Koszty przygotowania czynnika ziębniczego są zasadniczymi kosztami eksploatacyjnymi układów chłodniczych. Wykorzystanie niskiej temperatury powietrza zewnętrznego do naturalnego tzw. swobodnego ochładzania (free-coolingu) pozwala na ograniczenie energii do kształtowania temperatury czynnika ziębniczego. Jego efektywność zależy od parametrów powietrza zewnętrznego, wymaganych parametrów czynnika oraz zastosowanych rozwiązań układów chłodniczych. W artykule omówiono wykorzystanie swobodnego chłodzenia do obniżania temperatury wody lub wodnego roztworu glikolu. Przedstawiono zakres stosowania swobodnego chłodzenia w całorocznym przygotowaniu czynnika chłodniczego, w zależności od wymaganej jego temperatury. 

     Całoroczna asymilacja ciepła wymagana jest zarówno w wielu procesach technologicznych jak i nowoczesnych systemach klimatyzacyjnych.
     Czynnikami stosowanymi do odprowadzenia energii cieplnej są:
● powietrze,
● woda,
● wodny roztwór glikolu,
● czynniki odparowujące.

     Każdy z nich wymaga odpowiedniego układu, w którym zachodzą procesy jego przygotowania, transportu oraz odprowadzenia ciepła.
 
Parametry powietrza zewnętrznego
     W układach zamkniętych temperatura powietrza zewnętrznego decyduje o uzyskiwanej temperaturze czynnika chłodniczego. Na rysunku 1 przedstawiono wykres i-x z zamieszczoną krzywą klimatyczną oraz obszarem występowania parametrów powietrza zewnętrznego w naszej (polskiej) strefie geograficznej [1]. Częstość występowania danych temperatur zewnętrznych w ciągu roku (dla Wrocławia) w zależności od dobowego czasu pracy urządzenia przedstawiono na rysunku 2 [2]. Na jego podstawie wyznaczono uporządkowany wykres czasu występowania określonych temperatur zewnętrznych, który zamieszczono na rysunku 3. W oparciu o powyższe dane przeprowadzono analizę wykorzystania chłodzenia swobodnego (naturalnego) do obniżania temperatury czynnika ziębniczego w całorocznym cyklu jego przygotowania.

Układ przygotowania wody lodowej
     Na rysunku 4 przedstawiono schemat układu do całorocznego przygotowania wody zimnej (lodowej).
     W analizowanym układzie woda lodowa przygotowywana jest w chłodni wentylatorowej 2 lub w agregacie chłodniczym 1. Jeżeli temperatura powietrza zewnętrznego jest wyższa niż temperatura czynnika powracającego z instalacji, chłodnia wentylatorowa 2 nie pracuje. Schładzanie wody odbywa się wtedy w najbardziej typowy sposób tj. w agregacie wody lodowej 1. Jeżeli temperatura powietrza zewnętrznego (mierzona czujnikiem Ct_Z), jest niższa od temperatury powrotu z instalacji (mierzonej czujnikiem Ct1), następuje schłodzenia wody w chłodni wentylatorowej 2. Woda do chłodni kierowana jest przez zawór 4. Praca chłodni wentylatorowej jest sterowana w funkcji temperatury czynnika za chłodnią (mierzonej czujnikiem Ct2). Przy niskich temperaturach powietrza zewnętrznego oraz obniżonym zapotrzebowaniu energii chłodniczej możliwe jest schładzanie wody (wodnego roztworu glikolu) bez włączonych wentylatorów chłodni. Gdy przy wyłączonych wentylatorach chłodni temperatura czynnika chłodniczego jest zbyt niska to na zaworze 4 następuje jego rozdział i części czynnika przepływa przez chłodnię a część obejściem. Po zmieszaniu tych dwóch strumieni uzyskana zostaje wymagana temperatura wodnego roztworu glikolu, który przez zawór 5 i obejście 6a kierowany jest do instalacji. Jeżeli przy maksymalnej wydajności chłodni wentylatorowej temperatura czynnika, mierzona czujnikiem Ct2, jest wyższa od wymaganej następuje jego dochładzanie w agregacie 1. W tym przypadku obydwa urządzenia pracują szeregowo. Zastosowanie obejścia pozwala na obniżenie wysokości podnoszenia układu pompowego i zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych w okresie gdy agregat chłodniczy nie musi być wykorzystywany do obniżania temperatury czynnika ziębniczego.

Analiza pracy układu
     Analizę układu chłodniczego przeprowadzono dla całorocznego cyklu jego pracy przy założeniu maksymalnego wykorzystania zdolności chłodzących powietrza zewnętrznego. Przyjęto następujące oznaczenia: (...)

     Analiza przeprowadzona zostanie dla trzech różnych temperatur zasilania i powrotu czynnika chłodniczego, które odpowiadają przyjmowanym najczęściej parametrom wody zasilającej chłodnice:
● w centralach wentylacyjnych bądź klimatyzacyjnych (6/12^oC),
● w klimakonwektorach i wentylokonwektorach (8/14^oC),
● w belkach chłodzących (14/18^oC).
 
     Pozwoli to na określenie wpływu wymaganych parametrów wody lodowej na udział układu naturalnego chłodzenia w całorocznym zapotrzebowaniu energii chłodniczej.
     Jako zmienne przyjęto także zapotrzebowanie energii chłodniczej, które uzależniono od temperatury zewnętrznej. Przyjęto trzy przykładowe przebiegi względnego obciążenia chłodniczego, które na rysunku 5 przedstawiono w funkcji temperatury zewnętrznej.
     Przyjęto, że regulacja mocy poszczególnych odbiorników chłodu w instalacji jest regulacją ilościową (zawory 3-drogowe rozdzielające strumień czynnika), przy której zmiana chwilowej mocy chłodniczej skutkuje zmianą temperatury czynnika powracającego z instalacji nie wpływając na wartość strumienia wody lodowej.
(...)

     Z tabel 1, 2 i 3 wynika, że możliwe jest przygotowanie czynnika ziębniczego o wymaganych temperaturach w chłodniach wentylatorowych przez jego ochładzanie powietrzem zewnętrznym przy temperaturach zewnętrznych niższych od temperatur zasilania czynnika. Natomiast przy temperaturach zewnętrznych nie przekraczających temperatury powrotu czynnika ziębniczego chłodnia wentylatorowa może wspomagać pracę agregatu ziębniczego przez wstępne ochładzanie powracającego z instalacji czynnika ziębniczego.
     Przyjmując zmianę względnego obciążenia chłodniczego w funkcji temperatury zewnętrznej zgodnie z rysunkiem 5 oraz temperaturę czynnika ziębniczego 8/14^oC, obszar efektywnej pracy chłodni wentylatorowej przedstawiono na rysunku 6. Pola pod prostymi 1, 2 i 3 przedstawiają pracę chłodni wentylatorowej zapewniającą przygotowanie czynnika ziębniczego do temperatury zasilania, zaś pola pod prostymi 1’, 2’ i 3’ pracę chłodni wspomagającej agregat chłodniczy. (...)
     Wyznaczenie chwilowych względnych mocy ziębniczych chłodni wentylatorowych umożliwia ocenę przydatności tego urządzenia do przygotowania czynnika ziębniczego z wykorzystaniem zdolności chłodzącej powietrza zewnętrznego. W celu zobrazowania udziału energii odprowadzonej przez układ naturalnego chłodzenia na rysunku 7 przedstawiono przykładowy wykres uporządkowanego obciążenia chłodniczego (dla względnego obciążenia chłodniczego opisanego na rysunku 5 prostą 1) dla wszystkich analizowanych temperatur czynnika ziębniczego i dwuzmianowej pracy urządzenia chłodniczego.

     Na wykresie tym pole zawarte pod krzywą względnego obciążenia chłodniczego przedstawia energię cieplną odebraną przez układ chłodniczy, w cyklu rocznym. Natomiast łamane 1, 2, 3 dzielą tą energie na usuwaną przez chłodnie wentylatorową (na lewo od w/w linii) oraz przez agregat ziębniczy (na prawo od linii). Krzywe te odpowiadają rozpatrywanym temperaturom czynnika ziębniczego.

Uwagi końcowe
     Powietrze zewnętrzne może być wykorzystywane bezpośrednio w przygotowaniu czynnika ziębniczego u układach z naturalnym tzw. swobodnym ochładzaniem (free-cooling) przy niskich temperaturach zewnętrznych. Zatem efektywne stosowanie ochładzania naturalnego zachodzi w układach chłodniczych przygotowujących czynnik ziębniczy przez cały rok.
     Całorocznego dostarczania czynnika ziębniczego wymagają układy wentylacyjne i klimatyzacyjne, w których nawiewane w okresie zimowym powietrze zewnętrzne ma niewystarczającą zdolność do asymilacji wydzielających się zysków ciepła. Część z tych zysków przejmowana jest w indywidualnych urządzeniach wewnętrznych ochładzających powietrze obiegowe.
     W omawianych układach chłodniczych powietrze zewnętrzne wykorzystywane jest do bezpośredniego przygotowania czynnika ziębniczego przy temperaturach zewnętrznych niższych od temperatury czynnika ziębniczego zasilającego chłodnice. Natomiast przy wyższych temperaturach zewnętrznych, lecz niższych od temperatury powrotu czynnika ziębniczego, powietrze zewnętrzne może wstępnie ochładzać czynnik ziębniczy ograniczając zapotrzebowanie energii do jego końcowego przygotowania.
     Zapotrzebowanie mocy chłodniczej w okresie zimowym oraz wymagane parametry czynnika ziębniczego decydują o udziale chłodzenia naturalnego w całorocznej pracy układów chłodniczych. 

wydanie 10/2007 

CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:

TRADYCYJNĄ                         E-WYDANIE