Całoroczne zapotrzebowanie na energię do uzdatniania powietrza wentylującego obliczane na podstawie danych klimatycznych

W poprzednim artykule [8] zwrócono uwagę na występowanie istotnych różnic w chwilowych mocach chłodnicy obliczanych na podstawie danych klimatycznych z kilku źródeł.

Wysunięto przypuszczenie, że trudne do zaakceptowania różnice mogą wystąpić również w przypadku obliczeń całorocznego zapotrzebowania na energię do oziębiania powietrza, i podjęto próbę weryfikacji tej hipotezy.

W tym celu przeanalizowana została całoroczna praca urządzenia wentylacyjnego ze szczególnym uwzględnieniem działania chłodnicy w odniesieniu do parametrów tzw. krzywych klimatycznych [1, 3, 6] i szczegółowych danych klimatycznych uzyskanych na podstawie pomiarów wielo- letnich [10].

Całoroczne zapotrzebowanie na energię do ogrzania i oziębiania powietrza

Całoroczne zapotrzebowanie na energię do ogrzania EN i oziębiania ECH powietrza wentylującego można obliczyć z zależności:

gdzie:

Q_Ni – chwilowa moc nagrzewnicy obliczona dla i-tej temperatury powietrza zewnętrznego [kW],

Q_CHi – chwilowa moc chłodnicy obliczona dla i-tej temperatury powietrza zewnętrznego [kW],

τi – czas trwania i-tej temperatury powietrza zewnętrznego w roku kalendarzowym [h].

Zapotrzebowanie na energię E_N i E_CH określa się zatem na podstawie chwilowej mocy nagrzewnicy i chłodnicy. Moce te oblicza się z kolei w oparciu o parametry powietrza zewnętrznego uzyskane z uśrednionych danych klimatycznych, jakimi są tzw. krzywe klimatyczne wyznaczane dla poszczególnych obszarów Polski.

Obecnie można jednak skorzystać z bardziej szczegółowych, statystycznie opracowanych danych z okresów wieloletnich zamieszczonych na stronie internetowej Ministerstwa Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej [10].

W celu porównania wyników uzyskanych z dostępnych źródeł wykonano szereg obliczeń całorocznej pracy nagrzewnicy i chłodnicy w urządzeniu wentylacyjnym z całorocznym normowaniem temperatury powietrza w pomieszczeniu.

W przypadku obliczeń mocy chłodnicy na podstawie pełnych danych klimatycznych zapotrzebowanie na energię do ogrzewania EN i oziębiania ECH obliczono dla każdej godziny osobno (tzn. dla i-tego parametru powietrza zewnętrznego). I tak np. dla całodobowego czasu pracy urządzenia wentylacyjnego wymagało to wykonania 8760 obliczeń.

Założenia do analizy

Analizę całorocznej pracy urządzenia wentylacyjnego przeprowadzono przy następujących założeniach:

Analizę całorocznej pracy urządzenia wentylacyjnego przeprowadzono przy następujących założeniach:

• pomieszczenie zlokalizowane jest we Wrocławiu;
• zastosowano urządzenie wentylacyjne z chłodzeniem pracujące odpowiednio:
  • - 24 godziny w ciągu doby – 8760 h/rok,
  • - 16 godzin w ciągu doby (od 6.00 do 22.00) – 5840 h/rok,
  • - 10 godzin w ciągu doby (od 6.00 do 16.00) – 3650 h/rok;
• temperatura powietrza w pomieszczeniu w okresie zimnym wynosi tpoz = 20°C;
• temperatura powietrza w pomieszczeniu w okresie ciepłym tpoc zmienia się w funkcji temperatury zewnętrznej i dla tzoc > 20°C obliczana jest ze wzoru:
• strumień powietrza wentylującego wynosi V = 1,0 m3/s;
• różnica temperatur między powietrzem wywiewanym a nawiewanym zmienia się liniowo w funkcji temperatury powietrza zewnętrznego (założono, że tw = tp); rozpatrzono następujące przypadki (Δtoc dla tz = 30°C, Δtoz dla tz = –18°C):

• • - Δtoc = 6 K, Δtoz = 2 K,
  • - Δtoc = 6 K, Δtoz = –2 K,
  • - Δtoc = 8 K, Δtoz = 2 K,
  • - Δtoc = 8 K, Δtoz = –2 K;

• zastosowano odzysk ciepła w rekuperatorze o sprawności h = 60%;
• chłodnica zasilana jest czynnikiem chłodniczym o różnych parametrach; średnia temperatura ściany chłodnicy Θśc wynosi odpowiednio:
  • - Θśc = 8°C,
  • - Θśc = 10°C,
  • - Θśc = 12°C;
• występuje znikoma emisja pary wodnej w pomieszczeniu;
• wilgotność względna powietrza w pomieszczeniu nie jest normowana;
• parametry powietrza zewnętrznego uzyskano z:

1. 1. danych godzinowych wg [10],
   2. krzywej klimatycznej wg opracowania własnego na podstawie [10],
   3. krzywej klimatycznej wg [3],
   4. krzywej klimatycznej wg [1,6].

Wykresy t-t_z i h-t_z

Korzystając z uśrednionych danych klimatycznych (krzywych klimatycznych), wyniki obliczeń można zobrazować na wykresach t-t_z oraz h-t_z, które przedstawiają przebiegi charakterystycznych temperatur lub entalpii powietrza: zewnętrznego (t_z, h_z), w pomieszczeniu (t_p, h_p), nawiewanego (t_n, h_n) oraz za wymiennikiem do odzysku ciepła (t_zw, h_zw) w funkcji temperatury powietrza zewnętrznego (t_z).

Wykresy te umożliwiają określenie zakresu temperatur zewnętrznych, a tym samym pozwalają na określenie czasu, przez jaki pracują poszczególne elementy do uzdatniania powietrza, takie jak nagrzewnica, chłodnica oraz wymiennik do odzysku ciepła. Mogą być również pomocne przy formułowaniu ogólnych wytycznych dla automatycznej regulacji i sterowania systemu wentylacyjnego.

W odróżnieniu od wykresu t-tz wykres h-tz umożliwia ponadto odczyt chwilowych spadków entalpii powietrza w chłodnicy, wartości niezbędnych do prawidłowego obliczenia jej mocy przy i-tej temperaturze zewnętrznej, co pozwala określić zapotrzebowanie na energię do oziębiania powietrza.

Przykładowe wykresy t-tz i h-tz dla urządzenia wentylacyjnego pracującego 24 godziny na dobę i przy założonych różnicach temperatur Δtoc = 8 K i Δtoz = 2 K przedstawiono na rys. 1 i 2. Wykresy te sporządzono na podstawie parametrów powietrza uzyskanych z krzywej klimatycznej wg własnego opracowania.

Do prawidłowego określenia całorocznego zapotrzebowania na energię do ogrzania EN i oziębiania E_CH powietrza wentylującego niezbędna jest znajomość czasu trwania poszczególnych temperatur powietrza zewnętrznego w ciągu roku.

Na podstawie szczegółowych danych klimatycznych [10] sporządzono wykres (rys. 3) średniego czasu występowania tych temperatur dla miasta Wrocławia przy różnym okresie pracy urządzenia wentylacyjnego (24, 16 i 10 godzin w ciągu doby).

Wyniki analizy

Wybrane wyniki przeprowadzonych analiz przedstawiono w formie tabelarycznej (tab. 1–8). Zawarto w nich m.in. wartości mocy chłodnic, zapotrzebowania na energię do oziębiania powietrza, a także czas pracy urządzeń do uzdatniania powietrza dla kilku typowych przypadków.

Obliczeniowa a maksymalna moc chłodnicy QCH

W tabeli 1 przedstawiono maksymalne moce chłodnic QCH obliczone na podstawie danych klimatycznych z różnych opracowań. Druga część tabeli przedstawia procentowy niedobór mocy chłodnic określony na podstawie krzywych klimatycznych w stosunku do największej występującej chwilowo.

W najniekorzystniejszych warunkach obliczeniowa moc chłodnic jest od kilkunastu do niespełna trzydziestu procent mniejsza od niezbędnej do zapewnienia w tych warunkach żądanej temperatury wewnętrznej. Praca urządzenia wentylacyjnego z tak dobranymi chłodnicami może spowodować w tym przypadku chwilowy wzrost temperatur powietrza w pomieszczeniu maksymalnie o ok. 2 K.

Całoroczne zapotrzebowanie   na energię do oziębiania powietrza ECH

W tabeli 2 przedstawiono wartości całorocznego zapotrzebowania na energię do oziębiania powietrza ECH uzyskane na podstawie danych klimatycznych z różnych opracowań. Druga część tabeli przedstawia różnice względne zapotrzebowania na energię ECH obliczone na podstawie krzywych klimatycznych w stosunku do wartości uzyskanych ze szczegółowych danych statystycznych.

Można zauważyć, że w przypadku wykonania obliczeń na podstawie uśrednionych danych klimatycznych (zarówno wg krzywych z opracowania własnego, jak i na podstawie [3]) występuje kilkunastoprocentowy niedobór energii ziębniczej w stosunku do wartości, które można uznać za najbardziej wiarygodne.

Wartości ECH uzyskane na podstawie danych z krzywej wg starszego opracowania [1,6] są nawet większe od tych, które uzyskano na podstawie wartości chwilowych. Jest to spowodowane przede wszystkim kształtem samej krzywej, której przebieg w okresie ciepłym charakteryzuje się większymi wartościami zawartości wilgoci i dłuższym czasem pracy samej chłodnicy.

Wpływ temperatury ściany chłodnicy Θśc na maksymalną i obliczeniową moc chłodnicy QCH

Średnia temperatura ściany chłodnicy uzależniona jest od rodzaju i parametrów czynnika (ziębiwa) zasilającego chłodnicę. Zazwyczaj przyjmuje się, że temperatura ta jest o ok. 1–2 K wyższa od średniej temperatury czynnika na zasilaniu i powrocie.

W tabeli 3 przedstawiono przykładowe wartości maksymalnych (obliczonych na podstawie danych szczegółowych) i obliczeniowych (określonych na podstawie danych z krzywych klimatycznych) mocy chłodnicy QCH przy najczęściej występujących temperaturach jej ściany Θśc.

Wraz ze wzrostem temperatury Θśc moc chłodnicy QCH spada, a rosną różnice między wartościami obliczonymi ze szczegółowych danych statystycznych i z krzywych klimatycznych.

Wpływ temperatury ściany chłodnicy Θ_śc na zapotrzebowanie na energię do oziębiania powietrza E_CH

W pomieszczeniach, w których nie jest normowana wilgotność względna powietrza, parametry powietrza mogą przez pewien czas przekraczać wartości z zakresu komfortu. W okresie letnim wilgotność względna powietrza w pomieszczeniu może zatem chwilowo wzrosnąć powyżej wartości maksymalnej Φ_pmax = 60%.

Jak duży może być to wzrost przy stałym strumieniu powietrza wentylującego, zależy w głównej mierze od parametrów powietrza zewnętrznego, emisji pary wodnej w pomieszczeniu oraz temperatury ściany chłodnicy Θ_śc.

W urządzeniach wentylacyjnych obsługujących takie pomieszczenia chłodnica jest przy danej temperaturze zewnętrznej tz odpowiedzialna za utrzymanie odpowiedniej temperatury powietrza nawiewanego tn. W związku z tym zarówno na moc chłodnicy, jak i na sezonowe zapotrzebowanie energii do oziębiania powietrza wpływ ma wartość temperatury ściany Θ_śc.

W tabeli 4 przedstawiono zależność całorocznego zapotrzebowania na energię do oziębiania powietrza E_CH uzyskanego na podstawie danych klimatycznych z różnych opracowań od temperatury ściany chłodnicy Θ_śc.

Z wyników obliczeń widać, że zapotrzebowanie na energię E_CH maleje wraz ze wzrostem temperatury ściany chłodnicy Θ_śc. Spowodowane jest to niższymi mocami chłodnicy z uwagi na mniejszy strumień masy skondensowanej pary wodnej, a także znacznie częściej występującą pracą chłodnicy w trybie „sucha” – bez kondensacji pary wodnej na jej ścianie (por. tab. 5).

Interesujące jest również spostrzeżenie, że różnice w wynikach zapotrzebowania na energię do oziębiania powietrza ECH uzyskanych ze szczegółowych danych klimatycznych oraz z krzywych klimatycznych pogłębiają się wraz ze wzrostem średniej temperatury ściany chłodnicy.

Trzeba jednak zaznaczyć, że przy wyższej temperaturze ściany chłodnicy proces kondensacyjnego osuszania powietrza jest mniej efektywny, przez co parametry powietrza w pomieszczeniu charakteryzują się większą wilgotnością względną.

Czas pracy urządzeń do uzdatniania powietrza

Łączny czas pracy w ciągu roku nagrzewnicy i chłodnicy w urządzeniu wentylacyjnym obsługującym dane pomieszczenie zależy w znacznej mierze od bilansu ciepła.

Dla urządzeń wentylacyjnych o stałym strumieniu objętościowym powietrza czas ten można określić z przebiegu zmian temperatury powietrza nawiewanego, a co za tym idzie z wartości

Δt = t_w – t_n.

W tabeli 5 podano, w zależności od założonych wartości Δ_toc/Δ_toz, obliczone na podstawie szczegółowych danych klimatycznych oraz czasu trwania poszczególnych temperatur powietrza zewnętrznego w ciągu roku:

• czas pracy nagrzewnicy,
• czas pracy chłodnicy,
• czas pracy bez konieczności używania nagrzewnicy i chłodnicy (wentylacja odbywa się wówczas jedynie przy wykorzystaniu odzysku energii z powietrza wywiewanego ze zmienną sprawnością),
• oraz dla porównania czas pracy chłodnicy „mokrej” (z kondensacją pary wodnej na ścianie wymiennika) dla dwóch różnych wartości Θ_śc.

Na podstawie tych wyników można stwierdzić, że czas pracy poszczególnych elementów do uzdatniania powietrza wyraźnie zależy od założonych wartości Δ_toc/Δ_toz. Czas pracy chłodnicy, na ścianie której wystąpi kondensacja pary wodnej („mokrej”), jest znacząco krótszy przy większej wartości średniej temperatury ściany wymiennika.

Przedstawione do tej pory wyniki analiz zostały opracowane przy założeniu, że różnice temperatur Δt = t_w – t_n zmieniają się liniowo w funkcji temperatury powietrza zewnętrznego tz.

Nie zawsze jednak maksymalna różnica temperatur powietrza wywiewanego i nawiewanego, będąca podstawą do obliczania strumienia powietrza wentylującego, występuje przy najwyższej obliczeniowej temperaturze powietrza zewnętrznego (dla Wrocławia temperatura ta wynosi t_zoc=30°C). Przyrost temperatury powietrza w pomieszczeniu Δt osiąga największą wartość, gdy występują maksymalne zbędne zyski ciepła jawnego.

Sytuacja taka ma często miejsce przy niższej temperaturze zewnętrznej. Wówczas zmiana parametru Δt nie przebiega liniowo w stosunku do zmiany temperatur powietrza zewnętrznego.

W takim przypadku czas działania chłodnicy w całym roku jest z reguły również dłuższy, gdyż w okresie ciepłym temperatury zewnętrzne o wartości mniejszej od t_zoc = 30°C występują częściej (por. rys. 3). Poniżej przedstawiono kilka przykładowych wyników analizy dla takich założeń przy różnym czasie pracy urządzenia wentylacyjnego w ciągu doby.

Obliczeniowa i maksymalna moc chłodnicy Q_CH dla różnego czasu pracy urządzenia wentylacyjnego w ciągu doby

Obliczeniowa moc chłodnicy praktycznie nie zależy od czasu pracy urządzenia wentylacyjnego w ciągu doby (w niektórych przypadkach niewielkie różnice w mocy można zaobserwować dla wyższych temperatur zewnętrznych przy jej określaniu z krzywej klimatycznej wg własnego opracowania, gdyż każdą taką krzywą opracowano dla konkretnego czasu pracy urządzenia i w okresie ciepłym ich kształty się różnią).

Czas pracy urządzenia ma jednak nieznaczny wpływ na maksymalną moc chłodnicy obliczanej na podstawie danych chwilowych (tabela 6). Jest to spowodowane tym, że najbardziej niekorzystne chwilowe warunki zewnętrzne nie występują w czasie krótszej pracy urządzenia wentylacyjnego.

Czas pracy chłodnicy z mocą niezapewniającą utrzymania założonej temperatury powietrza w pomieszczeniu

W tabeli 8 podano czasy pracy w ciągu roku chłodnicy, której moc jest niewystarczająca do utrzymania w pomieszczeniu wynikających z chwilowych warunków wymaganych parametrów powietrza.

Przy założeniu, że różnice temperatur między powietrzem wywiewanym a nawiewanym wynoszą odpowiednio: Δt³⁰_oc = 4 K, Δt²⁰_oc = 6 K, Δt_oz = 2 K, czas pracy chłodnicy z mocą mniejszą od wymaganej stanowi kilkanaście procent czasu całkowitego we wszystkich analizowanych okresach pracy urządzenia w ciągu doby. Należy przypuszczać, że przy innych założeniach wartość ta może osiągnąć, a nawet przekroczyć 20%.

Okres kilkuset godzin w ciągu roku, w którym istnieje problem z zapewnieniem w pomieszczeniu odpowiedniego mikroklimatu pomimo standardowo wykonanej procedury doboru mocy chłodnicy, powinien niewątpliwie zastanawiać.

Trzeba przy tym pamiętać, że sytuacja taka może się zdarzyć nie tylko przez jedną lub dwie godziny w ciągu doby, ale w szczególnie niekorzystnych przypadkach nawet przez wiele kolejnych dni.

W związku z tym nawet w pomieszczeniach o stosunkowo ciężkiej konstrukcji, a tym samym charakteryzujących się większym współczynnikiem akumulacji ciepła, problem z okresowym niedotrzymaniem założonych parametrów powietrza wewnętrznego może się stać realny.

Podsumowanie

Na podstawie przeprowadzonych analiz można sformułować następujące wnioski.

1. Analizę pracy chłodnicy należy przeprowadzać dla każdego przypadku osobno, gdyż poszczególne obiekty wentylowane lub klimatyzowane różnią się znacząco, przede wszystkim zmiennością w czasie bilansów ciepła, wilgoci i/lub zanieczyszczeń oraz założonymi parametrami powietrza w pomieszczeniu. Na wyniki analiz wpływ mają ponadto przyjęte do obliczeń wartości parametrów powietrza zewnętrznego, a także czas pracy urządzenia w ciągu doby, zmieniająca się w całym roku temperatura powietrza nawiewanego oraz średnia temperatura ściany chłodnicy.
2. Należy potwierdzić potrzebę korzystania z możliwie aktualnych i szczegółowych danych klimatycznych [2, 4, 5, 8] przy projektowaniu każdego większego systemu wentylacyjnego i klimatyzacyjnego.
3. Analiza pracy chłodnicy na podstawie szczegółowych danych klimatycznych, niezależnie od ich źródła, jeżeli tylko są one miarodajne, daje znacznie większe możliwości oceny systemu wentylacyjnego lub klimatyzacyjnego niż analiza przeprowadzona na podstawie uśrednionych danych z krzywych klimatycznych.
4. Obliczenie mocy chłodnicy na podstawie uśrednionych danych uzyskanych z krzywych klimatycznych może okazać się niewystarczające, szczególnie dla pomieszczeń, w których wymagany jest wysoki reżim utrzymania temperatury powietrza na zadanym poziomie (np. w niektórych pomieszczeniach produkcyjnych). Może się bowiem okazać, że przez stosunkowo długi czas temperatura powietrza będzie nieakceptowalna (np. z uwagi na prowadzony proces technologiczny).
5. Określenie całorocznego zapotrzebowania na energię do oziębiania powietrza, a tym samym jej kosztów, na podstawie przebiegu krzywej klimatycznej może w niektórych przypadkach prowadzić do stosunkowo dużych, bo sięgających kilkunastu procent błędów.
6. Należy obecnie zalecić wykonywanie obliczeń mocy chłodnicy oraz całorocznego zapotrzebowania na energię do oziębiania powietrza w oparciu o jak najbardziej szczegółowe dane klimatyczne, stosując do tego celu odpowiednie narzędzia informatyczne. W tym celu wykorzystane mogą być nie tylko zaawansowane programy symulacyjne, także służące do obróbki statystycznej, ale nawet proste w obsłudze i powszechnie dostępne arkusze kalkulacyjne.
7. W trakcie działania urządzenia wentylacyjnego lub klimatyzacyjnego w warunkach rzeczywistych trzeba się liczyć z większymi chwilowymi wartościami mocy i całkowitego czasu pracy chłodnicy oraz zapotrzebowania na energię do oziębiania powietrza w porównaniu z wartościami uzyskanymi z obliczeń na podstawie dostępnych danych klimatycznych. Trzeba bowiem pamiętać, że nawet najbardziej szczegółowe dane statystyczne z pomiarów wieloletnich stanowią pewne uśrednienie parametrów powietrza. Z tego też powodu nie zawierają parametrów o wartościach ekstremalnych, zarówno w okresie zimnym, jak i ciepłym. Tym samym nie uwzględniają występujących w rzeczywistych latach kalendarzowych warunków, które z punktu widzenia prawidłowego działania chłodnicy są niezmiernie istotne.

Literatura

1. Besler G., Krzywe klimatyczne dla obszaru Polski, „COW” nr 12/1972.
2. Kostka M., Zając A., Obliczeniowe i rzeczywiste temperatury powietrza zewnętrznego a efektywność działania ogrzewania i wentylacji, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2013.
3. Pełech A., Wentylacja i klimatyzacja – podstawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2011.
4. Pełech A., Klimat w Polsce. Parametry powietrza zewnętrznego w projektowaniu urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, „Instal” nr 1/2013.
5. Pełech A., Oszczędność energii w wentylacji i klimatyzacji. Rozważania nad wyborem obliczeniowych parametrów powietrza zewnętrznego, „Instal” nr 2/2013.
6. Przydróżny S., Ferencowicz J., Klimatyzacja, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1988.
7. Zając A., Kostka M., Cepiński W., Całoroczna analiza pracy urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, w: Anisimov S. red., „Nowoczesne rozwiązania w inżynierii i ochronie środowiska”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2011.
8. Kwiecień D., Moce nagrzewnicy i chłodnicy powietrza wyznaczane w oparciu o dane klimatyczne, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2013.
9. PN-76/B-03420 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego.
10. Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków, http://bip.transport.gov.pl/pl/bip/rejestry_i_ewidencje/swiadectwa_energetyczne.