Techniki ewaporacyjne w wentylacji i klimatyzacji

W technice wentylacyjno-klimatyzacyjnej, ze względu na energochłonność i złożoność niektórych rozwiązań zapewniających odpowiednie warunki cieplno-wilgotnościowe, od wielu lat eksploruje się możliwości skutecznego wykorzystania zjawisk naturalnych, co ma służyć nie tylko obniżeniu kosztów eksploatacyjnych, ale i uproszczeniu procesów. Istotne miejsce zajmuje tu wykorzystanie zjawisk towarzyszących parowaniu wody w technikach ewaporacyjnych (wyparnych).

Techniki ewaporacyjne opierają się na zjawisku przekształcania ciepła jawnego w utajone w procesie odparowania wody z odpowiednio dużej powierzchni, czego efektem jest obniżenie temperatury powietrza i zwiększenie jego wilgotności względnej. Odparowanie 1 kg wody wymaga dostarczenia z powietrza 2257 kJ energii, co skutkuje zmniejszeniem temperatury powietrza. Jednocześnie proces ten zachodzi adiabatycznie, a więc energia całkowita powietrza nie zmienia się, choć z użytkowego punktu widzenia zjawisko odparowania 1 kg wody odpowiada dostarczeniu 640 W mocy chłodniczej.

Konwersja ciepła stosowana jest do chłodzenia lub nawilżania powietrza. Choć producenci nawilżaczy adiabatycznych wskazują, że ta technologia nawilżania może obniżyć temperaturę powietrza w pomieszczeniu nawet o 5°C, rozwiązania techniczne zwykle realizują tylko jeden rodzaj zadania. Drugie traktowane jest jako efekt uboczny – w zależności od zastosowania pożądany lub niekorzystny.

Zjawiska ewaporacyjne w nawilżaniu powietrza

Nawilżanie powietrza jest kwestią często powracającą przed sezonem zimowym ze względu na warunki klimatyczne powodujące niższą wilgotność względną powietrza w tym okresie (nawet do 20%). Tymczasem zarówno ze względu na komfort użytkowników, jak i przebieg procesów technologicznych wilgotność względna powinna zawierać się w przedziale 40–65% (wartość ta zależy od przeznaczenia pomieszczenia oraz panującej w nim temperatury), przy czym norma ­PN-B-03421 [2] wskazuje, że z punktu widzenia komfortu cieplnego wilgotność względna powinna wynosić 40–60% (a latem przy małej aktywności fizycznej 40–55%), gdy w instalacji są nawilżacze. Odpowiednia wilgotność ma szczególne znaczenie w przemyśle drzewnym (w tym meblarskim) i papierniczym, spożywczym i farmaceutycznych, wpływając zarówno na przebieg procesów przemysłowych (np. wiązanie kleju), jak i właściwości gotowych wyrobów (parametry papieru czy cechy leków). Odpowiednia wilgotność jest także kluczowa dla bezpieczeństwa eksponatów muzealnych lub urządzeń elektronicznych w centrach danych.

Nawilżanie powietrza, niezbędne dla niektórych procesów technologicznych, postrzegane jest jako rozwiązanie energo- i kosztochłonne [3]. Jednocześnie nawilżacze adiabatyczne (wodne) cechują się wyraźnie mniejszym jednostkowym (odniesionym do wydajności wyrażonej w kg H₂O/h) poborem mocy niż ich parowe odpowiedniki. Według danych producentów nawilżacz adiabatyczny rozpraszający pobiera 4 W/(kg ∙ h), a parowy 750 W/(kg ∙ h).

Nawilżanie bezpośrednie

W obiektach przemysłowych nawilżanie adiabatyczne stosuje się najczęściej w formie bezpośredniego wprowadzania kropli wody przez dysze do powietrza obiegowego w pomieszczeniu. Nawilżacze takie mogą pracować jako nisko- i wysokociśnieniowe (odpowiednio mgłowe i atomizujące), jednoczynnikowe (woda) lub dwuczynnikowe (woda i sprężone powietrze). Wprowadzone do powietrza krople szybko odparowują, przy czym efektywność tego procesu jest tym wyższa, im większe rozproszenie (mniejsza średnica kropli). Dlatego nawilżacze dwuczynnikowe – choć mniej korzystne pod względem efektywności energetycznej z powodu zużycia energii na przygotowanie sprężonego powietrza – wciąż są chętnie stosowane. Wyposaża się je w pompę pulsacyjną (pobór mocy 700 W) sterowaną falownikiem, co optymalizuje zużycie energii przez nawilżacz. Takie rozwiązanie nawilżacza może być też stosowane jako sekcja (komora) w centrali wentylacyjno-klimatyzacyjnej lub jako urządzenie kanałowe. Zgodnie z § 154 Warunków Technicznych [1] nawilżacze nie mogą powodować uciekania wody na zewnątrz czy do dalszej części wentylacji. Oznacza to konieczność zatrzymywania nieodparowanych kropli przez ich łapacz – szczególnie przy rozwiązaniach niskociśnieniowych, ze względu na większą średnicę wytwarzanych kropel.

Nawilżacze rozpraszające mogą występować jako liniowe (szeregi dysz połączone wężem elastycznym) do pomieszczeń o dobrej wentylacji, poziome (w wylocie rury kierunkującej powietrze tłoczone przez wentylator) do obiektów magazynowo-logistycznych oraz pionowe (powietrze napływa do pomieszczenia przez szczelinę dokoła nawilżacza, porywając aerozol wodny) do obiektów o wysokości powyżej 4 m.

Ciekawymi, choć rzadziej spotykanymi rozwiązaniami są nawilżacze mechaniczne (woda jest rozkraplana np. przez wirujący dysk) lub ultradźwiękowe, które powodują odparowanie wody dzięki kawitacji (wrzeniu w niskiej temperaturze).

Złoża zraszane

Rozwiązaniem, które znajduje zastosowanie zarówno w nawilżaczach, jak i w chłodnicach adiabatycznych, jest parowanie (ewaporacja) z powierzchni wilgotnego materiału higroskopijnego, nad którym przepływa nawilżane i chłodzone powietrze. Jest to technika bardziej efektywna energetycznie niż nawilżacze rozpraszające, bo wymaga podania wody pod mniejszym ciśnieniem.

W przypadku nawilżaczy złoże zraszane może być swobodne (wióry, włóknina) lub sztywne (celuloza, papier woskowany, włókno szklane, kompozyt, tworzywo sztuczne). Na złoże podawana jest woda wodociągowa (może być konieczna jej demineralizacja i higienizacja), która krąży w obiegu – jej nadmiar powstały po zroszeniu złoża jest odprowadzany na tacę ociekową i zawracany. Pod względem efektywności zraszania lepsze jest złoże sztywne, które dzięki bardziej rozbudowanej strukturze powoduje powstawanie mniejszej ilości wody nadmiarowej. Woda podawana na złoże musi być pozbawiona zanieczyszczeń mikrobiologicznych, a jej właściwości powinny uniemożliwiać kolonizację i rozwój mikroorganizmów, co jest ważne szczególnie przy recyrkulacji.

Nawilżacz bazujący na złożu zraszanym (zwanym też kontaktowym) stanowi najczęściej część centrali wentylacyjno-klimatyzacyjnej. Na rynku można także spotkać rozwiązania dla mniejszych instalacji – są to jednostki kanałowe przeznaczone do montażu na kanale wywiewnym za centralą wentylacji mechanicznej (np. domową centralą rekuperacyjną).

Chłodzenie bezpośrednie – „klimatyzatory” ewaporacyjne

Złoża zraszane, zwane też panelami ewaporacyjnymi, stosowane są także w schładzaczach (klimatyzatorach) adiabatycznych. W przypadku większych zastosowań, głównie przemysłowych, popularne są urządzenia dachowe – rooftopy, znajdujące się w trwałej, odpornej na oddziaływanie promieni UV i innych czynników środowiskowych obudowie. Powietrze zewnętrzne, które ma być ochłodzone, po przejściu przez siatki filtracyjne przepływa przez złoże materiału higroskopijnego, oddając energię do odparowania wody ze złoża, a po ochłodzeniu kierowane jest nadmuchowo do pomieszczeń.

Częścią czynną schładzacza ewaporacyjnego są panele ewaporacyjne, wykonane np. z celulozy, o odpowiednio skonstruowanej, rozbudowanej powierzchni czynnej. Z 1 m² panelu odparuje zatem znacznie więcej wody, niż wynikałoby to z wymiarów geometrycznych, co poprawia wydajność całego procesu.

Wydatek wody podawanej do instalacji rurowej schładzacza wynosi ok. 30 dm³/h – dokładna wartość uzależniona jest od wilgotności względnej powietrza zewnętrznego. Woda kierowana jest na górną część panelu, a następnie spływa po nim. Powietrze zewnętrzne o odpowiednio wysokiej temperaturze i niskiej wilgotności (duży udział ciepła jawnego) kierowane jest przez wentylator – najczęściej promieniowy lub odśrodkowy – na panele, dzięki czemu zachodzi odparowanie wody i konwersja ciepła jawnego na utajone – strumień powietrza jest schładzany. Tak przygotowane powietrze nadmuchiwane jest do pomieszczenia (przez wentylator).

Zużycie energii przez schładzacz ewaporacyjny jest nawet o 80% niższe niż dla urządzenia sprężarkowego zapewniającego podobną moc chłodniczą. Energia elektryczna pochłania około połowy kosztów eksploatacyjnych i pobierana jest głównie przez wentylator, który musi się cechować dużym wydatkiem powietrza – stąd w schładzaczach stosuje się wentylatory z regulacją inwerterową. Drugą połowę kosztów eksploatacyjnych stanowi zużycie wody podawanej na panel celulozowy.

Adiabatyczne chłodzenie pośrednie

Jeśli dla danego zastosowania wymagane jest tylko chłodzenie, a wzrost wilgotności mógłby niekorzystnie wpłynąć na proces technologiczny lub wyposażenie, stosuje się chłodzenie adiabatyczne pośrednie. Powietrze schłodzone przez odparowanie i jednocześnie nawilżone jest powietrzem procesowym kierowanym do wymiennika ciepła, na którym zachodzi proces chłodzenia powietrza obiegowego. Wymiana ciepła zachodzi często na wymienniku obrotowym. Ze względu na wysoką efektywność tego procesu (na wymienniku obrotowym następuje „kumulacja” chłodu) jest on stosowany do wspomagania pracy chłodniczych agregatów sprężarkowych, które w sprzyjających warunkach wilgotnościowo-cieplnych może czasowo zastąpić. Rozwiązaniem bardzo efektywnym jest także tzw. M-obieg, gdzie strumień główny powietrza jest chłodzony na wymienniku krzyżowym przez tzw. strumień pomocniczy. Strumień ten jest na wejściu do wymiennika kierowany do tzw. kanału mokrego, gdzie dzięki siłom kapilarnym jest intensywnie nawilżany i chłodzony z zastosowaniem wilgotnego materiału porowatego. Dzięki przepływowi krzyżowemu strumień główny i pomocniczy nie kontaktują się, a efektywność wymiany ciepła jest wysoka.

Efektywność chłodzenia adiabatycznego może być znaczna w „sprzyjających warunkach”, czyli przy niskiej (30–40%) wilgotności względnej powietrza zewnętrznego i jego wysokiej (np. powyżej 30°C) temperaturze. W materiałach producentów można znaleźć tabelaryczne lub graficzne przedstawienie zależności wydajności urządzeń (różnica temperatury zewnętrznej i wewnętrznej) od wilgotności powietrza zewnętrznego. Producenci wskazują, że chłodzenie adiabatyczne jest opłacalne, jeśli wilgotność względna powietrza zewnętrznego jest niższa od wartości granicznej. W materiałach najczęściej pojawia się wartość 50% w odniesieniu do chłodzenia adiabatycznego pośredniego.

Bezpieczeństwo mikrobiologiczne

Urządzenia i instalacje wykorzystujące techniki ewaporacyjne wymagają zabezpieczenia przed kolonizacją i namnażaniem bakterii Legionella pneumophila. Bakterie te bytują i namnażają się w wodzie stojącej o temperaturze 20–45°C (optimum 37°C). Do organizmu człowieka dostają się z kroplami rozpylonej wody.

Zależnie od rodzaju rozwiązania stosowane są dwie strategie zabezpieczenia przed tym mikroorganizmem. Jedna polega na zapobieganiu uciekaniu kropli wody do instalacji i powietrza obiegowego, a druga (stosowana głównie w przypadku urządzeń, których zadaniem jest właśnie wytwarzanie drobnych kropli wody) – na uniemożliwieniu powstania warunków do bytowania i rozwoju tych bakterii:

• zapewnienie odpowiednio niskiej objętości zbiornika na wodę (poniżej średniego godzinowego zapotrzebowania na wodę), co zapobiega zastoiskom;
• opróżnianie zbiornika urządzenia z wody podczas przerwy w pracy za pomocą specjalnych urządzeń spustowych, np. zaworów elektromagnetycznych umożliwiających automatyczny spust wody;
• cykliczne płukanie zbiorników i tac ociekowych zapobiegające zastojom wody;
• uniemożliwienie powstawania warunków rozmnażania bakterii Legionella – np. zachowanie na tacy skroplin temperatury poniżej 20°C;
• stosowanie filtrów wodnych (na rynku są dostępne opatentowane konstrukcje) usuwających mikroorganizmy z wody doprowadzanej do mat ewaporacyjnych, co zapobiega kolonizacji bakterii;
• stosowanie wody uzdatnionej w procesie odwróconej osmozy (cele przemysłowe);
• zabezpieczenie przed uciekaniem wody (porywaniem kropli), np. przez zapewnienie odpowiedniej prędkości przepływu przez złoże desorpcyjne – dla nawilżaczy stosowanych w instalacji wentylacyjno-klimatyzacyjnej obowiązkowe, zgodnie z § 154 WT [1];
• zastosowanie rozwiązań bakteriostatycznych, np. pokrywanie miejsc potencjalnej kolonizacji bakterii, takich jak tace ociekowe, odpowiednimi powłokami;
• dezynfekcja wody obiegowej za pomocą lamp UV.

Oszczędności eksploatacyjne

Systemy ewaporacyjne są cenione za niskie koszty eksploatacyjne w porównaniu do systemów sprężarkowych. Zużycie energii elektrycznej może być nawet o 80–90% niższe. Dodatkowe obniżenie zużycia energii można osiągnąć dzięki regulacji prędkości obrotowej wentylatora (regulacji inwerterowej).

W pomieszczeniach o dużych zyskach ciepła (np. serwerownie) można wykorzystać ciepło pochodzące od urządzeń jako źródło energii do zapewnienia właściwej wilgotności przez kontaktowy nawilżacz adiabatyczny. Przy zadanej wartości granicznej wilgotności względnej strumień powietrza obiegowego kierowany jest do nawilżacza, gdzie oddaje ciepło – dzięki temu powietrze jest zarówno nawilżane, jak i schładzane.

Pewne oszczędności eksploatacyjne może przynieść także odpowiednie opomiarowanie wody podawanej do nawilżania lub chłodzenia adiabatycznego. Jeśli na odgałęzieniu podającym wodę do nawilżaczy lub schładzaczy zainstaluje się osobny wodomierz, do opłaty za wodę zużytą na te cele nie zostanie doliczona opłata za odprowadzanie ścieków.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2019, poz. 1065).
2. PN-B-03421:1978 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi.
3. Pandelidis Demis, Pacak Anna, Nawilżanie powietrza a zużycie energii, „Rynek Instalacyjny” 5/2018, rynekinstalacyjny.pl.
4. Materiały firm: ASK, Carel, Colt, Condair, Ekonair, Klingenburg, Swegon.