Chłodzenie hal przemysłowych – rodzaje i dobór systemów chłodzenia

Chłodzenie hal przemysłowych – konwencjonalne systemy chłodzenia

Chłodzenie hal przemysłowych może być realizowane z wykorzystaniem tradycyjnych systemów chłodzenia, np. poprzez freonowe klimatyzatory sprężarkowe. Składają się one ze sprężarki, z parownika (wymiennik ciepła odbierający ciepło z pomieszczenia), skraplacza (wymiennik ciepła oddający ciepło do otoczenia), zaworu rozprężnego, filtrów oraz wentylatorów.

Chłodzenie hal przemysłowych przy użyciu tego typu urządzeń odbywa się dzięki obiegowi czynnika chłodniczego (freonu) między parownikiem, a skraplaczem. Niestety są to rozwiązania energochłonne, a co za tym idzie – kosztowne, poza tym dużo elementów wchodzących w ich skład wymaga cyklicznego serwisowania. Wysokie zużycie energii jest związane z pracą sprężarek, zaworów, transportem chłodziwa czy koniecznością uzupełniania czynnika w obiegu. Ponadto, oprócz aspektów ekonomicznych, istotne są również ekologiczne, czyli stopniowe wycofywanie z rynku czynników chłodniczych o wysokim współczynniku GWP, co ogranicza możliwości chłodzenia hal przemysłowych z wykorzystaniem takich systemów [1].

Chłodzenie adiabatyczne (ewaporacyjne) hal przemysłowych

Chłodzenie adiabatyczne jest alternatywnym rozwiązaniem dla systemów sprężarkowych. Wykorzystuje się tu proces odparowania (ewaporacji) wody w celu obniżenia temperatury powietrza. Wraz ze spadkiem temperatury następuje wzrost jego wilgotności. Potrzebna do tego energia pobierana jest bezpośrednio z powietrza jako ciepło jawne i zamieniana na ciepło utajone w procesie przechodzenia w stan gazowy. Podczas wymiany ciepła i masy pomiędzy wodą i powietrzem, entalpia (wymiar energii) jest stała, dlatego przemiana ta jest nazywana adiabatyczną. Do odparowania jednego kilograma wody z powietrza potrzeba 2257 kJ (0,62 kWh) energii [1].

Chłodzenie adiabatyczne może być stosowane samodzielnie albo wspomagać wspomniane wcześniej układy sprężarkowe. Chłodzenie hal przemysłowych w taki sposób sprawdza się szczególnie w obiektach, w których nie jest wymagana precyzyjna regulacja parametrów powietrza wewnętrznego. Wynika to z faktu, że proces chłodzenia adiabatycznego zależy przede wszystkim od wilgotności względnej i temperatury powietrza. Chłodzenie adiabatyczne najlepiej sprawdza się, gdy schładzane powietrze ma niską wilgotność i wysoką temperaturę. Przykładowo dla 10 000 m³/h strumienia powietrza zewnętrznego o temperaturze 36°C i wilgotności względnej 50%, po schłodzeniu temperatura wyniesie 28°C. Uzyskanie niższej temperatury od 24°C byłoby możliwe przy wilgotności poniżej 30%. Granicą chłodzenia jest różnica ok. 10 K między temperaturą wewnętrzną i zewnętrzną [2]. Ponadto, chłodzenie hal przemysłowych tą metodą przy niekorzystnych warunkach zewnętrznych, a więc podniesienie wilgotności względnej powietrza wewnętrznego w wyniku jego ochłodzenia, może być niekorzystne dla procesów technologicznych [1].

Chłodzenie adiabatyczne w obiektach przemysłowych oznacza zmianę temperatury powietrza, ale może być również rozumiane jako chłodzenie, np. wody technologicznej z wykorzystaniem zjawisk ewaporacyjnych [1], np. w wieżach chłodniczych.

Wieże chłodnicze a chłodzenie hal przemysłowych

Wieże chłodnicze służą do chłodzenia gorącej wody przemysłowej pochodzącej z różnych źródeł (np. z maszyn). Woda transportowana jest do nich rurami i rozpylana z pomocą dysz na materiał wypełniający, na dużej powierzchni. Następnie przepływa w dół i kontaktuje się z powietrzem przepływającym odwrotnie. Część wody odparowuje, a powietrze absorbuje zawarte w parze ciepło, obniżając w ten sposób temperaturę pozostałej wody. Schłodzona woda wraca do systemu, z kolei powietrze jest zasysane przez wentylator i trafia do odkraplaczy, a następnie wydostaje się na zewnątrz wieży.

Wieże chłodnicze w zastosowaniach przemysłowych można podzielić na dwa główne typy: z wymuszonym przeciwprądem oraz z wymuszonym przepływem krzyżowym [3]. Systemy chłodzenia tego typu są ekonomicznym rozwiązaniem.

Chłodzenie hal przemysłowych z wykorzystaniem urządzeń typu rooftop

Chłodzenie hal przemysłowych może być realizowane przy użyciu kompaktowych urządzeń typu rooftop. Charakteryzują się one łatwym montażem, wysoką wydajnością energetyczną oraz uniwersalnością stosowania w różnych konfiguracjach. Przeznaczone są do pracy w obiektach o dużej kubaturze, a więc m.in. halach produkcyjnych czy magazynowych.

Chłodzenie hal przemysłowych z wykorzystaniem rooftopów nie wymaga stosowania dodatkowych urządzeń zewnętrznych, takich jak agregaty chłodnicze. Rooftopy mogą pracować z instalacją kanałową lub bezkanałowo, jednak, aby spełniały swoją rolę muszą obsługiwać pomieszczenia bądź strefy o zbliżonych parametrach cieplno-wilgotnościowych.

Chłodzenie hal przemysłowych urządzeniami typu rooftop polega na umieszczeniu w jednej obudowie wszystkich podzespołów niezbędnych do kompleksowego uzdatniania powietrza (chłodzenia, ogrzewania i wentylacji z odzyskiem ciepła) oraz jego filtracji. Powietrze świeże pobierane jest z zewnątrz za pomocą wentylatora EC i kierowane do wymiennika obrotowego odzysku ciepła, w którym następuje przekazywanie ciepła z powietrza usuwanego z pomieszczenia [4]. Urządzenie może być wyposażone w komorę mieszania, gdzie za pomocą przepustnicy wielopłaszczyznowej, powietrze świeże miesza się recyrkulacyjnym. Po zmieszaniu strumień powietrza trafia na wewnętrzny wymiennik agregatu sprężarkowego (w trybie chłodzenia pełni funkcję parownika), gdzie następuje obniżenie jego temperatury w wyniku odparowania czynnika chłodniczego [4].

Płaszczyznowe chłodzenie hal przemysłowych

Płaszczyznowe chłodzenie hal przemysłowych pozwala wykorzystać dostępną powierzchnię i kubaturę obiektu. System ten zbudowany jest z rur grzejnych ułożonych w jastrychu, przez które przepływa woda. Współpraca systemu płaszczyznowego (pełniącego rolę systemu ogrzewania w zimie) z pompą ciepła z funkcją chłodzenia lub wytwornicą wody lodowej, umożliwia obniżenie temperatury powietrza wewnętrznego.

Temperatura zasilania musi być ustalona i nie może powodować kondensacji, zazwyczaj wynosi ok. 15°C, a różnica pomiędzy zasilaniem i powrotem nie może przekraczać 2–3 K. Chłodzenie hal przemysłowych z wykorzystaniem systemów płaszczyznowych jest ekonomiczne, ze względu na niższy pobór energii w stosunku do tradycyjnych systemów klimatyzacyjnych [5]. Ponadto, zapewnia komfort użytkownikom wysokich obiektów, takich jak hale przemysłowe, dzięki zapewnieniu optymalnych parametrów powietrza w dolnej strefie budynku.

Dobór systemów chłodzenia obiektów przemysłowych

Chodzenie hal przemysłowych można zrealizować na kilka sposobów. Dobór odpowiedniego systemu zależy od wielu czynników, a przede wszystkim od potrzeb technologicznych obiektu. Nie można zakładać, że wymagania konkretnego budynku mogą zostać spełnione jedynie w przypadku zastosowania danego rozwiązania. Zawsze trzeba brać pod uwagę dużą niejednorodność obiektu oraz szczególne właściwości/cechy różnych dostępnych systemów chłodzenia [6]. Ponadto, systemy chłodzenia hal przemysłowych powinny uzupełniać się oraz współpracować z instalacją ogrzewania czy wentylacji obiektu.

Systemy chłodzenia obiektów przemysłowych należy dobierać po przeprowadzeniu kompleksowej analizy, w której należy uwzględnić następujące czynniki:

• zakres wymaganej mocy chłodniczej,
• zakres temperatury i wilgotności powietrza,
• rodzaj medium i jego parametry,
• wartość sprężu dyspozycyjnego,
• warunki lokalizacji (dostępne miejsce i warunki wykorzystania systemu chłodzenia),
• dynamikę systemu (czas schładzania, w którym system zapewni zadaną wartość temperatury powietrza),
• koszty inwestycyjne,
• koszty eksploatacyjne (zużycie energii elektrycznej, koszty przeglądów, serwisu itp.),
• ochronę przed hałasem,
• aspekty ekologiczne.

Dobór urządzeń do chłodzenia hal przemysłowych

Dobór urządzeń można zrealizować wykorzystując, specjalnie do tego celu przeznaczone, programy producentów poszczególnych rozwiązań. Podstawowym parametrem jest wymagana moc chłodnicza. Zaleca się sporządzenie obliczeń tzw. bilansu cieplno-wilgotnościowego, na który składają się m.in. zyski ciepła występujące w pomieszczeniu, które pochodzą od ludzi, maszyn, urządzeń, oświetlenia, nasłonecznienia itd. Im dokładniej zostaną wykonane obliczenia, tym precyzyjniej będzie można określić wymagane zapotrzebowanie na chłód danego obiektu.
Punktem wyjścia do doboru urządzeń chłodzenia hal przemysłowych czy obliczeń bilansu cieplnego jest odpowiednie przyjęcie parametrów obliczeniowych, dotyczących powietrza wewnętrznego oraz zewnętrznego. W przypadku powietrza wewnętrznego należy uwzględnić dwa ważne aspekty:
• komfort termiczny użytkowników obiektu – temperatura powietrza powinna być dostosowana do rodzaju wykonywanej pracy (metod pracy i wysiłku fizycznego niezbędnego do jej wykonywania), wilgotność również musi być optymalna,
• technologia – temperatura i wilgotność względna powietrza powinny być dobrane zgodnie z wymaganiami technologicznymi prowadzonych procesów.

Ponadto, istotne jest również to, czy wymagane parametry powietrza wewnętrznego będą stałe czy zmienne w ciągu roku, a także czy będzie konieczna regulacja wilgotności.

Parametry powietrza zewnętrznego zależą z kolei od lokalizacji obiektu. Z punktu widzenia chłodzenia bilans powinien zostać sporządzony dla maksymalnej w lecie temperatury powietrza zewnętrznego, której występowanie stwierdzono na podstawie wieloletnich obserwacji klimatycznych w danym regionie. Przyjęcie do obliczeń wartości normowych może skutkować w skrajnych przypadkach niezachowaniem wymaganych w pomieszczeniu parametrów powietrza [8].

Literatura
1. J. Ryńska, „Chłodzenie adiabatyczne budynków przemysłowych”, „Rynek Instalacyjny” 2021, nr 3.
2. „Chłodzenie obiektów przemysłowych”, „Rynek Instalacyjny” 2016, nr 12.
3. Materiały kursu ECADEMY firmy Grundfos „Wprowadzenie do wież chłodniczych”.
4. https://blog.flowair.pl/korzysci-wynikajace-z-zastosowania-bezkanalowych-urzadzen-rooftop-cube.
5. Poradnik techniczny Purmo „Systemy ogrzewania i chłodzenia płaszczyznowego”.
6. M. Danielak, „Ogrzewanie i chłodzenie hal i warsztatów”, „Polski Instalator” 2020, nr 7–8.
7. S. Przydróżny, J. Ferencowicz, „Klimatyzacja. Skrypt Politechniki Wrocławskiej”, 1988 Wrocław.
8. B. Lipska, „Projektowanie wentylacji i klimatyzacji. Podstawy uzdatniania powietrza”, 2018.