Adiabatické odpařovací chlazení – ano, či ne?

Je adiabatické odpařovací chlazení vhodnou alternativou pro naše území, nebo ne? Čeho se vyvarovat během užívání a na co se zaměřit při návrhu? Jaké jsou limity pro instalaci adiabatického chlazení? Autoři se pokusí na tyto otázky najít odpovědi na základě naměřených údajů z reálného provozu. 

Přechod látky z jedné fáze do druhé je provázen tepelným účinkem. V případě adiabatického odpařovacího chlazení dochází k ochlazování vzduchu odpařováním vody na vodní bláně. Prostupem vzduchu o definované teplotě a vlhkosti vodní blánou dochází k jeho saturaci na 100 %. Teplota fázového rozhraní se ustálí v průběhu času na určité stacionární hodnotě, která je závislá na prostupu tepla mezi oběma fázemi. Mezní teplota adiabatického ochlazování je nejnižší dosažitelná teplota vzduchu při adiabatickém odpařovacím chlazení. Při adiabatickém odpařovacím chlazení dochází ke změně citelného tepla vzduchu na vázané. Stavová změna probíhá po lince adiabatického ochlazení.

Tolik teorie, ale jak ji přetavit do praxe? Na úvod je třeba konstatovat, že adiabatické chlazení není přesné chlazení. Je absolutně závislé na vnějších povětrnostních podmínkách. V závislosti na lokalitě, v níž adiabatický chladič instalujete, to může být problém. Letní a zimní výpočtové parametry jsou definovány legislativou. Je vhodnou projekční praxí prozkoumat i klimatické záznamy pro danou lokalitu, jsou-li dostupné. Vzhledem k probíhajícím klimatickým změnám je možné prejudikovat závěr, že kromě horských oblastí je území SR a ČR vhodné pro tento typ chlazení (obr. 1).

Obr. 1 Přehledná mapa vhodnosti instalace adiabatického chlazení na území Evropy. Foto: Colt International

Legislativní rámec

Z hlediska vnitřního prostředí budov jsou požadavky na provoz adiabatického odpařovacího chlazení definovány ve slovenském prostředí např. Vyhláškou MZ SR č. 544/20071, resp. přílohou č. 2 Vyhlášky MZ SR č. 259/2008 Sb. z. 2 Legislativní rámec definuje jednoznačně třídu práce a vznáší požadavky na projektanta. Právě mediálně oblíbené a tolik skloňované klimatické změny mohou být kamenem úrazu při návrhu, protože vnášejí velkou míru nejistoty a mohou způsobit významné odchylky od normou udávaných hodnot.

V popisovaném případě jde o strojírenský provoz s převažujícím typem práce vsedě nebo vestoje. Typ práce je možné zařadit do skupiny 1c s energetickým výdajem 106 – 130 qM [W.m^-2], resp. 1,28 – 2,33 qM [met] – tedy ne moc fyzicky náročnou práci vsedě, resp. vestoje. Pro letní výpočtové období nám vyhláška doporučuje teplotní rámec t_o = 17 – 26 °C, rychlost proudění vzduchu va < 0,3 m/s při relativní vlhkosti RH 30 – 70%. Při uvedených hodnotách se předpokládá, že osoby budou oblečené R_cl = 0,3 až 0,5 clo.

Produkce vodní páry ani hodnocení jiných škodlivin (oxid siřičitý SO₂, ozón O₃, oxid dusičitý NO₂) nebyly předmětem posouzení. Z hlediska typu provozu se ve sledovaném případě jedná o kombinaci haly s vyšší tepelnou zátěží (25 < q < 80 [W/m³]) a provozu s vysokou tepelnou zátěží q < 80 [W/m³] 3,4. Toky citelného tepla transportem materiálu (pohyb hliníkových odlitků z pece na místo chlazení) byly definovány odhadem, stejně jako zátěže z technologie samotné, protože šlo o retrofit starší technologie a investor nedokázal relevantní data poskytnout (obr. 2).

Obr. 2 Adiabatické chladiče na střeše objektu. Foto: autor

Použité metody

V rámci sledování teplotního stavu pracovního prostředí a na důkaz funkčnosti byla provedena termovizní analýza situace, doplňkového stropního chlazení, jakož i jednotlivých výrobních linek. Termovizní analýza využívá ke stanovení teploty povrchů emitovanou složku tepelné radiace (We). Měření tepelné infračervené radiace tvoří základ bezkontaktního měření teploty. IR obrazy zobrazují jen infračervenou část spektra.

Použitá technika

Termovizní kamera FLIR i7

Optika (HxV) 29° x 29°
Rozlišení detektoru 140 x 140 pix
Zaostřování 60 cm
Teplotní rozsah 20 °C do +250 °C
Přesnost 0,1 °C
Emisivita 0,1 – 1,0

 

Datalogery TESTO 175 / H1 (0572 1754)

Senzor NTC temperature sensor internal, capacitive humidity sensor
Měřicí rozsah -20 °C do +55 °C / -40 °C do +50 °C td / 0 do 100 % RH
Přesnost +/-rF (2 – 98 %) 0,03 % F/K  +/- 1 digit +/- 0,4 °C (-20 °C do + 55 °C) +/- 1 digit
Operační rozsah -20 °C do +55 °C
Rozlišení 0,1 % rF, 0,1 °C

Zjištění

K metodice měření. Po vzájemné dohodě s investorem bylo vytipováno pět měřicích míst, na která byly osazeny datalogery TESTO 175 H1. Instalační výška byla cca 170 cm, tj. zhruba ve výšce očí pro snazší odečítání. Hodnoty se kvůli širšímu časovému rozpětí sledovaného období ukládaly v intervalu každých třicet minut. Odpočet hodnot se prováděl každých sedm dnů. Z důvodu objektivnosti byl jeden dataloger osazen na střeše objektu (SSV, azimut 30°).

Při instalaci venkovního senzoru je důležité jeho osazení tak, aby nebyl vystaven přímému slunci. Ideálně je-li ochráněn i před účinky vnějších povětrnostních vlivů, které by mohly zkreslit měřené hodnoty. Z důvodu instalace do vnějšího prostředí byly zvoleny datalogery v provedení IP54. Pro kontrolu a vyloučení chyby byla prováděna náhodná měření kombinovaným teploměrem/vlhkoměrem TESTO 635-1(0560 6351) se sondou typu T Cu-CuNi (přesnost +/- 0,3 °C (-60 °C do +60 °C) / +/- 0,2 % – 0,3 % z měřicího rozsahu) (obr. 3).

Obr. 3 Zátěž citelným teplem z venkovního prostředí. Foto: autor

Paralelně se sběrem dat teplota (°C) / relativní vlhkost (% RH) bylo provedeno měření rychlosti výstupního proudu vzduchu z distribučních elementů ve výšce kotníků, ve výšce očí sedícího člověka a ve výšce hlavy stojícího člověka ve dvou směrech (kolmých na sebe). Měření rychlosti bylo provedeno anemometrem TESTO 417 (0560 4170) (přesnost +/- 0,1 m/s +1,5 % z naměřené hodnoty). Ve všech sledovaných směrech a výškách byla naměřená rychlost do 0,25 m/s.

Data z datalogerů byla zpracována v programu TESTO Comfort Software Basic 5.0 formou grafů a tabulek ve sledovaném období (viz graf č. 1 – 2). Výstupy z měření v prostoru byly porovnány s průběhem teplot a vlhkostí v exteriéru (viz graf č. 3). Je třeba říci, že se jedná o velký halový prostor s velkou tepelnou setrvačností, kde se teplotní a vlhkostní změny projeví s odstupem asi dvou až tří hodin, kdy je nastolena nová rovnováha.

Osazení datalogerů v blízkosti strojů nebo technologie s vývinem citelného tepla může vyvolat jistá zkreslení měření, např. mírné odchylky teploty řádově 0,5 – 1 °C směrem nahoru. Jako zásadní byl vyhodnocen vliv lidského faktoru. Momentální okamžitý pocit případné tepelné nepohody pracovník řeší otevřením oken, resp. bran do exteriéru. Kromě průvanu je prostor zatížen i horkým vzduchem zvenčí, jak je to zřejmé z přiložených IR fotek (obr. 3). Pracovníci na linkách v blízkosti oken poměrně často využívají tuto možnost. Při odečítaní hodnot z datalogeru je třeba tento vliv vzít do úvahy.

Tab. 1 Průběh teploty a vlhkosti ve sledovaném velkém halovém prostoru 

Na základě zjištěných skutečností je možné konstatovat, že ve velkých halových prostorách, kde je možnost velké tepelné setrvačnosti, je možné pomocí adiabatického chlazení dodržet požadované teplotechnické parametry a efektivně eliminovat tepelnou zátěž (tab. 1). Je iluzorní očekávat, že adiabatické chlazení dokáže udržet přesné parametry vnitřního prostředí bez ohledu na venkovní podmínky. Chladicí výkon se se stoupající vnější RH snižuje. Významnou měrou.

Stejně tak je třeba říci, že hysteréza nastavení teploty a vlhkosti je poměrně široká +/- 3 – 5 % na obě strany. Na druhou stranu však musíme říci i to, že je to otevřený systém, který v letním provozu pracuje jen s venkovním vzduchem (ODA). V případě parametrů venkovního vzduchu (ODA 32 °C, 30 % RH) adiabatický chladič přivádí do klimatizovaného prostoru vzduch o parametrech (KT) SUP 21,3 °C, 90 % RH, jak je zřejmé z obr. 4.

Obr. 4 Teplota přiváděného vzduchu na výstupu z adiabatického chladiče. Foto: autor

V případě menších, resp. malých klimatizovaných prostorů (KP) s velkými toky citelného tepla je situace výrazně odlišná (tab. 2). Tepelná setrvačnost je malá a změny parametrů se projevují de facto okamžitě. O to důležitější je správné umístění senzorů MaR. Nevhodným umístěním dochází k chybám už na vstupu a následně systém reaguje neadekvátně. Každé měřicí zařízení pracuje s jistou chybovostí, vnášením dalších nepřesností se chyba násobí.

Tab. 2 Průběh teploty a vlhkosti ve sledovaném malém halovém prostoru 

Významnou měrou se na výsledném stavu KP podepisuje lidský faktor. Subjektivní hodnocení situace spouští následné reakce, ať už otevíráním oken, dveří, vytvářením průvanu, nevhodným oblečením a podobně. Z hlediska nastavení adiabatického chladiče je nutné přesně definovat všechny tepelné zisky, včetně toků citelného tepla z přepravovaného materiálu. Stejně tak i rytmus provozu, je-li během dne proměnlivý. Z přiloženého grafu je zřejmé, že parametry vnitřního vzduchu definované vyhláškou MZSR č. 544/ 2007 (22 – 26 °C / 30 – 70 % RH) je možné dodržet, ale parametry přiváděného vzduchu opět závisí na vnějších povětrnostních podmínkách.

Tab. 3 Průběh teploty a vlhkosti exteriéru, senzor byl osazen na SSV stranu jednotky na stinném místě, ale sálavým teplem z povrchu jednotky dochází k mírným teplotním výkyvům.

Pokud systém pracuje jen s venkovním vzduchem (ODA), není možné kontinuálně dodržet stejné parametry v prostoru a teplota a vlhkost budou kolísat. Na základě měření v reálném provozu můžeme říci, že adiabatické chlazení je v našich podmínkách vhodnou volbou pro většinu prostorů. Zcela určitě není vhodné pro prostor, kde se očekává konstantní teplota a vlhkost s minimální odchylkou od definovaných parametrů. Fyzikální podstata adiabatického chlazení to vylučuje.

Tepelnou pohodu výrazně ovlivňuje i rychlost přiváděného vzduchu v pocitové oblasti. Proto je důležité zvážit proudový dosah distribučních prvků a vhodnost jejich umístění. Sice literatura 5 připouští ochlazování proudem vzduchu, ale v reálných podmínkách rychlost nad 0,3 m/s začíná být vnímána jako projev tepelné nepohody, na který pracovníci poukazují. Tento pocit je samozřejmě individuální, co jednomu vyhovuje, může jiný vnímat jako nepříjemné. Každému se vyhovět nedá. Ve sledovaném KP byla rychlost ve všech případech do 0,2 m/s.

Závěr

Z hlediska tepelné pohody je třeba rozlišovat krátkodobou a dlouhodobou pracovní tepelnou zátěž. Dlouhodobá tepelná zátěž je limitována množstvím vody, která se ztratí potem a dýcháním. Krátkodobá je spíše dána množstvím akumulovaného tepla v organismu. To nesmí překročit 50 Wh/m². Tomu odpovídá nárůst teploty tělesného jádra o 0,8 K či vzestup průměrné teploty kůže o 3,5 K a nárůst srdeční frekvence max. na 150 min^-1. S přihlédnutím k energetické náročnosti jednotlivých druhů práce jsou v legislativě zpracovány krátkodobě a dlouhodobě únosné doby práce.

Rychlost proudění vzduchu v pocitové oblasti je doporučena v rozmezí od 0,1 – 0,3 m/s v závislosti na druhu činnosti a pracovním oděvu. V létě do 0,25 m/s, v zimních podmínkách do 0,15 m/s, je-li toho možné dosáhnout. Z výše prezentovaných výsledků lze konstatovat, že adiabatické chlazení je vhodné pro pracoviště s intenzitou sálání do 350 W/m². Na základě naměřených hodnot je možno konstatovat, že systém i při proměnlivých vstupních hodnotách dokáže udržovat parametry vnitřního prostředí v rozmezí definovaném legislativou. Do venkovní teploty 32 °C je možné adiabatickým chlazením udržet teplotní a vlhkostní rámec definovaný vyhláškou MZ SR.

V případě letních extrémů je možné dodržet teplotní deltu 6 K oproti venkovní teplotě. Zvýšená RH venkovního vzduchu (např. po dešti a podobně) vyvolá následný růst RH ve výrobním prostoru, jak je zřejmé z přiložených grafů (např. 12. 7., 15. 7. nebo 21. 7. 2017 a podobně). Obráceně cyklus sušení adiabatického média spolu s vnitřními zisky citelného tepla následně vyvolá nárůst teploty a pokles RH v hale. V případě velké haly je možné vlhkost vzduchu omezit nastavením adiabatického chladiče na 70 %.

V případě menších izolovaných prostorů za deštivého počasí může docházet k výkyvům RH v hale do 80 % (viz graf č. 2 ze dne 10. 7.). Je to z toho důvodu, že malé prostory jsou výrazně citlivější na změny parametrů vnitřního prostředí, a také proto, že ačkoliv už adiabatický chladič nechladí, „suší“ média proudem venkovního vzduchu (ODA s RH = 100 %), čímž se vnáší dodatečná vlhkost do prostoru. V provozu byly instalovány adiabatické chladiče COLT Coolstream 22A (chladicí výkon @ 35 °C, 30 % RH, 85 kW, sensible EER 32). Vhodnými distribučními prvky a jejich správným rozmístěním je možné docílit požadované rychlosti v pocitové oblasti.

Limitujícím faktorem pro použití adiabatického chlazení mohou být jen specifika provozu samotného, například přesně definované teplotní a vlhkostní rozmezí, shora omezená RH (%) a podobně. Adiabatické chlazení zcela jistě není vhodné na chlazení operačních sálů a podobně. Každá takováto skutečnost musí být zohledněna už v projektové fázi, aby s ní projektant uměl uvažovat. Jak se říká: „Dobré účty dělají dobré přátele“. Čím více skutečností je známých a zapracovaných v projektové dokumentaci, tím méně toho může překvapit realizační firmu při náběhu technologie. Ačkoliv uživatelé někdy dokážou skutečně překvapit.

 

Mgr. Jozef Vojtaššák, Ing. Mária Frťalová
Ing. Mária Frtalová pracuje na STU Bratislava, Mgr. Vojtaššák ve společnosti Colt International, s. r. o.

Literatura:

1. Vyhláška MZ SR č. 544 / 2007 Sb. z. o podrobnostech o ochraně zdraví před zátěží teplem a chladem při práci, strany 3913 – 3934.
2. Vyhláška MZSR č. 259 / 2008 Sb. z. o podrobnostech o požadavcích na vnitřní prostředí budov, o minimálních požadavcích na byty nižšího standardu a na ubytovací zařízení.
3. KOVÁŘOVÁ, Z. Vetranie halových objektov s chladným typom prevádzky. In TZB Haustechnik. ISSN 1210-356X, 2013, roč. 21, č. 3, s. 30 – 32. 
4. KOVÁŘOVÁ, Z. Vetranie halových objektov s prašným typom prevádzky. In TZB Haustechnik. ISSN 1210-356X, 2013, roč. 21, č. 4, s. 48 – 50. 
5. SZEKYOVÁ, M., FERSTL, K., NOVÝ, R., Vetranie klimatizácia. JAGA Group, s. r. o. ISBN 80-8076-000-4, 2004.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 3/2017.