Free cooling z akumulacją energii chłodniczej – sposób na większe wykorzystanie darmowego chłodu
Wstęp
Free cooling kojarzy się najczęściej z wykorzystaniem niskiej temperatury powietrza zewnętrznego do chłodzenia instalacji bez udziału sprężarkowego agregatu chłodniczego. Gdy warunki atmosferyczne są korzystne, układ może produkować chłód praktycznie za darmo, zużywając jedynie energię potrzebną do pracy pomp i wentylatorów.
Idea free coolingu nie jest niczym nowym. Od dziesięcioleci wykorzystują ją największe elektrownie w Polsce. Zamiast produkować chłód za pomocą sprężarek, odbierają ciepło przy pomocy naturalnego źródła chłodu, jakim są wody Wisły, Odry czy Narwi. W nowoczesnych instalacjach HVAC tę samą zasadę realizują drycoolery, wymienniki glikolowe i układy free coolingu współpracujące ze zbiornikami akumulacyjnymi.
W praktyce jednak warunki sprzyjające pracy free coolingu nie pokrywają się z momentami największego zapotrzebowania na chłód. Najniższe temperatury występują zwykle nocą, podczas gdy największe obciążenie instalacji pojawia się w ciągu dnia.
Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie zbiornika akumulacyjnego, który pozwala magazynować energię chłodniczą i wykorzystywać ją wtedy, gdy jest najbardziej potrzebna.
Czy chłód można magazynować?
W klasycznym układzie free coolingu energia chłodnicza jest wykorzystywana dokładnie w chwili jej wytworzenia. Jeśli nocą temperatura zewnętrzna spada do poziomu umożliwiającego efektywne chłodzenie, a odbiór chłodu jest niewielki, potencjał darmowego chłodu pozostaje częściowo niewykorzystany.
Zastosowanie zbiornika buforowego zmienia sposób pracy całego układu.
Podczas korzystnych warunków atmosferycznych energia chłodnicza produkowana przez free cooling może zostać zmagazynowana w wodzie znajdującej się w zbiorniku. Następnie zgromadzony chłód jest wykorzystywany w ciągu dnia, gdy temperatura zewnętrzna wzrasta, a zapotrzebowanie na chłód staje się większe.
Dzięki temu udział free coolingu w rocznym bilansie energetycznym instalacji może być wyraźnie większy niż w klasycznym układzie pozbawionym akumulacji.
Bufor współpracuje również z agregatem chłodniczym
Warto pamiętać, że zbiornik akumulacyjny nie współpracuje wyłącznie z układem free coolingu.
W wielu instalacjach pełni on również bardzo ważną funkcję podczas pracy agregatu chłodniczego.
Gdy chiller zostaje uruchomiony, schładza nie tylko wodę aktualnie przepływającą przez instalację, ale również energię zgromadzoną w całej objętości zbiornika. W efekcie powstaje zapas chłodu, który może zostać wykorzystany po wyłączeniu agregatu.
Powoduje to zwiększenie bezwładności cieplnej układu oraz ograniczenie częstotliwości załączania sprężarek.
Z punktu widzenia eksploatacji jest to jedna z największych zalet stosowania zbiorników buforowych.
Dlaczego ograniczenie liczby uruchomień sprężarek jest tak ważne?
Sprężarka nie lubi częstych startów i zatrzymań.
Jeżeli pojemność wodna instalacji jest niewielka, temperatura medium może bardzo szybko osiągać wartość zadaną. Agregat wyłącza się, a po krótkim czasie ponownie uruchamia, gdy temperatura wzrośnie.
Taki cykl może powtarzać się wielokrotnie w ciągu godziny.
Każdy rozruch powoduje zwiększone obciążenie mechaniczne i elektryczne urządzenia. W konsekwencji prowadzi to do szybszego zużycia elementów instalacji oraz pogorszenia efektywności pracy całego systemu.
Zbiornik akumulacyjny zwiększa pojemność wodną układu i wydłuża czas pomiędzy kolejnymi uruchomieniami agregatu. Sprężarki pracują dłużej podczas jednego cyklu, ale uruchamiają się znacznie rzadziej.
Efektem jest spokojniejsza, bardziej stabilna i bardziej przewidywalna praca całej instalacji.
Korzyści wykraczające poza oszczędność energii
Mówiąc o free coolingu, najczęściej skupiamy się na oszczędności energii elektrycznej. W przypadku układów wyposażonych w zbiornik akumulacyjny korzyści jest jednak znacznie więcej.
Do najważniejszych należą:
- zwiększenie wykorzystania darmowego chłodu produkowanego przez free cooling,
- ograniczenie czasu pracy agregatu chłodniczego,
- zmniejszenie liczby uruchomień sprężarek,
- stabilizacja temperatury wody lodowej,
- zwiększenie pojemności wodnej instalacji,
- poprawa niezawodności pracy systemu,
- wydłużenie żywotności urządzeń chłodniczych.
W wielu przypadkach właśnie poprawa warunków pracy agregatu okazuje się równie cenna jak sama redukcja zużycia energii.
Free cooling i akumulacja – połączenie, które zwiększa efektywność całego systemu
Sam free cooling pozwala wykorzystać korzystne warunki atmosferyczne i ograniczyć pracę agregatu chłodniczego. Dodanie zbiornika akumulacyjnego sprawia, że energia chłodnicza może zostać wykorzystana bardziej efektywnie.
Układ zyskuje możliwość magazynowania chłodu, zwiększa swoją bezwładność cieplną oraz poprawia warunki pracy agregatu.
W efekcie instalacja nie tylko zużywa mniej energii, ale również pracuje stabilniej, co ma bezpośredni wpływ na trwałość urządzeń i niezawodność całego systemu.
Podsumowanie
Free cooling z akumulacją energii chłodniczej to rozwiązanie pozwalające lepiej wykorzystać naturalnie występujące niskie temperatury zewnętrzne. Dzięki zastosowaniu zbiornika buforowego chłód może być magazynowany i wykorzystywany w późniejszym czasie, gdy zapotrzebowanie na niego wzrasta.
Jednocześnie zbiornik zwiększa pojemność wodną instalacji, ogranicza częstotliwość uruchamiania sprężarek i poprawia stabilność pracy całego układu chłodniczego.
To właśnie połączenie oszczędności energii, większego udziału free coolingu oraz poprawy warunków pracy agregatu sprawia, że akumulacja energii chłodniczej staje się coraz częściej stosowanym elementem nowoczesnych systemów chłodzenia.