Chlazení mořskou vodou: Lepší než alternativy
Chladicí systémy využívající přenos tepla do mořské vody jsou alternativou k tradičním přístupům např. vzduchem chlazeným kondenzátorům a chladicím věžím. Výhody chlazení mořskou vodou před chlazením vzduchem jsou nižší teplota mořské vody v porovnání s teplotou vzduchu a lepší vlastnosti vody jako média pro přenos tepla. Ve většině případů to znamená přenos tepla při nižších nákladech. Pokud se budova nachází v blízkosti moře, jezera či řeky, pak tato voda může být použita jako chladicí médium.
Zkušenosti s chlazením mořskou vodou
COWI má značné zkušenosti s chlazením mořskou vodou a projektoví konzultanti COWI pravidelně prozkoumávají možnosti chlazení mořskou vodou ve spojení s příslušnými projekty. Mnoho projektových a poradenských společností po celém světě je schopno navrhnout a postavit zařízení pro chlazení mořskou vodou, jelikož samotná technologie je dobře známa.
Co je chlazení mořskou vodou?
Niels Henrik Harbo: Pojem chlazení mořskou vodou téměř naznačuje, že mořská voda se používá pro přímé chlazení, ale tak tomu nemusí nutně být. Běžně neposíláme mořskou vodu přímo odběratelům. Mořská voda se používá k chlazení kondenzátorů chladicího zařízení za účelem přenosu přebytečného tepla z chladicího procesu. Dále používáme mořskou vodu pro volné chlazení.
Jak chladíte kondenzátory?
Claus Skyth Larsen: Kondenzátory jsou vodou chlazené kondenzátory a chladí se jednak mořskou vodou a jednak chladicí kapalinou. Takže jeden z klíčových prvků v zařízení pro chlazení mořskou vodou jsou výměníky. V současné době používáme velké titanové deskové výměníky tepla.
Proč je mořská voda dobrá pro chlazení?
Claus Skyth Larsen: Technicky vzato máme chladicí médium, které má lepší vlastnosti přenosu tepla než vzduch.
Volné chlazení pod 5 °C
Pokud je teplota vody pod 5 °C, lze využít samotnou mořskou vodu, aniž by byly potřeba chladiče. Říkáme tomu volné chlazení.
Co když je teplota voda pro volné chlazení příliš vysoká?
Niels Henrik Harbo: Tehdy to začíná být zajímavé. Pokud je teplota mořské vody nízká, ale ne dostatečně pro 100% volné chlazení, používá se pro předchlazení teplé vody, která se vrací od odběratele před tím, než je mechanicky chlazena. Tomu říkáme kombinované volné chlazení a kompresorové chlazení.
Claus Skyth Larsen: Čím vyšší je teplota vratné vody od odběratelů, tím déle lze pracovat s kombinovaným chlazením. Teplá voda dodávaná od odběratelů může mít teplotu 14 až 15 °C. Pokud má mořská voda stále teplotu 10 °C, což má tady v Dánsku po dlouhou dobu, můžeme ji použít k chlazení vratné vody, než ji dále ochladíme v chladičích.
Jaké to má výhody?
Niels Henrik Harbo: Během provozní doby, kdy se využívá mořská voda, můžete snížit potřebu kompresorového chlazení a související spotřebu elektrické energie. Samozřejmě čerpadla určitou energii spotřebují, ale výrazně méně než elektrický kompresor. Takže náklady na provoz jsou výrazně nižší. Ve skutečnosti se kombinované chlazení podílí na volném chlazení významně.
Teplota mořské vody je stálejší.
Průměrná teplota mořské vody odráží průměrnou teplotu vzduchu v průběhu roku, ale je o mnoho stálejší, protože nedochází v průběhu dne k takovému kolísání. Průměrná teplota mořské vody také vykazuje mírně vychýlenou teplotní křivku, protože to trvá déle, než se v letních měsících zahřeje a než se během podzimu ochladí.
Jak je to s koeficientem výkonnosti (COP)?
Claus Skyth Larsen: Chladicí systémy jsou projektovány v souladu se špičkovými hodnotami a maximálním zatížením. I v nejteplejších dnech v roce v Dánsku s teplotou okolo 30 °C bývá teplota mořské vody jen něco přes 20 °C. Tím je možné zvýšit účinnost našich chladičů a mnohem lepé využívat energii.
Takže při využití mořské vody dosáhnete lepší COP?
Niels Henrik Harbo: Ano, mnohem lepší. Za teplého dne by vzduchem chlazené chladiče mohly běžet při teplotě kondenzátoru přibližně 40 °C. Při chlazení mořskou vodou obvykle pracujeme s podstatně nižšími teplotami, a to o 10 až 15 °C nižšími.
Jak moc zvýšíte váš COP snížením teploty kondenzátoru?
Claus Skyth Larsen: Používáte-li čpavek jako chladivo, pak snížení teploty o 5 až 6 °C bude mít za následek úsporu energie na vašem COP o více než 10 %. Zhruba dvě procenta za každý °C.
Zajistí chlazení mořskou vodu vždy nejlepší COP?
Niels Henrik Harbo: Občas je účinnost nižší, pokud využíváte spíše vzduchové chlazení místo chlazení mořskou vodou, např. během pozdního léta nebo na podzim, kdy mořská voda je poměrně teplá v porovnání s teplotou vzduchu. V tomto ohledu je zajímavý profil zatížení. Je nutné jej počítat za celý rok. V COWI používáme modelování k výpočtu profilu zatížení, a to pro každou hodinu v průběhu celého roku. Výpočet ukáže, zdali tyto události mají významný dopad na celkovou účinnost – obvykle to tak není.
Ušetří chlazení mořskou vodou peníze?
Claus Skyth Larsen: Při srovnání s chlazením vzduchem je úspora energie přibližně 50 %. To je dost. Je to způsobeno účinností a úsporami ze zvýšené výroby. Systém chlazení mořskou vodou je navržen tak, aby byl co nejefektivnější. Malé vzduchem chlazené jednotky se tomu nikdy nemohou vyrovnat.
Projekt a komponenty
Při projektování a stavbě zařízení pro chlazení mořskou vodou musí být vzata v úvahu řada faktorů. V části 1 rozhovoru se naši odborníci soustředili na úlohu teploty mořské vody. V části 2 se BLUEPRINT ptá Nielse Henrika Harba a Clause Larsena Skytha na další důležitá témata, včetně filtrace, materiálů a dalších faktorů.
Mohli byste nám něco říci o některých technických aspektech zařízení pro chlazení mořskou vodou?
Claus Skyth Larsen: Jedním z nejdůležitějších technických aspektů úspěšného zařízení je filtrace mořské vody. Pro udržení stálého provozu musíte zajistit, že je dostatečně čistá.
Niels Henrik Harbo: Udržení správné míry filtrace a čistoty systému je největším technickým problémem tohoto systému. Filtrace je zajišťována dvoustupňovou filtrací s hrubou předfiltrací následovanou jemnější filtrací až na 150 - 300 mikronů. Filtry jsou obvykle samočisticí zařízení, a to v závislosti na aplikaci. V některých systémech jsme schopni změnit tok mořské vody, a tak můžeme odstavit výměník a obrátit tok za účelem zpětného proplachu systému.
Biomasa a vegetace
Pro většinu přístavů v Dánsku představuje problém udržování čistoty systému biomasa a vegetace, tj. růst rostlin, mušlí a larev, které je nutné filtrovat, aby systém mohl pracovat efektivně a zabránilo se jeho biologickému znečištění.
Jak lze zabránit biologickému znečištění?
Niels Henrik Harbo: Pro čištění vody během provozu jsou nezbytné filtry. Dále je třeba kontrolovat a čistit výměníky tepla, což lze provádět chemicky. Také je nutné výměníky navrhnout správně tak, aby byla zajištěna určitá rychlost průtoku přes systém.
Faktory umístění
V souvislosti s umístěním vtoků mořské vody je nutné vzít v úvahu řadu aspektů. Jedním z nich je hloubka vtoků, jelikož teplota vody je stálejší ve větších hloubkách. Některé lokality, jako jsou Stockholm ve Švédsku a některé norské fjordy, jsou schopny přijímat vodu z hloubky 100 až 200 metrů. To zaručuje konstantní nízkou teplotu vody, kterou lze použít pro účely chlazení, a to celý rok bez potřeby chlazení kompresorů.
Claus Skyth Larsen: Je také důležité mít na paměti, že místo, kde budete čerpat mořskou vodu do systému, by mělo být v určité vzdálenosti od místa, kde vodu vypouštíte. V opačném případě riskujete oteplování čerpané vody vratnou vodou, čímž se snižuje účinnost systému. Kodaňský přístav je v tomto ohledu opravdu fantastický, jelikož je na obou stranách otevřen. To znamená, že voda je neustále vyměňována, čímž je výrazně sníženo riziko, že by se teplá voda mohla vrátit do systému.
Niels Henrik Harbo: Dalším problémem může být biologický růst v oblasti výtoku v závislosti na tom, jak moc zahříváte vratnou vodu. Opět platí, že pokud nejste opatrní, může to způsobit problémy při čerpání vody do systému a to, že budete potřebovat lepší filtraci a čištění. Také je třeba vzít v úvahu další vtoková místa, aby nebyl ovlivněn jejich provoz.
Jak je to s výběrem materiálů v zařízení pro chlazení mořskou vodou, má to zde vliv?
Claus Skyth Larsen: Naprosto. Podíváme-li se na volbu materiálů, tak pro potrubní vedení mořské vody navrhují projektanti PE (plastové) potrubí. Uhlíková ocel nebo nerez ocel se obvykle nepoužívají.
Titanové výměníky
Claus Skyth Larsen: Pokud jde o výměníky, většinou se používají deskové výměníky tepla. U většiny z nich je použitým materiálem titan. Samozřejmě jde o jinou volbu materiálu ve srovnání s běžně chlazenou vodou, kdy se pro deskové výměníky tepla používá nerez ocel.
Ochrana proti korozi
Claus Skyth Larsen: Pro ventily se často volí bronzové lakováním nebo nerez ocel vyrobená duplexním pochodem, zatímco my většinou používáme celobronzová čerpadla, kdy jak těleso čerpadla tak i oběžná kola jsou z bronzu. Všechny díly, které přicházejí do styku s médiem. Je nutné používat materiál odolný vůči mořské vodě, který nekoroduje. To je zvláště důležité.
Setkání s experty
BLUEPRINT se setkal s několika odborníky, aby se dozvěděl více o chlazení mořskou vodou. Neils Henrik Harbo a Claus Larsen Skyth jsou oba zaměstnanci COWI, přední dánské projektové a konzultační společnosti s 6,000 zaměstnanci po celém světě. Oba mají bohaté zkušenosti s projektováním zařízení pro chlazení mořskou vodou.
Niels Henrik Harbo
Neils Henrik Harbo je projektový a technický ředitel pro průmysl a energetiku v COWI Denmark a odpovídá za udržování vedoucí pozice a další rozvoj COWI v odvětví chladicích systémů. Vystudoval strojírenství a má více než 14ti leté zkušenosti s projektováním. Pan Harbo sehrál významnou úlohu v budování odborného týmu COWI specializujícího se na chladicí systémy a projektuje zařízení pro chlazení mořskou vodou po celém světě.
Claus Skyth Larsen
Claus Skyth Larsen je vedoucím expertem na chlazení a chladicí zařízení v COWI Denmark. Pan Larsen vystudoval strojírenství a specializuje se na chlazení. Jako vedoucí expert se podílí na celých projektech od studií proveditelnosti, vypracování projektu a zprovoznění a poradenství. Pan Larsen navrhl po celém světě řadu zařízení pro chlazení mořskou vodou, včetně prvního velkokapacitního zařízení pro chlazení mořskou vodou v Dánsku, Kgs. Nytorv v centru Kodaně.
Benefits of cooling with seawater from cooling with the air is lower temperature of seawater and better properties of water for heat transfer. In most cases, this means lower costs. If the building is located near the sea, lakes or rivers, then this water can be used as a cooling medium.