Jak działa free cooling w układzie wody lodowej?

• 14 listopada 2021

Free cooling brzmi technicznie, ale sam pomysł jest prosty i bardzo sprytny. Chodzi o to, by wykorzystać chłodne powietrze zewnętrzne do schładzania wody w instalacji, zamiast opierać się wyłącznie na sprężarkach i klasycznej pracy agregatu. W praktyce oznacza to mniejsze rachunki za prąd, mniejsze zużycie urządzeń i większy spokój w eksploatacji. W polskich warunkach takie rozwiązanie ma sens przez sporą część roku, zwłaszcza w okresach przejściowych, zimą i nocami.

Czym jest free cooling w układzie wody lodowej?

Free cooling to tryb pracy, w którym energia chłodnicza pochodzi w dużej części z warunków atmosferycznych, a nie z pracy sprężarki. W praktyce chłodzenie odbywa się dzięki temu, że temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa od temperatury medium chłodzonego, czyli najczęściej wody lub roztworu glikolu krążącego w instalacji. Jeśli różnica temperatur jest wystarczająca, system może oddać ciepło do otoczenia bez uruchamiania pełnego obiegu chłodniczego.

W układzie wody lodowej takie rozwiązanie bywa realizowane na kilka sposobów. Najczęściej spotyka się połączenie agregatu chłodniczego z suchym chłodnikiem, czyli dry coolerem, albo z wymiennikiem pośrednim. Gdy na zewnątrz robi się chłodno, system przełącza się na tryb ekonomiczny. Agregat pracuje mniej intensywnie albo w ogóle się nie włącza. To nie tylko oszczędność energii, ale też spokojniejsza praca całej instalacji. Mniej startów, mniej obciążenia, mniej awarii. Brzmi zdroworozsądkowo? I słusznie, bo właśnie na tym polega urok tego rozwiązania.

W polskim klimacie free cooling ma naprawdę dobre warunki do pracy przez znaczną część roku. Oczywiście nie latem w upałach, ale od jesieni do wiosny, a często także nocą w cieplejszych miesiącach, może odciążyć system chłodzenia bardzo wyraźnie. Dlatego coraz częściej jest traktowany nie jako dodatek, lecz jako przemyślany element nowoczesnej instalacji.

Jak działa układ wody lodowej z free coolingiem?

W klasycznym układzie wody lodowej zadaniem instalacji jest odebranie ciepła z obiektu i przeniesienie go na zewnątrz. W trybie free cooling ten proces odbywa się bardziej „naturalnie”. Ciepło z wody lub mieszaniny wody z glikolem przekazywane jest do chłodnego powietrza zewnętrznego za pośrednictwem wymiennika lub dry coolera. Jeśli warunki są dobre, system korzysta z tego bez udziału sprężarki. Jeśli temperatura na zewnątrz rośnie, automatyka dołącza chłodzenie mechaniczne.

Najprościej można to opisać tak:

• instalacja odbiera ciepło z odbiorników, na przykład z klimakonwektorów, maszyn lub serwerów,
• nagrzana woda wraca do części chłodzącej,
• w trybie free cooling oddaje energię do powietrza zewnętrznego,
• po schłodzeniu wraca do obiegu i ponownie zasila instalację.

W wielu obiektach stosuje się także tryb mieszany. Oznacza to, że free cooling pośredni pracuje wspólnie z chłodzeniem mechanicznym. Gdy temperatura zewnętrzna nie pozwala już na pełne schłodzenie medium, agregat chłodniczy przejmuje brakującą część obciążenia. Dzięki temu system działa płynnie, bez gwałtownych zmian i bez ryzyka utraty parametrów.

W praktyce bardzo liczy się też temperatura zasilania i powrotu. Im wyższa dopuszczalna temperatura wody lodowej, tym łatwiej uruchomić tryb oszczędny. Dlatego projekty, które przewidują sensownie dobrane parametry pracy, zyskują więcej niż instalacje robione „na styk”.

Jakie elementy biorą udział w pracy układu?

W typowej instalacji spotyka się:

• agregat chłodniczy, który zapewnia chłodzenie mechaniczne,
• dry cooler, czyli suchy chłodnik oddający ciepło do powietrza,
• wymiennik ciepła, który oddziela obiegi,
• pompy obiegowe,
• zawory przełączające,
• automatykę sterującą,
• czujniki temperatury i czasem przepływu.

To właśnie współpraca tych elementów decyduje o tym, czy system rzeczywiście będzie oszczędny, czy tylko „teoretycznie” nowoczesny.

Kiedy free cooling działa najlepiej?

Najlepsze warunki pojawiają się wtedy, gdy temperatura zewnętrzna jest niższa od wymaganej temperatury chłodzenia w instalacji. W polskich realiach oznacza to długie okresy jesienne i zimowe, a także wiele godzin wiosną oraz nocą latem. Nie trzeba od razu mrozu. Często już umiarkowanie chłodne powietrze wystarcza, by znacząco ograniczyć pracę agregatu.

Warto pamiętać, że skuteczność zależy nie tylko od temperatury powietrza. Liczy się też:

• wilgotność i warunki pogodowe,
• parametry projektu instalacji,
• wymagany poziom chłodzenia obiektu,
• dopuszczalna temperatura medium,
• rodzaj odbiorników chłodu.

Na przykład w serwerowniach często utrzymuje się dość stabilne warunki i tam free cooling w serwerowni bywa bardzo opłacalny. Podobnie w zakładach przemysłowych, gdzie chłodzenie jest potrzebne przez cały rok, ale nie zawsze na pełnej mocy. Z kolei w budynkach biurowych zastosowanie zależy mocno od profilu użytkowania. Jeśli obiekt działa intensywnie tylko w dzień, a nocą spada obciążenie, tryb ekonomiczny może przynosić naprawdę konkretne oszczędności.

W praktyce projektowej często patrzy się nie na jeden dzień w roku, lecz na cały profil temperatur. I tu wychodzi prawda: im więcej godzin z umiarkowanie niską temperaturą, tym większy sens ma to rozwiązanie.

Jakie są rodzaje free coolingu?

W instalacjach chłodniczych spotyka się kilka odmian tego rozwiązania. Każda działa trochę inaczej i ma swoje plusy oraz ograniczenia. Najczęściej mówi się o free coolingu bezpośrednim, free coolingu pośrednim oraz trybie częściowym.

Free cooling bezpośredni

W tym wariancie chłodzenie odbywa się wprost przez wymianę ciepła z otoczeniem. To układ prosty, ale wymaga odpowiednich warunków i dobrej kontroli pracy. Sprawdza się tam, gdzie można efektywnie odprowadzać ciepło bez rozbudowanej pośredniej separacji obiegów.

Free cooling pośredni

To najczęściej spotykany wariant w nowoczesnych instalacjach. Ciepło jest przekazywane przez wymiennik ciepła, a obieg technologiczny pozostaje odseparowany od strony zewnętrznej. Taki układ daje większe bezpieczeństwo, lepszą kontrolę i szersze możliwości stosowania glikolu.

Free cooling częściowy

Tu system nie rezygnuje całkowicie z chłodzenia mechanicznego. Zamiast tego wykorzystuje chłód zewnętrzny jako wsparcie. Sprężarka pracuje mniej, a całość zużywa mniej energii. To bardzo praktyczne rozwiązanie w okresach przejściowych, kiedy warunki są „prawie dobre”, ale nie idealne.

Wybór odmiany zależy od tego, jakie parametry ma instalacja i jak bardzo zmienne są warunki pracy. Nie ma jednej recepty dla wszystkich. I całe szczęście, bo każdy obiekt ma własną specyfikę.

Jakie zalety daje free cooling?

Najbardziej oczywistą korzyścią jest mniejsze zużycie energii elektrycznej. Gdy agregat chłodniczy nie musi pracować pełną parą, rachunki spadają. A to w obiektach pracujących całodobowo naprawdę robi różnicę. W praktyce oszczędności mogą być bardzo wyraźne, zwłaszcza tam, gdzie chłodzenie działa przez większą część roku. To właśnie dlatego oszczędność energii w chłodnictwie jest jednym z najczęściej wyszukiwanych tematów w tej branży.

Drugą korzyścią jest mniejsze zużycie sprężarek i komponentów mechanicznych. Mniej uruchomień to mniej zużycia, mniej ryzyka przegrzania i mniej kosztów serwisu. Instalacja pracuje spokojniej, co dla wielu użytkowników oznacza mniej niespodzianek. A wiadomo, niespodzianki w technice zwykle kosztują.

Do tego dochodzą jeszcze inne plusy:

• niższe koszty eksploatacyjne,
• większa niezawodność układu,
• możliwość uzyskania lepszej efektywności energetycznej budynku,
• lepsze dopasowanie do strategii ESG,
• mniejszy ślad środowiskowy.

W praktyce nie chodzi więc tylko o „taniej”. Chodzi też o rozsądniejsze zarządzanie energią. A to w obecnych realiach ma duże znaczenie.

Jakie ograniczenia ma free cooling?

Nie ma co pudrować rzeczywistości. To rozwiązanie ma też swoje ograniczenia. Przede wszystkim zależy od pogody. Gdy na zewnątrz jest ciepło, free cooling po prostu nie da rady przejąć całego obciążenia. Wtedy system wraca do chłodzenia mechanicznego. Dodatkowo nie każda instalacja pozwala na komfortowe podniesienie temperatury medium, a bez tego trudno o wysoki uzysk.

Do najczęstszych problemów należą:

• zbyt mała powierzchnia wymiany ciepła,
• źle dobrany dry cooler,
• brak sensownej automatyki,
• za małe różnice temperatur w obiegu,
• pominięcie kosztów glikolu i serwisu.

Warto też pamiętać, że sama inwestycja może być droższa na starcie niż prosty układ bez free coolingu. Trzeba jednak patrzeć szerzej. Jeśli instalacja działa latami i pozwala mocno ograniczyć energię, początkowy wydatek może się szybko obronić. Oczywiście pod warunkiem, że projekt był zrobiony z głową, a nie „na szybko”.

Gdzie takie rozwiązanie sprawdza się najlepiej?

Najbardziej naturalnym miejscem są serwerownie, centra danych i obiekty z ciągłym zapotrzebowaniem na chłód. Tam nawet niewielka poprawa efektywności ma duże znaczenie, bo układ pracuje praktycznie bez przerwy. Równie dobrze free cooling sprawdza się w przemyśle, na przykład w zakładach produkcyjnych, przetwórczych czy farmaceutycznych. Tam stabilność parametrów bywa absolutnie niezbędna.

W budynkach komercyjnych i biurowych również da się go zastosować, choć zwykle wymaga to dobrego dopasowania do profilu pracy. Jeśli obiekt jest intensywnie użytkowany tylko część dnia, a w nocy zapotrzebowanie spada, wtedy system może wykorzystać niższą temperaturę zewnętrzną do redukcji kosztów. Dobrze zaprojektowany układ chłodzenia wody lodowej z taką funkcją daje dużą elastyczność. I właśnie o tę elastyczność chodzi w nowoczesnych instalacjach.

Jak dobrać i sterować instalacją, żeby działała sensownie?

Dobór zaczyna się od analizy zapotrzebowania chłodniczego. Trzeba wiedzieć, ile ciepła instalacja ma odbierać, w jakich godzinach i przy jakich warunkach. Dopiero potem dobiera się parametry wody lodowej, wydajność wymiennika, moc chłodnicy i logikę sterowania. Jeśli projekt jest słaby, to nawet najlepszy sprzęt nie pokaże pełni możliwości.

W praktyce dobrze działający system powinien uwzględniać:

• temperatury projektowe dla lata i zimy,
• profil obciążenia w ciągu doby,
• rodzaj medium chłodzącego,
• możliwość pracy w trybie mieszanym,
• priorytet oszczędności energii,
• ochronę przed zamarzaniem.

Automatyka ma tutaj ogromne znaczenie. To ona decyduje, kiedy przełączyć się na tryb free cooling, kiedy dołączyć agregat i kiedy ograniczyć przepływ. Dobrze napisany algorytm potrafi zrobić dużą różnicę. Bez niego nawet najlepsza instalacja będzie działać przeciętnie. A przecież nikt nie robi takiego systemu po to, żeby był „jako tako”.

Na co zwrócić uwagę przy uruchomieniu?

Przy rozruchu trzeba sprawdzić:

• poprawność kierunków przepływu,
• nastawy zaworów,
• pracę pomp,
• reakcję czujników temperatury,
• logikę przełączania trybów,
• zabezpieczenia przeciwzamrożeniowe.

To etap, którego nie wolno odpuszczać. Dobrze wykonany rozruch często przesądza o tym, czy system będzie bezproblemowy, czy zacznie generować kłopoty od pierwszego sezonu.

Najczęstsze błędy przy projektowaniu i eksploatacji

W praktyce błędy powtarzają się zaskakująco często. Po pierwsze, wiele osób zbyt optymistycznie zakłada, że free cooling rozwiąże cały problem chłodzenia. Nie rozwiąże. On go tylko świetnie wspiera wtedy, gdy warunki na to pozwalają. Po drugie, zdarza się niedoszacowanie wydajności dry coolera. Wtedy system ma problemy przy wyższej temperaturze otoczenia i nie osiąga zakładanych parametrów.

Do częstych potknięć należą też:

• zbyt mała uwaga poświęcona automatyce,
• brak analizy rzeczywistego profilu pracy obiektu,
• niedopasowanie temperatur zasilania,
• ignorowanie kosztów serwisowych,
• brak uwzględnienia rezerwy mocy.

Z mojego doświadczenia najlepiej sprawdzają się projekty, w których inwestor, projektant i wykonawca od początku grają do jednej bramki. Wtedy łatwiej dopasować układ do potrzeb i uniknąć przeróbek. A to oszczędza czas, pieniądze i nerwy.