Poszukiwanie oszczędności w instalacjach chłodniczych stanowi istotny trend szczególnie istotny współcześnie przy świadomości powiązanych z tym kosztów eksploatacji. Także aspekt odpowiedzialności społecznej korporacji (ang.: corporate social responsibility), zarówno producentów urządzeń jak i właścicieli instalacji oraz współpracujących z nimi biur projektowych, determinuje ukierunkowanie inwestycji na ekologię oraz przeciwdziałanie globalnemu ociepleniu. Niniejszy artykuł przybliża kontekst elementów procesu decyzyjnego przy wyborze systemu chłodzenia opartego o funkcje free-cooling dla wież chłodniczych.

Osiągnięcie optymalnych wydajności chłodniczych dla urządzeń typu wieże chłodnicze, gwarantujących minimalne koszty eksploatacji, zostało ograniczone postępem technologicznym. Rozwiązania konstrukcyjne poszczególnych producentów zbliżyły się do siebie, inicjując potrzebę pokonania bariery kosztowej w stosunku do efektywności instalacji, kojarzonej coraz częściej z układem free-coolingu. Postrzegany jest on jako kosztowo zminimalizowane uzyskiwanie chłodu przez wykorzystanie różnicy entalpii powietrza zewnętrznego i środka chłodniczego, wykorzystywanego w transporcie ciepła z przestrzeni, w której to ciepło definiowane jest jako niepożądane.

Free-cooling stał się atrybutem każdego urządzenia czy instalacji, ale stanowi także często warunek akceptacji rozwiązania koncepcyjnego w systemach klimatyzacyjnych i chłodniczych. Jego zastosowanie podyktowane jest koniecznością uzyskiwania większej sprawności energetycznej dla układów klimatyzacyjno-chłodniczych, która wynika z regulacji prawnych oraz rachunku ekonomicznego oszczędności eksploatacyjnych. Z terminem free-coolingu wiąże się wiele aspektów rozumienia, postrzegany jest on różnie w zależności od punktu odniesienia. W poniższych rozwiązaniach zostaną zastosowane podstawowe terminy używane w termodynamice, gdzie układ jest to ściśle określony obiekt, w tym przypadku instalacja wody lodowej składająca się z podstawowych dwóch elementów: agregatu wody lodowej odpowiedzialnego za dostarczenie schłodzonej wody przy wartościach zadanych nominalnych oraz wieży chłodniczej otwartej lub schładzacza cieczy (nazywanego często wieżą zamkniętą).

Drugim terminem istotnym dla przemian w termodynamice jest otoczenie, czyli wszystko, co jest poza układem, a w przypadku wież chłodniczych oznacza ono powietrze zewnętrzne. Wymiana ciepła pomiędzy układem a otoczeniem stanowi przepływ energii i opiera się na I zasadzie termodynamiki, zamykając się w stwierdzeniu o zasadzie zachowania energii. Analiza defi nicji wskazuje, iż free-cooling to forma wymiany ciepła pomiędzy układem (zamkniętym lub otwartym) i otoczeniem, pozwalająca na bezpośrednie uzyskiwanie zadanych temperatur w układzie chłodzącym instalacji klimatyzacyjnej lub chłodniczej. Innymi słowy, wykorzystując różnicę entalpii pomiędzy układem a otoczeniem, jesteśmy w stanie uzyskać zadane temperatury przy równoczesnym obniżeniu kosztów eksploatacji.

Pośród wielu urządzeń funkcjonalnie wpisujących się w grupę urządzeń odpowiedzialnych za odprowadzenie i wymianę ciepła, powiązanych także z free-coolingiem, znajdują się wieże chłodnicze (ang. cooling towers) i schładzacze cieczy (ang. fluid coolers). Wieże chłodnicze i schładzacze cieczy funkcjonują w oparciu o zasadę przepływu entalpii pomiędzy powietrzem zewnętrznym i odparowującą wodą. W przypadku wież otwartych woda procesowa przepływa przez otwarte złoże zraszalnika, a w przypadku schładzaczy cieczy woda procesowa zamknięta jest w wężownicy omywanej przez wodę chłodzącą lub odparowującą na powierzchni zewnętrznej tej wężownicy, omywanej równocześnie przez przepływające powietrze. W przypadku wież chłodniczych i schładzaczy cieczy pracujących w trybie free-coolingu używa się powietrza zewnętrznego o obniżonej temperaturze, które pozwala na schłodzenie medium do oczekiwanych temperatur. Zgodnie z powyższą defi nicją praca na sucho schładzaczy cieczy, czyli praca bez włączonego systemu zraszania nie jest pracą tego urządzenia w trybie free-coolingu. Za taką pracę można uznać jedynie funkcjonowanie przy założeniu, iż uzyskujemy bezpośrednio zadane temperatury dla medium chłodzącego w układzie, nazywanym często także obiegiem pierwotnym.

Rys. 1. Przykładowa charakterystyka i zależności temperaturowe agregatu wody lodowej i temperatur zadanych w odniesieniu do pracującej wieży chłodniczej (na podstawie warunków klimatycznych KS/US)

Free-cooling ma na celu jak najczęstsze wykorzystanie różnicy entalpii pomiędzy odparowującą wodą a powietrzem zewnętrznym, a przez to zmaksymalizowanie czasu przestoju dla agregatów wody lodowej zastosowanych w układzie. Zasadność stosowania free-coolingu wynika ze zmiennego obciążenia cieplnego układu oraz obniżonych temperatur otoczenia w okresach przejściowych i zimowych. Znajduje to odzwierciedlenie w raportach charakterystyki obciążenia cieplnego układu oraz zależności pracy agregatu wody lodowej od rzeczywistego obciążenia. Oszczędności energii mogą sięgnąć nawet do 80% energii elektrycznej, przy założeniu, że dla mocy chłodniczej 3 500 kW zużycie energii wygląda jak przedstawiono w tabeli 1.

Definiując funkcję free-coolingu dla wież otwartych należy zauważyć, iż proces pozostaje niezmieniony w swojej istocie, tzn. odparowujemy wodę procesową, która bezpośrednio styka się z powietrzem omywającym złoże zraszalnika, a parametry nastaw zadanych urządzenia zmieniają się z nominalnych (zwykle, jako parametrów doboru dla lata) na parametry dla swobodnego chłodzenia (parametry doboru dla free-coolingu).

Inaczej proces przebiega w przypadku schładzaczy cieczy, które wykorzystują w okresie pracy przy parametrach nominalnych (dobory dla lata) zraszanie (wyparne) powierzchni wymiennika, bezpośrednio natryskując wodę na niego lub też pośrednio omywając go wodą uprzednio schłodzoną na złożu zraszalnika. W przypadku schładzaczy cieczy, sposób wykorzystania zjawiska odparowania wody powoduje ich usystematyzowanie na schładzacze cieczy z wymiennikiem zraszanym lub omywanym wodą, co w istocie sprowadza się do wykorzystania zjawiska odparowania na powierzchni wymiennika. Różnica pomiędzy dwoma metodami powoduje istotną różnicę w sprawności wymiany ciepła przez chłodnicę schładzacza, co z kolei podkreślane jest przez mniejsze zużycie energii elektrycznej w wyniku zmniejszenia wielkości silników wentylatora. Różnica i zalety wynikające z budowy schładzaczy ciepła wykorzystywane są przy docelowej konfi guracji, gdyż bardziej sprawna wymiana ciepła oznacza zmniejszenie samego wymiennika lub też całego urządzenia, co z kolei ma wpływ na obniżenie kosztów zakupu. 

Druga istotna różnica pomiędzy wieżą otwartą pracującą w funkcji free-coolingu a schładzaczem cieczy wynika z możliwości całkowitego odłączenia funkcji zraszania przy schładzaczach cieczy. Funkcja ta jest o tyle istotna, iż wielu użytkowników instalacji opartych o rozwiązania ze schładzaczami wyparnymi oczekuje oszczędności w zużyciu wody przy jednoczesnym zachowaniu parametrów nominalnych temperatury pracy, jak dla lata w pracy instalacji. Jednakże oszczędności w zużyciu wody nie są współmierne do oszczędności, jakich należy oczekiwać przy pracującej wieży chłodniczej otwartej w funkcji free-cooling.

Rys. 2. Schemat typowego układu chłodzenia opartego o instalację agregatu ze skraplaczem chłodzonym wodą z parametrami otoczenia, jak do pracy w lecie (warunki nominalne)

W powyższym przykładzie celowo pominięto koszt pracy pompy obiegowej schładzacza, która pozostanie wyłączona, gdyż w tym samym czasie silnik wentylatora schładzacza pracuje z pełną mocą dla uzyskania efektu schłodzenia cieczy w wężownicy. 

Oszczędności energii elektrycznej przy pracy schładzacza w funkcji free-cooling, czyli przy parametrach temperaturowych układu chłodniczego agregatu wody lodowej, są możliwe przy temperaturach otoczenia, w zależności od wielkości wężownicy i parametrów zadanych, z reguły poniżej -5°C, co inwestycję w schładzacz cieczy czyni mocno wątpliwym w odniesieniu do stopy zwrotu z wykorzystaniem opcji wyłączenia zraszania.

(...)

Reasumując, należy stwierdzić, iż funkcjonowanie wież chłodniczych i schładzaczy cieczy oraz ich zastosowanie w instalacjach klimatyzacyjnych i chłodniczych ma swoje uzasadnienie finansowe, a także ekologiczne poprzez oszczędność energii. Dodatkową zaletą takich rozwiązań jest możliwość unikania przewymiarowania instalacji i urządzeń wykorzystywanych do odprowadzenia ciepła, co przekłada się na obniżenie kosztów inwestycyjnych w odniesieniu do oczekiwanej stopy zwrotu inwestycji podczas eksploatacji. Odrębnym tematem jest aspekt zastosowania w instalacjach roztworu glikolu lub też jego nie stosowanie, ale decyzja z tym związana jest zawsze rozwiązaniem projektowym i koncepcją inżynierską projektanta.

Jerzy KOT
Dyrektor Sprzedaży EEU & CIS,
SPX Cooling Technologies

LITERATURA:
[1] Zastosowanie wież chłodniczych w funkcji free cooling. wyd. SPX Corporation. Dostęp: http://spxcooling.com
[2] Free cooling. Minimalizowanie kosztów energii. wyd. SPX Corporation. Dostęp: http:// spxcooling.com/library/detail/the-application-of-cooling-towers-for-free-cooling
[3] Water usage calculator − program estymacji zużycia wody. Dostęp: http://spxcooling.com/green/leed/water-usage-calculator/