Symulacje całorocznej pracy systemów wentylacyjnych z nawilżaniem adiabatycznym

Zastosowanie w systemach klimatyzacyjnych nawilżania adiabatycznego (chłodzenia wyparnego), zamiast nawilżania parowego, może się przyczynić do znacznego zmniejszenia zużycia energii, kosztów eksploatacyjnych, a także emisji CO₂. Można to osiągnąć przy zachowaniu prawidłowego stanu mikroklimatu wnętrz, pod warunkiem, że system klimatyzacyjny będzie wyposażony w chłodnicę, w której umożliwione jest oziębianie i osuszanie kondensacyjne powietrza [2]. Najczęściej wykorzystuje się do tego celu chłodnice zasilane ze sprężarkowych agregatów chłodniczych, rzadziej zaś z agregatów ab- lub adsorpcyjnych.

W artykule podjęto próbę oceny wybranych systemów wentylacyjnych pod kątem zapewnienia odpowiednich (założonych) parametrów mikroklimatu wnętrz, głównie w okresie ciepłym. Przyjęto, że w systemach tych obniżanie temperatury powietrza zachodzi tylko w oparciu o procesy nawilżania adiabatycznego, a zatem bez wykorzystania energii potrzebnej do zasilania agregatów chłodniczych. Analizą objęto układy wentylacyjne składające się z typowych, powszechnie dostępnych na rynku elementów do uzdatniania powietrza. Na rynku dostępne są także inne rozwiązania wykorzystujące zjawisko chłodzenia wyparnego do obniżania temperatury powietrza, na które zwrócono uwagę w poprzednim artykule [1]. Analizą całorocznej pracy objęto następujące systemy (rys. 1–5):

1. system wentylacyjny (bez nawilżania powietrza) – traktowany jako rozwiązanie bazowe (podstawowe),
2. system pośredniego nawilżania adiabatycznego (nawilżanie w kanale powietrza wywiewanego),
3. system bezpośredniego nawilżania adiabatycznego (nawilżanie w kanale powietrza nawiewanego),
4. system mieszanego (bezpośrednio-pośredniego) nawilżania adiabatycznego (nawilżania zarówno w kanale powietrza nawiewanego, jak i wywiewanego),
5. system DEC (z ang. dessicative evaporative cooling) – mieszanego nawilżania powietrza z zastosowaniem dodatkowego osuszacza sorpcyjnego.

We wszystkich rozwiązaniach zastosowano ponadto odzysk ciepła z powietrza wywiewanego. Symulacje pracy powyższych pięciu systemów wentylacyjnych przeprowadzono dla dwóch modelowych budynków: magazynowego i produkcyjnego. Schematy poszczególnych systemów wentylacyjnych wraz z przykładowymi przemianami stanu powietrza na wykresie i-x Moliera w  okresach zimnym i ciepłym zobrazowano na rys. 1–5.

Założenia do symulacji całorocznej pracy systemów wentylacyjnych

Symulacje komputerowe przeprowadzono z wykorzystaniem oprogramowania TRNSYS 17 [3] wraz z bibliotekami TESSLibs 17 [4], współpracującego ze środowiskiem MATLAB [5]. Symulacje budynków przeprowadzono w modelu Type 56, który jest integralną częścią programu TRNSYS. Obliczenia przeprowadzone zostały w okresie całorocznym w kroku czasowym równym 0,01 h. Dla każdej z pięciu analizowanych konfiguracji, w zależności od potrzeb ogrzewania lub ochładzania powietrza w pomieszczeniu, następuje kaskadowa praca urządzeń w celu utrzymania wymienionych w poniższych założeniach parametrów powietrza.

W trybie ogrzewania we wszystkich konfiguracjach w pierwszej kolejności zaczyna pracować obrotowy wymiennik ciepła, stopniowo zwiększając swoją sprawność, następnie nagrzewnica powietrza również płynnie zwiększa swoją moc, tak aby utrzymać zadaną temperaturę powietrza nawiewanego. Wymaganą temperaturę w pomieszczeniu stabilizuje zlokalizowany w nim układ ogrzewania. W trybie ochładzania powietrza wartość zadanej temperatury powietrza nawiewanego uzależniona jest od odchyłki między zadaną a aktualną temperaturą powietrza w pomieszczeniu.

System 1 nie ma urządzeń mogących obniżać temperaturę powietrza nawiewanego w trybie ochładzania powietrza. System 2 umożliwia płynne zwiększanie efektywności nawilżania powietrza wywiewanego przy jednocześnie pracującym z pełną sprawnością wymienniku ciepła. System 3 umożliwia płynne zwiększanie efektywności nawilżania powietrza nawiewanego. System 4 w stosunku do systemu 2 umożliwia dodatkowo płynne zwiększanie efektywności nawilżania powietrza nawiewanego. System 5 w stosunku do systemu 4 umożliwia osuszanie powietrza nawiewanego, płynnie zwiększając jego stopień, a do podgrzewania powietrze wywiewane wykorzystuje nagrzewnicę powietrza regeneracyjnego.

Pobierz: Usprawnianie wentylacji - bezpłatny PDF

Poniżej przedstawiono najważniejsze założenia przyjęte do analiz.

• Analizowany okres to 8760 h, 1 rok od 1 stycznia do 31 grudnia, budynki użytkowane są od godz. 6:00 do 22:00, od poniedziałku do niedzieli. Budynki zlokalizowane są we Wrocławiu (dane klimatyczne [6], zaimplementowane z serwera Energy Plus [7]).

Charakterystyka budynków magazynowego i produkcyjnego (rys. 6):

• hala posadowiona na gruncie, kryta dachem płaskim o wymiarach 10×20 m i wysokości 4 m, o współczynnikach przenikania ciepła ścian U = 0,178 W/(m² K), dachu U = 0,175 W/(m² K), okna dachowe o powierzchni szyby 18,0 m², współczynniku U = 1,27 W/(m² K), współczynniku całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznej dla oszklenia 0,591, brama o powierzchni 6 m² i U = 0,97 W/(m² K),
• sztuczne oświetlenie: lampy fluorescencyjne o mocy znamionowej 8 W/m² – hala magazynowa, 16 W/m² – hala produkcyjna, działa w okresie użytkowania obiektu,
• parametry kontrolowane powietrza w pomieszczeniu (przy temperaturze powietrza nawiewanego 10°C): temperatura w trybie ogrzewania równa 12°C – hala magazynowa, 16°C – hala przemysłowa, w trybie ochładzania temperatura równa 26°C, w pomieszczeniu nie ogranicza się zarówno maksymalnej wilgotności względnej powietrza, jak i jego zawartości wilgoci,
• w pomieszczeniu w czasie jego użytkowania przebywają: 4 osoby w hali magazynowej, 20 osób w hali produkcyjnej,
• dodatkowe zyski ciepła odniesione do powierzchni podłogi wynoszą: 2 W/m² (w okresie użytkowania) i 1 W/m² (poza okresem użytkowania) – hala magazynowa; 30 W/m² (w okresie użytkowania) i 5 W/m² (poza okresem użytkowania) – hala produkcyjna,
• statyczne straty ciepła w okresie zimnym całkowicie pokrywa instalacja ogrzewania, natomiast statyczne zyski i straty ciepła w okresie letnim wchodzą w obszar bilansu ciepła,
• zyski wilgoci w pomieszczeniu występują wyłącznie od osób w nim przebywających.
• Strumienie powietrza wentylującego są stałe dla wszystkich rozwiązań i wynoszą dla powietrza nawiewanego i wywiewanego po 2400 m³/h – hala magazynowa i 6000 m³/h – hala produkcyjna.
• Sprawność wymiany ciepła w wymienniku do odzysku ciepła jawnego jest zmienna, a jej maksymalna wartość wynosi 80%.
• Proces nawilżania realizowany w niskociśnieniowym systemie nawilżania jest adiabatyczny i  przebiega z maksymalną efektywnością procesu nawilżania równą Ea = 0,7 dla powietrza nawiewanego i Ea = 0,8 dla powietrza wywiewanego.
• W okresie zimnym utrzymywana jest minimalna wilgotność względna powietrza w pomieszczeniu równa 30% (dla systemów to umożliwiających).
• Obrotowy osuszacz powietrza pracuje z wypełnieniem opartym na silikażelu z wykorzystaniem modeli potencjałowych F1–F2 wyznaczonych przez [8], z przyjętymi współczynnikami efektywności: hF1 = 0,05 i hF2 = 0,95. Dodatkowo maksymalną temperaturę powietrza regeneracyjnego ograniczono do 70°C.
• W obliczeniach uwzględniono podgrzew powietrza przepływającego przez wentylatory równy: 0,8 K – hala magazynowa; 1,0 K – hala produkcyjna.

Wyniki symulacji dla modelowego pomieszczenia magazynowego

W okresie zimnym temperatura powietrza w budynku magazynowym utrzymywana jest przez każdy analizowany system wentylacyjny praktycznie na zadanym poziomie. Natomiast możliwość utrzymania w tym okresie na odpowiednim poziomie wilgotności względnej powietrza przez poszczególne systemy wentylacyjne uzależniona jest od tego, czy w części nawiewnej urządzenia zastosowano nawilżacz adiabatyczny. W rozwiązaniach, w których go brak (systemy 1 i 2), przez znaczną część czasu pracy urządzenia w trybie grzewczym wilgotność względna powietrza w pomieszczeniu nie przekracza ϕ_min = 30%.

Będący przedmiotem niniejszego opracowania okres ciepły charakteryzuje się znacznie bardziej zróżnicowaną pracą poszczególnych systemów wentylacyjnych (por. tabela 1). Pomimo zasymilowania podobnej ilości ciepła zbędnego przez każde rozwiązanie w pomieszczeniu utrzymywane są różne parametry powietrza (por. rys. 7 i 8), w mniejszym lub większym stopniu odbiegające od parametrów zadanych. Widać to chociażby na rys. 7, na którym pokazano średnie dla każdego miesiąca temperatury powietrza wewnętrznego w zależności od zastosowanego systemu wentylacyjnego.

System podstawowy (system 1), bez nawilżania adiabatycznego, charakteryzuje się najwyższymi średnimi temperaturami powietrza w pomieszczeniu, wyraźnie odbiegającymi od temperatury zadanej tpzad = 26°C. Poprzez zastosowanie prostego układu nawilżania pośredniego poprawiono nieco warunki temperaturowe, przy czym warunki wilgotnościowe nie uległy zmianie (rys. 8). Wyraźną poprawę warunków temperaturowych uzyskano przy zastosowaniu odpowiednio systemu nawilżania bezpośredniego (system 3) i, w większym stopniu, systemu nawilżania mieszanego (system 4).

Jednakże, co widać na rys. 8, pogorszeniu uległy warunki wilgotnościowe, chociaż wartości średnie dla poszczególnych miesięcy (poza czerwcem przy zastosowaniu systemu 3) mieszczą się jeszcze w założonym zakresie dopuszczalnym, czyli xzad = xmax = 12g/kg p.s. Najbliżej wartości zadanych mieszczą się średnie wartości temperatury i zawartości wilgoci uzyskane w wyniku pracy systemu DEC (system 5).

Z punktu widzenia zapewnienia odpowiednich warunków mikroklimatu pomieszczeń interesująco przedstawia się czas, przez który niedotrzymywane są te warunki podczas pracy urządzeń w trybie chłodzenia. Na rys. 9 dla poszczególnych rozwiązań pokazano okresy, przez które wartość temperatury chwilowej przekracza wartość temperatury zadanej, odpowiednio o:

• więcej niż 0,5 K; (tpzad–tp) < –0,5,
• więcej niż 1,0 K; (tpzad–tp) < –1,0,
• więcej niż 2,0 K; (tpzad–tp) < –2,0.

Jak widać, dla kolejnych rozwiązań systemu wentylacyjnego maleje czas, przez który w pomieszczeniu panuje zbyt wysoka temperatura. I tak np. dla systemu 1 czas, przez który temperatura w pomieszczeniu jest wyższa od temperatury zadanej o więcej niż 1,0 K, wynosi aż 74% czasu pracy urządzenia w trybie chłodzenia, co stanowi ok. 542 godzin. Należy zauważyć, że nawet najbardziej zaawansowane technologicznie rozwiązanie analizowane w niniejszym artykule (system 5) nie gwarantuje pełnego utrzymania temperatury powietrza w pomieszczeniu na zadanym poziomie. W tym przypadku czas niedotrzymania temperatury wewnętrznej o więcej niż 1,0 K wynosi 8%, czyli ok. 48 godzin.

Czytaj też: Wymagania obliczeniowe dla instalacji wentylacyjnych >>>

Nieco inaczej przedstawia się jednak niedotrzymanie warunków wilgotnościowych w pomieszczeniu, które scharakteryzowano zawartością wilgoci x. Na rys. 10 dla poszczególnych rozwiązań pokazano okresy, przez które zawartość wilgoci powietrza w pomieszczeniu przekracza zadaną zawartość wilgoci, odpowiednio o:

• więcej niż 0,5 g/kg p.s.; (xpzad–xp) < –0,5,
• więcej niż 1,0 g/kg p.s.; (xpzad–xp) < –1,0,
• więcej niż 1,5 g/kg p.s.; (xpzad–xp) < –1,5,
• więcej niż 2,0 g/kg p.s.; (xpzad–xp) < –2,0.

Należy zwrócić uwagę, że systemy wentylacyjne, w których zastosowano nawilżacz w części nawiewnej i jednocześnie nie zastosowano żadnego urządzenia do osuszania powietrza (systemu 3 i 4), charakteryzują się znacznie dłuższym czasem niedotrzymania warunków wilgotnościowych. Zawartość wilgoci w pomieszczeniu wzrasta np. powyżej x = 13 g/kg p.s. dla systemu 3 przez 21%, a dla systemu 4 przez 14% czasu pracy w letnim trybie chłodzenia – wynosi to odpowiednio 137 godzin dla systemu 3 i 92 godziny dla systemu  4. Co prawda czas ten można skrócić poprzez niedopuszczenie do nawilżania powietrza powyżej pewnej wartości zadanej, ale kosztem wydłużenia czasu niedotrzymywania warunków temperaturowych w pomieszczeniu. Jest to spowodowane tym, że w omawianych rozwiązaniach procesy nawilżania i chłodzenia powietrza są ze sobą wzajemnie powiązane.

Warto zauważyć, że i w tym przypadku system DEC (system 5) charakteryzuje się najkrótszym okresem, przez który zawartość wilgoci jest większa od zadanej – nie przekracza w zasadzie nigdy wartości x = 13 g/kg p.s. przez cały czas pracy urządzenia w trybie chłodzenia.

Wyniki symulacji dla modelowego pomieszczenia produkcyjnego

Podobnie jak w pomieszczeniu magazynowym, w pomieszczeniu produkcyjnym parametry temperaturowe powietrza dla okresu zimnego są utrzymywane na właściwym poziomie przez praktycznie cały czas. Problem z utrzymaniem zadanych parametrów wilgotnościowych pojawia się w przypadku pracy systemów wyposażonych w nawilżacz powietrza nawiewanego i jednocześnie pozbawionych osuszacza powietrza (dotyczy to systemów 3 i 4).

W okresie ciepłym różnice w utrzymaniu parametrów powietrza w pomieszczeniu, w zależności od zastosowanego rozwiązania wentylacji, kształtują się podobnie jak dla pomieszczenia magazynowego. Z uwagi na znacznie większe niż w pomieszczeniu magazynowym zbędne zyski ciepła czas pracy poszczególnych systemów w trybie chłodzenia, jak i elementów składowych urządzenia uległ znacznemu wydłużeniu. Zauważyć można również wyższe wartości w wygenerowanej mocy chłodniczej urządzeń (por. tabela 2).

Z uwagi na większe zbędne zyski ciepła w pomieszczeniu produkcyjnym i pomimo ponad dwukrotnie większego strumienia powietrza wentylującego średnie w poszczególnych miesiącach temperatury powietrza wewnętrznego są nieco wyższe niż w pomieszczeniu magazynowym (por. rys. 11). Podobnie jak poprzednio, także i w tym przypadku największe odchylenie temperatury powietrza w pomieszczeniu od wartości zadanej można zaobserwować w przypadku zastosowania systemów pozbawionych nawilżania powietrza nawiewanego, a więc w systemach 1 i 2. System 5 (DEC) gwarantuje także i tutaj najbardziej zbliżoną do zadanej temperaturę powietrza wewnętrznego.

Średnie w poszczególnych miesiącach parametry wilgotnościowe mieszczą się w założonym zakresie (xp ≤ 12 g/kg p.s.). Najwyższe wartości xp można zaobserwować w przypadku zastosowania systemów wyposażonych w nawilżacze powietrza nawiewanego i nieposiadające osuszacza powietrza (dotyczy to systemów 3 i 4) – rys. 12.

Czas niedotrzymania parametrów temperaturowych w pomieszczeniu  produkcyjnym jest podobny jak w pomieszczeniu magazynowym, z tym że nieco dłuższy dla rozwiązań 1 i 2, a krótszy dla rozwiązań 3, 4 i 5 (rys. 13). I tak np. temperatura powietrza wewnętrznego w przypadku pracy systemu 2 przekracza wartość zadaną o 1,0 K przez 65% czasu pracy urządzenia w letnim trybie chłodzenia, co odpowiada aż 626 godzinom. Optymalny spośród analizowanych systemów pod względem utrzymania zadanej temperatury powietrza w pomieszczeniu jest system DEC (system 5). Temperatura powietrza wewnętrznego praktycznie nigdy nie wzrasta o więcej niż 1,0 K ponad wartość zadaną podczas pracy urządzenia w letnim trybie chłodzenia.

W pomieszczeniu produkcyjnym czas niedotrzymania warunków wilgotnościowych pomieszczenia kształtuje się bardzo podobnie jak w pomieszczeniu magazynowym (rys. 14). W systemach nieposiadających osuszacza i jednocześnie opierających procesy ochładzania powietrza nawiewanego na bezpośrednim nawilżaniu adiabatycznym (systemy 3 i 4) dochodzi do najczęstszego przekroczenia warunków wilgotnościowych zdefiniowanych przez wartość xpzad = 12 g/kg p.s. W przypadku pomieszczenia produkcyjnego system DEC (system 5) gwarantuje praktycznie pełne utrzymanie warunków wilgotnościowych na zadanym poziomie.

Wnioski z przeprowadzonych analiz

Możliwość utrzymania zadanego mikroklimatu wnętrz jest uzależniona od rodzaju zastosowanego systemu wentylacyjnego, a tendencja do nieutrzymywania zadanych parametrów powietrza wewnętrznego jest podobna dla dwóch analizowanych pomieszczeń.

Bazowy system wentylacyjny (system 1 – urządzenie z normowaniem temperatury powietrza w okresie zimnym bez nawilżania adiabatycznego) nie jest w stanie zagwarantować właściwych parametrów powietrza wewnętrznego, w szczególności temperatury w okresie ciepłym ani też warunków wilgotnościowych w okresie zimnym, niemal przez cały okres eksploatacji urządzenia.

Pośredni system nawilżania adiabatycznego (system 2), w którym zastosowano nawilżanie o standardowej efektywności (0,8) i stosunkowo wysokiej sprawności odzysku ciepła (0,8), nie pozwala na utrzymanie w okresie ciepłym odpowiednio niskiej temperatury w pomieszczeniu, a także, z uwagi na brak możliwości nawilżania powietrza nawiewanego, odpowiedniej wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu w okresie zimnym.

Bezpośredni system nawilżania adiabatycznego (system 3) umożliwia w okresie ciepłym uzyskanie pewnej poprawy warunków temperaturowych w pomieszczeniu w stosunku do możliwości systemu 2, ale kosztem wzrostu zawartości wilgoci. W okresie zimnym system ten gwarantuje uzyskanie zadanych parametrów powietrza.

System mieszanego nawilżania powietrza (system 4) gwarantuje nieco lepsze utrzymanie w okresie ciepłym zadanych parametrów powietrza w pomieszczeniu w porównaniu z możliwościami systemu 3, ale okres niedotrzymywania tych parametrów jest nadal stosunkowo duży i może być nieakceptowalny z uwagi na wymogi procesu technologicznego lub stawiane przez użytkowników pomieszczenia.

System 5 (DEC), w którym zastosowano dodatkowy osuszacz powietrza zasilany np. ciepłem odpadowym lub energią promieniowania słonecznego, jako jedyny z analizowanych gwarantuje uzyskanie zadanych parametrów powietrza w pomieszczeniu, pod warunkiem że nagrzewnica regeneracyjna jest zasilana czynnikiem grzewczym zawsze wtedy, gdy zachodzi potrzeba osuszenia powietrza.

Przy ocenie i wyborze systemu należy wziąć pod uwagę również koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, które dla każdego rozwiązania są inne, a nie były tematem niniejszego artykułu.

Literatura

1. Kowalski P., Kwiecień D., Nawilżanie adiabatyczne – alternatywny sposób chłodzenia powietrza, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2017.
2. Maludziński B., Wojtas K., Nawilżanie adiabatyczne w klimatyzacji hal przemysłowych – studium przypadku, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2017.
3. Klein S.A. et al., TRNSYS 17: A Transient System Simulation Program, Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin, Madison, USA, 2010, http://sel.me.wisc.edu/trnsys.
4. TESSLibs 17: Component Libraries for the TRNSYS Simulation Environment, TESS – Thermal Energy Systems Specialists, LLC of Madison, Wisconsin USA, 2012, http://www.tess-inc.com/.
5. The MathWorks. MATLAB, 2012a, 1984–2012, http://www.mathworks.com.
6. Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków, www.mir.gov.pl/strony/zadania/budownictwo/dane-do-swiadectw-charakterystyki-energetycznej-budynkow (21.07.2015).
7. EnergyPlusTM, https://energyplus.net/weather (09.02.2017).
8. Jurinak J.J., Open Cycle Desiccant Cooling – Component Models and System Simulations, PhD Thesis, University of Wisconsin – Madison, 1982.

Czytaj też: Wentylatory – wymagania i oczekiwania dotyczące efektywności >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!