W artykule przedstawiono możliwe do uzyskania oszczędności energetyczne przy zastosowaniu nowoczesnych rozwiązań układów klimatyzacyjnych, w których wykorzystywana jest współpraca tradycyjnych systemów sprężarkowych z wymiennikiem wyparnym. W niniejszej części artykułu, podjęty został aspekt komfortu cieplnego w systemie z chłodzeniem wyparnym.

Kolejnym istotnym aspektem jest komfort termiczny użytkowników pomieszczeń. Pośredni wymiennik wyparny obniża temperaturę powietrza przy niezmiennej zawartości wilgoci, a w okresie ciepłym często niezbędne jest osuszenie powietrza zewnętrznego. Osuszenie powietrza zachodzi na chłodnicy przeponowej, gdyż temperatura ścianki chłodnicy jest niższa niż temperatura punktu rosy dostarczanego do niej powietrza. W zaprezentowanym systemie niezbędne jest zatem sprawdzenie, czy osuszenie strumienia nawiewanego na chłodnicy, które zachodzi podczas ochładzania go o wymaganą różnicę temperatury wystarczy do zapewnienia komfortu cieplnego użytkownikom pomieszczeń.

Do wyznaczenia obszaru komfortu dla temperatury i wilgotności powietrza w pomieszczeniu można posłużyć się diagramem wg [6] (rys. 7.).

Rys. 7. Obszar komfortu dla temperatury powietrza tp i wilgotności względnej ρ powietrza w pomieszczeniu wg [6]

Na potrzeby standardowych układów klimatyzacji komfortu za wystarczające uznaje się warunki „jeszcze przyjemnie” (rys. 6.). W przypadku temperatury w pomieszczeniu równej 25°C, wilgotność względna spełniająca warunki komfortu wynosi 60%. Warto odnotować, że w przypadku gdy temperatura w pomieszczeniu wynosi 24°C, dopuszczalna wartość wilgotności względnej wynosi 70%, a w przypadku 20°C – ponad 80%. Zyski wilgoci od użytkowników pomieszczeń wzrastają wraz z przyrostem temperatury, dlatego przykładowe obliczenia zostaną przedstawione dla maksymalnej temperatury rozpatrywanego biura – 25°C, gdy przyrost wilgotności jest największy.

W rozpatrywanym pomieszczeniu przebywa jednocześnie 5 osób. Zyski wilgoci dla zadanej temperatury pokoju można obliczyć na podstawie danych literaturowych [7].

Oszczędność finansowa

(...)

Wpływ ekspozycji ścian zewnętrznych na strony świata na efektywność systemu

(...)

Praca w układzie z pompą ciepła

Jedną z bardzo wielu możliwości wykorzystania pośredniego chłodzenia wyparnego do klimatyzacji jest hybrydowy system z pompą ciepła. W wymienniku wyparnym wykorzystywane są dwa strumienie powietrza, z czego jeden jest usuwany na zewnątrz (strumień pomocniczy). Przepływ ten jest zbyt wilgotny, żeby wykorzystać go do klimatyzacji, jednakże nadaje się doskonale do chłodzenia skraplacza w pompie ciepła (niska temperatura, w porównaniu do powietrza zewnętrznego). Przykładem rozwiązania wykorzystującego układ wymiennik wyparny – pompa ciepła jest jednostka H80 fi rmy Coolerado (rys. 11.).

Rys. 11. Jednostka H80 firmy Coolerado

Urządzenie H80 może pracować jako pompa ciepła do ogrzewania 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 strumień powietrza pomocniczego (lub wywiewanego).

Rys. 12. Praca urządzenia w okresie letnim na powietrzu zewnętrznym (bez recyrkulacji)

Cykl pracy jednostki w okresie letnim z wykorzystaniem wyłącznie świeżego powietrza przedstawiono na rysunku 12. 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 fi ltrowany (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, które jest następnie 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.

Schemat pracy urządzenia w pomieszczeniach klimatyzowanych, w których można wykorzystać częściową recyrkulację powietrza wywiewanego, w celu zmniejszenia zapotrzebowania na moc chłodniczą, zaprezentowano na rysunku 13. 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 fi ltrowana (2). Przepływ trafi ający do wymiennika wyparnego ma niższą temperaturę, co pozwala ograniczyć wykorzystanie układu sprężarkowego.

 Rys. 13. Praca urządzenia w okresie letnim z wykorzystaniem częściowej recyrkulacji powietrza wywiewanego

Podsumowanie

Zastosowanie nowoczesnych wymienników ciepła, wykorzystujących pośrednie chłodzenie wyparne w polskich warunkach klimatycznych może przynieść znaczące oszczędności energetyczne i fi nansowe. W niniejszym tekście przytoczono jedynie wstępne obliczenia dla jednego lokalu, do uzyskania dokładnych wyników pozwalających na oszacowanie stref racjonalnego wykorzystania tego typu rekuperatorów niezbędne jest przeprowadzenie dalszych badań z uwzględnieniem kompromisowej optymalizacji.

Na podstawie wstępnych badań ustalono:

• W typowych pomieszczeniach mieszkalnych i biurowych, w których nie występują znaczące zyski wilgoci, zastosowanie wymienników wyparnych może znacząco obniżyć moc chłodnicy, a co za tym idzie zmniejszyć koszty eksploatacyjne.
• Wymiennik wyparny może przez większość dnia kompensować zyski ciepła jawnego, niezależnie od ekspozycji okien na strony świata.
  • Możliwe jest całodzienne wyeliminowanie chłodnicy (kosztem zwiększenia strumienia powietrza wentylującego), jednakże zyski wilgoci nie zostaną skompensowane.
• Skutecznym rozwiązaniem, umożliwiającym zapewnienie komfortu termicznego użytkownikom, przy maksymalnej oszczędności, jest zastosowanie regulatora temperatury i wilgotności w pomieszczeniach do sterowania pracą klimatyzacji.
  • W przypadku, gdy użytkownik chce całkowicie wyeliminować chłodnicę, można zastosować system z większą ilości powietrza wentylującego, która pozwoli utrzymać niższą temperaturę w pomieszczeniu (im niższa temperatura, tym większa tolerancja na wilgotność względną – rys. 7.). Wiąże się to jednak ze zwiększonymi kosztami transportu strumienia nawiewanego oraz ryzykiem występowania przeciągu w pomieszczeniu (zbyt duża prędkość przepływu powietrza). W takiej sytuacji niezbędna jest detaliczna analiza na etapie projektowania obiektu.
• Wymienniki wyparne są skuteczne we współpracy z systemem chłodniczym, pracującym jako pompa ciepła w układzie nawiewno-wywiewnym. Dzięki niewielkiemu zapotrzebowaniu na moc chłodnicy oraz możliwości efektywnego ochładzania skraplacza, układ taki cechuje wyjątkowo niska energochłonność.

prof. dr hab. inż. Sergey ANISIMOV
mgr inż. Demis PANDELIDIS
Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa,
Wydział Inżynierii Środowiska,
Politechnika Wrocławska

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 03/2014

LITERATURA:

[1] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Modelowanie matematyczne nowoczesnego wymiennika do wyparnego  ochładzania powietrza we współpracy z amerykańską korporacją Coolerado. Czasopismo Techniczne. 3/2012. pp. 3–21.
[2] PANDELIDIS D.: Modelowanie procesów wymiany ciepła i masy w wymienniku z M-obiegiem stosowanym w instalacjach klimatyzacyjnych. Aktualne kierunki badań systemów inżynieryjnych. Pod red. Sergeya Anisimova. Wrocław. Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa. Wydział Inżynierii Środowiska. Politechnika Wrocławska. 2012. pp. 41–53.
[3] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Analiza pracy energooszczędnych systemów chłodniczych opartych na obiegu Maisotsenki. Badania i rozwiązania techniczne efektywnych energetycznie urządzeń chłodniczych, klimatyzacyjnych i pomp ciepła. XLIV Dni Chłodnictwa: konferencja naukowotechniczna. Poznań. 14–15.11.2012. Red. Grzegorz Krzyżaniak. Poznań. Systherm Chłodnictwo i Klimatyzacja. 2012. pp. 1–12.
[4] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Porównanie pracy pośrednich wymienników wyparnych o rożnych schematach przepływu powietrza: model matematyczny. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja. 2/2013. pp. 75–78.
[5] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Kierunki rozwoju wyparnego chłodzenia powietrza. Rynek Instalacyjny. 10/2012. pp. 64–67.
[6] LAMPE G. et all.: Projekt klimatyzacji a projekt budynku. Warszawa. 1981.
[7] PEŁECH A.: Wentylacja i klimatyzacja – podstawy. Wrocław. 2009.
[8] http://www.budujemydom.pl/