Analiza uzdatniania powietrza wentylacyjnego przy pomocy techniki „desiccant cooling”

Na rys. 1a przedstawiono obrotowy wymiennik ciepła ze złożem higroskopijnym. Parametry powietrza po przejściu przez wymiennik można opisać wzorami na „sprawność” odzysku ciepła – odpowiednio temperaturową oraz wilgotnościową.

Wymiennik obraca się z prędkością ok. 20 obr/min, co pozwala ochłodzić powietrze zewnętrzne do ok. 24°C i osuszyć o 6 g/kg (przy parametrach powietrza zewnętrznego i wywiewanego jak na rysunku).

Natomiast na rys. 1b pokazano „serce” systemu DEC, czyli rotor sorpcyjny. Wymiennik ten obraca się już dużo wolniej ze względu na dominującą w tym przypadku wymianę wilgoci, dzięki czemu można osuszyć powietrze zewnętrzne o ok. 10 g/kg (przy podobnych jak poprzednio parametrach powietrza). Jest to już w większości wypadków wystarczające do zachowania wymaganej wilgotności powietrza wewnętrznego.

Na rys. 2 przedstawiono kompletną centralę wentylacyjną realizującą wymagane procesy uzdatniania powietrza dla okresu letniego. Powietrze zewnętrzne (pkt 1) jest osuszane w wymienniku obrotowym ze złożem typu desiccant. Niestety, ponieważ złoże jest regenerowane gorącym powietrzem, oprócz osuszenia następuje również jego podgrzanie.

W ten sposób osiągane są parametry pkt 2, czyli otrzymuje się powietrze bardzo suche, ale gorące. Nadmiar ciepła odprowadzany jest w kolejnym wymienniku obrotowym (pkt 3) dzięki zimnemu powietrzu usuwanemu (dodatkowo ochłodzonemu adiabatycznie). Następnie powietrze jest ochładzane i nawilżane adiabatycznie do pkt 4.

W Polsce można uzyskać minimalną temperaturę powietrza nawiewanego na poziomie ok. 18°C [2]. Przy sprzyjających warunkach procesy uzdatniania powietrza mogą się odbywać bez wykorzystania chłodnicy powietrza.

Opis modelu obliczeniowego

Rotor sorpcyjny można opisać podobnie jak obrotowy wymiennik ciepła ze złożem higroskopijnym. Podstawową różnicą jest mniejsza prędkość obrotowa pozwalająca na dłuższy kontakt z powietrzem nawiewanym bądź wywiewanym. Złożem higroskopijnym w rotorze sorpcyjnym może być:

• silikażel (silica gel),
• związki litu (np. chlorek litu),
• sito molekularne,
• chlorek litu z celulozą.

Na rys. 3 przedstawiono charakterystykę pochłaniania wilgoci przez silikażel. Na osi poziomej pokazano wilgotność względną powietrza, w którym znajduje się złoże, a na osi pionowej stosunek masowy zawartości wilgoci pochłoniętej wody (pary wodnej) z powietrza do masy złoża. Na przykładzie silikażelu widać, że im większa wartość wilgotności względnej powietrza, tym większa ilość pochłoniętej wilgoci.

Charakterystykę złoża higroskopijnego można wyrazić funkcją:

gdzie: j to wilgotność względna powietrza przepływającego przez złoże. Wyraża ona stosunek masowy wilgoci w złożu do złoża w zależności od wilgotności względnej otaczającego powietrza. Analizując, co się dzieje w złożu, możemy określić, ile wilgoci zostaje odebrane po stronie nawiewnej, a ile oddane po stronie wywiewnej.

Dla silikażelu charakterystykę pochłaniania wilgoci można wyrazić wzorem empirycznym:

Znając masę złoża higroskopijnego w rotorze sorpcyjnym, można dokładnie określić ilość wilgoci w złożu sorpcyjnym. Zgodnie z powyższą interpretacją wykresu można określić masę wilgoci w złożu, a następnie ilość wymienianej wilgoci następującym równaniem:

gdzie:

MRC – wydajność osuszania [kg/s],

m_z – masa złoża higroskopijnego [kg],

j₁ – wilgotność względna powietrza wpływającego do rotora po stronie nawiewnej,

j₂ – wilgotność względna powietrza wpływającego do rotora po stronie wywiewnej,

n – prędkość obrotowa rotora [1/s],

h – współczynnik uwzględniający nieidealność procesu osuszania.

Drugą stronę równania MRC stanowi zdolność do usuwania wilgoci będąca masą pary wodnej pochłanianą z powietrza nawiewanego w jednostce czasu:

gdzie:

x_in – zawartość wilgoci w powietrzu wpływającym do rotora sorpcyjnego [kg H20/kg],

x_out – zawartość wilgoci w powietrzu wypływającym z rotora sorpcyjnego [kg H20/kg],

m – strumień masowy powietrza [kg/s].

Łącząc obydwa powyższe równania, możemy wyprowadzić zależność na zawartość wilgoci w powietrzu wychodzącym z rotora x_out:

Analiza pracy systemu w warunkach normowych

Po wyprowadzeniu powyższego równania dokonano analizy pracy systemu w warunkach obliczeniowych (PN-76/B-03420) dla Warszawy. Przyjęte parametry powietrza dla punktów charakterystycznych zebrano w tabeli 1.

Na rys. 4 przedstawiono proces obróbki powietrza w układzie DEC i w tradycyjnym systemie klimatyzacji dla normowych warunków powietrza zewnętrznego.

W tabeli 2 zestawiono zapotrzebowanie na energię cieplną, chłodniczą oraz wodę dla rozpatrywanych sposobów uzdatniania powietrza.

Obliczenia energetyczne

W celu porównania systemu DEC z systemem tradycyjnym wykonano obliczenia zużycia energii na potrzeby uzdatniania powietrza. Do obliczeń przyjęto parametry powietrza zewnętrznego dla roku meteorologicznego dla Warszawy (podane na stronie Ministerstwa Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej). Przyjęto dodatkowe założenia upraszczające:

stały strumień powietrza:

stała temperatura powietrza nawiewanego do pomieszczenia:

stała zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym:

Analizując powyższe założenia, do dalszych obliczeń przyjęto godziny typowego roku meteorologicznego dla Warszawy, w których parametry powietrza spełniają przynajmniej jeden z poniższych warunków:

• temperatura termometru suchego t ³ 18°C,
• zawartość wilgoci w powietrzu x ³ 8 g/kg.

Na wykresie psychrometrycznym (rys. 5) przedstawiono zbiór punktów, które brano pod uwagę w obliczeniach energetycznych. Podzielono go na obszary – każdy z nich to określony przedział temperaturowy oraz zawartości wilgoci, dla każdego obszaru wyliczono średnie warunki oraz liczbę godzin (punktów). Przedziały temperaturowe i zawartości wilgoci przedstawiono w tabeli 3 dla każdego punktu charakterystycznego.

Następnie dla każdego punktu charakterystycznego dobrano procesy uzdatniania powietrza i policzono zapotrzebowanie na energię. Na rys. 6 przedstawiono przykład obliczeń dla punktu charakterystycznego nr 3.

Przy określaniu kosztu różnych nośników energii (ciepła, chłodu, wody) przyjęto następujące założenia:

• sprawność kotła gazowego: 90%,
• średniosezonowy współczynnik COP: 3,8,
• straty wody: 5%.

Zgodnie z obecnymi taryfami oraz przyjętymi powyżej założeniami koszty nośników energii i mediów wynoszą:

• energii cieplnej: 0,21 zł/kWh,
• energii chłodniczej: 0,10 zł/kWh,
• wody: 0,004 zł/kg.

Wyniki obliczeń energetycznych i kosztów ciepła, chłodu i wody przedstawiono w tabeli 4.

Podsumowanie i wnioski

Dane z tabeli 4 przedstawiono na wykresach kolumnowych z uwzględnieniem rodzaju systemu (rys. 7 i 8).

Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że przy zakładanym strumieniu powietrza wynoszącym 10 000 m³/h oraz stałych zyskach ciepła i wilgoci koszty ciepła i chłodu dla systemu desiccant cooling są o 12 000 zł/rok wyższe. Analizując składowe tej kwoty, można znaleźć obszary, w których różnicę tę można zniwelować.

Znaczącym kosztem w systemie DEC jest energia cieplna. Należy zwrócić uwagę, że system ten stosowany jest w okresie letnim, który daje możliwość wykorzystania ciepła odpadowego lub np. kolektorów słonecznych. W przypadku dostępnego darmowego źródła energii cieplnej w okresie letnim koszty eksploatacji systemu desiccant cooling mogłyby być już o ponad 20 000 zł/rok niższe niż systemu tradycyjnego.

Przy każdym punkcie charakterystycznym wymagana jest minimum czterokrotnie mniejsza moc chłodnicy. Wynika to z faktu, że powietrze zewnętrzne osuszane było przy wykorzystaniu układu desiccant cooling, a następnie chłodzone adiabatycznie po stronie powietrza wywiewanego. Mniejsza moc to również oszczędność przy zakupie chłodnicy. Jednak całkowite koszty inwestycyjne dla systemu DEC są znacząco wyższe niż dla systemu tradycyjnego.

Powyższe wyniki przedstawiają jedynie cząstkowe koszty eksploatacyjne, tj. zużycie mediów. Nie uwzględniają natomiast pozostałych składników, jak np. koszty serwisowania czy pompowania. Założeniem autorów było przedstawienie najważniejszego problemu, jakim jest poziom zużycia energii oraz opłaty za media w systemie DEC.

Literatura

1. Use of Silica Gel Desiccant in Enthalpy Wheels, Air Xchange Inc. 2005, www.airxchange.com.
2. Besler M., Kowalski P., Kwiecień D., Schwitalla A., Warianty solarnych systemów klimatyzacyjnych SDEC, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” nr 6/2008.
3. Harriman L., Applications engineering manual for desiccant systems, Mason-Grant Company, 1996.
4. PN-76/B-03420 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego.