Odzysk ciepła/"zimna" w centralach wentylacyjno-klimatyzacyjnych
Ocena użytkowników: / 1
SłabyŚwietny 
Data dodania: 07.09.2007

W artykule dokonano ogólnej prezentacji najczęściej wykorzystywanych systemów odzysku ciepła w klimatyzacji oraz dokonano szczegółowej analizy układów odzysku ciepła opartych na sprężarkowych pompach ciepła. W wielu opracowaniach podkreśla się jak ważny jest dobór dolnego źródła dla układów opartych na sprężarkowej pompie ciepła oraz zalety i wady poszczególnych rozwiązań. Jednak bardzo często pomija się powietrze usuwane z budynku, mogące stanowić również jedno z dolnych źródeł ciepła, a które charakteryzuje się wieloma zaletami i którego wykorzystanie w systemach klimatyzacji powoli może okazać się wręcz nieodzowne, z uwagi na obowiązującą stosunkowo od niedawna dyrektywę energetyczną. Szczególnie dotyczyć to może budynków wymagających doprowadzenia chłodu i ciepła, w tym samym czasie. 

     Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Infrastruktury zawartym w Dzienniku Ustaw nr 75/2002 w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, od końca 2002 roku odzysk ciepła z systemów wentylacyjnych został usankcjonowany w Polsce przepisami prawa. Obecnie spotykanych jest wiele metod odzysku ciepła w systemach klimatyzacyjnych. Do procesów tych możemy zaliczyć recyrkulację, rekuperację oraz regenerację. Oczywiście każdy z systemów odzysku ciepła cechuje się zaletami jak i wadami.

Metody odzysku ciepła
     Pod względem technicznym odzysk ciepła można przeprowadzić na dwa zasadnicze sposoby wykorzystując:
● systemy pracujące bez medium pośredniczącego w wymianie ciepła, tzn. przekazujących ciepło w sposób bezpośredni powietrze-powietrze,
● systemy z medium pośredniczącym, tzn. przekazującym ciepło w sposób pośredni powietrze-nośnik ciepła-powietrze.

     Wykorzystywane w systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych urządzenia do odzysku ciepła mogą realizować, w zależności od zastosowanych wymienników ciepła oraz parametrów powietrza nawiewanego i wywiewanego, proces odzysku ciepła tylko jawnego, bądź jawnego i utajonego. Do najczęściej wykorzystywanych układów bez medium pośredniczącego możemy zaliczyć recyrkulację, regeneracyjny wymiennik obrotowy oraz rekuperacyjny wymiennik przeponowy. Do grupy urządzeń wykorzystujących czynnik pośredniczący możemy zaliczyć rurki ciepła („heat pipes”), sprzężone wymienniki glikolowe lub wodne oraz pompy ciepła (sprężarkowe lub absorpcyjne). Z uwagi na ograniczony zakres opracowania dokonano krótkiej i ogólnej prezentacji poszczególnych z metod, przy czym zwrócono szczególną uwagę na jeden ze sposobów odzysku ciepła i „zimna”: sprężarkową pompę ciepła jako systemu z medium pośredniczącym - freonem.
     System ten jest prezentowany w większości publikacji, związanych z zagadnieniami odzysku ciepła, bardzo pobieżnie oraz wykorzystywany jest stosunkowo rzadko w centralach klimatyzacyjnych realizujących proces uzdatnia powietrza. Zdaniem autora niesłusznie, stąd też próba przedstawienia tej metody jako alternatywnej, cechującej się wieloma zaletami, metody odzysku ciepła z powietrza usuwanego.

Recyrkulacja powietrza usuwanego
(...)

Krzyżowo-płytowy wymiennik ciepła
(...)

Regeneratory ciepła – obrotowe wymienniki ciepła
(...)

Sprzężone wymienniki ciepła
     Na ten sposób odzysku ciepła składają się dwa ożebrowane wymienniki ciepła, z których jeden jest ulokowany w kanale powietrza wywiewanego, zaś drugi w kanale powietrza nawiewanego. Wymienniki połączone są rurociągami wypełnionymi najczęściej glikolem z uwagi na możliwość zamarznięcia wody przy niskich temperaturach powietrza zewnętrznego. W wymienniku, umieszczonym po stronie powietrza usuwanego, glikol pobiera ciepło od przepływającego powietrza i przekazuje je w wymienniku, umieszczonym po stronie powietrza nawiewanego. Przepływ glikolu wymusza pompa cyrkulacyjna, zaś płynną regulację wydajności odzysku ciepła umożliwia trójdrogowy zawór regulacyjny, który w przypadku braku potrzeby odzysku ciepła kieruje strumień objętościowy glikolu na obejście wymiennika. (...)

Rurki ciepła – „Heat pipes”
     Zasada działania tej metody odzysku ciepła polega na usytuowaniu jednego końca kilku rzędów rurek w kanale nawiewnym, zaś drugich końców w kanale powietrza usuwanego. Rurki są wewnętrznie ożebrowane w celu poprawy współczynnika przejmowania ciepła od strony czynnika niskowrzącego wypełniającego rurki. Czynnik ziębniczy umieszczony po stronie powietrza usuwanego odparowuje pobierając ciepło od powietrza. Para czynnika chłodniczego na wskutek różnicy gęstości cieczy i pary zębnika unosi się do drugiego końca rurki, gdzie na skutek kontaktu z zimnym powietrzem zewnętrznym, skrapla się oddając ciepło do świeżego powietrza zewnętrznego. Po skropleniu, czynnik ziębniczy w postaci ciekłej spływa grawitacyjnie po ściankach rurek do ich dolnej części. Dla takiego układu przekazywanie ciepła może odbywać się tylko w jednym kierunku, brak jest możliwości odzysku chłodu z powietrza usuwanego. (...)

Sprężarkowe pompy ciepła
     Układ pompy ciepła w centralach wentylacyjnych służącej do odzysku ciepła zasadniczo jest typowym sprężarkowym lewobieżnym, parowym obiegiem chłodniczym. Wyposażenie układu chłodniczego stanowią sprężarka lub sprężarki, wymienniki ciepła parowacz i skraplacz, element rozprężny oraz przewody freonowe. Jedyną różnicę w odniesieniu do standardowych obiegów stanowią wymienniki pełniące rolę zarówno parowacza jak i skraplacza oraz czterodrogowy zawór, umożliwiający zmianę kierunku przekazywania ciepła w obiegu chłodniczym.


     Na rysunku 1 i 2 przedstawiono zasadę działania urządzenia dla okresu letniego i zimowego. W okresie zimowym po stronie powietrza wywiewanego znajduje się parowacz wypełniony niskowrzącym czynnikiem chłodniczym. Powietrze usuwane o stosunkowo wysokiej temperaturze przepływa przez parowacz, na którym przekazuje ciepło do czynnika chłodniczego. Ciekły czynnik chłodniczy odparowuje pobierając ciepło od powietrza i jako para jest zasysany przez sprężarkę i tłoczony do skraplacza. Skraplacz jest umieszczony po stronie powietrza nawiewanego. Ciepło pobrane przez czynnik chłodniczy na parowaczu zostaje zwiększone o przyrost entalpii czynnika chłodniczego spowodowanego pracą sprężarki i zostaje przekazane w skraplaczu do świeżego powietrza zewnętrznego powodując jego ogrzanie. Gorąca para czynnika chłodniczego przekazując ciepło w skraplaczu skrapla się i w postaci ciekłego czynnika o wysokiej temperaturze i ciśnieniu przepływa przez element rozprężny, na którym obniża swoją temperaturę i ciśnienie. Za elementem rozprężnym znajduje się parowacz, gdzie czynnik odparowuje i kontynuuje swój obieg od początku.
     W okresie letnim następuje przestawienie położenia grzybka zaworu czterodrogowego i zmieniony zostaje kierunek przepływu czynnika chłodniczego oraz następuje zamienna praca parowacza i skraplacza. Po stronie powietrza nawiewanego znajduje się parowacz, na którym następuje schłodzenie powietrza i towarzyszącemu temu przekazywanie ciepła do ziębnika. Ciepło to jest przekazywane w skraplaczu do usuwanego powietrza z pomieszczenia, rezultatem czego jest jego podgrzanie, bez żadnych konsekwencji dla systemu klimatyzacyjnego.
     Wymienniki mogą być umieszczone bezpośrednio w strumieniu powietrza wywiewanego i nawiewanego lub poprzez dodatkowe wymienniki wodne w sposób pośredni przekazywać ciepło. Parowacz w takim systemie schładza ciecz, która odbiera ciepło od powietrza wywiewanego w wymienniku wodnym umieszczonym w strumieniu powietrza wywiewanego zaś skraplacz przekazuje ciepło do wody, która z kolei krążąc w obiegu zamkniętym przekazuje je w wymienniku wodnym umieszczonym w strumieniu powietrza nawiewanego. W systemach z odparowaniem bezpośrednim, z uwagi na brak strat związanych z zastosowaniem dodatkowych cieczy pośredniczących, sprawność energetyczna odzysku ciepła jest wyższa w odniesieniu do systemów z odparowaniem pośrednim. (...)

Porównanie krzyżowo-płytowych wymienników ciepła z sprężarkowymi pompami ciepła
     Poniżej na wykresach dokonano porównania najbardziej charakterystycznych parametrów wymienników ciepła: sprawności/efektywności oraz temperatury powietrza nawiewanego dla okresu letniego i zimowego. Wykresy oparto na danych technicznych jednego z producentów urządzeń chłodniczych i klimatyzacyjnych. Z uwagi na różnice pomiędzy realizacją odzysku ciepła przy użyciu krzyżowo-płytowych wymienników ciepła oraz sprężarkowych pomp ciepła istnieje mały problem z bezpośrednim porównaniem obu systemów. Należy rozgraniczyć tutaj dwa pojęcia: sprawności odzysku ciepła oraz efektywności energetycznej układu chłodniczego.
     Sprawność odzysku ciepła jest proporcją energii, którą można odzyskać w danym wymienniku do energii, którą teoretycznie by można odzyskać gdyby nie występowały straty. Ta definicja dotyczy raczej płytowych wymienników ciepła. Z kolei cechą charakterystyczną układów opartych na sprężarkowych pompach ciepła zasilanych energią elektryczną jest efektywność energetyczna, czyli stosunek użytecznej wydajności chłodniczej lub grzewczej do poboru mocy elektrycznej urządzenia. Aby umożliwić porównanie obu tych systemów na wykresach na rysunkach 4 i 5 posłużono się stosunkiem wydajności odzysku ciepła/chłodu do poboru mocy elektrycznej w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego. Jak widać z poniższych wykresów począwszy od temperatury powietrza zewnętrznego równej ok. 3oC oraz wyższych zastosowanie układów z pompą ciepła jest coraz bardziej efektywne eksploatacyjnie, aż do temperatury powietrza zewnętrznego równej 28oC. W przypadku dalszego wzrostu temperatury powietrza zewnętrznego różnice w efektywności obydwu systemów zmniejszają się, jednak wartości współczynników ciągle przemawiają na korzyść układów z wbudowanym odwracalnym obiegiem parowym.
     Z kolei na rysunku 6 przedstawiono porównanie temperatur powietrza nawiewanego na wyjściu z wymiennika odzysku ciepła w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego dla wymiennika płytowego oraz układu z pompą ciepła. Dane dotyczą centrali wentylacyjnej jednego z wiodących producentów o większej wydajności chłodniczej oraz większym strumieniu objętościowym powietrza; dla mniejszych wydajności i konstrukcji przeznaczonych dla budynków mieszkalnych parametry powietrza nawiewanego uzyskiwane na wyjściu z wymiennika okazują się jeszcze bardziej korzystne.
     Przyjmując jednak nawet bardziej niekorzystne parametry wartości temperatury powietrza nawiewanego na wyjściu z wymiennika można zaobserwować, iż wartości te są bardziej korzystniejsze zarówno dla okresu letniego jak i zimowego dla układów z pompą ciepła. W okresie zimowym temperatury powietrza nawiewanego dla systemu odzysku ciepła z medium pośredniczącym – pompą ciepła są wyższe niż dla krzyżowo-płytowych wymienników ciepła. Wraz ze wzrostem temperatury powietrza zewnętrznego przyrost temperatury powietrza świeżego również staje się coraz większy. W zakresie temperatur 17÷23oC układ pracuje z stopniowym zwiększaniem udziału powietrza świeżego, w celu dodatkowego zmniejszenia zużycia energii elektrycznej i wykorzystania darmowego źródła chłodu, jakim jest powietrze zewnętrzne o niskiej temperaturze. Z kolei, w okresie letnim temperatury powietrza na wyjściu z wymiennika dla wymienników z medium pośredniczącym freonem są również bardziej korzystniejsze. Niższe temperatury uzyskiwane dla pomp ciepła z bezpośrednim odparowaniem pozwalają na asymilację większych zysków ciepła z pomieszczenia.


Porównanie danych technicznych pompy ciepła oraz wymiennika krzyżowego dla rzeczywistego obiektu
(...)

Podsumowanie
     Systemy klimatyzacyjne budynków powoli przestają być postrzegane jako symbole luksusu i prestiżu budynku. Coraz wyższe temperatury powietrza zewnętrznego oraz malejące ceny urządzeń przeznaczonych do klimatyzacji (klimatyzatory typu „split”) powodują, iż proste rozwiązania klimatyzacyjne stają się podstawowym wyposażeniem każdego budynku. Następstwem tego jest przeciążenie systemów i sieci energetycznych kraju. Obecnie są poszukiwane coraz skuteczniejsze metody zmniejszenia zużycia energii przez systemy klimatyzacji. Obowiązująca stosunkowo od niedawna dyrektywa dotycząca certyfikacji energetycznej budynku sprawi, iż odzysk ciepła nie będzie obowiązywał od określonej wydajności centrali klimatyzacyjnej, ale dla każdej wydajności strumienia objętościowego tłoczonego przez centralę klimatyzacyjną. Zastosowanie pomp ciepła jako systemu odzysku ciepła jest, jak przedstawiono w artykule, jednym z alternatywnych metod odzysku ciepła z powietrza usuwanego cechujących się wieloma zaletami. Do przykładowych należą: zmniejszenie zużycia energii elektrycznej przez energochłonne systemy klimatyzacyjne oraz mniejszy wpływ na środowisko naturalne, Autor ma nadzieję, iż przedstawione zalety wpłyną na bardziej korzystny sposób postrzegania tej metody odzysku ciepła i „zimna” przez projektantów – technologów systemów klimatyzacyjnych. 

wydanie 8/2007 

 

CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:

TRADYCYJNĄ                         E-WYDANIE

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Pompy ciepła 2023-2024

  • Pompy ciepła 2021-2022

  • Pompy ciepła 2022-2023

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2022

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2023

  • Pompy ciepła 2020-2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2020

  • Pompy ciepła 2019-2020

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.