Wzrost cen energii elektrycznej oraz rosnąca świadomość ekologiczna skłaniają użytkowników do poszukiwania efektywnych energetycznie i przyjaznych środowisku rozwiązań. W odpowiedzi na te wyzwania w sektorach przemysłowych, handlowych oraz w systemach klimatyzacyjnych wprowadza się nowoczesne technologie mające na celu redukcję zużycia energii. Jednym z takich rozwiązań jest system free-coolingu, który wykorzystuje powietrze zewnętrzne do schładzania pomieszczeń w sposób bezpośredni lub pośredni.
Free-cooling to technika wykorzystująca naturalne warunki środowiskowe, głównie niską temperaturę powietrza zewnętrznego, do schładzania pomieszczeń lub procesów technologicznych, bez konieczności stosowania energochłonnych urządzeń chłodniczych, takich jak sprężarki. Jest to rozwiązanie oparte na zasadzie wykorzystania różnicy temperatur między powietrzem zewnętrznym a wewnętrznym, co pozwala na redukcję zużycia energii elektrycznej oraz obniżenie kosztów eksploatacyjnych. System free-coolingu działa w oparciu o prostą zasadę fizyczną: wymiana ciepła między powietrzem zewnętrznym a wewnętrznym. Gdy temperatura powietrza na zewnątrz jest niższa niż temperatura w pomieszczeniu, system wykorzystuje to powietrze do schłodzenia wnętrza. W zależności od konfiguracji free-cooling może działać w trybie bezpośrednim lub pośrednim.
W trybie bezpośrednim chłodniejsze powietrze zewnętrzne jest wprowadzane bezpośrednio do pomieszczenia, zastępując cieplejsze powietrze wewnętrzne. Proces ten wymaga jednak wstępnej obróbki powietrza (np. filtracji, nawilżania lub osuszania), aby zapewnić odpowiednie parametry komfortu (rys. 1).
Rys. 1. Schemat układu z wykorzystaniem free-coolingu bezpośredniego. Rys. autorów
Zastosowanie: głównie w okresach przejściowych (wiosna, jesień) oraz zimą, gdy temperatura zewnętrzna jest znacznie niższa niż wewnętrzna.
Ograniczenia: nie nadaje się do stosowania w klimacie gorącym lub wilgotnym, gdzie temperatura zewnętrzna rzadko spada poniżej wewnętrznej.
>>> Klimatyzacja ekologiczna vs. konwencjonalna
>>> Bezprzewodowe systemy wentylacyjno-klimatyzacyjne
>>> Okresowa kontrola budynków w zakresie systemu ogrzewania i klimatyzacji
>>> Urządzenia wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewcze w rozwiązaniach HVAC
>>> Osuszanie powietrza w wentylacji i klimatyzacji
W trybie pośrednim powietrze zewnętrzne nie jest wprowadzane bezpośrednio do pomieszczenia, ale służy do schłodzenia medium pośredniczącego (np. wody lub glikolu), które następnie oddaje chłód do systemu klimatyzacyjnego (rys. 2).
Rys. 2. Schemat układu do produkcji wody lodowej z wykorzystaniem free-coolingu pośredniego. Rys. autorów
Zastosowanie: system ten jest bardziej uniwersalny, ponieważ może działać nawet przy wyższych temperaturach zewnętrznych, o ile są one niższe niż temperatura powrotu medium chłodzącego.
Konfiguracja: w systemach pośrednich często montuje się dodatkowe chłodnice free-cooling oraz zawory trójdrogowe, które umożliwiają przełączanie między tradycyjnym chłodzeniem sprężarkowym a free-coolingiem.
System free-coolingu znajduje zastosowanie przede wszystkim w obiektach charakteryzujących się znacznymi zyskami ciepła przez cały rok. Do takich obiektów należą m.in.: serwerownie, centra handlowe oraz zakłady przemysłowe. Wdrożenie tego systemu wiąże się jednak ze zwiększonymi nakładami inwestycyjnymi, związanymi głównie z koniecznością zakupu agregatów wody lodowej wyposażonych w układ free-coolingu. Ponadto koszty generuje konieczność instalacji dodatkowych chłodnic free-coolingowych lub układów obejściowych w systemie chillerów [1].
Stosowalność systemu free-coolingu jest silnie uzależniona od dwóch kluczowych czynników: wielkości zysków ciepła w pomieszczeniu oraz temperatury powietrza zewnętrznego. Rozwiązanie to działa efektywnie tylko wtedy, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest na tyle niska, aby umożliwić schłodzenie wody chłodniczej lub powietrza w pomieszczeniu. Jednocześnie w samym pomieszczeniu muszą występować odpowiednie zyski ciepła, które wymagają usunięcia nawet przy niskich temperaturach zewnętrznych. Ta specyfika działania systemu znacznie ogranicza czas jego stosowania – zazwyczaj do 1–2 miesięcy w roku, przy założeniu pracy urządzeń klimatyzacyjnych przez kilka godzin dziennie [2].
W dalszej części artykułu:
Jak działa system free-cooling
Przykład zastosowania free-coolingu
Cały artykuł dostępny jest w numerze 5/2025 miesięcznika „Inżynier Budownictwa”.
dr inż. Sławomir Rabczak
mgr inż. Justyna Darmochwał-Podoba
Literatura
1. N.B. Lamptey, S.K. Anka, K. Ho Lee, Y. Cho, J.W. Choi, J.M. Choi, Compractive Energy analysis of cooling Energy performance between conventional and hybrid air source internet data center cooling system, „Energy and Buildings”, 2024,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2023.113759.
2. H.A. Moghaddam, S. Tkachenko, G.H. Yeoh, V. Timchenko, A newly designed BIPV system with enhanced passive cooling and ventilation, „Building Simulation”, t. 16, 2023, s. 2093–2107, https://doi.org/10.1007/s12273-023-1051-z.
