Adiabatické odparovacie chladenie – áno či nie?

Je adiabatické odparovacie chladenie vhodnou alternatívou aj na našom území alebo nie? Čoho sa treba vyvarovať počas užívania a na čo sa treba zamerať pri návrhu? Aké sú limity pri inštalácii adiabatického chladenia? Pokúsime sa nájsť odpovede na tieto otázky na základe nameraných údajov z reálnej prevádzky. 

Prenos látky z jednej fázy do druhej sprevádza tepelný účinok. V prípade adiabatického odparovacieho chladenia sa ochladzuje vzduch odparovaním vody na vodnej blane. Prestupom vzduchu s definovanou teplotou a vlhkosťou cez vodnú blanu dochádza k jeho saturácii na 100 %. Teplota fázového rozhrania sa ustáli v priebehu času na určitej stacionárnej hodnote, ktorá závisí od prestupu tepla medzi obomi fázami.

Medzná teplota adiabatického ochladzovania je najnižšia dosiahnuteľná teplota vzduchu pri adiabatickom odparovacom chladení. Pri ňom dochádza k zmene citeľného tepla vzduchu na viazané, pričom stavová zmena prebieha po čiare adiabatického ochladenia.

Toľko teória, ale ako ju pretaviť do praxe? Na úvod je potrebné konštatovať, že adiabatické chladenie nie je presné chladenie, keďže absolútne závisí od vonkajších poveternostných podmienok. V závislosti od lokality, v ktorej sa adiabatický chladič inštaluje, môže predstavovať problém. Letné a zimné výpočtové parametre sú definované legislatívou, no zároveň je vhodné preskúmať aj klimatické záznamy pre danú lokalitu, ak sú dostupné. Vzhľadom na prebiehajúce klimatické zmeny však možno prejudikovať, že okrem horských oblastí je územie SR a ČR na tento typ chladenia vhodné (obr. 1).

Obr. 1 Prehľadná mapa vhodnosti inštalácie adiabatického chladenia na území Európy (zdroj: Colt International, s. r. o.)

Legislatívny rámec

Z hľadiska vnútorného prostredia budov sú požiadavky na prevádzku adiabatického odparovacieho chladenia definované napríklad vyhláškou MZ SR č. 544/2007 Z. z. [1], resp. prílohou č. 2 vyhlášky MZ SR č. 259/2008 Z. z [2]. Legislatívny rámec definuje jednoznačne triedu práce a požiadavky na projektanta. Práve mediálne obľúbené a toľko skloňované klimatické zmeny však môžu byť pri návrhu kameňom úrazu, pretože vnášajú do riešenia veľkú mieru neistoty a môžu spôsobiť významné odchýlky od hodnôt udávaných normou.

V opisovanom prípade ide o strojárenskú prevádzku s prevažujúcim typom práce v sede alebo v stoji. Typ práce možno zaradiť do skupiny 1c s energetickým výdajom 106 až 130 qM (W/m²), resp. 1,28 až 2,33 qM (met), tzn. nejde o veľmi fyzicky náročnú prácu. V rámci letného výpočtového obdobia odporúča vyhláška teplotný rámec t_o = 17 až 26 °C a rýchlosť prúdenia vzduchu v_a 0,3 m/s pri relatívnej vlhkosti RH 30 až 70 %. Pri uvedených hodnotách sa predpokladá, že osoby budú oblečené, tzn. R_cl = 0,3 až 0,5 clo. Produkcia vodnej pary ani hodnotenia iných škodlivín (oxid siričitý SO₂, ozón O₃, oxid dusičitý NO₂) neboli predmetom posúdenia. 

Z hľadiska typu prevádzky ide v sledovanom prípade o kombináciu haly s vyššou tepelnou záťažou (25 < q 80 (W/m³)) a prevádzky s vysokou tepelnou záťažou q > 80 (W/m³) [3, 4]. Toky citeľného tepla transportom materiálu (pohyb hliníkových odliatkov z pece na miesto chladenia) sa definovali odhadom, rovnako ako aj záťaže zo samotnej technológie, keďže išlo o retrofit staršej technológie a investor nedokázal poskytnúť relevantné dáta.

Obr. 2 Adiabatické chladiče na streche objektu (foto: autor)

Použité metódy

V rámci monitoringu teplotného stavu pracovného prostredia a na overenie funkčnosti sa urobila termovízna analýza situácie, doplnkového stropného chladenia, ako aj jednotlivých výrobných liniek. Termovízna analýza využíva na stanovenie teploty povrchov emitovanú zložku tepelnej radiácie (We). Meranie tepelnej infračervenej radiácie tvorí základ bezkontaktného merania teploty. IR obrazy zobrazujú len infračervenú časť spektra.

Použitá technika

Termovízna kamera FLIR i7
optika (H × V): 29° × 29°
rozlíšenie detektora: 140 × 140 pix
zaostrovanie: > 60 cm
teplotný rozsah: –20 až +250 °C
presnosť: 0,1 °C
emisivita: 0,1 – 1,0

Datalogery TESTO 175 / H1 (0572 1754)
senzor: NTC temperature sensor internal, capacitive humidity sensor
merací rozsah: –20 až +55 °C / –40 až +50 °Ctd / 0 až 100 % RH
presnosť: +/– rF(2 – 98 %) 0,03 % F/K +/– 1 digit +/– 0,4 °C (–20 až + 55 °C) +/– 1 digit
operačný rozsah: –20 až +55 °C
rozlíšenie: 0,1 % rF; 0,1 °C

Zistenia

Metodika merania

Po vzájomnej dohode s investorom sa vytypovalo päť meracích miest, na ktoré sa osadili datalogery TESTO 175 H1. Inštalačná výška bola približne 170 cm, t. j. vzhľadom na ľahšie odčítanie zhruba vo výške očí. Hodnoty sa pre širšie časové rozpätie sledovaného obdobia ukladali v intervale 30 minút. Odpočet hodnôt sa robil každých 7 dní. Z dôvodu objektívnosti sa jeden dataloger osadil na strechu objektu (SSV, azimut 30°). Pri inštalácii vonkajšieho senzora treba dbať na to, aby nebol vystavený priamemu slnku, ideálne je, ak je ochránený aj pred účinkami vonkajších poveternostných vplyvov, ktoré by mohli skresliť merané hodnoty. Z dôvodu inštalácie do vonkajšieho prostredia sa zvolili datalogery vo vyhotovení IP54.

Na kontrolu a vylúčenie chyby sa realizovali náhodné merania kombinovaným teplomerom/vlhkomerom TESTO 635-1(0560 6351) so sondou typu T Cu-CuNi (presnosť +/– 0,3 °C (–60 až +60 °C) / +/– 0,2 % – 0,3 % z meracieho rozsahu). Paralelne so zberom dát o teplote (°C) a relatívnej vlhkosti (% RH) sa vykonalo meranie rýchlosti výstupného prúdu vzduchu z distribučných elementov vo výške členkov, vo výške očí sediaceho človeka a vo výške hlavy stojaceho človeka v dvoch smeroch (kolmých na seba). Rýchlosť sa merala anemometrom TESTO 417 (0560 4170) (presnosť +/– 0,1 m/s + 1,5 % z nameranej hodnoty).

Vo všetkých sledovaných smeroch a výškach sa namerala rýchlosť do 0,25 m/s. Dáta z datalogerov sa spracovali v programe TESTO Comfort Software Basic 5.0 formou grafov a tabuliek v sledovanom období (obr. 5 a 6). Výstupy z meraní v priestore sa porovnali s priebehom teplôt a vlhkostí v exteriéri (obr. 7). Je dôležité povedať, že ide o veľký halový priestor s veľkou tepelnou zotrvačnosťou, kde sa teplotné a vlhkostné zmeny prejavia s odstupom asi 2 – 3 hodín, keď sa nastolí nová rovnováha. Osadenie datalogerov v blízkosti strojov alebo technológie s vývinom citeľného tepla môže vyvolať isté skreslenia merania, napr. mierne odchýlky teploty rádovo na úrovni 0,5 – 1 °C smerom nahor.

Ako zásadný sa vyhodnotil vplyv ľudského faktora. Okamžitý pocit prípadnej tepelnej nepohody rieši pracovník otvorením okien, resp. brán do exteriéru. Okrem prievanu je taký priestor zaťažený aj horúcim vzduchom zvonku, ako je to zrejmé z priložených IR fotiek (obr. 3). Pracovníci na linkách v blízkosti okien pritom túto možnosť využívajú pomerne často. Pri odčítaní hodnôt z datalogera preto treba tento vplyv zobrať do úvahy.

 Obr. 3 Záťaž citeľným teplom z vonkajšieho prostredia (foto: autor)

Veľké halové objekty

Na základe zistených skutočností možno konštatovať, že vo veľkých halových objektoch, kde je veľká tepelná zotrvačnosť, možno pomocou adiabatického chladenia dodržať požadované tepelnotechnické parametre a efektívne eliminovať tepelnú záťaž. Je však iluzórne očakávať, že adiabatické chladenie dokáže udržať presné parametre vnútorného prostredia bez ohľadu na vonkajšie podmienky. Chladiaci výkon sa so stúpajúcou vonkajšou RH znižuje, a to významnou mierou. Rovnako treba povedať, že hysteréza nastavení teploty a vlhkosti je pomerne široká, +/– 3 až 5 % na obe strany. Zároveň však treba povedať aj to, že ide o otvorený systém, ktorý v letnej prevádzke pracuje iba s vonkajším vzduchom (ODA). V prípade parametrov vonkajšieho vzduchu (ODA 32 °C, 30 % RH) privádza adiabatický chladič do klimatizovaného priestoru vzduch s parametrami (KT) SUP 21,3 °C, 90 % RH, ako je to zrejmé z obr. 4.

Obr. 4 Teplota privádzaného vzduchu na výstupe z adiabatického chladiča (foto: autor)

Malé klimatizované priestory

V prípade menších, resp. malých klimatizovaných priestorov (KP) s veľkými tokmi citeľného tepla je situácia výrazne odlišná. Tepelná zotrvačnosť je malá a zmeny parametrov sa prejavujú de facto okamžite. O to dôležitejšie je správne umiestnenie senzorov MaR. Nevhodné umiestnenie spôsobuje chyby už na vstupe a systém následne reaguje neadekvátne. Každé meracie zariadenie pracuje s istou chybovosťou, vnášaním ďalších nepresností sa chyba ešte násobí. Významnou mierou sa na výslednom stave KP podpisuje aj ľudský faktor. Subjektívne hodnotenie situácie spúšťa následné reakcie – či už otváraním okien, dverí, vytváraním prievanu, nevhodným oblečením a podobne.

Z hľadiska nastavenia adiabatického chladiča je nevyhnutné zadefinovať presne všetky tepelné zisky vrátane tokov citeľného tepla z prepravovaného materiálu. Rovnako aj rytmus prevádzky, ak sa počas dňa mení. Z grafu na obr. 5 je zrejmé, že parametre vnútorného vzduchu definované vyhláškou MZ SR č. 544/ 2007 Z. z. [1] (22 – 26 °C/ 30 – 70 %RH) možno dodržať, ale parametre privádzaného vzduchu opäť závisia od vonkajších poveternostných podmienok. Ak systém pracuje iba s vonkajším vzduchom (ODA), nie je možné kontinuálne dodržať rovnaké parametre v priestore a teplota a vlhkosť budú kolísať. 

Obr. 5 Priebeh teploty a vlhkosti v sledovanom veľkom halovom priestore 

Kedy áno, kedy nie?

Na základe meraní v reálnej prevádzke sa dá povedať, že adiabatické chladenie je v našich podmienkach vhodnou voľbou pri väčšine priestorov. Celkom určite však nie je vhodné v priestore, kde sa očakáva konštantná teplota a vlhkosť s minimálnou odchýlkou od definovaných parametrov. Fyzikálna podstata adiabatického chladenia to vylučuje.

Na tepelnú pohodu výrazne vplýva aj rýchlosť privádzaného vzduchu v pocitovej oblasti. Preto je dôležité zvážiť prúdový dosah distribučných prvkov a vhodnosť ich umiestnenia. Literatúra [5] síce pripúšťa ochladzovanie prúdom vzduchu, ale v reálnych podmienkach začína byť rýchlosť nad 0,3 m/s vnímaná ako prejav tepelnej nepohody, na ktorú pracovníci poukazujú. Tento pocit je, samozrejme, individuálny – čo jednému vyhovuje, môže iný vnímať ako nepríjemné. Každému sa vyhovieť nedá. V sledovanom KP bola rýchlosť vo všetkých prípadoch do 0,2 m/s.

Záver

Z hľadiska tepelnej pohody treba rozlišovať krátkodobú a dlhodobú pracovnú tepelnú záťaž. Dlhodobá tepelná záťaž je limitovaná množstvom vody, ktorá sa stratí potom a dýchaním. Krátkodobá je skôr daná množstvom akumulovaného tepla v organizme, ktoré nesmie prekročiť hodnotu 50 Wh/m², čomu zodpovedá nárast teploty telesného jadra o 0,8 K či vzostup priemernej teploty kože o 3,5 K a nárast srdcovej frekvencie max. na 150 min^-1.

S prihliadnutím na energetickú náročnosť jednotlivých druhov práce sú v legislatíve spracované krátkodobo a dlhodobo únosné trvania práce. Rýchlosť prúdenia vzduchu v pocitovej oblasti sa odporúča v rozmedzí od 0,1 do 0,3 m/s v závislosti od druhu činnosti a pracovného odevu. V lete do 0,25 m/s, v zimných podmienkach do 0,15 m/s, ak to možno dosiahnuť.

Na základe vyššie prezentovaných výsledkov možno konštatovať, že adiabatické chladenie je vhodné pri pracoviskách s intenzitou sálania do 350 W/m². Z nameraných hodnôt je zrejmé, že systém aj pri premenlivých vstupných hodnotách dokáže udržiavať parametre vnútorného prostredia v rozmedzí definovanom legislatívou. Do vonkajšej teploty 32 °C možno adiabatickým chladením udržať teplotný a vlhkostný rámec definovaný vyhláškou MZ SR. V prípade letných extrémov možno dodržať oproti vonkajšej teplote teplotnú deltu 6 K. Zvýšená RH vonkajšieho vzduchu (napr. po daždi a podobne) vyvolá následný rast RH vo výrobnom priestore, ako je to zrejmé z obr. 3 až 5 (napr. 12. 7, 15. 7 alebo 21. 7. 2017 a podobne). A naopak, cyklus sušenia adiabatického média spolu s vnútornými ziskami citeľného tepla vyvolá následne nárast teploty a pokles RH v hale.

Obr. 6 Priebeh teploty a vlhkosti v sledovanom malom halovom priestore 

V prípade veľkej haly možno vlhkosť vzduchu obmedziť nastavením adiabatického chladiča na 70 %. V prípade menších izolovaných priestorov môže za daždivého počasia dochádzať k výkyvom RH v hale do 80 % (obr. 6, 10. 7. 2017). Je to z toho dôvodu, že malé priestory sú výrazne citlivejšie na zmeny parametrov vnútorného prostredia, a tiež preto, že hoci už adiabatický chladič nechladí, „suší“ média prúdom vonkajšieho vzduchu (ODA s RH = 100 %), čím sa do priestoru vnáša dodatočná vlhkosť. V prevádzke boli inštalované adiabatické chladiče COLT Coolstream 22A (chladiaci výkon @35 °C, 30 % RH, 85 kW, sensible EER 32). Vhodnými distribučnými prvkami a ich správnym rozmiestnením však v pocitovej oblasti možno docieliť požadované rýchlosti.

Obr. 7 Priebeh teploty a vlhkosti v exteriéri, senzor bol osadený na SSV stranu jednotky na tienistom mieste, sálavým teplom z povrchu jednotky však dochádza k miernym teplotným výkyvom.

Limitujúcim faktorom na použitie adiabatického chladenia môžu byť len špecifiká samotnej prevádzky – napríklad presne definované teplotné a vlhkostné rozmedzie, zhora obmedzená RH (%) a podobne. Adiabatické chladenie celkom určite nie je vhodné na chladenie operačných sál a podobne. Každá takáto skutočnosť sa musí zohľadniť už v projektovej fáze, aby s ňou projektant mohol počítať. Ako sa vraví, „Dobré účty robia dobrých priateľov“. Čím viac skutočností je známych a zapracovaných v projektovej dokumentácii, tým menej toho môže prekvapiť realizačnú firmu pri nábehu technológie.

Mgr. Jozef Vojtaššák, Ing. Mária Frťalová
Jozef Vojtaššák pôsobí v spoločnosti Colt International, s. r. o. Mária Frťalová je doktorandka v odbore Teória a technika prostredia budov na STU v Bratislave.

Literatúra

1. Vyhláška MZ SR č. 544 / 2007 Z. z. o podrobnostiach o ochrane zdravia pred záťažou teplom a chladom pri práci. 
2. Vyhláška MZSR č. 259/2008 Z. z o podrobnostiach o požiadavkách na vnútorné prostredie budov a o minimálnych požiadavkách na byty nižšieho štandardu a na ubytovacie zariadenia. 
3. KOVÁŘOVÁ, Z.: Vetranie halových objektov s chladným typom prevádzky. In: TZB Haustechnik. 2013, roč. 21, č. 3, s. 30 – 32.
4. KOVÁŘOVÁ, Z.: Vetranie halových objektov s prašným typom prevádzky. In: TZB Haustechnik. 2013, roč. 21, č. 4, s. 48 – 50.
5. SZEKYOVÁ, M. – FERSTL, K., NOVÝ, R.: Vetranie a klimatizácia. Bratislava: JAGA Group, 2004.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 5/2017.