Dzięki wodzie deszczowej można zaoszczędzić 80% energii do chłodzenia budynków i kosztów zmiękczania wody
W obecnej sytuacji globalnego ocieplenia coraz ważniejsze staje się zapewnienie ekonomicznych systemów chłodzenia, wykorzystujących technologie oszczędne w zużyciu mediów. Chłodzenie adiabatyczne odgrywa tu kluczową rolę.
Chłodzenie adiabatyczne lub mówiąc kolokwialnie chłodzenie wyparne, jest całkowicie pierwszą postacią chłodzenia powietrza i praktycznie tworzy początek technologii klimatyzacyjnej. Poprzez odparowanie wody wstępny przepływ powietrza jest chłodzony bardzo wydajnie i przy niskim zużyciu energii.
Zasada działania
Ciepłe powietrze zewnętrzne jest zasysane i wstępnie chłodzone przez wymiennik ciepła. Następnie jest ono dostarczane do pomieszczenia, a tam jest ogrzewane przez ludzi i urządzenia oraz w niewielkim stopniu rośnie jego wilgotność. Potem zużyte powietrze jest usuwane z pomieszczenia. Następuje tak zwane „chłodzenie adiabatyczne”, które jest niczym innym niż nawilżaniem powietrza wylotowego do punktu nasycenia, aż jego wilgotność wynosi prawie 100%. W konsekwencji tego powietrze wylotowe oddaje pewną ilość energii wodzie, co jest niezbędne do odparowania odpowiedniej ilości wody. Powstaje chłodniejsze wilgotne powietrze, które teraz pobiera – przy pomocy wspomnianego wymiennika ciepła – energię z powietrza zewnętrznego i w ten sposób chłodzi je. Samo powietrze wylotowe jest ponownie ogrzewane i wydmuchiwane poza pomieszcenie do otoczenia. Zasada chłodzenia adiabatycznego jest pokazana schematycznie na rys. 1..jpg)
Rysunek 1: Schemat zasady działania chłodzenia adiabatycznego
.jpg)
Chłodzenie adiabatyczne jest zilustrowane na wykresie h, x (rys. 2): Powietrze wylotowe opuszczające pomieszczenie, jest schładzane na skutek parowania z 25°C i wilgotności względnej 50% do 18°C i wilgotności powietrza prawie pełnego nasycenia – 98% (niebieska linia). Taką wysoką wilgotność powietrza można jednak osiągnąć tylko przy użyciu określonych technologii nawilżania, takich jak nawilżacze wysokociśnieniowe. W konwencjonalnych nawilżaczach kontaktowych osiąga się wilgotność powietrza 85% – 92%.
Żółta linia wskazuje zmianę powietrza dostarczanego do pomieszczenia (powietrze zewnętrzne) oraz zmianę schłodzonego powietrza poprzez parowanie, które będzie usuwane na zewnątrz (powietrze wylotowe).
Powietrze zewnętrzne jest chłodzone w wymienniku ciepła z 35°C do 23°C i osiąga wilgotność 61%. Teraz wpływa do pomieszczenia jako przyjemnie chłodne i wilgotne. W wymienniku ciepła przepływ schłodzonego powietrza pobiera ciepło powietrza z zewnątrz i jest usuwany na zewnątrz jako ciepłe powietrze wylotowe: temperatura 30°C, wilgotność względna 47%.
Koszty operacyjne i potencjalne oszczędności
Ten rodzaj chłodzenia pomieszczeń zapewnia duże oszczędności energii, które oczywiście są też zauważalne po stronie kosztów. W ten sposób można porównać zużycie energii systemu chłodzenia adiabatycznego oraz systemu z chłodzeniem sprężarkowym w konwencjonalnej klimatyzacji.
Do przekształcenia wody w parę wymagane jest 2300 kJ na kg wody (w słownictwie technicznym: ciepło parowania). Gdy woda paruje przez jedną godzinę, powietrze otoczenia jest chłodzone z mocą chłodniczą 640 W.
Klasyczny system klimatyzacyjny o generowanej mocy chłodniczej 3,8 kW zużywa 1 kW mocy elektrycznej. Przy obecnej cenie energii elektrycznej 25ct / kWh i ośmiu godzinach pracy systemu dziennie kosztuje to € 2.
Dla porównania chłodzenie adiabatyczne:
Zapotrzebowanie na energię pompy wysokociśnieniowej do atomizacji wynosi około 25 W na kg wody. Przy wydajności 80% i 7,43 l odparowanej wody, która jest wymagana do porównywalnej mocy chłodniczej (3,8 kW) systemu klimatyzacyjnego, atomizacja zużywa 185,75 W. Chłodzenie adiabatyczne obniża koszt do €0,37 przy użyciu przez 8 godzin.
Podsumowując, odpowiada to chłodzeniu adiabatycznemu przy oszczędności ponad 80%.
Użycie systemu chłodzenia adiabatycznego oszczędza dużo energii pierwotnej i w ten sposób przyczynia się znacząco do ograniczenia emisji CO2. Dodatkowo ma wysoki potencjał oszczędności kosztów.
Zużycie wody
W przedstawionym przykładzie dostarczane jest 3,5 g wody na m3 powietrza w celu schłodzenia ciepłego powietrza o temperaturze 25°C i wilgotności 50% (zawartość wody 11,5 g) do 18°C i wilgotności 98% (zawartość wody 15 g). Zgodnie z przykładem powietrze zewnętrzne może zostać następnie schłodzone na wymienniku ciepła z 35° do 23°.
Do chłodzenia powietrza w pomieszczeniu 3000 m3 potrzeba x 3,5 g = 10,5 kg wody. Odpowiada to mocy chłodniczej 8,4 kW.
Przy przepływie znamionowym 1500 m3 / h wymiana powietrza 0,5 / h daje następujące dzienne zapotrzebowanie na wodę: 1500 m3 / h x 3,5 g / m3h x 8 h = 42 l Przy 250 dniach pracy na rok, teoretycznie bez dalszych strat ciepła: 10,5 m3 / rok.
Ochrona klimatu
Obecnie wydajne budownictwo jest bardzo ważnym aspektem w kontekście globalnego ocieplenia, jak też powiązanej ochrony klimatu. Kluczowa jest tu ustawa o oszczędzaniu energii (EnEV) 2016. Podaje ona między innymi wydajność energetyczną nowo powstających budynków. W przeciwieństwie do już wysokich wymagań EnEV 2014 roczne zużycie energii pierwotnej musi zostać zredukowane o kolejne 25% poprzez odpowiednie środki konstrukcyjne lub techniczne.
Wymóg ten odpowiada idealnie użyciu chłodzenia wyparnego w procesach chłodzenia technologii klimatyzacji.
Innym przyjaznym dla klimatu aspektem, oprócz niskiego zużycia energii, jest praca bez szkodliwych czynników chłodniczych, stosowanych w większości klimatyzatorów do chłodzenia. Wiele czynników ma szkodliwy wpływ na warstwę ozonową, podlega więc z powodu przepisów chemicznej ochrony klimatu bardzo dokładnemu uszczelnianiu i regularnej analizie.
Woda deszczowa zamiast pitnej
Woda deszczowa jest szczególnie dobrym źródłem do chłodzenia adiabatycznego. Jej użycie ma wiele zalet, wiążących się z oszczędnością kosztów i wpływami ekologicznymi. Maleją zapotrzebowanie na wodę pitną i związane z nią koszty.
Chociaż Niemcy są krajem względnie bogatym w wodę, nawet nasze zasoby wód gruntowych wysokiej jakości podlegają wpływom zanieczyszczenia i nadmiernej eksploatacji. Po pierwsze wymaga to ujęcia wody z głębszych warstw hydrologicznych. Po drugie komunalne systemy kanalizacyjne są odciążanie, tak samo jak regionalne źródła wody pitnej. Mniej wody musi zostać przepompowane i uzdatnione w cyklu ścieków, gdyż woda powraca do naturalnego cyklu parowania i opadów. Stanowi to ulgę dla regionalnego mikroklimatu.
Woda deszczowa ma też olbrzymią zaletę prawie zupełnego braku twardości. Może być więc używana bez dodatkowego systemu zmiękczania lub odwróconej osmozy w systemach chłodzenia wyparnego, co z kolei znacząco obniża koszty.
W powyższym przykładzie wymaganą ilość wody 10,5 m3 można w Niemczech zebrać średnio z dachu o powierzchni około 13 m2 jako wodę deszczową.
Certyfikaty
Użycie chłodzenia adiabatycznego budynków przy wykorzystaniu wody deszczowej pozwala coraz częściej na uzyskanie certyfikacji. Kryteria jakościowe DGNB – niemieckiej rady zrównoważonego budownictwa wymagają uwzględnienia między innymi uwarunkowań środowiskowych, ekonomicznych i socjokulturalnych dla uzyskania certyfikatów. Obejmują one mniejsze zagrożenie dla środowiska poprzez unikanie czynników chłodniczych, komfort cieplny i jakość powietrza wewnętrznego, obniżenie zużycia wody pitnej i całkowitego zapotrzebowania energetycznego, jak też kosztów operacyjnych. To samo dotyczy certyfikatu LEED – przodownictwo w projektowaniu energetycznym i środowiskowym – który wymaga równocześnie poprawy wydajności energetycznej, dobrej jakości powietrza, komfortu cieplnego i monitorowania emisji CO2.
Odkażanie
Aby nawilżanie wodą deszczową spełniało odpowiednie wymogi prawne, woda ta musi zostać uzdatniona dla ochrony zdrowia i środowiska. Należy wykluczyć powstawanie w powietrzu wylotowym Legionella i innych czynników chorobotwórczych. Do uzdatniania można użyć różnych metod. Obejmują one przykładowo filtrację membranową przy odwróconej osmozie lub uzdatnianie chemiczne chlorem albo ozonem.
Przy filtracji membranowej AQUALOOP używane są membrany o wielkości porów 0,2 µm, które zatrzymują nie tylko cząstki nieorganiczne, ale również drobnoustroje. Usuwanych jest 99,9999% bakterii i 99,7% wirusów. Membrany są przeznaczone do pracy do 10 lat, praktycznie nie wymagają konserwacji i ciągłego czyszczenia chemicznego, są także całkowicie pozbawione materiałów eksploatacyjnych szkodliwych dla środowiska. W ten sposób woda deszczowa może zostać optymalnie wykorzystana do działania chłodzenia adiabatycznego.
Poniższy schemat przedstawia podstawową budowę systemu chłodzenia adiabatycznego przy użyciu wody deszczowej i jednoczesne pozyskiwanie tej wody do spłukiwania toalet oraz podlewania ogrodów.
Woda deszczowa jest wstępnie filtrowana przez samoczyszczący, bardzo wydajny filtr PU-RAIN.
Celem zapewnienia najwyższego poziomu zabezpieczenia zasilania jako element zabezpieczający można zastosować system Aquamaster z kontrolą prędkości pracy silnika.
Ten szczególnie ekonomiczny i cichy system zasysa czystą wodę ze zbiornika poprzez filtr pływający i dostarcza do odbiorników, takich jak toalety, systemy czyszczenia i ogrody, wartościową, czystą i mającą niski poziom twardości wodę deszczową.
Uzupełnianie przy użyciu wody pitnej przy niedoborach odbywa się automatycznie przy użyciu systemu AquaMaster.
Rysunek 4: Przykład systemu chłodzenia adiabatycznego przy użyciu wody deszczowej i z pozyskiwaniem tej wody, INTEWA GmbH
1. Filtr wody deszczowej PURAIN
2. Uspokojenie wlotu
3. Pompa zasilająca
4. Przewód ciśnieniowy
5. Zbiornik filtracyjny
6. Stacja ultrafiltracji wody
7. Układ sterujący
8. Wyłącznik pływakowy
9. Zbiornik czystej wody
10. Centrala deszczowa AquaMaster
Podsumowanie
Podsumowując można stwierdzić, iż chłodzenie adiabatyczne jest szczególnie zrównoważoną alternatywą dla konwencjonalnych rodzajów chłodzenia budynków, przy potencjalnych oszczędnościach ponad 80%. Poprzez odparowanie wody można usunąć ciepło z powietrza, a więc powietrze dostarczane do pomieszczenia może być chłodzone. W ten sposób ogranicza się wysokie koszty energii i widoczny jest pozytywny wpływ na ochronę klimatu.
Idealnie jest, gdy można wtedy użyć wody deszczowej. Koszty i zasoby wody pitnej są oszczędzane, a dzięki szczególnie niskiej twardości wody deszczowej można pozbyć się systemów zmiękczania wody. Woda deszczowa, uzdatniona poprzez system ultrafiltracji membranowej , odpowiada wszelkim wymogom higienicznym przepisów dotyczących wody pitnej. Jeśli dostępne jest wystarczająco dużo wody deszczowej, do systemu można podłączyć więcej odbiorników, takich jak toalety i systemy irygacyjne, aby uzyskać dodatkową oszczędność wody.
Tomasz Sobolewski
WATERSYSTEM SP. Z O.O. SP. K.
ul. Trakt Brzeski 127
05-077 Warszawa, Zakręt
Tel.: +48 22 795 77 93
Napisano na podstawie materiałów Intewa GmbH
