Zasada działania chłodzenia wyparnego
Z racji panującego w Polsce klimatu w przeciętnym budynku zużycie energii na ogrzewanie jest zwykle zdecydowanie większe niż na chłodzenie. Jednak w nowych budynkach o wysokiej izolacyjności cieplnej sytuacja może być w niektórych przypadkach odwrotna.
Rosnące wymagania dotyczące efektywności energetycznej budynków oraz wysokie koszty energii skłaniają do poszukiwania nowych rozwiązań technicznych, które zapewnią akceptowalny poziom komfortu w budynkach latem przy ograniczonym nakładzie inwestycyjnym i umiarkowanych kosztach eksploatacji systemu.
Przeczytaj koniecznie: Analiza konstrukcji wymienników wyparnych na przykładzie wymiennika krzyżowego – założenia >>
Obok najbardziej rozpowszechnionego chłodzenia sprężarkowego na rynku pojawiają się coraz częściej urządzenia do bezpośredniego i pośredniego chłodzenia wyparnego (adiabatycznego, ewaporacyjnego, ang. evaporative cooling). Chłodzenie wyparne ma długą historię, już w starożytności stosowano nawilżane tkaniny do obniżania temperatury w pomieszczeniach.Za rozwiązaniem tym przemawiają aspekty ekologiczne – czynnikiem chłodzącym jest w tym wypadku woda (R-718).
W polskiej literaturze można znaleźć stwierdzenia, że ten sposób ochładzania powietrza jest odpowiedni dla klimatu suchego i gorącego [1].
W artykule przeanalizowano skuteczność i opłacalność zastosowania bezpośredniego chłodzenia wyparnego w warunkach polskich. Zasadę działania i budowę urządzenia do bezpośredniego chłodzenia wyparnego ilustruje rys. 1.
Z punktu widzenia termodynamiki chłodzenie wyparne to wymiana ciepła i masy pomiędzy wodą i przepływającym powietrzem, podczas której następuje odparowanie wody.
Ciepło potrzebne do odparowania wody odbierane jest od przepływającego powietrza, dzięki czemu obniża się jego temperatura i wzrasta zawartość wilgoci. Ciepło jawne pochodzące z powietrza przechodzi w ciepło utajone odparowanej wody.
Cały proces odparowania zachodzi praktycznie bez wymiany ciepła z otoczeniem, a więc całkowita wydajność chłodnicza takiego urządzenia wynosi 0,0 kW. Jednak powietrze opuszczające urządzenie ma temperaturę niższą od powietrza zasysanego nawet o kilkanaście stopni Celsjusza.
Do opisu efektu działania bezpośredniego chłodzenia wyparnego stosowane bywa pojęcie odczuwalnej mocy chłodniczej:
(1)
gdzie:
Q – odczuwalna moc chłodnicza, W;
– strumień objętości powietrza, m3/s;
ρ – gęstość powietrza, kg/m3;
c – właściwa pojemność cieplna
powietrza, J/(kg K);
tin – temperatura
powietrza na wlocie do urządzenia, °C;
tout – temperatura
powietrza na wylocie z urządzenia, °C.
Ponieważ obniżanie temperatury powietrza podczas chłodzenia wyparnego wiąże się ze wzrostem jego wilgotności względnej, wydajność tego typu urządzeń wyraźnie spada przy wysokiej wilgotności względnej powietrza zewnętrznego – latem może się to zdarzyć np. przed burzą.
Pomiary
Żeby ocenić przydatność chłodzenia wyparnego w polskim klimacie, przeprowadzono dwumiesięczne pomiary parametrów pracy urządzenia typu Breeze 900, pracującego przy ok. 75% nominalnego przepływu powietrza. Urządzenie służyło do obniżania temperatury powietrza w hali magazynowej o powierzchni ok. 400 m2, zlokalizowanej na przedmieściach Poznania (fot. 1).
Urządzenie pracujące z wydajnością ok. 10 000 m3/h było monitorowane przez dwa miesiące. Uzyskane wyniki pomiarów posłużyły do obliczeń energetycznych bazujących na godzinowych danych meteorologicznych opublikowanych przez Ministerstwo Infrastruktury i Rozwoju [3]. Pomiary trwały od 1 lipca do 30 sierpnia 2013 r.
Przeczytaj także: Wpływ rodzaju wymiennika wyparnego na efektywność solarnych systemów klimatyzacyjnych >>
Monitoring obejmował:
- temperaturę i wilgotność powietrza zewnętrznego,
- temperaturę i wilgotność powietrza nawiewanego,
- temperaturę i wilgotność powietrza w pomieszczeniu.
Powyższe parametry mierzone były w sposób ciągły z wysoką dokładnością, uśredniane i rejestrowane co 2 minuty. Monitorowano także czas włączenia urządzenia. Pracowało ono od poniedziałku do piątku, od ok. 8:30 do ok. 16:30 i tylko w wypadku, gdy jego praca była niezbędna z uwagi na temperaturę powietrza w obsługiwanym magazynie.
Rys. 2 zawiera dane z całego okresu pomiarów i ilustruje zależność temperatury powietrza nawiewanego od temperatury i wilgotności względnej powietrza zewnętrznego.
W tego typu urządzeniach temperatura powietrza nawiewanego jest tym niższa, im mniejsza jest wilgotność względna powietrza zewnętrznego.
Fakt ten potwierdzają przeprowadzone pomiary: np. przy temperaturze powietrza zewnętrznego równej 32°C temperatura nawiewu wynosiła ok. 23,5°C przy wilgotności względnej powietrza zewnętrznego równej 50%, a obniżała się do 21°C przy wilgotności względnej powietrza zewnętrznego równej 40%.
Z wykresu na rys. 2 wynika, że przy wilgotności względnej powietrza zewnętrznego poniżej 30% możliwe jest schłodzenie powietrza z 32° do mniej niż 20°C.
Rys. 3 ilustruje przebieg mierzonych parametrów w ciągu dwóch kolejnych gorących i słonecznych dni (21 i 22 lipca), przy czym w pierwszym dniu (niedziela) urządzenie było wyłączone, a w następnym pracowało. Dzięki zestawieniu dwóch podobnych dni wykres umożliwia ocenę efektów pracy urządzenia.
Z punktu widzenia użytkownika najbardziej interesująca jest temperatura powietrza w pomieszczeniu.
