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.

Zastosowanie pomp ciepła – systemy hybrydowe

Jedną z bardzo wielu możliwości wykorzystania pośredniego chłodzenia wyparnego do klimatyzacji jest hybrydowy system z pompą ciepła. Jest to kompaktowe urządzenie do klimatyzacji pomieszczeń, łączące tradycyjny układ sprężarkowy, oparty na chemicznym czynniku chłodniczym (R410A) z pośrednim wymiennikiem wyparnym, który wykorzystuje zjawisko nierównowagi termodynamicznej powietrza do pozyskiwania odnawialnej energii. Rozwiązanie to pozwala na szersze zastosowanie proponowanej jednostki w bardziej wilgotnych strefach klimatycznych oraz w obiektach o wymaganej dużej mocy chłodniczej. Dzięki zastosowaniu chłodnicy z bezpośrednim odparowaniem R410A możliwe jest osuszanie powietrza w układach z pełną klimatyzacją. Przykładem tego typu rozwiązania może być jednostka H80 firmy Coolerado (rys. 2.).

Rys. 1. Pośrednie urządzenia wyparne: a) pośredni cykl chłodzenia wyparnego (1 – para wodna; 2 – ciepło jawne); b) przeciwprądowy pośredni wymiennik wyparny (A – parametry wejściowe przepływu głównego i pomocniczego; B– parametry wyjściowe przepływu głównego; B’– parametry wyjściowe przepływu pomocniczego); c) ilustracja przemian zachodzących w trakcie realizowania pośredniego chłodzenia wyparnego na wykresie Molliera

Urządzenie H80 może pracować jako pompa ciepła do ogrzewania powietrznego w okresie zimnym z opcją rozbudowy o nagrzewnicę wodną. Praca pompy ciepła przebiega wbrew naturalnemu kierunkowi przepływu ciepła (od temperatury niższej do wyższej). Jest to możliwe dzięki dostarczonej do układu energii za pomocą sprężarki. Dolnym źródłem dla pompy ciepła jest zatem strumień powietrza wywiewanego. Maksymalna wydajność chłodnicza wynosi 17,6 kW, natomiast maksymalna moc grzewcza urządzenia to 44,0 kW. Strumień powietrza klimatyzującego w przypadku jednostki H80 równy jest 2 700 m3/h.

Rys. 2. Jednostka H80 firmy Coolerado

Rys. 3. Wymiennik ciepła i masy realizujący pośrednie chłodzenie wyparne: a) wypełnienie wymiennika; b) schemat przepływu powietrza przez wymiennik

Na rysunku 3a pokazano wypełnienie wymiennika ciepła i masy. Konstrukcja wymiennika opiera się na materiale porowatym, w którym woda rozprowadzania jest równomiernie za pomocą sił kapilarnych. Eliminuje to obecność dysz zaburzających przepływ powietrza. Pośredni wymiennik wyparny wykorzystujący M-obieg (obieg Maisotsenki patrz obok) pozwala na schłodzenie powietrza poniżej temperatury termometru mokrego [2]. Strumień powietrza jest dzielony na przepływ główny oraz przepływ pomocniczy. W kanale suchym powietrze realizuje pośrednie chłodzenie wyparne, co obniża jego temperaturę bez zmiany zawartości wilgoci (rys. 3b). Dzięki zastosowaniu perforacji do mokrych kanałów napływa powietrze wstępnie ochłodzone, które nawilżając się, obniża swoją temperaturę (rys. 3b). Cykl pracy jednostki w okresie letnim z wykorzystaniem wyłącznie świeżego powietrza przedstawiono na rysunku 5. Strumień powietrza zewnętrznego, którego temperatura może wynosić nawet 40°C (warunki obliczeniowe dla większości krajów UE zakładają temperaturę równą 30°C, jednakże w okresie ciepłym często jest ona przekraczana), jest czerpany, następnie przepływa przez przepustnicę (1) i przed wlotem do wymiennika jest filtrowany (2). W pośrednim wymienniku ciepła i masy strumień powietrza jest dzielony na dwie części, które realizują pośredni obieg chłodniczy Maisotsenki (3). Przepływ główny jest dodatkowo schładzany na chłodnicy w układzie sprężarkowym, co pozwala również na jego osuszenie (5). W tak skonstruowanym urządzeniu możliwe jest obniżenie temperatury powietrza z 43°C do temperatury powietrza nawiewanego równej nawet 13°C. Następnie powietrze jest rozprowadzane siecią kanałów do użytkowników (6). Należy zaznaczyć, że ograniczeniem efektywności urządzenia jest poziom zawartość wilgoci w strumieniu zewnętrznym. Powietrze pomocnicze po realizacji procesów wymiany ciepła i masy w typowym rozwiązaniu jest usuwane z układu. W prezentowanym systemie fakt, że temperatura przepływu roboczego jest niższa niż otoczenia został wykorzystany do poprawienia sprawności układu sprężarkowego – przepływ pomocniczy wykorzystywany jest do chłodzenia skraplacza (7). Następnie powietrze jest usuwane na zewnątrz za pomocą wentylatora wywiewnego.

Rys. 5. Praca urządzenia Coolerado H80 w okresie letnim wyłącznie na powietrzu zewnętrznym nawiewanym do klimatyzowanego pomieszczenia

Rys. 6. Praca urządzenia Coolerado H80 w okresie letnim z wykorzystaniem częściowej recyrkulacji powietrza wywiewanego z klimatyzowanego pomieszczenia

Schemat pracy urządzenia w pomieszczeniach klimatyzowanych, w których można wykorzystać częściową recyrkulację powietrza wywiewanego, w celu zmniejszenia zapotrzebowania na moc chłodniczą, zaprezentowano na rysunku 6. Zawracane powietrze w pomieszczeniach bytowych ma temperaturę 25÷26°C, jest ono wprowadzane do układu, jego ilość jest zależna od chwilowych potrzeb użytkowników, za sterowanie recyrkulacją odpowiada przepustnica z siłownikiem (1). Strumień wywiewany miesza się z powietrzem zewnętrznym, po czym całość jest filtrowana (2). Przepływ trafiający do wymiennika wyparnego ma niższą temperaturę, co pozwala ograniczyć wykorzystanie układu sprężarkowego.

W tradycyjnym układzie chłodniczym, opartym na bezpośrednim odparowaniu chemicznego czynnika chłodniczego w przedstawionych warunkach pracy wymagana różnica temperatury pomiędzy skraplaczem i parowaczem wynosiłaby 30°C [2]. W układzie hybrydowym, dzięki pośredniemu wymiennikowi wyparnemu, który wykorzystuje nierównowagę termodynamiczną powietrza atmosferycznego do pozyskiwania odnawialnej energii chłodniczej, uzyskuje się znacznie mniejszą różnicę temperatury w porównaniu do autonomicznego układu sprężarkowego. Wynika stąd mniejsze zapotrzebowanie na pracę elektrycznie napędzanej sprężarki, co pozwala na efektywniejszą pracę, poprzez osiągnięcie wyższego współczynnika COP (wg danych producenta współczynnik wynosi COP=6÷15 [2]) oraz obniżenie zużycia energii.

Wykorzystanie ogniw fotowoltaicznych

Indywidualne jednostki klimatyzacyjne, wykorzystujące pośrednie wymienniki wyparne, cechują się bardzo niskim zużyciem energii elektrycznej. Prąd zużywany jest jedynie na napęd wentylatora oraz pompy, dostarczającej wodę do rekuperatora (chłodnicy). Dzięki niskiemu zużyciu energii elektrycznej (brak sprężarek, zaworów regulacyjnych etc.) możliwe jest całkowite pokrycie zapotrzebowania na prąd przez energię wytwarzaną z ogniw fotowoltaicznych. Jako przykład wykorzystana zostanie jednostka M30 firmy Coolerado. (…)

Solarne systemy klimatyzacyjne SDEC
Solarne systemy klimatyzacyjne SDEC (solar desiccant and evaporative cooling) stanowią przykład rozwiązań systemówDEC (desiccant and evaporative cooling), w których do ogrzania powietrza służącego, do regeneracji czynnika sorpcyjnego, zamiast konwencjonalnego ciepła, wykorzystana jest energia promieniowania słonecznego [3]. Zasada działania tradycyjnego systemu solarnego została omówiona obok.
W okresie zimowym rotor nie jest wykorzystywany i czerpany strumień płynie bypassem. Istnieje możliwość recyrkulacji strumienia wywiewanego, który przepływa przez kolektory słoneczne lub, gdy sytuacja na to nie pozwala, istnieje możliwość zassania części strumienia zewnętrznego w taki sposób, by przepłynął przez instalację solarną. W ten sposób ograniczane jest zużycie energii przez system. Urządzenia solarne cechuje stosunkowo duża efektywność, jednak dąży się do jej podwyższenia [5]. (…)
Solarne systemy klimatyzacyjne SDEC z gruntowym wymiennikiem ciepła (…)

Wstępne ochładzanie powietrza
Kolejna możliwością wykorzystania pośredniego ochładzania wyparnego jest wstępne ochładzanie powietrza dla jednostek typu rooftop (rys. 14.). Rekuperatory wyparne obniżają temperaturę świeżego powietrza, stając się chłodnicą pierwszego stopnia. W przypadku, gdy w klimatyzowanym obiekcie występują maksymalne zyski ciepła, strumień nawiewany jest dodatkowo schładzany w jednostce rooftop na chłodnicy przeponowej. W czasie częściowego obciążenia cieplnego klimatyzatory wyparne pracują jako moduł do freecoolingu: powietrze prowadzone jest bypassem omijającym chłodnicę. Moc chłodnicza rekuperatorów wystarcza na pokrycie większości z całodniowego zapotrzebowania dla typowych obiektów handlowych i użyteczności publicznej [2]. Dodatkowo, nawilżone powietrze pomocnicze może być skierowane na skraplacz, zwiększając efektywność jego ochładzania (przepływ roboczy ma niższą temperaturę niż otoczenie). 

Rys. 14. Pośrednie jednostki wyparne jako chłodnica pierwszego stopnia dla jednostki rooftop

Podsumowanie
Normal 0 21 false false false PL X-NONE X-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:Standardowy; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-qformat:yes; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin-top:0cm; mso-para-margin-right:0cm; mso-para-margin-bottom:10.0pt; mso-para-margin-left:0cm; line-height:115%; mso-pagination:widow-orphan; font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family:"Times New Roman"; mso-bidi-theme-font:minor-bidi; mso-fareast-language:EN-US;} W artykule przedstawiono możliwości wykorzystania nierównowagi termodynamicznej powietrza atmosferycznego, jako alternatywne źródło energii chłodniczej. Należy podkreślić korzyści oraz szeroka gamę zastosowań pośrednich rekuperatorów wyparnych. W klimatyzacji można częściowo ograniczyć stosowanie sprężarkowych układów chłodniczych napędzanych energią elektryczną poprzez zastosowanie kompaktowych jednostek wyparnych. W celu wyeliminowania podstawowej wady chłodzenia wyparnego – braku możliwości osuszania powietrza, można zastosować hybrydowe systemy wykorzystujące pompy ciepła. Układy z ogniwami fotowoltaicznymi oraz kolektorami słonecznymi mogą wiązać się ze znacznym nakładam inwestycyjnym, ale może on zostać zrekompensowany niższymi kosztami eksploatacyjnymi (w porównaniu z systemami konwencjonalnymi) oraz potencjalnym dofinansowaniem, mającym na celu promocję odnawialnych źródeł energii (np. fundusze UE). Chłodzenie wyparne może znaleźć również zastosowanie w precyzyjnej klimatyzacji, na potrzeby pomieszczeń, które wymagają bardzo niskiej temperatury i niskiej wilgotności powietrza nawiewanego. W tym przypadku dużą skutecznością cechują się układy SDEC, współpracujące z wymiennikiem gruntowym. W przypadku obiektów handlowych o dużych obciążeniach cieplnych, pośrednie urządzenia wyparne mogą zostać wykorzystane jako chłodnica wstępna oraz moduł do freecoolingu, dzięki czemu możliwe jest znaczące ograniczenie kosztów eksploatacyjnych. Ponadto pośrednie chłodzenie wyparne znajduje zastosowanie w nowoczesnych konstrukcjach wież chłodniczych, dry coolerów, odsalaniu wody morskiej i wielu innych gałęziach przemysłu i gospodarki. Można zatem stwierdzić, że niezbędne są dalsze badania nad tą dziedziną techniki klimatyzacyjnej, w celu opracowania najlepszych i najskuteczniejszych technologii dla polskiej stefy klimatycznej. 

LITERATURA:

[1] TURSKI M., SEKRET R.: Systemy klimatyzacji budynków zasilane energią promieniowania słonecznego. Budownictwo i Inżynieria Środowiska. 1/2010. s. 79-83.

[2] Materiały firmy COOLERADO INC.

[3] BESLER M., KOWALSKI P., KWIECIEŃ D., SCHWITALLA A.: Solarne systemy klimatyzacyjne SDEC. Instal 1/2008. s. 36-41.

[4] KWIECIEŃ D.: Kolektory słoneczne w solarnych systemach klimatyzacyjnych. 18-19 marca 2009. Forum Wentylacja, Salon Klimatyzacja 2009. Warszawa.

[5] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Poprawa efektywności solarnych układów klimatyzacyjnych. Rynek Instalacyjny 7-8/2012. s. 69-74.

[6] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Modelowanie matematyczne wymienników do pośrednie-go ochładzania powietrza za pomocą parowania cieczy o krzyżowym układzie przepływu czynników. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja. 8/2012. s. 315-320.

[7] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Współpraca gruntowego wymiennika ciepła z solarnymi układami klimatyzacyjnymi opartymi na pośrednim wymienniku wyparnym. Rynek Instalacyjny 12/2012. pp. 63-67.