Co je to vlastně Free cooling?

Velkou energetickou nevýhodou standardního kompresorového chlazení je, že při výrobě chladu fungují spolu s ventilátory i kompresory, které spotřebovávají několika násobně více energie než ventilátory.

Free cooling se vyplatí pro budovy, kde je nutné chladit celoročně.

Pro maximální využití Free coolingu je také vhodné, když je teplota chladící vody vyšší, než je běžně obvyklé. Běžná teplota chladící kapaliny bývá např. 6/12 °C, pro Free cooling je vhodnější vyšší teplota – např. 14/18 °C.

Teplota chladící vody je velice důležitý údaj, protože pokud budeme používat teplotní spád 6/12 °C, pak 100% výkon jednotky pro Free cooling navrhujeme na teplotu venkovního vzduchu +4 °C. Teplota nižší než +4 °C je 3 040 hodin ročně (údaj je brán z Referenčního klimatického roku pro Prahu Ruzyni – dále jen RKR). Pokud použijeme teplotní spád 14/18 °C, pak je možné navrhovat Free cooling na 100% výkon už od teploty +12 °C, což představuje možnost provozovat free cooling cca 5 687 hodin ročně. To je o 87 % déle než u první varianty. Na níže uvedeném grafu vidíme hodinové rozložení teplot v závislosti na venkovní teplotě dle RKR Praha Ruzyně.

Příklady použitelnosti Free coolingu při daných teplotních spádech.

Teplota chladící vody 6/12 °C.
Roční využitelnost cca 34 %.

Teplota chladící vody 14/18 °C.
Roční využitelnost cca 64 %.

Červenou barvou je znázorněn rozdíl využitelnosti Free coolingu mezi teplotními spády 6/12 °C a 14/18 °C.

Rozdíl využitelnosti je cca 30 %.

Typy Free coolingu

Přímý Free coling chladivem

V současné době se používají 3 druhy zapojení Free coolingu do systému. Každý typ zapojení má své výhody a nevýhody.

• Přímý Free cooling chladivem
• Free cooling vestavěný do jednotky
• Oddělený Free cooling CIAT

Přímý Free coling chladivem

Do chladícího okruhu je nainstalován bypass a čerpadlo chladiva. Při Free coolingu se zapne čerpadlo chladiva a otevře se bypass a začíná fungovat Free cooling.

Výhodou tohoto zařízení jsou stejné rozměry a stejná hmotnost jednotky a snadná regulace chodu motorů. Velkou nevýhodou je malý výkon, více částí v chladivovém okruhu, větší objem chladiva (o 20 %) a nemožnost provozovat strojní chlazení a Free cooling současně.

Free cooling vestavěný do jednotky

Free cooling vestavěný do jednotky

Toto je velice populární a jednoduchý způsob instalace Free coolingového výměníku do jednotky. Před kondenzátor je nainstalován další lamelový výměník, ve kterém proudí nemrznoucí kapalina. Touto instalací se ušetří zabraná plocha jednotky a využívají se stejné ventilátory jako při kompresorovém chlazení.

Toto zapojení má bezesporu mnoho výhod ať již ve stejných rozměrech a velice snadné instalaci, ale nevýhody převažují nad výhodami. Mezi nevýhody patří zvýšená tlaková ztráta vzduchu ve výměnících a tím pádem i vyšší nutný příkon ventilátorů, vyšší plošné zatížení a největší nevýhoda je v regulaci chodu motorů ventilátorů.

Chod motorů ventilátorů se řídí potřebami chladícího okruhu (kompresoru) strojního chlazení.
Strojní chlazení vyžaduje při nízkých teplotách menší průtok vzduchu přes vzduchový výměník (kondenzátor), a proto vypíná jednotlivé ventilátory dle potřeby (teploty chladiva). Zatímco Free cooling (přímé chlazení kapaliny venkovním vzduchem) potřebuje, aby byly v provozu všechny ventilátory na maximální výkon, a tak může být výkon Free coolingu co největší.

Tyto požadavky jsou naprosto protichůdné. Protože prioritu musí mít vždy požadavek strojního (kompresorového) chlazení, tak samotný Free cooling má při souběžném chlazení kvůli malému průtoku vzduchu malý výkon a tudíž je málo efektivní.

Oddělený Freecoling CIAT

Oddělený Free cooling CIAT

Strojní (kompresorové) chlazení a Free cooling jsou od sebe oddělené ve dvou různých jednotkách, které mají stejný design a po instalaci za sebou vypadají jako jedna jednotka. Propojené jsou pouze spolu komunikačním kabelem a rozvody ochlazované kapaliny. Chlazená kapalina vchází nejprve do jednotky Free coolingu, kde se předchladí (nebo ochladí, záleží na okolních podmínkách) a poté vstupuje do strojního chlazení, kde se v případě potřeby kapalina dochladí na požadovanou teplotu.

Mezi nevýhody patří vyšší hmotnost celku a větší rozměry. Výhodou je možnost doplnit Free cooling ke stávající jednotce a vynikající regulace chodu ventilátorů. Na rozdíl od vestavěného Free coolingu se ventilátory řídí podle požadavku Free coolingové části a v případě vhodných podmínek je Free cooling využíván na maximální výkon a není ničím omezován. Proto je efektivita chodu při souběžném chlazení maximální a úspory na spotřebované energii velice vysoké.

Závěr

Při návrhu Free coolingu je proto nutné dbát i na provozní stavy, protože ta nejlevnější zařízení nemusí ušetřit nejvíce peněz. Oddělený Free cooling CIAT má cca o 10 % vyšší investiční náklady, ale je mnohem úspornější a návratnost této investice je stejná jako u vestavěného Free coolingu díky lepší použitelnosti a vyšším ročním úsporám elektrické energie.

Příklad

Výrobník chladu s 6 ventilátory, požadovaná teplota 14/18 °C.

Graf závislosti stupně využitelnosti Free coolingu na venkovní teplotě

• Přímý Free cooling chladivem – tento typ Free coolingu začíná fungovat, až venkovní podmínky dovolí pokrýt 100 % spotřeby potřeby chladu.
• Tradiční Free cooling vestavěný do jednotky – od teploty +18 °C až do teploty +4 °C je stupeň využitelnosti Free coolingu značně omezen, protože spouštění ventilátorů je řízeno podle potřeb strojního (kompresorového) chlazení, které si zapíná ventilátory tak, aby nedošlo k podchlazení chladiva.
• Oddělený Free cooling CIAT – při teplotách nižších než +18 °C běží Free coolingová jednotka na plný výkon, aby co nejvíce ulehčila provoz strojního chlazení, které je energeticky mnohem náročnější. Od teploty +12 °C pak je strojní chlazení vypnuto a Free coolingová jednotka plně pokrývá požadavek na výrobu chladu.