Nawilżanie adiabatyczne w klimatyzacji hal przemysłowych – studium przypadku

Rozwój niektórych gałęzi przemysłu jest uzależniony od wprowadzania nowych technologii produkcji, które coraz częściej wymagają precyzyjnej stabilizacji parametrów powietrza wewnątrz hali. Szczególnie dotyczy to takich branż, jak przemysł farmaceutyczny, elektroniczny, spożywczy lub tytoniowy.

W niektórych przypadkach wymagania generują potrzebę dokładnego oczyszczania powietrza, w innych większy nacisk kładziony jest na jego uzdatnianie. Każdy z tych procesów wymaga znacznych nakładów energii, szczególnie gdy zachodzi konieczność chłodzenia lub nawilżania powietrza.

O zaletach nawilżania adiabatycznego w tym względzie trudno dyskutować, gdyż są one oczywiste. Problemy eksploatacyjne związane z korozją, jakością wody itp. spowodowały, że od wielu lat głównym sposobem nawilżania wykorzystywanym w klimatyzacji (nie tylko przemysłowej) jest nawilżanie parą.

W ostatnich latach zaczęły się jednak pojawiać nowe rozwiązania nawilżaczy adiabatycznych z dyszami wysokociśnieniowymi, które pozwalają na sterylne i bezpieczne nawilżanie przestrzeni hali przemysłowej lub pomieszczenia z wykorzystaniem wysoko zdemineralizowanej wody. Dodatkowym efektem powyższego rozwiązania jest możliwość równoczesnego chłodzenia powietrza w hali, w której często generowane są duże ilości ciepła.

Wykonany przez autorów audyt efektywności energetycznej miał na celu wykazanie dodatnich efektów energetycznych i środowiskowych zamiany układu nawilżania powietrza parowego na adiabatyczne w systemie klimatyzacji hali produkcyjnej. Modernizacja systemu polegała na zastąpieniu nawilżania parowego przez nawilżanie adiabatyczne połączone z chłodzeniem wyparnym, przez co użytkownik obiektu spodziewa się uzyskać znaczne oszczędności energetyczne.

Charakterystyka porównywanych systemów

Wariant A (przed modernizacją)

W dotychczasowej wersji systemu klimatyzacji hali produkcyjnej o dużej intensywności zysków ciepła i potrzebie utrzymywania wysokiej wilgotności względnej w okresie całego roku (nazwanej wariantem A) para wykorzystywana do nawilżania powietrza nawiewanego wytwarzana jest centralnie w kotłach parowych zasilanych gazem i dostarczana do central klimatyzacyjnych, gdzie za pomocą odpowiednich dystrybutorów przekazywana jest do powietrza przed opuszczeniem centrali.

Istniejący system klimatyzacji hali składa się z dziewięciu central o strukturze przedstawionej na rys. 1, które nawiewają w sumie VN = 635 860 m³/h o temperaturze 16–17^oC. Technologia produkcji nie generuje zysków wilgoci, w związku z czym zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym musi być doprowadzona do wartości wymaganej wewnątrz hali poprzez zewnętrzny układ nawilżania powietrza.

Urządzenia pracujące wewnątrz hali zużywają określony strumień powietrza, które jest wyrzucane na zewnątrz hali. Powoduje to konieczność dostarczania stałego strumienia powietrza zewnętrznego (świeżego), które jest mieszane w centralach z powietrzem recyrkulacyjnym.

W okresach występowania niskich temperatur powietrze jest podgrzewane w nagrzewnicy wstępnej, co ma zapobiec kondensacji wilgoci w komorze mieszania.

Po komorze mieszania powietrze jest schładzane w chłodnicy zasilanej wodą oziębianą w maszynowni chłodniczej lub (w szczególnych przypadkach) podgrzewane w nagrzewnicy wtórnej.

Przed wylotem z centrali powietrze jest nawilżane parą. Nawilżanie realizowane jest za pomocą pary technologicznej wytwarzanej w kotłowni zakładowej przy ciśnieniu 7,5 bara.

Po uwzględnieniu powyższych danych uzdatnianie powietrza w istniejącym systemie klimatyzacji hali można zobrazować na wykresie Molliera (rys. 2 i rys. 3).

W analizie zużycia nośników energii przez system klimatyzacji ważną rolę odgrywa charakterystyka cieplna obiektu, czyli wielkość strumieni zysków ciepła i wilgoci generowanych w pomieszczeniu w czasie jego eksploatacji.

W przypadku hali, w której zachodzą skomplikowane procesy technologiczne, wyliczenie tych wartości jest niemożliwe.

W celu oszacowania powyższych wielkości wykonano analizę parametrów powietrza nawiewanego w rzeczywistych warunkach pracy hali, uśredniając odczyty czujników powietrza nawiewanego TN z danych historycznych zarejestrowanych przez system BMS i udostępnionych przez użytkownika.

Zaobserwowano, że nawet przy bardzo różniących się temperaturach powietrza zewnętrznego (powyżej 20 deg) i niezmiennej temperaturze powietrza wewnętrznego ok. 23°C temperatura powietrza nawiewanego ulega niewielkim zmianom oscylującym wokół wartości 17°C. Świadczy to jednoznacznie o tym, że w hali występują znaczne zyski ciepła od urządzeń technologicznych, a system klimatyzacji wymaga dostarczenia dużych ilości energii chłodniczej przez cały rok.

Potwierdzenie tego faktu można znaleźć na wykresie, na którym przedstawiono wyniki rejestracji zużycia nośników energii przez system klimatyzacji analizowanej hali w roku 2016 (rys. 4).

Czytaj też: Koszty instalacji wentylacyjnej z materiałów kompozytowych w porównaniu do rozwiązań tradycyjnych >>>

Charakterystyka porównywanych systemów

Wariant B (po modernizacji)

W wyniku modernizacji systemu klimatyzacji hali produkcyjnej przewiduje się zastąpienie w nim nawilżania parowego przez układ nawilżania adiabatycznego, czyli bezpośredniego rozpylania wody za pomocą dysz o specjalnej konstrukcji w przestrzeni hali.

Woda rozdrobniona do mikrocząstek odparowuje w początkowej fazie swojego opadania kosztem ciepła jawnego pobranego z powietrza w hali. Uzyskuje się dzięki temu podwójny (pozytywny) efekt: oprócz koniecznego nawilżania powietrza w hali do wymaganej przez technologię wilgotności uzyskuje się efekt chłodzenia powietrza, co jest szczególnie korzystne w przypadku występowania zysków ciepła w pomieszczeniach.

Ten sposób nawilżania wymaga jednak zastosowania następujących elementów i urządzeń:

• w przestrzeni każdej hali na odpowiedniej wysokości zainstalowane zostaną zestawy dyszowe;
• do każdego zestawu dostarczana będzie woda uzdatniona (zdemineralizowana) pod wysokim ciśnieniem (ok. 4–5 barów), co przy odpowiedniej konstrukcji dysz zapewni wypływ wody w postaci aerozolu, którego cząstki prawie natychmiast odparują. Dzięki temu całkowita ilość wody dostarczonej do dysz zamieni się w 100% w parę wodną przekazaną do powietrza w pomieszczeniu;
• proces odwróconej osmozy służący do uzdatniania wody wymagać będzie dostarczenia zwiększonej ilości wody (o ok. 15%) ponad strumień wymagany do dostarczenia do dysz nawilżających, co zostało uwzględnione w obliczeniach kosztów wody wymaganej przez proponowane rozwiązanie;
• dostarczenie uzdatnionej wody do dysz pod wysokim ciśnieniem zapewni stacja uzdatniania (odwrócona osmoza) wraz z zestawem pompowym wysokiego ciśnienia;
• energia zużywana przez zestaw pompowy stanowić będzie energię pomocniczą procesu nawilżania i jako taka została uwzględniona w obliczeniach.

Ponadto ustalono z użytkownikiem, że wariant B systemu po modernizacji będzie się charakteryzował następującymi cechami:

• liczba central, ich struktura oraz strumienie powietrza nawiewanego i świeżego (zewnętrznego) nie ulegną zmianie,
• z central zostaną usunięte dystrybutory pary technologicznej,
• system sterowania zasadniczo nie ulegnie zmianie (poza tym, że sygnał wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu nie będzie decydował o strumieniu pary technologicznej dostarczanej do central, ale będzie regulował ilość wody dostarczanej do dysz systemu nawilżania adiabatycznego),
• temperatura powietrza w pomieszczeniu będzie regulowana pracą chłodnic i nagrzewnic w centralach (w niezmienionym w stosunku do dotychczasowego trybie pracy).

W wyniku powyższego uzdatnianie powietrza (na wykresie Molliera) w nowej wersji systemu będzie realizowane w sposób taki, jaki przedstawiają rys. 5 i rys. 6. Uwaga: na rys. 5 i rys. 6 zobrazowano dwie możliwe technicznie wersje wariantu B w postaci:

a) nawilżania wodą rozpylaną dyszami rozstawionymi równomiernie w przestrzeni hali (powietrze wypływa z centrali o odpowiednio niskiej temperaturze oraz zbyt niskiej zawartości wilgoci i zostaje podgrzane kosztem zysków ciepła pochodzących od urządzeń, a następnie nawilżone do wymaganych parametrów powietrza w przestrzeni hali),

b) nawilżania wodą rozpylaną za pomocą dysz bezpośrednio w centrali klimatyzacyjnej (powietrze wypływa z centrali o nieco niższej niż w przypadku a) temperaturze i zawartości wilgoci takiej, jakiej wymagają parametry powietrza w pomieszczeniu).

Algorytm obliczeń zużycia nośników energii w obydwu wariantach systemu klimatyzacji w skali roku

Wariant A (przed modernizacją)

W tab. 1 i poniżej zestawiono podstawowe założenia oraz opis algorytmu obliczeń zużycia nośników energii przez wariant A systemu klimatyzacji hali. Ilustrację graficzną sposobu obliczeń stanowią przemiany na wykresie h-x Molliera przedstawione na rys. 2 i rys. 3 (na których zdefiniowano również oznaczenia poszczególnych charakterystycznych punktów przemian termodynamicznych).

Stałe parametry wody zasilającej chłodnicę (6/14°C) generują (w przybliżeniu) stałą temperaturę ścianki chłodnicy (T_s = 12°C).

Parametry powietrza za chłodnicą leżą na prostej wyznaczonej przez punkt o parametrach powietrza wlotowego na chłodnicę (po komorze mieszania) oraz powietrza o temperaturze ścianki i wilgotności 100%.

Chłodnica, jeżeli pracuje, obniża temperaturę powietrza nawiewanego do założonej temperatury powietrza nawiewanego T_N.

Proces nawilżania parowego przebiega w przybliżeniu bez zmiany temperatury powietrza nawilżanego (czyli w temperaturze T_N).

Jeżeli zawartość wilgoci w powietrzu po komorze mieszania X_M jest większa od zawartości wilgoci w powietrzu w pomieszczeniu X_P, następuje osuszanie powietrza w chłodnicy (do wymaganej zawartości wilgoci oraz temperatury powietrza nawiewanego).

Jeżeli temperatura powietrza po komorze mieszania jest większa od temperatury powietrza nawiewanego T_N, następuje konieczne ochładzanie powietrza w chłodnicy (do temperatury powietrza nawiewanego).

W obydwu powyższych przypadkach nawilżacz parowy dowilża powietrze przed wylotem z centrali do wymaganej zawartości wilgoci w pomieszczeniu – X_P.

Obliczenia funkcji i parametrów powietrza wilgotnego prowadzono zgodnie z zasadami termodynamiki [3 i 5].

Obliczenia są prowadzone dla każdej godziny o parametrach powietrza zewnętrznego dla „roku referencyjnego” stacji meteo w Krakowie-Balicach.

Zdolność produkcyjna zakładu jest utrzymywana na stałym poziomie przez ok. 8000 godzin w ciągu roku, a okres letni trwa od 1 kwietnia do 31 października.

W każdej godzinie pracy systemu klimatyzacji hali wyliczano ilość pary niezbędnej do dostarczenia do powietrza nawiewanego (wzór 1).

gdzie:

G_P,i – ilość wilgoci (pary lub wody) dostarczonej w ciągu godziny „i”;

V_N – strumień powietrza nawiewanego, m³/h;

ρ_a – gęstość powietrza, kg/m³;

X_N – zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym, g/kg;

X_C,i – zawartość wilgoci w powietrzu przed nawilżaczem w „i-ej” godzinie pracy systemu w ciągu roku, g/kg.

W każdej godzinie pracy systemu klimatyzacji hali wyliczana była ilość energii chłodzenia niezbędna do dostarczenia do powietrza nawiewanego w celu uzyskania pożądanych parametrów powietrza przed procesem nawilżania (wzór 2).

gdzie:

Q_C,i – energia chłodnicza dostarczona przez chłodnicę do powietrza nawiewanego w ciągu godziny „i” pracy systemu klimatyzacji (uwaga: we wzorze 2 pominięto zapis jednej godziny, przez którą należy pomnożyć otrzymany z tej zależności wynik, aby uzyskać poprawny sens fizyczny wyrażenia);

h_M – entalpia właściwa powietrza przed chłodnicą (po wyjściu z komory mieszania), g/kg;

h_C,i – entalpia właściwa powietrza za chłodnicą w „i-ej” godzinie w ciągu roku pracy systemu, g/kg.

Obliczenia rocznego zużycia energii końcowej i pierwotnej oraz wielkości redukcji emisji CO2 polegały na zsumowaniu wartości wyliczonych dla każdej godziny w ciągu roku przy uwzględnieniu:

• zapotrzebowania na ilość pary na potrzeby nawilżania powietrza w hali,
• zapotrzebowania na ciepło do przygotowania pary do procesu nawilżania powietrza po uwzględnieniu sprawności całorocznej kotłowni parowej (η_K = 87,8% – wg rzeczywistych danych zarejestrowanych przez użytkownika),
• zużycia energii elektrycznej przez napędy pomocnicze (pompy wody uzupełniającej w systemie wytwarzania pary),
• zapotrzebowania na energię chłodniczą przez chłodnice w centralach klimatyzacyjnych,
• zużycia energii elektrycznej przez agregaty ziębnicze, niezbędnej do wytworzenia ww. ilości energii chłodniczej (z uwzględnieniem średniorocznego, rzeczywistego wskaźnika efektywności SEER maszynowni chłodniczej w zakładzie produkcyjnym).

Wariant B (po modernizacji)

Porównywane systemy klimatyzacji różnią się sposobem nawilżania, który nie tylko zostaje przesunięty z central klimatyzacyjnych bezpośrednio do pomieszczenia, ale na dodatek zmienia swój charakter z parowego na adiabatyczny. Pociąga to za sobą następujące konsekwencje w obliczeniach przemian powietrza wilgotnego:

• powietrze w hali w trakcie nawilżania adiabatycznego obniża swoją temperaturę, nie zmieniając entalpii właściwej, więc entalpia właściwa powietrza przed procesem nawilżania (powietrze nawiewane) musi być równa entalpii właściwej powietrza wymaganej w pomieszczeniu hali,
• temperatura powietrza nawiewanego musi być niższa od temperatury powietrza przed procesem nawilżania o wartość ΔT_N wynikającą z zysków ciepła jawnego, które muszą być zbilansowane przez powietrze nawiewane do hali przez centrale,
• z uwagi na fakt, że ww. zyski ciepła będą takie same zarówno przed, jak i po modernizacji, różnica temperatur ΔT_N’ = T_P’ – T_N’ (po modernizacji) będzie równa różnicy ΔT_N = T_P – T_N(przed modernizacją),
• parametry powietrza zewnętrznego oraz powietrza wewnątrz hali są identyczne jak w wariancie A (patrz tab. 1).

W konsekwencji powyższego:

• chłodnica, jeżeli pracuje, obniża entalpię powietrza nawiewanego do założonej entalpii powietrza nawiewanego h_N,
• jeżeli zawartość wilgoci w powietrzu po komorze mieszania X_­M jest większa od zawartości wilgoci w powietrzu w pomieszczeniu X_P, następuje konieczne osuszanie powietrza w chłodnicy (do entalpii powietrza nawiewanego – h_N oraz zawartości wilgoci: Xc’= X_N’),
• jeżeli entalpia powietrza po komorze mieszania jest większa od entalpii powietrza nawiewanego, następuje konieczne ochładzanie powietrza w chłodnicy (do osiągnięcia wartości entalpii powietrza nawiewanego h_N),
• pozostałe założenia oraz procedury obliczeń – analogiczne jak w wariancie A.

Czytaj też: Zdecentralizowana wentylacja budynków i mieszkań >>>

Podsumowanie analizy energetyczno-ekonomicznej rozwiązania modernizacyjnego

Obliczenia efektów energetyczno-ekologiczno-ekonomicznych przedsięwzięcia wykonywano w środowisku obliczeniowym Excel, analizując zgodnie z opisanym powyżej algorytmem parametry statystycznego roku obliczeniowego dla Krakowa i zakładając, zgodnie z deklaracją użytkownika, że produkcja zakładu odbywa się w sposób ciągły ze stałą wydajnością (w praktyce występują kilkudniowe przerwy w produkcji w okresach świąt Bożego Narodzenia i Wielkanocnych oraz przeglądowo-konserwacyjne).

W tab. 2 zestawiono i porównano wyniki obliczeń podstawowych składników rocznego bilansu nośników energii uzyskane dla badanego przypadku modernizacyjnego.

Podstawowe wyniki obliczeń audytu opisywanego przedsięwzięcia modernizacyjnego przedstawiono w formie graficznej na rys. 7.

Obliczenia efektów ekologicznych i kosztów prowadzono przy aktualnie obowiązujących wskaźnikach przeliczeniowych współczynników nakładu energii pierwotnej oraz emisyjności CO2 dla poszczególnych nośników energii, przy ich rzeczywistych kosztach jednostkowych (netto bez VAT) uzgodnionych z użytkownikiem (tab. 3 i tab.4).

Proponowana zmiana technologii nawilżania powietrza likwiduje zapotrzebowanie na parę wykorzystywaną w procesie i eliminuje zużycie gazu jako nośnika energii niezbędnego do jej wytworzenia. Wykorzystanie dodatkowego efektu chłodzenia wyparnego przy nawilżaniu adiabatycznym pozwala na ograniczenie zapotrzebowania na energię chłodniczą, a w konsekwencji ograniczenie zużycia energii elektrycznej przez analizowany zakład produkcyjny.

Z racji dużej skali produkcji oraz wymagań technologicznych dla systemu klimatyzacji hali produkcyjnej dzięki proponowanej modernizacji systemu uzyskano znaczące oszczędności zarówno nośników energii, kosztów, jak i emisji CO2 (patrz rys. 8). Średnioroczna oszczędność energii końcowej wyniesie 570,774 toe/rok, a energii pierwotnej 699,215 toe/rok.

Pomimo że w tego typu analizach autorzy nie są zwolennikami pełnej analizy ekonomicznej (z racji trudnego do ustalenia kosztu inwestycyjnego), w tym przypadku dokonano oszacowania kosztów inwestycji (ok. 1 400 000 zł – na podstawie danych producentów).

Przy porównaniu tej kwoty z rocznymi oszczędnościami kosztów eksploatacyjnych przedsięwzięcia uzyskano „szokującą” wartość wskaźnika SPBT na poziomie poniżej jednego roku.

Wnioski końcowe

Zastosowanie nawilżania adiabatycznego nie jest z pewnością żadnym nowatorskim rozwiązaniem technicznym w dziedzinie uzdatniania powietrza w klimatyzacji, jednak w ostatnich latach projektanci unikali jego stosowania z racji szeregu niedogodności eksploatacyjnych, wykorzystując do tego celu tzw. nawilżanie parowe.

Celem przeprowadzonych prac było nie tyle wykazanie, że zastosowanie tego rozwiązania w warunkach klimatu polskiego jest na obecnym poziomie rozwoju techniki klimatyzacyjnej możliwe, ale że w pewnych szczególnych przypadkach technologii przemysłowych może ono przynieść wymierne efekty energetyczne i ekologiczne oraz jest uzasadnione ekonomicznie.

Ponadto, jak wskazuje duża liczba prac poświęconych temu zagadnieniu (np. [7,8]), wykorzystanie efektu chłodzenia adiabatycznego związanego z tym sposobem nawilżania powinno być coraz powszechniejsze nie tylko w specyficznych procesach technologicznych (jak w referowanym przypadku), ale również w systemach klimatyzacji komfortu, w których negatywny wpływ wzrostu zawartości wilgoci w powietrzu może być neutralizowany przez osuszanie adsorpcyjne przy wykorzystaniu ciepła odpadowego lub energii słonecznej („desiccant cooling” lub „solar cooling”). Jeden z przypadków tego typu został poddany analizie w publikacji [8] jednego z autorów.

Literatura

1. Ustawa z dnia 20 maja 2016 r. o efektywności energetycznej (DzU 2016, poz. 831).
2. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 10 sierpnia 2012 r. w sprawie szczegółowego zakresu i sposobu sporządzania audytu efektywności energetycznej, wzoru karty audytu efektywności energetycznej oraz metod obliczania oszczędności energii, (DzU 2012, poz. 962).
3. Pełech A., Wentylacja i klimatyzacja – podstawy, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław 2008.
4. Baumgarth S., Hoener B., Reeker J., Poradnik klimatyzacji. Tom 1. Podstawy, Systherm Technik, Poznań 2010.
5. Jones W.P., Klimatyzacja, Arkady, Warszawa 2001.
6. Recknagel H., Sprenger E., Hönmann W., Schramek E.R., Ogrzewanie i klimatyzacja, EWFE, Wydanie 1, Gdańsk 2005.
7. Kowalski P., Kwiecień D., Nawilżanie adiabatyczne – alternatywny sposób chłodzenia powietrza, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2017.
8. Wojtas K., Możliwości wykorzystania miejskiego ciepła systemowego w chłodzeniu wyparnym obiektów wielkokubaturowych, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 11/2016.
9. Koncepcja modernizacji instalacji nawilżania adiabatycznego hali produkcyjnej.10. http://mib.gov.pl.

Czytaj też: Nowoczesne chłodzenie serwerowni i data center >>>