Artykuł ten stanowi kontynuację cyklu rozpoczętego w nr 10/2009 Ch&K nt. efektywności energetycznej urządzeń oraz tendencji w rozwoju nowoczesnych konstrukcji urządzeń klimatyzacyjnych i wentylacyjnych. W poprzednich częściach autor omówił najnowsze osiągnięcia inżynierów w zakresie central wentylacyjno-klimatyzacyjnych. W niniejszej części, poruszone zostały zagadnienia możliwości wykorzystania agregatu chłodniczego o nowoczesnej zasadzie działania. Omawiane rozwiązanie można porównać do systemu z bezpośrednim odparowaniem czynnika pracującego ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego i w układzie z odzyskiem ciepła. Opisane poniżej urządzenie pozwala m.in. na jednoczesną pracę systemu opartego na wodzie lodowej w trybie grzania i chłodzenia w tym samym czasie i dla poszczególnych pomieszczeń w budynku.

Ogólny trend jaki rozwinął się w ostatnim czasie spowodował wzrost zainteresowania budynkami szczególnie tymi zaprojektowanymi na potrzeby komercyjne, jak również kompleksami biurowymi i hotelami. Zainteresowanie to obejmuje również zagadnienia związane z systemami klimatyzacyjnymi, które powinny uwzględniać następujące wymogi dla tego typu obiektów:

• elastyczność pracy w ciągu sezonu,
• wysokie obciążenia chłodnicze,
• autonomiczność pracy,
• prosty i szybki montaż,
• niskie koszty pracy i konserwacji oraz małe zużycie energii

Istnieje również presja z bardziej uprzemysłowionych państw, która przejawia się w postaci oficjalnych dokumentów rządowych, międzynarodowych i europejskich norm i standardów, mających na celu rozwój systemów umożliwiających minimalizację wpływu na środowisko naturalne oraz redukcję do poziomu minimum emisji zanieczyszczeń mających wpływ na efekt cieplarniany oraz warstwę ozonową. Choć istnieją również tezy potwierdzające, że działalność ludzi na Ziemii nie ma większego wpływu na potencjał tworzenia się efektu cieplarnianego (pogląd z jakim zgadza się autor), to niezaprzeczalnym jest już fakt, iż zwiększona produkcja energii elektrycznej pozostawia liczne ilości odpadów, które stanowią problem dla środowiska.

W związku z powyższym prowadzone są liczne działania zmierzające m.in. do zwiększenia efektywności urządzeń w tym klimatyzacyjnych, co powoduje nie tylko mniejszy wpływ na środowisko naturalne, ale również niższe koszty eksploatacji systemów w budynku w dobie coraz wyższych kosztów nośników energii.

Podobny trend utrzymuje się w przemyśle motoryzacyjnym, w którym prawie każdy z producentów oferuje modele samochodów o zmniejszonym zużyciu paliwa i emisji spalin.

Potrzeby nowoczesnych obiektów

Potrzeby nowoczesnych budynków można rozpatrywać dwojako: pod kątem samego obiektu, jak również wymagań stawianych urządzeniom klimatyzacyjnym, które mają zostać w nim zainstalowane.

Obiekt

Nowoczesne budynki cechują się dużym przeszkleniem elewacji, co powoduje konieczność odprowadzenia bardzo dużych ilości ciepła. Dodatkowo z uwagi, iż promieniowanie słoneczne jest zmienne w ciągu dnia powoduje to konieczność dopasowania systemu do występowania stosunkowo szybkich zmian obciążeń cieplnych w różnych strefach budynku. Do cech charakterystycznych nowoczesnych budynków możemy zatem zaliczyć:

• duże udziały przeszklonych powierzchni w elewacji budynków,
• zmienność napromieniowania słonecznego
• wysoką zmienność obciążeń endogenicznych

Powoduje to konieczność symultanicznego grzania i chłodzenia pomieszczeń w obiekcie. Cechą charakterystyczną jest również zmienność obciążenia cieplnego i chłodniczego w ciągu roku, jak również z dużą częstotliwością podczas jednego dnia oraz występowanie maksymalnych obciążeń przez określony (krótki) czas w ciągu sezonu.

Urządzenia klimatyzacyjne

Można zauważyć, iż nieodłącznymi urządzeniami klimatyzacyjnymi są urządzenia centralne, do których można zaliczyć centrale klimatyzacyjne i sprężarkowe agregaty wody ziębniczej. Centrala klimatyzacyjna przygotowuje powietrze pierwotne (zewnętrzne, higieniczne) do potrzeb systemu klimatyzacji. Jednym z procesów uzdatniania powietrza świeżego jest jego chłodzenie, co często jest realizowane z wykorzystaniem sprężarkowych agregatów chłodniczych.

Niepodważalnym jest zatem fakt iż istnieje konieczność w nowoczesnych budynkach doprowadzenia bardzo dużych ilości powietrza świeżego, wstępnie schłodzonego, co wymaga zastosowania energooszczędnych central klimatyzacyjnych i sprężarkowych agregatów wody ziębniczej.

Na rynku urządzeń klimatyzacyjnych istnieją innowacyjne i energooszczędne rozwiązania, które jeśli zostaną zastosowane na obiekcie spowodują wymierne zmniejszenie zużycia energii elektrycznej i kosztów eksploatacji systemów.

Można zauważyć, iż tradycyjne systemy centralne:

• wytwarzają moc chłodniczą i cieplną dla całego budynku,
• zarówno moc cieplna jak i moc chłodnicza jest dostarczana do różnych odbiorników zależnie od potrzeb,
• urządzenia chłodnicze i grzewcze pracują niezależnie względem siebie.

Odseparowanie pracy urządzenia chłodniczego i grzewczego jest nieefektywne, gdyż przy „produkcji” mocy chłodniczej bezpowrotnie rozprasza się ciepło do atmosfery. Ciepło to może zostać wykorzystane na cele grzewcze, znacząco redukując zapotrzebowanie mocy cieplnej kotłów.

Rys. 1. Najczęstszy przykład marnotrawienia energii cieplnej w okresie gdy występuje jednoczesne zapotrzebowanie na moc chłodniczą i grzewczą budynku. Przy produkcji mocy chłodniczej i w momencie występowania zapotrzebowania na moc grzewczą ciepło skraplania jest bezpowrotnie tracone do atmosfery zamiast zostać wykorzystane na cele grzewcze

Oszczędności energii - agregat chłodniczy

Powyższe cechy charakteryzujące nowoczesne obiekty klimatyzowane zostały dostrzeżone przez jednego z producentów urządzeń przeznaczonych do chłodnictwa i klimatyzacji. Miały one wpływ na projekt konstrukcyjny sprężarkowego agregatu chłodniczego dopasowanego do charakterystyki nowoczesnych budynków. Umożliwia ono transfer ciepła do miejsca w którym jest ono potrzebne poprzez:

• wykorzystanie urządzenia chłodniczego pracującego na potrzeby chłodnicze,
• odzyskanie ciepła, które w innych wypadkach jest bezpowrotnie tracone do atmosfery,
• wzrost ogólnej efektywności systemu i zmniejszenie zużycia energii elektrycznej.

Chroniony patentem agregat chłodniczy jest zbudowany w oparciu o wielosprężarkowy układ chłodniczy. Jak wspomniano we wcześniejszych artykułach autora układ oparty na wielosprężarkowym układzie chłodniczym ze sprężarkami typu spiralnego oraz elektronicznymi zaworami rozprężnymi pozwala na dokładne dopasowanie się pracy układu chłodniczego do zmiennych obciążeń cieplnych systemu klimatyzacyjnego przy zachowaniu przyzwoitych kosztów urządzeń. Bardziej dokładne dopasowanie do potrzeb systemu można uzyskać poprzez zastosowanie agregatów ze sprężarkami sterowanymi przemiennikiem częstotliwości, ale z uwagi na koszty inwestycyjne są one jeszcze mało popularne i z tego względu zostaną one pominięte.

Analizując pracę obiektów w których zamontowane są systemy klimatyzacji komfortu można zauważyć iż systemy te pracują przez dłuższy czas z niepełnym obciążeniem cieplnym. Maksymalne wartości projektowe występują jedynie przez krótki okres czasu w ciągu roku. Dotyczy to zarówno zapotrzebowania na moc chłodniczą jak również na moc cieplną. Analizując koszty rozwiązań wielosprężarkowych z elektronicznymi zaworami rozprężnymi w stosunku do tradycyjnych rozwiązań opartych na sprężarkach śrubowych z płynną regulacją poprzez suwak (i z zaworami termostatycznymi) można szacować oszczędności kosztów eksploatacji na poziomie ok. 50 zł na 1 kW wydajności chłodniczej agregatu w ciągu sezonu przy zastosowaniu agregatów wielosprężarkowych[1].

Korzyści wynikające z zastosowania układów wielosprężarkowych z elektronicznymi zaworami rozprężnymi uwidaczniają się nie przy pełnym obciążeniu cieplnym, lecz przy pracy z częściowym obciążeniem cieplnym. Można zauważyć iż we wzorze na obliczenie wartości wskaźnika ESEER wg EUROVENT (obrazującego efektywność przy częściowym obciążeniu cieplnym) pojawiają się wartości ważone dla poszczególnych obciążeń cieplnych. Wagi odpowiednich współczynników wynikają m.in., z czasów trwania pracy agregatów chłodniczych z danym obciążeniem cieplnym. I tak, można zauważyć że praca sprężarkowego agregatu chłodniczego z obciążeniem równym 100% posiada wagę tylko 3%, kolejno obciążenie 75% – waga 33%, obciążenie 50% – waga 41% i obciążenie 25% – waga 23%.

Rys. 2. Przykładowy wykres zapotrzebowania na moc chłodniczą (kolor niebieski) i grzewczą (kolor czerwony) w ujęciu sezonowym. Obszarem zakreskowanym zaznaczono obszary w których możliwe jest odzyskanie energii przy produkcji mocy chłodniczej i grzewczej

Rys. 3. Wykres obrazujący czas trwania i występowania danego obciążenia cieplnego budynku. Odwzoruje on potrzebę dospawania mocy chłodniczej źródła chłodu do potrzeb budynku. Można zauważyć że najdłuższe okresy występowania (90% czasu) dotyczącą obciążeń mniejszych od 60%. Przez 60% czasu występują okresy w których zapotrzebowanie mocy chłodniczej jest mniejsze od 30% wydajności znamionowej

Wielosprężarkowe agregaty chłodnicze z elektronicznymi zaworami rozprężnymi cechują się mniejszą efektywnością przy pełnym obciążeniu cieplnym, a wyższą w miarę zmniejszania się obciążenia cieplnego obiektu. Na rysunku 4 przedstawiono rzeczywiste wartości efektywności omawianego agregatu wielosprężarkowego ze skraplaczem chłodzonym cieczą dla różnych stopni wydajności pracy agregatu.

Rys. 4. U góry czas trwania pracy systemu klimatyzacyjnego z danym obciążeniem cieplnym. Z tabeli można wywnioskować że przez dłuższy czas system klimatyzacyjny pracuje ze zmniejszonym obciążeniem cieplnym. U dołu proces sekwencyjnego załączenia poszczególnych stopni regulacji wydajności w agregacie typu multiscroll ze skraplaczem chłodzonym cieczą. Efektywność układu chłodniczego wzrasta wraz ze zmniejszającym się obciążeniem cieplnym. Przez najdłuższy czas pracy agregatu system pracuje ze zwiększoną efektywnością energetyczną układu chłodniczego

Zaprojektowany agregat chłodniczy posiada skraplacz chłodzony cieczą, gdyż woda jest jednym z najlepszych dostępnych dolnych źródeł ciepła w obiektach o przedstawionej powyżej charakterystyce, gdyż:

• pozwala na korzystne warunki wymiany ciepła → powoduje wzrost ogólnej efektywności urządzenia chłodniczego przy jednoczesnym uniezależnieniu go od wpływu czynników zewnętrznych (np. niekorzystnej temperatury powietrza zewnętrznego w ekstremalnych warunkach letnich i zimowych),
• jest ona ogólnie dostępna w naturze,
• jest odnawialnym źródłem energii zgodnie z europejską dyrektywą RES

Rys. 5. Wysokie efektywności energetyczne zarówno przy pełnym i częściowym obciążeniu cieplnym w omawianym agregacie wynikają z sposobu chłodzenia agregatu (skraplacz chłodzony cieczą). W odniesieniu do podobnej konstrukcji agregatu ale ze skraplaczem chłodzonym powietrzem obserwuje się o 37% wyższe wskaźniki ESEER

Zasada działania (...)

Charakterystyka typoszeregu (...)

Porównanie do zbliżonych rozwiązań na rynku (...)

Analiza zastosowania (...)

Podsumowanie

Z uwagi, iż omawiane rozwiązania są chronione patentem autor omówił je w taki sposób nie naruszyć prawa patentowego, a jednocześnie zachęcić projektantów i inwestorów do stosowania omówionych nowoczesnych rozwiązań. Oczywiście nie należy zapomnieć, że spotykane są budynki o różnej charakterystyce, jeśli jednak omawiane urządzenia zostały dla części z nich specjalnie zaprojektowane to powinny one być w nich stosowane.