Monoblokowe centrale przeznaczone do przygotowania powietrza świeżego
Monoblokowe urządzenia przeznaczone do przygotowania powietrza świeżego to centrale klimatyzacyjne uzdatniające powietrze pierwotne, czyli pracujące tylko i wyłącznie na powietrzu świeżym. Urządzenie to usuwa zużyte powietrze z pomieszczeń na zewnątrz budynku, a do pomieszczenia wprowadza świeże powietrze zewnętrzne odpowiednio oczyszczone i uzdatnione. Do zalet tego rozwiązania należy:
– Możliwość zastosowania filtrów elektronicznych po stronie powietrza zewnętrznego działających jak wysokosprawne filtry elektrostatyczne obniżających do minimum zawartość bakterii, wirusów, dymu i kurzu. Ich zastosowanie powoduje redukcję kosztów eksploatacyjnych związanych z wentylacją, gdyż tego typu filtry cechują się bardzo niskimi oporami po stronie powietrza przy zachowaniu bardzo wysokiej sprawności w klasie hepa (H10). Niższe koszty eksploatacji wynikają również z faktu, iż przy zabrudzeniu powierzchnia filtracyjna filtrów elektronicznych może zostać wyczyszczona pod bieżącym strumieniem wody, podczas gdy przy filtrach tradycyjnych występuje konieczność ich wymiany przy ich zabrudzeniu.
– W przeciwieństwie do tradycyjnych systemów zastosowany wysokoefektywny termodynamiczny odzysk ciepła odzyskuje przez cały sezon energię zawartą w powietrzu usuwanym z pomieszczeń, a następnie zwiększa ją wielokrotnie poprzez zastosowanie technologii pompy ciepła i przekazuje ją do powietrza uzdatnianego.
– Dzięki monoblokowej konstrukcji wszystkie niezbędne komponenty są zawarte wewnątrz urządzenia, co powoduje uproszczenie systemu i podwyższenie jego efektywności. Dodatkowo zastosowanie układu pompy ciepła powoduje ograniczenie konsumpcji zużycia energii elektrycznej i kosztów pracy systemu klimatyzacyjnego. Zużycie energii pierwotnej może zostać zmniejszone nawet o 50%.
Wewnątrz urządzenia zamontowane są wszystkie niezbędne do pracy elementy konstrukcyjne:
– wentylator nawiewny i wyciągowy,
– sekcja nawiewna i wywiewna są od siebie odseparowane stalową przegrodą,
– komponenty układu pompy ciepła (sprężarki, zawór rozprężny, panel elektryczny i elektroniczny) są rozlokowane oddzielnie względem siebie i łatwo dostępne do przeprowadzenia nawet prostych czynności serwisowych.
Budowę i konstrukcję przykładowej monoblokowej centrali przygotowującej powietrze pierwotne przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Budowa przykładowej monoblokowej centrali klimatyzacyjnej przeznaczonej do przygotowania powietrza świeżego, wyposażonej w aktywny termodynamiczny odzysk ciepła (pompę ciepła)
Przed wyrzuceniem powietrza na zewnątrz powietrze usunięte z pomieszczeń przepływa przez wymiennik zewnętrzny (skraplacz w okresie letnim; parowacz w okresie zimowym). Aktywny termodynamiczny obieg chłodniczy odzyskuje ciepło z powietrza usuwanego w okresie zimowym (chłód w okresie letnim) i przekazuje je do powietrza świeżego dostarczanego do obsługiwanych pomieszczeń w budynku.
W okresie letnim zewnętrzny wymiennik D pracuje jako skraplacz. Moc chłodnicza wytworzona przez układ odzysku jest przekazywana do strumienia powietrza świeżego na wymienniku C umieszczonym w sekcji uzdatniania.
W okresie zimowym obieg chłodniczy zostaje odwrócony i tym samym wymiennik zewnętrzny D pracuje jako parowacz. Wymiennik C umieszczony w sekcji uzdatniania przekazuje wytworzoną moc cieplną do powietrza świeżego.
W okresie przejściowym urządzenie pracuje w trybie free-coolingu, dostarczając świeże powietrze zewnętrzne do pomieszczeń, pracując tylko z załączonymi wentylatorami, bez aktywacji sprężarek w układzie chłodniczym, tym samym w większym stopniu oszczędzając energię elektryczną.
Stopniowe wyłączanie sprężarek typu scroll powoduje wzrost efektywności energetycznej układu chłodniczego
Rys. 2. Aktywny termodynamiczny odzysk ciepła oprócz bardzo wysokiej efektywności przy maksymalnym obciążeniu cieplnym cechuje się jeszcze wyższą efektywnością energetyczną zarówno w trybie grzania, jak i chłodzenia w warunkach częściowego obciążenia cieplnego. Stopniowa sekwencyjna dezaktywacja poszczególnych sprężarek powoduje zatem dalszy wzrost efektywności
Ze względu na to, iż maksymalne zapotrzebowanie na moc chłodniczą jest wymagane tylko przez krótki okres, fundamentem pracy urządzeń staje się uzyskanie wysokich efektywności dla warunków częściowego obciążenia cieplnego. Najnowsze konstrukcje wykorzystują wysokosprawne sprężarki typu spiralnego (scroll). Zalety tego typu rozwiązania można opisać w sposób następujący:
– sprężarki wytwarzane na skalę przemysłową posiadają określone procedury kontrolne i wysoką niezawodność dzięki dużej skali produkcji,
– obieg chłodniczy wykorzystuje dwie różnej wielkości sprężarki pozwalające na uzyskanie trzech stopni regulacji wydajności, dla bardziej dokładnej regulacji. Tym samym możliwe jest doprowadzenie tylko takiej mocy elektrycznej, jaka jest wymagana.
Ponadto można zwrócić uwagę, że efektywność wzrasta o ponad 50% podczas pracy z częściowym obciążeniem cieplnym, dzięki dostępnej większej powierzchni wymiany ciepła.
Zastosowanie monoblokowych central klimatyzacyjnych zostało omówione przez autora w wielu publikacjach [np. 5, 6, 7]. Korzyści wynikające z tego typu rozwiązań wynikają po pierwsze z bardzo wysokich efektywności energetycznych wynikających z korzystnych temperatur dla pracy układu pompy ciepła, po drugie z uwagi na dużo niższe spadki ciśnienia na wymienniku odzysku ciepła z powietrza usuwanego, które w centrali wyposażonej w układ termodynamicznego odzysku ciepła stanowią ok. 10% wartości spadków dla wymiennika płytowo-krzyżowego.
Rys. 3. Centrala dachowa typu roof-top z wbudowanym układem pompy ciepła jako systemem odzysku ciepła z powietrza usuwanego. Wymiennik zewnętrzny omywany strumieniem powietrza usuwanego z pomieszczeń, co powoduje zwiększenie efektywności układu chłodniczego oraz wysłużenie warunków pracy okresach ekstremalnych temperatur letnich i zimowych. Ze względu na wypływ powietrza usuwanego od dolnej strony wymiennika zapobiega to tworzeniu się lodu na powierzchni wymiennika, gdy urządzenie pracuje w trybie pompy ciepła
Rys. 4. Schemat dopasowania wydajności chłodniczej centrali typu roof-top wyposażonej w wielosprężarkowy układ chłodniczy wraz ze sprężarką typu digital scroll do aktualnego obciążenia cieplnego pomieszczenia. Sprężarka C1 jest sprężarką o płynnej regulacji wydajności – digital scroll. W miarę dalszego wzrostu zapotrzebowania na moc chłodniczą zostają dołączane kolejne sprężarki o stałym wydatku w dwóch układach chłodniczych
Rys. 5. Wykres obrazujący precyzję dotrzymania zadanej wartości temperatury powietrza dla central typu roof-top wyposażonych w tradycyjne rozwiązania ze sprężarkami o stałym wydatku i zasadzie regulacji załącz/wyłącz oraz układy chłodnicze wyposażone w sprężarkę o płynnej regulacji wydajności typu digital scroll
Rys. 6. Centralne urządzenie klimatyzacyjne typu roof-top przeznaczone do współpracy z pierścieniową instalacją hydrauliczną WLHP. Wersja konfiguracyjna z dwoma wentylatorami: nawiewnym i wyciągowym oraz pompą ciepła typu woda-powietrze
Rys. 7. Zasada działania aktywnego odzysku chłodu z powietrza usuwanego dla okresu letniego w połączeniu z pracą centrali w układzie pierścieniowym WLHP. Zastosowanie aktywnego termodynamicznego odzysku ciepła powoduje zwiększenie efektywności systemu oraz zmniejszenie obciążenia cieplnego centralnego źródła chłodu, jakim jest wieża chłodnicza typu zamkniętego, i w rezultacie redukcję kosztów inwestycyjnych związanych z zakupem wieży
Rys. 8. Zasada działania aktywnego odzysku ciepła z powietrza usuwanego dla okresu zimowego w połączeniu z pracą centrali w układzie pierścieniowym WLHP
Dla porównania w tradycyjnych układach przygotowania powietrza skraplacz układu chłodniczego w okresie letnim jest omywany powietrzem o temperaturze zewnętrznej np. 32OC, w omawianej konstrukcji centrali temperatura powietrza na skraplaczu odpowiada temperaturze powietrza usuwanego z pomieszczeń, tj. ok. 24–26OC. Jak wiadomo, efektywność energetyczna układu chłodniczego jest tym wyższa, im niższa jest temperatura skraplania w obiegu chłodniczym. O ile tradycyjne układy schładzania powietrza cechuje efektywność energetyczna układu chłodniczego określona współczynnikiem EER na poziomie 2,5–3,5, o tyle w omawianej konstrukcji centrali efektywność ta wynosi od ok. 4,0 do 6,0. Powyższe wartości dotyczą pełnego obciążenia cieplnego. Dla warunków częściowego obciążenia cieplnego wartości wskaźników EER będą jeszcze wyższe! Z kolei efektywności energetyczne określone w okresie zimowym przez wskaźniki COP są jeszcze wyższe niż wartości EER i oscylują wokół wartości ok. 5,0–8,0. Żadne dostępne na rynku sprężarkowe urządzenie chłodnicze (klimatyzacyjne) nie pracuje osiągając podobnych wartości.
Występujące zmniejszone opory wewnętrzne centrali wpływają na zmniejszone zapotrzebowanie energii elektrycznej przez układ wentylacyjny. Jak wynika z wielu analiz autora, ma to bardzo duże znaczenie, gdyż 40–50% zużycia energii elektrycznej przez centrale na wielu obiektach jest związane z pracą wentylatorów. Pozostałe wyposażenie, takie jak wentylatory z elektronicznie komutowanymi silnikami, filtry elektroniczne, powoduje dalsze oszczędności energetyczne.
Centrale dachowe typu roof-top
W tym zakresie urządzeń oszczędności można dopatrywać się w zastosowaniu układu aktywnego termodynamicznego odzysku ciepła i usytuowaniu wymiennika skraplacza częściowo w strumieniu powietrza usuwanego (podobnie jak w monoblokowych centralach do przygotowania powietrza świeżego), rezultatem są wysokie efektywności energetyczne EER i COP, małe opory wewnętrzne centrali oraz możliwość pracy w bardziej ekstremalnych temperaturach zewnętrznych w okresie zarówno letnim, jak i zimowym. Nowoczesne konstrukcje tego typu urządzeń powinny, podobnie jak agregaty chłodnicze, posiadać możliwość dopasowania się do występujących zmiennych obciążeń cieplnych obiektu. W tym zakresie można spotkać zatem konstrukcje z wielosprężarkowymi układami chłodniczymi wraz z elektronicznymi zaworami rozprężnymi lub ze sprężarkami o płynnej regulacji wydajności (np. typu digital scroll). W sekcji wentylacyjnej występować mogą wentylatory z elektronicznie komutowanymi silnikami (brak strat na przekładni pasowej), dalszych oszczędności doszukiwać się można na podzespołach o zmniejszonych spadkach ciśnienia (elektroniczne filtry itp.).
Ciekawe rozwiązanie konstrukcyjne central dachowych typu roof-top stanowią ich wersje przeznaczone do współpracy z systemem WLHP (rys. 6) oraz ich rozbudowane wersje wykorzystujące metodę aktywnego termodynamicznego odzysku ciepła (rys. 7 i 8). Ze względu na to, że w okresie letnim wszystkie urządzenia pracują w trybie chłodzenia (rys. 7), przekazują one zatem całkowite ciepło skraplania do pierścieniowej instalacji WLHP. Zastosowanie funkcji odzysku ciepła powoduje, że ciepło w pierwszej kolejności jest przekazywane do strumienia powietrza usuwanego (odzysk chłodu), a tylko ta ilość, która nie zostanie usunięta, jest przekazywana do pierścieniowej instalacji WLHP. W rezultacie źródło chłodu dla tego typu systemów, jakie najczęściej stanowi wieża chłodnicza typu zamkniętego, może zostać zwymiarowane na mniejsze obciążenia cieplne, co oprócz zwiększenia efektywności systemu redukuje koszty inwestycyjne.
Podobnie wygląda zachowanie się urządzenia w okresie zimowym (rys. 8). Ciepło w pierwszej kolejności zostaje pozyskane ze strumienia powietrza usuwanego, a dopiero w dalszej kolejności w miarę potrzeby z pierścieniowej instalacji WLHP. Redukuje to zapotrzebowanie na moc cieplną centralnego źródła grzewczego, jakim jest zazwyczaj kocioł grzewczy.
Podsumowanie
Omówione zagadnienia przedstawiają wybrane nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne w pewnym segmencie urządzeń klimatyzacyjnych. Omówiono potrzeby nowoczesnych budynków, potrzebę dopasowania źródła chłodu do ich charakterystyk, a także nowe podejście producentów do projektowania urządzeń klimatyzacyjnych będące odpowiedzią na wdrażane certyfikaty energetyczne budynków.
Bartłomiej Adamski
PZITS O/Kraków
Referat został przygotowany na Forum Wentylacja 2010, organizowane przez Stowarzyszenie Polska Wentylacja, oraz opublikowany w materiałach seminaryjnych.
Literatura
1. B. Adamski, Wartość wskaźnika ESEER a realne koszty eksploatacji. Studium przypadku i propozycja analizy kosztów eksploatacji agregatów chłodniczych w dobie certyfikacji energetycznej budynków, „Rynek Instalacyjny” nr 1-2/2010.
2. B. Adamski, Free-cooling w sprężarkowych agregatach chłodniczych, „Rynek Instalacyjny” nr 7-8/2007.
3. B. Adamski, Systemy free-coolingu pośredniego. Analiza i symulacja oszczędności pod kątem nakładów eksploatacyjnych, cz. 1, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2009.
4. B. Adamski, Systemy free-coolingu pośredniego. Analiza i symulacja oszczędności pod kątem nakładów eksploatacyjnych, cz. 2, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2009.
5. B. Adamski, Pompy ciepła – system odzysku ciepła i zimna w centralach klimatyzacyjnych, „Rynek Instalacyjny” nr 7/2007.
6. B. Adamski, Aktualne trendy i rozwój urządzeń klimatyzacyjnych w dobie certyfikacji energetycznej budynku, cz. 1, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 10/2009.
7. B. Adamski, Aktualne trendy i rozwój urządzeń klimatyzacyjnych w dobie certyfikacji energetycznej budynku, cz. 2, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 12/2009.
8. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej.
9. Biuletyny techniczne firmy CLIVET i innych producentów.
