سیستم فری کولینگ چیست و ویژگی های آن

با توجه به افزایش هزینه های مصرف انرژی، در حال حاضر بسیاری از افراد به دنبال راهکارهای مناسب برای کاهش مصرف آن هستند. در عصر امروز، استفاده از انرژی برق، گاز و آب برای انجام فعالیت های مختلفی مانند گرم کردن و سرما دادن به محیط، پخت و پز، تهویه مطبوع و غیره رایج است.

استفاده از تجهیزاتی که با حداقل مصرف انرژی و هزینه انجام این فعالیت ها را ممکن می سازند، بسیار سودمند است. یک روش مقرون به صرفه برای تولید برودت و سرما در محیط های صنعتی و دیگر محیط هایی که نیاز به تهویه مطبوع و سرمایش دارند، سیستم فری کولینگ است.

مصرف انرژی در این سیستم بسیار پایین بوده، چرا که از دمای پایین محیط در ماه های سرد سال برای تامین سرما استفاده می شود. در ادامه این مقاله سیستم فری کولینگ و نحوه کارکرد آن و همچنین انواع این سیستم توضیح داده شده و در نهایت به مزایا و معایب آن پرداخته می شود.

فری کولینگ (Free Cooling) چیست؟

سیستم های فری کولینگ که می توان آن ها را به «سیستم های سرمایش رایگان» ترجمه کرد سیستم هایی هستند که وظیفه سرمایش را با استفاده از آب یا هوای خنک محیط انجام می دهند، نه با مصرف انرژی و کار مکانیکی.

البته در این سیستم ها نیز برای به کار انداختن فن ها و پمپ ها انرژی مصرف می شود ولی به دلیل عدم نیاز به کمپرسور (یا ژنراتور در سیستم های جذبی) مصرف انرژی بسیار کمتری نسبت به سیستم های سرمایشی مکانیکی دارند. سیستم های فری کولینگ با نام اکونومایزر (Economizer) نیز شناخته می شوند.

با توجه به این که سیستم های فریکولینگ از آب یا هوای خنک طبیعی استفاده می کنند عملکرد آن ها بستگی به شرایط آب و هوایی محیط دارد. لذا معمولاً در فصول پاییز، زمستان و اوایل بهار که دمای هوا پایین است قابل استفاده هستند.

البته در ماه های سرد سال بیشتر ساختمان ها نیاز به گرمایش دارند، ولی مواردی مانند ساختمان دیتاسنترها، قسمت های مرکزی بعضی از ساختمان های تجاری و برخی ساختمان ها یا فرآیندهای صنعتی هستند که حتی در فصول سرد سال نیز نیاز به سرمایش دارند.

لازم به ذکر است که برای قابلیت اطمینان بیشتر معمولاً در کنار سیستم های فری کولینگ، سیستم های سرمایش مکانیکی نیز تعبیه می شوند تا در صورت بالا رفتن بیش از حد دمای محیط سرمایش مورد نیاز توسط سیستم مکانیکی تأمین شود.

همچنین ممکن است سیستم فری کولینگ به صورت ترکیبی با سیستم مکانیکی طراحی شود تا با تأمین بخشی از ظرفیت سرمایشی مورد نیاز، مصرف انرژی سیستم سرمایشی را کاهش دهد. در این حالت سیستم فریکولینگ یا به صورت یکپارچه با دستگاه چیلر ارائه می شود؛ یا به صورت جداگانه به مدار سیستم سرمایشی افزوده می گردد. (‌میتوانید برای آگاهی بیشتر درباره سیستم های سرمایشی مقاله سیستم سرمایشی چیست را مطالعه کنید. )

به طور کلی سیستم های فری کولینگ را می توان به دو دسته هوایی و آبی تقسیم کرد.

عملکرد سیستم فری کولینگ

در روزهای سرد سال مانند پاییز و زمستان، هنگامی که دمای محیط به حد مورد انتظاری که قبلاً بر روی دستگاه تعریف شده است، کاهش می یابد، یک شیر سه راهه در مدار چیلر، بخشی از آب سرد مدار را از دستگاه عبور می دهد و به سمت تجهیزات سیستم فری کولینگ هدایت می کند.

در این روش، با استفاده از یک مبدل حرارتی، هوای خنک محیط به کمک تعدادی فن، از روی مبدل عبور کرده و به واسطه انتقال حرارت صورت گرفته در کویل، باعث کاهش دمای آب مورد نظر می شود.

سپس این آب وارد مدار چیلر شده و مورد استفاده قرار می گیرد. در صورتی که دمای آب خروجی از فری کولینگ در حد انتظار نباشد، دستگاه چیلر وظیفه تامین باقی بار برودتی را بر عهده خواهد داشت. ( شما میتوانید صفحه چیلر دستگاه تزریق پلاستیک که مربوط به اطلاع از قیمت آن است را مشاهده کنید. )

از طرفی دیگر در صورتی که دمای محیط بسیار پایین باشد (به این معنی که دمای محیط پایین تر از دمای آب سرد مورد نیاز باشد)، تمام چیلرها خاموش می شوند و آب مورد نیاز به طور کامل توسط سیستم فری کولینگ تامین می شود.

زمانی که هوای محیط گرم باشد (مانند فصل تابستان)، می توان مسیر عبور آب به سیستم فری کولینگ را توسط شیر سه راهه مسدود کرده و به طور کامل از ظرفیت چیلر استفاده کرد.

اجزای سیستم فری کولینگ

تجهیزات سیستم فری کولینگ کاملاً مشابه چیلرهای معمولی  است، با این تفاوت که تعدادی مبدل حرارتی هوا خنک به همراه یک شیر سه راهه و قطعات کنترلی به آن ها اضافه شده است.

این تجهیزات اغلب به دو روش نصب می شوند:

۱. نصب مجزا: در این روش کویل های فری کولینگ به طور کامل مجزای از چیلر بوده و توسط لوله ها و شیرآلات کنترلی به مدار چیلر مرتبط می شود. در سیستم مجزا، مبدل های فری کولینگ دارای فن مجزا هستند که باعث عبور هوای آزاد از روی مبدل و انتقال حرارت می شود.

۲. نصب سرهم (یکپارچه): در این حالت، در کنار کویل های کندانسور حاوی مبرد، یک ردیف کویل حاوی آب قرار می گیرد. در روزهایی که دمای هوای محیط پایین است، آب وارد کویل می شود و توسط هوایی که توسط فن های کندانسور به حرکت درآمده، سرد خواهد شد؛ سپس این آب سرد وارد یک مبدل صفحه ای می شود و قبل از ورود به اواپراتور چیلر، آب مدار اصلی سرمایش را سرد می کند. در این طرح، فن های مبدل طرح قبلی حذف می شوند و عمل خنک کاری آب درون کویل ها با استفاده از فن های کندانسور انجام می شود.

سیستم های فری کولینگ هوایی

در سیستم های فری کولینگ هوایی از هوای خنک محیط برای سرمایش ساختمان استفاده می شود. بنابراین برای استفاده از این سیستم ها باید هوای محیط از دمای مد نظر ساختمان پایین تر باشد. سیستم های فریکولینگ هوایی، خود به دو گروه مستقیم و غیر مستقیم دسته بندی می شوند.

فری کولینگ هوایی مستقیم

نحوه کار این دسته از سیستم های فری کولینگ شبیه زمانی است که پنجره اتاق را برای خنک شدن باز می کنیم، با این تفاوت که هوا با کنترل بیشتری وارد محیط می شود. هوای خنک به وسیله فن و از طریق یک کانال به داخل ساختمان هدایت می شود و پس از جذب حرارت از ساختمان خارج می شود.

یکی از مشکلات این روش آن است که هوای محیط مشخصات متغیری دارد به طوری که دما، میزان رطوبت و غلظت ذرات موجود در آن در روزها و حتی ساعت های مختلف متفاوت است؛ و از آن جا که هوا مستقیماً وارد ساختمان می شود شرایط داخل ساختمان کاملاً تحت تأثیر هوای بیرون خواهد بود.

در صورتی که هوای محیط خیلی سرد باشد، می توان برای افزایش دمای هوای ورودی به ساختمان آن را با هوای گرم مخلوط کرد و اگر هوای محیط بیش از حد گرم شود باید سیستم سرمایش مکانیکی وارد عمل شود.

با نصب فیلتر می توان ذرات موجود در هوا را قبل از ورود به ساختمان از آن جدا کرد. برای کنترل رطوبت هوا نیز می توان اقداماتی انجام داد، ولی این اقدامات معمولاً بسیار پرهزینه و پیچیده هستند.

فری کولینگ هوایی غیر مستقیم

در این سیستم ها، هوای بیرون مستقیماً وارد ساختمان نمی شود. در عوض، حرارت به وسیله حداقل یک مبدل حرارتی از هوای داخل به هوای بیرون منتقل می شود. سیستم های غیر مستقیم معایب و مشکلات ذکر شده برای سیستم های مستقیم را ندارند ولی به دلیل وجود مبدل حرارتی بازده پایین تری دارند.

سیستم های فری کولینگ هوایی غیر مستقیم ممکن است به دو صورت یک مرحله ای یا دو مرحله ای طراحی شوند:

• سیستم های یک مرحله ای: در سیستم های یک مرحله ای، انتقال حرارت از طریق یک مبدل حرارتی هوا/هوا انجام می گیرد. هوای گرم داخل و هوای سرد بیرون وارد این مبدل شده و بدون تماس مستقیم، گرما از هوای داخل به هوای بیرون انتقال می یابد. با توجه به بزرگی مبدل های هوا به هوا، این سیستم ها به فضای زیادی نیاز دارند.
• سیستم های دو مرحله ای: در این سیستم ها حرارت به وسیله دو مبدل حرارتی و به واسطه آب از هوای داخل به هوای بیرون منتقل می شود. هر دو مبدل حرارتی از نوع آب/هوا هستند. در مبدل اول، حرارت از هوای گرم داخل به آب در گردش در مبدل منتقل می شود. سپس آب گرم خارج شده از مبدل اول وارد مبدل دوم شده و در آن جا حرارت از آب گرم به هوای سرد بیرون دفع می شود. بر خلاف سیستم های فری کولینگ هوایی مستقیم و غیر مستقیم یک مرحله ای، این سیستم ها نیازی به ورودی های بزرگ هوا در دیواره های ساختمان ندارند و تنها لوله های نسبتاً کوچک آب از ساختمان خارج می شوند.

سیستم های فری کولینگ آبی

در سیستم های فریکولینگ آبی از یک منبع آب خنک برای سرمایش ساختمان، تجهیزات الکترونیکی یا فرآیندهای صنعتی استفاده می شود. آب خنک می تواند از دریا، رودخانه یا از برج خنک کننده تأمین شود.

مهم ترین روش های فری کولینگ آبی با استفاده از برج خنک کن عبارتند از:

چرخه استرینر (Strainer Cycle)

این روش در کنار چیلرهای با کندانسور آبی به کار برده می شود. در این سیستم، سیکل آب برج خنک کن-کندانسور به سیکل آب خنک چیلر متصل است. در زمان هایی که دمای حباب تر هوای محیط به اندازه کافی پایین باشد، آب خنک شده در برج خنک کن به جای ورود به کندانسور، مستقیماً به فن کویل ها، هواسازها یا … فرستاده می شود.

این روش بازده بالایی دارد، ولی آب خارج شده از برج خنک کن حاوی ذرات و آلودگی هایی است که می تواند باعث خوردگی یا گرفتگی لوله ها و کویل های سیستم های سرمایشی شود. برای رفع این مشکل، در مسیر آب یک فیلتر یا صافی (Strainer) تعبیه می شود تا ذرات و آلودگی های موجود در آب جداسازی شوند.

نام گذاری این سیستم ها نیز بر اساس ضرورت استفاده از صافی یا استرینر انجام گرفته است. البته حتی با وجود صافی احتمال گرفتگی در سیستم کاملاً رفع نمی شود و همین مشکل مانع استفاده گسترده از این روش می شود.

جریان طبیعی مبرد (Refrigerant Migration)

در سیستم های با جریان طبیعی مبرد از پدیده سیفون حرارتی (Thermosiphon) برای گردش مبرد در سیکل تبرید استفاده می شود. برای این منظور، کندانسور در ارتفاع بالاتری نسبت به اواپراتور قرار می گیرد و برای فعال شدن سیستم لازم است که دمای آب خروجی از برج خنک کن به اندازه کافی کمتر از دمای آب خنک مورد نیاز باشد.

در این شرایط، مبرد تبخیر شده در اواپراتور به طور طبیعی و بدون نیاز به کمپرسور، از نقطه گرم پایین (اواپراتور) به سمت نقطه سردتر در بالا (کندانسور) حرکت می کند. سپس مبرد در کندانسور حرارت خود را از دست داده و از حالت گاز به مایع تبدیل می شود. مایع خروجی از کندانسور به کمک نیروی جاذبه از کندانسور به اواپراتور جریان پیدا می کند.

سیستم جریان طبیعی مبرد در کنار چیلرهای تراکمی به کار برده می شود. زمانی که دمای حباب تر هوای محیط و در نتیجه دمای آب خروجی برج خنک کن به اندازه کافی پایین باشد کمپرسور خاموش و شیرهای سیستم فری کولینگ باز می شوند. در شرایط مطلوب و در صورت طراحی مناسب، سیستم فری کولینگ با جریان طبیعی مبرد می تواند ظرفیتی به اندازه 60-40% ظرفیت چیلر تراکمی داشته باشد.

مبدل حرارتی صفحه ای (Plate and Frame Heat Exchanger)

این روش در کنار چیلر و برای کاهش مصرف انرژی آن مورد استفاده قرار می گیرد. در این نوع از سیستم های فری کولینگ، آب برگشتی از ساختمان، واحد صنعتی یا … قبل از ورود مجدد به چیلر از یک مبدل حرارتی صفحه ای عبور می کند. از طرف دیگر، بخشی از آب خروجی برج خنک کن نیز وارد این مبدل حرارتی می شود.

بنابراین هنگامی که دمای حباب تر هوای محیط (و درنتیجه دمای آب خروجی برج خنک کن) به اندازه کافی پایین باشد مقداری از حرارت آب سرمایشی توسط آب برج خنک کن جذب شده و دمای آب ورودی به چیلر کاهش می یابد. بدین ترتیب بار سرمایشی چیلر و در نتیجه مصرف انرژی آن کاهش خواهد یافت.

این روش فری کولینگ تنها در مواقعی که دمای حباب تر هوای محیط حداقل 6 درجه سانتی گراد کمتر از دمای آب سرمایشی برگشتی باشد تأثیر قابل توجهی خواهد داشت.

مزایای استفاده از سیستم فری کولینگ

همان طور که اشاره شد سیستم فری کولینگ عموماً به صورت ترکیبی با سیستم سرمایش مکانیکی به کار می رود. مهم ترین مزیت فری کولینگ در این حالت، کاهش بار سرمایشی سیستم مکانیکی و درنتیجه کاهش مصرف انرژی کل سیستم سرمایشی (تا 70%) است.  این امر هم از نظر زیست محیطی، هم از نظر کاهش هزینه های برق مصرفی دارای اهمیت است.

جمع بندی

سیستم های فری کولینگ، سیستم هایی هستند که با حداقل مصرف انرژی و بدون سرمایش مکانیکی سرمایش مورد نیاز ساختمان ها، تجهیزات یا فرآیندها را تأمین می نمایند. البته فری کولینگ در بیشتر موارد به صورت ترکیبی با سرمایش مکانیکی مورد استفاده قرار می گیرد.

سیستم های فری کولینگ به طور کلی به دو دسته هوایی و آبی تقسیم می شوند و هر یک از این دو دسته دارای انواع مختلفی هستند. سیستم های فریکولینگ هوایی شامل سیستم های مستقیم، غیر مستقیم یک مرحله ای و غیر مستقیم دو مرحله ای می شوند.

همچنین فریکولینگ آبی به روش های گوناگونی اجرا می شود که مهم ترین آن ها سه روش چرخه استرینر، جریان طبیعی مبرد و مبدل حرارتی صفحه ای هستند.