یک روش مقرون به صرفه برای سرمایش محیط های صنعتی و دیگر محیط هایی که نیاز به تهویه مطبوع دارند، سیستم فری کولینگ است.
مصرف انرژی در این سیستم بسیار پایین است 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؟
این سیستم را که می توان به «سیستم های سرمایش رایگان» نیز ترجمه کرد، سیستم هایی اند 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.
بیشتر بخوانید: کمپرسور سردخانه چیست
با توجه به این که این نوع سیستم ها از آب یا هوای خنک طبیعی استفاده می کنند عملکرد آن ها بستگی به شرایط آب و هوایی محیط دارد به همین دلیل 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 این سیستم، 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 این سیستم 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 فری کولینگ یا به صورت یکپارچه با دستگاه چیلر ارائه می شود؛ یا به صورت جداگانه به مدار سیستم سرمایشی افزوده می گردد.
به طور کلی این سیستم ها 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.
بیشتر بخوانید: آشنایی با انواع مبدل حرارتی
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.
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 با دمای 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 هستند با این تفاوت که تعدادی مبدل حرارتی هوا خنک به همراه یک شیر سه راهه و قطعات کنترلی به آن ها اضافه شده است.
بیشتر بخوانید: چیلر زیر صفر چیست
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 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 فری کولینگ هوایی، خود به دو گروه مستقیم و غیر مستقیم دسته بندی می شوند.
فری کولینگ هوایی مستقیم
نحوه کار این دسته از سیستم ها 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 بلکه 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 این سیستم 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.
بیشتر بخوانید: قیمت برج خنک کننده
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 نخواهد شد 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 باز می شوند. در شرایط مطلوب و در صورت طراحی مناسب، این سیستم با جریان طبیعی مبرد می تواند ظرفیتی به اندازه 40 – 60% 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 ها، 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 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 این سیستم عموماً به صورت ترکیبی با سیستم سرمایش مکانیکی به کار می رود. مهم ترین مزیت آن 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.
چیلر فری کولینگ چیست؟
در هر سیستم، انتخاب درست تجهیزات و متناسب با کاربری مورد نظر و نیازهای منحصر به فرد مشتری، یکی از مهم ترین اقدامات است و به گونه ای چشمگیر بر بازده عملیاتی سیستم موثر خواهد بود. از این منظر، لازم است ابتدا به این نکته اشاره کنیم که برای یک سیستم فری کولینگ معین، به کار بردن چیلر مناسب تر است یا مبدل حرارتی!
انتخاب بین استفاده از چیلر یا مبدل حرارتی در این سیستم، به عوامل مختلفی مانند بار سرمایشی ساختمان، مکان، شرایط آب و هوایی و طراحی سیستم خنک کننده بستگی دارد. هم چیلرها و هم مبدل های حرارتی می توانند در این سیستم ها، برای خنک کردن آب یا سایر سیالات در حلقه آب سرد ساختمان به کار روند با این حال، نحوه عملکرد آن ها متفاوت است.
چیلرها معمولا در سیستم های تبرید مکانیکی برای خنک کردن آب یا سایر سیالات، در حلقه آب سرد ساختمان مورد استفاده قرار میگیرند. طی فری کولینگ، میتوان چیلرها را دور زد و آب را به یک مبدل حرارتی خارجی هدایت کرد که با استفاده از هوای بیرونی با دمای پایین، آب را خنک میکند. اگر اوج تابستان است باید از چیلر برای تولید مکانیکی آب خنک استفاده کنید در حالی که یک مبدل حرارتی، هنگامی که دمای بیرون بالاتر از دمای انجماد اما کمتر از دمای آب سرد باشد، به تنهایی به کار میرود.
این چیلرها برای تامین بار سرمایشی مورد نیاز در تمام طول سال به کار می روند. این چیلرها، از هوای سرد بیرون و یا یک منبع آب سرد، برای خنک کردن محیط داخلی استفاده میکنند و در واقع پتانسیل صرفه جویی موجود در این منابع تجدیدپذیر را به طور کامل به کار می گیرند.
بیشتر بخوانید: قیمت چیلر تهویه مطبوع
در این چیلر، بدون استفاده از کمپرسور، آب در گردش، در مجاورت هوای سرد محیط قرار گرفته و پس از خنک شدن، به چرخه باز می گردد. اختلاف دمای آب برگشتی و هوای سرد محیط، مبنای استفاده از چیلر این نوع چیلر است. حداقل این اختلاف دما به اندازه 1 درجه سانتی گراد است به طوری که دمای آب حداقل باید 1 درجه بالاتر از دمای هوای محیط باشد در غیر این صورت، استفاده از چیلر فری کولینگ مناسب نیست و باید با راه اندازی و وارد کردن کمپرسور چیلر به مدار، سرمایش موردنظر فضا را ایجاد کرد.
با پیشرفت بهره گیری از مزایای این سیستم، چیلرهایی دارای سیستم فری کولینگ با مدیریت هوشمند، ساخته شده اند که هدف آن ها دستیابی به بهترین عملکرد چیلر در هر شرایطی است.
کارکرد این چیلرها به این صورت است که بر اساس شرایط هوای بیرون و دمای آب کارکرد، چیلر به صورت خودکار بین حالت چیلر فری کولینگ کامل، چیلر فری کولینگ هیبریدی و خنک کننده مکانیکی Switch می کند. برای مثال در یک چیلر فری کولینگ هوایی، هنگامی که دمای هوای بیرون به 1 درجه سانتی گراد کمتر از دمای آب برگشتی کاهش می یابد، چیلر برای خنک کردن آب، شروع به استفاده از هوای بیرون می کند (چیلر فری کولینگ هیبریدی) که تا حدی از اثر فری کولینگ بهره می برد. ظرفیت چیلر فری کولینگ، با دمای هوای پایین تر، افزایش می یابد تا زمانی که کل نیاز سرمایشی را پوشش دهد و کمپرسورها کاملا خاموش شوند که در این صورت یک چیلر فری کولینگ کامل خواهیم داشت. به این ترتیب بازده عملیاتی فوق العاده بالایی به دست می آید.
به دلیل کاهش بار کاری چیلرهای فری کولینگ، به ویژه کمپرسورها و فن های این سیستم، این اجزا به سختی کار نمی کنند و حتی در مواردی که یک چیلر فری کولینگ کامل داریم، این المان ها کاملا خاموش هستند. به این ترتیب، علاوه بر کاهش هزینه ناشی از صرفه جویی در مصرف انرژی، هزینه های تعمیر و نگهداری سیستم نیز کاهش خواهد یافت. از نقطه نظر سلامت و ایمنی، در مورد چیلرهای فری کولینگ برخلاف برج های خنک کننده، خطر ابتلا به Legionella وجود ندارد بنابراین برای کاهش خطر شیوع، به صرف هزینه اضافی برای تصفیه آب فراتر از حد معمول، نیاز نیست.
افزایش راندمان یک چیلر فری کولینگ، با مرطوب کردن هوای محیط که به کویل های دفع گرما وارد می شود، قابل دستیابی است در واقع هوای محیط، بدون صرف هزینه انرژی اضافی و با عبور از لنت های مرطوب، خنک و مرطوب می شود. به این ترتیب، هوا با دمای کمتری به چیلر فری کولینگ وارد شده و ظرفیت سرمایشی سیستم، افزایش خواهد یافت. از طرفی، در بدترین شرایط محیطی نیز می توان سرمایش محیط را فراهم کرد.
فضاهای بزرگ و با نیاز سرمایشی بالا، به دلیل هزینه های بالای مصرف انرژی، ایده ال ترین مکان ها برای نصب و راه اندازی این سیستم ها هستند به طوری که نصب و راه اندازی آن به جای سیستم های سرمایشی سنتی، به کاهش قابل توجهی در مصرف انرژی و هزینه های جاری، منتهی خواهد شد.
چیلرهای فری کولینگ برای سرمایش مراکز داده، محیط های درمانی مانند بیمارستان ها و کلینیک ها و نیز هتل و مکان های اقامتی/ رفاهی، به منظور صرفه جویی در هزینه ها و کاهش مصرف انرژی، مناسبند.
قیمت چیلر فری کولینگ (عوامل موثر بر آن)
چیلرهای فری کولینگ ممکن است هزینه اولیه بالاتری نسبت به چیلرهای سنتی داشته باشند با این حال صرفه جویی در انرژی و کاهش هزینه های عملیاتی در طول زمان، معمولا سرمایه گذاری اولیه را جبران می کند و در طولانی مدت، این سیستم ها را نسبت به چیلرهای سنتی، مقرون به صرفه تر خواهد کرد.
عوامل متعددی بر قیمت آن اثر می گذارند. واضح است که چیلری با ظرفیت کاری و سرمایشی بیشتر، قیمت بالاتری خواهد داشت. همچنین نوع سیستم فری کولینگ مورد استفاده (هوایی یا آبی)، مستقیم یا غیر مستقیم بودن آن و نیز نوع تجهیزات به کار رفته در چیلر، مانند کمپرسور (Screw، Scroll، Variable speed و …)، فن ها، کویل ها و … در قیمت نهایی آن موثر خواهند بود.
از طرفی چیلری با سیستم پیچیده تر و امکانات کنترلی و ایمنی بیشتر، گران تر است. برای مثال چیلرهای فری کولینگ هیبریدی و مجهز به تجهیزات هوشمند مانند کنترل تبخیر و تراکم هوشمند و دیگر امکانات جانبی، نسبت به انواع ساده این چیلرها، قیمت بیشتری دارند.
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 این سیستم در بیشتر موارد به صورت ترکیبی با سرمایش مکانیکی مورد استفاده قرار می گیرد.
این سیستم ها 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 فری کولینگ هوایی شامل سیستم های مستقیم، غیر مستقیم یک مرحله ای و غیر مستقیم دو مرحله ای می شوند.
همچنین فری کولینگ 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 است.
منابع:
www.melcohit.com/en/ranges/5/air-cooled-chillers-with-free-cooling-technology