فری کولینگ

فری کولینگ (free cooling) یا خنک کاری آزاد نوعی طراحی سیستم خنک کاری است. این روش از دمای پایین محیط برای کاهش یا حذف نیاز به عملیات چیلر یا کمپرسور استفاده می کند. چیلرها اغلب انرژی زیادی مصرف می کنند. به حداقل رساندن ساعات کارکرد چیلرها در سال می تواند باعث صرفه جویی قابل توجهی در هزینۀ مصرف انرژی شود. اگر می‌خواهید درباره فری کولینگ و اینکه چگونه می‌تواند به سیستم HVAC شما کمک کند، بیشتر بدانید، ادامۀ این مقاله را مطالعه کنید.

فری کولینگ یا خنک کاری آزاد چیست؟

برای درک بهتر مفهوم فری کویلنگ یا خنک کاری آزاد، شاید بهتر باشد ابتدا مبنای انتقال حرارت و سپس تعریف علمی تری از سیکل تبرید را مرور کنیم. انتقال حرارت در صورت وجود اختلاف دما اتفاق می افتد. چنانکه گرما به طور طبیعی از نقطۀ دما بالا به نقطۀ دما پایین منتقل می شود.

این در حالی است که سیکل تبرید می خواهد عکس این جریان طبیعی عمل کرده و گرما را از نقطۀ دما پایین به نقطۀ دما بالا منتقل کند. تجسم عینی این تعریف چنین است که ما در فصل تابستان به کمک سیکل تبرید، گرما را از داخل ساختمان (نقطۀ دما پایین) به بیرون از ساختمان (نقطۀ دما بالا) منتقل می کنیم. بهمین دلیل می بایست انرژی مصرف کنیم تا بتوانیم در سیکل تبرید عکس جریان طبیعیِ انتقال حرارت عمل کنیم. 

کاربرد فری کولینگ در تهویه مطبوع

همانطور که توضیح داده شد، فری کولینگ به جای تکیه بر سیکل تبرید چیلر، از هوای دما پایینِ محیط برای انجام عملیات خنک کاری استفاده می کند. به این معنا که در این سیستم، گرما مطابق جریان طبیعی انتقال حرارت، از نقطۀ دما بالا به نقطۀ دما پایین منتقل می شود. به همین دلیل، این سیستم را خنک کاری طبیعی نیز می نامند. استفاده از هوای سردِ محیط در سیستم فری کولینگ به دو صورت انجام می گیرد:

• در پروژه هایی که از هواساز و روفتاپ پکیج استفاده شده است.
• در پروژه هایی که از فن کویل استفاده شده

1- در پروژه هایی که از هواساز یا روفتاپ پکیج استفاده شده است، وقتی دمای هوای بیرون به زیر 13 درجه سانتی گراد می رسد، در صورت وجود دمپر هوای برگشت، این دمپر کاملاً بسته شده و با باز بودن دمپر هوای تازه و روشن شدن فن هواساز، هوای سرد محیط به داخل ساختمان دمیده می شود. به همین دلیل در چنین هواسازهایی می بایست ابعاد دمپر هوای تازه متناسب با هوادهی کل هواساز باشد. این چنین بدون گردش آب سرد در کویل سرمایشی یا جریان مبرد در کویل DX، جریان هوای خنکِ لازم جهت تهویه مطبوع ساختمان تأمین می شود.

2- در پروژه هایی که از فن کویل استفاده می شود، وقتی دمای هوای بیرون به زیر 5 درجه سانتی گراد می رسد، آب برگشتی از ساختمان به جای اواپراتور در کویل هایی که به موازات کویل های کندانسور قرار گرفته اند دور می می زند و به این ترتیب با روشن شدن فن های کندانسور، به کمک دمای پایینِ هوای محیط، آبِ در گردش خنک می شود. البته، در چنین شرایطی ممکن است به جای استفاده از کویل هایی به موزات کویل های کندانسور از درای کولر استفاده شود.

درای کولر، دستگاهی هواخنک با ساختاری مشابه کندانسور هوایی می­باشد، با این تفاوت که بجای ورود بخار مبرد و چگالیده شدن آن درون کویل، جریان مایعاتی مانند آب، مخلوطی از آب و گلیکول و یا سایر مایعات صنعتی وارد کویل درای کولر شده و دمای آن به کمک جریان سرد هوای محیط کاهش می ­یابد.

عملکرد سیستم های خنک کاری آزاد بسیار قابل اعتماد است. هر ساختمانی می تواند با اتصال شیر سه راهۀ تعدیل کننده به سمت ساختمان، از سیستم خنک کاری آزاد استفاده کند.

همانطور که گفته شد، در این سیستم (برای ساختمان های مجهز به فن کویل) غالباً کویل هایی به موازات کویل های کندانسور (کویل هوا/آب) به صورت یکپارچه در چیلر هوا خنک، نصب می شوند. زمانی که دمای هوای محیط به اندازۀ کافی سرد شد (زیر 5 درجۀ فارنهایت)، به کمک شیر سه راهه، مسیر آب فن کویل ها منحرف شده و به جای اواپراتور، آب در کویل های هوا/آب جریان می یابد تا با کار کردن فن های کندانسور خنک شود.

اما، اگر دمای هوای بیرون بالا باشد، پتانسیل محدودی برای یک سیستم فری کولینگ وجود خواهد داشت. در نتیجه، دمای محیط بالا به این معنی است که سیستم باید با خنک کاری 100٪ مکانیکی (با تکیه بر سیکل تبرید) کار کند.

در پروژه هایی مثل دیتا سنترها و یا فرایندهای صنعتی مانند چیلر صنعتی یا چیلر دستگاه تزریق پلاستیک، که به طور مداوم در طول سال، سیستم سرمایشی کار می‌کند، بهتر است سیستم خنک کاری طبیعی به گونه ای بکار رفته شود که بیشترین تأثیر را در کاهش مصرف انرژی داشته باشد. به این معنا که حتی در شرایط نیمه سرد، یعنی زمانی که هوای محیط بیرون نه خیلی سرد است و نه خیلی گرم، بتوان همچنان از پتانسیل دمایی هوای بیرون بهره برد.

بنابراین، سه حالت وجود دارد:

1- خنک کاری آزاد: هنگامی که دمای هوای بیرون به اندازه کافی پایین است، مبدل های هوا/آب به تنهایی قادرند، بدون نیاز به کمپرسور، جریان آب فن کویل ها را خنک کنند. در این شرایط فقط فن های کندانسور و پمپ سیستم خنک کاری آزاد کار می کنند.

2- خنک کاری ترکیبی: هنگامی که دمای هوای بیرون بین 5 تا 15 درجه سانتیگراد است، هوای محیط بیرون، تنها دفع جزئی و نه کامل بار حرارتی را تضمین می کند. در دماهای پایین تر، سیستم کنترل، پمپ خنک کاری آزاد را در دمای 15 درجه سانتی گراد فعال می کند و آب به مبدل های هوا/آب هدایت می شود که به صورت سری در اواپراتور نیز دور می زنند و در واقع با بار حرارتی کمتری وارد اواپراتور می شود. در این شرایط فن های کندانسور، پمپ سیستم فری کولینگ و تا حدودی کمپرسورها کار می کنند.

3- خنک کاری مکانیکی: در با دمای بالاتر از 15 درجه سانتیگراد، پمپ سیستم فری کولینگ خاموش شده و یونیت مورد نظر به عنوان یک چیلر سنتی عمل کرده و بار حرارتی، فقط در اواپراتور دفع می شود. در این شرایط فقط فن های کندانسور و کمپرسورها کار می کنند.

اجزای تشکیل دهنده سیستم فری کولینگ

A: پمپ سیستم فری کولینگ خنک کاری آزاد

B: کویل هوا/آب

C: کویل کندانسور

D: کمپرسور

E: شیر انبساط

F: اواپراتور

به جای پمپ در شکل فوق، همانطور که گفته شد می توان از شیر سه راهه نیز استفاده کرد.

مهم است که در نظر داشته باشید که بار حرارتی یک تاسیسات – یعنی مقدار انرژی “سرد” مورد نیاز – هم به گرمای تولید شده در داخل آن (بنابراین ماشین‌آلات، افراد، چراغ‌ها…) و هم به دمای هوای بیرون بستگی دارد. بنابراین به طور کلی بار گرمایی در تابستان بیشتر از ماه های زمستان خواهد بود.

بر اساس این فرض، به طور منطقی می‌توان فرض کرد که اگر در ماه های گرمتر آب سرد تولید شده باید دمایی حدوداً 7 درجه سانتی گراد داشته باشد، در ماههای سردتر، در ماههای سردتر آب 10 درجه سانتیگراد، ممکن است کافی باشد. بر اساس این مفروضات، یک یونیت مجهز به خنک کاری آزاد می تواند در حالت اول (صرفاً فری کولینگ) با دمای هوای بیرون تا 5 درجه سانتیگراد کار کند.

با این وجود، یک محدوده دمایی وجود دارد که در آن، حتی اگر تولید آب در دمای 10 درجه سانتی گراد را نمی توان به تنهایی با حالت فری کولینگ تضمین کرد، استفاده از کویل های هوا/آب برای پیش سرد کردن آب برگشتی از فن کویل ها یه هر تجهیز مصرف کنندۀ آب سرد، همچنان راحت است. بنابراین باعث می شود که سیکل تبرید یا به عبارتی کمپرسور کمتر “کار کند” و در نتیجه صرفه جویی در انرژی حاصل می شود. محدودۀ مورد نظر بسته به مدل و میزان بار متفاوت است، اگرچه می‌توانیم حدس بزنیم که بین 5 تا 15 درجه سانتی‌گراد باشد.

سری های هوشمند فری کولینگ

افزونگی (N+1): هنگام طراحی سیستم هایی که خدمات بدون وقفه برای آنها باید تضمین شود، قابلیت اطمینان بالا، یک نیاز اساسی است. محیط های تکنولوژیکی، به عنوان مثال اتاق هایی که حاوی تجهیزات تکنولوژیکی و/یا فرآیندهای خاصی هستند که به شرایط عملیاتی بهینۀ بدون وقفه و تضمین شده نیاز دارند، و همچنین بسیاری از فرآیندهای صنعتی، اغلب هزینه های خرابی بالاتری نسبت به هزینۀ خود تجهیزات دارند.

طراحی یک سیستم قابل اعتماد به معنای انتخاب یونیتی است که ذاتاً قابل اعتماد باشد و بنابراین به گونه ای طراحی و ساخته شود که درصد خرابی و ناکارآمدیِ بسیار پایین را تضمین کند و همچنین رزرو مناسب را ایجاد کند: چنین سیستمی می بایست مجهز به یک یا چند یونیت اضافی باشد. به همین دلیل ما از منطق “n+1” صحبت می کنیم، که تضمین می کند همیشه یک یونیت در حالت آماده به کار وجود دارد که مداخلۀ اضطراری را در زمانی که به هر دلیلی، یک جزء سیستم نشانه هایی از مشکل را نشان می دهد، تضمین می کند.

با ترکیب مفاهیم فوق در کاربردهایی که نیاز به عملکرد بی وقفه است، یونیت های مجهز به خنک کاری آزاد که دارای منطق افزونگی است را می توان نصب کرد و بنابراین بخشی از ظرفیت خنک کاریِ موجود در حالت آماده به کار است. همین توجه را می توان در مورد ظرفیت فری کولینگ موجود نیز در نظر گرفت. اصلي كه اساس خنك کاری آزادِ هوشمند را تشكيل مي دهد، بهره برداري از مبدل هاي هوا/آب یونیت/ها در حالت آماده به كار است.

با اتصال همۀ مبدل‌های هوا/آب به یکدیگر، این امکان وجود دارد که آبی که قرار است خنک شود، از میان تمام کویل‌های خنک کاری آزادِ موجود جریان یابد. با توجه به اینکه در این طرح آب توسط یک پمپ و نه توسط یک شیر سه راهۀ ساده به کویل های هوا/آب ارسال می شود، می توان از مبدل های یونیت/های رزرو نیز استفاده کرد. اینچنین ظرفیت فری کولینگ سیستم و میزان صرفه جویی در انرژی، افزایش می یابد.

کاربرد فری کولینگ در چیلرهتل ها و بیمارستان ها

در بسیاری از پروژه های تهویه مطبوع مثل هتل ها و بیمارستان ها که از فن کویل های چهار لوله ای در آنها استفاده می شود، پیش از فصل گرما و پس از فصل گرما در برخی از زون های ساختمان به علت آفتابگیر بودن آن زون و یا به هر دلیل دیگری مثل تقاضای افراد حاضر در آن زون، نیاز به سرمایش وجود دارد.

در چنین شرایطی که دمای هوای بیرون چندان گرم نیست و حتی ممکن است خنک باشد، استفاده از چیلرهای مجهز به سیستم خنک کاری آزاد توجیه پیدا می کند. بیشترین کاربرد چیلرهای مجهز به سیستم خنک کاری آزاد در دیتا سنترهاست که تمام طول سال نیاز به سرمایش دارند. در فرایندهای صنعتی نیز به دلیل کارکرد 365 روزه، سیستم خنک کاری آزاد کاربرد دارد، خصوصاً در موارد که بازۀ دمای آب سرد مورد نیاز بالا باشد (بیشتر از 10 درجه سانتی گراد).

طراحی و ساخت سیستم فری کولینگ

شرکت مهندسی تهویه نگار با بیش از یک دهه فعالیت در عرصه طراحی و تولید سیستم های تهویه مطبوع و برودت صنعتی، قادر است چیلرهای مجهز به سیستم فری کولینگ را به منظور کاهش هزینه های مصرف انرژی، برای برای کارفرمایان و مشتریان عزیز طراحی و تولید کند. برای دریافت رزومه شرکت و مشاوره، با کارشناسان فروش تهویه نگار در تماس باشید.

کارشناس فروش 09102072884