Ograniczenie zapotrzebowania na energię do wentylacji pomieszczeń handlowych centralnymi strefowymi urządzeniami wentylacyjnymi

Od kilkudziesięciu lat obserwuje się w branży handlowej tendencje przenoszenia tradycyjnych sklepów usytuowanych w pierzei placów i ulic do wielkopowierzchniowych centrów handlowych, gdzie są one lokowane wzdłuż wewnętrznych pasaży [1]. Najważniejszymi pomieszczeniami w obiektach handlowo-usługowych są sale sprzedaży oraz pomieszczenia usługowe dostępne dla klientów. Poza zagwarantowaniem klientom właściwej obsługi, istotnym aspektem przyczyniającym się do zwiększenia przychodów w tego typu obiektach jest również zapewnienie odpowiedniego klimatu wewnętrznego [2].

Należy pamiętać, że dla pomieszczeń usytuowanych w tym samym obiekcie, a mających różne przeznaczenie wymagania związane z mikroklimatem mogą się znacznie różnić. W pomieszczeniach, w których przebywa się krócej niż 2,5–3 godziny, zaleca się kształtowanie temperatury powietrza w funkcji temperatury powietrza zewnętrznego [3].

Ponadto obciążenia cieplno-wilgotnościowe obiektów handlowych charakteryzują się dużą losowością i dynamiką zmian wartości w przedziałach czasowych oraz w odniesieniu do poszczególnych branż. Dlatego mikroklimat w tego typu pomieszczeniach musi być kształtowany w wyniku mechanicznej wymiany odpowiednio uzdatnionego powietrza. System ten powinien się składać z następujących elementów [4, 8]:

• uzdatnianie powietrza (oczyszczenie oraz obróbka cieplno-wilgotnościowa),

• dostarczenie i dystrybucja powietrza w pomieszczeniu,

• prawidłowa organizacja wymiany powietrza w pomieszczeniu,

• odpowiednie usunięcie powietrza wentylującego z pomieszczenia,

• odzyskiwanie energii z powietrza wywiewanego.

Zadaniem wentylacji i klimatyzacji w obiektach handlowo-usługowych jest takie uzdatnienie powietrza, żeby we wszystkich pomieszczeniach o każdej porze ich użytkowania zapewnione zostały parametry komfortu cieplnego, a w przerwach w użytkowaniu parametry minimalne (zima) bądź maksymalne (lato) przewidziane dla danego pomieszczenia [8]. Ponadto procesy uzdatniania i transportu powinny być przeprowadzane przy minimalnych nakładach energetycznych.

Systemem spełniającym powyższe wymagania jest wentylacja realizowana przez centralne systemy o dwustopniowym uzdatnianiu powietrza. Charakteryzują się one dwuetapową obróbką cieplno-wilgotnościową powietrza, tj. w pierwszej kolejności centralnie do parametrów odpowiednich dla wszystkich obsługiwanych stref, następnie indywidualnie do parametrów powietrza odpowiadających chwilowym obciążeniom cieplnym w poszczególnych strefach [5].

W przypadku rozpatrywanego systemu istnieje klika możliwości ograniczania zapotrzebowania na energię do procesów uzdatniania i transportu powietrza.

W kwestii zmniejszania zapotrzebowania dla procesów uzdatniania powietrza możliwe jest zastosowanie [6]:

• częściowej recyrkulacji powietrza wywiewanego,

• odzysku energii z powietrza wywiewanego,

• ograniczenia czasu eksploatacji urządzeń,

• pełnej regulacji bezpośredniej procesów uzdatniania.

Ograniczenie zapotrzebowania na energię do transportu powietrza można realizować poprzez [6]:

• zmniejszenie strat ciśnienia na elementach nawiewnych i wywiewnych instalacji,

• zastosowanie systemu wentylacji ze zmiennymi strumieniami powietrza,

• zastosowanie regulacji bezpośredniej do sterowania pracą wentylatorów,

• ograniczenie czasu eksploatacji urządzeń, tj. pracy wentylatorów.

Poniżej przedstawiono wpływ sprawności zainstalowanych urządzeń do odzysku energii z powietrza wywiewanego oraz zastosowania zmiennych strumieni powietrza wentylującego na maksymalne moce czynników energetycznych.

Efektywność energetyczna systemu

Zgodnie z rozporządzeniem w sprawie warunków technicznych [7] w urządzeniach wentylacji mechanicznej ogólnej nawiewno-wywiewnej oraz klimatyzacji komfortu o wydajności przekraczającej 500 m³/h należy zastosować urządzenia do odzysku ciepła z powietrza wywiewanego o sprawności temperaturowej co najmniej 50%. Sprawność temperaturową h_t można zdefiniować jako [9]:

gdzie:
t_z – chwilowa temperatura powietrza zewnętrznego, °C;
t_p – chwilowa temperatura powietrza wywiewanego, °C;
t_z’ – temperatura powietrza zewnętrznego podgrzewanego lub ochładzanego w wymienniku, °C.

Po przekształceniu zależność na temperaturę zewnętrzną za wymiennikiem przyjmuje postać:

Moc nagrzewnicy przy i-tej temperaturze zewnętrznej oblicza się z równania [8]:

gdzie:
V_i – strumień powietrza wentylującego w i-tym przedziale temperatur zewnętrznych, m³/s;
ρ – gęstość powietrza uzdatnianego, kg/m³;
c_p – ciepło właściwe powietrza, kJ/kgK;
Δt_i^N – przyrost temperatury powietrza w nagrzewnicy,

t_n –  temperatura powietrza za nagrzewnicą (zależna od chwilowych zysków ciepła jasnego w pomieszczeniu) w i-tym przedziale zewnętrznych temperatur, °C.

Całoroczne zapotrzebowanie na energię E_N do podgrzania powietrza wentylującego oblicza się z zależności [5]:

gdzie:
τ_i – czas trwania i-tej temperatury zewnętrznej, h/rok.

Chwilową moc chłodniczą do obniżenia temperatury powietrza wentylującego przy chwilowej temperaturze powietrza zewnętrznego oblicza się z zależności [8]:

gdzie:
V_j – chwilowy strumień powietrza wentylującego w j-tym przedziale temperatury zewnętrznej, m³/s;
Δt_j^CH – spadek temperatury powietrza ochładzanego (od temperatury za wymiennikiem do odzysku ciepła do wymaganej chwilowej temperatury nawiewu), °C.

Całoroczne zapotrzebowanie na energię do obniżania temperatury powietrza nawiewanego E_CH można obliczyć z zależności [5]:

Chwilową moc elektryczną niezbędną do napędu wentylatora oblicza się z zależności [5]:

gdzie:
Δ_pi – spręż wentylatora, Pa;
η_wi – sprawność wentylatora;
η_pi – sprawność przekładni;
η_si – sprawność silnika.

Zapotrzebowanie na energię do transportu powietrza w i-tych warunkach eksploatacji przyjmuje wtedy postać [5]:

Jeżeli roczny czas pracy układu do transportu powietrza podzielony zostanie na przedziały zależne od chwilowych wartości strumienia tłoczonego powietrza, to całoroczne zapotrzebowanie na energię do zasilania wentylatorów wyniesie [10]:

Wydajność wentylatora może być regulowana poprzez zmianę jego prędkości obrotowej za pomocą falownika zamontowanego na silniku wentylatora. Wraz ze zmianą obrotów z η₁ na η₂ zmianie ulega jego wydajność V, spręż ∆_p oraz pobór mocy elektrycznej N zgodnie z poniższymi zależnościami [10]:

Działanie rozpatrywanych systemów omówiono na podstawie kształtowania komfortu cieplnego w pięciu pomieszczeniach handlowych o różnym przeznaczeniu, zlokalizowanych w galerii handlowej trzeciej generacji, która położona jest w drugiej strefie klimatycznej [11].

Charakterystyka obiektu

Analizowane pomieszczenia zlokalizowane są na najwyższej kondygnacji i nie mają zewnętrznych przegród przezroczystych. Pełnią następujące funkcje:

• pomieszczenie 001: sklep odzieżowy o powierzchni ok. 400 m², kubaturze ok. 2210 m³ i strumieniu powietrza wentylującego 1,32 m³/s,

• pomieszczenie 002: księgarnia o powierzchni ok. 234 m², kubaturze ok. 1290 m³ i strumieniu powietrza wentylującego 1,15 m³/s,

• pomieszczenie 003: sklep obuwniczy o powierzchni ok. 60 m², kubaturze ok. 331 m³i strumieniu powietrza wentylującego 0,35 m³/s,

• pomieszczenie 004: sklep jubilerski o powierzchni ok. 50 m², kubaturze ok. 277 m³ i strumieniu powietrza wentylującego 1,39 m³/s,

• pomieszczenie 005: drogeria o powierzchni ok. 123 m³, kubaturze ok. 679 m³ i strumieniu powietrza wentylującego 0,78 m³/s,

Na rys. 1 przedstawiono chwilowe bilanse ciepła jawnego wydzielanego w czasie użytkowania pomieszczeń dla lipca przy maksymalnych i minimalnych obliczeniowych zyskach ciepła z poszczególnych źródeł, takich jak:

• przegrody nieprzezroczyste, w tym stropodach,

• ludzie,

• oświetlenie,

• wyposażenie w sprzęt elektroniczny.

Natomiast na rys. 2 pokazano zmiany bilansu ciepła w poszczególnych pomieszczeniach użytkowanych w okresie zimowym przy minimalnych i maksymalnych obliczeniowych zyskach ciepła.

Z rys. 1 wynika, że choć w trakcie użytkowania zyski ciepła w poszczególnych lokalach zmieniają się w podobny sposób, wartości znacznie się różnią. Ponadto należy pamiętać, że w sposób losowy zmieniać się mogą zyski ciepła jawnego od ludzi. Podyktowane jest to porą dnia, roku oraz częstością i atrakcyjnością ofert zniżkowych przyciągających klientów.

Statyczne straty ciepła w warunkach obliczeniowych są na tyle małe, że w okresie minimalnych zysków w czterech pomieszczeniach utrzymywany jest dodatni bilans ciepła jawnego, co przedstawia rys. 2.

Przy tak losowo zmieniających się bilansach ciepła jawnego dla każdego pomieszczenia należy indywidualnie kształtować zdolność asymilacyjną powietrza nawiewanego. Można to osiągnąć poprzez regulację jakościową lub ilościowo-jakościową:

• regulacja jakościowa charakteryzuje się zmiennymi przyrostami temperatury między powietrzem nawiewanym a wywiewanym przy zachowaniu stałego strumienia powietrza,

• w przypadku regulacji ilościowo-jakościowej układ utrzymuje stałą różnicę temperatur, zmniejszając ilość strumienia do minimum – jest to zazwyczaj 60–50% maksymalnego strumienia powietrza nawiewanego do danej strefy i utrzymanie stałego minimalnego strumienia powietrza przy zmiennej różnicy temperatury powietrza wywiewanego i nawiewanego.

Systemy wentylacyjne

Poniżej omówione zostaną dwa systemy wentylacyjne umożliwiające indywidualne kształtowanie mikroklimatu w każdym pomieszczeniu.

Na rys. 3 przedstawiono schemat urządzenia wentylacyjnego z otwartym przepływem powietrza, odzyskiem energii z powietrza wywiewanego w wymienniku obrotowym, nagrzewnicami strefowymi i bezpośrednim sterowaniem procesami uzdatniania powietrza.

• Regulator centralny R_t steruje centralnymi procesami uzdatniania powietrza, takimi jak ogrzewanie w nagrzewnicy centralnej N oraz ochładzanie w chłodnicy przeponowej C_h.

• Regulatory strefowe R_tp sterują natomiast pracą nagrzewnic strefowych N1, N2, N3, N4, N5.

Dzięki ścisłej współpracy regulatorów strefowych R_tp z regulatorem R_t możliwa jest minimalizacja zapotrzebowania na energię do uzdatniania powietrza.

• W okresie zimowym nagrzewnica N podgrzewa w centrali powietrze do temperatury nawiewu, niezbędnej dla pomieszczenia o najwyższym chwilowym obciążeniu cieplnym. Powietrze do pozostałych stref podgrzewane jest do wymaganej temperatury nawiewu w nagrzewnicach strefowych.
• W okresie letnim powietrze ochładzane jest centralnie do najniższej wymaganej temperatury nawiewu jednej z obsługiwanych stref, a w pozostałych strefach podgrzewane w nagrzewnicach strefowych do odpowiednich temperatur nawiewu.

Przy takiej konfiguracji sterowania układem co najmniej jedna nagrzewnica strefowa nie pracuje, co przekłada się na ograniczenie chwilowych mocy grzewczych oraz chłodniczych układu.

Zmniejszenie zapotrzebowania na energię można również uzyskać poprzez racjonalne sterowanie jej odzyskiem na wymienniku obrotowym WO. W momencie występowania obliczeniowych temperatur zewnętrznych wymiennik pracuje ze swoją maksymalną sprawnością, natomiast w okresie przejściowym następuje stopniowy spadek jego sprawności [5].

Przykładowy sposób racjonalnego strefowania odzyskiem ciepła przedstawiono na rys. 4.

Regulację jakościowo-ilościową powietrza nawiewanego do pomieszczeń przedstawiono na rys. 5. Zaproponowano urządzenie wentylacyjne ze zmiennymi strumieniami powietrza wentylującego, odzyskiem energii z powietrza wywiewanego w wymienniku obrotowym ze strefowymi nagrzewnicami oraz regulatorami przepływu z bezpośrednią regulacją procesów uzdatniania i transportu powietrza.

Powietrze wentylujące każdą strefę ustawiane jest na regulatorach R_v, sterowanych strefowymi regulatorami R_tp w funkcji różnicy temperatury między powietrzem nawiewanym i w pomieszczeniu, które są mierzone czujnikami temperatury C_tn i C_tp. Kiedy obciążenie cieplne pomieszczeń nie osiąga najwyższych wartości, utrzymywana jest maksymalna różnica temperatury powietrza nawiewanego w pomieszczeniu poprzez odpowiednie zmniejszanie strumieni powietrza przepływającego przez strefę na regulatorach przepływu R_v.

Parametrami pracy wentylatorów steruje się za pomocą regulatora wydatku R_V. Regulator przepływu R_v każdej strefy wysyła sygnał o ustawieniu przepustnic do regulatora R_V, który steruje prędkością obrotową wentylatorów w taki sposób, aby w co najmniej jednym regulatorze R_v przepustnice były całkowicie otwarte. W pozostałych regulatorach przepływu R_v o niższych oporach przepływu przepustnice przymykają się w celu wyrównania ciśnień.

W przypadku uzdatniania cieplnego powietrza następuje podobna jak w schemacie na rys. 3 korelacja między strefowymi regulatorami temperatury R_tp a centralnym regulatorem R_t [5].

Całoroczne zapotrzebowanie na energię

W celu oszacowania zapotrzebowania na energię do transportu i uzdatniania powietrza w okresie całorocznym pracę układu przedstawiono na wykresach t–tz (rys. 5 i rys. 6). Obrazują one zmiany temperatury powietrza w pomieszczeniu, powietrza nawiewanego oraz temperaturę za centralnymi i strefowymi wymiennikami ciepła w funkcji temperatury zewnętrznej.

Ponadto na wykresie przedstawiono optymalną sprawność wymiennika do odzysku w zależności od temperatury zewnętrznej.

Na rys. 5 pokazano wykres t–tz dla urządzenia wentylacyjnego z regulacją jakościową, czyli stałym maksymalnym strumieniem powietrza wentylującego (rys. 3). Natomiast na rys. 6 przedstawiono wykres t–tz dla układu wentylacyjnego realizującego regulację jakościowo-ilościową (rys. 4).

Wykresy te sporządzono, przyjmując:

• maksymalny przyrost temperatury powietrza nawiewanego w pomieszczeniach ∆t_p = 9°C;

• maksymalną sprawność temperaturową wymiennika do odzysku energii η_t = 0,75.

Z wykresu t–tz przedstawionego na rys. 5 wynika, że w okresie letnim zachodzi konieczność centralnego ochładzania całego strumienia powietrza wentylującego, po czym wymagane jest podgrzanie powietrza w nagrzewnicach strefowych dla czterech z pięciu pomieszczeń.

Dzięki zastosowaniu regulacji jakościowo-ilościowej w znacznie większym zakresie można wykorzystać wymiennik do odzysku ciepła w celu zmniejszenia zapotrzebowania na energię cieplną do uzdatniania strumienia powietrza wentylującego. Jednocześnie w okresie letnim nie zachodzi konieczność ochładzania, a następnie podgrzewania strumieni powietrza w wymiennikach strefowych.

Na rys. 6 zamieszczono wykres przedstawiający zmiany strumieni powietrza wentylującego poszczególne pomieszczenia w funkcji temperatury zewnętrznej. W formie wykresu słupkowego przedstawiono zestawienie energii do ogrzewania E_N, ochładzania E_Ch oraz transportu powietrza E_E w cyklu całorocznym, zakładając dwuzmianową pracę urządzeń wentylacyjnych.

Z przedstawionego na rys. 7 zestawienia całorocznego zapotrzebowania na energię do transportu i uzdatniania powietrza wentylującego wynika, że zastosowanie układów ze zmiennym strumieniem pozwala na znaczne ograniczenie ilości energii do podgrzewania i transportu powietrza względem układów ze stałym maksymalnym strumieniem powietrza wentylującego.

Podsumowanie

Rozpatrywane urządzenia z nagrzewnicami strefowymi, zarówno ze stałym maksymalnym strumieniem powietrza nawiewanego, jak i ze zmiennym strumieniem powietrza wentylującego, są w stanie zapewnić wymagane parametry cieplne w kilku–kilkunastu pomieszczeniach handlowo-usługowych. Jednak zastosowanie wysokosprawnych urządzeń do odzysku ciepła z powietrza wywiewanego oraz zaprojektowanie układu z regulacją jakościowo-ilościową może w dużym stopniu ograniczyć nie tylko moce maksymalne urządzeń takich jak nagrzewnica lub chłodnica, ale również zmniejszyć zapotrzebowanie na energię do uzdatniania i transportu powietrza w cyklu całorocznym.

Ponadto w urządzeniach ze zmiennym przepływem powietrza wentylującego ogranicza się czas działania nagrzewnic strefowych, co jest istotne przy zastosowaniu nagrzewnic elektrycznych.

Stosowanie zmiennych strumieni powietrza wentylującego pozwala także na zmniejszenie kosztów serwisowo-remontowych związanych z wymianą filtrów, łożysk itp.

Literatura

1. Sompoliński M., Przydróżny E., Wentylacja i klimatyzacja galerii handlowej, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2011.

2. Szczęśniak S., Mikroklimat w obiektach handlowych i usługowych, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 2/2006.

3. Przydróżny S., Ferencowicz J., Klimatyzacja, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1988.

4. Przydróżny E., Szczęśniak S., Besler G.J., Wentylacja i klimatyzacja obiektów handlowo-usługowych, X International Conference: Air Conditioning, Air Protection and District Heating, Wrocław–Szklarska Poręba 2002.

5. Przydróżny E., Wysokosprawne systemy wentylacji i klimatyzacji – technologia i projektowanie, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2007.

6. Przydróżna A., Ograniczenie zapotrzebowania energii do uzdatniania i transportu powietrza w urządzeniach wentylacyjnych z recyrkulacją lub odzyskiem energii, „Budownictwo i Inżynieria Środowiska” nr 1/2010.

7. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).

8. Pełech A., Wentylacja i klimatyzacja – podstawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2011.

9. Roulet C.A., Heidt F.D., Foradini F., Pibiri M.C., Real heat recovery with air handling units, „Energy and Buildings” 33, 5 (2001).

10. Przydróżny E., Schwitalla A., Zapotrzebowanie energii do całorocznej eksploatacji wentylatorów w układach ze zmiennymi strumieniami powietrza, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 8/2003.

11. PN-EN 12831:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!