Dobór obliczeniowych parametrów powietrza zewnętrznego oraz jego wpływ na projektowane wydajności urządzeń na przykładzie chłodnicy powietrza

W klimatyzacji komfortu, a szczególnie klimatyzacji z regulacją parametrów cieplno-wilgotnościowych, realizowanej np. w budynkach muzealnych czy archiwach, bardzo ważne jest utrzymanie stałych parametrów wilgotności i temperatury powietrza.

W klimatyzacji komfortu można dopuścić nieznaczne odchylenia parametrów powietrza, ale już np. w klimatyzacji obiektów muzealnych dotrzymywanie określonej temperatury i wilgotności względnej musi być realizowane z dużo większą dokładnością. Zmiany wartości parametrów powietrza nawet o niewielkiej amplitudzie, ale często się powtarzające, powodują uszkodzenie zabytkowej materii [1].

Ważnym czynnikiem przy utrzymaniu cieplno-wilgotnościowych parametrów powietrza, szczególnie w okresie letnim i przejściowym, jest praca chłodnicy powietrza. Dla poprawnego jej doboru projektant musi znać funkcje klimatyzowanych pomieszczeń. Umożliwi to prawidłowy dobór zarówno parametrów powietrza wewnętrznego, jak i sposobu wymiarowania chłodnicy (praca na obniżenie temperatury czy może obniżenie temperatury wraz z osuszeniem do wymaganej zawartości wilgoci).

Bez względu na postawiony cel bardzo ważnym elementem projektowania jest założenie odpowiednich parametrów obliczeniowych powietrza zewnętrznego [4].

W ostatnich latach, a często do dnia dzisiejszego parametry powietrza definiowane są zgodnie z normą PN-B-03420:1976 [5], według której Polska w okresie letnim podzielona była na dwie strefy klimatyczne. Norma ta została we wrześniu 2011 r. wycofana przez Polski Komitet Normalizacyjny, nie zastąpiono jej jednak innym dokumentem normalizującym sposób definiowania parametrów powietrza zewnętrznego.

W publikacji [3] wykazano, że moc chłodnicy zależy w znacznej mierze od parametrów powietrza zewnętrznego. W niniejszym artykule przy obliczaniu mocy chłodnicy powietrza również skupiono się na parametrach powietrza zewnętrznego, nie analizując chwilowych zmian obciążenia chłodniczego w budynku. Przeprowadzono analizę porównawczą obliczania wydajności chłodnicy powietrza w zależności od wyboru parametrów powietrza zewnętrznego. W analizie przyjęto wariantowe parametry powietrza zewnętrznego zgodnie z:

• PN-B-03420:1976 [5];
• odczytami stacji meteorologicznej Kraków-Balice (tzw. typowe lata meteorologiczne – TLM) [6];
• danymi z lokalnej stacji meteorologicznej SM AGH (zabudowanej na dachu budynku A-1 AGH) z lat 2010–2015.

Chłodzenie i osuszanie powietrza w klimatyzacji pomieszczeń

Głównym zadaniem chłodnic powietrza w systemie klimatyzacji jest ochładzanie powietrza przepływającego przez centralę, czyli obniżanie jego temperatury.

Kolejnym zadaniem jest zmniejszenie zawartości wilgoci w powietrzu do wymaganego stanu, co jest szczególnie ważne przy uzdatnianiu powietrza doprowadzanego do pomieszczeń, w których konieczne jest utrzymywanie wilgotności względnej powietrza na określonym, niekiedy bardzo restrykcyjnie ustalonym poziomie.

Doboru chłodnicy dokonuje się na podstawie jej wymaganej mocy Q_Ch, wynikającej z potrzeby uzyskania odpowiednich parametrów powietrza wewnętrznego, którą można wyznaczyć wg zależności:

gdzie:
V – strumień powietrza nawiewanego, m³/s;
ρ – gęstość powietrza, kg/m³;
Δh_CH – spadek entalpii właściwej powietrza w chłodnicy, kJ/kg_p.s.

Chłodnica ma ograniczone możliwości wykroplenia wilgoci zdeterminowane minimalną temperaturą powierzchni ścianki oraz swoją budową.

Przykład wyznaczania mocy chłodnicy powietrza

W celu wskazania, jak duże mogą być rozbieżności w zaprojektowanej mocy chłodnicy dobranej na podstawie parametrów powietrza zewnętrznego zdefiniowanych wg normy PN-B-03420:1976 [5], danych ze strony Ministerstwa Środowiska, czyli tzw. typowych lat meteorologicznych (TLM Kraków-Balice) [6] oraz na podstawie danych ze stacji meteorologicznej zamontowanej na terenie AGH w Krakowie (SM AGH), posłużono się przykładem obliczeniowym. Założono, że moc chłodnicy jest obliczana dla utrzymywanej w pomieszczeniu temperatury powietrza 24°C oraz:

• pomieszczenie zlokalizowane jest w budynku znajdującym się w centrum Krakowa na terenie AGH,
• strumień powietrza wentylacyjnego jest stały w czasie,
• różnica temperatury pomiędzy powietrzem wywiewanym a nawiewanym Dt = 7 K,
• odzysk ciepła realizowany jest w rekuperatorze (wymienniku krzyżowym) o minimalnej sprawności 60%,
• klimatyzacja pracuje całodobowo,
• średnia temperatura ścianki chłodnicy wynosi 8°C,
• wilgotność względna powietrza za chłodnicą nie jest kontrolowana,
• przemiana powietrza w chłodnicy zachodzi przy stałym ciśnieniu 101 325 Pa,
• prowadzona jest regulacja ilościowa wydajności chłodnicy.

W obliczeniach wykorzystano metodę uproszczoną opartą na pojęciu współczynnika kontaktu chłodnicy CF (ang. contact factor) [2]. Dla analizowanej chłodnicy przyjęto go na poziomie 0,9. Powietrze zewnętrzne pobierane czerpnią powierza po przejściu przez rekuperator zostaje ochłodzone do minimalnej wartości temperatury wynikającej ze sprawności chłodnicy, przy ochłodzeniu i wykropleniu wilgoci z powietrza.

W przypadku pracy chłodnicy bez wykroplenia w obszarze parametrów powietrza zewnętrznego, dla których wilgotność właściwa jest mniejsza niż wilgotność właściwa powietrza, na styku ze ścianką wymiennika następuje ochłodzenie powietrza do 17°C. W dalszej części powietrze poddawane jest kolejnemu etapowi uzdatniania w nagrzewnicy lub nawilżane do wymaganego stanu. Proces dalszego uzdatniania powietrza za chłodnicą nie jest jednak przedmiotem niniejszej analizy.

Wpływ doboru parametrów obliczeniowych powietrza zewnętrznego na moc chłodniczą

W celu określenia mocy chłodnicy niezbędne jest wyznaczenie parametrów obliczeniowych powietrza zewnętrznego. Przyjęcie parametrów powietrza zewnętrznego na danym poziomie skutkuje określoną mocą chłodniczą, co ma wpływ zarówno na efektywność działania klimatyzacji, jak i na nakłady inwestycyjne oraz koszty eksploatacyjne.

W celu zobrazowania wpływu tych parametrów porównano wymaganą moc chłodnicy powietrza dla analizowanego przykładu obliczoną na podstawie danych ze stacji meteorologicznej Kraków-Balice TLM [6] oraz ze stacji meteorologicznej zabudowanej na terenie AGH (SM AGH) z wynikami uzyskanymi po przyjęciu parametrów powietrza zgodnie z normą PN-B-03420:1976 [5].

Na rys. 1 przedstawiono uporządkowany wykres temperaturowy dla analizowanych parametrów obliczeniowych powietrza zewnętrznego. Na podstawie wykresu można stwierdzić, że średnie wieloletnie temperatury powietrza ze stacji pomiarowej Kraków-Balice TLM są statystycznie najwyższe, natomiast według SM AGH lata 2010 i 2012 okazały się nieco chłodniejsze na tle wieloletnich średnich temperatur.

Wykorzystując różne parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego (temperaturę i wilgotność), obliczono wymaganą moc chłodnicy w ciągu całego roku. Moc chłodnicza obliczona została dla zapewnienia założonych parametrów powietrza za chłodnicą zgodnie z założeniami do przykładu. Wyniki obliczeń zestawiono na rys. 2 w postaci uporządkowanego wykresu mocy chłodniczej.

Na podstawie wykresu można stwierdzić, że pomimo iż rok 2015 uważany był za „ciepły” [7], chłodnica pracowałaby zaledwie 3000 godzin. Przyjęcie parametrów powietrza zewnętrznego według danych dla typowego roku meteorologicznego ze stacji meteorologicznej Kraków-Balice TLM wskazuje, że chłodnica musiałaby pracować ponad 3600 godzin.

Na rys. 3 przedstawiony został wykres procentowej zależności wartości mocy chłodnicy obliczonej na podstawie danych Kraków-Balice TLM na tle obliczeń wykonanych zgodnie z PN-B-03420:1976, w funkcji zawartości wilgoci oraz temperatury powietrza.

Wartość mocy 100% stanowi odniesienie i oznacza moc obliczoną na podstawie parametrów powietrza zewnętrznego wg normy PN-B-03420:1976.

Na wykresie naniesiono kolorem niebieskim, zielonym oraz czerwonym trzy zbiory punktów. Niebieskie punkty prezentują wydajności chłodnicze przy pracy chłodnicy bez wykroplenia wilgoci, natomiast zielone – parametry pracy z wykropleniem.

Czerwonym kolorem zaznaczone zostały parametry chłodnicy, której moc chłodnicza przekracza wydajność zaprojektowaną w oparciu o parametry powietrza zewnętrznego wg PN-B-03420:1976.

Analiza wykresu pozwala stwierdzić, że do przekroczenia mocy chłodniczej dochodzi najczęściej nie z powodu zbyt wysokiej temperatury powietrza zewnętrznego, ale ze względu na zwiększoną zawartość wilgoci w powietrzu, czego lepszym odzwierciedleniem jest wykres przedstawiony na rys. 4 i rys. 5.

Rzadziej natomiast dochodzi do przekroczenia mocy chłodniczej z powodu przekroczenia obu tych parametrów i tylko kilkukrotnie z powodu przekroczenia wyłącznie normowej temperatury powietrza.

Na rys. 6 przedstawiony został wykres przedstawiający liczbę godzin w ciągu roku, kiedy moc chłodnicy obliczona na podstawie parametrów Kraków-Balice TLM oraz obliczona według danych ze stacji meteorologicznej SM AGH zostałaby przekroczona w stosunku do mocy obliczonej według danych z PN-B-03420:1976. Na wykresie tym przedstawiono również procentowe wartości przekroczeń mocy chłodniczych przedstawionych powyżej. Moc chłodnicy obliczona zgodnie z normą [5] zostałaby przekroczona maksymalnie w 2011 r., gdzie wartość ta stanowiła niemal 126%, natomiast dla danych Kraków-Balice TLM wyniosłaby 118% w stosunku do danych z PN-B-03420:1976.

Gdyby moc chłodnicy została obliczona według założeń parametrów powietrza zewnętrznego z normy [5], mogłaby ona być niewystarczająca przez 79 godzin w roku w odniesieniu do danych z Kraków-Balice TLM, natomiast w odniesieniu do parametrów ze stacji meteorologicznej AGH od ok. 6 do 65 godzin, w zależności od roku.

Na rys. 7 a i rys. 7b zaprezentowano szczegółowe dane dotyczące liczby godzin w poszczególnych dniach, w których przekroczona zostałaby moc chłodnicza obliczona na podstawie wycofanej normy PN-B-03420:1976. Do przekroczeń zaprojektowanej mocy chłodnicy dochodziłoby w czerwcu, lipcu i sierpniu. Prezentowane dane pozwalają stwierdzić, że najczęściej do znacznego przekroczenia mocy pod względem liczby godzin (w ciągu dnia) dochodziłoby w kolejnych dniach następujących po sobie lub blisko sąsiadujących, co niewątpliwie w przypadku „pełnej” klimatyzacji mogłoby spowodować niedotrzymanie ustalonych parametrów cieplno-wilgotnościowych w pomieszczeniu.

Na rys. 8 przedstawiony został wykres zależności temperatury oraz wilgotności względnej powietrza w funkcji czasu dla dnia, w którym wystąpiłyby najgorsze warunki dla pracy chłodnicy. Wymagana moc chłodnicza została zestawiona na tle obliczeniowej wartości zapotrzebowania na moc chłodniczą na podstawie normy PN-B-03420:1976.

Najtrudniejszy klimatycznie dzień występuje 24 sierpnia 2011 roku dla odczytów ze stacji pomiarowej zlokalizowanej na AGH. Moc chłodnicza obliczona na podstawie parametrów normowych zostałaby przekroczona w ciągu 14 następujących po sobie godzin. W tym okresie parametry powietrza wewnętrznego mogłyby nie być dotrzymywane na wymaganym poziomie, co np. w obiektach muzealnych może mieć istotne znaczenie.

Wnioski

Wydajność chłodnicza w klimatyzacji zależy między innymi od parametrów obliczeniowych powietrza zewnętrznego.

Uwzględniając jednakowe założenia projektowe, przeprowadzono analizę wpływu doboru parametrów obliczeniowych powietrza na zapotrzebowanie na moc chłodniczą w budynku.

Przeprowadzono analizę porównawczą dla parametrów przedstawionych w normie PN-B-03420:1976 (wycofanej przez PKN w roku 2011), według danych statystycznych stacji meteorologicznej Kraków-Balice TLM (tzw. typowe lata meteorologiczne) oraz dla danych zarejestrowanych w lokalnej stacji meteorologicznej na terenie AGH (SM AGH).

Wyniki pomiarów wykazują, że najniższą moc chłodniczą uzyskuje się dla danych z normy PN-B-03420:1976, natomiast nieco wyższą moc uzyskuje się, przyjmując do obliczeń dane wg Kraków-Balice TLM. Podobną moc chłodniczą uzyskuje się dla danych ze stacji meteorologicznej na budynku AGH (SM AGH).

Chłodnica dobrana według parametrów powietrza z Kraków-Balice TLM pracowałaby przez 79 godzin w ciągu roku z większą mocą chłodniczą niż chłodnica dobrana w oparciu o parametry powietrza podane w normie PN-B-03420:1976.

Dobierając chłodnicę według parametrów powietrza z lokalnej stacji meteorologicznej, liczba godzin pracy z mocą wyższą od mocy chłodniczej dla danych z normy PN-B-03420:1976 byłaby większa o 6–65 w ciągu roku. W latach 2014 i 2015 różnica ta wynosiłaby odpowiednio tylko 6 i 11 godzin wg SM AGH.

Ostatnie lata uznawane były za bardzo ciepłe, a nawet gorące, i wydawać się może, że zapotrzebowanie na moc chłodniczą powinno być znacznie większe niż w poprzednich latach. Jednak niskie zapotrzebowanie na moc w tych latach wynika z niskiej zawartością wilgoci w okresie letnim.

Reasumując, należy stwierdzić, że dobieranie chłodnicy powietrza w oparciu o parametry powietrza zewnętrznego w normie PN-B-03420:1976 czy dane ze stacji meteorologicznej Kraków-Balice TLM albo według lokalnej stacji w centrum Krakowa nie powoduje większych różnic w wymaganiach wobec mocy chłodniczej w ciągu roku.

Można wybrać jedno z tych źródeł parametrów powietrza zewnętrznego do obliczeń projektowych klimatyzacji w pomieszczeniach, w których okresowe odchyłki temperatury i wilgotności są akceptowalne. Jednak w obiektach, w których parametry cieplno-wilgotnościowe muszą być utrzymywane na restrykcyjnie określonym poziomie (muzea, archiwa, serwerownie itp.), należy przywiązywać większą wagę do doboru parametrów obliczeniowych powietrza zewnętrznego.

W przypadku Krakowa najkorzystniej projektować klimatyzację w takich obiektach, przyjmując dane ze stacji meteorologicznej Kraków-Balice według tzw. typowych lat meteorologicznych. W innych miejscowościach należałoby przeprowadzić analizę porównawczą zapotrzebowania na moc chłodniczą według danych z normy PN-B-03420:1976 oraz według danych z najbliższej stacji meteorologicznej.

Przy doborze parametrów powietrza zewnętrznego ze stacji meteorologicznych, innych niż wykorzystywane przez IMGW, należy uwzględnić ich lokalizację, położenie względem poziomu terenu oraz sposób montażu.

Literatura

1. Charkowska A., Optymalne warunki wystawiennicze i magazynowe w muzeach, galeriach, bibliotekach i archiwach, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 5/2007.
2. Jones W.P., Klimatyzacja, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2001.
3. Kwiecień D., Moce nagrzewnicy i chłodnicy powietrza wyznaczane w oparciu o dane klimatyczne, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2013.
4. Pełech A., Wentylacja i klimatyzacja – podstawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
5. PN-76/B-03420 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego.
6. Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dla obszaru Polski, http://mib.gov.pl/2-Wskazniki_emisji_wartosci_opalowe_paliwa.htm (25.05.2016).
7. www.twojapogoda.pl/wiadomosci/114781,2015-rok-jak-dotad-najcieplejszy-w-historii-pomiarow (2.06.2016).