Freecooling pro chlazení kapalin

Zpracoval: Ing. Martin Uhlíř, Energoekonom spol. s r.o.

Stáhnout článek (pdf)

Free cooling = úspora nákladů

Free cooling (volné chlazení) obecně je ekonomická metoda využití nízkých okolních teplot při chlazení vzduchu, vody i dalších kapalin v průmyslových procesech nebo v systémech klimatizace.

Tento článek se zabývá použitím freecolingu pro chlazení vody a dalších procesních kapalin, především v průmyslových aplikacích. Účelem free cooling systémů je snížení a optimalizace počtu provozních hodin chladících kompresorů (strojního chlazení), jejichž energetická náročnost je několikanásobně větší než u ventilátorů, které se využívají při freecoolingovém provozu. Ventilátory obstarávají proudění okolního vzduchu přes lamelový výměník s chlazenou kapalinou a tím pomáhají přenosu tepla z kapaliny do okolí.

Obr. 1 - porovnání příkonů kompresoru chladící jednotky a suchého chladiče

Pro představu na obrázku č.1 jsou uvedeny příkony kompresoru chladící jednotky a ventilátorového chladiče, čili tzv. odděleného freecoolingu, pro stejný chladící výkon a různé okolní teploty. Rozdíl ve spotřebě elektrické energie je evidentní. Pro teplotu 0^oC by pak byla úspora na elektrické energii při průměrné ceně 4 Kč/kWh cca 61,- Kč za každou hodinu provozu při dané okolní teplotě.

Optimální využití freecoolingu je pro provozy a aplikace, kde je nutné chlazení po celý rok (obráběcí stroje, galvanické lázně, laserové aplikace, apod.).

Provozování systému freecooling přináší i další výhody, a to snížení opotřebení strojních chladičů, tj. prodloužení jejich životnosti, snížení nákladů na údržbu a v případě odděleného freecoolingu také existenci záložního zdroje chladu, který pokrývá 100% chladícího výkonu.

Díky tomuto řešení má uživatel zaručené maximálně efektivní a extrémně účinné řešení průmyslového chlazení společně s výrazným snížením nákladů na elektrickou energii v období, kdy venkovní teplota poklesne pod teplotu chladící vody vracející se z výrobního procesu (spotřebiče).

Výchozí podmínky

Pro správné navržení hospodárného freecoolingového systému je nutno brát v úvahu následují základní parametry:

• Požadovaná teplota vody (teplotní spád)
• Okolní teplota v průběhu celého roku
• Geografická poloha a nadmořská výška
• Provozní doba výrobního podniku
• Cena elektrické energie

Pro maximální využití Freecoolingu je vhodné, aby byla požadovaná teplota chladící vody vyšší, než je běžně obvyklé. Běžně se používá chladící voda o spádu 12/7 °C, pro freecooling je vhodnější vyšší teplota, pokud to užívaná technologie dovolí, např. 17/12 °C, ideální potom je 20/15 °C. Toto platí samozřejmě pro region střední Evropy.

Z hlediska navrhování freecoolingu jde ruku v ruce s požadovanou teplotou vody i okolní teplota. V této souvislosti je nutné mít k dispozici alespoň průměrné teploty v místě instalace v průběhu celého roku. Svou roli zde samozřejmě hrají také geografická poloha a nadmořská výška, které mohou výrazně (i lokálně) ovlivnit okolní teplotu.

Průměrné měsíční teploty vzduchu v Náchodě (Kleny), nadm. výška 344m Měsíc 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Náchod (Kleny) -2,7 -1,5 2,2 7,5 12,6 17 18 18 12,5 7,5 2,5 -0,8 Využitelnost freecoolingu (spád vody 12/7oC) plný freecooling žádný freecoooling plný freecooling Využitelnost freecoolingu (spád vody 20/15oC) plný freecooling částečný freecooling žádný freecoooling částečný freecooling plný freecooling

Tab. 1 – příklad srovnání využitelnosti freecoolingu v průběhu roku

Rozdíl využitelnosti plného freecoolingu v průběhu roku při teplotách vody 12/7 oC a 20/15 oC se může dle situace pohybovat v rozmezí až 30%, a to nebereme v potaz přechodné období, kdy je možno dosáhnout dalších nezanedbatelných úspor. Výše uvedený příklad ukazuje, jaký vliv má volba požadované teploty chladící vody.

Pro přesnější výpočet je lepší znát četnost hodinových teplot v roce v daném místě a tím si stanovit přepokládanou hodinovou dobu využitelnosti freecoolingu v závislosti na požadované teplotě vody a okolí.

Velmi důležitými faktory v kalkulaci úspor a návratnosti jsou provozní doba a cena za elektrickou energii, při nepřetržitém provozu a vyšší ceně za kWh jsou pak úspory oproti standardnímu strojnímu chlazení více markantní.

Typická návratnost investice do free-coolingového systému je závislá na všech výše uvedených faktorech, ale dá se říci, že se pohybuje v rozmezí 1-2 let dle daných provozních podmínek.

Typy freecoolingu kapalin

V zásadě existují tři typy zapojení freecoolingových prvků do systémů:

Přímý freecooling chladivem - do okruhu chladiva v chladící jednotce jsou instalovány obtoky kompresoru a expanzního ventilu. Tento typ je založen na principu samovolného případně nuceného toku (pomocí čerpadla) chladiva k místu v okruhu s nejnižší teplotou/tlakem. Přenos tepla tedy stále obstarává chladivo, ale bez použití kompresoru.

Obr. 2 – schéma přímého freecoolingu

Freecooling integrovaný do jednotky - lamelový výměník vzduch/voda je instalován přímo do strojního chladiče, ventilátory jsou stejné pro kondenzátor i freecooling výměník. Spínání/řízení ventilátorů je primárně prováděno dle potřeb strojního chlazení, což činí potíže při nižších teplotách a smíšeném režimu, kdy je výkon ventilátorů snižován tak, aby nedocházelo k podchlazení chladiva. Pro využití freecoolingu je ale naopak žádoucí mít výkon ventilátorů co nejvyšší, aby byl provoz co nejefektivěnší.

Obr. 3 – schéma integrovaného freecoolingu

Oddělený freecooling - oddělená instalace strojní chladící jednotky a suchého chladiče.

Obr. 4 – schéma odděleného freecoolingu

Typ zapojení Výhody Nevýhody Přímý freecoling chladivem Stejné rozměry i hmotnost jako u standardní jednotky Stejné plošné zatížení jako u standardní jednotky Snadná instalace Není potřeba instalace separátního chladiče Malý výkon Větší objem chladiva Složitější okruh chladiva Není možný smíšený provoz (částečný freecooling) Není možné doplnit do stávající jednotky Integrovaný freecooling Minimální nárůst rozměrů Snadná instalace Není potřeba instalace separátního chladiče Zvýšená tlaková ztráta na výměnících = vyšší příkon ventilátorů, horší EER, vyšší hluk Špatná regulace chodu ventilátorů, především v přechodném období Horší čištění výměníků Není možné doplnit do stávající jednotky Oddělený freecooling Nejlepší regulace chodu ventilátorů = maximální efektivita a úspory Snadné doplnění do stávající technologie Dva nezávislé zdroje chladu (100% nebo částečná provozní záloha) Větší rozměry a hmotnost Vyšší počáteční investiční náklady

Tab. 2 – porovnání různých typů freecoolingu

Oddělený freecooling

Dále se budeme zajímat především o oddělený freecooling. Jedná se o použití kombinace samostatně stojících agregátů, tedy strojní chladící jednotky (chilleru) a suchého atmosférického chladiče, které jsou společně propojeny a napojeny na určitý spotřebič.

Obr. 5 - Schéma odděleného freecoolingu

Oddělený freecoolingový systém chlazení umožňuje automaticky přepínat mezi suchým chladičem v chladnějších měsících a chillerem v měsících teplejších. Chlazená kapalina vchází nejprve do suchého chladiče, kde se předchladí (nebo ochladí, to záleží na okolních podmínkách a požadované teplotě vody) a poté vstupuje do strojního chlazení, kde se v případě potřeby kapalina dochladí na požadovanou teplotu. Vlastní přepínání provozu zajišťuje 3-cestný ventil řízený na základě měření teploty okolního vzduchu a teploty oteplené vody ze spotřebiče.

Režimy při odděleném freecoolingu

Režim „Zima“ = plný freecooling

Pokud je teplota okolí dostatečně nízká, je celý chladící výkon zajišťován suchým ventilátorovým chladičem, přičemž chladící jednotka je v pohotovostním režimu a chladivové kompresory jsou zastaveny. V tomto režimu pracuje systém s maximálními úsporami energie. Navíc při použití suchých chladičů s ventilátory s EC motory, jejichž výkon lze snadno regulovat signálem 0-10V, je možno dosáhnout ještě optimálnějšího provozu díky jednoduché a přesné regulaci chodu ventilátorů dle aktuálních podmínek.

Přechodový režim = částečný freecooling

Tato situace nastává, pokud se teplota okolí nachází mezi teplotou vody vystupující ze spotřebiče (zpátečka) a požadovanou teplotou chladící vody. V tomto případě je dosaženo částečných úspor energie tím, že ventilátorový chladič vodu předchladí a chladící jednotka poté zajišťuje jen konečné dochlazení na požadovanou úroveň. Tento režim přichází v úvahu na jaře nebo na podzim, v některých případech a oblastech se využívá i v teplejších měsících při provozu v noci.

Režim „Léto“ = žádný freecooling

Třetím případem je stav, kdy teplota okolí je příliš vysoká a je nutno suchý chladič odpojit od průtoku, protože by jinak způsoboval nežádoucí ohřívání vody. Veškerý chladící výkon je pak dodáván standardním strojním chlazením.

Obrázek č. 6 znázorňuje všechny tři provozní stavy s konkrétním spádem chladící vody 20/15oC a požadovaným chladícím výkonem 150 kW, včetně celkových příkonů a úspor.

Obr. 6 - Režimy při odděleném freecoolingu pro teplotu vody 20/15oC

Závěr

Využitím chlazení kapalin ve freecoolingovém režimu se oproti kompresorovému chlazení může v zimním období ušetřit až 90% energie, v jarních/podzimních měsících pak kolem 30 až 50%, vše se samozřejmě odvíjí od konkrétních podmínek.

Freecooling má tudíž za výsledek významné úspory energie, garanci dodávky chladící vody o požadované teplotě v průběhu celého roku a optimalizaci provozních nákladů.