Dokładne badania pracy (niezbyt zadowalającej) pokazowej instalacji systemu chłodzenia absorpcyjnego wykazały, że bardzo powolna dynamika elementów składowych tylko w nieznacznym stopniu została uwzględniona w koncepcji regulacji. Przy pomocy wspartych symulacją studiów nad regulacją można było wykazać, iż zapotrzebowanie na ciepło dla układu regeneracyjnego można zredukować o 90%.

Otwarte systemy sorpcyjne przedstawiają sobą ciekawą technikę niezawodnej klimatyzacji budynków, gdyż wymagana energia do napędu może być pobierana przy stosunkowo niskich wartościach temperatury, przykładowo z kolektorów słonecznych lub w postaci ciepła odpadowego.

Zasada działania

W otwartym procesie sorpcyjnym, jak pokazano na wykresie h-x (rys. 1), powietrze zewnętrzne zostaje najpierw osuszone, potem schłodzone i nawilżone, aby można było uzyskać temperaturę w przedziale od 16 do 20°C. Powietrze zewnętrzne (1) jest osuszane na wirniku sorpcyjnym (2), ochładzane w wymienniku obrotowym przy pomocy nawilżonego powietrza wywiewanego z pomieszczenia (3), a następnie doprowadzone w procesie adiabatycznego nawilżania (4) do stanu wymaganego. Powietrze wy wiewane z pomieszczenia (5) zostaje nawilżone do stanu nasycenia (6), a następnie podgrzane w wymienniku obrotowym (7) za pomocą ciepłego suchego powietrza zewnętrznego (8), po czym nawilżone w wirniku sorpcyjnym opuszcza instalację jako powietrze usuwane (9). Dobra jakość procesu wynika przede wszystkim ze skutecznej wymiany ciepła między osuszonym powietrzem zewnętrznym (2) i nawilżonym powietrzem wywiewanym (6), ponieważ powietrze zewnętrzne w najlepszym wypadku może być osuszone izentalpowo i podgrzane przez energię podczas sorpcji. Dzięki wysokiej sprawności odzysku ciepła (85%), wysokiej sprawności nawilżania (95%) i wysokiej sprawności osuszania (80%), można powietrze zewnętrzne o temperaturze 32°C i wilgotności względnej 40% doprowadzić do temperatury nawiewu poniżej 16°C.

Rys. 1. Proces chłodzenia absorpcyjnego na wykresie h,x Molliera, dla zakładów w Althengstett

Opis instalacji w Althengstett

Dla klimatyzacji hali produkcyjnej wtryskarni tworzyw sztucznych w Althengstett (Badenia- Wirtembergia) zainstalowano w roku 1999 otwarty system sorpcyjny z kolektorami słonecznymi o powierzchni całkowitej 100 m2. Powierzchnia całkowita kolektorów składa się z dwóch połączonych szeregowo powierzchni cząstkowych po 50 m2 każda. Kolektory są zorientowane pod kątem 232° w kierunku południowo-zachodnim i nachylone pod kątem 30° do poziomu. Strumień powietrza nawiewanego wynosi 18 000 m3/h, a strumień powietrza regeneracyjnego 11 000 m3/h. Oprócz kolektorów o niewielkiej powierzchni, do podgrzewania powietrza regeneracyjnego można wykorzystywać ciepło odpadowe od chłodzonych maszyn (45 kW). Aby dostosować strumień powietrza w kolektorach do warunków projektowych, podzielono cały ten strumień na dwie części, tj. 6000 m3/h przez kolektory i 5000 m3/h przez obejście. Ciąg powietrza regeneracyjnego może w razie potrzeby zostać skierowany do ogrzewania hal produkcyjnych.

Ponieważ główne obciążenie chłodnicze hali jest wywołane wewnętrznymi zyskami ciepła, instalacja w okresie letnim pracuje podczas produkcji w trybie chłodzenia. Strumienie powietrza nawiewanego i regeneracyjnego pozostają stałe, przy czym temperatura powietrza regeneracyjnego jest nastawiona na 72°C. Gdy ta wartość nie może być osiągnięta, zostaje włączony system ogrzewania pomocniczego, aż do uzyskania 72°C. Kiedy w hali zostanie przekroczona wartość zadana, załącza się system kaskadowy. Najpierw włącza się nawilżacz powietrza nawiewanego, do momentu osiągnięcia maksymalnej zawartości wilgoci powietrza usuwanego równej 11,7 g/kg pow. suchego. Następnie zostaje włączony obrotowy wymiennik ciepła, nawilżacz powietrza usuwanego i w końcu wirnik sorpcyjny. Wyboru wilgotności powietrza usuwanego jako wielkości sterującej należy unikać, gdyż w hali mogą wystąpić niepożądane duże ilości wilgoci w powietrzu, mogące prowadzić do pęcznienia wyrobów z tworzywa sztucznego. Taki efekt może często występować (np. przy otwartych bramach halowych) i doprowadzać do wysokiej liczby braków produkcyjnych. Liczbę tę można zredukować o dwie trzecie dzięki działaniu klimatyzacji. Efekt ten został uwzględniony albo przy projektowaniu, albo w obliczeniach kosztów amortyzacji, dla użytkownika odgrywa on jednakże istotną rolę.

Rys. 2. Schemat systemu absorpcyjnego we wtryskarni tworzyw sztucznych w Althengstett

Wyniki monitoringu a potencjał optymalizacji (...)

Podsumowanie

Można stwierdzić iż otwarty system chłodzenia absorpcyjnego, wspierany przez energię słoneczną, w Althengstett pracuje zadowalająco. Przeciętna wartość COP w całym okresie chłodnym wynosi 1,0, a w odniesieniu do czystej regeneracji – około 0,5. Na podstawie danych opracowanych dla okresu dziewięcioletniego, możliwa była szczegółowa analiza instalacji, uaktualnienie modelu symulacyjnego oraz rozpoznanie potencjału optymalizacji systemu.

Analiza elementów składowych wykazała, że działały one zadowalająco, ich wydajność pozostawała jednak poniżej danych producenta. Dzięki symulacji systemu z uaktualnionymi modelami elementów składowych można było wykazać, że dostarczanie energii na potrzeby chłodzenia może odbywać się przy niewielkim nakładzie energii cieplnej.

Głównym problemem eksploatacji było niedostateczne uwzględnienie bezwładności działania elementów składowych oraz założenie stałej temperatury regeneracji. Stała wartość zadana prowadziła do nadmiernie wysokiego zapotrzebowania ciepła na podgrzewanie wtórne w trybie regeneracji.

Zarówno badania instalacji, jak i obliczenia symulacyjne pozwoliły na wykazanie, że zapotrzebowanie ciepła na podgrzewanie wtórne można przy nadążnej temperaturze regeneracji zmniejszyć o 90% bez pogorszenia warunków komfortu.