POLITECHNIKA GDAŃSKA CHŁODNICTWO SEMINARIUM Temat: Racje techniczno-ekonomiczne wykorzystania systemów FREE-COOLING w agregatach wody lodowej w klimatyzacji, w warunkach klimatu polskiego.. Marcin Szymański SUChiK 2007/2008
Spis treści: 1. Wiadomości podstawowe o agregatach wody lodowej 2. Budowa klasycznego agregatu wody lodowej 3. Zastosowanie agregatów wodu lodowej 4. Idea systemu free-cooling 5. Konstrukcja agregatu wody lodowej z opcją free-cooling 6. Zasada działania free-coolingu 7. W jakich warunkach klimatycznych opłacalne jest zastosowanie free-coolingu 8. System sterowania agregatami z funkcją free-cooling 9. Wydajność systemu free-cooling 10. Podsumowanie 11. Literatura
1. Wiadomości podstawowe o agregatach wody lodowej Agregaty wody lodowej zwane są także: wytwornicami wody lodowej, agregatami chłodniczymi, agregatami ziębniczymi, chillerami. Zadaniem standardowego agregatu chłodniczego jest wytwarzanie wody lub też mieszaniny wody z glikolem o określonych parametrach i dostarczenie jej użytkownikowi. Najczęściej spotykanymi wartościami temperatur, na wlocie i wylocie do wytwornicy wody lodowej są: 6/11 ºC, 7/12 ºC lub 10/15 ºC, z uwagi na zakładany przyrost temperatury wody powracającej z obiegu rzędu T=5K. Woda ziębnicza odbiera ciepło w stopniu zależnym od potrzeb instalacji i powraca do agregatu chłodniczego. Typowy agregat wody lodowej zbudowany jest z klasycznego sprężarkowego układu chłodniczego cechującego się współczynnikiem (C.O.P.) wyższym od 3, oraz dodatkowo obiegu wody chłodzonej w parowniku. 2. Budowa klasycznego agregatu wody ziębniczej Rys. 2.1 Schemat klasycznego agregatu wody lodowej: 1-powrót wody lodowej z instalacji; 2-wylot wody lodowej na instalacje; 4-skraplacz ; 5-sprężarka; 6-pownik; 9-wentylator; 10-zawór rozprężny; 11-powietrze zewnętrzne na wlocie do wymiennika.
3. Zastosowanie agregatów wody lodowej Stosowane są między innymi: -do zasilania chłodnic wodnych w centralach klimatyzacyjnych, klimakonwektorów ; -w zakładach przemysłowych do procesów technologicznych; -w zakładach o elektroniczno-telekomunikacyjnym profilu produkcji; -w zakładach informatyczno-telekomunikacyjnych (wszelkiego rodzaje centrale telefoniczne, przekaźnikowe, serwerownie). Generalnie do wszystkich zastosowań wymagających wody ziębniczej w okresie całego roku. 4. Idea systemu Free-Cooling Ponieważ agregaty wody lodowej są urządzeniami o dość dużych wydajnościach oraz z uwagi na ich pracę w okresie całego roku, należy zwrócić szczególną uwagę na możliwości obniżenia kosztów ich eksploatacji. Nasuwa się więc pytanie, dlaczego w okresie przejściowym i zimowym nie skorzystać z darmowego źródła chłodu jakim jest powietrze atmosferyczne? 5. Konstrukcja agregatu wody lodowej z opcją Free-Cooling Schłodzenie wody przy jak najmniejszym zaangażowaniu pracy układu sprężarkowego, bądź też przy całkowitym jego postoju, możliwe jest dzięki wzbogaceniu klasycznego agregatu wody lodowej o zawór trójdrogowy oraz wymiennik ciepła. Rys. 5.1 Schemat ideowy agregatu wody lodowej z opcją free-cooling: 1-powrót wody lodowej z instalacji; 2-wylot wody lodowej na instalacje; 3-wymiennik Free-Cooling; 4-skraplacz ; 5-sprężarka; 6-parownik; 8-zawór trójdrogowy; 9-wentylator; 10-zawór rozprężny; 11-powietrze zewnętrzne na wlocie do wymiennika.
6. Zasada działania free-coolingu? Nośnik ciepła wykorzystywany w systemach, w tym z funkcją Free-Cooling, wymaga rozwiązań w postaci wodnego roztworu glikolu (zazwyczaj etylenowego). Takie rozwiązanie musi zostać zastosowane ponieważ urządzenia z funkcją Free-Cooling są projektowane i instalowane w strefach w których, przez pewien okres czasu temperatury zewnętrzne osiągają bardzo niskie wartości. Stężenie glikolu w instalacji zależy od najniższych wartości temperatur zewnętrznych przewidzianych w strefie montażu; Tym samym wartość ta powinna zostać określona na etapie projektu przez projektanta systemu. Osiągi urządzeń wyposażonych w funkcję Free-Cooling są standardowo porównywane do tradycyjnych systemów przy temperaturze powietrza zewnętrznego równej +30 C zamiast +35 C; dzieje się tak ponieważ w strefach o niskich temperaturach zewnętrznych zimą jest bardziej poprawne przyjęcie niższych temperatur również w okresie letnim. 7. W jakich warunkach klimatycznych opłacalne jest zastosowanie freecoolingu? Jeden z producentów tego typu urządzeń przyporządkował położenie różnych państw do następujących stref: A = ABSOLUTNIE ZALECANE; B = BARDZO KORZYSTNE; C = DOGODNE. Tabela 7.1 Średnie temperatury w wybranych krajach obrazuje tabela poniżej.
Polska wypada bardzo korzystnie na tle innych państw. Przynależy ona bowiem do strefy A, na terenie której stosowanie free-coolingu jest jak najbardziej uzasadnione. 8. System sterowania agregatami z funkcją Free-Cooling Sezonowe warunki klimatyczne warunkują pracę tego urządzenia na zasadniczo 3 różne tryby pracy: praca latem, praca w okresie przejściowym, praca w okresie zimy. W celu poprawnej i bezpiecznej pracy oraz maksymalnej wydajności konieczne jest stosowanie nowoczesnego i zaawansowanego technicznie sterownika mikroprocesorowego. PRACA W OKRESIE LETNIM Chłodzenie wody jest zapewnione poprzez obieg chłodniczy z pracującymi sprężarkami. Natomiast wymiennik Free-Cooling pozostaje wyłączony, a jedyną różnicą w odniesieniu do klasycznego urządzenia jest to, że w obiegu wodnym znajduje się mieszanina wody z glikolem zamiast czystej wody. Wynika to z wyżej opisanych warunków pracy tych urządzeń. Rys. 8.1 Schemat pracy agregatu z free-coolingiem w okresie letnim: 1-wlot wody lodowej z instalacji; 2-wylot wody lodowej na instalacje; 3-wymiennik Free-Cooling; 4-skraplacz; 5-sprężarka; 6-parownik; 8-trójdrogowy zawór; 9-wentylator; 10-zawór rozprężny; 11-powietrze zewnętrzne
PRACA W OKRESIE PRZEJŚCIOWYM Urządzenie pracuje w trybie Free-Cooling, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest odpowiednio niska. Zależnie od różnicy pomiędzy temperaturą powietrza zewnętrznego i temperaturą wody powracającej z obiegu, oszczędności energetyczne zawierają się w przedziale od 0 do 100%. Zawór trójdrogowy kieruje strumień wody w pierwszej kolejności do wymiennika Free-Cooling. Praca wentylatorów na pełnych obrotach zapewnia maksymalne wykorzystanie zdolności powietrza zewnętrznego do schłodzenia wody. Następnie zawór ten kieruje strumień do parownika, gdzie w miarę potrzeb następuje dochłodzenie wody do żądanej temperatury poprzez układ sprężarkowy. Dzięki temu ograniczamy pracę sprężarek, a tym samym obniżamy koszty eksploatacji. W razie wzrostu temperatury otoczenia i zaistnienia takiej potrzeby, urządzenie przełącza się na tryb pracy letniej. Rys. 8.2 Schemat pracy agregatu z opcją free-cooling w okresie przejściowym: 1-powrót medium z instalacji; 2-wylot schłodzonej wody na instalacje; 3-wymiennik Free-Cooling; 4-skraplacz; 5-sprężarka; 6-parownik; 8-trójdrogowy zawór; 9-wentylatory; 10-zawór rozprężny; 11-powietrze zewnętrzne PRACA W OKRESIE ZIMOWYM Zawór trójdrogowy jest ustawiony w taki sam sposób jak w przykładzie powyżej. Zimne powietrze zewnętrzne schładza wodę w wymienniku Free-Cooling do żądanej temperatury. W takiej sytuacji, sterownik procesor mikroprocesorowy całkowicie zatrzymuję pracę sprężarek. W ten sposób otrzymujemy potrzebną moc chłodniczą przy ZEROWYCH KOSZTACH.
Jeżeli temperatura wody na powrocie z wymiennika Free-Cooling obniży się, to sterownik zmniejszy prędkość obrotową wentylatorów, aż do całkowitego ich zatrzymania. Jeśli wszystkie wentylatory pozostają wyłączone a temperatura wody dalej obniża swoją wartość, zawór trójdrogowy przyjmuje pozycję do pracy letniej, pozwalając na utrzymanie żądanej nastawy. Rys. 8.3 Schemat pracy agregatu wody lodowej z opcją free-cooling w okresie zimy: 1-powrót medium z instalacji; 2-wylot schłodzonej wody na instalacje; 3-wymiennik Free-Cooling; 4-skraplacz; 5-sprężarki; 6-parownik; 8-trójdrogowy zawór; 9-wentylatory; 10.-zawór rozprężny; 11-powietrze zewnętrzne. 9. Wydajność systemu Free-Cooling Wydajność takich systemów bardzo dobrze obrazuje wykres poniżej. Przedstawia on bowiem procentowy udziału free-coolingu w schładzaniu płyny w zależności od różnicy temperatur otoczenia i wody powracającej z instalacji. Rys. 9.1 Wykres wzrostu wydajności w zależności od procentowego udziału free-coolingu: % FC = procentowy udział free-cooling w odniesieniu do mocy nominalnej Free-Cooling (temperatura wody jest równa 15/10 C, 30% glikol) DT = różnica pomiędzy temperaturą wodypowracającej z instalacji a temperaturą powietrza zewnętrznego.
10. Podsumowanie Stosuje się urządzenia i systemy wentylacyjne oraz klimatyzacyjne, które wymagają całorocznej dostawy energii ziębniczej do procesów uzdatniania powietrza. W takich przypadkach niezbędna jest całoroczna praca układów chłodniczych. W celu ograniczenia kosztów ich eksploatacji należy stosować urządzenia z naturalnym chłodzeniem czynnika ziębniczego przez powietrze zewnętrzne, w okresach, gdy jego temperatura jest niższa od temperatury powrotu czynnika. Naturalne ochłodzenie może w pełni przygotowywać czynnik ziębniczy przy niskich temperaturach zewnętrznych lub być wspomagającym prace agregatów (urządzeń) chłodniczych. Dostępne są urządzenia chłodnicze wyposażone w systemy naturalnego chłodzenia tzw. free cooling. Istniejące układy chłodnicze pracujące w cyklu całorocznym, w których czynnikiem ziębniczym jest woda lub wodny roztwór glikolu, można rozbudować o systemy naturalnego ochładzania czynnika. W okresach zimowym i przejściowym zapotrzebowanie na energię chłodniczą z reguły jest mniejsze niż w okresie letnim, zatem wymagane chwilowe zapotrzebowanie mocy chłodniczej odbiorników chłodu może być uzyskiwane przy wyższych parametrach czynnika chłodniczego np. 10/15 C. Podwyższenie parametrów może następować automatycznie przez sterownik agregatu chłodniczego w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego, bądź sygnałem bezpośrednim z urządzeń klimatyzacyjnych. Taki tryb działania powoduje wydłużenie okresu energooszczędnej pracy systemu chłodzenia. Przy kształtowaniu parametrów powietrza z wykorzystaniem belek bądź stropów chłodzących, które zasilane są wodą o relatywnie wysokiej temperaturze (np. 14/17 C), stosowanie chłodzenia naturalnego może być szczególnie efektywne. 11. Literatura 1. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr 8/2002 System FREE w agregatach wody lodowej chłodzonej powietrzem - mgr inż. Jarosław Wysocki. 2. Chłodnictwo & Klimatyzacja nr 5/2005- Paweł Romańczyk, Warszawa. 3. Materiały firm KLIWEKO BTH Sp. z o.o. oraz Carrier Polska Sp. z o.o. dostępne na stronach internetowych: www.kliweko.com.pl i www.carrier.com.pl.