Wpływ rodzaju wymiennika wyparnego na efektywność solarnych systemów klimatyzacyjnych

Badania symulacyjne wykazały wpływ przeważającego rodzaju zysków ciepła występujących w pomieszczeniu (zyski ciepła jawnego lub ciepła utajonego) na efektywność pracy wymiennika krzyżowego pracującego w układzie nawiewno-wywiewnym.

Charakterystyka cieplna klimatyzowanego pomieszczenia nie wpłynęła na wymiennik regeneracyjny, który pracował w układzie nawiewnym.

Na rys. 1 przedstawiono poprzednio analizowane systemy:

• układ z krzyżowym wymiennikiem wyparnym pracującym w schemacie nawiewno-wywiewnym (rys. 1a, 1b) oraz
• układ z regeneracyjnym wymiennikiem wyparnym (rys. 1c, 1d).

Dla każdego z zaprezentowanych układów przeanalizowano dwa rodzaje ułożenia wymiennika gruntowego: meandrowy i Tichelmanna [2] – w niniejszym artykule sposób ułożenia wymiennika gruntowego nie będzie analizowany i wszystkie symulacje przeprowadzono dla gruntowego rekuperatora w schemacie Tichelmanna z sześcioma przewodami powietrznymi (rys. 1i).

Uproszczenie to przyjęto, mając na uwadze fakt, że porównanie krzyżowej i regeneracyjnej jednostki wyparnej dotyczy indywidualnych charakterystyk termodynamicznych urządzeń, które będą działać w sposób zbliżony w każdym typie systemu solarnego.

Przeczytaj także: Kierunki rozwoju wyparnego chłodzenia powietrza >>

Symulacje przeprowadzone w programie Awadukt Thermo [3] wykazały, że rodzaj gleby, w której ułożony jest gruntowy wymiennik ciepła (GWC), w identyczny sposób wpływa na skuteczność pracy jednostek w schemacie meandrowym i Tichelmanna.

Na rys. 1e–h przedstawiono rozwiązania konstrukcyjne krzyżowych i regeneracyjnych pośrednich wyparnych wymienników ciepła. Rekuperatory można podzielić na dwa zasadnicze rodzaje: wypełnione materiałem porowatym, gdzie ciecz rozprowadzana jest siłami kapilarnymi (rys. 1e, 1f), oraz konstrukcje z dyszami i układem pompowym (rys. 1g, 1h).

Zastosowanie materiału porowatego zmniejsza koszty eksploatacyjne i redukuje straty ciśnienia powodowane przez dysze, jednak technologia ta jest droższa. Zaletą jednostek z systemem pompowym jest z kolei łatwa zmiana trybu eksploatacji lato/zima.

Zgodnie z założeniami przyjętymi w RI 12/2012 w ramach uproszczenia zagadnienia analizie poddane zostaną pośrednie wymienniki wyparne wypełnione materiałem porowatym.

Pozostałe założenia i uproszczenia, które zostały przyjęte do symulacji:

• 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):
  x = 20 000 kJ/kg,
  x = 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,
• analiza prowadzona jest dla przepływu powietrza V = 1000 m³/h.

Wyniki obliczeń

W pośrednim regeneracyjnym wymienniku wyparnym przyjęto zmienny stosunek strumieni powietrza pomocniczego do głównego (W_₂/W_₁ = 0,25 – 0,85). Dla jednostki krzyżowej w układzie nawiewno-wywiewnym stosunek przepływów W_₂/W_₁ wynosi zawsze 1 (strumień nawiewany jest równy strumieniowi wywiewanemu).

Symulacje na rys. 2a–e przeprowadzono dla gruntu G7 (tabela 1).

Wyniki ogólne

Po przeprowadzeniu wielowariantowych badań numerycznych ustalono, że procesy wymiany ciepła i masy zachodzące w krzyżowym i regeneracyjnym wymienniku wyparnym mają istotne cechy wspólne.

W obu przypadkach ustalono fakt występowania dwóch stref aktywnej wymiany ciepła i masy w kanałach wilgotnych (rys. 2a–d, 2f, 2g): na początku kanału pomocniczego występuje intensywne obniżanie temperatury strumienia powietrza pomocniczego połączone z przyrostem zawartości wilgoci.

Następnie proces obniżania temperatury zostaje zahamowany, a w końcowej części kanału mokrego temperatura powietrza pomocniczego zaczyna wzrastać.

Jest to spowodowane faktem, że przez nieprzepuszczającą wody ściankę oddzielającą strumień pomocniczy i główny dostarczany jest do wody praktycznie niezmienny strumień ciepła, który w sytuacji zmniejszającego się gradientu zawartości wilgoci w kanale przewyższa efekt chłodzenia uzyskany na drodze odparowania.

Warto odnotować, że proces podgrzewania zaczyna się w stosunkowo wczesnym stadium przepływu pomocniczego (rys. 2f, 2g). Na rys. 2d, 2f i 2g widać, że strumień pomocniczy podgrzewa się na dłuższym odcinku kanału wypełnienia, niż się ochładza, co przeczy powszechnym wyobrażeniom dotyczącym chłodzenia wyparnego, gdzie proces w kanałach pomocniczych przedstawiany jest jako adiabatyczny.

Zjawisko podgrzewania powietrza pomocniczego występuje we wszystkich analizowanych w artykule przypadkach (rys. 2), co pozwala przypuszczać, że regularnie występuje w procesach wymiany ciepła i masy podczas chłodzenia wyparnego w krzyżowych i regeneracyjnych pośrednich rekuperatorach wyparnych.

Porównanie pracy wymiennika krzyżowego i regeneracyjnego

Należy nadmienić, że nie jest możliwe bezwzględne rozstrzygnięcie, który z wymienników jest skuteczniejszy, gdyż każdy z nich cechuje się wyższą efektywnością w odniesieniu do wybranych wskaźników. Do określenia optymalnego wymiennika dla potrzeb układów solarnych niezbędne jest opracowanie metody kompromisowej optymalizacji.

Stwierdzono, że najwyższą skutecznością temperaturową (najniższa uzyskana temperatura powietrza nawiewanego) i zarazem najmniejszą mocą chłodniczą charakteryzował się wymiennik regeneracyjny (rys. 2h, 2j).

Teoretycznie sytuacja ta stanowi paradoks, gdyż racjonalne podejście sugeruje, że najniższa uzyskana temperatura powietrza nawiewanego powinna generować maksymalną moc chłodniczą. Sytuacja ta spowodowana jest różną wartością strumieni przepływających przez poszczególne urządzenia. Przykładowo dla stosunku liczbowego przepływu pomocniczego i głównego równego 0,5, przyjmując, że strumień główny wynosi 1000 m³/h, strumień pomocniczy będzie wynosił 500 m³/h.

Sumaryczny przepływ przez wymiennik regeneracyjny (główny i pomocniczy) wyniesie zatem 1500 m³/h. W jednostce krzyżowej w układzie nawiewno-wywiewnym stosunek strumieni wynosi 1, zatem sumaryczny przepływ przez rekuperator (główny i pomocniczy) to 2000 m³/h.

Konstrukcja wymiennika regeneracyjnego uniemożliwia przyjęcie stosunku W_₂/W_₁ = 0, ponieważ w takim przypadku cały strumień główny zostałby zawrócony do kanału mokrego. W przypadku rekuperatora regeneracyjnego strumień dostarczany użytkownikom klimatyzowanych pomieszczeń maleje wraz ze wzrostem stosunku przepływu powietrza pomocniczego do głównego, co powoduje, że realna moc chłodnicza jednostki proporcjonalnie maleje (rys. 2h).

Dlatego, pomimo że wymiennik regeneracyjny uzyskuje najniższą temperaturę powietrza nawiewanego, jego moc chłodnicza jest znacznie mniejsza niż jednostki krzyżowej. W przypadku gdy stosunek strumieni W_₂/W_₁ w jednostce R staje się bardzo mały, skuteczność temperaturowa wymiennika spada (dla W_₂/W_₁ = 0,25 uzyskana temperatura nawiewu jest wyższa niż dla urządzenia C – rys. 2j).

Wymiennik o regeneracyjnym schemacie przepływu powietrza jest zatem najbardziej skuteczny w sytuacji zapotrzebowania na niską temperaturę powietrza nawiewanego, a najmniej skuteczny przy zwiększonym zapotrzebowaniu na dużą ilość świeżego powietrza.

Przewagą wymiennika krzyżowego jest dodatkowo korzystniejszy układ hydrauliczny: praca w układzie nawiewno-wywiewnym nie wymaga zastosowania oddzielnej instalacji odprowadzającej strumień pomocniczy z mokrych kanałów na zewnątrz. Samo urządzenie generuje ponadto mniejszą stratę ciśnienia.

Do zasadniczych wad rekuperatora C należy opisana w RI 3/2013 wrażliwość na charakterystykę zysków ciepła w pomieszczeniu: na rys. 2a–c widać, że dla tych samych parametrów wejściowych w przypadku zmiany współczynnika kierunkowego przemiany x z 20 000 na 5000 kJ/kg temperatura powietrza nawiewanego wzrosła o ok. 4°C.

Warto odnotować, że największą ilość ciepła oddawanego przez strumień główny na początkowym odcinku przepływu obserwuje się przy krzyżowym schemacie przepływu powietrza (rys. 2l). Powoduje to zwiększoną wydajność chłodniczą urządzenia w obszarze początkowym, jednak na odcinkach końcowych skuteczność procesów wymiany ciepła i masy znacznie spada.

Przeczytaj także: Zamarzanie central wentylacyjnych z odzyskiem ciepła >>

W przypadku wymienników regeneracyjnych największy przepływ ciepła jawnego występuje w końcowej części wymiennika (w odniesieniu do przepływu głównego), co pozwala przypuszczać, że zastosowanie urządzeń kombinowanych wykorzystujących mieszane schematy przepływu powietrza może zwiększyć efektywność chłodniczą systemów solarnych.

Wpływ rodzaju gleby, w której posadowiony jest gruntowy wymiennik ciepła, na efektywność chłodniczą systemów solarnych

Symulacje przeprowadzone w programie Awadukt Thermo wykazały, że rodzaj gleby, w której ułożony jest gruntowy wymiennik ciepła (GWC), wpływa na efektywność ochładzania przepływającego w nim powietrza. Największą skuteczność temperaturową osiągnięto dla GWC pracującego w piachu mokrym wg ISO 13370, a najmniejszą dla suchego piachu kwarcowego wg Darby 1978.

Na podstawie uzyskanych w programie danych stwierdzono, że wilgotna gleba umożliwia skuteczniejszą wymianę ciepła niż suchy grunt (bardzo niską temperaturę za GWC uzyskano także dla szlamu). Stosunkowo dobre wyniki otrzymano również dla gleb skalistych (piaskowiec).

Warto zwrócić uwagę, że stosunkowo duże różnice temperatur za gruntowym wymiennikiem ciepła posadowionym w różnych rodzajach gleby nie skutkowały relatywnie dużymi zmianami temperatur powietrza nawiewanego.

Przykładowo dla gleby G7 temperatura za wymiennikiem gruntowym wynosi 14,5°C, a temperatury powietrza nawiewanego, odpowiednio dla systemu z C i R, wynoszą 13,7 i 12,0°C. Dla najmniej korzystnego gruntu w odniesieniu do parametrów za GWC (G6) uzyskane temperatury powietrza nawiewanego wynoszą odpowiednio 16,4 i 16,2°C, dla t_G = 25,4°C.

Łatwo zauważyć, że temperatura za GWC jest aż o 10,9°C wyższa dla G6 niż dla G7, natomiast temperatury powietrza nawiewanego różnią się tylko o 2,5 i 4,2°C, odpowiednio dla systemów z krzyżowym i regeneracyjnym wymiennikiem wyparnym.

Przeczytaj także: Chłodzenie adiabatyczne w układach klimatyzacji komfortu >>

Widoczne jest, że gleba, w której posadowiony jest wymiennik gruntowy, nie wpływa w sposób szczególnie znaczący na efektywność systemu, niemniej musi zostać uwzględniona w procesie projektowania, szczególnie w przypadku systemów do precyzyjnej klimatyzacji. Istotne jest zatem posiadanie precyzyjnych informacji geologicznych dotyczących miejsca, w którym planowane jest wykorzystanie układu solarnego.

Wnioski

Stwierdzono, że krzyżowe i regeneracyjne pośrednie wymienniki wyparne mogą w zależności od przeznaczenia systemu wykazywać się naprzemiennie wyższą efektywnością:

• wymienniki wyparne o regeneracyjnym schemacie przepływu powietrza pozwalają na osiągnięcie bardzo niskich temperatur powietrza nawiewanego, jednak cechują się relatywnie niższą mocą chłodniczą w porównaniu do rekuperatorów krzyżowych,
• niezbędne jest opracowanie metody kompromisowej optymalizacji do pełnego porównania efektywności omawianych urządzeń.

Na podstawie przeprowadzonych badań numerycznych określono charakter przebiegu procesów wymiany ciepła i masy w wypełnieniach rekuperatorów:

• uzyskano wzdłużne profile temperatury i zawartości wilgoci w kanałach wypełnienia,
• przedstawiono charakterystyczne strefy wymiany ciepła i masy dla analizowanych wymienników ciepła,
• na podstawie zmian średnich strumieni ciepła jawnego w kanale głównym stwierdzono zasadność tworzenia jednostek o mieszanych schematach przepływu powietrza.

Przeczytaj także: Współpraca gruntowego wymiennika ciepła z solarnymi układami klimatyzacyjnymi >>

Stwierdzono, że rodzaj gleby, w której umiejscowiony jest wymiennik gruntowy, wpływa na jego efektywność i na całkowitą skuteczność chłodniczą systemu:

• rodzaj gleby wpływa znacząco na temperaturę powietrza uzyskiwaną za gruntowym wymiennikiem ciepła, dla identycznego urządzenia temperatury wyjściowe mogą się różnić nawet o 11°C,
• parametry gleby wpływają na efektywność systemu solarnego, jednak w sposób mniej znaczący niż na sam wymiennik gruntowy; do pełnej analizy niezbędne jest sprawdzenie zmian kosztów regeneracji rotora sorpcyjnego dla różnych rodzajów gruntu, w którym umieszczony jest GWC,
• wpływ gleby na efektywność systemu musi zostać uwzględniony w obliczeniach.

Podsumowanie

W trzech artykułach poświęconych możliwości współpracy solarnych układów klimatyzacyjnych z gruntowym wymiennikiem ciepła wykazano, że zastosowanie GWC może znacząco wpłynąć na poprawę efektywności chłodniczej układu.

Zaprezentowane systemy solarne umożliwiały osiąganie bardzo niskich temperatur powietrza nawiewanego oraz bardzo niskich zawartości wilgoci strumienia nawiewanego. Wstępne wyniki wykazały, że zastosowanie proponowanych rozwiązań do klimatyzacji precyzyjnej może być uzasadnione.

Przedstawione badania numeryczne prowadzone były w sposób uproszczony i stanowiły jedynie przyczynek do dalszych prac nad systemami solarnymi. Do dokładnej symulacji pracy systemu niezbędne jest stworzenie modelu matematycznego opisującego procesy zachodzące w osuszaczu sorpcyjnym, a także powiązanie go z modelami wymiennika gruntowego i rekuperatorów wyparnych.

Przeczytaj także: Efektywność solarnych układów klimatyzacyjnych wykorzystujących wymienniki gruntowe >>

Do sprawdzenia możliwości zastosowania omawianych układów dla polskiej strefy klimatycznej niezbędne jest także przeprowadzenie badań na stanowisku pomiarowym i stworzenie wytycznych dotyczących automatycznej regulacji systemu.

Obecnie na Politechnice Wrocławskiej prowadzone są badania nad systemami solarnymi SDEC, w przyszłości planowane jest m.in. stworzenie podstaw do projektowania tego typu urządzeń w polskich warunkach klimatycznych.

Wyniki symulacji numerycznych zaprezentowanych we wspomnianych artykułach wskazują, że solarne systemy klimatyzacyjne wykorzystujące pośrednie wymienniki wyparne oraz gruntowe wymienniki ciepła mogą znaleźć szerokie pole zastosowań, szczególnie w kontekście coraz bardziej rygorystycznych przepisów dotyczących ochrony środowiska naturalnego.

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.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!