Použití adiabatického chlazení v klimatickém pásmu ČR – 2. část – dokončení

10.12.2018 Autor: Bc. Tomáš Hamerský Časopis: 7/2018

Příspěvek dokumentuje výhodnou použitelnost adiabatického chlazení v ČR a hodnotí i energetické přínosy pro uživatele. V závěru rovněž připomíná i technické omezení v případech, kdy je nasávaný vzduch již vodou téměř nasycen.

Vladimír Galád

Příklad dle zadaných parametrů

Následující část článku je věnována již zmíněnému příkladu použití adiabatického chlazení pro klimatické podmínky v ČR. Jsou uvažovány dvě možné varianty, kde první varianta vychází pouze z klasického přímého adiabatického chlazení (Carlieuklima HTA30 [5]), druhá z kombinace nepřímého s přímým adiabatickým chlazením (Oxycom Intrcooll Plus [2]).

Základní tabulka hlavních parametrů, kde:
a – délka, b – šířka, c – výška, d – pracovní výška, Q_VTZ –vnitřní tepelné zisky, t_obj–průměrná vnitřní teplota objektu, cp_vz– měrná tepelná kapacita vzduchu (p = konst); p – tlak vlhkého vzduchu, r_H2O – hustota vody, Cel – cena za elektřinu, C_H2O– cena za vodu, AJ – adiabatická jednotka, Q_vz– objemový průtok, P_ADI– chladicí výkon, P_IN – celkový příkon, h_SAT – účinnost nasycení
(1) – objemový průtok včetně předřazeného filtru G3
(2) – chladicí výkon při: t₁= 33 °C; RH₁ = 60 %,
(3) – chladicí výkon při: t₁ = 38 °C;RH₁ = 21 %
(4) – příkon při vypnutém horním ventilátoru
(5) – účinnost nasycení ve dvoustupňovém chodu jednotky

Charakteristika fungování zvolených jednotek

Přímé adiabatické chlazení

Princip přímého způsobu chlazení spočívá v uvolnění vázaného tepla při odpaření vody – vstupující vzduch prochází evaporační výplní, která je skrápěná vodou, následně dojde k odpaření vody, a tím se zvýší výstupní vlhkost a sníží teplota. Vyšší účinnost nasycení má za následek nižší výstupní teplotu.

Obr. 2 • Zobrazení přímého adiabatického chlazení (horní část obrázku) a dvoustupňového nepřímého/přímého adiabatického chlazení (spodní část obrázku) [2]

U přímého adiabatického chlazení se v ideálním případě jedná o adiabatický děj (nedochází k výměně tepla s okolím – vše se děje uvnitř systému), nicméně reálné děje jsou závislé na teplotě cirkulující vody – viz tab. 2 v Topin 6/2018.

Tab. 4 • Vstupní a výstupní parametry přímého adiabatického chlazení (Carlieuklima HTA30) pro uvažované období 5.– 9. měsíce roku 2017.
Pozn.: A – parametry uvažovaného období, B – vážený průměr hodnot v závislosti na počtu hodin výskytu t venkovních teplot vzduchu, C – ukázkový příklad při podmínkách, které panují například v lokaci Death Valley v Kalifornii (pozn. 48,9 °C je rekordní průměrná měsíční teplota pro červenec roku 1917) [9].
t₁ – vstupní teplota venkovního vzduchu do adiabatické jednotky; RH₁– vstupní relativní vlhkost; x₁ – venkovní měrná vlhkost; t₂ – výstupní teplota vzduchu z adiabatické jednotky; x₂ – výstupní měrná vlhkost; DT – rozdíl teplot mezi vstupem a výstupem; t – počet hodin výskytu teploty venkovního vzduchu; P_CH – potřebný chladicí výkon; EER – chladicí faktor; S_H2O – spotřeba vody při jejím odpaření; N_celk – provozní náklady na výrobu 1 kW chladicího výkonu; Q_vz – celkový potřebný průtok vzduchu adiabatickými jednotkami; n – potřebný počet jednotek v provozu

Obr. 3 • Jednostupňové chlazení (nahoře), které lze přirovnat přímému adiabatickému chlazení, je výhodné pro „střední“ venkovní teploty, zatímco dvoustupňové chlazení (dole), je vhodné provozovat při „vyšších“ venkovních teplotách, kde je požadavek nižší výstupní teploty [2]

Obr. 4 • Používaná evaporační výplň Oxyvap (Oxycom) – výplň je vyrobena z hliníkových proužků povlakovaných antikorozní ochranou, a antibakteriálním povlakem. Proužky jsou sestaveny tak, aby bylo dosaženo maximální účinnosti saturace při minimální tlakové ztrátě. Snadné automatické čištění a dlouhá životnost v porovnání s klasickými „celuózovými“ evaporačními výplněmi [2]

Tab. 5 • Výstupní parametry dvoustupňového způsobu chlazení (Oxycom Intrcooll Plus) pro uvažované období 5.–9. měsíce roku 2017 (venkovní vlhkost vstupující do jednotky RH1 je uvažována jako v tab. 4).
Pozn.: zkratky A – parametry uvažovaného období, kde bude provozován pouze jednostupňový provoz adiabatického chlazení, A⁽¹⁾ – parametry ve kterých bude provozován dvoustupňový provoz, B, C viz výše.
Symboly vysvětleny u tab. 4

Nepřímé v kombinaci s přímým adiabatickým chlazením

Z venkovního prostředí je nasáván vzduch, který nejprve projde přes tepelný výměník (nepřímé odpařování), ve kterém protéká voda, která odebírá tepelný potenciál vzduchu (sníží se jeho teplota, měrná vlhkost zůstává konstantní, relativní vlhkost vzrostla. Voda ve výměníku se tak ohřeje a dále vstupuje z vrchní části na evaporační výplň (přímé odpařování) – v horní části je teplota vody větší než teplota mokrého teploměru t_H2O > t_WB což jednak znamená větší spotřebu vody, a vyšší výstupní teplotu vzduchu, který nemá dostatečný potenciál ke chlazení – tento vzduch, je ale díky oddělené přepážce koncentrován v horní části, kde je pomocí horního ventilátoru odveden do venkovního prostředí. Na evaporační výplni postupně dochází ke snižování teploty vody až do okamžiku, kdy je teplota vody rovna teplotě mokrého teploměru t_H2O = t_WB – pod oddělenou přepážkou se tedy koncentruje ochlazený vzduch, který je vhodný pro chlazení. Účinnosti 116 % je tedy dosáhnuto tak, že výstupní teplota mokrého teploměru t_{WB_2} je nižší než jeho vstupní teplota t_{WB_1}. Vše výše zmíněné popisuje obr. 2.

Modelový výpočet pro chladicí sezonu roku 2017, kdy je potřeba dodávat chlad, byl proveden v tabulkovém procesoru Excel s podporou programu Vlhký vzduch 3.0. Podmínky venkovní relativní vlhkosti RH₁ jsou stanovené v závislosti na četnosti jejího výskytu při dané teplotě vzduchu, tzn. při jaké teplotě vzduchu se relativní vlhkost nejčastěji vyskytuje. Na základě toho byla tato závislost proložena exponenciální křivkou (nejsou uvažovány relativní vlhkosti vyšší jak 90 % – noc, déšť). Výstupní teplota t₂ je určena pomocí známé účinnosti saturace. Výpočet potřeby chladu je proveden v závislosti na venkovní teplotě vzduchu. Dle materiálové koncepce haly byl určen součinitel prostupu tepla stěnou a střechou, následně se spočítaly jednotlivé tepelné toky, kde byla teplota venkovního povrchu uvažována s vlivem slunečního záření. K výsledným tepelným ziskům z venkovního prostředí se připočetly uvažované vnitřní tepelné zisky. Potřebný chladicí výkon odpovídá požadovanému výkonu adiabatického chlazení.

Porovnání strojního a adiabatického chlazení

Porovnání těchto dvou způsobů chlazení je umožněno díky měrným nákladům na výrobu 1 kW chladicího výkonu.

Pro strojní klimatizaci je vycházeno z hodnoty, kterou udává parametr ESEER (Evropský sezonní chladicí faktor), který je stanoven jako kombinace různých provozních podmínek (proměnná zátěž, proměnná teplota vzduchu na straně kondenzátoru atp.). [10]

Roční přehled spotřeb

Carlieuklima – 242 m³ vody; 10,32 MWh el. energie

Oxycom – 288,1 m³ vody; 9,3 MWh el. energie

Graf 4 • Závislost chladicího výkonu na chladicím faktoru adiabatických jednotek – z grafu je patrné, že s rostoucím výkonem úměrně narůstá chladicí faktor. EER je v porovnání se strojní klimatizací až mnohonásobně vyšší, to je dáno tím, že chladicí faktor uvažuje pouze vyrobený výkon vůči vynaložené práci (elektrický příkon), tzn. neprojevuje se v něm spotřeba vody. Pro přehled, kde je uvažována spotřeba vody a elektrický příkon slouží graf 6. Způsobený „skok“ u jednotky Oxycom je dán tím, že je uvažováno dvoustupňové chlazení tzn. v provozu jsou 2 ventilátory (horní a spodní), tím se zvýšil elektrický příkon tzn. došlo ke snížení chladicího faktoru

Graf 5 • Závislost venkovní teploty vzduchu na výstupní teplotě vzduchu z adiabatické jednotky – z grafu je zřejmé, že jednotka Oxycom umožňuje nižší výstupní teplotu v rozmezí 0,5÷4 °C v porovnání s klasickým přímým adiabatickým chlazením. Opětovný „skok“ je způsoben tím, že pokud chceme dosáhnout nižší výstupní teploty, tak musíme provozovat jednotku Oxycom ve dvoustupňovém pracovním režimu

Graf 6 • Závislost venkovní teploty vzduchu na měrných provozních nákladech – z grafu vyplývá, že u adiabatického chlazení provozní náklady vzhledem k rostoucí venkovní teplotě klesají, kdežto u strojní kompresorové klimatizace provozní náklady narůstají

Graf 7 • Výhodnost provozování adiabatického chlazení vůči kompresorovému způsobu chlazení – z grafu je zřejmé, že s rostoucí venkovní teplotou vzduchu roste provozní efektivita adiabatických jednotek, to jak bude tato efektivita vysoká se odvíjí od toho, jakou strojní klimatizaci s daným parametrem ESEER uvažujeme, dle grafu se můžeme tedy pohybovat v intervalu výhodnosti (1,5÷6,5)

Graf 8 • Roční provozní náklady, které jsou dány vlivem celkové spotřeby vody a elektrické energie. V modelovém výpočtu se uvažují pouze náklady na výrobu chladu, tzn. do této ceny nevstupují náklady za servis, úprava vody, chladivo pro strojní klimatizaci atp.

Závěr

Pro daný modelový příklad byly uvažovány dvě možné varianty, přímého – Carlieuklima HTA30 a dvoustupňového – Oxycom Intrcooll Plus (kombinace nepřímého/ přímého) adiabatického chlazení. Pro danou sezonu je zapotřebí dodat do objektu haly 161,4 MWh chladicího výkonu – jednotlivé provozní náklady jsou uvedeny v grafu 8.

Pokud je nastaven přímý požadavek na teplotu uvnitř objektu, tak u přímého adiabatického chlazení jej nemusí být možné v zavilosti na venkovní teplotě a její vlhkosti docílit, poté je vhodnější provozovat dvoustupňový způsob chlazení, nicméně negativem je zde vyšší spotřeba vody při provozování tohoto režimu – viz tab. 5.

Na základě váženého průměru hodinových četností lze stanovit konkrétní výhodnost oproti strojní klimatizaci během chladicí sezony – 2,57x výhodnější oproti ESEER = 3,74 resp. 2,23x výhodnější oproti ESEER = 4,44 (pozn. vážené průměrné provozní náklady N_celk jsou u uvažovaných adiabatických jednotek téměř shodné – viz tab. 4 a 5).

Seznam použité literatury

Water quality. Baltimore Aircoil Company [online]. Baltimore Aircoil International, 2017 [cit. 2018-09-03]. Dostupné z: https://www.baltimoreaircoil.eu/ knowledge-center/water-quality
Oxycom Intrcooll manual. OXYCOM – Natural air conditioning [online]. Nizozemsko: Oxycom Fresh Air BV, 2018 [cit. 2018-07-19]. Dostupné z: https://www.oxy-com.com/
SAMAN, Wasim, BRUNO, Frank a LIU, Ming. Technical background research on evaporative air conditioners and feasibility of rating their water consumption. Water rating [online]. Australia, 2009 [cit. 2018-09-03]. Dostupné z: http://www.waterrating.gov.au/search?k=evaporative%20air%20conditioner#k=Technical%20background%20research%20on%20evaporative
GT INLET-AIR COOLING SYSTEMS. Combined Cycle Journal [online]. Las Vegas, 2014 [cit. 2018-09-03]. Dostupné z: http://www.ccj-online. com/gt-inlet-air-cooling-systems/
Evaporative cooling system EUCOLD. Carlieuklima [online]. Itálie, b.r. [cit. 2018-09-03]. Dostupné z: http://www.carlieuklima.com/scheda- prodotti_eng.php/prodotto=evaporative_cooling_system/
idprodotto=51/idcat=11
ROGDAKIS, KORONAKI a TERTIPIS. Estimation of the Water Temperature Influence on Direct Evaporative Cooler Operation. International Journal of Thermodynamics. National Technical University of Athens, Faculty of Mechanical Engineering, Laboratory of Applied Thermodynamic, 2013. ISSN ISSN 1301-9724.
Podnebí Česka [online]. 2018 [cit. 2018-09-03]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/Podneb%C3%AD_%C4%8Ceska#Sr
VOPÁLKA, Karel. Archiv hodnot / Popis snímače. Technika prostředí – qpro [online]. Chlumec nad Cidlinou, 2017 [cit. 2018-09-03]. Dostupné z: https://www.qpro.cz/Archiv-teploty-vlhkosti-tlaku-v-Chlumci
HICKOK, a WRITER. Death Valley Smashes Heat Record, 2nd Year in a Row. Live Science [online]. 2018 [cit. 2018-09-03]. Dostupné z: https://www.livescience.com/63234- death-valley-heat-record.html
LAIN, Miloš. Celkové chladicí faktory klimatizačních systémů a jejich zlepšování. Tzbinfo [online]. 2012 [cit. 2018-09-03]. Dostupné z: https://vetrani.tzb-info.cz/klimatizace- a-chlazeni/8797-celkove-chladici- faktory-klimatizacnich-systemu-a- jejich-zlepsovani

Application of adiabatic cooling in the climatic zone of the Czech Republic – Part 2.

The article deals with usability of adiabatic cooling in the Czech Republic conditions. Orientation calculation is performed according to the specified parameters depending on the climatic conditions of the hourly temperature and humidity during the cooling season for past year 2017.

Keywords: Adiabatic cooling, water management, cooling, operating costs, comparison.

Související články

chladicí soustavy

27.11.2018

Použití adiabatického chlazení v klimatickém pásmu ČR – 1. část

Autor:

Bc. Tomáš Hamerský

Energetický ústav, Fakulta strojního inženýrství, VUT v Brně, 4heat s.r.o., Brno

Další články autora

Všechny články autora

Související časopisy

7/2018