Systemy sorpcyjne z wykorzystaniem bezpośredniego i pośredniego chłodzenia wyparnego jako źródło energii chłodniczej w klimatyzacji

Rozwój gospodarczy i wzrost populacji ludzkiej na świecie powoduje zwiększenie zużycia energii elektrycznej, a 20% z niej stanowi energia potrzebna do zasilenia klimatyzatorów i wentylatorów. Coraz bardziej cenimy sobie komfort cieplny i chętniej wyposażamy budynki mieszkalne w takie urządzenia, a w biurach czy budynkach użyteczności publicznej systemy wentylacji i klimatyzacji są już w zasadzie standardem.

International Energy Agency (IEA) w opublikowanym niedawno raporcie [1] zwraca szczególną uwagę na rosnące zapotrzebowanie na energię chłodniczą. Dlatego konieczne są zmiany wymagań dotyczących wydajności urządzeń klimatyzacyjnych oraz zmniejszenie zanieczyszczenia powietrza związanego z wytwarzaniem energii chłodniczej. Jeśli systemy klimatyzacyjne nie zostaną ulepszone i nie ograniczymy zapotrzebowania na chłód poprzez odpowiednie projektowanie budynków, do roku 2050 zapotrzebowanie na energię do zasilenia klimatyzatorów może wzrosnąć nawet trzykrotnie (będzie równe aktualnemu zapotrzebowaniu na energię elektryczną Chin) [1].

Wytwarzanie energii chłodniczej odbywa się najczęściej przy zastosowaniu systemów sprężarkowych zasilanych energią elektryczną, a ta, pomimo rozwoju odnawialnych źródeł energii, dalej produkowana jest w sposób konwencjonalny. Naukowcy z całego świata pracują nad rozwojem metod alternatywnej produkcji chłodu, które pozwalają na zminimalizowanie zużycia elektryczności i kosztów eksploatacyjnych systemów. Układami, które mogą zastąpić systemy sprężarkowe, są systemy sorpcyjne, które zamiast dużej ilości energii elektrycznej potrzebują energii cieplnej do regeneracji „serca” systemu, czyli rotora sorpcyjnego. W artykule omówiono zasadę działania wymienników wyparnych i dokonano przeglądu literatury dotyczącej różnych konfiguracji i wariantów systemów sorpcyjnych wykorzystujących te urządzenia.

Opis zagadnienia

Centralne systemy klimatyzacyjne i lokalne systemy chłodzenia umożliwiają zapewnienie odpowiedniej temperatury i wilgotności powietrza w pomieszczeniach. Systemy centralne składają się z przewodów, elementów nawiewnych i wywiewnych, centrali klimatyzacyjnej oraz jednostki zewnętrznej, w której może być wywarzana energia chłodnicza lub cieplna. Z kolei systemy lokalne składają się z jednostki wewnętrznej i zewnętrznej połączonych przewodami, które transportują czynnik chłodniczy. W obydwu przypadkach powietrze wewnętrzne ma odpowiednią temperaturę i zawartość wilgoci, co pozwala na asymilację zysków ciepła jawnego i utajonego w klimatyzowanej lub chłodzonej strefie. Klimatyzatory typu split pracują jednak tylko na powietrzu obiegowym i nie zapewniają doprowadzenia do strefy przebywania ludzi wymaganego strumienia świeżego powietrza ze względu na wymagania higieniczne. Niemniej, tak jak w przypadku układu centralnego, są wyposażone w chłodnicę, w której powietrze jest ochładzane do odpowiedniej temperatury, a podczas procesu kondensacji pary wodnej na ściankach wymiennika osuszane.

W przypadku typowych sorpcyjnych systemów klimatyzacyjnych w pierwszym etapie powietrze jest osuszane na rotorze sorpcyjnym, następnie ochładzane w wymienniku ciepła oraz ponownie ochładzane i nawilżane w komorze zraszania (bezpośrednim urządzeniu wyparnym – rys. 1).

Rotor sorpcyjny może również współpracować z pośrednim wymiennikiem wyparnym, w którym powietrze jest ochładzane bez zmiany zawartości wilgoci (rys. 4) [2]. Najbardziej efektywnymi urządzeniami do pośredniego chłodzenia wyparnego są wymienniki z obiegiem Maisotsenki (­M-obieg). Wykorzystują one zjawisko wstępnego schłodzenia powietrza przed wprowadzeniem go do kanału pomocniczego.

Chłodzenie wyparne – zasada działania

Czym jest M-obieg, można wytłumaczyć w oparciu o podstawowe przemiany powietrza, jakie występują w urządzeniach do chłodzenia bezpośredniego i pośredniego. W przypadku komór zraszania powietrze ochładzane bezpośrednio kontaktuje się z warstwą wody, co skutkuje wymianą ciepła i masy pomiędzy cieczą (wodą) a gazem (powietrzem).

Przemiana fazowa wody w parę pochłania energię, co skutkuje obniżeniem temperatury powietrza i wzrostem poziomu zawartej w nim wilgoci (rys. 1). W pośrednim chłodzeniu wyparnym strumień ochładzanego powietrza w kanale suchym jest oddzielony od kanału mokrego cienką ścianką wymiennika i nie kontaktuje się z wodą. Porowate ścianki wymiennika w kanale mokrym są wypełnione wodą i w kanale tym następuje zjawisko parowania wody do strumienia pomocniczego. Do obydwu kanałów wymiennika wprowadzane jest powietrze o tych samych parametrach (pkt A na rys. 2). Ważnym aspektem jest fakt, że limitem temperaturowym, do którego można schłodzić powietrze za pomocą tego urządzenia, jest temperatura termometru mokrego powietrza na wejściu do kanału mokrego (tm). Chłodzenie pośrednie wyparne z M-obiegiem (rys. 3) jest modyfikacją typowego, powszechnie znanego rozwiązania (rys. 2).

Powietrze główne jest wstępnie ochładzane w kanale suchym, a następnie kierowane do kanału mokrego. Tym sposobem obniżany jest limit temperaturowy chłodzenia. Temperaturę powietrza można obniżyć niemal do temperatury punktu rosy powietrza na wejściu do kanału mokrego tm ≈ tr, co jest szczególną zaletą tego typu wymiennika. Taki układ chłodzenia jest wynalazkiem prof. Valeriya Maisotsenki, opatentowanym już w latach 90. [3–5].

Istnieją różne rodzaje wymienników z M-obiegiem, które charakteryzują się odmiennym układem przepływów. Najbardziej znany jest regeneracyjny przeciwprądowy wymiennik wyparny z M-obiegiem (schematycznie zaprezentowany na rys. 3). Wymiennik krzyżowy z M-obiegiem jest drugą popularną wersją tego typu urządzenia – schemat przepływów w nim zachodzących przedstawiono na rys. 4a. Wymienniki tego typu produkowane są w różnych wariantach – rys. 4b i rys. 4c.

Główną różnicą pomiędzy wymiennikiem regeneracyjnym a krzyżowym jest sposób przepływów – odpowiednio przeciwprądowy i krzyżowy. Różna jest również ilość powietrza, które finalnie może zostać dostarczone do użytkowników. W wymienniku regeneracyjnym powietrze jest zawracane do kanału mokrego, a szacowana optymalna wartość stosunku strumienia pomocniczego do głównego wynosi 0,30–0,45 [8]. W przypadku wymiennika krzyżowego wartość ta wynosi 1, ponieważ strumień powietrza pomocniczego jest wstępnie ochładzany w kanale suchym, a następnie przez perforacje doprowadzany do kanału mokrego, gdzie przepływa krzyżowo do strumienia głównego.

Do zalet wymienników pośrednich wyparnych z M-obiegiem w porównaniu do wymienników bezpośrednich należą [9]:

• obniżenie temperatury powietrza poniżej temperatury termometru mokrego (niemal do temperatury punktu rosy),
• niższe zużycie energii elektrycznej w porównaniu do układów sprężarkowych,
• przyjazna środowisku alternatywa wytwarzania energii chłodniczej,
• chłodzenie realizowane bez wzrostu zawartości wilgoci w powietrzu,
• efektywność chłodzenia (odniesiona do temperatury termometru mokrego) przekraczająca 100% w porównaniu do układów chłodzenia bezpośredniego.

Naukowcy zajmują się obecnie badaniem tego typu urządzeń na szeroką skalę, są one analizowane eksperymentalnie oraz numerycznie lub analitycznie. Przykładem badań eksperymentalnych mogą być: modyfikacje warstwy porowatej, która wypełnia mokre kanały urządzenia, udoskonalanie systemu dystrybucji wody (aby ograniczyć jej zużycie) czy zmiana struktury wymiennika (w celu obniżenia strat ciśnienia) [10]. Warto jednak podkreślić, że stworzenie odpowiedniego stanowiska jest bardzo kosztownym przedsięwzięciem.

Okazuje się, że modelowanie matematyczne tych urządzeń pozwala również na szeroką analizę pracy wymienników dla różnych parametrów powietrza zewnętrznego, różnej prędkości przepływu powietrza przez urządzenie czy różnego stosunku powietrza pomocniczego do głównego. Niemniej każdy model wymaga walidacji do istniejących danych eksperymentalnych. Metodą, która pozwala otrzymać satysfakcjonujące wyniki, jest ε-NTU [11].

Badacze zajmują się również optymalizacją tego typu urządzeń, która może być wykonana pod kątem kryteriów termodynamicznych wymiennika oraz kryteriów ekonomicznych [12–15]. Powyższe analizy są wykonywane w celu znalezienia odpowiedzi na pytanie, czy warto dany wymiennik zastosować w konkretnym mieście, kraju lub strefie klimatycznej. Dane dla niektórych miast są dostępne w literaturze [9].

Kluczowymi wskaźnikami analizy opłacalności wymienników wyparnych z M-obiegiem mogą być:

• wskaźnik COP (Coefficient of Performance),
• zużycie wody
• czy „koszt cyklu życia urządzenia” [9].

Układy sorpcyjne z wykorzystaniem bezpośredniego chłodzenia wyparnego

Jednym z ograniczeń samodzielnego stosowania pośrednich wymienników wyparnych jest fakt, że nie zapewniają one osuszenia powietrza. Dla rejonów, w których jest to nieopłacalne, warto przeanalizować układy sorpcyjne, które umożliwiają obniżenie zawartości wilgoci. Ponieważ zakres zastosowań układów sorpcyjnych jest duży, w literaturze można znaleźć wiele konfiguracji tych systemów. Ich efektywność zależy od parametrów powietrza zewnętrznego, wymaganych parametrów w pomieszczeniach oraz od rodzaju źródła ciepła do regeneracji wypełnienia rotora sorpcyjnego. Informacje, gdzie warto wdrażać takie rozwiązania dla wybranych krajów, można znaleźć w pracach [16, 2].

Rotor sorpcyjny jest urządzeniem, w którym powietrze procesowe jest osuszane w sektorze osuszania, a jego temperatura w trakcie tego procesu wzrasta – wypełnienie adsorbuje wilgoć z powietrza (wydzielane jest dodatkowo ciepło adsorpcji).

Sektor regeneracyjny służy do „odebrania” zgromadzonej w wypełnieniu wilgoci poprzez doprowadzenie do sektora powietrza regeneracyjnego o wysokiej temperaturze. W związku z tym strumień ten nawilża się, a jego temperatura spada. Rotory sorpcyjne różnią się m.in. wykorzystanym materiałem sorpcyjnym, którym może być np. silikażel bądź chlorek litu, oraz wielkościami powierzchni poszczególnych sektorów. Zmiennym elementem całego systemu sorpcyjnego jest rodzaj źródła ciepła, co jest zarazem zaletą tych układów, ponieważ mogą one wytwarzać energię chłodniczą z wykorzystaniem energii odpadowej, energii pozyskanej z kolektorów słonecznych, pompy ciepła lub geotermii.

Czytaj też: Wybrane wytyczne projektowania wentylacji i komfortu termicznego w budynkach biurowych >>>

Rotory sorpcyjne mogą być również regenerowane energią elektryczną. Elementem niezbędnym w systemach sorpcyjnych jest urządzenie do chłodzenia powietrza (powietrze procesowe za rotorem ma wyższą temperaturę). Stosuje się głównie pośrednie lub bezpośrednie wymienniki wyparne. Połączenie systemów sprężarkowych i sorpcyjnych znane jest w literaturze pod nazwą „układy hybrydowe”. Rozwiązania takie mają na celu zminimalizowanie kosztów eksploatacyjnych dzięki wykorzystaniu energii odnawialnej (z kolektorów słonecznych lub pompy ciepła) albo odpadowej.

Najbardziej znanym systemem sorpcyjnym jest układ Penningtona (rys. 5), w którym wykorzystywane są dwie komory zraszania oraz wymiennik obrotowy. Modyfikacją tego systemu jest wariant z recyrkulacją pozwalający na zwiększenie wydajności chłodniczej dzięki obniżeniu udziału powietrza zewnętrznego w wentylującym [17].

Z kolei układ Dunkle ma dwa wymienniki obrotowe (rys. 6). Dzięki temu możliwe jest uzyskanie niższych temperatur powietrza procesowego (przed drugim wymiennikiem), a wykorzystanie obiegu recyrkulacji zwiększa jego wydajność chłodniczą (rys. 2) [16,18]. Wpływ parametrów powietrza zewnętrznego na pracę tego układu jest niewielki [18]. Przeznaczony jest on dla miejsc, w których nie jest konieczne zapewnienie odpowiedniego udziału powietrza zewnętrznego w powietrzu wentylującym. Jest on bardziej skomplikowany i niemożliwy do umieszczenia w kompaktowej centrali klimatyzacyjnej.

W systemach sorpcyjnych coraz częściej spotkać można urządzenia do pośredniego chłodzenia wyparnego. W rozwiązaniu DINC (rys. 7) realizowane jest szeregowo pośrednie i bezpośrednie chłodzenie wyparne – zostało ono zaproponowane przez naukowców z Texas A&M University [19]. Usunięcie bezpośredniego wymiennika wyparnego z tego układu tworzy system sorpcyjny z pośrednim chłodzeniem wyparnym.

Układ sorpcyjny z wykorzystaniem pośredniego chłodzenia wyparnego

Rotor sorpcyjny może również współpracować z wymiennikiem pośrednim wyparnym. W układzie tym procesy osuszania i ochładzania powietrza odbywają się niezależnie od siebie (rys. 8). Charakter pracy systemów klimatyzacyjnych, w których powietrze jest chłodzone w pośrednich wymiennikach wyparnych z M-obiegiem, zaczęto analizować w literaturze.

W porównaniu do systemu z wymiennikiem regeneracyjnym większą wydajność chłodniczą osiąga system z wykorzystaniem krzyżowego wymiennika wyparnego z M-obiegiem ze względu na specyficzny schemat przepływów powietrza pomocniczego i głównego oraz korzystny stosunek tych strumieni, równy G = 1. Z drugiej strony rozwiązanie z wymiennikiem krzyżowym z M-obiegiem jest bardziej skomplikowane i trudniejsze w aranżacji [20]. Najtańszym rozwiązaniem jest wykorzystanie typowego krzyżowego wymiennika pośredniego (bez M-obiegu), należy jednak wziąć po uwagę, że charakteryzuje się on wrażliwością na zyski wilgoci w pomieszczeniach [20].

Porównanie układu pośredniego chłodzenia wyparnego z układem typowym z komorami zraszania

W literaturze przeanalizowana została również praca typowego układu sorpcyjnego (z komorami zraszania) pozyskującego energię do regeneracji rotora z kolektorów słonecznych (rys. 9a) w porównaniu do takiego samego układu z chłodzeniem pośrednim wykorzystującym wymiennik (rys. 9b). Symulacje zostały przeprowadzone przy założonym osuszeniu powietrza przez rotor o 2 g/kg dla identycznego pomieszczenia (ξ = 20 000 kJ/kg), w którym wilgotność względna nie przekracza 55%, a temperatura 25°C. Wyniki przedstawiono na rys. 10.

Standardowy układ solarny uzyskuje temperaturę nawiewu na poziomie 22°C, a zawartość wilgoci w tym powietrzu jest wyższa, co jest spowodowane koniecznością nawilżania podczas procesu ochładzania powietrza w komorze zraszania (rys. 10a). W związku z tym układ ten jest znacznie mniej skuteczny niż rozwiązanie drugie (rys. 10b), w którym procesy osuszania i ochładzania powietrza są od siebie niezależne. Zastosowanie typowego układu solarnego w sposób efektywny wymaga zatem większego osuszenia strumienia powietrza nawiewanego w rotorze sorpcyjnym, co znacznie zwiększa jego koszty eksploatacyjne.

W układzie klasycznym znajduje się więcej elementów, takich jak wymiennik obrotowy i pompy w dwóch komorach zraszania, które generują dodatkowe koszty eksploatacyjne (urządzenia zasilane energią elektryczną). W układzie z wymiennikiem przeciwprądowym wyparnym nie jest konieczne instalowanie wymiennika obrotowego, a wymienniki wyparne mogą nawet nie potrzebować zespołu pompowego i woda może w nich być rozprowadzana za pomocą sił kapilarnych. Wyższe koszty eksploatacyjne połączone z trudnościami w utrzymaniu komfortu termicznego w pomieszczeniach stanowią zasadniczą wadę typowych rozwiązań. Możliwe, że w polskich warunkach klimatycznych zastosowanie solarnych systemów klimatyzacyjnych wyposażonych w pośrednie wymienniki wyparne jest bardziej uzasadnione [21].

Zalety systemu sorpcyjnego z wykorzystaniem pośredniego chłodzenia wyparnego (rys. 8):

• wymagane jest mniejsze osuszenie niż w typowym układzie sorpcyjnym,
• wymagany jest niższy poziom temperaturowy źródła ciepła,
• do regeneracji wypełnienia można wykorzystać w okresie letnim energię słoneczną (kolektory) lub skumulowaną w ogrzanym powietrzu (powietrzna pompa ciepła),
• wymagany jest niewielki strumień powietrza regeneracyjnego i mniejszy sektor regeneracyjny (mniejsza powierzchnia osuszacza),
• w porównaniu do systemów sprężarkowych: nie jest konieczne ochłodzenie powietrza do niższych temperatur, aby uzyskać wymagane parametry powietrza nawiewanego.

Podsumowanie

Układy sorpcyjne z M-obiegiem są dopiero od kilku lat analizowane w literaturze. Opłacalność tych systemów zależy od wielu czynników, co musi zostać uwzględnione. W każdym z przypadków konieczne jest ustalenie, który wymiennik sprawdza się najlepiej. Dodatkowo należy sprawdzić, jaki wariant pracy omawianego systemu jest optymalny. Zmiennymi tego układu są:

• temperatura powietrza do regeneracji rotora,
• rodzaj źródła ciepła,
• wymiary urządzeń,
• prędkość obrotowa rotora sorpcyjnego
• oraz w przypadku wymiennika wyparnego stosunek strumienia powietrza pomocniczego do głównego.

Po ustaleniu odpowiednich wartości tych zmiennych możliwe będzie ustalenie, czy racjonalne jest zastosowanie układu sorpcyjnego z M-obiegiem np. w Polsce. Wymaga to znalezienia odpowiedniej aranżacji systemu, która umożliwi dostarczenie powietrza nawiewanego o parametrach zbliżonych do sprężarkowych systemów klimatyzacyjnych.

Literatura

1. IEA – International Energy Agency, The Future of Cooling, Raport Series, 2018.
2. Sultan M., El-Sharkawy I.I., Miyazaki T., Saha B.B., Koyama S., An overview of solid desiccant dehumidification and air conditioning systems, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” 46, 2015, p. 16–29.
3. Maisotsenko V.S., Method of air cooling and heat exchange apparatus, Google Patents, 1995.
4. Maisotsenko V., Gillan L, Heaton T, Gillan A., Indirect evaporative cooling mechanism, Google Patents, 2002.
5. Maisotsenko V., Gillan L.E., Heaton T.L., Gillan A.D., Method and apparatus of indirect evaporation cooling, Google Patents, 2002.
6. Materiały reklamowe firmy Coolerado, http://www.coolerado.com/wp-content/uploads/2011/07/Coolerado-M50-Brochure-12-2016.pdf.
7. Materiały reklamowe firmy Coolerado, http://www.coolerado.com/wp-content/uploads/2011/07/Coolerado-C60-Brochure-5-2016.pdf.
8. Pandelidis D., Anisimov S., Worek W.M., Comparison study of the counter-flow regenerative evaporative heat exchangers with numerical methods, „Appl Therm Eng” 84, 2015, p. 211–224.
9. Sohani A., Sayyaadi H., Mohhamadhosseini N., Comparative study of the conventional types of heat and mass exchangers to achieve the best design of dew point evaporative coolers at diverse climatic, „Conditions Energy Conversion and Management” 158, 2018, p. 327–345.
10. Peng Xu, Xiaoli Ma, Xudong Zhao, Fancey K., Experimental investigation of a super performance dew point air cooler, „Applied Energy” 203, 2017, p. 761–777.
11. Pandelidis D., Anisimov S., Numerical analysis of the heat and mass transfer processes in selected M-Cycle heat exchangers for the dew point evaporative cooling, „Energy Convers Manage”, 90, 2015, p. 62–83.
12. Jafarian H., Sayyaadi H., Torabi F., Modeling and optimization of dew-point evaporative coolers based on a developed GMDH-type neural network, „Energy Convers Manage” 143, 2017, p. 49–65.
13. Sohani A., Sayyaadi H., Hoseinpoori S. Modeling and multi-objective optimization of an M-cycle cross-flow indirect evaporative cooler using the GMDH type neural network, „Int J Refrig” 69, 2016, p. 186–204.
14. Fakhrabadi F., Kowsary F., Optimal design of a regenerative heat and mass exchanger for indirect evaporative cooling, „Appl Therm Eng” 102, 2016, p. 1384–1394.
15. Pandelidis D., Anisimov S., Numerical study and optimization of the cross-flow Maisotsenko cycle indirect evaporative air cooler, „Int J Heat Mass Transf” 103, 2016, p. 1029–1041.
16. Heidarinejad G., Heidarinejad M., Delfani S., Esmaeelian J., Feasibility of using various kinds of ­cooling systems in a multi-climates country, „Energy and Buildings” 40, 2008, p. 1946–1953.
17. Jani D.B., Manish M., Sahoo P.K., Solid desiccant air conditioning – A state of the art review, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” 60, 2016, p. 1451–1469.
18. Jain S., Dhar P.L., Kaushik S.C., Evaluation of solid based evaporative cooling Cycles for typical hot and humid climates, „Int J Refrig” 18, 1995, p. 287-296.
19. La D., Dai Y.J., Li Y., Wang R.Z., Ge T.S., Technical development of rotary desiccant dehumidification and air conditioning: a review, „Renew Sustain Energy Rev” 14, 2010, p. 130–147.
20. Pandelidis D., Anisimov S., Worek W.M., Drąg P., Comparison of desiccant air conditioning systems with different indirect evaporative air coolers, „Energy Conversion and Management” 117, 2016, p. 375–392.21. Pandelidis D., Analiza pośrednich i bezpośrednich obiegów wyparnych w systemach SDEC: wyniki symulacji numerycznej, „Chłodnictwo” 6, 2013.