Evaporatívne chladenie: princíp, výpočet účinnosti a zobrazenie v h-x diagrame

Evaporatívne chladenie odparuje vodu do prúdu vzduchu: odpar odoberá teplo a vzduch sa ochladí, a to bez kompresora, bez chladiva a s výrazne nižšou spotrebou energie než konvenčná klimatizácia. Termodynamicky ide o adiabatický proces: celková entalpia sa nemení, mení sa len rozdelenie medzi citeľné teplo (teplota klesá) a viazané, latentné teplo (vlhkosť rastie). V h-x diagrame preto prebieha pozdĺž čiary konštantnej entalpie a jeho prirodzeným limitom je teplota mokrého teplomera vstupného vzduchu.

Fyzikálny princíp: odpar a latentné teplo

Keď sa voda odparuje do vzduchu, spotrebúva latentné teplo výparu – približne 2 501 kJ/kg pri 0 °C, respektíve 2 442 kJ/kg pri 25 °C. Táto energia nepochádza odinakiaľ než z tepelného obsahu samotného vzduchu. Citeľné teplo, ktoré vzduch poklesom teploty uvoľní, je presne to teplo, ktoré spotrebuje odpar, a celková entalpia tak zostáva (približne) rovnaká.

Kde v h-x diagrame proces prebieha

Počiatočný stav je bod A (napríklad 35 °C / φ = 20 %). Vzduch prechádza zvlhčovačom a postupuje približne pozdĺž izentalpy (čiary konštantnej entalpie, presnejšie pozdĺž čiary konštantnej teploty mokrého teplomera) k nižšej teplote. Proces končí buď v požadovanom bode, alebo najneskôr na krivke nasýtenia ($\varphi = 100\ \%$) – to je teoretické maximum, tzv. adiabatická saturačná teplota, ktorá zodpovedá teplote mokrého teplomera vstupného vzduchu. Reálne zariadenia dosiahnu 70–95 % tohto maxima podľa adiabatickej účinnosti $\eta_{a}$ (saturačná efektivita, v ASHRAE $\varepsilon$).

Výpočet saturačnej efektivity

Adiabatická účinnosť $\eta_{a}$ (saturačná efektivita) je základný parameter každého evaporatívneho chladiča:

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

kde $t_{wb}$ je teplota mokrého teplomera vstupného vzduchu.

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

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

Ochladenie o takmer 15 °C bez jediného wattu kompresora.

Priame vs. nepriame evaporatívne chladenie

Priame evaporatívne chladenie

Vzduch prichádza do priameho kontaktu s vodou alebo vodnou hmlou. Jednoduché, lacné, veľmi účinné v suchom podnebí. Nevýhoda: vzduch vstupujúci do miestnosti je vlhkejší. V stredoeurópskom lete, keď vstupné φ býva 50–60 %, je priestor na ochladenie menší a výsledná vlhkosť v miestnosti môže byť nekomfortná.

Nepriame evaporatívne chladenie

Odparovanie ochladzuje sekundárny vzduchový prúd, ktorého teplo sa cez výmenník odovzdáva primárnemu prúdu bez toho, aby sa s ním miešal. Primárny vzduch sa ochladí bez toho, aby prijal vlhkosť – v diagrame sa pohybuje vodorovne doľava (citeľné chladenie). Najpokročilejšou variantou je Maisotsenkov cyklus (M-cycle), ktorý môže dosiahnuť výstupnú teplotu primárneho vzduchu nižšiu než teplota mokrého teplomera. Z hľadiska hygieny je nepriame chladenie častou voľbou, ako do projektu zaviesť čiastočné ochladenie vzduchu pri nízkych obstarávacích nákladoch.

Limity evaporatívneho chladenia

Fundamentálny limit je jasný: chladenie funguje tým lepšie, čím suchší je vstupný vzduch. Keď vstupné φ presiahne 60–70 %, priestor na ochladenie dramaticky klesá. V stredoeurópskych letách s poludňajšou relatívnou vlhkosťou 45–55 % je priame evaporatívne chladenie menej efektívne než v suchom kontinentálnom podnebí; nepriame varianty zostávajú konkurencieschopné aj tu. Ďalším limitom je kvalita vody, keď tvrdá voda zanáša systémy vápnikom, mäkká môže spôsobovať koróziu. Určitou nevýhodou je hygienické riziko legionely, ktorému sa predchádza dostatočnou úpravou vody vrátane odkaľovania, prípadne UV dezinfekciou. Pri priamych systémoch je táto ochrana proti kontaminácii nevyhnutná. Na priame chladenie priestorov s vyššími nárokmi na čistotu evaporatívne chladenie vhodné nie je. Ďalším obmedzením je vyššia spotreba vody počas prevádzky.

Porovnanie s kompresorovým chladením

Evaporatívny chladič spotrebuje typicky 10–25 % energie kompresorovej klimatizácie s rovnakým výkonom. Pomer chladiaceho výkonu k príkonu ventilátora a čerpadla (v tomto zmysle zjednodušene „COP”, nejde o termodynamický COP chladiaceho obehu) sa pri evaporatívnych systémoch pohybuje rádovo v rozsahu 10–40, zatiaľ čo skutočný COP split klimatizácie býva 2,5 až 5. Kompenzáciou je závislosť od vlhkosti vstupného vzduchu a neschopnosť zabezpečiť presné podmienky bez doplnkového systému. Pre dátové centrá, priemyselné haly a vonkajšie chladenie v suchom podnebí je evaporatívne chladenie prvou voľbou; pre presnú reguláciu v stredoeurópskych kanceláriách skôr doplnkom.

Časté otázky

Prečo nemôže evaporatívny chladič ochladiť vzduch pod teplotu mokrého teplomera? Pretože proces prebieha pozdĺž čiary konštantnej entalpie a teplota mokrého teplomera je bodom, kde táto čiara pretína krivku nasýtenia. Ďalej už vzduch chladiť nemožno, pretože je nasýtený. Výnimkou sú pokročilé nepriame cykly (M-cycle).

Oplatí sa evaporatívne chladenie na Slovensku? Priame chladenie má v stredoeurópskom vlhkom lete obmedzený potenciál, ale nepriame varianty zostávajú energeticky výhodné. Najlepšie sa uplatní tam, kde je vstupný vzduch relatívne suchý.

Ako súvisí saturačná efektivita s návrhom? Určuje, ako blízko teplote mokrého teplomera sa výstup dostane. Z $\eta_{a}$ a vstupných podmienok priamo vypočítate výstupnú teplotu, ktorú možno overiť v h-x diagrame.