FREE-COOLING - systém úsporného chlazení za pomoci nízké teploty venkovního vzduchu

V dnešní době se hledají cesty ke snižování provozních nákladů a zvyšování úspor. Lze toho dosáhnout i u zařízení, která zajišťují stabilní a vysokou spolehlivost výroby. Společnost Veskom má zkušenosti s aplikacemi technologií průmyslového chlazení. Speciálně vyvinuté chladiče, včetně free-coolingu, dokonale odpovídají potřebám na přesné řízení teploty s maximální bezpečností pro nepřetržitý, úsporný a ekologický provoz. Firma patří k lídrům v České republice v oblastech stlačený vzduch, průmyslové chlazení a vytápění tepelnými čerpadly. Ve všech oborech poskytuje kompletní zákaznický servis.

„U některých technologií je to možné dosáhnout tak, že se chladí pouze vzduchem bez nutnosti chodu kompresoru tzv. free-cooling. Pokud systém chladí technologické zařízení nebo průmyslové procesy, které jsou provozovány trvale po celý rok, tedy i při nízkých venkovních teplotách, je z hlediska spotřeby energie výhodné použít chladicí systémy s jednotkou volného chlazení,“ říká Ing. Jan Půlpytel, z Divize chlazení Veskom.

Tyto jednotky pracují, pokud je venkovní teplota dostatečně nízká, s nižším chladicím výkonem kompresorové části, nebo ji zcela vypnout. Právě kompresory jsou přitom tou součástí chladicího systému, jenž spotřebovává nejvíce energie. Chlazení pak zajišťují tepelné výměníky vzduch/voda, které jsou nedílnou součástí jednotky.

Chladná voda je zajištěna - díky venkovnímu vzduchu a malé spotřebě energie ventilátorů -  téměř zadarmo!

Důležité pro naše podmínky je, a ze statistiky teplotních profilů evropských měst to vyplývá, že běžná venkovní teplota je 0 až 15 °C, proto při návrhu volného chlazení se volí metody, které nejúčinněji fungují v těchto teplotních podmínkách, či ještě lépe při mínusových teplotách.

Zařízení využívající volné chlazení je proto vybaveno systémem, který využije nízkou venkovní teplotu i v případě, že nedokáže pokrýt celou tepelnou zátěž, ale jen její část. Tento režim se nazývá smíšený – chladicí jednotka využívá vnější vzduch k předběžnému zchlazení vody v systému, takže kompresory mají méně práce a nižší spotřebu elektrické energie. Tepelná zátěž, kterou musí rozptýlit výparník, je menší než u standardních chladičů fungujících za stejných podmínek. Existují proto tři provozní režimy:

Strojní chlazení: při teplotách nad 15 °C funguje jednotka s volným chlazením stejně jako standardní  chladič, tepelná zátěž je pokryta výparníkem pomocí kompresorů (pracují ventilátory i kompresory).

Smíšené chlazení: při teplotách 5 až 15 °C stačí venkovní vzduch odvádět jen část tepelné zátěže. Při poklesu venkovní teploty na 15 °C spustí řídicí systém čerpadlo volného chlazení v případě skládaného, nebo přenastaví třícestný ventil v případě kompaktního a voda prochází tepelnými výměníky vzduch/voda, umístěnými sériově s výparníkem, takže se snižuje jeho tepelná zátěž (pracují ventilátory, čerpadlo volného chlazení a kompresory, ovšem jen částečně).

Volné chlazení: pokud je venkovní teplota dostatečně nízká, dokáží tepelné výměníky vzduch/voda odvést celou tepelnou zátěž, aniž by musely běžet kompresory (pracují ventilátory a čerpadlo volného chlazení).

Pro maximální využití free-coolingu je tak vhodné, když je teplota chladící vody vyšší, než je běžně obvyklé. Běžná teplota chladící kapaliny bývá např. 6/12 °C, pro free-cooling je vhodnější vyšší teplota – např. 14/18 °C.

Požadovaná teplota chladicí vody je velice důležitý údaj. Pokud budeme uvažovat s teplotním spádem 12/6 °C, je free-cooling spínán od teploty okolí +4 °C. Teplota nižší než +4 °C je podle referenčního klimatického roku pro Prahu 3040 hodin/rok. Když zvolíme teplotní spád 14/18 °C, je free-cooling spínán od teploty okolí +12 °C. Teplota nižší než +12 °C je v Praze během roku cca 5700 hod. V praxi to představuje, že free-cooling funguje během roku o cca 3,5 měsíce déle a tím více spoří elektrickou energii. Zdůraznit je třeba tu skutečnost, že provoz free-coolingu je z energetického hlediska velice nenáročný.  Při tomto druhu chlazení se točí pouze ventilátory, které nasávají vzduch skrz lamelový výměník s nemrznoucí kapalinou, ta své teplo odevzdává do vzduchu a tím se ochlazuje. Elektrický příkon ventilátorů bývá v porovnání s příkonem kompresorů třetinový (účinnost EER = 10).

Graf určuje závislost spotřebované elektrické energie při měnící se teplotě okolí. Plocha pod červenou křivkou znázorňuje elektrickou energii spotřebovanou za rok, nutnou k provozu kompresorové chladicí jednotky bez free-coolingového zapojení. Část červené a modré křivky ohraničuje plochu, která určuje množství spotřebované elektrické energie při free-coolingovém zapojení. Plocha mezi červenou a modrou křivkou zobrazuje celkově uspořenou energii.

Příklad

Požadovaný chladicí výkon technologie 200 kW, při teplotním spádu kapaliny 19 °C/14 °C.

Referenční klimatický rok pro Prahu (četnost teplot během roku)

Model:  Kompresorová chladící jednotka s integrovaným free-coolingem AS 751 FC

Uspořená energie během roku v porovnání se standardní kompresorovou jednotkou - 47,2 %

Uspořené náklady během roku v porovnání se standardní kompresorovou jednotkou (nepřetržitý provoz 8760 hod/rok) – 510 300 Kč / rok (uvažováno při 3,20 Kč/kWh)

Snížení emisí CO₂ za rok - 88,2 t

Popsané zařízení je koncipováno do blokové chladicí jednotky (tzn. jeden stroj). V praxi se zpravidla používá tam, kde se instaluje nová technologie, mění se staré zařízení za nové apod. V případě, že stávající kompresorová jednotka je funkční a zákazník neuvažuje o výměně za novou, je možné nabídnout tzv. skládaný free-cooling. Využívá se stávající kompresorová chladicí jednotka, ke které se připojí atmosférický chladič s ostatní technologií, jenž zastává funkci free-coolingového chladiče. Funkce je obdobná jako u kompaktní free-coolingové jednotky, je možné však dosáhnout vyšších úspor díky širší výrobní škále atmosférických chladičů.

Atmosférický chladič kapalin

„Návratnost free-coolingových instalací je velmi závislá, jak bylo zdůrazněno, na požadované výstupní teplotě ochlazované kapaliny, lokalitě a vytíženosti výroby. Při stejných požadavcích na chladící výkon, teploty a vytíženosti výroby, ale odlišných míst v ČR, bude zajímavější návratnost v místě s nižší roční průměrnou teplotou.

Aby byl návrh free-coolingového zapojení efektivní, měla by se pohybovat požadovaná výstupní teplota kapaliny nad +10 °C. Pak může být návratnost okolo 3 let. Pozor, není to pravidlo. Každá aplikace se musí posuzovat individuálně,“ zdůrazňuje J. Půlpytel.

Důležité informace pro vyhodnocení vhodnosti nabídnout free-cooling

1. Jakým způsobem vychlazují technologickou vodu?

(pokud je odpovědí kompresorovou chladící jednotkou, má cenu dále pokračovat v získávání informací)

2. Jakou požadují vstupní teplotu vychlazované kapaliny do technologie?

(pokud je nižší než +10°C, je na zvážení zda bude mít free-cooling zajímavou návratnost)

3. Jaká je vytíženost výroby, kde se vychlazuje kapalina?

(např. 3směnný provoz vč. víkendů, 48 týdnů v roce apod.)

4. Jaké zařízení v současné době používají (výrobce, model), nebo plánují rozšiřování výroby?

Výhody pro zákazníka

• Úspora provozních nákladů

• Snížení motohodin na kompresoru z důvodu odpínání kompresorové jednotky v zimních měsících, kdy jí zastupuje free-coolingové chlazení

• V případě výpadku zdroje chladu v zimních měsících z důvodu poruchy, může free-cooling sloužit jako záložní zdroj chladu

• Snížení produkce CO₂

Pro dosažení co největší efektivnosti a ekonomičnosti systému je velice důležitý výběr komponent, a to hlavně vzduchového chladiče a deskového výměníku. I nepatrný rozdíl řádově 0,1 °C je ve výsledku velice znát na úsporách. Toto dokáže zajistit výběr komponent certifikovaných společností EUROVENT, která laboratorně testuje všechny přihlášená zařízení, zda jejich parametry odpovídají návrhovým technickým listům a zveřejňuje výsledky na svých stránkách.

Potřeba chlazení bude v rámci 4. průmyslové r/evoluce neustále růst. Že se jedná o návratnou a efektivní investici dokazuje nejen uvedený příklad, ale i řada dalších, s nimiž je možné se seznámit na www stránkách společnosti Veskom.

Půjčovna chladičů

Pro maximální komfort svých zákazníků a dalších zájemců, společnost Veskom zřídila půjčovnu chladičů. Chce tím zajistit jejich neomezený chod výroby a zabezpečit náhradní zdroj chladné vody v případě potřeby. Zapůjčené jednotky jsou používány k dočasnému zvýšení spotřeby chladu, jako náhradní při opravě chlazení. Veskom disponuje vlastními jednotkami, které jsou vždy před dodáním k zákazníkovi pečlivě zkontrolovány a připraveny na další provoz. Tyto jednotky lze také po uplynutí zápůjční či zkušební doby odkoupit. Standardně má ve skladě chladiče od 4 do 100 kW, případně další dle dohody. Půjčovna chladičů umožní zájemcům zajistit výrobu v případě poruchy jejich zařízení nebo dočesnému nárůstu výroby. Využít je lze také k testům technologie i ke zkoušce, zda chladič bude splňovat zákazníkovy požadavky ještě před samotným objednáním nového chladiče.

Společnost nabízí i možnost odprodání použitých chladicích jednotek za výhodné ceny. Jedná se o chladiče odkoupené od zákazníků z důvodu dodávky výkonnějšího zařízení, které jsou vždy otestovány a plně funkční a připraveny tak k prodeji dalšímu zájemci. Tyto jednotky se také používají k zapůjčení.