Miten adiabaattinen jäähdytys / haihdutusjäähdytys toimii?

1. Saavutettavaan jäähdytysvaikutukseen vaikuttavat tekijät

Epäsuorassa haihdutusjäähdytyksessä veden haihtuminen tapahtuu ilmankäsittelykoneen poistoilman puolella, jolloin lämmin ulkoilma jäähdytetään sen jälkeen toimivan lämmöntalteenottojärjestelmän avulla. Ulkoilman saavutettava jäähdytys riippuu siten poistoilman puolella haihtuvan veden määrästä sekä käytetyn lämmöntalteenottojärjestelmän rakenteesta ja hyötysuhteesta. Poistoilmaa voidaan kostuttaa lähes kyllästymispisteeseen asti ilman, että tuloilman kosteus nousee.

Haihdutusjäähdyttimen läpi virtaavan ilman nopeuden lisäksi haihtuneen veden määrä ja siten saavutettu jäähdytys riippuvat niistä ilmanolosuhteista, joissa poistoilma saapuu haihdutusjäähdyttimeen.

Ratkaisevia tekijöitä ovat tässä:

• ilman lämpötila ennen haihtumista: mitä viileämpi ilma on, sitä vähemmän kosteutta se voi imeä ja sitä pienempi on jäähdytysvaikutus
• ilman kosteus ennen haihtumista: Mitä enemmän vettä ilmassa jo on, sitä vähemmän kosteutta se voi imeä ja sitä pienempi on tuloksena oleva lämpötilan lasku

Haihdutusjäähdytysn teoreettinen raja saavutetaan, kun ilma on täysin kyllästynyt vedellä – eli suhteellisen kosteuden ollessa 100 %. LVI-järjestelmissä kosteuden nousu 92–95 %:n tasolle on taloudellisesti kannattavalla kustannuksella realistista käytetyn haihdutusjäähdyttimen rakenteesta riippuen.

2. Energiansäästö epäsuoran haihdutusjäähdytyksen avulla LVI-järjestelmässä

Rakennuksen aistittavan jäähdytystarpeen määräävät ensisijaisesti auringon säteily sekä ihmisistä, laitteista ja valaistusjärjestelmistä aiheutuvat sisäiset lämpökuormat. Sallitun sisäilman kosteustason ylläpitämiseksi tarvitaan lisää latenttia jäähdytysenergiaa ulkoilman olosuhteista ja sisäisistä kosteuslähteistä riippuen.

Epäsuora haihdutusjäähdytys soveltuu tuloilman aistittavaan jäähdytykseen. Ilman kuivaamiseen tarvittava latenttijäähdytys tai haihdutusjäähdytyksen kapasiteetin ylittävä aistittava jäähdytys on kuitenkin edelleen tuotettava mekaanisella, mutta asianmukaisesti pienemmällä jäähdytyslaitteella. Sopivalla järjestelmäsuunnittelulla epäsuora haihdutusjäähdytys säästää mekaanisen jäähdytyksen sähköenergiaa huomattavasti enemmän kuin mitä tarvitaan poistoilmapuhaltimen aiheuttaman ylimääräisen ilmapuolen painehäviön kompensoimiseen.

Jos jo suunnitteluvaiheessa halutaan tietää, kuinka paljon energiaa voidaan regeneratiivisesti tuottaa ja tosiasiallisesti säästää epäsuoran haihdutusjäähdytyksen avulla, tämä voidaan määrittää simulaatiolaskelmalla, joka koskee LVI-järjestelmän toimintaa kyseisellä rakennuskohteella. Simulaatiossa on otettava huomioon kaikki vuoden aikana esiintyvät ulkoilman olosuhteet sekä LVI-järjestelmän merkittävät suunnitteluparametrit.

3. Laskelmaesimerkki simuloidulla LVI-järjestelmällä

LVI-järjestelmän simulointi epäsuoralla haihdutusjäähdytyksellä. Epäsuoran haihdutusjäähdytyksen (adiabaattinen jäähdytys) energiamäärä havainnollistetaan nyt mallirakennuksen simulaatiolaskelman avulla. Tämä tarkoittaa, että paikallisten sääolosuhdetietojen avulla lasketaan mallirakennuksen jäähdyttämiseen tarvittava kokonaisjäähdytysteho sekä epäsuoran haihdutusjäähdytysosuus vuoden aikana. Tulokset voivat sitten toimia realistisena perustana järjestelmän oikealle mitoitukselle ja tämän energiatehokkuustoimenpiteen kustannustehokkuuden arvioinnille järjestelmän suunnitteluvaiheessa.

Järjestelmäsimuloinnin kannalta merkityksellisiä lisäsuunnitteluparametreja oletettiin seuraaviksi:

Ilmankäsittelylaitteen ilmavirta: 52 500 m³/h

Käyttöpäivät viikossa: 7 päivää

Päivittäisten käyttötuntien alkamisaika: klo 6.00

Huoneilman kosteuden nousu: 1,0 g/kg

Huoneilman kosteuden minimi-/maksimiarvo: 40/65 % r.h.

Haihdutusjäähdytys: 1,0 K

Kostutustehokkuus: 94 %

Lämmöntalteenottotehokkuus: 0,75

Vuotuiset kokonaisenergiamäärät saadaan laskemalla yhteen simuloinnin avulla määritetyt yksittäiset tulokset vuoden jokaiselta tunnilta. Laskelmat perustuvat maailmanlaajuisen sää tietokannan Meteonorm Version 6.1 tilastollisiin sijaintitietoihin viidestä paikkakunnasta: Berliinistä, Münchenistä, Stuttgartista, Wienistä ja Bregenzistä.

Berliini:

Qₖ (32 °C, 40 % suhteellinen kosteus): 321 kW | Käyttötunnit: 912 h/a | Qₖ, yhteensä: 560 kW | Qₖ, mekaaninen: 351 kW | Qₖ, haihdutus + WRG: 209 kW | Wₖ, yhteensä: 120 098 kWh/vuosi | Wₖ, mekaaninen: 53 887 kWh/vuosi | Wₖ, haihdutus: 56 479 kWh/a | Wₖ, WRG: 9 733 kWh/a | Reg: 55,1 %

München:

Qₖ (32 °C, 40 % suhteellinen kosteus): 321 kW | Käyttötunnit: 758 h/a | Qₖ, yhteensä: 371 kW | Qₖ, mekaaninen: 269 kW | Qₖ, haihdutus + Lämmöntalteenotto: 102 kW | Wₖ, yhteensä: 93 628 kWh/vuosi | Wₖ, mekaaninen: 44 849 kWh/vuosi | Wₖ, haihdutus: 42 871 kWh/vuosi | Wₖ, lämmöntalteenotto: 5 909 kWh/vuosi | Tehokkuus: 52,1 %

Stuttgart:

Qₖ (32 °C, 40 % suhteellinen kosteus): 321 kW | Käyttötunnit: 1 127 h/a | Qₖ, yhteensä: 486 kW | Qₖ, mekaaninen: 289 kW | Qₖ, haihdutus: + Lämmöntalteenotto: 197 kW | Wₖ, yhteensä: 154 993 kWh/vuosi | Wₖ, mekaaninen: 67 192 kWh/vuosi | Wₖ, haihdutus: 72 132 kWh/a | Wₖ, lämmöntalteenotto: 15 669 kWh/a | Reg: 56,6 %

Wien:

Qₖ (32 °C, 40 % suhteellinen kosteus): 321 kW | Käyttötunnit: 1 213 h/a | Qₖ, yhteensä: 598 kW | Qₖ, mekaaninen: 416 kW | Qₖ, haihdutus + Lämmöntalteenotto: 182 kW | Wₖ, yhteensä: 184 584 kWh/vuosi | Wₖ, mekaaninen: 96 235 kWh/vuosi | Wₖ, haihdutus: 72 873 kWh/a | Wₖ, lämmöntalteenotto: 15 477 kWh/a | Reg: 47,9 %

Bregenz:

Qₖ (32 °C, 40 % suhteellinen kosteus): 321 kW | Käyttötunnit: 727 h/a | Qₖ, yhteensä: 538 kW | Qₖ, mekaaninen: 364 kW | Qₖ, haihdutus + lämmöntalteenotto: 174 kW | Wₖ, yhteensä: 111 707 kWh/vuosi | Wₖ, mekaaninen: 66 994 kWh/vuosi | Wₖ, haihdutus: 38 741 kWh/vuosi | Wₖ, lämmöntalteenotto: 5 972 kWh/vuosi | Reg: 40,0 %

Simulointitulokset koskevat esimerkkijäähdytys- ja ilmanvaihtojärjestelmää viidessä valitussa kohteessa. Epäsuoran haihdutusjäähdytyksen energiamäärä vähentää merkittävästi mekaaniselta jäähdyttimeltä vaadittavaa jäähdytyskapasiteettia rakennuksen jäähdyttämiseksi.

QK (32 °C, 40 % RH): Kokonaisjäähdytysteho standardiulkoilmaolosuhteissa

QK, yhteensä*: Kokonaisjäähdytysteho (äärimmäinen arvo)

QK, mekaaninen*: Mekaaninen jäähdytysteho (äärimmäinen arvo)

QK, haihdutus & HRV*: Regeneratiivinen jäähdytysteho (äärimmäinen arvo)

WK, yhteensä: Vuotuinen jäähdytysenergian kokotuotto (keskiarvo)

WK, mekaaninen: Mekaanisen jäähdytyksen energiamäärä (keskiarvo)

WK, haihdutusjäähdytys: Epäsuoran haihdutusjäähdytyksen energiamäärä (keskiarvo)

WK, WRG: Lämmöntalteenoton energiamäärä (keskiarvo)

ηReg: Uusiutuvan energian osuus (keskiarvo)

Kuten simulointi osoittaa, epäsuora haihdutusjäähdytys tuottaa merkittävän osuuden uusiutuvasta energiasta. Vaikka järjestelmän suunnittelu muutoin pysyy samana, valittujen sijaintipaikkojen sääolosuhteista johtuvat erot ovat merkittäviä. Alueilla, joilla ulkoilman kosteus on korkeampi – ja joilla siksi tarvitaan enemmän ilmankuivausta – sen energiaosuuden suhteelliset arvot ovat alhaisemmat. Tämä näkyy selvästi Bregenzissä, jonka ilmastoon vaikuttaa vastaavasti sen sijainti suoraan Bodensee-järven itärannalla. Uusiutuvan energian kokonaisosuus lasketaan epäsuoran haihdutusjäähdytyksen ja lämmöntalteenoton energiaosuuksien summana. Valituilla rakennuspaikoilla tämän osuus on 40–56,6 % vuotuisesta jäähdytysenergian kokonais tarpeesta.

Kustannustehokkuuskysymys

Käytännössä suurin este uusiutuvan energian käytölle on kustannustehokkuus. Tehokkuutta parantavien toimenpiteiden, kuten epäsuoran haihdutusjäähdytyksen (adiabaattisen jäähdytyksen), on oltava kustannustehokkaita. Mahdolliset lisäinvestointikustannukset on saatava takaisin käytön aikana saavutettujen säästöjen avulla. Tämä kustannus-hyötyanalyysi on suoritettava jokaisen rakennuksen osalta erikseen. Luotettava järjestelmäsimulaatio tekee keskinäisistä suhteista selkeitä ja mahdollistaa realistisen vertailun perinteisiin rakennusten jäähdytysratkaisuihin.