Free cooling sopii konesali- ja tehontuotantokohteisiin erittäin hyvin silloin, kun ulkolämpötila laskee riittävästi alle prosessin jäähdytyssetpointin. Näissä kohteissa jäähdytystarve on jatkuva ja mittava, mikä tekee vapaajäähdytyksestä taloudellisesti ja teknisesti perustellun valinnan. Alla käydään läpi tärkeimmät kysymykset free coolingin soveltuvuudesta, rajoituksista ja energiahyödyistä konesali- ja prosessijäähdytyskohteissa.
Missä olosuhteissa free cooling toimii parhaiten?
Free cooling toimii parhaiten silloin, kun ulkolämpötila on selvästi alle jäähdytettävän prosessin tai tilan vaatiman setpointin, jolloin lämpö voidaan siirtää ympäristöön ilman kompressorien käyttöä. Pohjoisen ilmaston kohteissa, kuten Suomessa, tämä tarkoittaa käytännössä useita kuukausia vuodessa, jolloin vapaajäähdytys kattaa merkittävän osan jäähdytyskapasiteetista.
Konesalijäähdytyksessä ja tehontuotannon prosessijäähdytyksessä jäähdytysveden setpoint on tyypillisesti +15 °C:n ja +25 °C:n välillä. Kun ulkolämpötila laskee tämän rajan alapuolelle, vapaajäähdytys aktivoituu ja kompressorit voidaan ajaa alas. Mitä kylmempi ulkoilma, sitä tehokkaammin lämpö siirtyy ympäristöön ja sitä pienempi on sähkönkulutus.
AirTreater Prosean free-cooling-toiminto mahdollistaa täyden nimellisjäähdytystehon ilman kompressoreja kylmissä olosuhteissa. Tämä on mitattava suorituskykyparametri, ei arvio: koko nimellinen jäähdytysteho on käytettävissä kylmissä olosuhteissa pelkällä lämmönvaihdolla, ilman mekaanista jäähdytyskiertoa.
Sopiiko free cooling konesalin jatkuvaan jäähdytystarpeeseen?
Free cooling sopii konesalijäähdytykseen erittäin hyvin täydentävänä tai ensisijaisena jäähdytysmuotona kylmällä säällä, mutta se ei yksin riitä ympärivuotiseen konesalijäähdytykseen. Konesalin jäähdytystarve on jatkuva riippumatta vuodenajasta, joten järjestelmän on kyettävä tuottamaan tarvittava jäähdytysteho myös lämpiminä kuukausina, jolloin vapaajäähdytys ei enää ole käytettävissä.
Käytännön ratkaisu on hybridijärjestelmä, jossa free cooling ja kompressoripohjainen jäähdytys toimivat rinnakkain. Kylmällä kaudella vapaajäähdytys kantaa pääosan kuormasta, ja kompressorit käynnistyvät vasta tarpeen mukaan. Tämä lähestymistapa maksimoi vapaajäähdytyksen hyödyntämisasteen ja pidentää kompressorien käyttöikää vähentämällä niiden käyntitunteja.
Konesalikohteissa kriittistä on myös jäähdytyksen keskeytymättömyys. Prosessijäähdytyspaketti, joka on suunniteltu kriittisiin sovelluksiin ja joka takaa nimellisjäähdytystehon kaikissa ulkolämpötiloissa, vastaa tähän vaatimukseen. Vapaajäähdytys alentaa energiankulutusta, mutta konesalin jäähdytysjärjestelmän on toimitettava täysi kapasiteetti myös silloin, kun se ei ole käytettävissä.
Miten free cooling integroidaan tehontuotantolaitoksen prosessijäähdytykseen?
Tehontuotantolaitoksen prosessijäähdytykseen free cooling integroidaan nestekiertoiseen jäähdytysjärjestelmään, jossa ulkolämpötilaohjauksella hallitaan automaattisesti vapaajäähdytyksen ja kompressoripohjaisen jäähdytyksen välistä siirtymää. Järjestelmä seuraa ulkolämpötilaa ja prosessin jäähdytysveden paluulämpötilaa, ja aktivoi vapaajäähdytyksen aina, kun olosuhteet sen sallivat.
Tehontuotantolaitoksissa, kuten biokaasuvoimalaitoksissa ja varavoimayksiköissä, prosessijäähdytys on usein jatkuva ja kriittinen toiminto. Laitteen on tuotettava tarvittava jäähdytysteho vuorokauden ympäri, kaikkina vuodenaikoina. Tässä ympäristössä free cooling -toiminnon lisäarvo syntyy kahdesta tekijästä: se vähentää energiankulutusta kylmällä kaudella ja poistaa kompressorien käytöstä aiheutuvan mekaanisen rasituksen silloin, kun niitä ei tarvita.
Konttiin integroitu prosessijäähdytyspaketti soveltuu erityisen hyvin tehontuotantolaitoksiin, koska se ei vaadi pysyvää rakennusinfrastruktuuria. Kontti kytketään olemassa olevaan nestekiertoon, ja järjestelmä on toimintavalmis 4 tunnissa toimituksesta. Jos laitoksen sijainti tai kapasiteettitarve muuttuu, järjestelmä voidaan siirtää uuteen kohteeseen ilman merkittäviä siviilirakennetöitä.
Paljonko energiaa free cooling säästää verrattuna perinteiseen jäähdytykseen?
Free cooling vähentää energiankulutusta merkittävästi kylmillä kausilla, koska kompressorien sijaan hyödynnetään ulkoilman ja jäähdytysnesteen välistä lämpötilaeroa. Suomen ilmastossa, jossa ulkolämpötila pysyy alle +10 °C:n noin puolet vuodesta, vapaajäähdytys voi kattaa huomattavan osan vuotuisesta jäähdytysenergiasta.
Kompressoripohjainen jäähdytys kuluttaa sähköä suhteessa tuotettuun jäähdytystehoon tyypillisesti COP-arvoilla 2,5:stä 4:ään riippuen olosuhteista. Vapaajäähdytys puolestaan tarvitsee energiaa vain pumppujen ja puhaltimien käyttöön, jolloin tehonkulutus on murto-osa kompressorijäähdytyksen vaatimasta. Kun AirTreater Prosean free-cooling-toiminto toimii kylmissä olosuhteissa energiatehokkaasti ilman kompressoreja, jäähdytysteho tuotetaan käytännössä pelkän pumppaustehon avulla.
Kokonaissäästön suuruus riippuu kolmesta tekijästä: kohteen maantieteellisestä sijainnista ja ilmastosta, prosessin vaatimasta jäähdytyssetpointista sekä vuotuisesta jäähdytystuntimäärästä. Pohjoisissa kohteissa, joissa jäähdytystarve on ympärivuotinen ja ulkolämpötilat laskevat pitkäksi aikaa alle setpointin, energiasäästöpotentiaali on suurimmillaan.
Mitä rajoituksia free coolingilla on konesali- ja prosessikohteissa?
Free coolingin keskeisin rajoitus on lämpötilariippuvuus: vapaajäähdytys ei toimi silloin, kun ulkolämpötila nousee lähelle tai yli prosessin jäähdytyssetpointin. Kesäkuukausina tai lämpimissä ilmastoissa free cooling ei tuota riittävää jäähdytystehoa, jolloin kompressoripohjainen jäähdytys on ainoa vaihtoehto.
Konesali- ja prosessikohteissa on huomioitava myös seuraavat rajoitukset:
- Setpointin asettaminen: Mitä korkeampi jäähdytyssetpoint, sitä enemmän vapaajäähdytystunteja kertyy vuodessa. Jos prosessi vaatii erittäin matalan jäähdytysveden lämpötilan, vapaajäähdytyksen hyödyntämisaste laskee.
- Kosteus ja jäätymisriski: Nestekiertoisessa vapaajäähdytyksessä on varmistettava, ettei jäähdytysneste jäädy ulkolämpötilojen laskiessa. Tämä ratkaistaan oikealla glykoli-vesiseoksella tai integroidulla suojauslogiikalla.
- Kapasiteetin riittävyys huippukuormassa: Vapaajäähdytys ei välttämättä kata täyttä jäähdytyskapasiteettia siirtymäkausilla, jolloin ulkolämpötila on lähellä setpointia. Hybridijärjestelmässä kompressorit täydentävät kapasiteettia tarvittaessa.
- Ilmanlaatu ja suodatus: Ilmajäähdytteisissä vapaajäähdytysyksiköissä ulkoilman laatu ja pölyisyys voivat vaikuttaa lämmönsiirtimien puhtauteen ja huoltotarpeeseen.
Kriittisille prosesseille suunnitellussa järjestelmässä rajoitukset hallitaan integroimalla vapaajäähdytys ja kompressorijäähdytys yhdeksi kokonaisuudeksi, joka tuottaa taatun nimellisjäähdytystehon kaikissa ulkolämpötiloissa. Vapaajäähdytys alentaa käyttökustannuksia, mutta ei saa olla ainoa kapasiteettilähde kohteessa, jossa jäähdytyksen keskeytyminen on operatiivisesti kriittistä.
Milloin kannattaa valita free cooling -ratkaisu konesaliin tai prosessikohteeseen?
Free cooling -ratkaisu kannattaa valita konesaliin tai prosessikohteeseen silloin, kun jäähdytystarve on jatkuva, kohde sijaitsee viileässä ilmastossa ja prosessin jäähdytyssetpoint on riittävän korkea vapaajäähdytyksen hyödyntämiseen merkittävän osan vuodesta. Suomessa ja muissa pohjoisissa maissa nämä ehdot täyttyvät useimmissa teollisuuden ja energiantuotannon prosessijäähdytyskohteissa.
Valintaa puoltavia tekijöitä ovat erityisesti:
- Jatkuva, ympärivuotinen jäähdytystarve, jossa energiakustannukset ovat merkittävä operatiivinen kuluerä
- Prosessin jäähdytyssetpoint +15 °C:n tai sen yläpuolella, mikä mahdollistaa vapaajäähdytyksen aktivoitumisen suurimman osan talvikaudesta
- Kohde, jossa kompressorien mekaaninen vikaantuminen on operatiivinen riski ja käyntituntien minimoiminen pidentää käyttöikää
- Tarve nopeaan käyttöönottoon ilman pysyvää rakennusinfrastruktuuria
- Energiatehokkuusvaatimukset tai halu alentaa jäähdytyksen sähkönkulutusta pitkällä aikavälillä
Konesalikohteessa free cooling on perusteltu valinta erityisesti silloin, kun laitteiston tuottama lämpökuorma on tasainen ja ennakoitavissa. Tehontuotantolaitoksissa, kuten biokaasuvoimalaitoksissa, prosessijäähdytys on usein sekä jatkuvaa että kriittistä, mikä tekee hybridiratkaisusta, jossa vapaajäähdytys ja kompressorijäähdytys toimivat yhdessä, teknisesti ja taloudellisesti perustellun valinnan.
Jos prosessijäähdytyskohteen vaatimukset tai sijaintiolosuhteet ovat epäselvät, kannattaa pyytää tekninen arvio järjestelmän mitoituksesta ja vuotuisesta free cooling -hyödyntämisasteesta ennen hankintapäätöstä. AirTreater tarjoaa teknistä neuvontaa prosessijäähdytyksen mitoitukseen ja järjestelmävalintaan.
