Efektywność solarnych układów klimatyzacyjnych wykorzystujących wymienniki gruntowe

W poprzednim artykule [10] zaprezentowano solarne systemy klimatyzacyjne [1] współpracujące z gruntowym wymiennikiem ciepła [2], które mogą znaleźć zastosowanie w układach wymagających precyzyjnej obróbki powietrza, szczególnie w zakresie uzyskiwania niskich temperatur i bardzo niskiej wilgotności względnej powietrza nawiewanego.

Przedstawiono narzędzia pozwalające na komputerową symulację pracy systemu, wykorzystujące oryginalne matematyczne e-NTU-modele [4–9] nieliniowych procesów wymiany ciepła i masy w pośrednich rekuperatorach wyparnych oraz oprogramowanie producenta wymienników gruntowych (Awadukt Thermo [3]).

Na rys. 1 przedstawiono analizowane systemy: układ z krzyżowym wymiennikiem wyparnym pracującym w schemacie nawiewno-wywiewnym (rys. 1a, 1b) oraz układ z regeneracyjnym wymiennikiem wyparnym (rys. 1c, 1d). Ponadto dla każdego z zaprezentowanych układów przeanalizowane zostaną dwa rodzaje ułożenia wymiennika gruntowego – meandrowy i Tichelmanna [2] (rys. 1e, 1f).

Wymiennik w układzie pierścieniowym został pominięty w analizie, gdyż jego zasada działania jest analogiczna jak układu meandrowego, różni się od niego jedynie kształtem.

Dla potrzeb symulacji przyjęto następujące założenia i uproszczenia:

• analiza prowadzona jest dla warunków klimatycznych Wrocławia;
• powietrze w rotorze sorpcyjnym osuszane jest o stałą wartość;
• temperatura powietrza wywiewanego równa jest temperaturze w pomieszczeniach;
• przeanalizowano dwa typy pomieszczeń – o dominujących zyskach ciepła jawnego oraz o dominujących zyskach wilgoci.

Obrazowane jest to poprzez współczynniki kierunkowe przemian powietrza w pomieszczeniu:

• x = 20 000 kJ/kg,
• x = 5000 kJ/kg;
• temperatura w pomieszczeniach utrzymywana jest na poziomie 25°C;
• nie są brane pod uwagę zmiany sprawności regeneracji rotora sorpcyjnego dla różnych parametrów powietrza wywiewanego;
• analiza prowadzona jest dla przepływu powietrza V = 1000 m³/h;
• na potrzeby artykułu obliczenia dotyczące GWC zostały przeprowadzone na tzw. „glebie standardowej”, dostępnej w programie Awadukt Thermo. W kolejnym artykule zaprezentowane zostaną obliczenia dla różnych rodzajów gruntu.

Wyniki obliczeń

W artykule przedstawione zostaną wyniki symulacji wpływu sposobu ułożenia gruntowego wymiennika ciepła oraz charakteru cieplnego klimatyzowanych pomieszczeń na skuteczność chłodniczą układu.

Na rys. 2 zastosowano następujące oznaczenia: R – system oparty na wymienniku regeneracyjnym; C – system oparty na wymienniku krzyżowym; t_G – temperatura za wymiennikiem gruntowym (parametry w punkcie 3 na wykresach i–x oraz na schematach rys. 1a i 1c); t_1o – temperatura za wymiennikiem wyparnym (parametry w punkcie 4 na wykresach i–x oraz na schematach rys. 1a i 1c).

Do obliczeń przyjęto stały stosunek strumieni powietrza pomocniczego do głównego (W–₂/W–₁ = 0,5) w przypadku rekuperatora regeneracyjnego. Dla jednostki krzyżowej w układzie nawiewno-wywiewnym stosunek przepływów W–₂/W–₁ wynosi zawsze 1.

W następnym artykule zaprezentowane zostaną wyniki symulacji numerycznej obrazujące wpływ różnych schematów przepływu powietrza w wymiennikach wyparnych, z uwzględnieniem zmiennego stosunku powietrza pomocniczego do głównego, na efektywność chłodniczą układu solarnego.

Na rysunku 1e i 1f przedstawiono sposób wymiarowania długości (l) oraz ilości przewodów (n) w gruntowych wymiennikach ciepła (GWC) w układzie Tichelmanna i meandrowym (T – oznaczenie GWC w układzie Tichelmanna, M – oznaczenie GWC w układzie meandrowym).

Wyniki ogólne

Na podstawie uzyskanych wyników badań numerycznych stwierdzono, że procesy wymiany ciepła i masy w układach solarnych współpracujących z GWC i pośrednimi wymiennikami wyparnymi cechują się skomplikowanymi i różnorodnymi polami temperatur i wilgoci, które są zależne od wzajemnych oddziaływań hydrodynamicznych i termodynamicznych oraz innych czynników.

Potwierdzona została duża skuteczność temperaturowa układu (rys. 2), uzyskane w symulacjach komputerowych temperatury powietrza nawiewanego (t1o) wahały się od ok. 15 do ok. 11,9°C, co jest wynikiem bardzo satysfakcjonującym nawet dla wyjątkowo wymagających systemów klimatyzacyjnych. Zasadniczy wpływ na skuteczność temperaturową układu solarnego ma wstępne osuszenie i ochłodzenie powietrza w GWC.

Strumień powietrza przed rotorem sorpcyjnym (RS, rys. 1a i c) jest chłodny, dlatego jego osuszenie powoduje ogrzanie do niższej wartości temperatury niż w przypadku dostarczenia przed osuszacz bezpośrednio powietrza atmosferycznego.

Wykorzystanie opisywanego układu w polskich warunkach klimatycznych ma zatem uzasadnienie termodynamiczne, jednak do pełnej weryfikacji możliwości zastosowania systemu niezbędne jest opracowanie metody kompromisowej optymalizacji, uwzględniającej szereg dodatkowych czynników, w tym porównawczą analizę ekonomiczną z „klasycznymi” systemami sprężarkowymi (np. NPV).

Wpływ charakterystyki cieplnej pomieszczenia na efektywność chłodniczą układu

Stwierdzono, że charakter procesów cieplnych zachodzących w klimatyzowanych pomieszczeniach nie wpływa zasadniczo na system z wymiennikiem regeneracyjnym (R – rys. 2a i 2b), ma natomiast istotny wpływ na efektywność systemu wykorzystującego wymiennik krzyżowy (C – rys. 2c i 2d). W obu przypadkach nie są uwzględniane zmiany sprawności rotora sorpcyjnego spowodowane dostarczeniem wilgotniejszego powietrza do regeneracji masy akumulacyjnej.

Kiedy w pomieszczeniu przeważały zyski ciepła jawnego (x = 20 000 kJ/kg), uzyskana temperatura powietrza nawiewanego dla systemu z C wynosiła ok. 14°C, co pozwalało utrzymać wilgotność względną klimatyzowanego lokalu na poziomie 30% (rys. 2c).

Gdy współczynnik kierunkowy przemiany x wynosił 5000 kJ/kg, wilgotność względna w pomieszczeniu wzrosła do 45%. Większe zyski wilgoci zmniejszyły potencjał wymiany masy strumienia wywiewanego z pomieszczenia, co spowodowało, że efektywność pośredniego chłodzenia wyparnego spadła, a temperatura nawiewu t1o wzrosła do 16,5°C.

Problem spadku skuteczności chłodniczej rekuperatorów wyparnych pracujących w układach nawiewno-wywiewnych w sytuacji zwiększonych zysków ciepła utajonego jest trudny do rozwiązania. Możliwe jest zastosowanie dodatkowej chłodnicy przeponowej lub zastąpienie jednostki nawiewno-wywiewnej wymiennikiem pracującym tylko w układzie nawiewnym.

Typowym rekuperatorem wyparnym stosowanym w układzie nawiewnym jest wymiennik regeneracyjny (R). Wykorzystanie jednostki regeneracyjnej niweluje niekorzystny wpływ dużej wilgotności względnej powietrza wywiewanego na efektywność chłodzenia wyparnego – niezależnie od wartości współczynnika x temperatura strumienia nawiewanego widoczna na wykresach i–x jest stała (rys. 2a i 2b).

Zastosowanie wymiennika regeneracyjnego powoduje konieczność wykonania dodatkowej instalacji odprowadzającej powietrze pomocnicze, co wiąże się z dodatkowymi kosztami inwestycyjnymi. Ponadto system z R wymaga rozdziału powietrza wewnątrz jednostki, dlatego do pomieszczenia nawiewany jest mniejszy strumień niż w przypadku jednostki krzyżowej.

Łatwo zauważyć, że każdy z omawianych schematów przepływu powietrza ma wady i zalety, dlatego nie jest możliwe jednoznaczne określenie, zastosowanie którego z nich jest bardziej uzasadnione. Analiza porównawcza jednostek wyparnych zostanie przedstawiona w następnym artykule.

Czynnikiem, który musi zostać poddany badaniom, jest wpływ wilgotności wywiewanego powietrza na efektywność regeneracji roztworu akumulacyjnego w rotorze. Niezbędne jest opracowanie metody pozwalającej na optymalizację pracy całego systemu z uwzględnieniem czynników ekonomicznych.

Wpływ sposobu ułożenia wymiennika gruntowego na efektywność chłodniczą układów

Symulacje z wykorzystaniem programu Awadukt Thermo wykazały, że najwyższą skuteczność temperaturową wykazał wymiennik gruntowy w układzie meandrowym (rys. 2g). Wynika to z faktu, że w przypadku układu meandrowego strumień powietrza pokonuje relatywnie dłuższą drogę, zatem kontaktuje się z gruntem przez dłuższy czas niż w przypadku układu Tichelmanna.

Należy nadmienić, że w celu zachowania zalecanej przez producenta [3] prędkości przepływu powietrza przez GWC na poziomie 3 m/s schemat meandrowy wymaga zastosowania (dla strumienia 1000 m3/h) na całej długości średnicy przewodu ø 400. Układ Tichelmanna pozwala na wykonanie kanałów wymiennika o średnicy ø 250, z rozdzielaczami ø 400 lub ø 500, jest zatem korzystniejszy inwestycyjnie.

Najbardziej istotną przewagą rozwiązania wykorzystującego układ Tichelmanna są bardzo niskie straty ciśnienia w porównaniu z układem meandrowym (rys. 2h). Dla tej samej długości wymiennika (średnica przewodów w układzie M – ø 400, w układzie T – ø 250 i rozdzielacze – ø 500) spadek ciśnienia na wymienniku meandrowym sięga 1000% spadku na wymienniku T.

Jest to spowodowane różną sumaryczną długością przewodów, przez które musi przepłynąć powietrze: dla wymiennika T przy n = 6 oraz l = 60 m sumaryczny strumień dzielony jest na 6 odcinków ø 250 o długości 60 m. Dla wymiennika M (przy n = 6 oraz l = 60 m) sumaryczny strumień pokonuje 360 m oraz długości zagięć. Powoduje to, że układ Tichelmanna jest znacznie korzystniejszy pod kątem ograniczenia kosztów eksploatacyjnych i jego stosowanie może być bardziej uzasadnione.

Na rys. 2i można zauważyć, że efektywność wymienników jest asymptotyczna (co wynika z quasi-stałej temperatury gruntu). Proporcjonalnie do wzrostu długości GWC efektywność chłodnicza układów T i M staje się coraz bardziej zbliżona – przy długości ok. 200 m zrównują się uzyskane temperatury tG. Zatem przy zastosowaniu dłuższych wymienników gruntowych bardziej uzasadnione jest wykorzystanie układu Tichelmanna.

Warto także odnotować, że sumaryczna efektywność temperaturowa systemu dla GWC T i M jest bardzo zbliżona: pomimo uzyskania (dla l = 60 m oraz n = 6) różnicy tGT i tGM na poziomie 2°C, różnica temperatury powietrza nawiewanego wynosi tylko 0,5°C (dla wymiennika R) lub 0,2°C (dla wymiennika C). Można zatem przypuszczać, że ostateczną determinantą skuteczności temperaturowej systemów solarnych jest efektywność pośredniego rekuperatora wyparnego.

Odnotowano dodatkowo wzrost efektywności wymiennika gruntowego przy głębszym ułożeniu przewodów (rys. 2j). Jest to wynikiem proporcjonalnego spadku temperatury gleby wraz z głębokością, co implikuje lepszą wymianę ciepła z powietrzem w GWC. Niestety wykonywanie dużych wykopów wiąże się z określonymi kosztami, dlatego nie jest zalecane prowadzenie przewodów wymiennika gruntowego na zbyt dużej głębokości.

Wnioski

Stwierdzono, że zastosowanie gruntowego wymiennika ciepła w solarnych systemach klimatyzacyjnych pozytywnie wpływa na ich efektywność temperaturową – zastosowanie GWC w układach solarnych umożliwia ich pracę w systemach o bardzo wysokich wymaganiach dotyczących temperatury i wilgotności względnej nawiewanego powietrza. Należy jednak przeprowadzić szeroką analizę uwzględniającą wiele czynników mogących mieć wpływ na całościową efektywność systemów z uwzględnieniem uwarunkowań ekonomicznych.

Wykazano, że rodzaj zysków ciepła występujący w klimatyzowanych pomieszczeniach może mieć znaczący wpływ na efektywność systemów solarnych z wymiennikiem wyparnym pracującym w układzie nawiewno­‑wywiewnym. Przy projektowaniu takich systemów niezbędna jest wiedza o przeznaczeniu klimatyzowanego lokalu.

Stwierdzono, że większą skutecznością temperaturową przy stosunkowo krótkich długościach przewodów cechuje się GWC w układzie meandrowym – dzieje się to kosztem zwiększonych strat ciśnienia w stosunku do układu Tichelmanna. Wykazano, że wraz ze wzrostem długości GWC korzystniejszy i bardziej uzasadniony eksploatacyjnie staje się wymiennik gruntowy w układzie Tichelmanna.

W kolejnym artykule zaprezentowana zostanie analiza porównawcza regeneracyjnego i krzyżowego wymiennika wyparnego, pokazany też zostanie wpływ rodzaju gruntu na skuteczność chłodniczą systemów solarnych.

Literatura

1. Anisimov S., Pandelidis D., Poprawa efektywności solarnych układów klimatyzacyjnych, „Rynek Instalacyjny” nr 7-8/2012.
2. Koszorz Z., Gruntowy wymiennik ciepła Ground-Therm, „Instal Reporter” nr 5/2012.
3. Materiały firmy Rehau.
4. Anisimov S., Pandelidis D., Numerical study of the cross-flow heat and mass exchanger for indirect evaporative cooling, proceedings of the Xth International Scientific Conference „Indoor Air and Environment Quality”, Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering, Budapest University of Technology and Economics, Russian Academy of Architecture and Civil Engineering Science, Budapest 2012.
5. Pandelidis D., Polushkin V., Wymienniki do pośredniego ochładzania powietrza za pomocą odparowania cieczy, „Współczesne Metody i Techniki w Badaniach Systemów Inżynieryjnych”, Wrocław 2011.
6. Anisimov S., Pandelidis D., Modelowanie matematyczne wymienników do pośredniego ochładzania powietrza za pomocą parowania cieczy o krzyżowym układzie przepływu czynników, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 8/2012.
7. Anisimov S., Pandelidis D., Polushkin V., The influence of outdoor air parameters on the efficiency of cross-flow indirect evaporative heat exchanger, „Civil Engineers Bulletin”, Russia, 2012, in press.
8. Anisimov S., Pandelidis D., Polushkin V., Use of indirect evaporative coolers in solar air conditioning units, „Recent Developments in Science and Education”, Russia, 2012.
9. Anisimov S., Pandelidis D., Efektywność wyparnego ochładzania powietrza, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” nr 7/2012.
10. Anisimov S., Pandelidis D., Współpraca gruntowego wymiennika ciepła z solarnymi układami klimatyzacyjnymi, „Rynek Instalacyjny” nr 12/2012.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!