Případová studie: Ekonomika a výkon adiabatického chlazení ve výrobní hale

Zadání

Posuzována je adiabatická jednotka s následujícími parametry:

• průtok vzduchu: 27 000 m³/h
• jmenovitý elektrický příkon: 2,2 kW
• spotřeba vody: 75 l/h
• princip: přímé adiabatické (odpařovací) chlazení

Pro ekonomický model byly použity následující vstupy:

• cena elektřiny: 5 Kč/kWh
• vodné a stočné: 150 Kč/m³
• provoz v letních podmínkách České republiky

1. Výpočet chladicího výkonu

Orientační citelný chladicí výkon lze stanovit ze vztahu:

Q=0,34×V×ΔT Q [W]

kde:

• Q = chladicí výkon [W]
• V = průtok vzduchu [m³/h]
• ΔT = pokles teploty vzduchu [°C]

• 0,34 = konstanta zahrnující hustotu vzduchu a měrnou tepelnou kapacitu

Zvolíme střízlivý pokles teploty přiváděného vzduchu o 5 °C (odpovídá cca venkovní teplota 30°C, vlhkost 60%):

Q=0,34×27 000×5 [W]

Q= 45 900 W

Výsledek

Chladicí výkon jednotky je přibližně 46 kW.

2. Náklady na elektrickou energii

Elektrický příkon: 2,2  kW

Cena elektřiny: 5  Kč

Hodinový náklad = 2,2 × 5 = 11 Kč/h

Výsledek

Spotřeba elektrické energie stojí přibližně 11 Kč za hodinu provozu.

3. Náklady na vodu

Spotřeba vody:75  l/h = 0,075  m³/h

Cena vodného a stočného: 150  Kč/m³  

Hodinový náklad = 0,075 × 150= 11,25 Kč/h

Výsledek

Provozní náklady na vodu činí 11,25 Kč za hodinu.

4. Celkové provozní náklady

Výsledek

Celkové provozní náklady jednotky dosahují přibližně 22 Kč za hodinu provozu.

5. Cena vyrobeného chladu

Při orientačním výkonu 46 kW a hodinových nákladech 22,25 Kč představuje:

cena za kwh chladu: 22,25 / 46  = 0,48Kč/kWh

Výsledek

Cena vyrobeného chladu je přibližně 0,48 Kč za 1 kWh.

6. Energetická účinnost systému

Poměr chladicího výkonu k elektrickému příkonu:

EER_ad = 46 /2,2 = 20,9

Výsledek

EER ≈ 21

To znamená, že na každý: 1 kW spotřebované elektrické energie připadá přibližně: 21 kW chladicího výkonu.

7. Srovnání s kompresorovou klimatizací

Pro srovnání uvažujme moderní průmyslovou klimatizaci s energetickou účinností:

EER = 4EER

Pro dosažení stejného výkonu 46 kW musí klimatizace dodat:

P = 46 / 4 = 11,5kW

Při ceně elektřiny 5 Kč/kWh:

Hodinový náklad: 11,5 × 5 = 57,5 Kč/h

Porovnání nákladů

Výsledek

Porovnání: 57,5 /22,2 = 2,58

Adiabatické chlazení vychází přibližně 2,6× levněji na provoz než klimatizační systém stejného výkonu, a to i po započtení nákladů na vodu.

8. Vliv venkovní teploty a vlhkosti na výkon

Výkon adiabatického chlazení není konstantní. Je přímo závislý na teplotě a vlhkosti venkovního vzduchu.

Pro posuzovanou jednotku lze orientačně očekávat následující hodnoty dle vztahu:

Q= m × c_p​× ΔT

kde:

• Q = chladicí výkon [kW]
• ṁ = hmotnostní průtok vzduchu [kg/s]
• c_p = měrná tepelná kapacita vzduchu (≈ 1,005 kJ/kg·K)
• ΔT = rozdíl teplot [K nebo °C]

Roční ekonomika provozu

Při provozu:

1 500 hodin za sezónu

Roční náklady na provoz jedné jednotky při využití cca 1500 hodin představují 33 375 Kč za modelových podmínek.

Závěr případové studie

Jedna adiabatická jednotka s průtokem 27 000 m³/h je schopna podle aktuálních venkovních podmínek poskytovat přibližně 18 až 92 kW chladicího výkonu, přičemž v běžných českých letních podmínkách se nejčastěji pohybuje v rozmezí 45–65 kW.

Při elektrickém příkonu pouze 2,2 kW dosahuje energetické účinnosti EER 20–30, což je několikanásobně více než u běžných kompresorových systémů. I po započtení ceny vody a stočného vychází provozní náklady přibližně 2,5 až 3× nižší než u klimatizace, což vysvětluje rostoucí využití adiabatického chlazení v průmyslových halách, logistických centrech i zemědělských objektech.

Z pohledu investora je však mimořádně zajímavá ještě jedna vlastnost této technologie. Zatímco u kompresorové klimatizace s rostoucí venkovní teplotou obvykle klesá účinnost a roste zatížení kompresoru, u adiabatického chlazení dochází k opačnému jevu. Rostoucí teplota a nižší relativní vlhkost vzduchu zvyšují potenciál odpařování vody, a tím i výsledný chladicí výkon.

Právě v okamžiku, kdy budova potřebuje největší množství chladu, tedy během horkých letních dnů, dosahuje adiabatický systém zpravidla svého nejvyššího výkonu. Tento efekt představuje jednu z největších provozních výhod adiabatického chlazení oproti klasickým elektrickým chladicím systémům a významně přispívá k jeho ekonomické efektivitě v průmyslových a zemědělských aplikacích.

Dalším naprosto zásadním benefitem jsou minimální servisní náklady. Skutečnost, že zařízení nemá chladiva. z něho činí velice jednoduché zařízení na údržbu.

Modelová hala

Rozměry:

• délka: 100 m
• šířka: 50 m
• výška: 5 m

Objem haly:

V = 100 × 50 × 5 = 25 000 m³

Jedna adiabatická jednotka:

• průtok vzduchu: 27 000 m³/h
• elektrický příkon: 2,2 kW
• spotřeba vody: 75 l/h
• typický chladicí výkon: 46 kW při ΔT = 5 °C

Varianta 1: 5 výměn vzduchu za hodinu

Požadovaný průtok: 25 000 × 5 = 125 000 m³/h

Počet jednotek: 125 000 / 27 000 = 4,6 => 5 jednotek

Výsledné parametry

Průtok: 5 × 27 000 = 135 000 m³/h

Orientační chladicí výkon: 5 × 46 = 230 kW

Elektrický příkon: 5 × 2,2 = 11 kW

Spotřeba vody: 5 × 75 = 375 l/h

Varianta 2: 10 výměn vzduchu za hodinu

Požadovaný průtok: 25 000 × 10 = 250 000 m³/h

Počet jednotek: 250 000 / 27 000 =  9,3 => 10 jednotek

Výsledné parametry

Průtok: 10 × 27 000 = 270 000 m³/h

Chladicí výkon: 10 × 46 = 460 kW

Elektrický příkon: 10 x 2,2 = 22 kW

Spotřeba vody: 10 × 75 = 750 l/h

Varianta 3: 20 výměn vzduchu za hodinu

Požadovaný průtok: 25 000 × 20 = 500 000 m³/h

Počet jednotek: 500 000 / 27 000 = 18,5 => 19 jednotek

Výsledné parametry

Průtok: 10 × 27 000 = 513 000 m³/h

Chladicí výkon: 19 × 46 = 874 kW

Elektrický příkon: 19 x 2,2 = 41,8 kW

Spotřeba vody: 19 × 75 = 1 425 l/h

Souhrnná tabulka

Co z toho plyne pro návrh haly

Z výše uvedeného plyne hlavní benefit adiabatického chlazení tedy schopnost tvorby komfortního mikroklimatu v intenzivně větraných provozech, kde by jinak byly vyžadovány obrovské chladící výkony. To definuje možnosti aplikace adiabatických chladičů do prostor s velikým objemem a intenzivní výměnou vzduchu (těžký průmysl, sklárny, zemědělské provozy atd.). Naopak nejsou vhodné do minimálně větraných prostor s požadavkem na přesnou žádanou teplotu (např. sklady).

Kolikrát za hodinu potřebuji vyměnit celý objem vzduchu v hale.

U naší modelové haly:

• 5 výměn/h odpovídá spíše skladu nebo lehké výrobě,
• 10 výměn/h typické moderní výrobní hale,
• 20 výměn/h provozu s velmi vysokými tepelnými zisky (svařovny, slévárny, plastikářské provozy apod.).

Hala s 10 výměnami za hodinu a potřebou chladit přívodní vzduch o cca 5 °C potřebuje přibližně 460 kW chladicího výkonu při elektrickém příkonu pouze 22 kW, což odpovídá soustavě s celkovým EER kolem 21. Takový výkon by klasická klimatizace vyráběla s elektrickým příkonem přibližně 90–120 kW v závislosti na použité technologii. To je hlavní důvod, proč se adiabatické chlazení prosazuje zejména ve velkých průmyslových objektech. Více informací naleznete v článku správný návrh adiabatického chlazení nebo v projekčním manuálu.