Współpraca gruntowego wymiennika ciepła z solarnymi układami klimatyzacyjnymi

W RI 7–8/2012 [1] przedstawiono możliwości zwiększenia efektywności solarnych systemów klimatyzacyjnych poprzez zastosowanie w nich pośrednich rekuperatorów wyparnych zamiast komór zraszania. Rozwiązanie takie pozwala na stosunkowo dobrą adaptację energooszczędnych systemów solarnych w warunkach klimatycznych Polski dla potrzeb konwencjonalnych instalacji klimatyzacyjnych.

Problemem pozostaje jednak możliwość stosowania układów solarnych w systemach wymagających precyzyjnej obróbki powietrza, w tym uzyskiwania niskich temperatur powietrza nawiewanego czy też bardzo niskiej wilgotności powietrza dostarczanego do pomieszczeń.

Uzyskanie niskiej wilgotności powietrza w systemie wyposażonym w rotor sorpcyjny teoretycznie nie stanowi problemu. Powoduje to jednak znaczące zwiększenie kosztów eksploatacyjnych związanych z regeneracją sorbentu i mniejsze oszczędności energii związane z pracą systemu. Zastosowanie dodatkowej chłodnicy przeponowej w celu dochłodzenia bądź osuszenia powietrza również wiąże się z określoną stratą energetyczną.

Stosunkowo atrakcyjną możliwością staje się zatem wykorzystanie naturalnego potencjału chłodniczego zgromadzonego w gruncie w okresie ciepłym do wstępnego oziębienia i częściowego osuszenia powietrza przed dostarczeniem do rotora sorpcyjnego. Takie rozwiązanie pozwala uzyskać względnie niską temperaturę i jednocześnie małą zawartość wilgoci po przejściu powietrza przez osuszacz.

Suche i chłodne powietrze umożliwia efektywną i skuteczną chłodniczo realizację procesu ochładzania wyparnego, co z kolei pozwala na uzyskanie bardzo niskich temperatur powietrza nawiewanego (według wstępnych obliczeń na poziomie 13°C!).

Gruntowe wymienniki ciepła

Zasada działania gruntowych wymienników ciepła opiera się na wykorzystaniu stosunkowo dużej pojemności cieplnej gruntu, dzięki czemu możliwe jest uzyskiwanie stabilnych temperatur wyjściowych w okresie ciepłym i zimnym. Temperatura na pewnej głębokości jest w przybliżeniu stała niezależnie od pory roku.

Posadowienie GWC poniżej strefy zamarzania umożliwia ogrzanie powietrza zimą i ochłodzenie go latem. Ponieważ temperatura gruntu w okresie ciepłym jest zazwyczaj niższa od temperatury punktu rosy powietrza zewnętrznego, strumień dostarczany do budynku jest dodatkowo osuszany.

Wymienniki takie składają się zazwyczaj z zakopanych w ziemi rur (wymienniki rurowe – rys. 1a) lub płyt (wymienniki płytowe – rys. 1b), rzadziej stosuje się jednostki oparte na źródłach żwirowych (rys. 1c). Głębokość prowadzenia przewodów waha się od ok. 1 do 5–6 m pod ziemią [2, 3]. Zalecane jest umieszczenie wymiennika co najmniej 20 cm poniżej poziomu przemarzania gruntu. Przeponowe wymienniki ciepła wykonywane są zazwyczaj z tworzywa sztucznego, powszechnie stosuje się antybakteryjne PVC.

Wymienniki rurowe kładzione są w trzech głównych układach (rys. 2):

• meandrowym,
• pierścieniowym,
• Tichelmanna.

Prawdopodobnie najczęściej stosowanym rozwiązaniem ułożenia wymiennika gruntowego jest układ meandrowy (rys. 2a) [2] – pozwala on na stosunkowo wygodne prowadzenie wymiennika w różnych warunkach terenowych. W niewielkich budynkach popularny jest układ pierścieniowy (rys. 2b), w którym rura ułożona jest wokół budynku.

W przypadku dużych obiektów, wymagających wysokiej skuteczności chłodniczej oraz znacznych ilości powietrza, zalecanym rozwiązaniem jest położenie wymiennika w układzie Tichelmanna (rys. 2c). W tym systemie kanał wychodzący z czerpni rozdziela się na kilka równolegle prowadzonych przewodów, które łączą się ze sobą przed budynkiem. Rozwiązanie takie jest korzystne hydraulicznie (identyczne straty w każdym odgałęzieniu), ponadto jego zwarta budowa umożliwia ułożenie pod płytami fundamentowymi budynków.

Pośrednie wymienniki wyparne (rys. 3) zaliczane są do urządzeń chłodniczych wykorzystujących nierównowagę termodynamiczną powietrza atmosferycznego. Działanie takich urządzeń opiera się na uzyskiwaniu chłodu poprzez odparowanie wody będącej czynnikiem chłodniczym [1]. 

Ochładzanie powietrza za pomocą parowania jest procesem wymiany ciepła i masy pomiędzy cieczą a gazem, przy czym główną rolę odgrywa parowanie powierzchniowe cieczy. Przy bezpośrednim ochładzaniu powietrza za pomocą parowania (występującym np. w komorach zraszania central wentylacyjnych) powietrze kontaktuje się z wodą, co doprowadza do obniżenia jego temperatury i zwiększenia zawartości wilgoci przy praktycznie niezmiennej entalpii. Z tego powodu wydajność chłodnicza urządzeń wyparnych bezpośrednich (odniesiona do ciepła całkowitego) jest równa zeru. 

Pośrednie ochładzanie za pomocą parowania jest procesem, podczas którego powietrze nie ma bezpośredniego kontaktu z wodą, a jego chłodzenie odbywa się przez powierzchnię wymiennika ciepła. 

W tym przypadku występują dwa strumienie powietrza: pierwszy (nazywany głównym) przepływa przez suchą część wymiennika i obniża swoją temperaturę przy niezmiennej zawartości wilgoci, po czym dostarczany jest do użytkowników pomieszczeń, a drugi (nazywany pomocniczym lub roboczym) płynie kanałem pomocniczym, w którym zachodzi parowanie wody, i akumuluje ciepło od przepływu głównego, po czym usuwany jest na zewnątrz. 

W takich wymiennikach ciepła proces ochładzania strumienia głównego powietrza odbywa się w suchych kanałach wypełnienia przy obniżającej się entalpii i niezmiennej zawartości wilgoci kosztem parowania wody w przyległych kanałach, wzdłuż których przepływa strumień pomocniczy powietrza. 

Realizacja pośredniego ochładzania powietrza przez odparowanie (w odróżnieniu od bezpośredniego ochładzania powietrza) daje możliwość wykorzystania nierównowagi termodynamicznej powietrza atmosferycznego do wytwarzania chłodu, ponadto nowoczesne wymienniki pośrednie cechuje wyższa skuteczność niż jednostki bezpośrednie, co w połączeniu z możliwością lepszej asymilacji zysków wilgoci w pomieszczeniach przez powietrze nawiewane czyni rekuperatory pośrednie atrakcyjniejszymi dla inwestorów i inżynierów.

Analizowane systemy

Zasadę działania analizowanych systemów pokazano na rys. 4. Powietrze zewnętrzne o stanie 1 zostaje zassane do układu przez czerpnię terenową i przepływa przez wymiennik gruntowy (GWC), w którym zostaje ochłodzone i osuszone do stanu 2 (przemiana 1–2 na wykresach i–x). Powietrze dostaje się następnie do budynku, gdzie jest przefiltrowywane (F), osuszane i podgrzewane w rotorze sorpcyjnym (RS) do stanu 3 (przemiana 2–3). Później zostaje ochłodzone przy niezmiennej zawartości wilgoci w wymienniku wyparnym (W), osiągając stan 4 (przemiana 3–4). 

W przypadku rozwiązania opartego na pośrednim wyparnym wymienniku krzyżowym i prezentowanego na rys. 4a strumień w tej postaci dostarczany jest do pomieszczeń, gdzie asymiluje zyski ciepła i wilgoci i osiąga stan 5, po czym jest z nich usuwany. W części wywiewnej powietrze przepływa przez mokry kanał wymiennika, gdzie realizuje ochładzanie wyparne, osiągając stan 6 (przemiana 5–6). Następnie płynie przez kolektory słoneczne (KS), gdzie jest nagrzewane; ewentualne dodatkowe dogrzanie występuje na nagrzewnicy przeponowej (N). Powietrze osiąga stan 7 i przepływa przez rotor, gdzie regeneruje sorbent – jest ochładzane i nawilżane do stanu 8 (przemiany 6–7 i 7–8). 

W przypadku wariantu pokazanego na rys. 4b po przejściu przez wymiennik wyparny część strumienia zawracana jest do kanału mokrego wymiennika, gdzie realizuje ochładzanie wyparne, osiągając stan 4’ (przemiana 4–4’), po czym jest usuwana z systemu. Pozostały strumień o stanie 4 dostarczany jest do klimatyzowanego pomieszczenia, gdzie asymiluje zyski ciepła i wilgoci (przemiana 4–5), po czym jest z niego usuwany. W części wywiewnej powietrze płynie przez kolektory słoneczne (KS) i ewentualnie nagrzewnicę przeponową (N), gdzie zostaje ogrzane do stanu 6. Później strumień powietrza przepływa przez rotor (RS), gdzie regeneruje sorbent – jest ochładzany i nawilżany do stanu 7 (przemiany 5–6 i 6–7).

W obydwu przypadkach w okresie zimowym rotor nie jest wykorzystywany i zassany strumień płynie by-passem (BP). Istnieje możliwość recyrkulacji strumienia wywiewanego, który przepływa przez kolektory słoneczne,  lub, gdy sytuacja na to nie pozwala, zassania części strumienia zewnętrznego w taki sposób, by przepłynął przez instalację solarną. W ten sposób ograniczane jest zużycie energii przez system.

Pośrednie wymienniki wyparne w analizowanych systemach

Analizie poddano dwa warianty: system oparty na pośrednim wyparnym wymienniku krzyżowym oraz system oparty na wyparnym rekuperatorze regeneracyjnym. Wymiennik krzyżowy (rys. 5a) pracuje w układzie nawiewno-wywiewnym – powietrze nawiewane przepływa przez kanał główny, a wywiewane przez pomocniczy. 

W przypadku jednostki regeneracyjnej (rys. 5b) część powietrza nawiewanego zawracana jest do kanału pomocniczego, dlatego wymiennik zamontowany jest tylko na kanale nawiewnym. Taki układ wymaga zastosowania dodatkowej instalacji wyrzutowej do usunięcia roboczego strumienia po realizacji procesu ochładzania wyparnego.

Modelowanie pracy systemu

Zastosowanie zaprezentowanych rozwiązań może przynieść bardzo duże oszczędności energii w systemach klimatyzacyjnych, szczególnie w obiektach wymagających powietrza o niskiej temperaturze i małej wilgotności względnej. 

Najskuteczniejszym narzędziem umożliwiającym sprawdzenie użyteczności tego typu rozwiązań w polskich warunkach klimatycznych jest analiza teoretyczna za pomocą modelu matematycznego. Możliwe jest dzięki temu uzyskanie dokładniejszych wyników niż podczas pomiarów na stanowisku badawczym.

Pomiary obarczone są często dużymi błędami wynikającymi z niedoskonałości metod eksperymentalnych spowodowanych niedokładnością przyrządów pomiarowych oraz niewielkimi wymiarami rekuperatorów, co uniemożliwia dokładny odczyt parametrów termodynamicznych w kanałach wypełnienia. 

Ponadto model matematyczny pozwala na symulację pracy jednostki dla dowolnych parametrów powietrza zewnętrznego, co nie jest możliwe w rzeczywistym układzie pogodowym, zależnym od zmieniających się warunków atmosferycznych. 

Autorzy przeprowadzili analizę porównawczą systemów zaprezentowanych na rys. 4 z uwzględnieniem różnych sposobów ułożenia wymiennika gruntowego (układ meandrowy i Tichelmanna), różnych rodzajów gruntu oraz różnej głębokości prowadzenia przewodów. 

Do symulacji pracy wymienników gruntowych wykorzystano program Awadukt Thermo [3], a do symulacji pracy wymienników wyparnych oryginalne e-NTU-modele [1, 4–9] obrazujące pracę rekuperatora krzyżowego i regeneracyjnego.

Analizę przeprowadzono w sposób uproszczony przy następujących założeniach:

• 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 – z dominującymi zyskami ciepła jawnego oraz z dominującymi zyskami wilgoci. Obrazowane jest to poprzez współczynniki kierunkowe przemian powietrza w pomieszczeniu: x1 = 20 000 kJ/kg, x2 = 5000 kJ/kg;
• temperatura w pomieszczeniach utrzymywana jest na poziomie 25°C;
• zmiany sprawności regeneracji rotora sorpcyjnego dla różnych parametrów powietrza wywiewanego nie są brane pod uwagę.

Na rys. 6 przedstawiono wizualizację e-NTU-modeli obrazujących pracę wymienników. Równania rozpatrywanych e-NTU-modeli opisujące procesy wymiany ciepła i masy realizowane są w ortogonalnym układzie współrzędnych. Kierunki osi w układzie współrzędnych:

• wymiennik krzyżowy – oś X skierowana jest zgodnie z przepływem strumienia głównego, a oś Y pomocniczego,
• wymiennik regeneracyjny – oś X skierowana jest zgodnie z przepływem strumienia głównego, przeciwnie do ruchu przepływu pomocniczego, oś Y jest prostopadła do kierunku przepływu obydwu strumieni.

Procesy transferu obrazowane są równaniami różniczkowymi bilansu masy i ciepła zestawianymi dla poszczególnych strumieni powietrza. Modele są dodatkowo uzupełniane o równania opisujące warunek ciągłości przepływu energii na powierzchni wypełnienia uwzględniające różne temperatury powierzchni ścianki t’_p2i powierzchni żebra t’_rib2 w kanale powietrza pomocniczego oraz różny charakter procesu parowania wody na powierzchni ścianki kanału i powierzchni żebra. Dla uzyskania jednoznacznego rozwiązania układu równań system uzupełniany jest o warunki określające parametry termodynamiczne strumieni powietrza na wejściu do wymiennika.

Podsumowanie

W artykule opisano możliwości wykorzystania energooszczędnych systemów solarnych w instalacjach klimatyzacyjnych wymagających niskich temperatur i wartości wilgotności względnej powietrza. Zaprezentowano metodę analizy pracy systemu z wykorzystaniem oprogramowania producenta wymienników gruntowych oraz oryginalnych modeli matematycznych.

Przedstawiono oryginalne e-NTU-modele opisujące procesy wymiany ciepła i masy w wymiennikach do pośredniego wyparnego ochładzania powietrza. Opracowano i wykorzystano komputerową metodę obliczenia podstawowych parametrów procesów wymiany ciepła i masy w omawianych urządzeniach do pośredniego chłodzenia powietrza. 

Na podstawie przeprowadzonych badań numerycznych określony zostanie charakter przebiegu procesów wymiany ciepła i masy w wypełnieniach poszczególnych rekuperatorów. Wyniki obliczeń numerycznych zaprezentowane zostaną w następnej części artykułu.

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”, 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.