Hvordan fungerer adiabatisk køling / evaporativ køling?

1. Faktorer, der påvirker den opnåelige køleeffekt

Ved indirekte evaporative køling finder denne vandfordampning sted på udblæsningssiden af et luftbehandlingsaggregat, hvorved varm udeluft afkøles via et efterfølgende system for varmegenvinding. Den opnåelige afkøling af udeluften afhænger derfor af den mængde vand, der fordamper på udblæsningssiden, samt af udformningen og effektiviteten af det anvendte system for varmegenvinding. Friskluften kan befugtes til næsten mætning uden at forårsage en stigning i luftfugtigheden i tilluften.

Ud over den lufthastighed, hvormed luften strømmer gennem fordampningskøleren, afhænger den mængde vand, der fordamper, og dermed den opnåede køleeffekt, af de luftforhold, som friskluften har, når den træder ind i fordampningskøleren.

De afgørende faktorer her er:

• lufttemperaturen før fordampningen: jo koldere luften er, desto mindre fugt kan den optage, og desto mindre bliver køleeffekten
• luftfugtigheden før fordampningen: Jo mere vand luften allerede indeholder, desto mindre fugt kan den optage, og desto mindre bliver den resulterende temperaturreduktion

Den teoretiske grænse for evaporativ køling nås, når luften er fuldstændig mættet med vand – dvs. ved en relativ luftfugtighed på 100 %. I HVAC-systemer er stigninger i luftfugtigheden til niveauer på 92 til 95 %, afhængigt af udformningen af den anvendte evaporative køler, realistiske til en økonomisk forsvarlig pris.

2. Energibesparelser gennem indirekte evaporative køling i et HVAC-system

En bygnings behov for sensibel køleenergi bestemmes primært af indfaldende solstråling samt interne varmebelastninger fra mennesker, udstyr og belysningssystemer. For at opretholde den tilladte luftfugtighed indendørs kræves der yderligere latent køleenergi afhængigt af udeluftforholdene og interne fugtkilder.

Indirekte evaporative køling er velegnet til sensibel køling af tilluften. Den latente køling, der kræves til affugtning, eller sensibel køling, der overstiger evaporativ kølings potentiale, skal stadig leveres af et mekanisk køleanlæg, dog af passende mindre størrelse. Med et passende systemdesign sparer indirekte evaporative køling betydeligt mere elektrisk driftsenergi til mekanisk køling, end der kræves for at overvinde det ekstra trykfald på luftsiden, der forårsages af udsugningsventilatoren.

Hvis man allerede i planlægningsfasen ønsker at vide, hvor meget energi der kan genereres regenerativt og faktisk spares gennem indirekte evaporative køling, kan dette bestemmes ved hjælp af en simuleringsberegning for driften af HVAC-systemet på den pågældende byggeplads. Denne simulering skal inddrage alle de udendørs luftforhold, der forekommer i løbet af året, samt de relevante designparametre for klimaanlægget.

3. Beregningseksempel ved hjælp af et simuleret klimaanlæg

Simulering af et klimaanlæg med indirekte evaporativ køling. Energibidraget fra indirekte evaporativ køling (adiabatisk køling) vil nu blive illustreret ved hjælp af en eksempelberegning for en modelbygning. Dette betyder, at den samlede kølekapacitet, der kræves for at køle modelbygningen, beregnes ved hjælp af lokale meteorologiske data, sammen med bidraget fra indirekte evaporative køling i løbet af året. Resultaterne kan derefter tjene som et realistisk grundlag for korrekt dimensionering af systemet og for vurdering af omkostningseffektiviteten af denne effektiviseringstiltag i systemplanlægningsfasen.

Følgende yderligere designparametre, der er relevante for systemsimuleringen, blev antaget:

Luftstrøm i luftbehandlingsaggregatet: 52.500 m³/h

Antal brugsdage pr. uge: 7 dage

Start på de daglige driftstimer: kl. 06.00

Stigning i luftfugtigheden i rummet: 1,0 g/kg

Minimum/maksimum luftfugtighed i rummet: 40/65 % r.f.

Omskiftningsdifferentiale for evaporativ køling: 1,0 K

Befugtningseffektivitet: 94 %

Varmegenvinding: 0,75

De samlede årlige energibidrag opnås ved at summere de individuelle resultater, der er fastlagt ved simuleringen for hver time i året. Beregningerne er baseret på statistiske lokalitetsdata fra den globale meteorologiske database Meteonorm Version 6.1 for de fem lokaliteter Berlin, München, Stuttgart, Wien og Bregenz.

Berlin:

Qₖ (32 °C, 40 % relativ luftfugtighed (RF)): 321 kW | Driftstimer: 912 h/år | Qₖ, i alt: 560 kW | Qₖ, mekanisk: 351 kW | Qₖ, fordampning + WRG: 209 kW | Wₖ, i alt: 120.098 kWh/år | Wₖ, mekanisk: 53.887 kWh/år | Wₖ, fordampning: 56.479 kWh/år | Wₖ, WRG: 9.733 kWh/år | Reg.: 55,1 %

München:

Qₖ (32 °C, 40 % relativ luftfugtighed (RF)): 321 kW | Driftstimer: 758 h/år | Qₖ, i alt: 371 kW | Qₖ, mekanisk: 269 kW | Qₖ, fordampning + Varmegenvinding: 102 kW | Wₖ, samlet: 93.628 kWh/år | Wₖ, mekanisk: 44.849 kWh/år | Wₖ, fordampning: 42.871 kWh/år | Wₖ, varmegenvinding: 5.909 kWh/år | Reg: 52,1 %

Stuttgart:

Qₖ (32 °C, 40 % relativ luftfugtighed (RF)): 321 kW | Driftstimer: 1.127 h/år | Qₖ, i alt: 486 kW | Qₖ, mekanisk: 289 kW | Qₖ, fordampning + Varmegenvinding: 197 kW | Wₖ, i alt: 154.993 kWh/år | Wₖ, mekanisk: 67.192 kWh/år | Wₖ, fordampning: 72.132 kWh/år | Wₖ, varmegenvinding: 15.669 kWh/år | Reg: 56,6 %

Wien:

Qₖ (32 °C, 40 % relativ luftfugtighed (RF)): 321 kW | Driftstimer: 1.213 h/år | Qₖ, i alt: 598 kW | Qₖ, mekanisk: 416 kW | Qₖ, fordampning + Varmegenvinding: 182 kW | Wₖ, i alt: 184.584 kWh/år | Wₖ, mekanisk: 96.235 kWh/år | Wₖ, fordampning: 72.873 kWh/år | Wₖ, varmegenvinding: 15.477 kWh/år | Reg: 47,9 %

Bregenz:

Qₖ (32 °C, 40 % relativ luftfugtighed (RF)): 321 kW | Driftstimer: 727 h/år | Qₖ, i alt: 538 kW | Qₖ, mekanisk: 364 kW | Qₖ, fordampning + varmegenvinding: 174 kW | Wₖ, samlet: 111.707 kWh/år | Wₖ, mekanisk: 66.994 kWh/år | Wₖ, evaporativ køling: 38.741 kWh/år | Wₖ, varmegenvinding: 5.972 kWh/år | Reg: 40,0 %

Simuleringsresultaterne vedrører eksemplet på et HVAC-system på 5 udvalgte lokationer. Energibidraget fra indirekte evaporative køling reducerer den kølekapacitet, der kræves fra den mekaniske kølemaskine til afkøling af bygningen, betydeligt.

QK (32 °C, 40 % RH): Samlet kølekapacitet under standard udendørsluftforhold

QK, total*: Samlet kølekapacitet (ekstremværdi)

QK, mekanisk*: Mekanisk kølekapacitet (ekstremværdi)

QK, fordampning & HRV*: Regenerativ kølekapacitet (ekstremværdi)

WK, samlet: Samlet årlig køleenergiproduktion (gennemsnitsværdi)

WK, mekanisk: Energibidrag fra mekanisk køling (gennemsnitsværdi)

WK, fordampning: Energibidrag fra indirekte evaporativ køling (gennemsnitsværdi)

WK, WRG: Energibidrag fra varmegenvinding (gennemsnitsværdi)

ηReg: Bidrag fra vedvarende energi (gennemsnitsværdi)

Som simuleringen viser, medfører indirekte evaporativ køling betydelige bidrag fra vedvarende energi. Men selvom systemdesignet ellers forbliver det samme, er der betydelige forskelle, der skyldes de respektive vejrdata for de udvalgte lokaliteter. I regioner med højere udendørs luftfugtighed – hvor der derfor er behov for mere affugtning – viser energibidraget lavere relative værdier. Dette ses tydeligt i Bregenz, som klimatisk er påvirket af sin beliggenhed direkte ved den østlige bred af Bodensøen. Den samlede andel af vedvarende energi beregnes som summen af energibidragene fra indirekte evaporative køling og varmegenvinding. På de udvalgte byggepladser udgør dette mellem 40 og 56,6 % af det samlede årlige behov for køleenergi.

Spørgsmålet om omkostningseffektivitet

I praksis er omkostningseffektiviteten den største hindring for brugen af vedvarende energi. Effektivitetsforanstaltninger såsom indirekte evaporative køling (adiabatisk køling) skal være omkostningseffektive. Eventuelle ekstra investeringsomkostninger skal tjene sig ind gennem de besparelser, der opnås under driften. Denne cost-benefit-analyse skal udføres for hver enkelt bygning. En pålidelig systemsimulering gør sammenhængene gennemsigtige og muliggør en realistisk sammenligning med konventionelle bygningkølingstiltag.