Energia gruntu w klimatyzacji obiektów hotelowych

Obiekty hotelowe wymagają spełnienia wytycznych zawartych w rozporządzeniu w sprawie obiektów hotelarskich [1]. Szczególnie wysokie wymagania muszą spełniać obiekty cztero- i pięciogwiazdkowe, w których systemy wentylacji i klimatyzacji w strefach pobytowych mają latem utrzymywać temperaturę powietrza poniżej 24°C, zimą powyżej 20°C, a wilgotność względną w przedziale 45–60%.

Koszty pracy systemów klimatyzacyjnych w hotelach

Z powodu wysokich wymagań dotyczących wilgotności względnej powietrza koszty utrzymania warunków komfortu cieplnego w pokojach hotelowych stanowią niemały wydatek i znajdują się na wysokiej pozycji w strukturze potrzeb energetycznych całego budynku. Przykładową analizę kosztów uzdatniania i transportu powietrza pierwotnego w popularnym systemie z wentylokonwektorami pracującymi ze stałym oraz zmiennym strumieniem powietrza przedstawiono w poprzednim numerze RI [2].

Wykazano, że ze względu na niskie średnioroczne obłożenie pokoi hotelowych w Polsce, wynoszące ok. 43%, zastosowanie systemu VAV przynosi znaczne oszczędności. W analizowanym przypadku dzięki redukcji o połowę strumienia powietrza wentylującego V_max koszty eksploatacyjne zmniejszyły się o ponad 60%.

Największy udział w kosztach eksploatacji klimatyzacji, zarówno w systemie CAV, jak i VAV, stanowi energia potrzebna do nawilżania i transportu powietrza. Udział kosztów pracy wentylatorów można znacząco zredukować, stosując system VAV, ale czy istnieje rozwiązanie, które pozwala na dodatkowe zmniejszenie kosztów najbardziej energochłonnego procesu – nawilżania powietrza?

Przemiany powietrza w gruncie

Świadomość tego, że powszechnie wykorzystywane w Polsce kopalne źródła energii wyczerpują się, skłania do poszukiwania rozwiązań, które ograniczają jej zużycie lub pozwalają na wykorzystanie źródeł niekonwencjonalnych – odnawialnych lub nieodnawialnych. Jednym z odnawialnych źródeł energii, które w Polsce dopiero zyskuje na popularności w technice grzewczej i wentylacyjnej, jest grunt.

W naszych warunkach klimatycznych już na głębokości 4–5 m temperatura gruntu jest prawie stała i równa w przybliżeniu średniej rocznej temperaturze powietrza zewnętrznego, wynoszącej 10°C (±1,5°C) [5]. Przepływ powietrza przez wymiennik umieszczony w gruncie powoduje jego wstępne ochłodzenie latem, a ogrzanie i nawilżenie (w zależności od rodzaju wymiennika) zimą, dzięki czemu możliwe jest oszczędne gospodarowanie energią.

Opisy konstrukcji i działania najczęściej wykorzystywanych wymienników typu grunt/powietrze można znaleźć w wielu publikacjach (np. RI 4/2014 [11]), jednak w większości skupiają się one na wspomaganiu procesów ogrzewania i chłodzenia powietrza. Tymczasem można je ocenić również pod kątem przydatności w systemach klimatyzacji, w których niezbędne są procesy nawilżania i osuszania powietrza.

Wymiennik żwirowy

Według przeprowadzonych badań [9] długość złoża w wymienniku żwirowym powinna wynosić ok. 5 m, co pozwala na optymalne wykorzystanie dziennej amplitudy temperatury powietrza. Należy przez to rozumieć, że wymiennik taki ma zdolność do pewnej autoregeneracji – dzięki akumulacji ciepła w gruncie następuje przeniesienie najniższych i najwyższych temperatur powietrza na okres największego ochłodzenia/ogrzania złoża wymiennika.

Wysokość wymiennika nie powinna przekraczać 2,5 m, ale równie istotne są proporcje wszystkich jego wymiarów. Przenoszenie ciepła z gruntu do złoża żwirowego następuje na powierzchni jego ścian bocznych i podstawy. Najbardziej stabilna temperatura gruntu występuje w najgłębszym miejscu, a więc pod wymiennikiem.

Lepsze efekty przyniesie zatem wykonanie płytszego wymiennika o dużej powierzchni podstawy niż zbliżonego w przekroju do kwadratu. Prędkość powietrza w przekroju poprzecznym wymiennika powinna się mieścić w zakresie 0,05–0,2 m/s, co podyktowane jest koniecznością utrzymania oporów przepływu powietrza na akceptowalnym poziomie oraz zapewnienia optymalnych warunków wymiany ciepła i masy pomiędzy przepływającym powietrzem a wypełnieniem. Zależność między prędkością powietrza w wymienniku a oporami przepływu uzyskaną w badaniach na Politechnice Wrocławskiej zobrazowano na rys. 1.

Dzięki działaniu bezprzeponowemu żwirowy wymiennik ciepła umożliwia wymianę ciepła jawnego oraz wilgoci. W okresie zimowym powietrze przepływające przez wymiennik ulega ogrzaniu oraz nawilżeniu. Zgodnie z badaniami [12] w przeważającej części roku wilgotność względna powietrza za wymiennikiem przekracza 70%.

Kontakt powietrza ze złożem pozwala na zwiększenie zawartości wilgoci nawet o 3 g/kg s.p. przy najniższych temperaturach zewnętrznych – odpowiada to wydajności nawilżacza parowego 3,6 kg/h na 1000 m3/h powietrza.

W okresie letnim powietrze przepływające przez wymiennik może ulegać, w zależności od jego parametrów początkowych, ochłodzeniu lub ochłodzeniu i osuszeniu. Przykładowe przemiany powietrza w wymienniku żwirowym odnotowane w trakcie badań na Politechnice Wrocławskiej przedstawiono na rys. 2.

Wymiennik rurowy

Wymiennik rurowy jest wymiennikiem przeponowym i składa się z kanałów powietrznych umieszczonych pod powierzchnią gruntu. Może stanowić jeden długi rurociąg lub układ kilku rur w odpowiednich odstępach (min. 1 m) połączonych w układzie Tichelmanna. Ze względu na brak bezpośredniego kontaktu powietrza z gruntem w okresie zimowym przemiany powietrza zachodzą ze stałą zawartością wilgoci (rys. 3).

Nie jest możliwe naturalne nawilżanie powietrza doprowadzanego do budynku, a więc z punktu widzenia zastosowania w systemach klimatyzacyjnych jest to rozwiązanie mniej korzystne niż wymiennik żwirowy.

W lecie w wymienniku rurowym uzyskać można okresowe osuszanie powietrza, dlatego ważnym jego elementem jest układ odprowadzania skroplin. Ze względu na efektywną wymianę ciepła prędkość przepływu powietrza powinna wynosić od 1 do 3 m/s [6].

Wymiennik płytowy

Głównym elementem tego wymiennika są prefabrykowane płyty z tworzywa sztucznego ułożone w rzędach na podsypce żwirowo­‑piaskowej, która z kolei wykonywana jest na powierzchni gruntu rodzimego. Podobnie jak wymiennik żwirowy jest to rozwiązanie bezprzeponowe, a więc umożliwia wymianę ciepła oraz wilgoci pomiędzy powietrzem a gruntem stanowiącym masę akumulacyjną.

Wymiennik płytowy w porównaniu ze żwirowym charakteryzuje się większą wymaganą powierzchnią kontaktową z gruntem, co wiąże się ze znacznym zwiększeniem zajmowanego przez niego miejsca. W rozwiązaniu tym nie ma konieczności odprowadzania skroplin, jak w przypadku wymiennika rurowego.

Nadmiar wilgoci pochłaniany jest przez grunt, podobnie jak w wymienniku żwirowym. Z punktu widzenia instalacji klimatyzacyjnych jest to rozwiązanie korzystne ze względu na możliwość nawilżania powietrza.

Analiza pracy

W artykule [2] omówiono pracę systemu klimatyzacyjnego o wydajności 2550 m³/h przygotowującego powietrze pierwotne w układzie z dwustopniowym uzdatnianiem powietrza z wykorzystaniem wentylokonwektorów dla hotelu zlokalizowanego w Krakowie, w którym założono następujące parametry powietrza w części pobytowej:

• temperatura w okresie zimowym t_poz: 21°C,
• temperatura w okresie letnim t_poc: nadążna w zakresie 21–24°C,
• wilgotność względna: 45–60%. 

Opracowanie obejmowało systemy ze stałym oraz zmiennym strumieniem powietrza pierwotnego i pozwoliło wysunąć wnioski dotyczące wysokiej opłacalności zastosowania drugiego z tych rozwiązań w budynkach hotelowych. Ze względu na potrzebę obniżenia nadal dominującego zużycia energii na nawilżanie powietrza instalację przygotowującą powietrze pierwotne wyposażono w gruntowy wymiennik ciepła. 

Obliczenia przeprowadzone zostały dla następujących wariantów:

1. Stały strumień powietrza pierwotnego V_max, brak GWC
2. Stały strumień powietrza pierwotnego V_max, wymiennik żwirowy
3. Stały strumień powietrza pierwotnego V_max, wymiennik rurowy
4. Strumień powietrza pierwotnego ograniczony do połowy – 0,5 V_max, brak GWC
5. Strumień powietrza pierwotnego ograniczony do połowy – 0,5 V_max, wymiennik żwirowy
6. Strumień powietrza pierwotnego ograniczony do połowy – 0,5 V_max, wymiennik rurowy

W każdym z powyższych przypadków temperatura powietrza pierwotnego jest przez cały rok niższa od temperatury powietrza w pomieszczeniu o stałą Dt = 7°C (okres zimowy: t_pp = 14°C, okres letni: t_pp = 14–17°C). W wymienniku rurowym zarówno w okresie letnim, jak i zimowym przyjęto przemiany ze stałą zawartością wilgoci.

W wymienniku żwirowym przyjęto, że zimą powietrze opuszczające złoże ma wilgotność względną równą 80%, natomiast latem chłodzenie powietrza przebiega bez osuszania. Przyjęto temperatury powietrza za gruntowym wymiennikiem ciepła w oparciu o źródła literaturowe [5, 12], zgodnie z wykresem zamieszczonym na rys. 4.

Poza parametrami powietrza opuszczającego wymiennik analiza opłacalności uwzględniać musi okres wykorzystania tych parametrów – czas występowania temperatur zewnętrznych przedstawionych na wykresie przyjęto w oparciu o dane meteorologiczne dla Krakowa [10].

W okresie zimowym wymaganą temperaturę powierza pierwotnego uzyskuje się dzięki przeprowadzeniu powietrza przez gruntowy wymiennik ciepła oraz odpowiednie sterowanie sprawnością wymiennika obrotowego w centrali (nie ma potrzeby ogrzewania powietrza w nagrzewnicy). W okresie przejściowym (przy temperaturach zewnętrznych 10–14°C) gruntowy wymiennik ciepła nie pracuje, ponieważ kontakt powietrza zewnętrznego ze złożem wymiennika powodowałby schłodzenie powietrza poniżej wymaganej temperatury 14°C (pracuje wyłącznie wymiennik obrotowy). 

Przy temperaturach zewnętrznych w zakresie 14–19°C współpracują ze sobą oba wymienniki. Z kolei w lecie uzasadniona jest praca wyłącznie wymiennika gruntowego; dodatkowo w tym okresie w celu uzyskania temperatury 14–17°C powietrze po przejściu przez wymiennik gruntowy musi zostać schłodzone w chłodnicy w centrali.

Wysokość składowych oraz sumarycznych kosztów przygotowania powietrza w sześciu wymienionych wyżej wariantach przedstawiono na rys. 5. Jak pokazują analizy, utrzymanie wilgotności względnej na poziomie 45% w hotelach o wysokim standardzie jest kosztownym przedsięwzięciem. Pod względem redukcji nakładów finansowych na nawilżanie bez wątpienia najlepiej sprawdzać się będzie bezprzeponowy wymiennik ciepła. 

W rozważanym przypadku kontakt powietrza ze złożem żwirowym umożliwia osiągnięcie ponad 35‑proc. oszczędności przy stałym wydatku powietrza oraz 50-proc. przy ograniczeniu powietrza wentylującego do 50% V_max. Takich rezultatów nie przynosi zastosowanie rurowego wymiennika gruntowego – w analizowanym obiekcie przygotowywane jest powietrze pierwotne o stosunkowo niskiej temperaturze (14°C zimą i maksymalnie 17°C latem), a zatem koszty ogrzewania nie są znaczące. 

Ze względu na fakt, że w systemach klimatyzacyjnych hoteli wysokiej kategorii koszty ogrzewania powietrza pierwotnego w każdym przypadku będą miały niewielki udział w kosztach sumarycznych, rozwiązanie z wymiennikiem rurowym nie przyniesie spodziewanego wysokiego efektu finansowego.

Na omawianym wykresie zauważyć można również oszczędności związane z ochładzaniem powietrza pierwotnego latem, jednak niwelowane są one częściowo przez zwiększone koszty transportu powietrza wynikające z dodatkowych oporów powietrza przepływającego przez GWC.

Gruntow(n)e oszczędności 

Przeprowadzona analiza wyraźnie pokazuje, który z wymienników gruntowych lepiej sprawdza się w obiektach hotelowych o wysokim standardzie. Należy zaznaczyć, że w obiektach niższej kategorii, w których wymagania dotyczące utrzymywania wilgotności względnej nie są tak restrykcyjne, wymienniki rurowe przynieść mogą zadowalające efekty finansowe.

Procentowe obniżenie kosztów eksploatacji dla poszczególnych wariantów odniesione do rozwiązania najbardziej niekorzystnego przedstawiono na rys. 6.

Zastosowanie układu ze zmiennym strumieniem powietrza oraz żwirowego wymiennika ciepła może zredukować całoroczne koszty pracy instalacji nawet o 80%. Porównując rozwiązania VAV bez wymiennika żwirowego oraz z wymiennikiem, uzyskujemy również bardzo wysoką, bo ponad 50-proc. oszczędność.

Uzyskane wyniki pokazują, w jak dużym stopniu rozwiązanie projektowe ma wpływ na kształtowanie się kosztów eksploatacyjnych i jak bardzo decyzje podjęte na etapie inwestycji wpływają na wieloletnie koszty funkcjonowania projektowanych systemów.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Sportu i Turystyki z dnia 16 listopada 2011 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie obiektów hotelarskich i innych obiektów, w których są świadczone usługi hotelarskie (DzU nr 259/2011, poz. 1553).
2. Szeszycka N., Kostka M., Klimatyzacja pokoi hotelowych – czy system VAV się opłaca?, „Rynek Instalacyjny” nr 7–8/2014.
3. Firląg S., Współpraca wentylacji mechanicznej z GWC w budynku pasywnym, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2007.
4. Materiały firmy Provent-Geo, www.wymiennikgruntowy.pl.
5. Cepiński W., Besler M., Besler G.J., Bezprzeponowy gruntowy wymiennik ciepła i masy – patent Politechniki Wrocławskiej, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 3/2011.
6. Baza wiedzy technicznej, Stowarzyszenie Polska Wentylacja, wentylacja.org.pl.
7. gwc.com.pl.
8. Merylski M., Piecha W., Opłacalna wymiana, „Magazyn Instalatora” nr 2/2006.
9. Besler G.J., Gryglewicz W., Kołek A., Kowalczyk W., Małecki W. i in., Opracowanie wytycznych projektowania i doboru bezprzeponowych gruntowych wymienników ciepła i masy oraz badania eksploatacyjne wybudowanych zespołów wymienników, Raport Politechniki Wrocławskiej I-13, SPR 47/85, Wrocław 1985.
10. Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków, www.transport.gov.pl.
11. Topolańska J., Krawczyk D., Gruntowe powietrzne wymienniki ciepła, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2014
12. Cepiński W., Efektywność pozyskiwania energii naturalnej: bezprzeponowy gruntowy wymiennik ciepła i masy jako dolne i górne źródło pompy ciepła i/lub agregatu chłodniczego, praca doktorska, Politechnika Wrocławska, 2010.
13. Besler M., Badania efektywności wykorzystania energii gruntu w inżynierii środowiska, praca doktorska, Politechnika Wrocławska, 1997.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!