Blog Single

Jednym z największych wyzwań branży HVAC jest stworzenie systemu, który oszczędza energię i redukuje koszty eksploatacji, a jednocześnie zapewnia oczekiwany komfort osobom przebywającym w budynku. Przykładem takiego rozwiązania jest chłodzenie adiabatyczne. W tym artykule wyjaśniamy, na czym polega ten proces i gdzie można go zastosować.

Co to jest chłodzenie adiabatyczne?

Przemianą adiabatyczną nazywamy proces termodynamiczny zachodzący bez wymiany ciepła z otoczeniem. Do zmiany temperatury izolowanego układu dochodzi wskutek zużycia energii na wykonanie pracy lub dostarczenia energii poprzez wykonanie pracy na układzie. Na przykład podczas rozprężania gaz wykonuje pracę na otoczeniu, a tym samym zużywa energię, co powoduje spadek jego temperatury. Natomiast podczas sprężania otoczenie wykonuje pracę na gazie, dzięki czemu jego energia wewnętrzna rośnie, podobnie jak temperatura. Niemniej idealny proces adiabatyczny nie jest możliwy do zrealizowania, ponieważ zawsze dochodzi do pewnej wymiany ciepła z otoczeniem. Czasami jednak wymiana ciepła jest na tyle niewielka, że można ją pominąć (np. gdy przemiana zachodzi bardzo szybko).

Przykłady przemian adiabatycznych

W przyrodzie klasycznym przykładem chłodzenia adiabatycznego jest ochładzanie się powietrza wraz ze wzrostem wysokości. Unoszące się masy powietrza trafiają do wyższych partii atmosfery, gdzie panuje niższe ciśnienie. W efekcie cząsteczki powietrza ulegają rozproszeniu, niejako wykonując pracę na otoczeniu. Tym sposobem powietrze traci energię i temperaturę. Z kolei gdy powietrze opada, zostaje poddane wyższemu ciśnieniu (można powiedzieć, że otoczenie wykonuje na nim pracę), przez co jego energia i temperatura wzrastają.

Inne przykłady przemian adiabatycznych:

• sprężanie mieszanki paliwowo-powietrznej w silnikach wysokoprężnych;
• rozprężanie aerozolu w kosmetykach w sprayu;
• sprężanie powietrza w pompce do roweru;
• rozprężanie czynnika termodynamicznego w turbinach cieplnych;
• sprężanie i rozprężanie czynnika chłodniczego w chłodziarkach i pompach ciepła;
• większe opady po nawietrznej stronie gór i mniejsze po zawietrznej.

Czy chłodzenie adiabatyczne to to samo co chłodzenie wyparne?

W branży HVAC chłodzenie wyparne (ewaporacyjne) często nazywa się adiabatycznym, choć nie są to pojęcia tożsame. Używa się ich zamiennie, ponieważ proces chłodzenia wyparnego jest bliski chłodzeniu adiabatycznemu, a idealne przemiany adiabatyczne – bez wymiany ciepła – są w praktyce niemożliwe do zrealizowania. Zarówno w chłodzeniu adiabatycznym, jak i wyparnym wykorzystuje się wodę, dzięki czemu są to systemy bardziej przyjazne dla środowiska niż konwencjonalne chłodzenie. Różnica tkwi jednak w ilości wody, sposobie jej wykorzystania i efektywności systemu. Wyjaśnimy na przykładzie wież chłodniczych stosowanych do chłodzenia wody technologicznej.

Wieże chłodnicze adiabatyczne

W chłodzeniu adiabatycznym woda zużywana jest tylko do ochładzania powietrza przepływającego przez lamelowe wymienniki ciepła, w których znajduje się woda technologiczna. Mamy tutaj do czynienia z ciepłem jawnym, czyli zmianą temperatury substancji (wody) bez zmiany jej stanu skupienia. System adiabatyczny wykorzystuje zraszanie wodą tylko w upalne dni, a przez większą część roku pracuje na sucho. Taki sposób chłodzenia nie pozwala osiągnąć tak niskich temperatur jak przy chłodzeniu wyparnym, jednak zużywa znacznie mniejsze ilości wody.

Wieże wyparne

W chłodzeniu wyparnym wykorzystuje się ciepło utajone, czyli energię cieplną potrzebną do zmiany skupienia substancji. Woda procesowa oddaje ciepło do przepływającego powietrza, a część wody odparowuje, odbierając ciepło od pozostałej wody i obniżając jej temperaturę do wartości zbliżonej do temperatury termometru mokrego (jest to najniższa temperatura, jaką można uzyskać przez odparowanie wody w danych warunkach). Systemy chłodzenia wyparnego zużywają większe ilości wody niż systemy adiabatyczne ze względu na ciągłe odparowywanie wody, jednak pozwalają uzyskać niższą temperaturę.

Ogólna zasada działania chłodzenia adiabatycznego

Cykl chłodzenia adiabatycznego przebiega w następujący sposób:

1. Powietrze zewnętrzne jest zasysane, a następnie wstępnie schładzane przez kontakt z wodą (np. za pomocą wilgotnych paneli celulozowych).
2. Schłodzone powietrze trafia do wymiennika ciepła.
3. W wymienniku ciepła powietrze zewnętrzne pobiera ciepło pochodzące z chłodzonego pomieszczenia lub wody technologicznej.
4. Wskutek wymiany ciepła powietrze ogrzewa się, a następnie ponownie zostaje schłodzone wodą i cały cykl się powtarza.

Wstępne chłodzenie wodą jest wykorzystywane tylko przy zbyt wysokich temperaturach zewnętrznych, czyli w Polsce przez ok. 6-8 tygodni. Natomiast przez pozostałą część roku wystarczające jest zastosowanie dwóch osobnych obiegów. Wówczas układ działa jak klasyczny suchy wymiennik, w którym powietrze zewnętrzne chłodzi powietrze wewnętrzne lub wodę procesową (free cooling).

Rodzaje chłodzenia adiabatycznego w HVAC

Chłodzenie adiabatyczne może być realizowane w sposób bezpośredni lub pośredni.  

Chłodzenie adiabatyczne bezpośrednie

W tego rodzaju systemach powietrze jest nawilżane, ponieważ ma bezpośredni kontakt z wodą chłodzącą. Takie rozwiązanie zapewnia dużą efektywność chłodzenia, jednak może powodować zbyt dużą wilgotność. Aby ograniczyć wzrost wilgotności, można zastosować system wyposażony w funkcję osuszania. Najpierw wilgotne powietrze z zewnątrz jest osuszane za pomocą wirnika, a następnie trafia do wymiennika, gdzie zostaje wstępnie schłodzone. Na koniec powietrze jest schładzane wyparnie w sekcji zraszania.

Chłodzenie adiabatyczne pośrednie

W systemach chłodzenia pośredniego wykorzystuje się wymienniki krzyżowe i regeneracyjne. Metoda ta nie powoduje wzrostu wilgotności, ponieważ woda nie trafia bezpośrednio do powietrza chłodzonego. W tego typu systemach stosuje się obieg Maisotsenki, w którym powietrze trafiające do wymiennika dzielone jest na dwa strumienie: główny i pomocniczy. Strumień pomocniczy chłodzony jest w kanałach suchych i wyparnie, a następnie schładza strumień główny, który trafia do chłodzonych pomieszczeń. Oba przepływy nie mają ze sobą bezpośredniego kontaktu, dzięki czemu strumień główny zachowuje swoją wilgotność.

Zalety chłodzenia adiabatycznego

Chłodzenie adiabatyczne ma wiele zalet, dzięki którym warto uwzględnić ten system w swoim projekcie. Do najważniejszych należą:

• oszczędność energii;
• niskie koszty początkowe;
• niskie koszty eksploatacji;
• prosta konstrukcja;
• szerokie zastosowanie;
• poprawa jakości powietrza;
• ekologiczność.

Oszczędność energii

Systemy chłodzenia adiabatycznego zużywają znacznie mniej energii elektrycznej niż tradycyjne instalacje. Według szacunków oszczędność kosztów energii może sięgać nawet 80-90%. Jest to skutek braku sprężarki oraz innych elementów mechanicznych zużywających duże ilości prądu.

Niskie koszty początkowe

Warto rozważyć chłodzenie adiabatyczne również ze względu na niskie koszty wykonania instalacji, co jest zasługą prostej budowy i łatwości montażu. Koszty początkowe zależą od rodzaju systemu, jednak i tak będą niższe od tradycyjnych systemów klimatyzacyjnych i chłodniczych.

Niskie koszty eksploatacji

W porównaniu do konwencjonalnej klimatyzacji chłodzenie adiabatyczne może być nawet 7 razy tańsze w użytkowaniu. Niskie koszty eksploatacji to efekt niskiego zużycia prądu, niewielkiego zużycia wody, a także taniej konserwacji systemu.

Prosta konstrukcja

Chłodzenie adiabatyczne to w gruncie rzeczy naturalna i nieskomplikowana technologia, dzięki czemu instalacje adiabatyczne (zwłaszcza systemy bezpośrednie) są łatwe w montażu, obsłudze i konserwacji. Prosta budowa przekłada się również na większą niezawodność systemu, co pozwala uniknąć kosztownych napraw i przestojów.

Szerokie zastosowanie

Systemy adiabatyczne mogą być wykorzystywane do chłodzenia pomieszczeń i procesów technologicznych w wielu branżach. W zależności od zapotrzebowania na chłodzenie mogą stanowić samodzielny system lub wspomagać działanie konwencjonalnych instalacji.

Poprawa jakości powietrza

Systemy adiabatyczne zapewniają stały dostęp do świeżego powietrza o komfortowej temperaturze. Ponadto mogą nawilżać powietrze, a także oczyszczać je z kurzu, grzybów i innych zanieczyszczeń.

Ekologiczność

Systemy adiabatyczne są przyjazne dla środowiska, ponieważ do chłodzenia używa się zwykłej wody, a nie czynników chłodniczych, które zubażają warstwę ozonową i przyczyniają się do efektu cieplarnianego. Ponadto zużycie wody jest stosunkowo niewielkie, więc mówimy o bardzo zrównoważonym sposobie chłodzenia. Dodatkowo instalacje adiabatyczne zużywają znacznie mniej energii elektrycznej, co wiąże się z mniejszym śladem węglowym.

Wady chłodzenia adiabatycznego

Chłodzenie adiabatyczne ma również pewne wady, które należy wziąć pod uwagę przed wyborem tej metody, zwłaszcza jeśli ma stanowić jedyne źródło chłodu. Oto najważniejsze z nich:

• skuteczność zależna od klimatu i pogody;
• ograniczona wydajność;
• duża powierzchnia zabudowy;
• hałas.

Skuteczność zależna od klimatu i pogody

Chłodzenie adiabatyczne sprawdza się głównie w klimacie suchym i umiarkowanym, ponieważ przy wysokiej wilgotności powietrza parowanie wody jest utrudnione. Z tego samego powodu system może również działać mniej skutecznie podczas opadów w chłodniejszych dniach.

Ograniczona wydajność

Systemy adiabatyczne nie pozwalają uzyskać tak niskich temperatur jak typowe instalacje wyparne czy chłodzenie konwencjonalne. Dotyczy to zwłaszcza systemów bezpośrednich oraz sytuacji, gdy na zewnątrz panują bardzo wysokie temperatury (ok. 40°C). Można uzyskać większą wydajność chłodzenia dzięki zastosowaniu układu hybrydowego, w którym powietrze jest schładzane najpierw w sposób pośredni, a następnie bezpośrednio.

Duża powierzchnia zabudowy

Wieże adiabatyczne potrzebują większej przestrzeni zabudowy niż wieże wyparne w celu uzyskania zbliżonej efektywności chłodzenia. Może to utrudniać wymianę wieży wyparnej na adiabatyczną lub wybudowanie instalacji od podstaw przy ograniczonej ilości dostępnego miejsca. Ponadto przy wysokim zapotrzebowaniu na chłodzenie instalacja może być niemożliwa do wykonania ze względu na zajmowanie zbyt dużej powierzchni.

Hałas

Wieże adiabatyczne emitują większy hałas niż wieże wyparne, co może stanowić problem w miejscach, w których występują wysokie normy hałasu (np. tereny uzdrowisk i szpitali, zabudowy mieszkaniowej jednorodzinnej). W związku z tym instalacja może wymagać wytłumienia lub ustawienia niższej prędkości wentylatorów.

Zastosowanie chłodzenia adiabatycznego

Systemy adiabatyczne można wykorzystać między innymi:

• do chłodzenia serwerowni w centrach danych;
• do zapewnienia komfortowych warunków w domach i firmach;
• w wieżach chłodniczych do chłodzenia wody przemysłowej;
• do chłodzenia obiektów komercyjnych;
• do utrzymywania prawidłowej temperatury i wilgotności w szklarniach;
• jako wsparcie dla innych systemów (np. chillerów).

Konserwacja i serwis systemów adiabatycznych

Systemy adiabatyczne są łatwiejsze w utrzymaniu niż instalacje bazujące na freonowych czynnikach chłodniczych, co nie znaczy, że nie wymagają żadnych zabiegów. Aby instalacja działała sprawnie i z zakładaną wydajnością, należy pamiętać o regularnej konserwacji i serwisowaniu. Ważne jest:

• sprawdzanie poziomu wody w zbiorniku;
• wymienianie zużytych paneli celulozowych;
• sprawdzanie stanu technicznego wentylatora i silnika;
• sprawdzanie stanu technicznego wymiennika ciepła;
• wymienianie zużytych filtrów;
• czyszczenie zbiornika wody i dysz;
• kontrolowanie wydajności systemu;
• wykrywanie ewentualnych nieszczelności.

Ponadto należy co jakiś czas umówić się na profesjonalny serwis HVAC, który pozwoli na wykrycie ewentualnych usterek i błędów. Częstotliwość serwisu należy dostosować do zaleceń producenta.

Czy chłodzenie adiabatyczne będzie się rozwijać?

Wiele wskazuje na to, że chłodzenie adiabatyczne będzie coraz częściej wspomagać, a w niektórych przypadkach nawet zastępować konwencjonalne systemy klimatyzacji i chłodzenia. Metoda ta pozwala ograniczyć koszty chłodzenia, co jest niezwykle ważne w energochłonnych obiektach przemysłowych i komercyjnych (np. serwerownie, hotele). Ponadto w dobie transformacji energetycznej technologie ograniczające zużycie energii elektrycznej cieszą się rosnącym zainteresowaniem. Systemy adiabatyczne bazujące na wodzie stanowią przyszłościowe rozwiązanie również ze względu na stopniowe wycofywanie freonowych czynników chłodniczych.

FAQ

Na czym polega chłodzenie adiabatyczne w HVAC?

W systemach HVAC chłodzenie adiabatyczne polega na obniżaniu temperatury powietrza lub wody procesowej dzięki odparowaniu wody lub wykorzystaniu schłodzonego w ten sposób powietrza do pośredniej wymiany ciepła.

Czym system adiabatyczny różni się od wyparnego?

W chłodnicach adiabatycznych woda używana jest jedynie okresowo, tj. podczas upałów, a woda technologiczna krąży w obiegu zamkniętym i odparowuje jedynie w sekcji zraszania. Natomiast w systemach wyparnych woda zużywana jest w sposób ciągły na potrzeby procesu odparowania.

Jakie są zalety chłodzenia adiabatycznego?

W porównaniu do chłodzenia wyparnego systemy adiabatyczne zużywają znacznie mniejsze ilości wody i nie wymagają jej uzdatniania. Pozwalają również zaoszczędzić do 80-90% kosztów zużycia energii elektrycznej. Technologia ta stanowi również mniejsze obciążenie dla środowiska, ponieważ czynnikiem chłodniczym jest zwykła woda, a chłodzenie odbywa się w sposób bardzo zrównoważony.

Gdzie można zastosować chłodzenie adiabatyczne?

Systemy adiabatyczne mogą stanowić główne lub uzupełniające źródło chłodu. Można je zastosować do chłodzenia pomieszczeń w budynkach mieszkalnych, firmowych i komercyjnych. Ponadto wieże adiabatyczne wykorzystywane są do chłodzenia płynów w procesach technologicznych.