Potenciál a limity nepřímého chlazení odpařováním
Výpočet chlazení odpařováním
Odborní vývojáři a konstruktéři zařízení mohou díky volně dostupnému výpočetnímu nástroji velice snadno, přesně a specificky podle projektu zjistit energetické výhody a přínosy pro životní prostředí, jakož i skutečné výhody a roční výkon chlazení odpařováním.
Doposud probíhalo v centrálních vzduchotechnických přístrojích chlazení a odvlhčování teplého venkovního vzduchu přiváděného jako přívodní vzduch obvykle mechanicky pomocí chladicích jednotek fungujících na bázi syntetických chladiv. Cílem nepřímého chlazení odpařováním je prostřednictvím vypařené vody převzít co možná největší podíl chlazení, a tím snížit podíl práce chladicí jednotky.
Tím se šetří elektrická energie, snižují se emise CO2 a omezuje se uvolňování chladicích prostředků z chladicích zařízení do životního prostředí. To znamená, že díky chlazení odpařováním za účelem chlazení vzduchu ve vzduchotechnických přístrojích se významně přispívá k úsporám energie a ochraně životního prostředí.
Princip nepřímého chlazení odpařováním
U nepřímého chlazení odpařováním se odpadní vzduch odebraný z budovy zvlhčí co nejblíže ke stavu nasycení 100 %. Na jeden gram vody, která je vynaložena na jeden kilogram vzduchu, se vzduch ochladí o 2,5 K. Vzduch ochlazený o cca 8 až 10 K ve vzduchotechnickém přístroji poté projde rekuperací tepla, a z teplého venkovního vzduchu tak lze odebrat významně více tepla. Z tohoto důvodu se významně snižuje podíl dochlazování venkovního vzduchu po zpětném odebrání tepla v chladiči chladicí jednotky, přičemž je dosahováno požadované teploty přívodního vzduchu, např. 19 °C. V mnoha případech lze pomocí chlazení odpařováním, jak si ještě ukážeme na několika příkladech, během chladící periody z více než 50 % nahradit mechanicky zajišťovaný chladicí výkon, a významně tak ušetřit provozní náklady.Výkon chlazení odpařováním
Výkon chlazení odpařováním závisí na mnoha faktorech. Patří mezi ně následující parametry:
Kvalita zvlhčování
Pro dosažení maximálního účinku chlazení by měl být odpadní vzduch zvlhčen co nejblíže ke 100% relativní vlhkosti vzduchu. Dobré systémy, např. „ME“ firmy Condair GmbH, Garching, dosahují hodnoty až 97 %.Účinnost rekuperace tepla
Čím účinnější je rekuperace tepla ve vzduchotechnickém přístroji (index rekuperace tepla φ), tím více tepla může absorbovat odpadní vzduch chlazený při chlazení odpařováním z teplého venkovního vzduchu. Při tom má kladný účinek směrnice o ekologické konstrukci z roku 2016 pro vzduchotechnické přístroje. Tato směrnice požaduje u vzduchotechnických přístrojů, v závislosti na typu rekuperace tepla, dobré hodnoty rekuperace ve výši alespoň 63 %.
Vliv stavu odpadního vzduchu
Odpadní vzduch lze zvlhčit a ochladit tím více, čím je sušší. Při chlazení odpařováním lze odpadní vzduch o teplotě mezi 24 až 28 °C při zvlhčení na 95 % relativní vlhkosti ochladit o cca 9 K (vlhkost odpadního vzduchu 30 %), resp. o cca 5 K (vlhkost vzduchu 60 %). Čím sušší je odpadní vzduch, tím vyšší je výkon chlazení odpařováním.
Vliv stavu venkovního vzduchu
Čím větší je rozdíl mezi teplotou venkovního a odpadního vzduchu, tím lepší je index rekuperace tepla a tím více tepla může studený odpadní vzduch odebrat z teplého venkovního vzduchu. Má-li odpadní vzduch po ochlazení vypařováním např. teplotu 18 °C, lze vnější vzduch o teplotě 32 °C ochladit o cca 9 K (index rekuperace tepla 0,65) až 11,5 K (index rekuperace tepla 0,80).
Další výhody chlazení odpařováním
Mechanické chladicí jednotky používané k chlazení vzduchu ve vzduchotechnických přístrojích potřebují ke generování chladicí vody cca 1 kWh elektrické energie na 3 až 4 kWh chladicího výkonu. V Německu je každý kWh elektrické energie zatížen cca 0,5 kg CO2 (aktuální kombinovaný faktor jaderné energie, elektráren a obnovitelných zdrojů energie). Když se díky chlazení odpařováním elektrický výkon chladicích jednotek sníží, omezují se také emise CO2.
K tomu se přidává ještě další ekologický efekt. Na 3–4 kW chladicí kapacity chladicí jednotky je v jejím chladicím okruhu potřeba 1 kg chladiva. Jakmile toto množství chladiva unikne kvůli malým únikům z chladicího okruhu do životního prostředí, odpovídá to (u dnešních chladiv) ekologické zátěži cca 1400–2100 kg CO2. Chladicí jednotky mají míru úniku cca 4 až 5 % plnicího množství ročně. V případě, že lze chladicí systémy díky chlazení odpařováním navrhnout menší a provozovat je s menším plnicím množstvím paliva, snižují se tím také emise skleníkových plynů z chladiva.
V rámci zákona o obnovitelné energii (EEWärmeG) platí jako obnovitelný zdroj energie veškeré proudění teplého a studeného vzduchu, které přechází do rekuperace tepla ve vzduchotechnickém přístroji od odpadního vzduchu k přívodnímu vzduchu, a lze jej započítat do bilance obnovitelné energie. To zahrnuje také chladicí výkon vykonávaný odpařovacím chlazením.
Výpočet chlazení odpařováním
Jak jsme viděli na dosavadních příkladech, je výpočet výkonu a skutečně dosažitelného chladicího výkonu systému pro odpařovací chlazení závislý na mnoha parametrech. Ještě složitější jsou výpočty aspektů specifických pro umístění, projekt, provoz a především objem roční výměny venkovního vzduchu s ohledem na teplotu, vlhkost a entalpii. Všechny tyto faktory integrovala firma Condair do velmi výkonného a snadno použitelného výpočetního nástroje „myCoolblue“. Tento nástroj, který si můžete stáhnout jako bezplatnou aplikaci ( www.condair.de/myCoolblue-app ) je založen na třech krocích:Krok 1
zahrnuje zadání umístění projektu a veškerá potřebná provozní data (provozní doba, teplota a požadované hodnoty vlhkosti). V aplikaci jsou zadány roční údaje venkovních teplot a entalpie v 15 německých klimatických regionech a více než 300 mezinárodních městech, která lze vybrat na mapě světa nebo z nabídky. Podrobnosti o standardně dimenzovaných stavech jsou založeny na VDI 4710 (korelace t, x) a datech o počasí Meteonorm.
Krok 2
se vztahuje na zadání systémových dat. Jedná se o průtok vzduchu, očekávané rozměry vzduchotechnického přístroje, systém rekuperace tepla, účinnost a zvýšení tlaku ventilátorů a také uspořádání komponent ve vzduchotechnickém přístroji.
Krok 3
umožňuje vypočítat z těchto údajů během několika okamžiků výsledky a zobrazit je jako absolutní hodnoty nebo v grafu. Výsledkem je např. požadovaný jmenovitý výkon chladicí jednotky bez a při zohlednění chlazení odpařováním, roční proběh chlazení odpařováním a celkový roční chladicí výkon k vzduchovému chlazení s podílem chladicí jednotky, chlazení odpařováním a rekuperací tepla (regenerativní část). Výsledky lze znovu dopočítat pro tři případy:
Případ 1: Roční simulace při běžném letním období (10 středních ročních hodnot) pro průměrně očekávaný energetický přínos chlazení odpařováním a pro posouzení účinnosti. Je třeba respektovat, že výsledky představují střední hodnotu určitého období, a tvoří tak „syntetický“ roční proběh.
Případ 2: Roční simulace s extrémně horkým létem pro dimenzování odpařovacích chladičů a generátorů chladicí vody k pokrytí maximálního požadavku na chlazení. V tomto případě se vybere jeden rok v rámci sledovaného období s mimořádně teplými letními teplotami, takže odpovídá očekávaným extrémním hodnotám, které je třeba vzít v úvahu při citlivých požadavcích.
Případ 3: Pouze jmenovitý výkon při standardních vnějších podmínkách podle VDI 4710 nebo srovnatelných dimenzovaných stavech podle hodnot o počasí Meteonorm, avšak bez roční simulace. U výsledků se zobrazí také faktor sezónní výkonnosti. Ten se vypočítá jako poměr chladicího výkonu chlazení odpařováním k potřebnému čerpacímu výkonu odpařované vody a výkonu ventilátoru pro překonání tlakové ztráty na straně vzduchu systému pro chlazení odpařováním. Z údajů je vygenerován soubor PDF, který lze pro daný projekt vytisknout nebo odeslat e-mailem.
Také výpočet a zobrazení několika variant, např. změny průtoku vzduchu, teploty, typu rekuperace tepla, účinnosti ventilátoru, uspořádání komponent ve vzduchotechnickém přístroji, maximální přípustné vlhkosti v místnosti nebo místa instalace trvá v aplikaci jen několik málo sekund. Výsledky simulace v aplikaci tak poskytují optimální základ pro výpočet a realistické zhodnocení potenciálu a výkonu chlazení odpařováním, který je v každém projektu různý.
Příklady výpočtů
Následně uvádíme několik příkladových kalkulací v aplikaci „myCoolblue“ ke zhodnocení potenciálu úspor při chlazení odpařováním. Za tímto účelem jsou ve vzorovém projektu (kancelářská budova) předem nastaveny následující provozní podmínky:
• průtok vzduchu 27 000 m³/h (7,5 m³/s)
• průřez přístroje Š 2250 mm x V 1750 mm
• rychlost vzduchu 1,9 m/s
• teplota přiváděného vzduchu 18–20 °C
• požadovaná teplota v místnosti / letní kompenzace 22–26 °C
• vnitřní vlhkost vzduchu maximálně 65 %
• index rekuperace tepla 70 %
• provoz vzduchotechnického zařízení 12 hodin/den, 5 dní/týden (= 3120 h/a).
Pro ilustraci výkonu chlazení odpařováním je tento projekt umístěn v různých německých a mezinárodních lokalitách s horkým, chladným, vlhkým a suchým podnebím. Tyto změny umístění a výstup odpovídajících výsledků trvají v aplikaci jenom několik sekund. Údaje v tabulce 1 ukazují několik důležitých tendencí pro chlazení odpařováním: V mírných a teplých lokalitách (Mannheim, Postupim, Essen, Rostock) poskytuje chlazení odpařováním 44–51 % z požadovaného ročního chladicího výkonu pro chlazení vzduchu. Na chladném místě Fichtelberg je procentuální podíl 78 % sice vyšší, avšak absolutní hodnota vůbec potřebného chladicího výkonu je velmi nízká.
V horkých letních, avšak spíše suchých lokalitách (Madrid, Rijád, Las Vegas) dosahuje chlazení odpařováním hodnot mezi 52 až 75% ročního chladicího výkonu – při vysokých až velmi vysokých sezónních výkonových faktorech! Tento trend však ochabuje tím více, čím je daná lokalita vlhčí (Chicago, Kolombo): Zde je podíl chlazení odpařováním na ročním chladicím výkonu pouze 10 až 29 %. Chlazení odpařováním je však v tropických lokalitách, např. Kolombo, v provozu po celý rok.
Zde přejímá chlazení odpařováním úlohu předchlazení venkovního vzduchu. Aby bylo možné u venkovního vzduchu opět dosáhnout požadované vlhkosti vzduchu a teploty přívodního vzduchu (zejména odvlhčování!), musí mechanické chladiče dodávat vysoký výkon při nízkých teplotách přívodní vody.
Rentabilita chlazení odpařováním
Kromě mnoha ekologických předností nepřímého chlazení odpařováním a účinnosti takového chladicího řešení hraje důležitou roli také rentabilita. Dodatečné náklady vzniklé při pořízení by měly být ve srovnání s mechanickým chlazením kompenzovány dosaženými úsporami provozních nákladů.
Vzhledem k výše vysvětleným mnoha faktorům souvisejícím s lokalitou a provozem je vhodné jednotlivě zhodnotit každý klimatizační a chladicí projekt s ohledem na rentabilitu chlazení odpařováním. Při tom hrají kromě popsaných parametrů svoji důležitou roli také skutečné náklady na el. proud a vodu podle specifického projektu. V zásadě by však nemělo být chlazení odpařováním zvažováno jen samo o sobě, nýbrž jako spojený systém společně s rekuperací tepla, protože bez něj není nepřímé chlazení odpařováním fyzicky použitelné.
Kvůli použití chlazení odpařováním se doba návratnosti spojeného systému s rekuperací tepla nepatrně prodlouží. Proto je rozsah možné doby návratnosti široký a je nutné jej u každého projektu určit individuálně. Výrobci systémů pro chlazení odpařováním nabízejí zákazníkům výpočet této rentability.
Možné varianty uspořádání lze však již předem nasimulovat v simulační aplikaci a propočítat je z hlediska úspory energie.
Shrnutí
Aby bylo v mnohých aplikačních oblastech možné snížit podíl práce elektrických chladicích jednotek, které byly doposud takřka výhradně používány, poskytuje technika chlazení odpařováním značný potenciál. Při odpařování vody v proudu odpadního vzduchu vzduchotechnického přístroje dochází k chlazení takřka bez nutnosti využití el. proudu. Potenciál tohoto nepřímého chlazení odpařováním lze obzvláště dobře předvést z energetického hlediska, jsou-li splněny následující podmínky:
• vysoká účinnost zvlhčování chlazení odpařováním,
• vysoký index rekuperace tepla,
• nízká vlhkost v odpadním vzduchu,
• letní horké a suché lokality.
Chlazení odpařováním není určeno k tomu, aby budovu chladilo zcela samo o sobě. Je jen několik málo projektů, např. v létě chladné lokality, kdy může toto chlazení zcela nahradit vodní chladicí jednotku. Z tohoto důvodu by chlazení odpařováním mělo být v první řadě chápáno jako „základ ekologického systému k předchlazení venkovního vzduchu“.
Zbytek nebo špičkovou zátěž pak přebírá menší, a tím i úspornější chladicí jednotka. Díky chlazení odpařováním můžete však u téměř všech projektů dosáhnout vysokých úspor u konvenčního chladicího výkonu.
Zbytek nebo špičkovou zátěž pak přebírá menší, a tím i úspornější chladicí jednotka. Díky chlazení odpařováním můžete však u téměř všech projektů dosáhnout vysokých úspor u konvenčního chladicího výkonu.
Frank Benndorf, západní regionální prodejní centrum