myCoolblue - Simulacija APP
Frank Benndorf, prodaja, Condair GmbH
Avtor: 
Frank Benndor,
prodajaf 
prodaja,
regionalni center Zahod

myCoolblue App

myCoolblue Online

x





Condair myCoolblue vaje





Condair ME




























Potenciali in omejitve posrednega hlajenja z izhlapevanjem

Izračun hlajenja z izhlapevanjem


V osrednjih klimatskih sistemih se pomen hladilnih sistemov na podlagi posrednega hlajenja z izhlapevanjem nenehno povečuje. Po mnenjih strokovnjakov v Nemčiji letno že okoli 10 % od približno 25.000 na novo postavljenih klimatskih sistemov uporablja to okolju prijazno tehniko hlajenja.

Strokovni načrtovalci in inženirji lahko z brezplačnim orodjem preprosto izračunajo energetske in okoljske prednosti ter pri tem natančno določijo realne zmogljivosti in letne kapacitete za hlajenje z izhlapevanjem za določen projekt.

Do sedaj je pri klimatskih sistemih hlajenje in razvlaževanje toplega zunanjega zraka iz zaloge dovodnega zraka večinoma potekalo z uporabo mehanskih vodnih hladilnih enot in vodnih hladilnih enot, ki delujejo s sintetičnimi hladili.Cilj posrednega hlajenja z izhlapevanjem je prevzem čim večjega deleža hlajenja z uporabo izparele vode in s tem zmanjšanje potrebne moči enote s hladilno vodo.

Tako prihranite električno energijo in zmanjšate emisije CO2, hkrati pa zmanjšate emisije hladil iz hladilnih sistemov, ki obremenjujejo okolje. Tako lahko hlajenje zraka z izhlapevanjem v klimatskih sistemih pomembno prispeva k prihranku energije in varovanju okolja.

Princip posrednega hlajenja z izhlapevanjem

Pri posrednem hlajenju z izhlapevanjem se odpadni zrak, ki izhaja iz stavbe, navlaži skoraj do 100-% nasičenosti. Pri tem se na vsak gram vode, ki ga sprejme kilogram zraka, zrak shladi za 2,5 K. Nato se odpadni zrak, ki je ohlajen za približno od 8 do 10 K, v klimatskem sistemu pošlje v napravo za rekuperacijo toplote, kjer je mogoče iz toplega zunanjega zraka pridobiti občutno več toplote. Tako je zunanji zrak po rekuperaciji toplote v hladilniku vodne hladilne enote treba precej manj ohlajati, da bi dosegli želeno temperaturo dovodnega zraka npr. 19 °C. V številnih primerih lahko hlajenje z izhlapevanjem, kot bo ponazorjeno v nadaljevanju, med obdobjem hlajenja nadomesti več kot 50 % hladilnega dela, ki bi bilo drugače mehansko izvedeno, in omogoči občutne prihranke pri obratovalnih stroških.

Zmogljivost hlajenja z izhlapevanjem

Zmogljivost hlajenja z izhlapevanjem je odvisna od različnih dejavnikov. Med te med drugim sodijo
naslednji parametri:

Kakovost vlaženja
Za največji učinek hlajenja je treba odpadni zrak navlažiti na stopnjo, ki je čim bližje 100-% relativni vlažnosti. Dobri sistemi, npr. ME podjetja Condair GmbH v Garchingu, dosegajo vrednosti do 97 %.

Učinkovitost rekuperacije toplote
Z učinkovitejšo rekuperacijo toplote v klimatskem sistemu (koeficient rekuperacije toplote φ) se poveča tudi količina toplote, ki jo lahko sprejme odpadni zrak, ohlajen z izhlapevanjem. Na to zelo pozitivno vpliva tudi smernica o okolju prijaznem načrtovanju za klimatske sisteme iz leta 2016: ta za klimatske sisteme, odvisno od tipa rekuperacije toplote, zahteva koeficient rekuperacije toplote vsaj 63 %.

Vpliv stanja odpadnega zraka
Bolj ko je odpadni zrak suh, bolj ga je mogoče navlažiti in ohladiti. Pri hlajenju z izhlapevanjem lahko odpadni zrak s temperaturo med 24 in 28 °C pri vlaženju do relativne vlažnosti približno 95 % ohladimo za pribl. 9 K (vlažnost odpadnega zraka 30 %) oziroma za pribl. 5 K (vlažnost odpadnega zraka 60 %). Bolj ko je odpadni zrak suh, večja je zmogljivost hlajenja z izhlapevanjem.

Vpliv stanja zunanjega zraka
Z večjo razliko med temperaturo zunanjega in odpadnega zraka se izboljša tudi koeficient rekuperacije toplote, kar pomeni, da lahko hladni odpadni zrak odvzame več toplote toplemu zunanjemu zraku. Če ima odpadni zrak po hlajenju z izhlapevanjem npr. temperaturo 18 °C, lahko zunanji zrak s temperaturo 32 °C ohladite za pribl. od 9 K (koeficient rekuperacije toplote 0,65) do 11,5 K (koeficient rekuperacije toplote 0,80).

Dodatne prednosti hlajenja z izhlapevanjem
Mehanski hladilniki vode, ki se v klimatskih sistemih uporabljajo za hlajenje zraka, za hlajenje vode porabijo pribl. 1 kWh elektrike na vsake od 3 do 4 kWh hlajenja. V Nemčiji je vsaka kWh elektrike obremenjena približno z 0,5 kg CO2 (zmes elektrike iz jedrskih elektrarn, konvencionalnih elektrarn in obnovljivih virov energije). Če s hlajenjem z izhlapevanjem zmanjšate porabo elektrike v vodnih hladilnikih, se s tem zmanjšajo tudi emisije CO2.

Tu pa je še dodaten vpliv na okolje. Na vsake od 3 do 4 kW hladilne moči vodnega hladilnika je potreben približno 1 kg hladila v hladilnem krogotoku. Če ta količina hladila pri manjših puščanjih uide iz hladilnega krogotoka v okolico, to pri sodobnih hladilih pomeni obremenitev okolja od približno 1.400 do 2.100 kg CO2. Pri vodnih hladilnikih predstavljajo stopnje puščanja približno od 4 do 5 % napolnjene količine hladila na leto. Ker so pri sistemih za hlajenje z izhlapevanjem hladilniki manjši in potrebujejo manj hladila, se zmanjšajo tudi emisije hladila, ki pripomorejo k učinku tople grede.

Nemški zakon o gretju z energijo iz obnovljivih virov (Erneuerbare­Energien­Wärmegesetz oz. EEWärmeG) vsi ogrevalni in hladilni tokovi, ki v klimatskih sistemih prehajajo iz odpadnega v dovodni zrak, veljajo kot energija iz obnovljivih virov, ki se lahko upošteva pri bilanciranju po zakonu EEWärmeG. Sem sodi tudi hladilno delo, ustvarjeno pri hlajenju z izhlapevanjem.

Izračun hlajenja z izhlapevanjem
Kot kažejo dosedanje izvedbe, je izračun moči in dejansko dosegljivega hladilnega dela sistema za hlajenje z izhlapevanjem odvisen od številnih parametrov.Izračuni pa postanejo še bolj zapleteni, če je treba upoštevati vidike, specifične za lokacijo, projekt in delovanje, prav posebej pa to velja za letni potek temperature, vlage in entalpije v zunanjem zraku.Podjetje Condair je vse te dejavnike združilo v izjemno zmogljivo in za uporabo preprosto orodje myCoolblue.To orodje, ki je brezplačno na voljo kot aplikacija ( www.condair.de/myCoolblue-app )temelji na treh korakih:

1. korak
zajema vnos lokacije projekta in želenih obratovalnih podatkov (čas uporabe, želene vrednosti temperature in vlage). V aplikaciji so shranjeni letni poteki zunanjih temperatur in entalpij za 15 nemških podnebnih regij in za več kot 300 mest po svetu, ki jih lahko izberete na zemljevidu ali v meniju. Podatki normiranih postavitev temeljijo na VDI 4710 (korelacije t, x) in meteoroloških podatkih.

2. korak
zadeva vnos podatkov o sistemu. Mednje sodijo volumski tok zraka, predvidene dimenzije klimatskega sistema, sistem rekuperacije toplote, stopnja učinkovitosti in povišanje tlaka ventilatorjev in razporeditev komponent klimatskega sistema.

3. korak
iz teh podatkov v nekaj trenutkih izračuna rezultate in jih prikaže kot absolutne vrednosti oz. grafiko. Med rezultate npr. sodi zahtevana nazivna zmogljivost hladilnika z upoštevanjem hlajenja z izhlapevanjem ali brez njega, letno delovanje hlajenja z izhlapevanjem ter celotno letno hladilno delo s prikazanimi deleži vodnega hladilnika, hlajenja z izhlapevanjem in rekuperacije toplote (regenerativni delež). Rezultate je prav tako mogoče izračunati za tri primere:

1. primer: Letna simulacija pri normalnem poletju (srednja vrednost 10 let) za povprečni pričakovani energetski prispevek hlajenja z izhlapevanjem in ocena gospodarnosti.Pri tem je treba upoštevati, da rezultati predstavljajo srednjo vrednost opazovanega obdobja in tako tvorijo »sintetično« sliko letnega poteka.

2. primer: Letna simulacija pri izjemno toplem poletju za dimenzioniranje hladilnika z izhlapevanjem in sistema za hladno vodo za pokrivanje največje potrebe po hlajenju.Pri tem se izbere leto v opazovanem obdobju, ki ima posebej visoke poletne temperature, s čimer ustreza pričakovanim ekstremnim vrednostim, ki naj se upoštevajo pri zahtevah glede občutljivosti.

3. primer: Samo dimenzioniranje zmogljivosti pri standardnih zunanjih pogojih po VDI 4710 ali primerljive postavitve na podlagi meteoroloških podatkov, vendar brez letne simulacije. Pri rezultatih je prikazan tudi letni koeficient dela. Ta se izračuna kot razmerje med hladilnim delom iz hlajenja z izhlapevanjem ter potrebnim delom črpalk za vodo za izhlapevanje in delom ventilatorjev, ki morajo premagati izgubo tlaka na strani zraka v sistemih za hlajenje z izhlapevanjem. Iz podatkov se ustvari datoteka PDF za projekt, ki jo je mogoče natisniti ali poslati po e-pošti.

Tudi izračun in predstavitev več različic, npr. sprememba volumskega toka zraka, temperature, vrste rekuperacije toplote, učinkovitosti ventilatorja, razporeditve komponent v klimatskem sistemu, največje dovoljene vlage v prostoru ali lokacije, bosta v aplikaciji trajala le nekaj sekund. Tako so rezultati simulacije v aplikaciji odlična osnova za realističen izračun in oceno potencialov in zmogljivosti hlajenja z izhlapevanjem, ki se od projekta do projekta lahko pogosto zelo razlikujejo.

Primeri izračunov
V nadaljevanju je prikazanih več primerov izračunov za oceno potenciala za prihranke pri hlajenju z izhlapevanjem z aplikacijo »myCoolblue». Pri tem smo kot vzorčni projekt vzeli pisarniško zgradbo z naslednjimi obratovalnimi pogoji:

• Volumski pretok zraka 27.000 m³/h (= 7,5 m³/s)
• Presek naprave Š 2.250 mm × V 1.750 mm
• Hitrost zraka 1,9 m/s
• Temperatura dovodnega zraka 18–20 °C
• Želena temperatura prostora/poletna kompenzacija 22–26 °C
• Vlažnost zraka največ 65 %
• Koeficient rekuperacije toplote 70 %
• Delovanje klimatskega sistema 12 h/dan, 5 dni/teden (= 3.120 h/leto)

Za pojasnitev zmogljivosti hlajenja z izhlapevanjem bomo ta projekt izvedli na najrazličnejših lokacijah v Nemčiji in po svetu, in sicer v vročih, hladnih, vlažnih in suhih podnebjih. Te spremembe lokacije in prikaz ustreznih rezultatov z aplikacijo vzamejo le nekaj sekund. Vrednosti v preglednici 1 prikazujejo več trendov, ki so pomembni za hlajenje z izhlapevanjem. Na zmernih in toplih lokacijah (Mannheim, Potsdam, Essen, Rostock) hlajenje z izhlapevanjem letno doprinese med 44 in 51 % letnega hladilnega dela. V Fichtelbergu, hladni lokaciji, je odstotni delež v višini 78 % sicer višji, vendar je absolutna vrednost potrebnega hladilnega dela zelo nizka.

Na lokacijah, ki so poleti vroče, a precej suhe (Madrid, Riad, Las Vegas), hlajenje z izhlapevanjem doseže od 52 do 75 % letnega hladilnega dela, in sicer pri visokih do zelo visokih letnih koeficientih dela. Ta trend pa se obrne, če je lokacija bolj vlažna (Chicago, Kolombo): Tu je delež hlajenja z izhlapevanjem v letnem hladilnem delu samo še med 10 in 29 %. Treba pa je upoštevati, da hlajenje z izhlapevanjem na tropskih lokacijah, kot je Kolombo, deluje celo leto.

Tam hlajenje z izhlapevanjem prevzame nalogo predhodnega hlajenja zunanjega zraka. Da bi zunanji zrak nato obdelali na zahtevano vlažnost in temperaturo dovodnega zraka (tu je posebej pomembno razvlaževanje), morajo mehanski hladilniki zagotavljati veliko moč pri nizki temperaturi dotoka vode.

Gospodarnost hlajenja z izhlapevanjem
Poleg številnih okoljskih prednosti posrednega hlajenja z izhlapevanjem je zelo pomembna tudi gospodarnost take rešitve za hlajenje. Dodatni stroški, do katerih pride pri nabavi, se morajo znova kompenzirati z doseženimi prihranki pri obratovalnih stroških v primerjavi z mehanskim hlajenjem.

Zaradi prej pojasnjenih številnih dejavnikov, ki so specifični za lokacijo in delovanje, je treba vsak klimatski in hladilni projekt tudi preveriti glede gospodarnosti hlajenja z izhlapevanjem. Pri tem imajo pomembno vlogo poleg opisanih parametrov tudi dejanski, za projekt specifični stroški elektrike in vode. Načeloma hlajenja z izhlapevanjem ne smemo obravnavati izolirano, temveč kot povezan sistem skupaj z rekuperacijo toplote, saj brez tega posredno hlajenje z izhlapevanjem fizikalno ni izvedljivo.

Z uporabo hlajenja z izhlapevanjem se amortizacijsko obdobje sklopa z rekuperacijo toplote neznatno podaljša. Zaradi tega je razpon morebitnih amortizacijskih obdobij velik in ga je treba določiti za vsak projekt ločeno. Proizvajalci sistemov za hlajenje z izhlapevanjem stranki nudijo tovrstne izračune gospodarnosti. Morebitne izvedbe postavitve je mogoče že vnaprej preveriti s simulacijo v aplikaciji in izračunati porabo energije.

Povzetek
Tehnologija hlajenja z izhlapevanjem ima velike potenciale na področjih, ker so do sedaj močno prevladovali vodni hladilniki na električno energijo. Z izhlapevanjem vode v toku odpadnega zraka klimatske naprave se tako skoraj brez porabe elektrike tvori hladilna moč. Energetske potenciale posrednega hlajenja z izhlapevanjem je mogoče še posebej učinkovito izkoristiti, če so izpolnjeni naslednji pogoji:

• visoka učinkovitost vlaženja zraka s sistemom hlajenja z izhlapevanjem,
• visok koeficient rekuperacije toplote,
• nizka vlaga odpadnega zraka,
• suhe lokacije z vročimi poletji.

Hlajenje z izhlapevanjem pa ni predvideno za samostojno hlajenje zgradbe. Le pri zelo redkih projektih, npr. na lokacijah, ki so poleti hladne, lahko povsem nadomesti vodni hladilnik. Zato je treba hlajenje z izhlapevanjem obravnavati predvsem kot osnovni, okolju prijazen sistem za predhodno hlajenje zunanjega zraka.

Preostanek hladilnih potreb, vključno z vršnimi, prevzamejo manjši in ugodnejši vodni hladilniki. S hlajenjem z izhlapevanjem je mogoče pri skoraj vseh projektih doseči visoke prihranke pri hladilnem delu, ki ga je običajno treba opraviti.

V nekaterih primerih se lahko ob upoštevanju fizikalnih omejitev uporabi tudi izključno hlajenje z izhlapevanjem, tako da mehansko hlajenje sploh ni več potrebno.
Frank Benndorf, prodaja, regionalni center Zahod