Inżynier Budownictwa - Wentylacja i klimatyzacja 2013 - Odzysk energii - ciepła i chłodu w instalacjach wentylacyjno-klimatyzacyjnych

Powietrze odpowiedniej jakości w zamkniętych pomieszczeniach jest bardzo istotne dla zdrowia oraz dobrego samopoczucia ludzi w nich przebywających. Przeciętny człowiek wdycha i wydycha codziennie ok. 20 000 litrów powietrza, a do dobrego samopoczucia potrzebuje ponad 30 m³ świeżego powietrza.

Wstęp

Instalacje wentylacyjne i klimatyzacyjne do swojego funkcjonowania potrzebują energii elektrycznej. Systemy z odzyskiem ciepła umożliwiają znaczne obniżenie zapotrzebowania na ciepło budynku (strefy). O opłacalności zastosowania odzysku ciepła decyduje rachunek ekonomiczny.

W nowych centralnych systemach wentylacyjnych odzysk ciepła jest rzeczą oczywistą. Zgodnie z obowiązującymi przepisami w instalacjach o wydatku nominalnym 2000 m³/h i więcej stosowanie urządzeń do odzysku ciepła jest obowiązkiem [1].

Według rozporządzenia MI [1] recyrkulacja to dopuszczalna forma odzysku ciepła. Jest to jednak zapis formalny, gdyż recyrkulacja powietrza nie jest odzyskiem ciepła, lecz formą transportu energii. Stosowanie recyrkulacji sprzyja oszczędności energii przez dostosowanie (zmniejszanie) ilości powietrza świeżego w stosunku do całkowitego strumienia powietrza wymaganego przez kryteria grzewcze czy chłodnicze. Jest też najprostszym rozwiązaniem optymalizującym pracę systemu wentylacyjno-klimatyzacyjnego.

Free-cooling jest również formą oszczędności energii na cele chłodnicze, ale nie jest odzyskiem ciepła.

Tab. Metody odzysku ciepła i energii w systemach wentylacyjno-klimatyzacyjnych

Metody odzysku ciepła

Przy budowie nowej instalacji wentylacyjnej bądź przebudowie istniejącej głównym czynnikiem decydującym o wyborze systemu odzysku ciepła jest sytuacja montażowa i dostępność miejsca. W procesach odzysku ciepła można wyróżnić rekuperację i regenerację.

Rekuperacja to proces wymiany ciepła przebiegający przy braku kontaktu powietrza nawiewanego i usuwanego z tą samą powierzchnią wymiennika.Wymiana ciepła zachodzi przez przeponę pośredniczącą. Do rekuperatorów można zaliczyć:

- wymienniki płytowe,

- wymienniki rurowe,

- urządzenia z czynnikiem pośredniczącym:

– systemy wodne, glikolowe, olejowe,

– rurki ciepła,

– sprężarkowe pompy ciepła z bezpośrednim odparowaniem.

Regeneracja jest procesem wymiany ciepła, w którym strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego naprzemiennie omywają tę samą powierzchnię wymiennika.Takie rozwiązanie umożliwia nie tylko wymianę ciepła, ale również masy – odzysk wilgoci. Do wymienników regeneracyjnych można zaliczyć:

- wymienniki obrotowe,

- złoża akumulacyjne.

Recyrkulacja jest transportem ciepłanazywana czasem formą odzysku energii cieplnej lub chłodniczej. Polega na ogrzaniu/ochłodzeniu powietrza nawiewanego przez zawrócenie części powietrza wywiewanego i zmieszaniu go z powietrzem nawiewanym w komorze mieszania. Przy stosowaniu recyrkulacji należy zachować pewien minimalny udział powietrza świeżego wynikający ze względów higienicznych. Proces ten warto stosować w obiektach wielkokubaturowych, gdzie nawiewany strumień powietrza wentylacyjnego jest większy od strumienia powietrza wynikającego z wymagań higienicznych.

Free-cooling to proces (system) wykorzystania darmowych pokładów chłodu zawartych w powietrzu zewnętrznym w chłodnych porach roku do schłodzenia powietrza wewnątrz budynku. W praktyce wykorzystanie naturalnego chłodzenia powietrza może odbywać się w sposób pośredni i bezpośredni.

Główne metody odzysku ciepła i energii w systemach wentylacyjno-klimatyzacyjnych przedstawiono w tabeli.

Główne korzyści wynikające ze stosowania odzysku ciepła/chłodu to:

- zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło i chłód, co w konsekwencji pozwala na zastosowanie mniejszych urządzeń źródłowych;

- zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych związanych z bilansem zysków i strat energii budynku.

Rys. 1 Straty ciepła w budynkach jednorodzinnych i wielorodzinnych (rys. autor)

Poprawienie parametrów energetycznych budynku skutkuje polepszeniem zarówno współczynników kosztowych inwestycji, jak i jej eksploatacji. W przypadku gdy odzysk ciepła realizowany jest w sektorze przemysłowym i technologicznym, oszczędność energii zwiększa konkurencyjność przedsiębiorstwa na wolnym rynku.

Efektywność odzysku energii

Do oceny rekuperatorów używa się wskaźnika efektywności temperaturowej odzysku ciepła E_T, nazywanego także stopniem wykorzystania różnicy temperatur:

gdzie:

t₁₁– temperatura powietrza usuwanego, [K]

t₂₁– temperatura powietrza zewnętrznego, [K]

t₂₂– temperatura powietrza nawiewanego, [K]

Temperaturową efektywność odzysku ciepła powszechnie nazywa się sprawnością temperaturową lub termiczną. Ogólnie określa ona stosunek ilości energii, jaką uzyskuje się na wyjściu jakiegoś systemu, do energii dostarczanej do niego. W przypadku zmian entalpii powietrza w regeneratorze, czyli wymiany masy (wilgoci), powyższe równanie jest niepełne i uzupełnione być powinno o wskaźnik efektywności odzysku wilgoci E_W:

gdzie:

X₁₁– wilgotność bezwzględna powietrza usuwanego, [kg/kg]

X₂₁– wilgotność bezwzględna powietrza zewnętrznego, [kg/kg]

X₂₂– wilgotność bezwzględna powietrza nawiewanego, [kg/kg]

Kolejną wielkością charakteryzującą układy odzysku ciepła jest współczynnik tzw. efektywności odzysku ciepła (energii) E_O. Jest to stosunek energii odzyskanej do energii, jaką należałoby dostarczyć w celu ogrzania powietrza wentylacyjnego. Wyrażając moc cieplną zawartą w strumieniu powietrza przez iloczyn strumienia masy powietrza i jego entalpii, efektywność odzysku energii samego wymiennika można opisać zależnością:

gdzie:

i₁– entalpia powietrza usuwanego, [kJ/kg]

i₃– entalpia powietrza zewnętrznego, [kJ/kg]

i₄– entalpia powietrza nawiewanego, [kJ/kg]

m×₁₂– strumień masy powietrza wywiewanego, [kg/s]

m×₃₄– strumień masy powietrza nawiewanego, [kg/s]

Wymagania stawiane instalacjom wentylacyjnym z odzyskiem ciepła

Przed rozpoczęciem modernizacji lub adaptacji systemu wentylacyjnego należy sprawdzić, czy spełnia on następujące wymagania:

- współczynnik odzysku ciepła na poziomie co najmniej 80%,

- niskie zużycie energii elektrycznej, poniżej 0,45 W/(m³/h),

- odpowiednia szczelność budynku – współczynnik krotności wymian powietrza n₅₀ < 0,61^h-1,

- strumień świeżego powietrza na osobę na poziomie 40 m³ (zgodnie z wymaganiami przepisów),

- niski poziom hałasu (zgodnie z wymaganiami przepisów).

Rys. 2 Udział strat ciepła przez wentylację w całkowitych stratach energii budynku [2]

Opłacalność stosowania odzysku ciepła

Stosowanie odzysku ciepła pozwala zmniejszyć wielkość instalacji, a także zredukować koszty eksploatacyjne. Jak każda inwestycja jej stosowanie kosztuje i jej celowość należy przeanalizować rachunkiem amortyzacyjnym. Czas zwrotu nie powinien przekroczyć 10 lat. Na tyle szacuje się obecnie żywotność i aktualność systemów energetycznych.

Okres zwrotu kapitału (BEP – break even point) wyznacza się przez podzielenie nakładu inwestycyjnego przez oszczędność eksploatacyjną.

Nie każda inwestycja powodująca zmniejszenie zużycia energii jest opłacalna. Dla dużych systemów należy określić, jaki wskaźnik efektywności odzysku ciepła skutkuje najniższymi kosztami eksploatacyjnymi. Szczególnie ważny jest aspekt czasu pracy systemu, który powinien być często uwzględniany.

Efektywność ekonomiczna stosowania odzysku ciepła w układach wentylacyjnych zależna jest między innymi od:

- wartości początkowej inwestycji,

- przewidywanego poziomu odzysku energii w kolejnych latach eksploatacji układu,

- zużycia energii niezbędnej do jego pracy,

- ceny energii.

W niektórych sytuacjach przy wystąpieniu niekorzystnej relacji między przewidywanymi kosztami inwestycyjnymi a rynkową ceną energii negatywny wynik rachunku efektywności ekonomicznej może spowodować odrzucenie realizacji analizowanej inwestycji. Promowanie oszczędności energii pierwotnej i ochrony środowiska mieści się w strategii polityki państwa, dlatego też istnieją mechanizmy finansowe wspomagające inwestorów w stosowaniu metod ograniczających zużycie energii pierwotnej.

Stosowanie odzysku ciepła w układach wentylacyjno-klimatyzacyjnych pozwala zaoszczędzić część energii traconej na cele higieniczne. W zależności od udziału wentylacyjnych strat ciepła w całkowitym zapotrzebowaniu budynku na ciepło (chłód) wzrasta lub maleje priorytet stosowania rekuperacji.

Budynki wielorodzinne i jednorodzinne różnią się udziałem strat ciepła przez wentylacje w całkowitych stratach energii budynku, co zostało przedstawione na rys. 1.

W zależności od rodzaju budynku, a raczej stosunku powierzchni do kubatury (A/V) udział strat ciepła przez wentylację w całkowitym zapotrzebowaniu na ciepło jest różny, a przebieg tego udziału przedstawia wykres na rys. 2.

Zalety stosowania wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła

- Lepsza jakość środowiska wewnętrznego – zużyte powietrze w budynku jest nieustannie wymieniane na świeże. Powietrze zewnętrzne jest filtrowane, a insekty, pyły, pyłki nie przedostają się do środka budynku.

- Niższe koszty ogrzewania – energia z usuwanego powietrza przekazywana jest przez wymiennik ciepła w 80% do powietrza świeżego (nawiewanego) bez wzajemnego kontaktu obu strumieni. Skutek – oszczędność kosztów ogrzewania od 30 do 50%.

- Opłacalne i ekonomiczne rozwiązanie systemowe – dzięki redukcji zapotrzebowania na ciepło możliwe jest zainstalowanie instalacji ogrzewania o mniejszej mocy. Sprawia to, że zastosowanie pompy ciepła staje się opłacalne. Instalacja gazowa oraz komin mogą być pominięte przy instalacji z pompą ciepła.

- Niski poziom hałasu w pomieszczeniach – przy wentylacji mechanicznej okna pozostają zamknięte, mimo to w pomieszczeniach jest świeże powietrze, a hałas zewnętrzny nie przenika do pomieszczeń.

- Automatyczny system sterowania – kontrolę nad niezbędną ilością powietrza wentylacyjnego przejmuje system sterowania instalacją wentylacji mechanicznej.

- Usuwanie zapachów i zanieczyszczeń – zapachy z kuchni, toalet, wilgoć z łazienki, dym papierosowy usuwane są na bieżąco na zewnątrz.

- Brak wilgoci i przykrych konsekwencji – zawartość wilgoci w powietrzu (w wyniku gotowania czy kąpieli) nie zwiększa się, gdyż jest bezpośrednio usuwana. Przykre skutki związane z jej nadmiarem, np. grzyby, pleśnie, zapachy, są eliminowane.

- Chłodzenie wentylacją – w letnie ciepłe dni możliwe jest chłodzenie wentylacją z pomocą wymienników gruntowych, wykorzystując grunt jako zasobnik chłodu.

Podsumowanie

Stosowanie układów odzysku ciepła i chłodu to nie tylko wymagania prawa, ale i wybór ekonomiczny. Jak każda inwestycja powinna zostać przeanalizowana ekonomicznie pod względem opłacalności stosowania. Układy odzysku ciepła pozwalają na zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło/chłód budynku, mają również wpływ na wzrost zapotrzebowania instalacji na energię elektryczną (dodatkowe opory, urządzenia elektryczne etc.), dlatego każdorazową inwestycję musi poprzedzać techniczno-ekonomiczna analiza.

dr inż. Maciej Danielak

kierownik działu sprzedaży Kampmann Polska Sp. z o.o.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2002 r. Nr 75, poz. 690 z późn. zm.).

2. F. D. Heidt, Bewertung der Energieeffizienz verschiedener Maßnahmen für Gebäude mit sehr geringem Energiebedarf, Universitat Siegen.

Odzysk energii - ciepła i chłodu w instalacjach wentylacyjno-klimatyzacyjnych

Zobacz także na

Tagi