Charakterystyka dwóch metod podwyższania efektywności systemów wentylacji: przez zastosowanie wymienników do odzysku ciepła oraz przez wykorzystanie pośredniego chłodzenia wyparnego.
Wzrastające ceny paliw, regulacje prawne i przesłanki ekonomiczne są przyczyną wdrażania rozwiązań energooszczędnych w gospodarce. Podejmowane są działania mające na celu poprawę jakości funkcjonowania układów wentylacji i klimatyzacji [1]. Można znacząco poprawić efektywność energetyczną central wentylacyjnych przez zastosowanie wymienników pozwalających na odzysk ciepła z powietrza wywiewanego. Pożądane są nowe technologie pozyskiwania ciepła i chłodu.
Odzysk ciepła
Nowoczesne budownictwo cechuje się dużą szczelnością przegród zewnętrznych i okien. W związku z tym, w celu zapewnienia niezbędnej ilości świeżego powietrza użytkownikom pomieszczeń, powszechne staje się stosowanie wentylacji mechanicznej. Przy wyborze systemu napowietrzania warto wybrać rozwiązanie optymalne zarówno pod względem kosztów, oszczędności energii, jak również rzeczywistej wydajności. W związku z rosnącymi kosztami energii konieczne jest poszukiwanie sposobów wykorzystania energii zawartej w powietrzu usuwanym z pomieszczeń wentylowanych do częściowej zmiany parametrów powietrza zewnętrznego. W tym celu wykorzystuje się wymienniki do odzysku ciepła. Urządzenia te pozwalają na przekazanie energii cieplnej ze strumienia wywiewanego do strumienia powietrza zewnętrznego przed procesem obróbki w urządzeniu wentylacyjnym, co pozwala znacząco zaoszczędzić koszty eksploatacyjne systemów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych.
Rys. 1 Podział systemów do odzysku ciepła
Obecnie nie tylko względy ekonomiczne oraz zalecenia projektantów wymuszają stosowanie układów do odzysku ciepła w wentylacji i klimatyzacji. Zmieniające się przepisy spowodowały, że stosowanie odzysku energii stało się koniecznością. Obowiązek stosowania energooszczędnych rozwiązań w instalacjach wentylacyjno-klimatyzacyjnych określają dwa akty prawne:
– dyrektywa UE z dnia 1 stycznia 2009 r., która wprowadza pośrednio obowiązek poszanowania energii przez określenie klas energetycznych budynków;
– rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 5 lipca 2013 r zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
Odzysk ciepła z powietrza wywiewanego może być realizowany na wiele sposobów (rys. 1): poprzez wymienniki płytowe (rekuperacja), z wykorzystaniem masy akumulacyjnej (np. wymienniki obrotowe – regeneracja), przez mieszanie się części strumienia wywiewanego z zewnętrznym (recyrkulacja) albo wykorzystaniem pompy ciepła.
Do najpowszechniejszych rozwiązań spotykanych w Polsce należą wymienniki rekuperacyjne. Wśród rekuperatorów najbardziej popularne są płytowe wymienniki przeponowe, głównie ze względu na prostą budowę i pewność działania (rys. 2); nie mają elementów ruchomych i do pracy nie wymagają dodatkowej energii spoza układu, poza niewielkim wzrostem zapotrzebowania energii do napędu wentylatorów, wynikającym ze zwiększenia oporów przepływu powietrza przez centralę (ale zjawisko zwiększenia oporów przepływu powietrza występuje przy zastosowaniu każdego wymiennika do odzysku ciepła). Do najbardziej rozpowszechnionych rozwiązań wymienników rekuperacyjnych należą wymienniki krzyżowe i przeciwprądowe (rys. 2). Z powodów trudności konstrukcyjnych wymiennik przeciwprądowy zazwyczaj przyjmuje postać wydłużonej jednostki krzyżowej (rys. 2d), a zatem w tym rekuperatorze w rzeczywistości występuje przepływ mieszany. Rzadziej spotykanymi rozwiązaniami jest np. zastosowanie podwójnego wymiennika krzyżowego w celu zwiększenia sprawności odzysku ciepła (rys. 2e). Wybór systemu odzysku ciepła powinien być zawsze poprzedzony szczegółową analizą techniczno-ekonomiczną. Należy pamiętać, że oprócz wymiennika o określonej konstrukcji i technologii przekazywania energii wymagane jest odpowiednie prowadzenie przewodów wentylacyjnych oraz system regulacyjno-sterujący. Każde zastosowanie układu odzysku ciepła powoduje wzrost kosztów inwestycyjnych, dlatego podjęcie decyzji o wyborze danego rozwiązania nie jest proste. Wymagania stawiane na ogół przez inwestora dotyczą ceny zakupu, w drugiej zaś kolejności kosztów eksploatacji i konserwacji danego układu oraz pewności i skuteczności działania (tab. 2).
Rys. 2 Rekuperatory płytowe: a) centrala z wymiennikiem krzyżowym; b) centrala z wymiennikiem przeciwprądowym; c) wymiennik krzyżowy; d) wymiennik przeciwprądowy; e) podwójny wymiennik krzyżowy (1 – wlot powietrza wywiewanego, 2- siłownik przepustnicy by-passu, 3 – otwory wlotowe powietrza zewnętrznego, 4 – wymiennik, 5 – by-pass)
Przykładowe wyliczenie oszczędności przy zastosowaniu wymiennika do odzysku ciepła w systemie wentylacji mechanicznej [1]. Założenia: strumień powietrza nawiewanego V = 250 m3/h, sezon grzewczy zaczyna się we wrześniu i obejmuje pięć dni, potem X, XI, XII, I, II, III, IV, oraz pięć dni grzania w maju. Opierając się na normie PN-B-02025, można obliczyć ciepło potrzebne do ogrzania powietrza wentylacyjnego, otrzymano wartość Q = 7828 kWh na cały sezon grzewczy, w przeliczeniu na nośniki energii.
|
Tab. 1 Zestawienie kosztów energii dla różnych źródeł wytwarzania ciepła dla systemu bez odzysku ciepła z powietrza wywiewanego [1]
|
|
Koszty muszą zostać powiększone o ilość energii elektrycznej, jaką zużyje centrala wentylacyjna (do napędu wentylatorów). Dla strumienia powietrza V = 250 m3/h wynosi to średnio ok. 895 kWh, przeliczając na pieniądze 358 zł [1]. Istotne jest, by pamiętać, że część tej energii zostanie dodatkowo przekazana w formie ciepła do powietrza wentylacyjnego, czyli realny koszt napędu wentylatorów centrali jest niższy. Na podstawie wyliczeń widać, że koszty ogrzewania powietrza wentylacyjnego są zależne od paliwa, którym ogrzewany jest dom. Zastosowanie w omawianym przykładzie wymiennika do odzysku ciepła w systemie wentylacji pozwoli na oszczędność od 1476 do 2966 zł rocznie. Zastosowanie zatem tego typu wymienników ma uzasadnienie nie tylko w systemach wentylacji dla wielkokubaturowych obiektów, ale także dla budownictwa jednorodzinnego. |
Zamarzanie rekuperatorów
Wymienniki rekuperacyjne w ciągu roku poddawane są wpływom zmiennych czynników atmosferycznych. Długotrwała praca w trudnych warunkach potęguje ryzyko zniszczenia wymiennika. Zapewnienie bezpiecznych warunków pracy przy ujemnych temperaturach powietrza zewnętrznego często się wiąże z koniecznością obniżenia sprawności urządzenia. Przy niskich temperaturach okresu zimnego istnieje możliwość wystąpienia kondensacji i powstawania szronu w kanałach powietrza wywiewanego. Utworzona na powierzchniach przegród wymiennika ciecz przyczynia się do zwiększenia odzysku ciepła na skutek dodatkowego wytworzenia ciepła utajonego (poprawa sprawności nawet do 30% [3]). Niestety podczas długotrwałej pracy w takich warunkach często istnieje ryzyko powstawania szronu, czyli niebezpieczeństwo zamarzania powstałych skroplin (rys. 3a). Szron stanowi główny problem w eksploatacji rekuperacyjnych wymienników ciepła. Powoduje wzrost oporów przepływu oraz zakłóca procesy wymiany ciepła. Brak odpowiednich działań może skutkować zablokowaniem przepływu powietrza oraz uszkodzeniem wymiennika. W centralach wentylacyjnych wprowadzane są zabezpieczenia wymienników (by-pass, nagrzewnica wstępna), którym jednak zawsze towarzyszy obniżenie skuteczności odzysku ciepła [3]. Zadaniem by-passu jest ograniczenie przepływu zimnego powietrza przez wymiennik, co pozwala na podniesienie temperatury ścianek kanałów (rys. 3b). Układ automatycznej regulacji steruje przepustnicą obejściową w funkcji temperatury zewnętrznej. Przez wymiennik przepływa tylko część powietrza zewnętrznego, pozostały strumień powietrza kierowany jest obejściem. Skutkiem tego jest obniżenie temperatury powietrza nawiewanego za wymiennikiem, która jest mieszaniną strumieni przepływającego powietrza przez rekuperator oraz przez jego obejście. Inną metodą ochrony wypełnienia wymiennika jest wstępne podgrzewanie powietrza. Niestety wiąże się to ze zwiększeniem wymiarów centrali wentylacyjnej ze względu na umieszczenie dodatkowej sekcji z nagrzewnicą wstępną. Ponadto wymagane jest zapewnienie odpowiedniej mocy takiego urządzenia określonej na podstawie konkretnej bezpiecznej wartości temperatury, do której należy podgrzewać powietrze zewnętrzne. Jak dotąd, tego typu kwestie rozwiązywane są przez umowne określanie bezpiecznych warunków pracy [3].
W typowych instalacjach wentylacyjnych na terenie Polski warunki pracy pozwalają na uniknięcie oblodzenia wymienników: zimą w standardowych pomieszczeniach bytowych występują bardzo niewielkie zyski wilgoci, dlatego temperatura punktu rosy strumienia usuwanego jest bardzo niska. W takiej sytuacji występuje bardzo niewielkie wykroplenie pary wodnej na powierzchni ścianki albo nie występuje ono wcale (praca w warunkach suchej wymiany ciepła).
|
Tab. 2 Wady i zalety różnych form odzysku ciepła [2]
|
|
|
Wymiennik obrotowy |
Wymiennik akumulacyjny |
Pompa ciepła |
Wymienniki membranowe |
|
Zalety |
Stosunkowo niski koszt, relatywnie prosta konstrukcja, wymagane niewielkie zużycie energii do napędu, wysoka sprawność, możliwość odzysku wilgoci |
Wysoka sprawność, niewielkie zużycie energii do napędu, możliwość odzysku wilgoci |
Wysoka skuteczność temperaturowa, rozdział strumieni powietrza, płynna regulacja sprawności, możliwość rozdzielenia sekcji centrali |
Nie potrzebują nakładu energii do pracy, umożliwiają odzysk wilgoci |
|
Wady |
Ryzyko przedmuchów powietrza, możliwość zamarznięcia |
Znaczne gabaryty, większe nakłady inwestycyjne niż dla wymiennika obrotowego, przedmuchy powietrza, możliwość zamarznięcia |
Wysokie nakłady inwestycyjne, większe zużycie energii niż typowe wymienniki do odzysku ciepła, możliwy spadek sprawności przy pracy w warunkach obliczeniowych |
Możliwość przytykania się membran przy dłuższej eksploatacji |
|
Sprawność |
70-85% |
80-95% |
Zależna od nakładów energii |
60-85% |
|
|
W praktyce nie ma możliwości uniknięcia powstawania szronu w wymiennikach rekuperacyjnych bez zastosowania dodatkowych elementów zabezpieczających urządzenie, tj. by-passu lub nagrzewnicy wstępnej. Niestety, by-pass nie jest w stanie zagwarantować w pełni skutecznej ochrony przed szronieniem – w skrajnie niekorzystnych warunkach skierowanie nawet 80% strumienia powietrza zewnętrznego do obejścia nie jest w stanie zagwarantować bezpieczeństwa [3, 4]. Drugim sposobem ochrony wymiennika jest użycie nagrzewnicy wstępnej, najczęściej elektrycznej, podnoszącej temperaturę powietrza zewnętrznego do tzw. wartości bezpiecznej, przy której nie nastąpi szronienie wymiennika. Jest to sposób pewny, pod warunkiem prawidłowego określenia wartości temperatury bezpiecznej. Obie metody zapobiegające szronieniu wiążą się z koniecznością obniżenia efektywności energetycznej systemu: w przypadku by-passu powietrze za wymiennikiem jest mieszaniną zimnego powietrza płynącego przez obejście z ciepłym powietrzem płynącym przez wymiennik, mieszaninę tę należy podgrzać na nagrzewnicy; w przypadku zastosowania nagrzewnicy wstępnej strumień podgrzewany jest na wejściu do wymiennika. Powszechnie uznawanym mitem jest założenie, że dodatnia temperatura powietrza wywiewanego na wyjściu z wymiennika powoduje, iż wymiennik nie ulegnie zamarznięciu. Na rys. 4 przedstawione są wykresy pól temperatur na powierzchni kanału powietrza wywiewanego w wymienniku krzyżowym (w warunkach występowania szronu) uzyskane z autorskiego modelu matematycznego (walidowanego eksperymentalnie [3]). Widoczne są także trzy strefy wymiany ciepła i masy: strefa sucha – brak kondensacji (prawy dolny róg), strefa mokra – zachodzi kondensacja (środek), strefa szronu – powstaje szron (lewy górny róg). W przypadku przedstawionym na rys. 4a średnia wyjściowa temperatura powietrza wywiewanego wynosi 7,2°C, czyli jest zdecydowanie wyższa niż 0°C, jednakże nie pozwala to uniknąć powstawania szronu. Na rys. 4 zaznaczono również punkty, w których powietrze wywiewane znajduje się w innej strefie wymiany ciepła pomimo tej samej lub bardzo zbliżonej temperatury (np. 6,58°C w strefie mokrej i 6,61°C w strefie szronu). Rozbieżności wynikają z faktu, że na charakter procesów wymiany ciepła i masy, zachodzących w kanałach rekuperatora, zasadniczy wpływ ma temperatura ścianki, z którą kontaktuje się powietrze [3, 4]. Na rys. 4b widoczne są temperatury powietrza zewnętrznego, wywiewanego i ścianki wymiennika ciepła. Jeśli temperatura ścianki wymiennika jest niższa od temperatury punktu rosy powietrza wywiewanego, woda zacznie się na niej wykraplać. Jeśli dodatkowo temperatura ścianki będzie niższa od 0°C, powstanie na niej szron. Ta sama zależność dotyczy wymiennika przeciwprądowego.
Rys. 3 a) zamarznięte kanaliki wymiennika krzyżowego, b) zasada działania wymiennika z by-passem [3]
Nowe rozwiązania energooszczędne
Rozwiązaniem, na które warto zwrócić uwagę, jest pośrednie chłodzenie wyparne. Chłodzenie wyparne wykorzystuje naturalną tendencję wody do parowania [4]. Przeciętny człowiek odparowanie wody utożsamia z wrzeniem – wówczas ciecz paruje całą objętością. Jednakże każdy zna także pojęcie „wyschnąć”, które oznacza, że woda odparowała z mokrego ubrania czy też innego materiału. W takich przypadkach ciecz nie paruje całą objętością, tylko powierzchnią kontaktującą się z powietrzem. Parowanie wody wymaga pobrania dużej ilości ciepła (ciepło parowania wody wynosi 2500 kJ/kg, podczas gdy na przykład energia potrzebna do podgrzania wody o 20°C wynosi jedynie ok. 84 kJ/kg). Ze zjawiskiem pobierania ciepła przez parującą ciecz każdy zetknął się podczas wyjścia spod prysznica – odczuwane zimno wynika z pobierania przez wodę z organizmu człowieka ciepła na zmianę stanu skupienia.
W przypadku chłodzenia wyparnego woda wykorzystywana jest do ochłodzenia powietrza. Własności termodynamiczne powietrza wilgotnego pozwalają na obniżenie jego temperatury podczas nawilżania wodą. Ochładzanie powietrza za pomocą parowania wody jest procesem wymiany ciepła i masy między cieczą a gazem, podczas którego powietrze obniża swoją temperaturę, jednocześnie zwiększając swoją zawartość wilgoci. Proces, w którym powietrze po nawilżeniu dostarczane jest do użytkowników, nosi nazwę chłodzenia wyparnego bezpośredniego. W tym przypadku strumień powietrza się ochładza i jednocześnie nawilża się parą wodną. Takie rozwiązanie nie znajduje zastosowania jako źródło chłodu w klimatyzacji (komory zraszania są wykorzystywane, jednak 5c-5f coraz rzadziej, do ustalania precyzyjnych parametrów powietrza na potrzeby technologiczne), ponieważ wilgotny strumień nawiewany do pomieszczenia powoduje odczuwanie uczucia duszności przez jego użytkowników. Ponadto efektywność bezpośrednich urządzeń wyparnych jest ograniczona temperaturą termometru mokrego.
W przypadku pośredniego chłodzenia powietrza stosowane są urządzenia, w których występują dwa rodzaje kanałów: suchy i mokry. Przez kanał mokry prowadzony jest strumień powietrza (nazywany roboczym), który wykorzystywany jest do akumulacji pary wodnej. Płynące powietrze stwarza różnice potencjałów ciśnień cząstkowych pary wodnej, co skutkuje odparowaniem cieczy, która pobiera na ten cel znaczne ilości ciepła.
Rys. 4 Analiza wymiennika krzyżowego: a) pole temperatur powietrza wywiewanego z zaznaczonymi wartościami podobnych temperatur w różnych strefach wymiany ciepła i masy; b) pola temperatur (od góry: powietrze zewnętrzne, ścianka, powietrze wywiewane) w wymienniku krzyżowym
Część ciepła pobierana jest z kanału suchego, oddzielonego nieprzepuszczalną dla wody ścianką. Pozwala to ochłodzić powietrze w suchym kanale, bez jednoczesnego nawilżania go.
Pośrednie jednostki wyparne nie są ograniczone temperaturą termometru mokrego, lecz jedynie temperaturą punktu rosy (czyli temperaturą, przy której następuje wykroplenie pary wodnej z powietrza). Zastosowanie takich wymienników wiąże się ze znacznymi oszczędnościami energetycznymi. Własności jednostek wyparnych nie pozwalają całkowicie wyeliminować sprężarkowych układów chłodniczych, ale mogą znacząco wpłynąć na ograniczenie ich mocy. Jednym z najlepszych rozwiązań, mogących sprawdzić się w polskim klimacie, jest wymiennik z obiegiem Maisotsenki.
Obieg Maisotsenki (rys. 5a i 5b) jest jednym z najbardziej efektywnych obiegów chłodzenia wyparnego. Działa na podobnej zasadzie jak typowe cykle wyparne, jednakże wykorzystuje specyficzny, złożony obieg powietrza, pozwalający na osiągnięcie bardzo niskich temperatur powietrza nawiewanego. Zasada działania rekuperatora z M-obiegiem (rys. 5a): powietrze po wejściu do wymiennika dzielone jest na dwie części (1 – przepływ główny, 2 – przepływ pomocniczy). Strumień główny płynie kanałami suchymi, gdzie jest ochładzany, a następnie dostarczany do użytkowników pomieszczeń. Przepływ pomocniczy płynie suchym kanałem pomocniczym, w którym przez otwory w ściance dostaje się do kanału mokrego (3 – przepływ pomocniczy w kanałach mokrych), wypełnionego wilgotnym materiałem porowatym, gdzie realizuje ochładzanie wyparne. Część mokra wymiennika oddzielona jest od suchej cienką warstwą nieprzepuszczającego wody metalu. Suchy kanał pomocniczy pozwala na wstępne obniżenie temperatury strumienia roboczego, dzięki temu dostaje się do części mokrej ochłodzone w coraz większym stopniu, podobnie jak w wymienniku regeneracyjnym. Strumień pomocniczy w kanałach mokrych przepływa krzyżowo w stosunku do głównego. Konstrukcja wymiennika opiera się na materiale porowatym, w którym woda rozprowadzana jest równomiernie za pomocą sił kapilarnych, eliminuje to obecność dysz zaburzających przepływ powietrza.
Urządzenia tego typu znajdują coraz szersze zastosowanie w USA (rys. 5c-5f) i prawdopodobnie wkrótce zaczną być wykorzystywane w Europie.
Rys. 5 Pośredni wymiennik wyparny z obiegiem Maisotsenki: a) schemat wymiennika (1 – powietrze dostarczane do użytkowników systemu, 2 i 3 – powietrze pomocnicze odpowiednio w suchym i mokrym kanale); b) wygląd zewnętrzny wymiennika; c) przykład zastosowania: urządzenie typu rooftop wyposażone w wymiennik z M-obiegiem; d) przykład wykorzystania autonomicznych jednostek z M-obiegiem – budynek kina Denver; e) i f) autonomiczne jednostki z M-obiegiem jako źródło chłodu dla serwerowni Centrum Monitorowania Pokrywy Śnieżnej i Lodowej NASA o mocy 120 kW, Boulder, Colorado, USA
Podsumowanie
– Odzysk ciepła jest obecnie koniecznością ze względów na oszczędności energetyczne i wymogi prawne.
– Zastosowanie konkretnego rozwiązania odzysku ciepła musi być poprzedzone dokładaną analizą techniczno-ekonomiczną.
– Istotnym czynnikiem mającym wpływ na pracę wymienników rekuperacyjnych jest problem powstawania szronu w kanałach powietrza wywiewanego.
– Na szronienie wymienników rekuperacyjnych wpływ ma wiele istotnych czynników, przede wszystkim temperatura i wilgotność powietrza nawiewanego oraz sprawność wymiennika.
– W typowych pomieszczeniach mieszkalnych i biurowych zastosowanie nowoczesnych wymienników wyparnych może znacząco obniżyć moc chłodnicy i tym samym zmniejszyć koszty eksploatacyjne.
Demis Pandelidis, Andrzej Jedlikowski
Katedra Klimatyzacji, Ogrzewnictwa, Gazownictwa i Ochrony Powietrza
Wydział Inżynierii Środowiska Politechnika Wrocławska
Literatura
1. http://www.pro-vent.pl.
2. S. Anisimov, D. Pandelidis, Odzysk ciepła w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, cz. 1, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” nr 7/2013.
3. S. Anisimov, A. Jedlikowski, D. Pandelidis, Performance analysis and safe operating condltlons for the cross-flow heat exchanger used for energy recovery from exhaust air In ventilation systems, Volume 90, November 2015.
4. S. Anisimov, A. Jedlikowski, D. Pandelidis, Energooszczędność w systemach wentylacji i klimatyzacji,Forum Wentylacja 2014, Salon Klimatyzacja 2014 Międzynarodowa Wystawa Techniki Wentylacyjnej, Klimatyzacyjnej i Chłodniczej, materiały seminaryjne, Stowarzyszenie Polska Wentylacja, Warszawa 2014.
