Systemy chłodzenia hal. Jakie są skuteczne metody chłodzenia hal produkcyjnych?

Systemy chłodzenia hal są niezbędne dla zachowania właściwego mikroklimatu zarówno w strefach produkcyjnych, jak i pomieszczeniach socjalnych, technicznych czy biurach. Jakie są metody chłodzenia hal produkcyjnych? Które systemy chłodzenia hal są najbardziej efektywne?

Spis treści

1. Systemy chłodzenia - mikroklimat w pomieszczeniach towarzyszących
2. Systemy chłodzenia - mikroklimat w strefach produkcyjnych
3. Chłodzenie adiabatyczne hali produkcyjnej
4. System chłodzenia powietrza w systemie DEC
5. Energia odnawialna w systemach chłodzenia hal
6. Systemy chłodzenia z agregatami sprężarkowymi

Systemy chłodzenia - mikroklimat w pomieszczeniach towarzyszących

W pomieszczeniach bytowych najczęściej należy zachowywać warunki komfortu cieplnego, czyli temperaturę powietrza w zakresie 20–22 (25)°C i wilgotność względną na poziomie 30–60%. Niezbędne jest także zapewnienie świeżego powietrza,co można uzyskać poprzez dostarczanie do strefy przebywania ludzi strumienia powietrza nawiewanego, co najmniej30–40 m³/h na osobę. Minimalny strumień określony jest w warunkach technicznych i dla pomieszczeń bytowych,wyposażonych w otwierane okna, wynosi 20 m³/h na osobę,jednak w praktyce, ze względu na stosowane obecnie wyposażenie wnętrz (dużo elementów wykonanych z tworzyw sztucznych,wykładzin), a także sprzętu komputerowego, ta wartość nie pozwala na utrzymanie odpowiedniej jakości powietrza. W pomieszczeniach zaplecza technicznego warunki mikroklimatu utrzymuje się na poziomie umożliwiającym zabezpieczenie i prawidłowe działanie znajdujących się w nich urządzeń i instalacji. Kształtowanie mikroklimatu inaczej wygląda w odniesieniu do pomieszczeń magazynowych i hal przemysłowych. W magazynach można spotkać się z minimalnymi wymaganiami w tym zakresie, jednak w niektórych przypadkach względy technologiczne związane z cechami charakterystycznymi przechowywanych materiałów do produkcji lub produktów gotowych wymagają ściśle określonych parametrów cieplno-wilgotnościowych powietrza, zarówno w zakresie minimalnych lub maksymalnych wartości, a także ich dobowych wahań. Jeszcze częściej wymagania technologiczne wymuszają mikroklimat zazwyczaj znacznie odbiegający od przyjętych powszechnie warunków komfortu czy wytycznych wskazywanych w przepisach prawnych.

Systemy chłodzenia - mikroklimat w strefach produkcyjnych

W obowiązujących przepisach przy określaniu warunków mikroklimatu pomieszczeń pracowniczych można znaleźć ogólnie określone granice, w jakich powinna zawierać się temperatura powietrza wewnętrznego. W przypadku braku innych wymagań technologicznych we wnętrzach, w których wykonywana jest praca fizyczna, zaleca się, aby nie osiągała niższych wartości niż 14°C i nie była wyższa niż 28°C.

Intensywność wentylacji i rozwiązania odpowiadające za wymianę powietrza w pomieszczeniach produkcyjnych powinny uwzględniać rodzaj i wielkość pojawiających się zanieczyszczeń. We wnętrzach o niskich wymaganiach mikroklimatu i małych obciążeniach zanieczyszczeniami technologicznymi wystarczająca okazuje się często wentylacja grawitacyjna (aeracja). Z kolei w tych o podwyższonych wymaganiach oraz przy dużych zanieczyszczeniach muszą być stosowane rozbudowane instalacje wentylacji mechanicznej, a często nawet skomplikowane i kosztowne systemy uzdatniające nawiewane powietrze. Niekiedy konieczne jest również zróżnicowanie sposobu i intensywności dostarczania uzdatnionego powietrza do wybranych stref pomieszczeń.

We wnętrzach produkcyjnych, w których występują duże zyski ciepła, w celu wytworzenia możliwie komfortowych warunków dla pracowników stosuje się różnego rodzaju rozwiązania obniżające panującą w nich temperaturę powietrza. Wykorzystuje się tutaj chłodzenie wodne (adiabatyczne, ewaporacyjne), typowe chłodzenie z zastosowaniem agregatów chłodniczych sprężarkowych, chłodzonych wodą lub powietrzem, odnawialne źródła chłodu, np. w postaci wymienników gruntowych, a także bardziej rozbudowane urządzenia wentylacyjne, np. systemy typu DEC.

Chłodzenie adiabatyczne hali produkcyjnej

Do obniżenia temperatury powietrza nawiewanego może służyć proces nawilżania wodnego w komorach zraszania lub komorach z wypełnieniem zraszanym, gdzie w bezpośrednim kontakcie powietrza z wodą realizowana jest przemiana adiabatyczna. Rozwiązania działające na takiej zasadzie to systemy chłodzenia adiabatycznego, zwane też wyparnymi lub ewaporacyjnymi. Często ich główną rolą może być zapewnienie odpowiedniej wilgotności powietrza w hali (np. w okresie zimowym).

• Na czym polega CHŁODZENIE ADIABATYCZNE

System chłodzenia powietrza w systemie DEC

Jedną z alternatywnych metod chłodzenia i osuszania powietrza zewnętrznego może być system DEC (ang. Desiccant and Evaporative Cooling). Jego główny element stanowi rotor sorpcyjny z nagrzewnicą regenerującą złoże higroskopijne. Na rys. przedstawiono przemiany dla okresu letniego realizowane w centrali. Powietrze zewnętrzne (pkt 6, rys. 3) w tych rozwiązaniach jest osuszane w wymienniku obrotowym ze złożem higroskopijnym o wysokiej temperaturze. Uzyskuje ono przez to bardzo niską zawartość wilgoci (ok. 6 g/kg przy temperaturze np. 24°C), ale jednocześnie znacznie wzrasta jego temperatura. Nadmiar ciepła odprowadzany jest w kolejnym wymienniku obrotowym (pkt 8), dzięki powietrzu usuwanemu o względnie niskiej temperaturze (dodatkowo ochłodzonemu adiabatycznie). Zastosowany w tym układzie drugi wymiennik może być wyposażony w standardowe niehigroskopijne wypełnienie. Następnie powietrze jest ochładzane, nawilżane adiabatycznie i nawiewane do pomieszczenia. Z kolei powietrze wywiewane z pomieszczenia (pkt 1) jest nawilżane w komorze zraszania (przemiana adiabatyczna – pkt 2), podgrzewa się przez wymiennik obrotowy niehigroskopijny (pkt 3), ochładzając jednocześnie powietrze nawiewane (pkt 7 i 8).

Następnie zostaje ono ogrzane do wysokiej temperatury (pkt 4) oraz wpływa do higroskopijnego rotora i jednocześnie regeneruje jego wypełnienie (osuszanie i podgrzewanie) – pkt 5, a finalnie zostaje usunięte na zewnątrz z wykorzystaniem wyrzutni powietrza. Żeby układ mógł pracować z zadowalającą wydajnością, rotor wymiennika higroskopijnego musi obracać się z niewielką liczbą obrotów tak, aby umożliwić dłuższy kontakt złoża z powietrzem nawiewanym.

Aby praca systemu była ekonomicznie uzasadniona, potrzebny jest dostęp do darmowego źródła wysokotemperaturowego ciepła (powyżej 50°C). Można do tego celu wykorzystać energię odpadową pochodzącą z procesów produkcyjnych, a także ciepło z powietrznych kolektorów słonecznych. System określany jest wtedy jako SDEC.

W Polsce można uzyskać minimalną temperaturę powietrza nawiewanego na poziomie ok. 18°C [2]. Przy sprzyjających warunkach zewnętrznych procesy uzdatniania powietrza mogą się odbywać bez użycia chłodnicy powietrza.

Energia odnawialna w systemach chłodzenia hal

Do chłodzenia hal przemysłowych wykorzystuje się również energię odnawialną pochodzącą np. z wymienników gruntowych o różnej konstrukcji. Dostępne na rynku rozwiązania można podzielić na trzy grupy: wymienniki przeponowe, bezprzeponowe i z czynnikiem pośredniczącym. Przykładem tych pierwszych są modele rurowe, w których przepływające powietrze nie ma bezpośredniej styczności z gruntem. Pod powierzchnią gruntu lub budynkiem umieszcza się system rur, przez które przepływa strumień powietrza zewnętrznego, pobieranego przez czerpnię terenową. Dla wyrównania oporów i uzyskania zrównoważonego przepływu zaleca się stosować tu układ Tichelmanna. Wymiana ciepła zachodzi pomiędzy powietrzem a otaczającym rury gruntem, dzięki przenikaniu energii przez membranę oddzielającą powietrze od gruntu, w związku z czym nie następuje wymiana masy. Jedynie w określonych warunkach temperaturowych w okresie ciepłym i przejściowym możliwe jest osuszanie przepływającego powietrza w wyniku wykraplania wewnątrz kanałów wymiennika, a w okresie zimowym nie dochodzi czasem do korzystnego nawilżania powietrza. Wspomniane wykraplanie wilgoci z powodu szczelności kanałów powietrznych może powodować problemy ze sprawnym jej usuwaniem tak, aby zalegająca woda nie powodowała skażenia strumienia przepływającego powietrza.

Rury wymienników przeponowych powinny być układane z niewielkim spadkiem, zgodnie z kierunkiem przepływu powietrza. Dla poprawy higieniczności pracy układu mogą być stosowane rozwiązania ograniczające rozwój drobnoustrojów wewnątrz przewodów powietrznych, np. elementy wykonane z materiałów zawierających tlenki srebra. Trzeba jednak podkreślić, że w odróżnieniu od zasobników wody w wymiennikach gruntowychpanują znacznie mniej korzystne warunki temperaturowe dla mikroorganizmów, co powoduje nie tylko zahamowanie ich rozwoju, ale nawet zmniejszenie ich liczebności w przepływającym przez wymiennik strumieniu powietrza. Drugą grupę stanowią wymienniki bezprzeponowe – na rynku dostępne są modele:

• płytowe,
• grzebieniowe,
• klasyczne żwirowe – popularnie określane jako GWC.

W tych rozwiązaniach strumień przepływającego powietrza ma bezpośredni kontakt ze złożem i często z otaczającym wymiennik gruntem. Możliwa jest zatem wymiana nie tylko energii, ale również masy. W zależności od chwilowych warunków cieplno-wilgotnościowych mogą zachodzić procesy osuszania lub nawilżania powietrza. Wykraplająca się okresowo wilgoć ze strumienia przepływającego przez wymiennik powietrza zazwyczaj nie powoduje dodatkowych problemów. Występujące skropliny najczęściej są częściowo wchłaniane przez masę wypełnienia złoża lub odpływają swobodnie do gruntu.

W wymiennikach gruntowych może być realizowane wstępne uzdatnianie powietrza wentylacyjnego. W sezonie letnim ochładzanie powietrza czasem połączone z osuszaniem, w sezonie zimowym podgrzewanie, a niekiedy również nawilżanie.

Systemy chłodzenia z agregatami sprężarkowymi

Mechaniczna wentylacja lub klimatyzacja bazująca na współpracy central wentylacyjnych z agregatami sprężarkowymi jest typowym rozwiązaniem stosowanym w wielu obiektach przemysłowych. Centrale, wyposażone w elementy konieczne do właściwego uzdatniania powietrza nawiewanego, lokalizowane są często na dachu, a system kanałów rozprowadza powietrze do stref wymagających nawiewu (w celu ograniczenia rozległości instalacji kanałowych w obiektach wielkokubaturowych można stosować centrale bezkanałowe.

Co ważne, w obiektach przemysłowych stosuje się często odciągi miejscowe, usuwające powietrze bezpośrednio poza pomieszczenie. Ich znaczna liczba oddziałuje na stosunek wielkości strumienia powietrza nawiewanego i wywiewanego – ten drugi może być znacznie mniejszy. Ma to wpływ na efektywność pracy wymienników do odzysku ciepła, poza tym nieuwzględnienie tej dysproporcji strumieni może skutkować występowaniem znacznego podciśnienia w pomieszczeniach, a to z kolei prowadzić do zakłócenia prawidłowej pracy całego systemu wentylacji.

Chłodnicze agregaty sprężarkowe zużywają znacznie więcej energii w porównaniu do np. systemów chłodzenia adiabatycznego. Mogą jednak zapewnić precyzyjne parametry powietrza nawiewanego, niezależnie od parametrów powietrza zewnętrznego (warunków środowiskowych panujących na zewnątrz). Agregaty najczęściej zasilane są energią elektryczną (na rynku dostępne są również modele gazowe), aby ograniczyć ich zapotrzebowanie energetyczne, stosuje się rozwiązania z inwerterami, freecoolingiem lub z chłodzeniem adiabatycznym skraplaczy.

Funkcja freecoolingu np. pozwala na bardziej ekonomiczną pracę urządzenia przy niższych temperaturach powietrza zewnętrznego. Pewnym rozwiązaniem jest rozbudowa układu agregatów chłodniczych i zagospodarowanie ciepła odpadowego powstającego w trakcie ich pracy do podgrzania c.w.u. lub innych celów związanych z produkcją.