Celem publikacji jest przedstawienie w postaci teoretycznej i obliczeniowej metody projektowania systemów klimatyzacji dwuprzewodowej z ogrzewaniem powietrznym z recyrkulacją na wykresach i – x powietrza wilgotnego.

Ogrzewanie powietrzne jest efektywnym sposobem ogrzewania pomieszczeń, jednocześnie zapewniającym wysoką sprawność energetyczną. W połączeniu z klimatyzacją zapewnia użytkownikowi wysoki komfort cieplny. Charakteryzuje się małą bezwładnością cieplną, co pozwala na skrócenie czasu ogrzewania do wymaganej temperatury pomieszczeń.

Podczas eksploatacji instalacji ogrzewania powietrznego niemal cała ilość uzyskanego ciepła idzie bezpośrednio na ogrzewa-nie budynku, ponieważ nie ma czynników pośrednich, takich jak woda, grzejniki. Za pomocą recyrkulacji powietrze nie jest usuwane na zewnątrz tylko kierowane do źródła ciepła, gdzie pod-lega zmieszaniu ze świeżym powietrzem zewnętrznym i ulega ponownemu ogrzaniu. Stosowanie powietrza jako czynnika grzejnego znacząco zwiększa komfort ogrzewania w budynkach. Nawiewane ciepłe powietrze do pomieszczeń w systemach klimatyzacji jest poddawane filtracji oraz nawilżeniu, dzięki czemu można uzyskać bardzo wysoką jakość powietrza i zapewnić odpowiedni komfort cieplny [1].Brak grzejników w pomieszczeniach sprawia lepsze wraże-nie estetyczne oraz umożliwia zagospodarowanie wolnej przestrzeni. Ponadto elementy systemu nie są narażone na korozję czy odkładanie się kamienia, co zwiększa ich trwałość.

System klimatyzacji z ogrzewaniem powietrznym należy prawidłowo zaprojektować, aby uzyskać efektywną pracę systemu oraz odpowiednie parametry powietrza nawiewanego do pomieszczeń.

Celem niniejszej pracy było określenie metody projektowania procesu przebiegu zmian stanu powietrza w systemie klimatyzacji dwuprzewodowej, z ogrzewaniem powietrznym z recyrkulacją w okresie zimowym. Projektowana instalacja musi bowiem spełniać wymagania w zakresie parametrów higieniczno-sanitarnych w pomieszczeniach, a także stworzyć odpowiednie parametry powietrza dla zapewnienia komfortu cieplnego.

Ogrzewanie powietrzne jest efektywnym sposobem ogrzewania pomieszczeń, jednocześnie zapewniającym wysoką sprawność energetyczną. W połączeniu z klimatyzacją zapewnia użytkownikowi wysoki komfort cieplny. Charakteryzuje się małą bezwładnością cieplną, co pozwala na skrócenie czasu ogrzewania do wymaganej temperatury pomieszczeń.

Podczas eksploatacji instalacji ogrzewania powietrznego niemal cała ilość uzyskanego ciepła idzie bezpośrednio na ogrzewa-nie budynku, ponieważ nie ma czynników pośrednich, takich jak woda, grzejniki. Za pomocą recyrkulacji powietrze nie jest usuwane na zewnątrz tylko kierowane do źródła ciepła, gdzie pod-lega zmieszaniu ze świeżym powietrzem zewnętrznym i ulega ponownemu ogrzaniu. Stosowanie powietrza jako czynnika grzejnego znacząco zwiększa komfort ogrzewania w budynkach. Nawiewane ciepłe powietrze do pomieszczeń w systemach klimatyzacji jest poddawane filtracji oraz nawilżeniu, dzięki czemu można uzyskać bardzo wysoką jakość powietrza i zapewnić odpowiedni komfort cieplny [1].Brak grzejników w pomieszczeniach sprawia lepsze wraże-nie estetyczne oraz umożliwia zagospodarowanie wolnej przestrzeni. Ponadto elementy systemu nie są narażone na korozję czy odkładanie się kamienia, co zwiększa ich trwałość.

System klimatyzacji z ogrzewaniem powietrznym należy prawidłowo zaprojektować, aby uzyskać efektywną pracę systemu oraz odpowiednie parametry powietrza nawiewanego do pomieszczeń.

Celem niniejszej pracy było określenie metody projektowania procesu przebiegu zmian stanu powietrza w systemie klimatyzacji dwuprzewodowej, z ogrzewaniem powietrznym z recyrkulacją w okresie zimowym. Projektowana instalacja musi bowiem spełniać wymagania w zakresie parametrów higieniczno-sanitarnych w pomieszczeniach, a także stworzyć odpowiednie parametry powietrza dla zapewnienia komfortu cieplnego.

Zasady teoretyczne projektowania systemu klimatyzacji

Dane wyjściowe:

a)parametry powietrza zewnętrznego wg normy PN–76/B–03420 [2]:

• temperatura – t_Z [°C],

• wilgotność względna powietrza – φ ¡_Z [%],

• entalpia właściwa powietrza – i_Z [kJ/kg],

• zawartość wilgoci – x_Z [g/kg],

b) parametry powietrza wewnętrznego wg normy PN–78/B–03421 [3] (na przykładzie dwóch pomieszczeń):

• temperatura w pomieszczeniach P1 i P2 odpowiednio – t_P1 i t_P2 [°C] (różna dla pomieszczeń),

• wilgotność względna w pomieszczeniach P1 i P2 odpowiednio – φ_P1 i φ_P2 [%] (różna dla pomieszczeń),

c) parametry technologiczne:

• zyski ciepła całkowitego dla pomieszczeń P1 i P2 odpowiednio – Q_C1 i Q_C2 [kW] (określane dla danego obiektu),
• zyski wilgoci dla pomieszczeń P1 i P2 odpowiednio – W₁ i W₂ [kg/s] (określane dla danego obiektu) (W1
• straty ciepła dla pomieszczeń P1 i P2 odpowiednio – Q ¡STR1, QSTR2 [kW] (określone dla danego obiektu),
• strumień objętościowy powietrza wentylacyjnego dla pomieszczeń P1 i P2 odpowiednio – G₀₁, G₀₂ [m³/s] (określone dla danego obiektu w okresie letnim),niezbędny strumień objętościowy powietrza zewnętrznego  ¡zalecany ze względów higienicznych dla zapewnienia odczucia komfortu i świeżości w pomieszczeniach P1 i P2 – GZ [m³/s].

Rys. 1. Schemat systemu klimatyzacji dwuprzewodowej: 1 – przepustnica wielopłaszczowa, 2 – komora mieszania, 3 – fi ltr, 4 – nagrzewnica wstępna, 5 – komora zraszania, 6 – chłodnica (pracuje w okresie letnim), 7 – nagrzewnica wtórna (pracuje w warunkach określonych), 8 – wentylator, 9 – tłumik akustyczny, 10 – centrala nawiewna, 11 – centrala wywiewna, 12 – nagrzewnica powietrza (przewodowa), 13 – skrzynka mieszająca, 14 – nawiew powietrza, 15 – wylot powietrza, 16 – pomieszczenia

Na rysunku 1. charakterystyczne punkty stanu powietrza Z, M₁, M₂, T, O, K, N₁, N₂, P₁, P₂, odpowiadają punktom stanu powietrza na wykresie i – x powietrza wilgotnego (rys. 2.) i tak: Z – stan powietrza zewnętrznego, M₁ – stan powietrza recyrkulacyjnego po zmieszaniu strumieni powietrza wywiewanych z pomieszczeń, M₂ – stan powietrza po wymieszaniu w komorze mieszania (2) powietrza świeżego zewnętrznego i recyrkulacyjnego, T – stan powietrza po nagrzewnicy wstępnej (4), O – stan powietrza po centrali klimatyzacyjnej (10), K – stan powietrza po nagrzew-nicy przewodowej (12), N₁, N₂ – stan powietrza nawiewanego do pomieszczeń, P₁, P₂ – stan powietrza w pomieszczeniach.

W urządzeniu klimatyzacyjnym z recyrkulacją w okresie zimowym powietrze zewnętrzne zostaje wymieszane z powietrzem recyrkulacyjnym w komorze mieszania (2), po czym ogrzane jest w nagrzewnicy wstępnej (4) do temperatury, przy której zawartość ciepła w powietrzu osiągnie wartość niezbędną do adiabatycznego nawilżania. Następnie powietrze przechodzi do komory zraszania (5), gdzie zostaje nawilżone do zawartości wilgoci odpowiadającej wartości wymaganej dla powietrza nawiewanego do pomieszczenia. Całkowity strumień powietrza po wyjściu z centrali klimatyzacyjnej (10) dzieli się na dwa strumienie, gdzie jeden strumień jest nieuzdatniany, zaś drugi ogrzany w nagrzewnicy przewodowej (12). Następnie oba strumienie zostają zmieszane w skrzynkach mieszających (13) w celu uzyskania wymaganej temperatury nawiewu. Powietrze wentylacyjne o odpowiednich parametrach jest nawiewane do pomieszczeń, zaś zużyte powietrze jest wywiewane poprzez centralę wywiewną (11).

Rys. 2. Przebieg zmian stanu powietrza wilgotnego na wykresie i – x powietrza wilgotnego w okresie zimowym dla systemu klimatyzacji dwuprzewodowej przy ogrzewaniu powietrznym z recyrkulacją. M1Z – mieszanie strumieni powietrza recyrkulacyjnego i zewnętrznego w ilości niezbędnej ze względów higienicznych dla zapewnienia odczucia komfortu i świeżości w pomieszczeniach w komorze mieszania (2) (rys. 1.), M2T – ogrzewanie powietrza w nagrzewnicy wstępnej, T–O – adiabatyczne nawilżanie powietrza w komorze zraszania (5) (rys. 1.), O–K – ogrzewanie powietrza w nagrzewnicy przewodowej (12) (rys. 1.), N1P1, N2P2 – zmiana stanu powietrza w pomieszczeniach

Na wykresie i – x powietrza wilgotnego (rys. 2.) obliczenia rozpoczyna się od naniesienia zadanych parametrów powietrza zewnętrznego – punkt Z (t_Z, ϕ_Z) oraz powietrza w pomieszczeniach – punkty P₁ (t_P1, ϕ_P1) i P₂ (t_P2, ϕ_P2). Określamy współczynniki kierunkowe zmian stanu powietrza dla pomieszczeń [4]:

• dla pomieszczenia P1:

ε₁ = (Q_C1 – Q_STR1) / W₁ [kJ/kg], (1)

• dla pomieszczenia P2:

ε₂ = (Q_C2 – Q_STR2) / W₂ [kJ/kg]. (2)

Określamy niezbędne parametry podgrzanego w nagrzewnicy wstępnej i nawilżonego oraz ochłodzonego powietrza zewnętrznego po komorze zraszania (nawilżania). Do obliczeń na początku projektowania procesów zmiany stanu powietrza z wykorzystaniem wykresów i – x powietrza wilgotnego bierzemy zyski wilgoci W₁ z pomieszczenia P1, w którym one są najmniejsze (zakładano). To jest zasadniczy sposób metodyczny przyjęty przy projektowaniu podobnych systemów klimatyzacji [5, 6] dla realizacji usunięcia całkowitych zysków wilgoci z jednego z pomieszczeń i upraszczania dalej analizy procesów zmiany stanu powietrza. Analiza tego sposobu wychodzi za zakres pracy.

Określamy zawartość wilgoci powietrza nawiewanego dla pomieszczenia P1 [4]:

x_N1 = x_P1 – [W₁ / (ρ · G₀₁)] [g/kg] (3)

Na przecięciu linii x_N1 = const i linii ε₁ = const znajduje się punkt N₁ – punkt stanu powietrza nawiewanego. Odpowiednio z równaniem x_N1 = x_N2 określamy punkt N₂ – na przecięciu linii ε₂ = const i x_N1 = const. Na przecięciu linii xN1 = const i linii (φ = 0,9÷0,95) [5] znajduje się punkt O, charakteryzujący parametry powietrza nawiewanego po komorze zraszania (5) (rys. 1.).Określamy ogólną wydajność powietrza G0 dla pomieszczeń:

G₀ = G₀₁ + G₀₂* [m³/h] (4)

gdzie: G02* – nowy strumień powietrza wentylacyjnego określony w warunkach zimowych dla pomieszczenia P2 z uwzględnieniem zasad budowy zmian stanu powietrza na wykresie i – x powietrza wilgotnego:

G₀₂* = W₂ / [ρ · (x_P2 – x_N2)] [m³/h] (5)

Określamy równanie bilansu cieplnego dla strumieni powietrza nawiewanego do pomieszczeń:

i_K · 0,5 · G₀ = G₀₁ · i_N1 + G₀₂* · i_N2 – 0,5 · G₀ · i_O (6)

gdzie:

i_K – entalpia właściwa powietrza ogrzanego w nagrzewnicy przewodowej w punkcie K [kJ/kg],

i_N1 – entalpia właściwa powietrza w punkcie N₁ [kJ/kg] (odczytana z rys. 2.),

i_N2 – entalpia właściwa powietrza w punkcie N₂ [kJ/kg] (odczytana z rys. 2.),

i_O – entalpia właściwa powietrza w punkcie O [kJ/kg] (odczytana z rys. 2.),0,5 – współczynnik 0,5 dzieli strumienie powietrza w przewodach po centrali na dwa równe strumienie [7]. Stąd określamy entalpię właściwą powietrza ogrzanego w nagrzewnicy przewodowej (12) (w punkcie K) z równania bilansu cieplnego:

i_K = (G₀₁ · i_N1 + G₀₂* · i_N2 – 0,5 · G₀ · i_O) / 0,5 · G₀ [kJ/kg] (7)

Na przecięciu linii i_k = const i linii x_o = const znajduje się punkt K – konieczny stan powietrza po nagrzewnicy przewodowej (12) (rys. 1.).Temperatura w punkcie K, odczytana z wykresu i – x powietrza wilgotnego, powinna zawierać się w granicy ≤45÷50ºC. Gdy ten zakres granicy temperatury zostanie przekroczony, wówczas metoda projektowania procesów zmiany stanu powietrza wilgotnego w okresie zimowym dla systemu klimatyzacji dwuprzewodowej przy ogrzewaniu powietrznym z recyrkulacją, może być następująca:

Należy założyć w punkcie K (przy obliczonej zawartości wilgoci powietrza nawiewanego do pomieszczenia P1 – x_N1) temperaturę odpowiadającą danemu zakresowi (45÷50ºC) (rys. 3.) – to będzie nowy punkt K’.

Określamy ilości powietrza Y dogrzewanego do temperatury 45÷50ºC (tK’) z równania bilansu cieplnego:

Y · G₀ · iK’ + (1 – Y) · G0 · i_O = G₀₁ · i_N1 + G₀₂* · i_N2 (8)

gdzie:

i_K’ – entalpia właściwa powietrza ogrzanego w nagrzewnicy przewodowej w punkcie K’ [kJ/kg] (odczytana z rys. 3.).

Określamy ilość powietrza ogrzewanego do temperatury tK’:

Y = (G₀₁ · i_N1 + G₀₂* · i_N2 – G₀ · i_O) / (G₀ · i_K’ – G₀ · i_O) (9)

Parametry powietrza (punkt T, rys. 2.) po nagrzewnicy wstępnej określamy w punkcie przecięcia się linii i_O = const i linii x_M2 = const. Prowadząc przez punkt M₂ prostą xM, aż do przecięcia się z linią entalpii właściwej i_O przechodzącą przez punkt O, ustali się położenie punktu T – zakończenie procesu ogrzewania, zmieszanego powietrza zewnętrznego i recyrkulacyjnego w nagrzew-nicy wstępnej. Linia M_2T oznacza proces ogrzewania powietrza w nagrzewnicy wstępnej, linia T–O oznacza proces adiabatycznego nawilżania powietrza w komorze zraszania. Określone dwa strumienie powietrza wywiewanego z pomieszczeń P1 i P2 mieszają się ze sobą. W ten sposób powstaje punkt M1. W wyniku zmieszania się strumieni powietrza M₁ i Z powstaje punkt M₂. Parametry punktów M₁ i M₂ ustala się z wiadomych proporcji zmieszania dwóch strumieni powietrza. Wartości G₀₁, G₀₂*, G_Z są znane, a odcinek P₁P₂ odmierzamy na wykresie i – x powietrza wilgotnego w dowolnej jednostce długości.

Odmierzając od punktu P2 obliczoną długość odcinka P2M1, określamy położenie punktu M1:

P₂M₁ = (G₀₁ / G₀₂*) · P₁P₂ (10)

Położenie punktu M₂ określamy z proporcji, odmierzając obliczoną długość odcinka M1M2 od punktu

M₁:M₁M₂ = M_1Z · (G_Z / G₀) (11)

Określamy strumień wody odparowanej w okresie zimowym w komorze zraszania (5) (rys. 1.) w procesie adiabatycznym nawilżania powietrza (proces T–O, rys. 2.) wynosi [5]:

Δ_w = G₀ · (x_O –₎ · ρ [g/s] (12)

gdzie:x_O, x_T – zawartość wilgoci powietrza w punktach T i O [kJ/kg] (odczytujemy z wykresu i – x powietrza wilgotnego rys. 2.).

Przykład obliczeniowy 1 (..)

Przykład obliczeniowy 2 (..)

Wnioski

Omówiona została metoda projektowania parametrów powietrza w systemie klimatyzacji dwuprzewodowej z ogrzewaniem powietrznym na wykresach i – x powietrza wilgotnego dla okresu zimowego.

Opracowano przykład projektowania systemu klimatyzacji dwuprzewodowej z ogrzewaniem powietrznym oraz recyrkulacją powietrza dla okresu zimowego.

LITERATURA

[1] ADAMCZEWSKI A.: Ogrzewanie powietrzne. Polski Instalator, 2/2004.

[2] PN-76/B-03420: Wentylacja i klimatyzacja, parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego.

[3] PN-78/B-03421: Wentylacja i klimatyzacja, parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego.

[4] PISAREV V.: Projektowanie systemów klimatyzacji jednoprzewodowej scentralizowanej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej. Rzeszów, 2009.

[5] БЕЛОВА Р. М.: Системы кондиционирования воздуха с чиллерами и фанкойлами. Евроклимат. Moсква, 2003.[6] КОРБУТ В. П.: Методические указания к практическим занятиям по дисциплине. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. КИСИ. Киев, 1990.