System „FREE-COOLING” w agregatach wody lodowej chłodzonych

POLITECHNIKA GDAŃSKA
CHŁODNICTWO
SEMINARIUM
Temat: Racje techniczno-ekonomiczne wykorzystania systemów
„FREE-COOLING” w agregatach wody
klimatyzacji, w warunkach klimatu polskiego.
lodowej
w
.
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;
7-pompa cyrkulacyjna;
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;
7-pompa cyrkulacyjna;
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:



W
praca latem,
praca w okresie przejściowym,
praca w okresie zimy.
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;
7-pompa cyrkulacyjna;
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;
7-pompa cyrkulacyjna;
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;
7-pompa cyrkulacyjna;
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.