Evaporativní chlazení: princip, výpočet účinnosti a zobrazení v h-x diagramu

Evaporativní chlazení odpařuje vodu do proudu vzduchu: odpar odebírá teplo a vzduch se ochladí a to bez kompresoru, bez chladiva a s výrazně nižší spotřebou energie než konvenční klimatizace. Termodynamicky jde o adiabatický proces: celková entalpie se nemění, mění se jen rozdělení mezi citelné teplo (teplota klesá) a vázané, latentní teplo (vlhkost roste). V h-x diagramu proto probíhá podél čáry konstantní entalpie a jeho přirozeným limitem je teplota mokrého teploměru vstupního vzduchu.

Fyzikální princip: odpar a latentní teplo

Když se voda odpařuje do vzduchu, spotřebovává latentní teplo výparu - přibližně 2 501 kJ/kg při 0 °C, respektive 2 442 kJ/kg při 25 °C. Tato energie nepochází odjinud než z tepelného obsahu vzduchu samotného. Citelné teplo, které vzduch poklesem teploty uvolní, je přesně to teplo, které spotřebuje odpar a celková entalpie tak zůstává (přibližně) stejná.

Kde v h-x diagramu proces probíhá

Počáteční stav je bod A (například 35 °C / φ = 20 %). Vzduch prochází zvlhčovačem a postupuje přibližně podél izentalpy (čáry konstantní entalpie, přesněji podél čáry konstantní teploty mokrého teploměru) k nižší teplotě. Proces končí buď v požadovaném bodě, nebo nejpozději na křivce nasycení ($\varphi = 100\ \%$) - to je teoretické maximum, tzv. adiabatická saturační teplota, která odpovídá teplotě mokrého teploměru vstupního vzduchu. Reálná zařízení dosáhnou 70–95 % tohoto maxima podle adiabatické účinnosti $\eta_{a}$ (saturační efektivita, v ASHRAE $\varepsilon$).

Výpočet saturační efektivity

Adiabatická účinnost $\eta_{a}$ (saturační efektivita) je základní parametr každého evaporativního chladiče:

$$\eta_{a} = \frac{t_{\text{vstup}} - t_{\text{výstup}}}{t_{\text{vstup}} - t_{wb}}$$

kde $t_{wb}$ je teplota mokrého teploměru vstupního vzduchu.

Příklad: vstupní vzduch 35 °C / φ = 15 %, teplota mokrého teploměru 17,5 °C, chladič s $\eta_{a} = 0{,}85$:

$$t_{\text{výstup}} = 35 - 0{,}85 \cdot (35 - 17{,}5) = 35 - 14{,}9 = 20{,}1\ ^{\circ}\text{C}$$

Ochlazení o téměř 15 °C bez jediného wattu kompresoru.

Přímé vs. nepřímé evaporativní chlazení

Přímé evaporativní chlazení

Vzduch přichází do přímého kontaktu s vodou nebo vodní mlhou. Jednoduché, levné, velmi účinné v suchém klimatu. Nevýhoda: vzduch vstupující do místnosti je vlhčí. Ve středoevropském létě, kdy vstupní φ bývá 50–60 %, je prostor pro ochlazení menší a výsledná vlhkost v místnosti může být nekomfortní.

Nepřímé evaporativní chlazení

Odpařování ochlazuje sekundární vzduchový proud, jehož teplo se přes výměník předává primárnímu proudu, aniž by se s ním mísil. Primární vzduch se ochladí, aniž by přijal vlhkost - v diagramu se pohybuje vodorovně doleva (citelné chlazení). Nejpokročilejší variantou je Maisotsenkův cyklus (M-cycle), který může dosáhnout výstupní teploty primárního vzduchu nižší než teplota mokrého teploměru. Z pohledu hygieny je častou volbou, jak do projektu aplikovat částečné ochlazení vzduchu při nízkých pořizovacích nákladech.

Limity evaporativního chlazení

Fundamentální limit je jasný: chlazení funguje tím lépe, čím sušší je vstupní vzduch. Když vstupní φ přesáhne 60–70 %, prostor pro ochlazení dramaticky klesá. V českých létech s polední relativní vlhkostí 45–55 % je přímé evaporativní chlazení méně efektivní než v suchém kontinentálním klimatu; nepřímé varianty zůstávají konkurenceschopné i zde. Dalším limitem je kvalita vody, kdy tvrdá voda zanáší systémy vápníkem, měkká může způsobovat korozi. Určitou nevýhodou je hygienické riziko legionely, vhodná je prevence dostatečnou úpravou vody vč. odkalení, případně UV filtrace. Prevence proti kontaminaci pro přímé systémy je nezbytná. Evaporativní chlazení není vhodné na přímé ochlazování vzduchu pro prostory s vyššími nároky na čistotu. Určitým omezením je vyšší spotřeba vody v době provozu.

Srovnání s kompresorovým chlazením

Evaporativní chladič spotřebuje typicky 10–25 % energie kompresní klimatizace se stejným výkonem. Poměr chladicího výkonu k příkonu ventilátoru a čerpadla (v tomto smyslu zjednodušeně „COP”, nejde o termodynamický COP chladicího oběhu) se u evaporativních systémů pohybuje řádově v rozsahu 10–40, zatímco skutečný COP split klimatizace bývá 2,5 až 5. Kompenzací je závislost na vlhkosti vstupního vzduchu a neschopnost zajistit přesné podmínky bez doplňkového systému. Pro datová centra, průmyslové haly a venkovní chlazení v suchém klimatu je evaporativní chlazení první volbou; pro přesnou regulaci ve středoevropských kancelářích spíše doplňkem.

Časté dotazy

Proč nemůže evaporativní chladič ochladit vzduch pod teplotu mokrého teploměru? Protože proces probíhá podél čáry konstantní entalpie a teplota mokrého teploměru je bodem, kde tato čára protíná křivku nasycení. Dále už vzduch chladit nelze, protože je nasycený. Výjimkou jsou pokročilé nepřímé cykly (M-cycle).

Vyplatí se evaporativní chlazení v Česku? Přímé chlazení má ve středoevropském vlhkém létě omezený potenciál, ale nepřímé varianty zůstávají energeticky výhodné. Nejlépe se uplatní tam, kde je vstupní vzduch relativně suchý.

Jak souvisí saturační efektivita s návrhem? Určuje, jak blízko teplotě mokrého teploměru se výstup dostane. Z $\eta_{a}$ a vstupních podmínek přímo spočítáte výstupní teplotu, kterou lze ověřit v h-x diagramu.