Ciepło, cieplej, coraz cieplej

Czym jest fizyka chłodzenia?

W czasach, gdy powstaje ten tekst, chłód jest szczególnie ważny. Schładzanie, klimatyzowanie – wszystko to, co może nam poprawić komfort funkcjonowania przy temperaturach na zewnątrz  w okolicach 35 st. C. W czasie narastających obaw w związku z globalnym ociepleniem prowadzimy dyskusje na temat chłodzenia. Po co to robimy? Co wspólnego ze wspomnianym chłodzeniem ma fizyka i jej zasady? Temat chłodzenia funkcjonuje nie tylko w codziennym życiu, lecz także w technice oraz w inżynierii, zwłaszcza obiektów, któremu przypisuje się wielowątkowe znaczenie. W wielu miejscach w naszych obiektach, w praktycznie każdej instalacji, mamy do czynienia z chłodzeniem, czyli procesem usuwania ciepła z obiektu, pomieszczenia lub substancji w celu obniżenia jego temperatury.

Zagłębiając się w definicje fizyki chłodzenia, będziemy mówili o dziale fizyki zajmującym się procesami obniżania temperatury obiektów, materiałów lub substancji, w którym chłodzenie jest procesem, gdzie energia cieplna jest usuwana z obiektu, materiału lub substancji w celu obniżenie jego temperatury. Z jednej strony świadomie i celowo obniżamy temperaturę, poświęcając na to duże nakłady finansowe, z drugiej – może mniej świadomie – doprowadzamy do stopniowego wzrostu średnich temperatur na Ziemi poprzez: procesy spalania paliw kopalnych, transport, stosowanie nawozów sztucznych i hodowlę bydła. Również sukcesywne wycinanie lasów (zwłaszcza tropikalnych) zmniejsza zdolność Ziemi do pochłaniania dwutlenku węgla. Uwolnione spod kontroli emisje gazów dwutlenku węgla, metanu, podtlenku azotu, oraz innych gazów przemysłowych (HFCs, PFCs, SF₆) prowadzące do globalnego ocieplenia przekładają się na poszukiwanie coraz doskonalszych źródeł chłodzenia w różnych dziedzinach.

Proces chłodzenia 

Sam proces chłodzenia odnoszony do budynku występuje w instalacjach elektrycznych i energetycznych – mechaniczne chłodzenie transformatorów, a raczej pomieszczeń, w których się znajdują, zapewnienie odpowiedniego chłodzenia tras kablowych, kondensatorów do kompensacji mocy biernej osiągających podczas pracy wysokie temperatury, chłodzenie układów zasilania do opraw oświetlenia, układach chłodzenia pomp czy silników, pomieszczeń serwerowni stanowiących serca budynków. W przypadku instalacji sanitarnych wodę będziemy podgrzewać, rzadziej schładzać, co odwróci się systemach wentylacji i procesach obróbki powietrza w celu jego schłodzenia (za wyjątkiem innych stref klimatycznych i systemów schładzania wody w basenach kurortów wypoczynkowych, gdzie temperatury otoczenia w okresie letnim oscylują wokół wartości 40st. C).

Odnośnie obniżania temperatury, użyłem już jednej z trzech skali do prezentacji wartości temperatury, skali Celsjusza, w której dwa charakterystyczne stany wynoszą 0°C (jako punkt zamarzania wody) i 100°C (jako punkt jej wrzenia przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym). Inna ze skal, skala Fahrenheita (°F), głównie stosowana w Stanach Zjednoczonych, gdzie 32°F stanowi punkt zamarzania wody, a 212°F – punkt jej wrzenia. Trzecia, nazywana skalą absolutną – skala Kelvina (K) – używana jest głównie w naukach ścisłych, zaczynająca się od zera absolutnego (-273,15°C), gdzie ustaje ruch cząsteczek i  punktu zamarzania wody wynosi 273,15 K, a punkt jej wrzenia – 373,15 K. Tu, na szczęście, nie trzeba przeliczać jednostek, gdyż 1°C=1°F=1K.

Niezależnie od skali, w jakiej będziemy podawać temperaturę, to pod tą nazwą zdefiniujemy miarę energii cieplnej, określającej, w jakim stopniu obiekt jest ciepły lub zimny w porównaniu z innymi obiektami. W wielu wzorach znajdziemy również określenie różnicy temperatur (ΔT), czyli wartości stopni dowolnej skali, o którą jedna temperatura różni się od drugiej.

Naturalne i wymuszone procesy

Na chłodzenie budynków i przestrzeni składają się naturalne i wymuszone procesy. Te pierwsze będą opierać się o rozwiązania architektoniczne polegające na odpowiedniej izolacji termicznej budynków. Zaliczymy do nich skuteczne ocieplenie budynków, które zapobiega przedostawaniu się ciepła do wnętrza latem i utrzymywaniu go na zewnątrz oraz wykorzystanie materiałów budowlanych (np. beton, cegła) o dużej pojemności cieplnej, które absorbują ciepło w dzień i powoli je uwalniają nocą, wysokiej jakości okna o niskim współczynniku przenikania ciepła ograniczające ilość ciepła dostającego się do wnętrza budynku, naturalnie wentylowane fasady, które oddzielają warstwę zewnętrzną elewacji od ściany budynku, co pozwala na cyrkulację powietrza i chłodzenie, farby i powłoki refleksyjne do malowania dachów  i elewacji jasnymi, refleksyjnymi powłokami, które odbijają promienie słoneczne, zamiast je pochłaniać (i pewnie jeszcze kilka innych).

Kolejne z metod chłodzenia budynków i przestrzeni w budynkach, pomieszczeń obejmują wykorzystanie technologii chłodzenia – tych ogólnie i powszechnie stosowanych, począwszy od najprostszego z nich, czyli chłodzenia nocnego, polegającego na otwieraniu okien, drzwi i otworów w dachach, aby schłodzić budynek, a następnie zamknięcie ich rano, aby zatrzymać chłodne powietrze – to naturalne można wesprzeć wentylacją wymuszoną za pomocą wymuszonego obiegu powietrza przez systemy wentylacji ustawione na 100% wymianę powietrza wewnątrz budynku na to chłodniejsze (nocne temperatury). Tak przygotowany i schłodzony budynek, a raczej jego wnętrze, pozwoli na późniejsze załączenie systemów klimatyzacji w dzień i rozpoczęcie pracy od niższej temp. wewnętrznej, co ułatwi proces schładzania w pierwszych godzinach pracy klimatyzacji. Kolejna z metod to zastosowanie różnego rodzaju urządzeń klimatyzacyjnych, czyli urządzeń, które mechanicznie chłodzą powietrze poprzez obieg czynnika chłodniczego. Często nazywane jako HVAC systemy klimatyzacji mogą pracować nie tylko jako pojedyncze urządzenia, ale również jako elementy składowe wewnętrznej wentylacji wraz z obróbką termiczną powietrza. Systemy chłodzenia za pomocą urządzeń klimatyzacji coraz częściej będą wspomagane  chłodzeniem adiabatycznym — wykorzystującym wodę do schładzania powietrza poprzez odparowanie, co jest energooszczędnym rozwiązaniem lub chłodzeniem geotermalnym — wykorzystującym temperaturę gruntu do chłodzenia budynków za pomocą systemów pomp ciepła.

BMS — niezawodny

Abyśmy mogli efektywnie dobrać pracę urządzeń mających na celu utrzymanie odpowiedniej temperatury w budynku czy poszczególnych jego pomieszczeniach w zależności od tego, jakie źródła generujące to ciepło się w nich znajdują (również człowiek, liczba osób w danej chwili), potrzebny będzie niezawodny i sprawny system zarządzania budynkiem (BMS). Automatyczne systemy sterujące klimatyzacją, wentylacją i oświetleniem, ilością CO2, wilgotnością wspierają człowieka w nowoczesnych budynkach w zakresie optymalizacji zużycia energii, również tej na potrzeby chłodzenia.

Może split wystarczy

Dla mniejszych pomieszczeń czy budynków być może wystarczą instalacje typu split, czyli jednostka wewnętrzna (parownik) oraz zewnętrzna (skraplacz) odpowiednio dobrana moc do kubatury pomieszczenia bez wymiany w nim powietrza. Można też zastosować nieco większe systemy multisplit, umożliwiające podłączenie kilku jednostek wewnętrznych do jednej jednostki zewnętrznej, co jest efektywne przy chłodzeniu kilku pomieszczeń. Do większych budynków, jak biurowce, galerie handlowe czy hotele zastosujemy nieco bardziej rozbudowane systemy. Może to być klimatyzacja centralna realizowana przez urządzenia HVAC (tu nie tylko chłodzenie, ale również wymiana powietrza w proc. ustalonym przez BMS lub nastawę ręczną). Klimatyzacja kanałowa, w której już nie schładzamy poszczególnych pomieszczeń indywidualnie, ale chłodne powietrze jest rozprowadzane przez kanały wentylacyjne do różnych pomieszczeń. Pozwala to na równomierne chłodzenie całego budynku, a źródłem chłodu rozprowadzanego przez kanały są tu agregaty chłodnicze. Agregaty chłodnicze działają na zasadzie cyklu termodynamicznego, który obejmuje sprężanie, skraplanie, rozprężanie i parowanie czynnika chłodniczego i rozróżnimy tu kilka rodzajów tych urządzeń.

Agregaty chłodnicze powietrzne (skraplacze powietrzne) – ciepło jest odprowadzane z układu za pomocą powietrza przepływającego przez skraplacz. Są one powszechnie stosowane w systemach, gdzie chłodzenie odbywa się na zewnątrz budynków, np. w instalacjach klimatyzacyjnych, lodówkach przemysłowych czy magazynach;

Agregaty chłodnicze wodne (skraplacze wodne) – ciepło jest odprowadzane za pomocą wody. Są bardziej efektywne niż agregaty powietrzne, ale wymagają dostępu do wody i odpowiednich systemów odprowadzania ciepła. Stosowane są głównie w dużych obiektach przemysłowych i handlowych;

Agregaty chłodnicze ze skraplaczem wyparnym – łączące cechy agregatów powietrznych i wodnych, wykorzystujące wodę do wspomagania procesu skraplania. Mają wysoką wydajność i są często stosowane w dużych systemach chłodniczych;

Agregaty monoblokowe – czyli zintegrowane urządzenia, w których wszystkie komponenty (sprężarka, skraplacz, parownik, zawór rozprężny) znajdują się w jednej obudowie. Stosowane głównie w mniejszych systemach, jak chłodnie, kontenery chłodnicze czy witryny chłodnicze;

Agregaty split – już wcześniej opisane.

Wykorzystanie agregatów chłodniczych nie kończy się na chłodzeniu powietrza w systemach wentylacji-klimatyzacji. Są one również szeroko wykorzystywane do chłodzenia spożywczego, medycznego czy farmaceutycznego. Część leków wymaga przechowywania w odpowiednio niskich temperaturach, część (jak chociażby krew, szczepionki, próbki laboratoryjne czy inne materiały biologiczne) są mrożone w bardzo niskich temperaturach, pomiędzy -20 a -80st.C, a w szczególnych przypadkach nawet w okolicach -150st.C. Chłodzenie dotyczy nie tylko samych leków, lecz także procesów leczenia, rehabilitacji sportowej, leczenia schorzeń reumatycznych oraz regeneracji po urazach. Od tej najprostszej metody przykładania lodu do ciała poprzez chłodzenie miejscowe aplikatorami ciekłego azotu po krioterapię ogólnoustrojową polegającą na umieszczeniu pacjenta na 2-3 minuty w kapsule o temperaturze pomiędzy -110 a -160st.C, jednak nie o medycynie będziemy tu snuć rozważania, choć należy podkreślić, że w procesach schładzania odgrywa ważną rolę.

Konieczność niskiej temperatury

Powracając do obiektów, to ww. chłodzenie lokalach farmaceutycznych (apteki czy kliniki) będzie stosowane, a znaczną część rozdziału zajmuje chłodzenie spożywcze. Chłodzenie to również proces utrzymania w odpowiednio niskich temperaturach produktów spożywczych, a więc chłodnictwo spożywcze bardzo szeroko reprezentujące ten dział fizyki.

Nie tylko te w sklepach spożywczych, w których przechowywanie świeżych produktów (mięso, ryby czy produkty mleczne) będzie wymagało dla zachowania ich przydatności do spożycia odpowiednich temperatur, niskich temperatur. Chłodzenie w przemyśle spożywczym odgrywa kluczową rolę  w zapewnieniu jakości, świeżości i bezpieczeństwa żywności. Właściwe zarządzanie temperaturą na każdym etapie produkcji, przechowywania i transportu pozwala na ograniczenie strat oraz chroni przed rozwojem patogenów. Przemysł spożywczy wykorzystuje różnorodne technologie i urządzenia chłodnicze w zależności od rodzaju produktów oraz wymogów sanitarnych. Chłodzenie produktów obejmuje nie tylko meble, w których eksponowane są produkty chłodzone i mrożone do sprzedaży, lecz także większe magazyny, chłodnie i mroźnie, nie wyłączając transportu zapewniającego odpowiednie chłodzenie. W większości przypadków chłodzeniu poddawane są również procesy rozbioru czy produkcji produktów spożywczych. Niewłaściwa temperatura na jednym z procesów może być powodem utraty przydatności do spożycia lub skrócenia okresu tej przydatności.

Odzysk chłodu i ciepła

Wielokrotnie w obiektach, gdzie mamy do czynienia i z chłodzeniem i z ogrzewaniem, trafimy na instalacje odzysku chłodu czy ciepła. Odzysk chłodu i ciepła – to procesy, w których energia cieplna lub chłodnicza jest odzyskiwana i ponownie wykorzystywana, co zwiększa efektywność energetyczną systemów i obniża koszty operacyjne. Oba wspomniane rozwiązania są szeroko stosowane w różnych sektorach – od przemysłu, przez budownictwo, po systemy klimatyzacyjne i chłodnicze. Najczęściej spotykane odzyski ciepła/chłodu występują w postaci wymienników ciepła, stosowanych m.in. w systemach wentylacji, gdzie odzyskują ciepło/chłód z powietrza wywiewanego i przekazują je do powietrza nawiewanego. Takie systemy są szeroko stosowane zarówno w budynkach mieszkalnych, jak i komercyjnych. Inne z nich to rekuperatory pozwalające na zmniejszenie zużycia energii poprzez odzysk ciepła/chłodu z powietrza usuwanego z budynku i przekazanie go powietrzu wprowadzonemu do budynku. Bardziej skomplikowane, jednak coraz częściej stosowane systemy bez strat, to kogeneracja i trigeneracja. W systemach kogeneracyjnych, oprócz produkcji energii elektrycznej, odzyskuje się ciepło odpadowe, które może być wykorzystane do ogrzewania budynków lub w procesach przemysłowych. Trigeneracja dodatkowo pozwala na wykorzystanie tego ciepła do chłodzenia, co jest realizowane za pomocą absorpcyjnych układów chłodniczych.

Odzysk chłodu i ciepła stanowią kluczowe technologie w kontekście zrównoważonego rozwoju ESG oraz efektywności energetycznej, które odgrywają coraz większą rolę w różnych sektorach gospodarki.

Rozsądne gospodarowanie zasobami

Jak widzimy na powyższych przykładach, bez chłodzenia czy też mrożenia niezwykle trudno będzie nam żyć i funkcjonować w większości obszarów życia. Na szczęście konieczność lub ryzyko obniżenia – nawet w niewielkim stopniu – poziomu cywilizacji na skutek wdrożenia XIX-wiecznych metod, takich jak: przechowywanie żywności w ziemiankach, uciekanie przed wysokimi temperaturami do zacienionych miejsc czy też zastosowanie historycznych metod transportu lodu z zamarzniętych jezior i rzek Skandynawii do odległych miejsc (takich jak: Indie, Brazylia Karaiby) w specjalnie izolowanych komorach statków, już dawno za nami. Pozostaje rozsądne i ekonomiczne zarządzanie procesami fizycznymi – zarówno chłodu, jak i ogrzewania z naciskiem ogromnym na odzysk i wykorzystanie naturalnych czynników i metod ich wytwarzania, ponieważ prognozy ekologów dotyczące globalnego ocieplenia są alarmujące i podkreślają konieczność natychmiastowych działań w celu ograniczenia dalszego wzrostu temperatury na Ziemi.

Według badań naukowych, jeśli obecne tempo emisji gazów cieplarnianych utrzyma się, skutki mogą być katastrofalne zarówno dla środowiska, jak i dla ludzkiego życia. Do tych najważniejszych prognoz zaliczają wzrost globalnej temperatury do końca XXI wieku od 2°C do nawet 4,5°C, topnienie lodowców i wzrost poziomu morza, który do 2100 roku może wynieść nawet 1 metr. Skutkiem tego będą zatopienia terenów nadmorskich, co zmusi miliony ludzi do migracji.

Nastąpi zwiększenie częstotliwości i intensywności ekstremalnych zjawisk pogodowych, takich jak fale upałów, powodzie, susze, huragany i pożary. Zmiany w ekosystemach zagrażają wielu gatunkom roślin i zwierząt. Ocieplenie oceanów, zakwaszenie oraz niszczenie raf koralowych (w tym Wielkiej Rafy Koralowej) mają katastrofalny wpływ na morską bioróżnorodność. Rybołówstwo, które jest źródłem białka dla miliardów ludzi, może znacznie ucierpieć. Zmiany klimatyczne wpłyną na zmniejszenie plonów, co może prowadzić do niedoborów żywności i wzrostu jej cen. Susze, nieprzewidywalne opady oraz zwiększona częstotliwość ekstremalnych zjawisk pogodowych sprawią, że rolnictwo będzie trudniejsze do przewidzenia i zarządzania. A na koniec tych wszystkich prognoz jako wynikowa kryzys migracyjny ludzi zmuszonych do migracji z powodu skutków globalnego ocieplenia, podnoszenia się poziomu mórz, suszy bądź braków wody pitnej oraz problemów  zdrowotnych w wyniku zwiększenia częstotliwości chorób tropikalnych (malaria czy denga), które będą rozprzestrzeniać się na nowe obszary. Zwiększone zanieczyszczenie powietrza, a także fale upałów stanowić będą zagrożenie dla zdrowia, zwłaszcza w przypadku dzieci oraz osób starszych.

Dlatego rozsądnie zarządzajmy systemami chłodzenia, przede wszystkim tymi wykorzystującymi w procesach fizycznych gazy, których emisja negatywnie oddziałuje na środowisko. Uwzględniajmy także rozsądną gospodarkę przemysłową, leśną i rolniczą, aby nie doprowadzić do globalnego deficytu chłodu. Chłodząc, miejmy świadomość, że proces wiąże się z oddawaniem ciepła – często niechcianego i ponownie wykorzystanego – poza chłodzoną powierzchnią.