Hur fungerar adiabatisk kylning/evaporativ kylning?

1. Faktorer som påverkar den uppnåeliga kyleffekten

Vid indirekt evaporativ kylning sker denna fördunstning på frånluftssidan av ett luftbehandlingsaggregat, varvid varm utomhusluft kyls via ett efterföljande system för värmeåtervinning. Den uppnåeliga kylningen av utomhusluften beror därför på den mängd vatten som fördunstar på frånluftssidan, samt på utformningen och verkningsgraden hos det använda systemet för värmeåtervinning. Frånluften kan befuktas till nära mättnad utan att det leder till en ökning av luftfuktigheten i tilluften.

Förutom den lufthastighet med vilken luften strömmar genom förångningskylaren beror den mängd vatten som avdunstar – och därmed den uppnådda kylningen – på de luftförhållanden som råder när frånluften leds in i förångningskylaren.

De avgörande faktorerna här är:

• lufttemperaturen före fördunstningen: ju kallare luften är, desto mindre fukt kan den ta upp och desto lägre blir kylningseffekten
• luftfuktigheten före fördunstningen: Ju mer vatten luften redan innehåller, desto mindre fukt kan den ta upp och desto mindre blir den resulterande temperatursänkningen

Den teoretiska gränsen för evaporativ kylning nås när luften är helt mättad med vatten – dvs. vid en relativ luftfuktighet på 100 %. I VVS-system är det realistiskt att höja luftfuktigheten till nivåer på 92–95 %, beroende på utformningen av den använda förångningskylaren, till en ekonomiskt rimlig kostnad.

2. Energibesparingar genom indirekt evaporativ kylning i ett VVS-system

En byggnads behov av sensibel kylenergi bestäms främst av infallande solstrålning samt interna värmebelastningar från människor, utrustning och belysningssystem. För att upprätthålla den tillåtna luftfuktigheten inomhus krävs ytterligare latent kylenergi beroende på utomhusluftförhållandena och interna fuktkällor.

Indirekt evaporativ kylning är lämplig för sensibel kylning av tilluften. Den latenta kylning som krävs för avfuktning, eller sensibel kylning som överstiger den evaporativa kylningens kapacitet, måste fortfarande tillhandahållas av en mekanisk kylaggregat, dock av lämpligt mindre storlek. Med en lämplig systemutformning sparar indirekt evaporativ kylning betydligt mer elektrisk drivenergi för mekanisk kylning än vad som krävs för att kompensera för det extra tryckfallet på luftsidan som orsakas av frånluftsfläkten.

Om man redan i planeringsfasen vill veta hur mycket energi som kan genereras regenerativt och faktiskt sparas genom indirekt evaporativ kylning, kan detta fastställas med hjälp av en simuleringsberäkning för driften av VVS-systemet på respektive byggplats. Denna simulering måste beakta alla utomhusluftförhållanden som förekommer under året samt de relevanta dimensioneringsparametrarna för VVS-systemet.

3. Beräknings exempel med ett simulerat VVS-system

Simulering av ett VVS-system med indirekt evaporativ kylning. Energibidraget från indirekt evaporativ kylning (adiabatisk kylning) kommer nu att illustreras med hjälp av en exempelberäkning för en modellbyggnad. Detta innebär att man, med hjälp av lokala meteorologiska data, beräknar den totala kylkapacitet som krävs för att kyla modellbyggnaden, tillsammans med det bidrag som den indirekta evaporativa kylningen ger under året. Resultaten kan sedan tjäna som en realistisk grund för korrekt dimensionering av systemet och för att bedöma kostnadseffektiviteten hos denna effektivitetsåtgärd under systemplaneringsfasen.

Följande ytterligare konstruktionsparametrar som är relevanta för systemsimuleringen antogs:

Luftflöde i luftbehandlingsaggregatet (AHU): 52 500 m³/h

Användningsdagar per vecka: 7 dagar

Starttid för den dagliga drifttiden: 06:00

Ökning av luftfuktigheten i rummet: 1,0 g/kg

Minsta/högsta luftfuktighet i rummet: 40/65 % r.f.

Omkopplingsdifferens för evaporativ kylning: 1,0 K

Befuktningseffektivitet: 94 %

Värmeåtervinningens verkningsgrad: 0,75

De totala årliga energibidragen erhålls genom att summera de enskilda resultaten som fastställts genom simuleringen för varje timme under året. Beräkningarna baseras på statistiska platsdata från den globala meteorologiska databasen Meteonorm version 6.1 för de fem platserna Berlin, München, Stuttgart, Wien och Bregenz.

Berlin:

Qₖ (32 °C, 40 % relativ luftfuktighet (RF)): 321 kW | Drifttid: 912 h/år | Qₖ, totalt: 560 kW | Qₖ, mekaniskt: 351 kW | Qₖ, avdunstning + WRG: 209 kW | Wₖ, totalt: 120 098 kWh/år | Wₖ, mekanisk: 53 887 kWh/år | Wₖ, förångning: 56 479 kWh/år | Wₖ, WRG: 9 733 kWh/år | Reg: 55,1 %

München:

Qₖ (32 °C, 40 % relativ luftfuktighet (RF)): 321 kW | Drifttid: 758 h/a | Qₖ, totalt: 371 kW | Qₖ, mekanisk: 269 kW | Qₖ, förångning + Värmeåtervinning: 102 kW | Wₖ, totalt: 93 628 kWh/år | Wₖ, mekanisk: 44 849 kWh/år | Wₖ, fördunstning: 42 871 kWh/år | Wₖ, värmeåtervinning: 5 909 kWh/år | Reg: 52,1 %

Stuttgart:

Qₖ (32 °C, relativ luftfuktighet (RF) 40 %): 321 kW | Drifttid: 1 127 h/a | Qₖ, totalt: 486 kW | Qₖ, mekanisk: 289 kW | Qₖ, avdunstning: + Värmeåtervinning: 197 kW | Wₖ, totalt: 154 993 kWh/år | Wₖ, mekanisk: 67 192 kWh/år | Wₖ, förångning: 72 132 kWh/år | Wₖ, värmeåtervinning: 15 669 kWh/år | Reg: 56,6 %

Wien:

Qₖ (32 °C, 40 % relativ luftfuktighet (RF)): 321 kW | Drifttid: 1 213 h/a | Qₖ, totalt: 598 kW | Qₖ, mekanisk: 416 kW | Qₖ, förångning + Värmeåtervinning: 182 kW | Wₖ, totalt: 184 584 kWh/år | Wₖ, mekanisk: 96 235 kWh/år | Wₖ, förångning: 72 873 kWh/år | Wₖ, värmeåtervinning: 15 477 kWh/år | Reg: 47,9 %

Bregenz:

Qₖ (32 °C, 40 % relativ luftfuktighet (RF)): 321 kW | Drifttid: 727 h/a | Qₖ, totalt: 538 kW | Qₖ, mekanisk: 364 kW | Qₖ, förångning + värmeåtervinning: 174 kW | Wₖ, totalt: 111 707 kWh/år | Wₖ, mekanisk: 66 994 kWh/år | Wₖ, fördunstning: 38 741 kWh/år | Wₖ, värmeåtervinning: 5 972 kWh/år | Reg: 40,0 %

Simuleringsresultaten avser exemplet på ett VVS-system vid fem utvalda platser. Energibidraget från indirekt evaporativ kylning minskar avsevärt den kylkapacitet som krävs från den mekaniska kylaggregatet för att kyla byggnaden.

QK (32 °C, 40 % RH): Total kylkapacitet under standardförhållanden för utomhusluften

QK, totalt*: Total kylkapacitet (extremvärde)

QK, mekanisk*: Mekanisk kylkapacitet (extremvärde)

QK, förångning & HRV*: Regenerativ kylkapacitet (extremvärde)

WK, totalt: Total årlig kylenergiutgång (medelvärde)

WK, mekanisk: Energibidrag från mekanisk kylning (medelvärde)

WK, evap.: Energibidrag från indirekt evaporativ kylning (medelvärde)

WK, WRG: Värmeåtervinningens energibidrag (medelvärde)

ηReg: Förnybart bidrag (medelvärde)

Som simuleringen visar leder indirekt evaporativ kylning till betydande förnybara bidrag. Men även om systemutformningen i övrigt förblir densamma uppstår betydande skillnader beroende på respektive väderdata för de valda platserna. I regioner med högre luftfuktighet utomhus – där det därför krävs mer avfuktning – uppvisar energibidraget lägre relativa värden. Detta framgår tydligt i Bregenz, som klimatmässigt påverkas av sitt läge direkt vid Bodensjöns östra strand. Den totala andelen förnybar energi beräknas som summan av energibidragen från indirekt evaporativ kylning och värmeåtervinning. På de utvalda byggplatserna står detta för mellan 40 och 56,6 % av det totala årliga kylbehovet.

Frågan om kostnadseffektivitet

I praktiken är kostnadseffektiviteten det största hindret för användningen av förnybar energi. Effektivitetsåtgärder såsom indirekt evaporativ kylning (adiabatisk kylning) måste vara kostnadseffektiva. Eventuella extra investeringskostnader måste täckas av de besparingar som uppnås under driften. Denna kostnads-nyttoanalys måste genomföras för varje enskild byggnad. En tillförlitlig systemsimulering gör sambanden tydliga och möjliggör en realistisk jämförelse med konventionella åtgärder för byggnadskylning.