Jak funguje adiabatické chlazení / odpařovací chlazení?

1. Faktory ovlivňující dosažitelný chladicí účinek

Při nepřímém odpařovacím chlazení dochází k odpařování vody na straně odvodu vzduchu v jednotce VVS, čímž je teplý venkovní vzduch ochlazován prostřednictvím následné rekuperace tepla. Dosažitelné ochlazení venkovního vzduchu tedy závisí na množství odpařené vody na straně odvodu vzduchu a na konstrukci a účinnosti použitého systému rekuperace tepla. Odváděný vzduch lze přitom zvlhčit téměř až k nasycení, aniž by došlo ke zvýšení vlhkosti v přiváděném vzduchu.

Kromě rychlosti proudění vzduchu, kterým proudí odpařovací chlazení, závisí množství odpařené vody, a tím i dosažené ochlazení, na stavu vzduchu, s nímž odváděný vzduch vstupuje do odpařovacího chlazení.

Rozhodujícími faktory jsou:

• teplota vzduchu před odpařováním: Čím je chladnější, tím méně vlhkosti může přijmout a tím menší je ochlazovací účinek
• vlhkost vzduchu před odpařováním: Čím více vody vzduch již obsahuje, tím méně vlhkosti může přijmout a tím menší je dosažené snížení teploty

Teoretické maximum odpařovacího chlazení je dosaženo při úplném nasycení vzduchu vodou – tedy při relativní vlhkosti vzduchu 100 %. Ve vzduchotechnických zařízeních je při ekonomicky přijatelných nákladech reálné zvýšení vlhkosti na hodnoty 92 až 95 %, v závislosti na konstrukci použitého odpařovacího chlazení.

2. Úspora energie díky nepřímému odpařovacímu chlazení ve vzduchotechnickém zařízení

Potřeba senzibilní chladicí energie budovy je určována především dopadajícím slunečním zářením a vnitřními tepelnými zátěžemi způsobenými osobami, zařízeními a osvětlením. K dodržení přípustné vlhkosti vzduchu v místnosti je v závislosti na stavu venkovního vzduchu a vnitřních zdrojů vlhkosti zapotřebí navíc latentní chladicí energie.

Nepřímé odpařovací chlazení je vhodné pro senzitivní chlazení přiváděného vzduchu. Latentní chlazení potřebné navíc pro odvlhčování nebo senzitivní ochlazování přesahující potenciál odpařovacího chlazení musí být i nadále zajišťováno mechanickým, avšak odpovídajícím způsobem menším chladičem. Při vhodném návrhu zařízení se díky nepřímému odpařovacímu chlazení ušetří výrazně více elektrické energie na pohon mechanické výroby chladu, než kolik je zapotřebí k překonání dodatečné ztráty tlaku na straně vzduchu způsobené odtahovým ventilátorem.

Pokud chcete již ve fázi plánování zjistit, kolik energie lze prostřednictvím nepřímého odpařovacího chlazení regenerativně vyprodukovat a skutečně ušetřit, je třeba to určit pomocí simulačního výpočtu pro provoz vzduchotechnického zařízení v dané lokalitě budovy. Do této simulace je třeba zahrnout všechny podmínky venkovního vzduchu vyskytující se v průběhu roku, jakož i relevantní projektové parametry vzduchotechnického zařízení.

3. Výpočtový příklad na simulovaném vzduchotechnickém zařízení

Simulace vzduchotechnického zařízení s nepřímým odpařovacím chlazením. Energetický přínos nepřímého odpařovacího chlazení (adiabatické chlazení) bude nyní znázorněn na příkladu simulačního výpočtu pro vzorovou budovu. To znamená, že na základě meteorologických údajů o dané lokalitě se vypočítá, jak velký je ve skutečnosti celkový chladicí výkon potřebný k ochlazení vzorové budovy a jaký podíl na něm má v průběhu roku nepřímé odpařovací chlazení. Výsledky pak mohou sloužit jako realistický podklad pro správné dimenzování zařízení a posouzení ekonomické efektivity tohoto opatření ke zvýšení účinnosti v rámci projektování zařízení.

Byly předpokládány následující další projektové parametry relevantní pro simulaci zařízení:

Objemový průtok vzduchu v klimatizační jednotce: 52 500 m³/h

Počet provozních dnů v týdnu: 7 d

Čas zahájení denního provozu: 6:00 h

Nárůst vlhkosti v místnosti: 1,0 g/kg

Minimální/maximální vlhkost vzduchu v místnosti: 40/65 % r. F.

Spínací rozdíl odpařovacího chlazení: 1,0 K

Účinnost zvlhčování: 94 %

Účinnost rekuperace tepla: 0,75

Celkové roční energetické příspěvky se vypočítají sečtením jednotlivých výsledků stanovených simulací pro každou hodinu v roce. Výpočty vycházejí ze statistických údajů o lokalitách z globální meteorologické databáze Meteonorm verze 6.1 pro 5 lokalit: Berlín, Mnichov, Stuttgart, Vídeň a Bregenz.

Berlín:

Qₖ (32 °C, 40 % rel. vlhkost): 321 kW | Provozní hodiny: 912 h/rok | Qₖ, celkem: 560 kW | Qₖ, mechanické: 351 kW | Qₖ, odpařovací + rekuperace tepla: 209 kW | Wₖ, celkem: 120 098 kWh/rok | Wₖ, mechanické: 53 887 kWh/rok | Wₖ, odpařovací: 56 479 kWh/rok | Wₖ, rekuperace tepla: 9 733 kWh/rok | Reg: 55,1 %

Mnichov:

Qₖ (32 °C, 40 % rel. vlhkost): 321 kW | Provozní hodiny: 758 h/rok | Qₖ, celkem: 371 kW | Qₖ, mechanické: 269 kW | Qₖ, odpařovací + rekuperace tepla: 102 kW | Wₖ, celkem: 93 628 kWh/rok | Wₖ, mechanické: 44 849 kWh/rok | Wₖ, odpařovací: 42 871 kWh/rok | Wₖ, rekuperace tepla: 5 909 kWh/rok | Reg: 52,1 %

Stuttgart:

Qₖ (32 °C, 40 % rel. vlhkost): 321 kW | Provozní hodiny: 1 127 h/rok | Qₖ, celkem: 486 kW | Qₖ, mechanické: 289 kW | Qₖ, odpařovací a rekuperace: 197 kW | Wₖ, celkem: 154 993 kWh/rok | Wₖ, mechanické: 67 192 kWh/rok | Wₖ, odpařovací: 72 132 kWh/rok | Wₖ, rekuperace: 15 669 kWh/rok | Reg: 56,6 %

Vídeň:

Qₖ (32 °C, 40 % rel. vlhkost): 321 kW | Provozní hodiny: 1 213 h/rok | Qₖ, celkem: 598 kW | Qₖ, mechanické: 416 kW | Qₖ, odpařovací + rekuperace tepla: 182 kW | Wₖ, celkem: 184 584 kWh/rok | Wₖ, mechanické: 96 235 kWh/rok | Wₖ, odpařovací: 72 873 kWh/rok | Wₖ, rekuperace tepla: 15 477 kWh/rok | Reg: 47,9 %

Bregenz:

Qₖ (32 °C, 40 % rel. vlhkost): 321 kW | Provozní hodiny: 727 h/rok | Qₖ, celkem: 538 kW | Qₖ, mechanické: 364 kW | Qₖ, odpařovací a rekuperace tepla: 174 kW | Wₖ, celkem: 111 707 kWh/rok | Wₖ, mechanické: 66 994 kWh/rok | Wₖ, odpařovací: 38 741 kWh/rok | Wₖ, rekuperace tepla: 5 972 kWh/rok | Reg: 40,0 %

Výsledky simulace se vztahují k příkladovému vzduchotechnickému zařízení na 5 vybraných lokalitách. Energetický přínos nepřímého odpařovacího chlazení výrazně snižuje chladicí výkon, který musí mechanický chladič poskytnout pro chlazení budovy.

QK (32 °C, 40 % r.F.): Celkový chladicí výkon za standardních podmínek venkovního vzduchu

QK, ges*: Celkový chladicí výkon (extrémní hodnota)

QK, mechanisch*: Mechanický chladicí výkon (extrémní hodnota)

QK, odpařovací & rekuperace*: Regenerativní chladicí výkon (extrémní hodnota)

WK, celk.: Celková roční dodaná chladicí energie (střední hodnota)

WK, mechanický: Energetický podíl mechanické výroby chladu (střední hodnota)

WK, odpařovací: Energetický podíl nepřímého odpařovacího chlazení (střední hodnota)

WK, WRG: Energetický příspěvek rekuperace tepla (střední hodnota)

ηReg: Regenerativní podíl (střední hodnota)

Jak ukazuje simulace, nepřímé odpařovací chlazení vede k značným regenerativním příspěvkům. Při jinak stejném návrhu zařízení vyplývají z příslušných meteorologických údajů vybraných lokalit výrazné rozdíly. Při regionálně vyšší vlhkosti venkovního vzduchu, tedy i při nutnosti většího odvlhčování, vykazuje její energetický příspěvek nižší procentuální hodnoty. To je zřetelně patrné v Bregenzu, které je díky své poloze přímo na východním břehu Bodamského jezera odpovídajícím způsobem klimaticky ovlivněno. Celkový podíl obnovitelné energie se v každém případě vypočítá jako součet energetických příspěvků nepřímého odpařovacího chlazení a rekuperace tepla. Na vybraných lokalitách budov dosahuje tento podíl 40 až 56,6 % z celkové roční spotřeby chladicí energie.

Otázka ekonomické rentability

Největší překážkou při využívání obnovitelných zdrojů energie je v praxi ekonomická rentabilita. Opatření na zvýšení účinnosti, jako je nepřímé odpařovací chlazení (adiabatické chlazení), se musí vyplatit. Vzniklé dodatečné investiční náklady musí být kompenzovány úsporami dosaženými při provozu. Tuto bilanci je třeba provést pro konkrétní budovu. Spolehlivá simulace zařízení zviditelňuje souvislosti a umožňuje realistické srovnání s konvenčními opatřeními pro chlazení budov.