Přímé adiabatické chlazení průmyslových prostorů s využitím adiabatických chladících jednotek

Princip adiabatického chlazení

Adiabatické chlazení využívá přeměny citelného tepla na teplo latentní při vypařování vody, přičemž se zároveň snižuje teplota vzduchu. Historicky se adiabatické chlazení používalo již v dávné minulosti. Na freskách z doby 2500 let před n. l. jsou zobrazeny hliněné džbány naplněné vodou, které se používaly ke chlazení královských komnat. Systémy primitivního adiabatického chlazení budov byly používány i ve starověkém Egyptě a Řecku. Pravděpodobně první chladič vzduchu založený na adiabatickém chlazení navrhl v šestnáctém století Da Vinci. Chladič využíval kolo, které se částečně brodilo v proudící vodě. Adiabatické chlazení se začalo častěji používat počátkem 19. století zejména v USA (textilní průmysl). První instalace adiabatického chlazení v hotelu byla v roce 1916 (hotel Adams, Phoenix).

V současnosti je přímé adiabatické chlazení celosvětově populární zejména v oblastech se suchým a horkým klimatem. Nicméně, i ve střední Evropě lze přímé adiabatické chlazení úspěšně používat ke chlazení budov, zejména průmyslového charakteru. K účinné funkci adiabatického chlazení je nutný dostatečně teplý a suchý venkovní vzduch, který umožní vysoký stupeň navlhčení. V našich klimatických podmínkách se teploty mokrého teploměru po většinu roku pohybují pod 21 °C. Vyšší teploty mokrého teploměru jsou v referenčním roce pro Prahu pouze cca 0,4 % času (v časovém intervalu květen až září). Statisticky se jedná pouze o pár desítek hodin během roku, kdy je venkovní vzduch natolik teplý a vlhký, že jej nelze jej smysluplně adiabaticky ochladit. Druhým faktorem omezujícím použitelnost adiabatického chlazení je dosažitelná výstupní teplota vzduchu. Ta se může blížit až tzv. mezní teplotě adiabatického ochlazení, která je shodná s teplotou mokrého teploměru. Tato teplota závisí na vnější teplotě vzduchu a jeho vlhkosti. Teplota vzduchu za adiabatickým chladičem bývá o 1 až 3 °C vyšší, než je teplota mokrého teploměru. Přímé adiabatické chlazení pracující pouze s vnějším čerstvým vzduchem jej ochladí v našich podmínkách o 8 až 12 °C.

Technický princip odpařovacího adiabatického chladiče

Princip adiabatického chladiče

Na vhodném odpařovacím (desorpčním) porézním médiu, které je smáčené vodou, je vytvořen relativně velký povrch pro odpařování vody. Skrz médium proudí poměrně malou rychlostí (do 1,5 m/s) venkovní teplý vzduch s nízkou relativní vlhkostí, který absorbuje vodní páru odpařovanou z velkého povrchu navlhčeného média. K odpařování dochází přímo z povrchu média, tento proces je regulován přirozeně a vždy dojde pouze k odpaření takového množství vody, kterou je proudící vzduch schopen přirozeně absorbovat. Zároveň dochází pouze k odpaření samotných molekul vodní páry, přičemž minerály obsažené ve vodě nepřecházejí do chlazeného vzduchu a zůstávají ve vodní vaně pod odpařovacím médiem. Při pravidelné výměně vody dojde jednoduše k jejich vypláchnutí. Adiabatické chladící systémy založení na odpařovacím principu zpravidla nevyžadují žádná další přídavná technická zařízení a pracují s běžnou neupravenou vodovodní vodou.

Regulace je v tomto případě prováděna změnou průtoku vzduchu, protože samotné zastavení skrápění desorpčního média má vliv na průběh chlazení až v době, kdy desorpční médium začne vysychat. Tedy za několik desítek minut.

Adiabatické chladící jednotky

V současné době je na trhu celá řada adiabatických chladících jednotek, které se velmi liší technickým provedením, kvalitou, účinností a životností. Při volbě typu adiabatických chladících jednotek je nutno klást důraz zejména na následující důležité aspekty:

1. ochrana proti kontaminaci vody
2. ochrana proti kontaminaci vzduchu
3. ochrana proti ukládání vodního kamene
4. snadná a levná údržba

Ochrana proti kontaminaci vody je základní hygienickou funkcí, kterou by měla být vybavena adiabatická jednotka. Ochrana je zajišťována především kontrolou teploty vody, pravidelnou výměnou vody a proplachováním zásobní vany. Rychlost množení bakterií Legionelly je výrazně závislá na teplotě vody. K nejrychlejšímu množení bakterií Legionelly dochází při teplotě vody 37 až 42 °C. Při teplotě vody pod 20 °C nejsou bakterie Legionelly aktivní. Automatický systém řízení vodního hospodářství kvalitních adiabatických jednotek nepřetržitě kontroluje teplotu vody v zásobní nádrži. Při funkčním chlazení je teplota vody vlivem odpařování samočinně udržována na teplotě vlhkého teploměru. Tedy při běžných letních podmínkách mezi 18 až 21 °C. Při vypnutí adiabatického chlazení (například z důvodu dostatečného vychlazení vnitřního prostoru objektu) zůstane procesní voda nečinně stát ve vaně adiabatické jednotky a ohřívá se slunečním zářením. Pokud dojde k ohřátí vody nad 25 °C, je voda automaticky vypuštěna. Čerstvá voda je napuštěna až při dalším požadavku na chlazení. Voda se také automaticky vypustí při každém vypnutí jednotky (nebo i při výpadku elektrického napájení). Dalším opatřením je pravidelná výměna vody. V horkých letních dnech se voda vyměňuje přibližně jednou za hodinu. Zásobní vana, přívodní potrubí i vypouštěcí otvor jsou konstruovány tak, aby při proplachu došlo k důkladnému vyčištění zásobní vany. Tyto opatření účinně brzdí případný nárůst bakterií v procesní vodě.

Ochrana proti kontaminaci vzduchu je založena na nízké rychlosti vzduchu přes desorpční panely. Kapičky vody větší než 5  µm jsou ideálním nosičem mikroorganismů. V adiabatických jednotkách by měla být věnována velká pozornost rovnoměrnému rozložení rychlosti vzduchu na ploše panelů desorpčních. Rychlost proudu vzduchu by měla být udržována do 1,5 m/s, což je mnohem méně než limitní rychlost odtrhávání kapek z povrchu desorpčních panelů. Tím je bezpečně zajištěno, že do chlazeného vzduchu jsou přenášeny pouze molekuly vodní páry bez znečištění a kontaminace, tedy především bez mikroorganismů a minerálních látek.

Rovnoměrná distribuce vody na desorpčním médiu adiabatické jednotky

Pravidelné sušení desorpčních panelů jednotky je doplňkovým procesem v systému udržování hygieny provozu, protože sušením se přeruší případné množení mikroorganismů. Vysušení probíhá zcela automaticky. Po každém vypnutí provozu adiabatického chlazení nebo po 24 hodinách chlazení by jednotky měly být vyprázdněny a vysušeny samostatným během ventilátoru. Během sušení klesá chladící výkon jen pomalu a k nule se přibližuje až na samém konci sušícího procesu. Pokud je více adiabatických jednotek připojeno k jednomu řídícímu systému, měl by se čas začátku sušení nastavit tak, aby sušení neprobíhalo současně u více zařízení. Tím je výrazně sníženo ovlivnění celkového výkonu adiabatického chlazení.

Adiabatické jednotky by měly splňovat VDI 6022 a vyhovovat tedy stejným podmínkám jako ostatní vzduchotechnické systémy upravující vzduch pro pobytové prostory. Z adiabatické jednotky by měly být testovány vzorky stěrů z desorpčního media, vody a vzduchu po třech měsících běžného provozu. Testy jsou zpravidla zaměřeny na výskyt plísní a mikroorganismů se zvláštním důrazem na Legionellu.

Ochrana proti ukládání vodního kamene je důležitá pro zajištění hygienického spolehlivého provozu. Adiabatické jednotky by měly být navrženy tak, aby se maximálně zabránilo usazování vodního kamene na desorpčním médiu a nebyl tak ovlivněn dlouhodobý bezporuchový a hygienický provoz adiabatického chlazení. Regulace jednotky by měla být schopna kompenzovat zasolení vody vlivem odpaření a podle nastavené citlivosti upravit výměnu vody a proplach. Důležitý je také vhodně konstruovaný tvar zásobní vany a optimalizovaný napouštěcí systém i vypouštěcí otvor, zajišťující přímý průtok proplachovací vody. Proplachem dojde k odstranění většiny nečistot a usazenin. Pravidelná výměna vody omezuje usazování vodního kamene na desorpčním mediu do takové míry, že životnost desorpčního media byla prodloužena na několik let.

Snadná a levná údržba je klíčová pro každého uživatele. Adiabatické jednotky musí jít snadno rozebrat a vyčistit. Jednotky musí být navrženy s hladkým vnitřním povrchem, který účinně omezuje usazování nečistot a minerálních látek. Vodní distribuční systém je vhodný jako rozebíratelný bez použití nářadí. Vhodným materiálem pro výrobu opláštění adiabatické jednotky je hliníkový plech, který je zárukou dlouhé životnosti a dobré odolnosti proti povětrnostním vlivům a korozi. Konstrukce jednotky musí být stabilní, aby nedocházelo k nežádoucím deformacím skříně při ohřevu jednotky slunečním zářením nebo při zatížení větrem a sněhem.

Příklad použití adiabatického chlazení

Přímé adiabatické chlazení lze s výhodou používat především v průmyslových objektech. Přivádí se 100 % čerstvého vzduchu, který se odpařením vody adiabaticky ochladí, ale i zároveň zvlhčí. Přiváděný vzduch se samozřejmě ve vnitřním prostoru mísí s okolním vzduchem a ohřeje tepelnými zisky. Ve výsledku se vlhkost v adiabaticky chlazeném prostoru pohybuje zpravidla mezi 50-65 %. Relativní vlhkost 50-65 % je bezproblémová pro pobyt osob a pro většinu materiálů, elektrických a elektronických komponentů a výrobních zařízení. V průmyslových objektech bez nároků na přesné udržování teploty a relativní vlhkosti je přímé adiabatické chlazení zajímavou alternativou ke klasickému strojnímu chlazení.

Příklad přímého adiabatického chlazení průmyslového objektu

Může se však stát, že je v hale umístěna technologie, která se s vlhkostí 50 - 65 % nesnáší. Příkladem mohou být části strojů nebo výrobky chlazené pod teplotu rosného bodu, na nichž běžně dochází ke kondenzaci. Při použití adiabatického chlazení by se tento problém ještě zhoršil.

Dalším příkladem může být např. nanášení povrchů lepených kyanoakrylátovými lepidly, jejichž vytvrzování je urychlováno vzdušnou vlhkostí. Pro takovéto aplikace není přímé adiabatické chlazení vhodné. Vždy je však důležité promyslet, zda není možné vytvořit takové podmínky, které by negativní vlivy vyšší vlhkosti omezily a maximálně využily potenciál přímého adiabatického chlazení.

Mnoho obav je spojeno s možnou kondenzací na opláštění budovy nebo na výrobní technologii. Musíme si však uvědomit, že adiabatické chlazení se používá pouze v létě a adiabaticky chlazený vzduch je distribuován do prostoru, kde jsou všechny předměty teplejší, než je teplota rosného bodu přiváděného vzduchu. V této situaci ke kondenzaci nedochází.