W artykule przedstawiono wybrane rozwiązania energooszczędne stosowane w systemach klimatyzacyjnych. Zaprezentowano systemy wykorzystujące pośrednie i bezpośrednie wymienniki wyparne, stosujące pompy ciepła oraz wykorzystujące energię promieniowania słonecznego (kolektory słoneczne i panele fotowoltaiczne).

Szerokie zastosowanie konwencjonalnych urządzeń chłodniczych w klimatyzatorach, wykorzystujących układy sprężarkowe, łączy się ze znacznymi stratami energetycznymi i, jako dodatkowe źródło zanieczyszczeń cieplnych i chemicznych środowiska naturalnego, stanowi określone niebezpieczeństwo ekologiczne. W związku z tym, istotne staje się zadanie częściowej wymiany urządzeń chłodniczych i obniżenie poziomu kosztów eksploatacyjnych poprzez zastosowanie alternatywnych źródeł energii. Z tego powodu rozpoczęto badania nad nowymi, innowacyjny-mi i potencjalnie przydatnymi obiegami termodynamicznymi, mogącymi przyczynić się do ograniczania zużycia energii pozyskiwanej ze szkodliwych ekologicznie paliw kopalnych.

Większość energii w budynkach, w klimacie zbliżonym do klimatu występującego w naszym kraju, jest wykorzystywana na pokrycie potrzeb związanych z ogrzewaniem i wentylacją pomieszczeń. W najbliżej przyszłości energetyka konwencjonalna nie będzie już w stanie pokryć rosnących potrzeb energetycznych świata, głównie ze względu na ograniczone zasoby paliw konwencjonalnych oraz postępujące niszczenie środowiska naturalnego. Stąd technologie pozwalające pokryć potrzeby energetyczne w sektorze typowego budownictwa powinny dążyć do optymalnego wzrostu efektywności użytkowania energii. Istotnym kierunkiem rozwoju jest zwiększenie udziału odnawialnych źródeł energii. W artykule opisano systemy wykorzystujące energię promieniowania słonecznego oraz nierównowagę termodynamiczną powietrza atmosferycznego jako alternatywne źródła energii.

Wykorzystanie nierównowagi termodynamicznej powietrza atmosferycznego

Najszerzej na świecie dostępnym źródłem energii odnawialnej do celów chłodniczych jest suche powietrze i woda. Do wyparnych urządzeń chłodniczych zalicza się układy oparte na bezpośrednim i pośrednim odparowaniu czynnika chłodniczego – wody [1]. Ochładzanie powietrza za pomocą parowania jest procesem wymiany ciepła i masy pomiędzy cieczą a gazem, który to proces odbywa się przy przeważającej roli parowania powierzchniowego cieczy. Przy bezpośrednim ochładzaniu powietrza za pomocą parowania (występującym np. w komorach zraszania central wentylacyjnych), powietrze kontaktuje się z wodą, co doprowadza do obniżenia jego temperatury i zwiększenia zawartości wilgoci przy praktycznie niezmiennej entalpii. Z tego powodu wydajność chłodnicza urządzeń wyparnych bezpośrednich (odniesiona do ciepła całkowitego) jest równa zeru. Pośrednie ochłodzenie za pomocą parowania jest procesem, podczas którego powietrze nie ma bezpośredniego kontaktu z wodą, a jego chłodzenie odbywa się poprzez powierzchnię wymiennika ciepła (rys. 1.). W tym przypadku występują dwa strumienie powietrza: pierwszy (nazywany głównym) przepływa przez suchą część wymiennika i obniża swoją temperaturę przy niezmiennej zawartości wilgoci, po czym jest dostarczany do użytkowników pomieszczeń (przemiana A–B rys. 1c), drugi (nazywany pomocniczym lub roboczym) płynie kanałem pomocniczym, w którym zachodzi parowanie cieczy i akumuluje w sobie ciepło od przepływu głównego, po czym jest usuwany na zewnątrz (przemiana A–B’ rys. 1c). W takich wymiennikach ciepła proces ochładzania strumienia głównego powietrza odbywa się w suchych kanałach wypełnienia, przy obniżającej się entalpii i niezmiennej zawartości wilgoci, kosztem parowania wody w przyległych kanałach, wzdłuż których przepływa strumień pomocniczy powietrza. Realizacja pośredniego ochładzania powietrza przez odparowanie (w odróżnieniu od bezpośredniego ochładzania powietrza) daje możliwość pełnego wykorzystania nierównowagi termodynamicznej powietrza atmosferycznego do wytwarzania chłodu, ponadto nowoczesne wymienniki pośrednie cechuje wyższa skuteczność niż jednostki bezpośrednie, co w połączeniu z możliwością lepszej asymilacji zysków wilgoci w pomieszczeniach przez powietrze nawiewane czyni rekuperatory pośrednie bardziej atrakcyjnymi dla inwestorów i inżynierów.

Pośrednie wymienniki wyparne mogą być wykorzystywane jako indywidualne jednostki chłodnicze oraz jako element bardziej złożonych systemów klimatyzacyjnych. W poniższych podpunktach zaprezentowane zostaną wybrane układy klimatyzacyjne z pośrednimi rekuperatorami wyparnymi.