Metody obniżania strat energetycznych i kosztów wentylacji mechanicznej i klimatyzacji (cz. 2)

Istotną rolę w działaniach energooszczędnościowych odgrywa także wyeliminowanie wzajemnego, niekorzystnego oddziaływania instalacji klimatyzacji i wentylacji oraz instalacji c.o. Obniżanie kosztów zużycia energii cieplnej może być także realizowane poprzez jej odzyskiwanie w recyrkulacji lub wymiennikach rekuperacyjnych bądź regeneracyjnych. Znaczenia nabierają również gruntowe wymienniki ciepła oraz pompy ciepła. Istotna jest też jakość stolarki, izolacyjność przegród i stan instalacji technicznych.

Stosowanie kontroli obecności osób w pomieszczeniach

Instalacja klimatyzacji i wentylacji może być załączana i sterowana sygnałem pochodzącym z czujnika obecności osób, nazywanego też czujnikiem ruchu.

Czujniki ruchu znajdują zastosowanie w pomieszczeniach, w których działanie wentylacji wymagane jest podczas przebywania w nich ludzi, a samo pomieszczenie jest okresowo użytkowane. Dzięki zastosowaniu czujników ruchu unika się zbędnego działania instalacji klimatyzacji i wentylacji, podczas gdy pomieszczenia są niewykorzystywane.

W przypadku zastosowania automatyki z regulacją wydajności instalacji sygnalizacja obecności osób w pomieszczeniu może być impulsem do załączenia instalacji na pełną wydajność. Czujniki obecności są stosowane m.in. w układach klimatyzacji – wentylacji sal operacyjnych i wówczas brak sygnału obecności umożliwia pracę instalacji z obniżoną wydajnością.

W instalacjach klimatyzacji i wentylacji sal operacyjnych, w których zastosowanie znajdują czujniki ruchu, funkcja obniżonej wydajności jest wyłączana podczas trwania zabiegów i załączana ze znacznym opóźnieniem po ich wykonaniu [2].

Utrzymywanie zadanych parametrów

Monitoring parametrów klimatycznych wewnątrz pomieszczenia i utrzymywanie parametrów zadanych umożliwiają utrzymanie zużycia energii na racjonalnym poziomie. Utrzymywanie parametrów zadanych przez automatycznie sterowany system instalacji i klimatyzacji zapobiega przegrzewaniu pomieszczeń, nadmiernemu ich ochłodzeniu, zbyt intensywnej wentylacji itp.

Współczesne systemy klimatyzacji i wentylacji wyposażone w układy automatycznej regulacji i sterowania umożliwiają w większości przypadków utrzymywanie parametrów zadanych przez użytkownika z wymaganą przez niego dokładnością.

W zależności od przeznaczenia pomieszczenia i związanych z tym potrzeb instalację klimatyzacji i wentylacji wyposaża się w odpowiednie elementy umożliwiające osiąganie wymaganej jakości powietrza wewnętrznego.

Działanie instalacji klimatyzacji i wentylacji może być uzależnione m.in. od utrzymywania:

• wymaganej krotności wymian,
• zadanej temperatury powietrza w pomieszczeniu,
• zadanej wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu,
• zadanego nadciśnienia względem otoczenia pomieszczenia,
• zadanego podciśnienia względem otoczenia pomieszczenia,
• niskiego stężenia zanieczyszczeń w powietrzu pomieszczeń, np. CO₂.

Istotnym elementem obniżenia kosztów jest utrzymywanie w pomieszczeniu temperatury zapewniającej komfort cieplny użytkownikom.

Zużycie energii cieplnej w układach klimatyzacji i wentylacji jest ściśle powiązane z ogrzewaniem powietrza dostarczanego do pomieszczeń. Centrale o dużym wydatku zużywają znacznie większe ilości ciepła technologicznego, a zapewnienie odpowiedniej temperatury w pomieszczeniach to jeden z najważniejszych elementów poczucia komfortu [1].

Niepotrzebne przegrzewanie pomieszczeń powoduje znaczny wzrost kosztów energii. Stosowanie nocnych obniżeń temperatury jak również obniżanie temperatury w okresach niekorzystania z pomieszczeń pozwalają znacząco obniżyć koszty ich ogrzewania.

Strumień ciepła, jaki należy wprowadzić do procesu, można określić na podstawie iloczynu masy strumienia powietrza i różnicy entalpii:

(1)

lub

(2)

Temperatura wody zasilającej nagrzewnice wodne w instalacjach klimatyzacji i wentylacji jest istotnym parametrem wpływającym na zużycie energii cieplnej.

Często powtarzającym się błędem jest projektowanie instalacji zasilających nagrzewnice wodne, tzw. instalacji ciepła technologicznego, jako instalacji o stałych parametrach, co w praktyce oznacza stałą temperaturę zasilania, np. 95ºC, która umożliwia uzyskanie mocy nagrzewnic wystarczającej do pracy instalacji w ekstremalnych warunkach klimatycznych.

Utrzymywanie wysokiej temperatury w instalacji zasilającej w okresach, kiedy istnieje małe lub wręcz minimalne zapotrzebowanie na moc, powoduje niepotrzebne straty energii cieplnej i znaczne problemy w regulacji mocy nagrzewnic [3].

W naszych warunkach klimatycznych kilkumiesięczne okresy małego zapotrzebowania na moc cieplną w ciągu roku pozwalają na pracę instalacji przy zasilaniu wodą o temperaturze 40–50°C.

Z chłodzeniem powietrza dostarczanego do pomieszczeń ściśle powiązane jest zużycie energii elektrycznej. Podobnie jak w procesie ogrzewania powietrza, podczas ochładzania powietrza w centralach o dużym wydatku zużywa się znacznie większe ilości energii.

W naszych warunkach klimatycznych chłodzenie powietrza odbywa się na ogół w okresie maj–wrzesień.

Intensywność chłodzenia powietrza wentylacyjnego zależy od temperatury powietrza zewnętrznego oraz od zysków ciepła w pomieszczeniu.Strumień ciepła oddany przez powietrze wilgotne płynące w ilości kg powietrza suchego można wyznaczyć z następującej zależności:

 (3)

lub

 (4)

W złożonych systemach klimatyzacji i wentylacji bardzo często zastosowanie znajdują agregaty wody lodowej. Niestety, podobnie jak w układach ciepła technologicznego zaprojektowanych do pracy ze stałą temperaturą zasilania, również w tych przypadkach podczas eksploatacji występują straty. Instalacje wody lodowej projektowane są często dla stałej temperatury wody 6/12°C.

Niejednokrotnie schładzanie wody do tak niskiej temperatury nie jest konieczne, zatem lepszym rozwiązaniem jest dostosowanie temperatury wody lodowej do aktualnego zapotrzebowania systemu klimatyzacji i wentylacji.

Straty te powstają na skutek [3]:

• zbyt niskiej temperatury wody zasilającej chłodnice w okresach małego zapotrzebowania na moc chłodniczą, powodującej zwiększoną wymianę ciepła między instalacją zasilającą a otoczeniem,
• konieczności codziennego wychładzania do zbyt niskiej temperatury zładu i metalowych elementów instalacji o dużej pojemności cieplnej.

Zastosowanie odzysku ciepła z powietrza wentylacyjnego

Istnieją zasadniczo dwie możliwości zmniejszenia kosztów zapotrzebowania na ciepło niezbędne podczas wymiany powietrza, a mianowicie [4]:

• zmniejszenie strumienia świeżego powietrza wentylacyjnego (zmniejszenie przepływu, recyrkulacja),
• odzyskiwanie
•  energii z powietrza usuwanego za pomocą wymienników ciepła.

Zastosowanie recyrkulacji

Recyrkulacja jest najprostszą metodą odzysku ciepła w instalacjach wentylacji i klimatyzacji. Dzięki tej metodzie możliwe jest ograniczanie zużycia energii na obróbkę cieplno-wilgotnościową powietrza.

Niestety, jeśli recyrkulacja zwiększałaby w pomieszczeniu stężenie gazów i substancji toksycznych, trujących, chorobotwórczych, palnych oraz wybuchowych, jej stosowanie jest zabronione. Niewskazane jest również stosowanie recyrkulacji w przypadkach gdy w pomieszczeniach emitowane są nieprzyjemne zapachy.

Recyrkulacja znajduje natomiast zastosowanie wszędzie tam, gdzie powietrze usuwane z pomieszczenia jest mniej zanieczyszczone od powietrza zewnętrznego.

W zależności od aktualnej potrzeby proporcja powietrza świeżego i recyrkulacyjnego może być stała lub ulegać zmianom w czasie. W wyniku zmieszania strumieni powietrza powstaje mieszanina o wypadkowych parametrach cieplno-wilgotnościowych. Masa mieszaniny powietrza suchego wynosi:

(5)

Parametry powstałej mieszaniny można wyznaczyć analitycznie na podstawie bilansu wilgoci:

  (6)

(7)

oraz na podstawie bilansu cieplnego:

(8)

 (9)

Należy pamiętać, że w obliczeniach stężenia np. dwutlenku węgla w powietrzu pomieszczenia wentylowanego z zastosowaniem recyrkulacji należy uwzględnić zmniejszenie się krotności wymian powietrzem zewnętrznym (świeżym).

Zastosowanie regeneracji oraz rekuperacji

Stosowanie odzysku ciepła odpadowego z powietrza wywiewanego jest jednym z podstawowych sposobów minimalizacji zużycia energii.

Powietrze wentylacyjne jest nośnikiem ciepła, które występuje w postaci jawnej oraz utajonej (energia cieplna zawarta w powietrzu oraz w parze wodnej).

Jeżeli powietrze wentylacyjne przepływające przez pomieszczenie jest usuwane z pomieszczenia na zewnątrz budynku bez jakiegokolwiek odzyskiwania energii cieplnej w nim zawartej, energia ta jest bezpowrotnie tracona. Jest to sytuacja niekorzystna ekonomicznie – przynosi tym większe straty, im większa jest wydajność instalacji wentylacyjnej, zatem uzasadnione jest stosowanie odzysku ciepła szczególnie w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych o dużych wydajnościach.

Poza odzyskiwaniem energii cieplnej dodatkowym atutem w niektórych urządzeniach jest możliwość odzyskiwania również wilgoci, dzięki czemu zmniejszają się koszty związane z koniecznością doprowadzenia wilgoci do powietrza nawiewanego w procesie jego nawilżania.

W urządzeniach odzysku ciepła przebiegają następujące procesy [4]:

• rekuperacja – zachodzi wówczas, gdy wymieniające ciepło strumienie nie kontaktują się bezpośrednio ze sobą – proces wymiany ciepła odbywa się przez przeponę. Przykładami rekuperatorów są m. in.: wymiennik płytowy krzyżowy, wymiennik rurowy, wymiennik z cieczą pośredniczącą, np. glikolowy, rurka ciepła;
• regeneracja – zachodzi wówczas, gdy dwa strumienie powietrza omywają na zmianę tę samą powierzchnię wymiennika – zachodzi wówczas wymiana ciepła jawnego lub ciepła jawnego i wilgoci (ciepła utajonego), inaczej mówiąc wymiana ciepła lub wymiana ciepła i masy, np. regeneracyjny obrotowy wymiennik ciepła z powierzchnią higroskopijną.

Oparty na przeznaczonych do tego celu urządzeniach odzysk ciepła pozwala ograniczyć zużycie energii, jednak należy pamiętać, że jest to efekt częściowy, ponieważ zastosowanie tych urządzeń powoduje wzrost składnika energii niezbędnej na przetłoczenie powietrza. W przypadku wymienników np. z cieczą pośredniczącą (glikolem) zużywana jest dodatkowo energia elektryczna do napędu silnika pompy glikolu.

Wymienniki obrotowe zaleca się stosować wszędzie tam, gdzie jest to możliwe ze względów higienicznych. Z uwagi na możliwość odzyskiwania ciepła utajonego najkorzystniejsze energetycznie są wymienniki z wirnikami wypełnionymi materiałami higroskopijnymi.

Regeneratory są najefektywniejszymi wymiennikami ciepła typu powietrze–powietrze.

Wymienniki krzyżowe zaleca się stosować w instalacjach wentylacyjnych, w których powietrze wywiewane nie zawiera zanieczyszczeń szkodliwych dla zdrowia, a które mogłyby przedostać się na stronę nawiewną instalacji.

Zastosowanie wymiennika ciepła płytowo-krzyżowego jest możliwe wówczas, gdy dwa przewody wentylacyjne, nawiewny i wywiewny, przebiegają obok siebie.

Wymienniki przeponowe z cieczą pośredniczącą mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie zabroniony jest kontakt powietrza nawiewanego i wywiewanego z pomieszczenia, np. poprzez infiltrację przez nieszczelności wymiennika.

Każdy wymiennik ciepła charakteryzuje się pewną efektywnością odzysku ciepła, oznaczającą stosunek energii odzyskanej do energii, która zostałaby stracona, gdyby instalacja nie miała odzysku ciepła.

W literaturze tematu można spotkać następujące definicje sprawności ciepła:

• sprawność temperaturowa:

(10)

gdzie:

t1 – temperatura powietrza zewnętrznego,

t2 – temperatura powietrza nawiewanego,

t3 – temperatura powietrza wywiewanego;

• sprawność wilgotnościowa:

(11)

gdzie:

x1 – wilgotność powietrza zewnętrznego,

x2 – wilgotność powietrza nawiewanego,x3 – wilgotność powietrza wywiewanego;

• sprawność całkowita:

 (12)

gdzie:

h1 – entalpia powietrza zewnętrznego,

h2 – entalpia powietrza nawiewanego,

h3 – entalpia powietrza wywiewanego.

Biorąc pod uwagę, że podczas eksploatacji instalacji klimatyzacji i wentylacji trudno o warunki środowiskowe odpowiadające warunkom laboratoryjnym, w których producenci wykonywali badania swoich wymienników, w warunkach rzeczywistych osiągane sprawności będą niższe. Wpływ na sprawność wymiennika ciepła ma m.in. stan powierzchni wymiany ciepła, czyli np. czystość, zaszronienie.

Każdy wymiennik ciepła powinien być chroniony przed zanieczyszczeniami poprzez odpowiednio dobrany filtr, dzięki czemu możliwe jest zatrzymywanie zanieczyszczeń mogących być przyczyną jego uszkodzenia lub zbyt dużego nagromadzenia na powierzchniach wymiany ciepła. W związku z tym wymienniki powinno się regularnie oczyszczać, dzięki czemu nie będzie następowało znaczne obniżenie ich sprawności.

W zimie, przy niskich temperaturach zewnętrznych, temperatura powierzchni wymiennika odbierającego ciepło od powietrza wywiewanego spada poniżej 0ºC. W większości przypadków temperatura ta jest niższa od temperatury punktu rosy dla powietrza wywiewanego, w wyniku czego wykraplająca się z powietrza woda zamarza na powierzchni wymiennika.

Ryzyko występowania szronienia zależy od rodzaju zastosowanej technologii odzysku ciepła. W praktyce stosowane są dwie metody ochrony wymienników przed oszronieniem, a mianowicie:

• okresowe wyłączanie odzysku ciepła do momentu rozmrażania oszronionego wymiennika przez przepływające ciepłe powietrze usuwane z wentylowanego pomieszczenia. Proces odszraniania uruchamiany jest na ogół przy wzroście spadku ciśnienia na wymienniku, co wskazuje na wzrost oporów przepływu wywołany oszronieniem wymiennika;

• prowadzenie regulacji wydajności odzysku ciepła, które nie dopuszcza do jego zaszronienia. Jest to metoda profilaktyczna. Wydajność odzysku ograniczana jest do momentu, przy którym temperatura powierzchni wymiennika nie obniża się do wartości powodujących szronienie. Metoda ta również obniża sprawność układu, jednak proces szronienia jest w tym przypadku kontrolowany w sposób ciągły poprzez pomiar temperatury powietrza, powierzchni wymiennika lub czynnika pośredniczącego w wymianie ciepła [3].

Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Infrastruktury [6]: § 150.1. W instalacjach wentylacji mechanicznej ogólnej nawiewno-wywiewnej lub klimatyzacji komfortowej o wydajności 500 m³/h i więcej należy stosować urządzenia do odzyskiwania ciepła z powietrza wywiewanego o sprawności temperaturowej co najmniej 50% lub recyrkulację, gdy jest to dopuszczalne. W przypadku zastosowania recyrkulacji strumień powietrza zewnętrznego nie może być mniejszy niż wynika to z wymagań higienicznych. Dla wentylacji technologicznej zastosowanie odzysku ciepła powinno wynikać z uwarunkowań technologicznych i rachunku ekonomicznego.

Innym ciekawym rozwiązaniem umożliwiającym wykorzystywanie ciepła zgromadzonego w ziemi jest instalacja klimatyzacji i wentylacji wyposażona w gruntowy wymiennik ciepła.

Przy zastosowaniu GWC w okresie zimowym ciepło z gleby przenika do powietrza wentylacyjnego, dzięki czemu powietrze to jest wstępnie ogrzane, a latem ciepło z powietrza przepływającego przez GWC oddawane jest do gleby.

Gruntowe wymienniki ciepła dzielą się na przeponowe (rurowe) i bezprzeponowe. W pierwszym przypadku powietrze przepływa przewodami umieszczonymi w gruncie, w drugim bezpośrednio przez złoże. Zastosowanie GWC wymaga zagospodarowania określonej powierzchni gruntu sąsiadującego z wentylowanym budynkiem.

Wykorzystywanie ciepła odpadowego z innych instalacji i mieszanie strumieni powietrza pomiędzy strefami

Wykorzystywanie ciepła odpadowego z innych typów instalacji sprzyja obniżaniu kosztów energetycznych. Odzyskiwanie to może odbywać się m.in. poprzez:

• wymienniki ciepła, które separują dwa strumienie powietrza, pomiędzy którymi zachodzi wymiana ciepła, z których jeden został wcześniej ogrzany ciepłem odpadowym (np. z rurociągów, omywania radiatorów urządzeń elektrycznych, zbiorników, skraplaczy urządzeń chłodniczych, sprężarek powietrza, suszarek). Strumień powietrza może być również wcześniej ochłodzony (chłód odpadowy), dzięki czemu podczas wymiany ciepła obniży się temperatura powietrza nawiewanego;
• bezpośrednie wprowadzanie powietrza ogrzanego ciepłem odpadowym (np. ze stacji redukcji pary, sprężarkowni) do strumienia powietrza nawiewanego do pomieszczenia. W tym przypadku powietrze wprowadzane do powietrza nawiewanego (mieszanina powietrza świeżego i powietrza ogrzanego ciepłem odpadowym) nie powinno pogarszać jakości powietrza wentylacyjnego;
• wykorzystywanie ciepła odpadowego do podgrzewania (lub ochładzania) wody technologicznej (lub wody lodowej).

Podobną do ww. sposobów jest metoda umożliwiająca ograniczanie zużycia energii na potrzeby klimatyzacji i wentylacji polegająca na mieszaniu strumieni powietrza pomiędzy różnymi strefami (pomieszczeniami) obiektu. Przepływ powietrza przez poszczególne strefy powinien odbywać się ze stref o powietrzu czystszym do tych o niższej klasie czystości, np. z pomieszczeń stałego przebywania ludzi do toalet, z pomieszczeń biurowych do pomieszczeń technicznych.

Istotną rolę w zastosowaniu tego sposobu ograniczania zużycia energii na potrzeby klimatyzacji i wentylacji odgrywa rodzaj i stężenie zanieczyszczeń powietrza. Metodę tę dyskwalifikuje, podobnie jak przy recyrkulacji, występowanie w powietrzu substancji palnych, wybuchowych, toksycznych i chorobotwórczych.

Wnioski

Koszty energii cieplnej i elektrycznej zależą od warunków pogodowych, szczególnie od temperatury zewnętrznej:

• koszty energii cieplnej są na ogół największe w styczniu i lutym,
• koszty wynikające ze zużycia energii elektrycznej w ciągu roku – z wyjątkiem lata – są niemal stałe. W okresie letnim zazwyczaj następuje ich zwiększenie, co wynika z pracy agregatów chłodniczych wykorzystywanych w procesie chłodzenia powietrza.

Dzięki szerokiemu zastosowaniu automatyki w układach klimatyzacji i wentylacji sterowanie tymi systemami jest prostsze.

Automatyczna regulacja parametrów instalacji zasilających wymienniki ciepła stosowane w układach klimatyzacji i wentylacji w zależności od zapotrzebowania na moc cieplną lub chłodniczą przyczynia się do obniżenia kosztów eksploatacji tych układów.

Istotną kwestią w obróbce cieplno-wilgotnościowej powietrza jest możliwość płynnej zmiany mocy dostarczanej do nagrzewnicy lub chłodnicy. Dopasowanie mocy chwilowej do aktualnych potrzeb w przypadku instalacji wodnych zależy m.in. od zastosowanego systemu regulacji parametrów, stabilności układu zasilania oraz zaworów regulacyjnych i elementów wykonawczych. Ograniczanie zużycia energii osiąga się również dzięki zastosowaniu krzywych grzewczych w systemach ogrzewania oraz krzywej „chłodniczej” w systemach wody lodowej.

Dzięki planowaniu, uaktualnianiu czasów pracy i parametrów zadanych w zależności od potrzeb można obniżyć koszty eksploatacyjne obiektu [1]. Prowadzenie statystyki zużycia energii przez system wentylacji i klimatyzacji umożliwia planowanie działań oszczędnościowych.

Istotną rolę w działaniach energooszczędnościowych odgrywa wyeliminowanie wzajemnego niekorzystnego oddziaływania instalacji klimatyzacji i wentylacji oraz instalacji c.o. Dotyczy to np. sytuacji, w której jednocześnie instalacja klimatyzacyjna schładza powietrze doprowadzane do pomieszczenia, a instalacja c.o. ogrzewa powietrze w pomieszczeniu. Równie niekorzystne jest otwieranie okien w pomieszczeniu wyposażonym w sprawną instalację wentylacji mechanicznej lub klimatyzacji.

Obniżanie kosztów wynikających ze zużycia energii cieplnej może być także realizowane poprzez jej odzyskiwanie. Odzyskiwanie energii może się odbywać poprzez zastosowanie recyrkulacji lub rekuperacyjnych bądź regeneracyjnych wymienników ciepła. Obecnie coraz chętniej stosowane są wymienniki ciepła, nawet w małych instalacjach. Znaczenia nabierają również rozwiązania klimatyzacji i wentylacji z GWC, a także z rewersyjną pompą ciepła.

Duży wpływ na koszty energetyczne mają również stan izolacji termicznych oraz szczelność instalacji. Uszkodzenia izolacji są dość powszechne. W miejscach nieciągłości izolacji nie zawsze występują wyłącznie straty ciepła, na zimnych powierzchniach może się również wykraplać wilgoć. Zawilgocenie izolacji powoduje zwiększenie strat cieplnych i odpadanie izolacji na skutek jej większego ciężaru.

Literatura

1. Kaiser K., Oszczędzanie energii w nowoczesnych systemach klimatyzacji i wentylacji stosowanych w szpitalach. Cz. 1, „TCHiK” nr 6-7/2004, s. 225–231.
2. Kaiser K., Oszczędzanie energii w nowoczesnych systemach klimatyzacji i wentylacji stosowanych w szpitalach. Cz. 2, „TCHiK” nr 8/2004, s. 267–270.
3.  Kaiser K., Wolski A., Klimatyzacja i wentylacja w szpitalach. Teoria i praktyka eksploatacji, Wyd. MASTA, Gdańsk 2007
4. Kaiser K., Wentylacja i klimatyzacja. Wymagania prawne, projektowanie, eksploatacja, Wyd. MASTA, Gdańsk 2015.
5. Ullrich H.J., Technika klimatyzacyjna. Poradnik, Wyd. MASTA, Gdańsk 2001.
6.  Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).
7. Kaiser K., Metody obniżania strat energetycznych i kosztów wentylacji mechanicznej i klimatyzacji (cz. 1), „Rynek Instalacyjny” nr 10/2015.