Ocena techniczna systemu FREE COOLING stosowanego w

POLITECHNIKA GDAŃSKA
Wydział Mechaniczny
Katedra Techniki Cieplnej
Seminarium z Chłodnictwa
Ocena techniczna systemu FREE COOLING stosowanego w agregatach
wody lodowej dla systemów klimatyzacji .
Jarosław Pokorski
semestr VIII
rok akademicki: 2006/2007
prowadzący: dr inż. Zenon Bonca
Gdańsk 2007
SPIS TREŚCI
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Informacje Ogólne…………………………………………………………………..……………………….
Budowa układu…………………………………………………………………………………………………
Zasada działanie……………………………………………………………………………………………….
Zasadność stosowania………………………………………………………………………………………
Analiza ekonomiczna………………………………………………………………………………………..
Literatura………………………………………………………………………………………………….........
3
4
6
9
10
11
1.Informacje Ogólne
Bardzo często spotykamy się z sytuacją, gdy bez względu na panującą porę roku
jesteśmy zmuszeniu produkować wodę lodową wykorzystywaną w niektórych procesach
technologicznych, lub do zapewnienia odpowiednich warunków termicznych w centrach
komputerowych, telefonicznych itp.
Normalnie do tego celu wykorzystywane są agregaty chłodnicze, efektywne ale
nieekonomiczne. W celu obniżenia kosztów eksploatacji, w agregatach chłodniczych ze
skraplaczami chłodzonymi powietrzem, instaluje się system o nazwie Free Cooling, co w
wolnym tłumaczeniu oznacza „darmowe chłodzenie”.
Free Cooling (darmowy chłód) jest systemem pozwalającym na wytwarzanie schłodzonej
wody bez angażowania sprężarek chłodniczych, a wykorzystującym tylko niską temperaturę
powietrza zewnętrznego w chłodnych porach roku.
Standardowy agregat chłodniczy wytwarza wodę lodową o temperaturze około 7°C,
która jest następnie wykorzystywana do chłodzenia w różnych systemach, takich jak
klimatyzacja, komputery, serwerownie itp.
Woda ta następnie wraca do agregatu chłodniczego podgrzana do temperatury ok.
12°C, co wymusza pracę sprężarek chłodniczych. Taka sytuacja ma miejsce nawet w
przypadku, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa niż 12°C. W tym miejscu
powstaje zasadnicze pytanie:
Dlaczego nie skorzystać z darmowego źródła energii jakim jest chłodne powietrze do
schładzania, lub wstępnego schładzania wody w powietrznym wymienniku ciepła ?
Analizy ekonomiczne przeprowadzone dla konkretnych urządzeń zainstalowanych w
południowej części Finlandii wykazały, że zwiększone koszty zakupu związane z
zastosowaniem systemu Free Cooling zwracają się już po jednym sezonie, a to oznacza duże
oszczędności w zużyciu energii elektrycznej, a więc obniżenie kosztów eksploatacji, jak też
przedłużenie żywotności sprężarek także w naszym klimacie. Oczywistym jest, iż tak szybki
zwrot kosztów tej inwestycji jest wynikiem średnich temperatur panujących w tym regionie.
Poza tym wiadomo, że system ten nie będzie znajdował zastosowania w każdym miejscu na
Ziemi z uwagi na różne strefy klimatyczne.
Jednakże wszędzie tam, gdzie warunki klimatyczne na to pozwalają stosownym jest
rozważenie zastosowania tego systemu w projektowanej, bądź modernizowanej instalacji.
2.Budowa układu.
System realizowany jest w ten sposób, że w standardowym agregacie chłodniczym
montowany jest dodatkowy płaszcz chłodnicy powietrznej i zawór trójdrogowy, a cały układ
sterowany jest mikroprocesorem.
W zależności od temperatury zewnętrznej i temperatur wody wchodzącej i
wychodzącej z chłodnicy wodnej agregatu, monitorowanych przez czujniki temperatury
sterownika, realizowana jest w pełni automatyczna praca samych sprężarek chłodniczych,
gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest wysoka. Jeśli temperatura powietrza
zewnętrznego spada poniżej temperatury wody wracającej do agregatu chłodniczego
(+12°C), sterownik otwiera zawór trójdrogowy i woda jest wstępnie schładzana w chłodnicy
powietrznej, a następnie jest dochładzana przez sprężarki chłodnicze do temperatury 7°C.
Przy temperaturach powietrza zewnętrznego +5°C i niższych, układ sterowniczy agregatu
chłodniczego wykorzystuje do schładzania wody tylko wymiennik powietrzny free coolingu, a
sprężarki chłodnicze pozostają wyłączone.
3 drogowy
zawór regulacyjny
wymiennik
free-cooling
FREE COOLING
Standardowy agregat chłodniczy
· dostarczenie I wytworzenie wody
ziębniczej o temp. ok. 7°C
· woda ziębnicza odbiera ciepło w
stopniu zależnym od potrzeb
instalacji i powraca do agregatu o
temp. wyższej zazwyczaj o ok. 5°C
· schłodzenie wody uzyskuje się
wykorzystując termodynamiczny
obieg chłodniczy cechujący się COP
wyższym od 3
(1) Powrót wody ziębniczej z instalacji
(2) Wylot wody ziębniczej na instalację
(3) Wymiennik Free-Cooling
(4) Skraplacz
(5) Sprężarki
(6) Parowacz
(7) Pompa cyrkulacyjna
(8) Zawór trójdrogowy
(9) Wentylatory
(10) Zawory rozprężne
(11) Powietrze zewnętrzne na wlocie do
wymiennika
Instalacja z zastosowaniem systemu free
cooling
·
·
dodatkowy trójdrogowy zawór
regulacyjny
specjalny wymiennik ożebrowany
typu powietrze/woda
3. Zasada działania.
Sezonowe warunki klimatyczne warunkują pracę urządzenia na zasadniczo 3 różne
tryby pracy:
ü Praca latem
ü Praca w okresie przejściowym
ü Praca w okresie zimowym
1. Praca w okresie letnim
• zasilanie podzespołów:
− sprężarki: ON (załączone) – w zależności od obciążenia, zależnie od potrzeb systemu;
− pompa: ON (załączone);
− wentylatory: ON (załączone) – zmienny przepływ powietrza, zależnie od temperatury
powietrza zewnętrznego;
• chłodzenie wody jest zapewnione poprzez obieg chłodniczy z pracującymi
sprężarkami;
• wymiennik Free-Cooling pozostaje wyłączony;
• jest tylko jedna różnica w odniesieniu do standardowych urządzeń, w obiegu wodnym
nie znajduje się czysta woda lecz mieszanina wody z glikolem z przyczyn opisanych
powyżej.
2. Praca w okresie przejściowym
• zasilanie podzespołów:
− sprężarki: załączone, zależnie od wydajności chłodniczej odzyskanej przez wymiennik
Free-Cooling
− pompa: załączona
− wentylatory: załączone
• oszczędności energetyczne zmienne pomiędzy 0 do 100%, zależnie od różnicy
pomiędzy temperaturą powietrza zewnętrznego i potrzebami instalacji;
• urządzenie pracuje w trybie Free-cooling, gdy temperatura powietrza zewnętrznego
jest odpowiednia:
− trójdrogowy zawór regulacyjny zmienia swoje położenie powodując, że medium
przepływa przez wymiennik Free-Cooling zanim nastąpi jego przepływ przez
parowacz
− wentylatory obracają się z maksymalną prędkością aby uzyskać maksymalną
wydajność chłodniczą z wykorzystaniem chłodu zawartego w powietrzu o niskiej
temperaturze;
− rozwiązanie to umożliwia w pierwszej kolejności wykorzystanie „naturalnego i
darmowego chłodu”
− w następnym etapie woda jest chłodzona przy użyciu obiegu chłodniczego z pracą
sprężarek przy częściowym obciążeniu (zużycie energii jest proporcjonalne do ilości
załączonych stopni pracy sprężarek
• jeśli temperatura powietrza zewnętrznego ponownie wzrasta sterownik
mikroprocesorowy automatycznie przełącza pracę systemu na tryb letni, zapewniając
właściwe parametry pracy instalacji
3. Praca w okresie zimowym
· zasilanie podzespołów:
− sprężarki wyłączone
− pompa załączona
− wentylatory załączone - zmienny przepływ, zależnie od temperatury powietrza
zewnętrznego
• zawór trójdrogowy jest w takiej samej pozycji jak w poprzednim przykładzie
• powietrze zewnętrzne o niskiej temperaturze schładza na wymienniku Free-Cooling
medium na wylocie do żądanej temperatury
• sterownik mikroprocesorowy zatrzymuje pracę sprężarek (5) dostarczając całkowitą
moc chłodniczą przy ZEROWYCH KOSZTACH, w przeciwieństwie do standardowych
urządzeń
• jeśli różnica pomiędzy temperaturą powietrza zewnętrznego a żądaną temperaturą
wody na wyjściu z wymiennika Free-Cooling (3) spowoduje, że temperatura wody na
wyjściu obniży swoją wartość poniżej wartości zadanej (nie powoduje to
niebezpieczeństwa z uwagi na obecność glikolu w instalacji), sterownik
mikroprocesorowy zmniejszy prędkość obrotową wentylatorów aż do ich całkowitego
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.
4.Zasadność stosowania.
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 można stwierdzić, że free-coling
jest jak najbardziej uzasadniony, ponieważ jak wskazują badania, okres występowania
temperatur pozwalających na realizacje procesu jest długi.
Wrocław
przy temperaturach czynnika ziębniczego 5/10°C jego przygotowanie przez naturalne
chłodzenie jest możliwe przez 18-21% czasu rocznej eksploatacji oraz dodatkowo przez
17-19% czasu rocznej eksploatacji naturalne chłodzenie może być jako wspomagające
• przy temperaturach czynnika ziębniczego 10/15°C naturalne ochładzanie może zapewnić
jego przygotowanie przez 35-40% czasu rocznego ponadto przez 17-19% cyklu rocznego
może być wspomagającym pracę urządzenia ziębniczego
•
5.Analiza ekonomiczna.
Firma 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 sprężarek zaoszczędzono 278 515 kWh.
Przyjmując COP 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.
Opierając się na tej samej metodzie obliczeń, z danych temperaturowych uzyskanych dla
Warszawy wynika, że zaoszczędzono 174 975 kWh energii elektrycznej, co przy średnim
koszcie 0,35 PLN za jedną kWh daje oszczędność w skali roku w wysokości 61 242 PLN.
Literatura:
1. BIAŁKO B., KRÓLICKI Z., RESZEWSKI S.: System bezpośredni z zestawem sprężarkowym czy
system pośredni - dylemat inwestora. Chłodnictwo & Klimatyzacja 11/2004.
2. MONTAIR: Darmowe chłodzenie? Agregaty chłodnicze z zastosowaniem „Free Cooling".
Polski Instalator 9/2000.
3. Przydróżny E.: Układy ziębnicze z systemem naturalnego chłodzenia w klimatyzacji.
CHŁODNICTWO & Klimatyzacja 1-2/2006
6. www.kliweko.com.pl