Free cooling w przemyśle – kiedy pozwala ograniczyć pracę agregatów chłodniczych

Free cooling, czyli chłodzenie swobodne, pozwala odprowadzać ciepło z procesu przemysłowego do chłodniejszego otoczenia, ograniczając pracę sprężarek agregatu chłodniczego. Nie oznacza jednak chłodzenia bez zużycia prądu: nadal działają pompy, wentylatory i automatyka. O rzeczywistym efekcie decydują wymagane temperatury medium, profil zapotrzebowania na chłód oraz sprawność całego układu w poszczególnych godzinach roku.

Na czym polega free cooling w przemyśle?

W typowym układzie wody lodowej chiller odbiera ciepło z medium za pomocą obiegu chłodniczego ze sprężarką. W układzie free cooling chłodniejsze powietrze zewnętrzne odbiera ciepło za pośrednictwem chłodnicy suchej (dry coolera) albo wymiennika wbudowanego w agregat. Jeżeli warunki są wystarczająco korzystne, sprężarki mogą zostać wyłączone. Gdy nie są, układ może jedynie wstępnie schłodzić medium, a agregat zapewnia pozostałą część wymaganej mocy.

Rozwiązanie dotyczy między innymi chłodzenia maszyn, urządzeń technologicznych, form, obiegów procesowych oraz innych odbiorów pracujących także poza latem. Nie należy utożsamiać go z każdym sposobem wykorzystania chłodnego powietrza w wentylacji budynku. Tutaj analizujemy przede wszystkim free cooling instalacji wody lodowej i przemysłowych obiegów cieczowych, a nie projekt całej instalacji chłodniczej. Szerszy kontekst urządzeń i odbiorów opisuje materiał o chłodnictwie przemysłowym.

Kiedy powietrze zewnętrzne jest wystarczająco chłodne?

Podstawowym warunkiem jest przepływ ciepła od cieplejszego medium do chłodniejszego źródła odbioru, ale sama temperatura powietrza niższa od temperatury powrotu nie gwarantuje pełnego free coolingu. Trzeba jeszcze uwzględnić różnicę temperatur niezbędną do wymiany ciepła, moc wymiennika, przepływ, zabrudzenie powierzchni oraz straty na kolejnych elementach.

Przykładowo załóżmy, że proces potrzebuje wody o temperaturze 14°C na zasilaniu i oddaje ją przy 19°C na powrocie. Jeśli dla rozważanych przepływów i obciążenia chłodnica wymaga umownie 5 K różnicy między powietrzem a temperaturą cieczy na wyjściu, to przy 6°C na zewnątrz może istnieć zapas do pełnego chłodzenia. Przy 12°C można w takim uproszczeniu rozważać schłodzenie powrotu do około 17°C, ale nie do wymaganych 14°C. Agregat musiałby wówczas dochłodzić wodę. Wartość 5 K jest założeniem przykładu, a nie uniwersalnym parametrem dry coolera; rzeczywiste temperatury wyznaczają charakterystyki urządzenia.

Taką zasadę przejścia od chłodzenia mechanicznego przez częściowe do pełnego opisuje także Daikin w opisie rozwiązań free cooling. Przy chłodzeniu wyparnym warunki należy analizować inaczej niż dla chłodnicy suchej: znaczenie ma także temperatura termometru mokrego i gospodarka wodna. Nie należy więc przenosić progów temperatur między odmiennymi technologiami.

Dostępność free coolingu trzeba policzyć godzinowo

Informacja, że w danym regionie przez wiele godzin występują niskie temperatury, nie wystarcza do oceny inwestycji. W tych samych godzinach zakład musi rzeczywiście potrzebować chłodu, a urządzenie musi być w stanie przekazać wymaganą moc przy odpowiednich parametrach. Instalacja pracująca w trzech zmianach przez cały rok ma zwykle inny potencjał niż obiekt, który chłodzi wyłącznie podczas letniej produkcji.

Do analizy potrzebne są co najmniej następujące dane:

• Profil obciążenia chłodniczego w czasie: moc lub energia chłodu w kolejnych godzinach, zmiany produkcji i postoje.
• Temperatury zasilania i powrotu oraz dopuszczalne odchylenia wymagane przez proces.
• Przepływ medium, parametry pomp, straty ciśnienia i ewentualne różnice między obiegami.
• Dane pogodowe możliwie bliskie lokalizacji urządzenia i odpowiadające godzinom pracy zakładu.
• Charakterystyki wymiennika i chłodnicy dla temperatur, przepływów oraz regulacji wentylatorów.
• Pobór mocy elektrycznej agregatu i napędów pomocniczych w odpowiednich punktach pracy.

Jako punkt wyjścia do danych zewnętrznych mogą służyć dane pomiarowo-obserwacyjne IMGW-PIB lub godzinowe dane reanalizy ERA5 udostępniane przez Copernicus. Dla dokładnego doboru należy uwzględnić różnicę między danymi stacji lub siatki meteorologicznej a warunkami rzeczywistymi przy wlocie powietrza do chłodnicy, na przykład przy nagrzewającym się dachu hali.

Jak wyznaczyć obciążenie chłodnicze z pomiarów?

Jeśli w obiegu płynie woda, przybliżoną moc odebranego ciepła można obliczyć ze wzoru: Q [kW] ≈ 1,163 × przepływ [m³/h] × różnica temperatur [K]. Dla przepływu 17,2 m³/h i różnicy 5 K daje to około 100 kW. Jest to uproszczenie dla wody w typowym zakresie temperatur; dla roztworów glikolu trzeba zastosować odpowiednie ciepło właściwe i gęstość dla rzeczywistego składu oraz temperatury.

W symulacji każdej godziny należy ustalić obciążenie procesu, dostępną moc chłodnicy w aktualnych warunkach i zapotrzebowanie elektryczne całego wariantu. Dopiero zestawienie wszystkich godzin pokazuje liczbę godzin pracy pełnej i częściowej, ilość przejętego chłodu oraz energię elektryczną potrzebną do jego dostarczenia.

Pełny i częściowy free cooling wymagają właściwej automatyki

Sterownik powinien wybierać tryb na podstawie realnie osiągalnej temperatury zasilania, zapotrzebowania na chłód i bilansu mocy elektrycznej. Typowa sekwencja obejmuje uruchomienie obiegu chłodzenia swobodnego, regulację przepływu i obrotów wentylatorów, a następnie — jeśli to potrzebne — stopniowe zwiększanie lub zmniejszanie udziału agregatu. Zasada współpracy chłodnicy suchej z istniejącą instalacją wody lodowej jest opisana również przez Trane.

W praktyce trzeba zweryfikować:

• histerezę przełączeń, aby agregat i zawory nie taktowały przy niewielkich zmianach temperatury;
• czujniki temperatury i przepływu po obu stronach wymiennika oraz ich wiarygodność;
• ograniczenia minimalnego przepływu przez chiller, wymiennik i odbiorniki;
• priorytet utrzymania parametrów procesu podczas rozruchu, postoju i awarii;
• zabezpieczenie przed zamarzaniem, obejścia hydrauliczne oraz procedurę powrotu do trybu mechanicznego;
• rejestrowanie trybu, temperatur, przepływów, mocy i alarmów w systemie nadzoru.

Nie każdy przypadek z teoretycznym potencjałem wstępnego chłodzenia jest korzystny energetycznie. Jeśli dodatkowa praca pomp i wentylatorów pochłania więcej prądu niż zaoszczędzona praca sprężarki, sterownik nie powinien forsować trybu mieszanego tylko dlatego, że na zewnątrz zrobiło się chłodniej.

Pompy, wentylatory i glikol mogą zmienić bilans

Określenie „free” dotyczy źródła chłodu, a nie kosztu działania instalacji. Wraz z dodaniem dry coolera mogą pojawić się nowe wentylatory, pompa obiegu zewnętrznego, dodatkowy wymiennik płytowy, armatura i większe opory hydrauliczne. Różnicę energii trzeba liczyć dla całego systemu, w tym napędów istniejących i dołożonych, a nie porównując samą moc sprężarki z mocą wentylatorów. Departament Energii USA opisuje ekonomizery wodne jako rozwiązanie, które zależnie od konfiguracji może zastąpić pracę chillera lub wstępnie schładzać wodę. Przykład pochodzi z chłodzenia centrów danych, lecz zasada bilansu układu jest istotna również dla procesów przemysłowych.

W obiegu narażonym na mróz potrzebna jest ochrona przed zamarzaniem dobrana do lokalnych warunków i dokumentacji producenta. Często stosuje się wodny roztwór glikolu. Zmienia on właściwości cieplne i hydrauliczne medium, dlatego nie wolno przyjmować wydajności i oporów pompy jak dla czystej wody. Jednym z rozwiązań jest wydzielenie zewnętrznej pętli glikolowej i oddzielenie jej wymiennikiem od obiegu technologicznego; to ogranicza obecność glikolu w procesie, lecz dodaje opór cieplny i może wymagać osobnej pompy. Dokumentacja rozwiązań Daikin pokazuje warianty z glikolem oraz obieg zewnętrzny oddzielony od systemu odbiorcy.

Ile energii można oszczędzić? Przykład dla jednego okresu pracy

Załóżmy, że przemysłowy obieg potrzebuje 100 kW chłodu przez 1000 wybranych godzin, w których warunki umożliwiają pełny free cooling. Dla porównania przyjmijmy taki sam odbiór chłodu i takie same wymagane temperatury po obu stronach analizy. Podane moce elektryczne są przykładowymi założeniami obejmującymi wszystkie istotne napędy w danym wariancie, a nie wynikami pomiarów w konkretnym zakładzie.

Różnica wynosi (35 − 13) kW × 1000 h = 22 000 kWh, czyli 22 MWh energii elektrycznej w tych godzinach. Nie jest to automatycznie roczna oszczędność zakładu. W pozostałych godzinach układ może pracować częściowo lub wyłącznie mechanicznie, a jego pobór zależy od rzeczywistego obciążenia i regulacji.

Do analizy opłacalności trzeba następnie dodać koszty inwestycji, eksploatacji i serwisu, ewentualne wymiany glikolu oraz wartość energii w godzinach rzeczywistego ograniczenia poboru. Warto porównać warianty także dla cieplejszego roku i niższego obciążenia produkcji. Jeśli inwestycja ma być uzasadniana oszczędnością energii, właściwym narzędziem może być audyt efektywności energetycznej z jasno przyjętą metodą porównania stanu bazowego i wariantu modernizacji.

W jakich zakładach modernizacja ma sens, a gdzie warto uważać?

Najbardziej obiecujące są instalacje z całorocznym lub długim sezonem chłodzenia, stabilnym odbiorem mocy i temperaturą zasilania na tyle wysoką, aby otoczenie mogło ją osiągać w wielu godzinach. Dobre warunki mogą występować na przykład w obiegach odbioru ciepła z urządzeń produkcyjnych. Każdy proces trzeba jednak sprawdzić osobno: zbyt wysokie podniesienie temperatury wody może pogorszyć jakość produktu lub warunki pracy maszyn.

Ostrożniejszej oceny wymagają przypadki, w których chłód potrzebny jest prawie wyłącznie w upalne dni, proces wymaga bardzo niskiej temperatury zasilania, nie ma miejsca na chłodnicę lub podłączenie nowego wymiennika istotnie zwiększy opory i zakres przebudowy. Warto też sprawdzić, czy ciepło odpadowe ma użyteczne zastosowanie: czasem odzysk ciepła w przemyśle jest wart odrębnego porównania z odprowadzeniem go do otoczenia. To różne decyzje energetyczne, które mogą ze sobą konkurować w określonych godzinach.

Co sprawdzić przed inwestycją i podczas odbioru?

1. Ustal granicę instalacji. Wskaż, które agregaty, obiegi, pompy i odbiorniki obejmuje porównanie, aby nie pominąć zużycia pomocniczego.
2. Zbierz pomiary z typowych okresów pracy. Potrzebne są przepływy, temperatury, moc elektryczna, obciążenie procesu oraz informacje o zmianach produkcji i postoju.
3. Zbuduj bilans godzinowy. Powiąż godziny pracy odbiorów z pogodą i charakterystykami urządzeń, wyznaczając udział trybu pełnego, częściowego i mechanicznego.
4. Sprawdź ograniczenia techniczne. Zweryfikuj ochronę przed mrozem, pompę i opory wymienników, miejsce montażu, akustykę, serwisowalność oraz zachowanie parametrów procesu podczas awarii.
5. Ustal kryteria odbioru. W odpowiednich warunkach pracy potwierdź temperaturę zasilania, przepływ, tryb sterowania oraz moc elektryczną całej instalacji. Zapewnij rejestrowanie danych do oceny efektu po modernizacji.

Z perspektywy audytora najważniejsze jest rozdzielenie dwóch pytań: ile chłodu da się przenieść bez sprężarek oraz ile energii elektrycznej rzeczywiście przestanie pobierać instalacja. Odpowiedź na pierwsze daje dobór termiczny, na drugie dopiero bilans systemowy oparty na danych z pracy zakładu.

Jak rozpocząć ocenę free coolingu w swoim zakładzie?

Warto zacząć od prostego opisu instalacji: co jest chłodzone, w jakich godzinach, jakie są wymagane temperatury zasilania i powrotu oraz jakie urządzenia i pomiary są już dostępne. Na tej podstawie można określić, czy potrzebna będzie przede wszystkim analiza profilu, weryfikacja automatyki, czy porównanie wariantów modernizacji. Nie trzeba kompletować wszystkich pomiarów przed pierwszą rozmową. Jeśli chcesz uporządkować dane i zakres takiej oceny, skontaktuj się z Energy Trend.

Źródła techniczne i dane do analizy

• Daikin — rozwiązania free cooling w agregatach chłodzonych powietrzem: konfiguracje obiegów i przejście między trybami pracy.
• Trane — chłodzenie swobodne: zasada działania chłodnicy suchej z instalacją wody lodowej.
• U.S. Department of Energy — Cooling Water Efficiency Opportunities: zastosowanie wodnego ekonomizera w konfiguracji równoległej lub szeregowej z chillerem.
• IMGW-PIB — dane publiczne: informacje o dostępności danych meteorologicznych i archiwalnych.
• Copernicus Climate Data Store — ERA5: godzina po godzinie dane reanalizy pogody, z ograniczeniami wynikającymi z rozdzielczości przestrzennej.