Trudniejsze od ogrzewania. Jak oszczędzić na chłodzie?

Bez chłodnictwa nie byłoby możliwe wyżywienie prawie ośmiu miliardów mieszkańców Ziemi. Chłodzenie żywności umożliwiło jej produkcję w wielkich zakładach i transportowanie gotowych wyrobów na duże odległości. Niskie temperatury są niezbędne także we współczesnej medycynie, która wykorzystuje banki krwi, szczepionki, leki oraz w wielu gałęziach przemysłu. Bez sztucznego chłodu nie działają serwerownie i centra danych.

Klimatyzacja jest jeszcze młodszym wynalazkiem – po raz pierwszy zaczęto szerzej jej używać po drugiej wojnie światowej. Z każdą dekadą następował wzrost rynku. Obecnie aż 87 proc. budynków w Stanach Zjednoczonych jest chłodzonych dla komfortu, w Polsce również staje się to standardem w budynkach użyteczności publicznej i środkach transportu. Saudyjskie elektrownie spalają rocznie więcej ropy niż Francja i Włochy razem wzięte, a połowa szczytowego zapotrzebowania służy do produkcji zimna.

Zobacz także: Gorąco, coraz cieplej. Klimatyzacja pożera energię

Łamanie zasad ma swoją cenę

Energia cieplna rozpraszana w otoczeniu jest odpadem powszechnie wydzielanym w procesie metabolizmu przez organizmy i przez pracujące maszyny. Ponownie jak wszelkie inne odpady zaczyna stanowić problem gdy jest jej za dużo. Każde urządzenie pobierające prąd z gniazdka wydziela do otoczenia dokładnie tyle energii ile pobrało z sieci. Również człowiek jako reaktor biologiczny produkuje ciepło – zależnie od aktywności jest to około 100-200 watów. Nawet żywność przechowywana w chłodni czy lodówce żyje, oddycha i nagrzewa się. Przez większą część roku temperatura powietrza w Polsce jest niższa od temperatury naszych ciał i mieszkań, więc pozwalamy niechcianej energii uciec i problem rozwiązuje się sam. Problem powstaje, gdy otoczenie staje się jeszcze cieplejsze i nie chce naszego ciepła przyjmować.

Energia zawsze chce przepływać z miejsca, gdzie jest jej więcej do miejsca gdzie jest jej mniej. Pozostawiona w spokoju woda w basenie uspokaja się i dąży do osiągnięcia w każdym miejscu tego samego poziomu. Podobnie rozgrzany przedmiot będzie tracić ciepło do otoczenia aż do całkowitego wyrównania temperatur. Instalacja chłodnicza musi wykonać zadanie, które wydaje się być wbrew naturze – zmusić energię do przepływu z miejsca zimnego do cieplejszego. Łamanie zasad ma swoją cenę – wytworzenie chłodu o temperaturze kilkunastu stopni powyżej zera wymaga dostarczenia jednej kWh prądu na każde 3-4 kWh zimna. Oziębianie przy temperaturze bliskiej zera (pozwalającej na długotrwałe przechowywanie nabiału czy owoców) wymaga 1 kWh prądu na 2 kWh chłodu. Jeśli potrzebujemy naprawdę niskiej temperatury (np. do składowania mrożonek) stosunek ten będzie wynosił prawie 1:1. Rozsądne gospodarowanie energią powinno uwzględniać zarówno unikanie niepotrzebnego dopływu ciepła jak i odpowiedni dobór źródła

Pierwszy krok: zmniejszenie zapotrzebowania na chłód

Bardzo istotne jest ograniczenie napływu ciepła przez przegrody zewnętrzne. Ściany lodówek i zamrażarek wypełnione są kilkoma centymetrami dobrze izolującej pianki, ściany chłodni robione są z jeszcze grubszej izolacji – od 8 cm w przypadku małych pomieszczeń (np. w supermarketach) po 20 cm i więcej w przypadku wielkich magazynów i mroźni o bardzo niskiej temperaturze.

Pomieszczenia chłodzone powinny być chronione przed niekontrolowanym napływem cieplejszego powietrza, dlatego lodówki i pomieszczenia chłodni wyposaża się w grube drzwi z pianki izolacyjnej, a tam gdzie występuje duży ruch (np. w mroźniach logistycznych) używa się pasków folii zasłaniających bramę, kurtyn powietrznych lub specjalnych szybko podnoszonych bram ograniczających wymianę powietrza.

Korzyści z ochrony przed dostępem ciepła dobrze widać na przykładzie sklepów spożywczych. W wielu marketach występują wysokie chłodzone regały z nabiałem lub mięsem, które nie mają żadnej osłony przed ucieczką zimna. Takie lodówki potrzebują nawet 1200-1400 watów mocy chłodniczej na każdy metr długości, co przekłada się na ok. 600 watów zużycia prądu. Instalacja obsługująca 30 metrów takich mebli zużywa średnio tyle prądu, ile 90 gospodarstw domowych w polskich miastach. Zastosowanie drzwi w regałach obniża zapotrzebowanie na chłód od 40 proc. w przypadku najprostszych rozwiązań po 60-70 proc. dla dobrze dopasowanych dwuszybowych drzwi instalowanych przez producenta. Dodatkową korzyścią jest znacznie większy komfort w sklepie – korytarze pomiędzy meblami chłodniczymi przestają być nieprzyjemnie zimne. Zainstalowanie drzwi ogranicza też osadzanie się wilgoci i szronu we wnętrzu lodówek.

Zobacz także: Mieszkańcy miast potrzebują coraz mniej prądu

Technologie chłodnicze – oszczędności na etapie inwestycji i eksploatacji

Każda instalacja chłodnicza musi odprowadzić do otoczenia tyle ciepła, ile zabrała z oziębianych pomieszczeń plus dodatkowo tyle, ile wyniosło własne zużycie prądu. Tam, gdzie występuje jednocześnie duże zapotrzebowanie na zimno i na ciepło (np. w zakładach przetwórstwa żywności) instaluje się odzysk ciepła z agregatów. Standardowa instalacja wytwarzająca chłód jest w stanie odzyskać całe ciepło ogrzewając wodę do +30°C lub kilkanaście procent ciepła ogrzewając wodę do 50-60°C. Układy pracujące z dwutlenkiem węgla jako czynnikiem roboczym mogą produkować gorącą wodę o jeszcze wyższej temperaturze – nawet 60-80°C przy pełnym odzysku energii.

Niewykorzystane ciepło jest wyrzucane do otoczenia przez wentylatory. Im większy jest wymiennik ciepła, tym łatwiej pozbywa się niepotrzebnej energii i sprężarki mogą pracować z mniejszą mocą. Wentylatory hałasują i pożerają prąd, więc najlepiej, żeby kręciły się jak najwolniej, ale wtedy spada przepływ powietrza i znowu potrzebna jest większa powierzchnia rur, aby utrzymać odpowiednie dochłodzenie czynnika. Oczywiście większy wymiennik ciepła będzie kosztował drożej, a inwestor chciałby zaoszczędzić na kosztach urządzeń. Praca inżyniera chłodnictwa jest pełna kompromisów pomiędzy kosztem inwestycji a niezawodnością i kosztami eksploatacji.

Duże korzyści przynosi też postęp techniczny w innych dziedzinach. Oświetlenie LED i wydajniejsze komputery obniżyły emisję ciepła w biurach, a więc również zapotrzebowanie na chłodzenie. Dzięki regulatorom mocy wprowadzanym od kilku lat klimatyzatory nie muszą co chwilę uruchamiać się i stawać, tylko mogą płynnie dopasowywać wydajność do potrzeb. Nowe wentylatory zużywają 20-70 proc. mniej od tradycyjnych a przy tym są cichsze i bardziej bezawaryjne.

Bardzo często instalacja chłodnicza zużywa więcej energii niż potrzeba, ponieważ nie jest w odpowiedni sposób utrzymywana. Samo sprawdzanie działania urządzeń i regulacja ustawień pozwala oszczędzić od kilku do kilkunastu procent energii. W chłodniach istotne jest ułożenie towaru – muszą zostać zachowane odstępy umożliwiające równomierny dostęp powietrza. Wymienniki ciepła przekazujące zimno i ciepło muszą być regularnie czyszczone. W dużych instalacjach trzeba stale kontrolować szczelność i uzupełniać wycieki czynnika. Uszkodzone elementy (np. czujniki temperatury) powinny być wymieniane na bieżąco. Dane przesyłane przez system sterowania muszą być regularnie sprawdzane aby wykryć anomalie.

Zobacz także: Kowalscy zużywają coraz mniej prądu

Zamieszanie z czynnikami chłodniczymi

Oprócz zmian wynikających z rosnących kosztów energii branża chłodnicza i klimatyzacyjna przechodzi właśnie inną rewolucję związaną z wycofywaniem syntetycznych czynników chłodniczych. W ciągu ostatnich 30 lat zrezygnowano całkowicie z gazów zawierających chlor, które niszczyły warstwę ozonową, ale ich następcy również są na cenzurowanym, bo mają bardzo silny wpływ na efekt cieplarniany. Klimatyzator typu split zawiera około kilograma czynnika, który po wydostaniu się będzie ogrzewał Ziemię tak jak dwie tony dwutlenku węgla. Średniej wielkości hipermarket ma w instalacji około tony podobnego gazu, który po ucieczce zadziała jak cztery tysiące ton CO₂.

Syntetyczne czynniki chłodnicze o najwyższym wpływie na efekt cieplarniany są systematycznie wycofywane z rynku. Za kilka lat nie będzie można oddawać do użytku nowych instalacji z ich wykorzystaniem, w dodatku od 2015 roku w Unii Europejskiej obowiązują limity w ilości nowego czynnika wprowadzanego na rynek. W ciągu ostatnich dwóch lat ceny tych gazów wzrosły kilkukrotnie. Branża intensywnie poszukuje zamienników, w tym podobnych substancji o niższym wpływie na środowisko. Nie ma jednego idealnego rozwiązania – część proponowanych gazów jest palna, część to mieszaniny o niestabilnych parametrach, a część nie nadaje się do istniejących urządzeń ze względu na zbyt niskie lub zbyt wysokie ciśnienia pracy.

Kto odczuje zmiany?

Nie każdy odczuje zmiany równie mocno. Najmniejsze urządzenia takie jak lodówki i przenośne klimatyzatory są sprzedawane użytkownikom jako fabrycznie napełnione układy gotowe do podłączenia do prądu. Nie są przewidziane do serwisowania ani rozbierania na kawałki, więc napełnia się je nieszkodliwym dla środowiska lecz łatwopalnym izobutanem.

Większe systemy chłodnicze i klimatyzacyjne są zamawiane w częściach i montowane na miejscu. Podczas uruchomienia napełnia się je czynnikiem chłodniczym, a potem regularnie serwisuje.

Zdecydowana większość instalacji o mocach od kilku do kilkuset kilowatów wykorzystuje wycofywane obecnie syntetyczne gazy i właśnie ten segment rynku czekają w związku z regulacjami o ochronie środowiska największe zmiany. Na krótką metę rozwiązaniem może być stosowanie syntetycznych czynników o nieco niższym wpływie na środowisko. Bardziej długofalowym rozwiązaniem jest wymiana na system wykorzystujący nie objęte wycofywaniem gazy, np. na dwutlenek węgla. Instalacje na CO2 pracują przy wyższych ciśnieniach (dlatego są projektowane według bardziej restrykcyjnych kryteriów i kosztują więcej) ale za to mogą lepiej dostosowywać się do warunków otoczenia i przez większą część roku osiągają bardzo wysoką sprawność. Kolejną korzyścią są znacznie lepsze możliwości odzysku ciepła – stąd rosnące zainteresowanie pompami ciepła na CO2. Chłodnictwo na dwutlenek węgla staje się dominującą technologią w handlu i mniejszych zakładach przemysłowych.

Najwięksi konsumenci zimna tacy jak producenci mrożonek, wiodące zakłady mięsne czy lodowiska od lat kroczą własną drogą – powierzają całą opiekę nad chłodnictwem zewnętrznej firmie. Jako gazu roboczego używają amoniaku, który jest wprawdzie wysoce toksyczny i palny, ale nie ma wpływu na efekt cieplarniany, więc nie podlega wycofywaniu z uwagi na ochronę środowiska. Instalacje amoniakalne różnią się od reszty chłodnictwa tak mocno jak energetyka jądrowa różni się od pozostałej energetyki konwencjonalnej. Właściciel fabryki który decyduje się pójść tą drogą ma do wyboru tylko kilku producentów o światowej renomie. Firma, od której zamawia urządzenia jest jednocześnie projektantem, wykonawcą oraz głównym serwisantem na następne 20 lat. Większość instalacji chłodniczych na amoniak należy do zagranicznych korporacji przyzwyczajonych do takiej formy współpracy.

Zobacz także: Rewolucja w ogrzewaniu. Pompy ciepła u progu zmiany

Oszczędności energii

Oszczędność energii w chłodnictwie ma sens – korzyści finansowe dla użytkownika są na tyle duże, że zapewniają zwrot z inwestycji. Właściwie zaprojektowana i utrzymywana instalacja będzie mniej awaryjna, co ma kluczowe znaczenie np. w przechowywaniu żywności. Regulacje Unii Europejskiej zmierzają do wycofania popularnych czynników chłodniczych i dostosowanych do nich urządzeń, co daje impuls do rozwoju branży i unikalną okazję do wdrożenia lepszych rozwiązań.

Chłodnictwo i klimatyzacja to jedna z tych branż, które w najbliższych dekadach najbardziej będą zyskiwać  na znaczeniu. W krajach rozwiniętych główny kierunek zmian to zmniejszanie wypływu na środowisko poprzez redukcję zużycia energii i wycofywanie najbardziej szkodliwych czynników roboczych. Kraje rozwijające się stawiają na szybki i niekontrolowany rozwój branży, korzystając z najprostszych i zazwyczaj bardziej szkodliwych dla środowiska technologii. Chiny, Indie, Brazylię i Indonezję zamieszkuje łącznie ponad 3 mld ludzi. Zachodzące na naszych oczach upowszechnianie się lodówek i klimatyzatorów w tych krajach ma ogromny wpływ na losy planety.

Czytaj także: Jak płacić mniej za ogrzewanie?