Zwiększanie sprawności odzysku chłodu w klimatyzacji

W dobie rozwoju gospodarczego, przyrostu populacji ludzkiej i wzrastających cen surowców duży nacisk kładzie się na obniżanie energochłonności budynków. Prowadzi to do konieczności usprawniania i zwiększania efektywności m.in. systemów wentylacji i klimatyzacji. Faktem jest, że jednym z najbardziej energochłonnych elementów tych systemów są konwencjonalne układy chłodnicze. Na terenie Polski oraz Unii Europejskiej nie podjęto jednak szczególnych działań przyczyniających się do istotnego obniżenia zużycia energii przez systemy chłodzące.

W Polsce obserwuje się nacisk na obniżenie zapotrzebowania na energię w okresie zimowym. Jest to realizowane poprzez stosowanie wymienników do odzysku ciepła z powietrza wywiewanego. Z powodu mniejszej różnicy temperatur w lecie pomiędzy powietrzem wywiewanym a zewnętrznym, z powietrza wywiewanego można odzyskać zimą więcej ciepła niż chłodu latem. W artykule przedstawiono sposoby zwiększenia efektywności odzysku ciepła w okresie letnim bazujące na pośrednim chłodzeniu wyparnym. Rozwiązania te nie obniżają sprawności odzysku ciepła zimą.

Systemy wyparne wytwarzają chłód dzięki wykorzystaniu zjawiska parowania wody. Woda, która osiągnie temperaturę wrzenia, paruje całą objętością. Okazuje się, że nie tylko wtedy następuje wymiana masy pomiędzy wodą a powietrzem. Odparowanie wody z mokrej tkaniny, kałuży czy innej zwilżonej powierzchni nazywane jest potocznie „wysychaniem”. W tym wypadku woda nie paruje całą objętością, a tylko powierzchnią, która kontaktuje się bezpośrednio z otaczającym ją powietrzem. Zmiana stanu skupienia wody w parę wymaga dostarczenia dużej ilości ciepła (ciepło parowania wody wynosi 2500 kJ/kg, podczas gdy np. do podgrzania wody o 20°C potrzeba ok. 84 kJ/kg).

Dzięki zjawisku parowania możliwe jest obniżenie temperatury powietrza podczas jego nawilżania wodą. Jest to zjawisko wymiany ciepła i masy pomiędzy cieczą a gazem, podczas którego temperatura gazu (powietrza) obniża się, a jednocześnie zawartość wilgoci zwiększa. Proces ten nosi nazwę bezpośredniego chłodzenia wyparnego i może być realizowany w komorach zraszania. Takie rozwiązanie coraz rzadziej stosowane jest jako źródło chłodu w klimatyzacji (komory zraszania są wykorzystywane, choć coraz rzadziej, do ustalania precyzyjnych parametrów powietrza na potrzeby technologiczne), ponieważ wilgotny strumień nawiewany do pomieszczenia może powodować odczuwanie duszności przez jego użytkowników. 

Pośrednie wymienniki wyparne to urządzenia, w których występują dwa rodzaje kanałów: suchy i mokry (rys. 1). Przez kanał mokry prowadzony jest strumień powietrza (nazywany roboczym), w którym zachodzi zjawisko parowania wody. Przepływające powietrze wzdłuż kanału generuje różnicę potencjałów ciśnień cząstkowych pary wodnej, co skutkuje odparowaniem cieczy z porowatej ścianki wymiennika – na ten cel pobierane są znaczne ilości ciepła. Część ciepła pobierana jest z kanału suchego oddzielonego nieprzepuszczalną dla wody ścianką. Skutkuje to możliwością ochłodzenia powietrza w suchym kanale bez jednoczesnego nawilżania go. Zastosowanie takich wymienników wiąże się ze znacznymi oszczędnościami energetycznymi, których przykład zostanie przedstawiony w artykule. Jednostki wyparne nie pozwalają obecnie całkowicie wyeliminować sprężarkowych układów chłodniczych, ale mogą znacząco wpłynąć na ograniczenie ich mocy.

Zasada działania systemów 

Wyparny wymiennik można zastosować w systemie istniejącym, należy jednak uwzględnić fakt, że w przypadku zaimplementowania chłodzenia wyparnego układ ten będzie pracować w różny sposób w lecie i w zimie. Dodatkowo układ należy wyposażyć w niezbędne elementy dodatkowe, które umożliwią mu pracę jako wymiennik wyparny. Przykład takich rozwiązań pokazano na rys. 2. W odniesieniu zarówno do rozwiązania krzyżowego, jak i współprądowego niezbędnymi elementami systemu wyparnego są: rekuperator (1), system uzupełniający wodę z elektrozaworem sterowanym pływakiem (2), pompy (3), zbiornik na wodę (4), system orurowania (5), system dystrybucji wody (6), tacka ociekowa na kondensat (7), system opróżniający zbiornik (8), układ automatycznej regulacji (9).

Zadaniem układu automatycznej regulacji jest kontrolowanie poziomu wody i uzupełniania jej z sieci, wstrzymywania pracy pompy, gdy układ klimatyzacji nie pracuje w trybie chłodniczym, oraz opróżniania układu w okresie zimowym. System dysz i zbiornik na wodę montowane są na sekcji powietrza wywiewanego, co pozwala wykorzystać istniejący system odprowadzania kondensatu na potrzeby układu wyparnego dla klimatyzacji w lecie. Przewody mogą być prowadzone w centrali, a także po jej obudowie (jak to ma często miejsce w przypadku systemów glikolowych wykorzystywanych do odzysku ciepła). Limitem temperaturowym, do którego pośrednie wymienniki mogą schłodzić powietrze, jest temperatura termometru mokrego powietrza na wejściu do kanału mokrego, w przypadku układu nawiewno-wywiewnego tym ograniczeniem jest temperatura termometru mokrego powietrza wywiewanego.

Czytaj też: Dobór klimatyzatorów >>>

Porównanie systemów wyparnych z typową rekuperacją

Rozwiązanie wykorzystujące chłodzenie wyparne zostało porównane z typowymi formami rekuperacji na podstawie wykonanych symulacji numerycznych opartych na modelach matematycznych. Wyniki dla wymienników przeciwprądowych przedstawiono w tabeli 1 i 2.

Współczynnik NTU dla rekuperatora wyparnego jest równy 4 (co odpowiada sprawności temperaturowej εt = 0,7, gdyby wymiennik nie był zwilżony wodą i pracował jak standardowy rekuperator). Symulacje dla tego wymiennika wykonano w odniesieniu do czterech wybranych sprawności temperaturowych εt = 0,7; 0,75; 0,8; 0,85. Porównanie przeprowadzono dla różnych temperatur zewnętrznych w zakresie t_1i = 28–34°C, przy wilgotności względnej RH_1i = 50%.

Z przeprowadzonych symulacji wynika, że przeciwprądowy wymiennik wyparny osiąga znacznie lepszą efektywność w okresie letnim niż standardowy rekuperator. Dzięki zastosowaniu chłodzenia wyparnego możliwe jest uzyskanie temperatur niższych nawet o 6°C (tabela 1) – są one zależne od parametrów powietrza zewnętrznego.

Ponadto na ściankach wymiennika wyparnego może nastąpić kondensacja wody z powietrza zewnętrznego (tabela 1–2), która nie występuje w typowych wymiennikach rekuperacyjnych w okresie ciepłym. Występowanie kondensacji, czyli osuszania powietrza zewnętrznego, bezpośrednio zależy od parametrów powietrza wywiewanego i zewnętrznego. 

Przemiany powietrza dla obydwu analizowanych wariantów przedstawiono na rys. 3. W typowym rekuperatorze przeciwprądowym (rys. 3a) powietrze zewnętrze jest ochładzane bez zmiany zawartości wilgoci (proces 1_i–1_o), podczas gdy powietrze wywiewane jest ogrzewane również przy stałej zawartości wilgoci (proces 2_i–2_o). Temperatura ścianki wymiennika zależy od temperatury powietrza zewnętrznego i wywiewanego w danym przekroju urządzenia. Jej wartość jest znacznie wyższa od temperatury punktu rosy powietrza zewnętrznego, w związku z tym kondensacja pary wodnej na powierzchni ścianki wymiennika nie może wystąpić. Przeciwprądowy wymiennik wyparny może schłodzić strumień powietrza do niższych temperatur (rys. 3b), ponieważ ochładzanie powietrza zewnętrznego (proces 1_i–1_o) odbywa się kosztem przyrostu ciepła całkowitego w strumieniu powietrza wywiewanego (proces 2_i–2_o), wyrażającym się stałym wzrostem entalpii właściwej.

Na początku tego procesu przyrost entalpii jest skutkiem rosnącej zawartości wilgoci powietrza wywiewanego przy jednocześnie obniżającej się jego temperaturze. W związku z tym temperatura ścianki pomiędzy strumieniami powietrza zewnętrznego i wywiewanego jest znacznie niższa niż przy typowej rekuperacji. Sprawność odzysku ciepła w przypadku wymiennika wyparnego ograniczona jest temperaturą termometru mokrego powietrza wywiewanego na wejściu do kanału mokrego. Temperatura ta jest w wielu przypadkach niższa niż temperatura punktu rosy powietrza zewnętrznego, co umożliwia wystąpienie kondensacji, czyli osuszania powietrza zewnętrznego w wymienniku rekuperacyjnym. Dzięki temu zjawisku można ograniczyć zużycie energii potrzebnej do obniżenia zawartości wilgoci powietrza zewnętrznego na potrzeby asymilacji zysków wilgoci w pomieszczeniach. Osuszenie powietrza na wymienniku wyparnym występuje nawet przy stosunkowo wilgotnym powietrzu wywiewanym (t_2i = 26°C oraz RH_2i = 60%), co jest korzystne, bo gdy strumień wywiewany będzie bardziej suchy, intensywność kondensacji wzrośnie. 

Na rys. 3 przedstawiono również ochładzanie powietrza w chłodnicy przeponowej (proces 1o–1s). W celu oszacowania, jaki procent całkowitego zapotrzebowania na chłód pokrywają poszczególne wymienniki (tabela 2), na wykresie i-x dla dwóch analizowanych przypadków oznaczono spadki entalpii właściwej na wymiennikach ciepła (Δ_i^rec oraz Δ_i^IEC) oraz na chłodnicach (Δ_i^cool). Z danych wynika, że wymiennik rekuperacyjny wyparny pokrywa 70% całkowitego wymaganego spadku temperatury i do 37% całkowitego wymaganego osuszenia (podczas gdy rekuperator pokrywa tylko 40% wymaganego spadku temperatury). W porównaniu do typowej jednostki rekuperacyjnej wymiennik pośredni zapewnia ponad dwukrotnie więcej mocy chłodniczej.

Czytaj też: Nawilżanie powietrza a zużycie energii >>>

Istotne aspekty pracy rozwiązań wyparnych w klimatyzacji

Ograniczenie zużycia wody 

Technologie wyparne wymagają dostarczenia wody do kanałów mokrych w celu wymuszenia parowania wody do strumienia pomocniczego. W instalacjach pracujących w klimacie umiarkowanym zapotrzebowanie na wodę można pokryć, odzyskując kondensat z chłodnic czy z jednostek wyparnych, w których może zajść kondensacja. Warto zwrócić uwagę, że w standardowych rozwiązaniach kondensat z chłodnic jest odprowadzany do kanalizacji, z kolei w omawianym przypadku można go ponownie wykorzystać, co pozwala zmniejszyć pobór wody z sieci wodociągowej. Jest to sposób na pozyskanie wody, kiedy jej pobór z sieci jest niemożliwy. W takim przypadku należałoby wyposażyć układ w dodatkowy zbiornik w centrali, w którym woda ta byłaby magazynowana.

Zadaniem systemów klimatyzacyjnych jest zapewnienie strumienia powietrza nawiewanego o odpowiednich parametrach, którymi są temperatura oraz zawartość wilgoci. Typowe sprężarkowe osuszają powietrze w wymienniku przeponowym. Proponowane rozwiązanie realizuje proces osuszania również na wymienniku rekuperacyjnym wyparnym. Dlatego spadek zawartości wilgoci powietrza zewnętrznego jest równy sumie usuniętej zawartości wilgoci z powietrza na wymienniku i chłodnicy podczas procesu kondensacji (Δ_x1 + Δ_xcool).

Na rys. 3b zaznaczono te wartości oraz przyrost zawartości wilgoci w powietrzu wywiewanym (Δ_x2). Porównując te wielkości, można oszacować, jaki procent zapotrzebowania na wodę pokrywa kondensacja pary wodnej. Okazuje się, że kondensat może pokryć 50–100% zapotrzebowania na wodę (tabela 3) dla wymiennika wyparnego. W związku z tym proponowany układ może pracować z wykorzystaniem niewielkich ilości wody, ponieważ jej część może być zawracana do systemu. W przypadku systemu bazującego tylko na kondensacie widoczne jest, że system wyparny może pracować efektywnie przez co najmniej połowę czasu pracy.

Aranżacja wymienników w systemie klimatyzacyjnym 

Wprowadzenie systemu wyparnego do istniejących wymienników rekuperacyjnych może być często utrudnione. W takim przypadku wymiennik wyparny można dodać jako niezależne, wstępne źródło chłodu przed systemem klimatyzacji (w układzie tym jednostka wykorzystuje powietrze zewnętrzne jako strumień główny i pomocniczy). Możliwe jest także połączenie systemów wyparnych z recyrkulacją. Różne aranżacje systemu zostały przedstawione na rys. 4. Pierwszym układem jest system pracujący na powietrzu zewnętrznym (rys. 4a, oznaczony jako C1), kolejnym układ nawiewno-wywiewny (rys. 4b, oznaczony jako C2) oraz układ z recyrkulacją (rys. 4, oznaczony jako C3).

Układ C1 bazuje na dostarczaniu strumienia powietrza o tych samych parametrach (odpowiadających chwilowym parametrom powietrza zewnętrznego) do mokrego i suchego kanału. Konieczne jest w takim przypadku zastosowanie wentylatora czerpnego o większej wydajności lub dodatkowego wentylatora dla kanału mokrego. W rozwiązaniu C2 do kanału mokrego wprowadzany jest strumień powietrza wywiewanego. W przypadku rozwiązania z recyrkulacją C3 zmieszanie powietrza zewnętrznego z wywiewanym następuje przed jednostką wyparną, następnie mieszanina dostarczana jest zarówno do kanału mokrego, jak i suchego. Należy tutaj podkreślić, że gdy zawracane jest ponad 50% powietrza wywiewanego, niezbędne jest zmniejszenie ilości powietrza dostarczanego do mokrego kanału, by zachować taką samą ilość powietrza nawiewanego do pomieszczenia. Im mniejszy strumienia powietrza dostarczanego do mokrego kanału, tym mniejsza efektywność wymiennika wyparnego. Z drugiej strony obniżenie temperatury i wilgotności powietrza przed wymiennikiem umożliwia uzyskanie niższych temperatur powietrza.

Czytaj też: Detektory w garażach >>>

Opisane powyżej aranżacje systemów zostały porównane pod kątem efektywności w klimacie Polski. Wyniki symulacji przeprowadzonych dla wybranych parametrów powietrza zewnętrznego i wywiewanego przedstawiono w tabeli 4. Wzięto pod uwagę trzy wartości udziału a powietrza zewnętrznego w wentylującym w przypadku systemu z recyrkulacją (C3):

• C3.1 – a = 0,3; 
• C3.2 – a = 0,5; 
• C3.3 – a = 0,8.

Analizowane układy cechują się różną efektywnością w zależności od warunków wejściowych. W związku z tym na etapie projektowym należy rozważyć różne warianty, w zależności od charakterystyki obiektu. Rozwiązanie nawiewno-wywiewne oraz system recyrkulacyjny okazały się najbardziej skuteczne w zdecydowanej większości przypadków.

Sprawność typowych wymienników wyparnych ograniczona jest temperaturą termometru mokrego powietrza na wejściu do mokrego kanału. Im jest ona niższa, tym niższą temperaturę można uzyskać za wymiennikiem.

Analizowane układy różnią się „typem” powietrza wprowadzanego do kanału mokrego. W przypadku jednostki w układzie nawiewno-wywiewnym sprawność jest ograniczona temperaturą termometru mokrego powietrza wywiewanego, w przypadku układu z recyrkulacją jest to temperatura termometru mokrego mieszaniny, natomiast w układzie pracującym na powietrzu zewnętrznym jest to temperatura termometru mokrego powietrza zewnętrznego.

Z zestawienia (tabela 4) wynika, że wraz ze wzrostem wilgotności względnej powietrza wywiewanego efektywność konfiguracji nawiewno-wywiewnej spada (konfiguracja ta wykorzystuje tylko powietrze wywiewane w mokrym kanale, jest ona najbardziej wrażliwa na zmianę jego parametrów). Dla niższych wilgotności względnych powietrza zewnętrznego układ nawiewno-wywiewny staje się mniej efektywny niż system z recyrkulacją (im niższa wilgotność powietrza zewnętrznego, tym wyższa proporcja powietrza zewnętrznego w mieszaninie, co pozwala na uzyskanie niższych temperatur). W sytuacji gdy powietrze zewnętrzne jest bardziej suche niż powietrze wywiewane, najskuteczniejszym rozwiązaniem staje się system operujący tylko na powietrzu zewnętrznym, ponieważ występuje bardziej intensywne parowanie wody do powietrza pomocniczego w kanale mokrym. 

Można zatem stwierdzić, że najwyższą skuteczność pracy układu zapewnia rozwiązanie pozwalające na jego dynamiczną adaptację do parametrów powietrza zewnętrznego i wywiewanego za pomocą układu przepustnic. Jednak dodatkowe przepustnice i kanały umożliwiające zmiany trybu pracy urządzenia komplikują system i w konsekwencji jego cena (a także gabaryty) jest większa. W związku z tym zdaniem autorów najlepiej bazować na systemie najmniej złożonym (układ nawiewno-wywiewny), który w sposób nieskomplikowany może zostać zastosowany w praktycznie każdym wymienniku rekuperacyjnym.

Podsumowanie 

W artykule przedstawiono możliwość zwiększenia efektywności odzysku ciepła w klimatyzacji poprzez zastosowanie systemów wyparnych na przykładzie dwóch układów: systemu wykorzystującego typowy wymiennik przeciwprądowy rekuperacyjny oraz wymiennik przeciwprądowy rekuperacyjny pracujący jako wymiennik wyparny w okresie letnim. Wykazano wyższą skuteczność odzysku ciepła we współpracy z chłodzeniem pośrednim wyparnym, zarówno w kontekście sprawności temperaturowej, jak i możliwości osuszania powietrza, z czego wynika większe całkowite pokrycie zapotrzebowania na chłód. Omówiono także istotne aspekty pracy systemów wyparnych w klimatyzacji, w tym możliwość oszczędności wody dzięki wykorzystaniu kondensatu powstającego podczas pracy urządzeń w okresie letnim. Przedstawiono możliwość różnej aranżacji tych jednostek w systemach klimatyzacyjnych.

Literatura:

1. Pandelidis D., Analiza konstrukcji wymienników wyparnych na przykładzie wymiennika krzyżowego – założenia, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2014, s. 56–61.
2. Anisimov S., Pandelidis D., Kierunki rozwoju wyparnego chłodzenia powietrza, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2012, s. 64–67.
3. Anisimov S., Pandelidis D., Poprawa efektywności solarnych układów klimatyzacyjnych, „Rynek Instalacyjny” nr 7/8/2012, s. 69–73.
4. Pandelidis D., Anisimov S., Worek W.M., Performance study of the Maisotsenko Cycle heat exchangers in different air-conditioning applications, „International Journal of Heat and Mass Transfer” 81, 2015, p. 207–221.
5. Pandelidis D., Anisimov S., Drąg P., Pacak A., Sidorczyk M., Analysis of application of the M-Cycle heat and mass exchanger to the typical air conditioning systems in Poland, „Energy and Buildings” 158, 2018, p. 873–883.
6. Pandelidis D., Cichoń A., Pacak A., Anisimov S., Drąg P., Application of the cross-flow Maisotsenko cycle heat and mass exchanger to the moderate climate in different configurations in air-conditioning systems, „International Journal of Heat and Mass Transfer” 122, 2018, p. 806–817.

Czytaj też: Klimakonwektory >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!