Działanie i ocena techniczna systemu FREE COOLING

Działanie i ocena techniczna systemu FREE COOLING stosowanego do
wytwarzania wody lodowej w systemach klimatyzacyjnych.
Wykonał
Kolasa Adam
SiUChiK
Sem VIII
Co kryje się pod pojęciem FREE - COOLING ?
Free Cooling jest systemem pozwalającym na wytwarzanie schłodzonej wody bez
angaŜowania spręŜarek chłodniczych, a wykorzystującym tylko niską temperaturę powietrza
zewnętrznego w chłodnych porach roku.
Zasada działania systemu FREE - COOLING
Opis zasady działania systemu moŜna podzielić na trzy części.
Część pierwsza, kiedy temperatura otoczenia jest wyŜsza od zadanej temperatury
medium chodzącego (wody). Regulator kieruje procesem działania urządzenia tak, Ŝe
produkcja zimnej wody odbywa się jedynie w obiegu chłodniczym (spręŜarka, skraplacz,
element dławiący, parowacz), a zawór trójdroŜny jest zamknięty, powodując przepływ wody
tylko przez parowacz.
Część druga obejmuje okres, w którym temperatura otoczenia jest na poziomie
wyjściowej temperatury zimnej wody. Spadek temperatury otoczenia o 1 K poniŜej
temperatury zadanej powoduje otwarcie trójdroŜnego zaworu systemu free-cooling. W ten
sposób woda najpierw przechodzi przez system free-cooling. Jest wstępnie schładzana, a
następnie, jeŜeli istnieje taka potrzeba, przechodzi do parowacza, gdzie jest schładzana do
właściwego poziomu.
W części trzeciej, niska temperatura otoczenia w stosunku do temperatury wody
pozwala na całkowite chłodzenie za pomocą systemu free-cooling. Woda przechodzi przez
parownik, ale pełne chłodzenie odbywa się w chłodnicy free-cooling. Temperatura wyjściowa
jest równieŜ kontrolowana, aby zabezpieczyć przed zbyt niska temperaturą wody
spowodowaną mroźnym powietrzem.
W bezpośrednich systemach ziębienia instalowanych w urządzeniach schładzających
wodę, dodatkowym problemem jest zamarzanie w okresach, kiedy temperatura otoczenia
utrzymuje się na bardzo niskim poziomie lub urządzenie jest okresowo wyłączane. Istnieje
wtedy potrzeba przejścia z systemu bezpośredniego na pośredni system chłodzenia wody,
przez zastosowanie dodatkowego wymiennika i napełnienie obiegu free-cooling glikolem.
Zasadność stosowania tego typu instalacji jest ściśle związana z czasem występowania
temperatur otoczenia pozwalających na realizację procesu wymiany ciepła pomiędzy
otoczeniem a chłodziwem. W przypadku Polski moŜna stwierdzić, Ŝe free-coling jest jak
najbardziej uzasadniony, poniewaŜ jak wskazują badania, okres występowania temperatur
pozwalających na realizacje procesu jest długi.
Rys. Zestawienie średnich miesięcznych temperatur w poszczególnych miastach europy.
Przykładowe rozwiązania instalacji free-cooling
JeŜeli temperatura powietrza zewnętrznego spada poniŜej temperatury wody
wracającej do agregatu chłodniczego (+12 oC), otwiera się zawór trójdrogowy i woda jest
wstępnie schładzana w chłodnicy powietrznej, a następnie dochładzana przez spręŜarki
chłodnicze do temperatury 7 oC. Przy temperaturach powietrza zewnętrznego +5 oC i
niŜszych, do schładzania wody wykorzystuje się tylko wymiennik powietrzny free coolingu.
Zrezygnowano tutaj z dodatkowego wymiennika ciepła, a co za tym idzie
zredukowano rozmiary oraz wagę agregatu. Nie ma potrzeby równieŜ stosowania wyŜszej
mocy wentylatorów na skraplaczach, dzięki czemu wskaźnik COP nie traci na wartości,
natomiast zmniejsza się pobór energii elektrycznej. Dodatkowo obieg pracuje na czystej
wodzie i nie ma konieczności stosowania mieszanki glikolu.
Zasada działania free-coolingu w tym agregacie jest następująca: para w sposób
naturalny przechodzi z obszaru ciepłego – parownik, do obszaru zimnego – skraplacz,
przenosząc w tym procesie ciepło. Praca wentylatorów skraplacza oraz małej obiegowej
pompy czynnika chłodniczego jest wystarczająca do podtrzymania całego procesu.
Ocena techniczna systemów FREE COOLING
Korzyści płynące z oszczędności energii moŜemy podzielić na dwa rodzaje. Pierwszy
z nich to korzyści finansowe, które są istotnym elementem w dzisiejszych czasach gospodarki
rynkowej. Drugim czynnikiem jest zmniejszenie emisji zanieczyszczeń do atmosfery
pochodzących ze spalania paliw kopalnych wykorzystywanych do produkcji prądu.
Montair w latach 1994 – 1997 przeprowadził kompleksowe badania, przyjmując do
analizy 100 kW agregat chłodniczy, pracujący 24 godziny na dobę i produkujący wodę o
parametrach 12 – 7°C przez jeden rok.
W ciągu roku wykorzystując do schładzania wody system Free Cooling zamiast pracy
tradycyjnych spręŜarek zaoszczędzono 278 515 kWh.
Przyjmując C.O.P. (współczynnik wydajności chłodniczej tj. ilości energii
produkowanej do zuŜywanej) o wartości 2,9, zaoszczędzono 96 040 kWh energii
elektrycznej, co przy koszcie 0,119 Euro za jedną kWh we Włoszech, daje oszczędność w
skali roku w wysokości 11 419 Euro.
Badania oparto na danych temperaturowych Instytutu Meteorologicznego Brera w
Mediolanie, zapisywanych co godzinę, przez 365 dni w roku.
Opierając się na tej samej metodzie obliczeń, z danych temperaturowych uzyskanych dla
Warszawy wynika, Ŝe zaoszczędzono 174 975 kWh energii elektrycznej, co przy średnim
koszcie 0,3 PLN za jedną kWh daje oszczędność w skali roku w wysokości 52 492 PLN.
Analizy ekonomiczne przeprowadzone dla konkretnych urządzeń zainstalowanych w
południowej części Finlandii wykazały, Ŝe zwiększone koszty zakupu związane z
zastosowaniem systemu Free Cooling zwracają się juŜ po jednym sezonie, a to oznacza duŜe
oszczędności w zuŜyciu energii elektrycznej, a więc obniŜenie kosztów eksploatacji, jak teŜ
przedłuŜenie Ŝywotności spręŜarek takŜe w naszym klimacie.