniki chłodu, jednak w obiegu drycoolera czy też wieży chłodniczej konieczne jest już zastosowanie wodnych roztworów glikolu.

Reasumując, patrząc pod kątem samych kosztów inwestycyjnych, rozwiązanie monoblokowe w postaci agregatu ze skraplaczem chłodzonym powietrzem będzie najtańszym spośród analizowanych tutaj rozwiązań i dla przyjętych przez autora warunków. Analizując pracę poszczególnych rozwiązań źródeł w aspekcie kosztów eksploatacji, należy przede wszystkim odnieść warunki pracy wszystkich rozwiązań od jednej płaszczyzny odniesienia. W tym celu przyjęto obliczeniową temperaturę wody w instalacji hydraulicznej zasilającej odbiorniki chłodu na poziomie 12/7°C oraz powietrza zewnętrznego równą 35°C. W celu umożliwienia przekazywania ciepła od dry-coolera do powietrza atmosferycznego, przyjęto temperaturę w obiegu agregat--drycooler na poziomie 45/40°C.

(...)

Porównanie rozwiązań ze skraplaczem chłodzonym powietrzem i wodą

(...)

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonej analizy różnych rozwiązań źródeł chłodu można wywnioskować, że rozwiązaniem najtańszym pod względem kosztów zakupu jest rozwiązanie w postaci przeznaczonego do montażu zewnętrznego monoblokowego agregatu ze skraplaczem chłodzonym powietrzem,.

Patrząc pod kątem kosztów eksploatacyjnych, związanych tylko i wyłącznie z kosztami zużywanej energii elektrycznej, rozwiązaniem najbardziej korzystnym okazuje się rozwiązanie agregatu ze skraplaczem chłodzonym cieczą wraz z wieżą chłodniczą. Prosty czas zwrotu SPBT (z ang. „Simple Pay Back Time”) w stosunku do rozwiązania przyjętego jako najtańsze, tj. w postaci monoblokowego agregatu, wynosi około 11 lat. Rozwiązanie agregatu chłodniczego ze skraplaczem chłodzonym cieczą z dry-coolerem jest najdroższe eksploatacyjnie.

Jednak konieczność doprowadzenia wody świeżej, wynikająca z potrzeb doprowadzenia i uzdatnienia wody dla wież chłodniczych (traconej na odparowanie i unoszenie) generuje zwiększone koszty eksploatacyjne dla rozwiązania agregatów współpracujących z wieżami chłodniczymi. Pominięcie tego kosztu przy wielu analizach kosztów eksploatacyjnych jest sporym niedomówieniem. W rezultacie po uwzględnieniu tych kosztów rozwiązanie z monoblokowym agregatem chłodzonym powietrzem wypada najbardziej atrakcyjnie pod kątem eksploatacyjnym. Zastosowanie agregatów ze skraplaczem chłodzonym cieczą i dry-coolerami jest najmniej uzasadnionym wyborem, patrząc pod kątem kosztów zakupu i eksploatacji.

Końcowy wynik analizy wskazuje jednoznacznie, że rozwiązanie w postaci monoblokowego agregatu ze skraplaczem chłodzonym powietrzem jest najbardziej uzasadnione inwestycyjnie i ekonomicznie (eksploatacja). Zatem wszędzie tam, gdzie pozwalają na to warunki zabudowy, powinny być wykorzystywane w pierwszej kolejności tego typu konstrukcje agregatów chłodniczych. Dla innych warunków zabudowy (brak miejsca na dachu, ograniczenia w obciążeniu dachu, wymogi akustyczne itp.) zalecane jest zastosowanie agregatów ze skraplaczem chłodzonym cieczą wraz z dry-coolerem.

Jeżeli istnieją warunki zabudowy i możliwość wykorzystania źródła darmowej wody odpadowej, wówczas rozwiązanie agregatów wody lodowej ze skraplaczem chłodzonym cieczą jest bezkonkurencyjne, choć należy przeanalizować każdorazowo prosty czas zwrotu – SPBT.

Oczywiście istnieje też wiele innych aspektów, które nie były brane w powyższej analizie. Wszelkie inne okoliczności bądź potrzeby inwestorów lub projektantów winny być w takim wypadku uwzględnione i przeanalizowane ponownie. Intencją autora nie jest negowanie danego rozwiązania konstrukcyjnego źródła chłodu, lecz próba zwrócenia uwagi, że po pierwsze przy analizach różnych rozwiązań należy kierować się rzeczywistymi warunkami odniesienia (warunki dla agregatów chłodzonych cieczą wg EUROVENT nie zawsze takim odpowiadają, konieczność doprowadzenia i uzdatnienia wody dla wież chłodniczych, itp.). Po drugie, że czasami najprostsze rozwiązania są po prostu najlepsze.

LITERATURA:
[1] Biuletyny techniczne i karty katalogowe firm: CLIVET, THERMOKEY, DECSA.
[2] http://www.eurovent-certification.com 

Bartłomiej ADAMSKI
PZITS oddział Kraków

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 09/2013