Odzysk chłodu w klimacie umiarkowanym z higroskopią
Konieczność oszczędzania wszelkich nośników energii wykorzystywanych w wentylacji sprawia, że coraz więcej układów zawiera w sobie podzespoły umożliwiające jej odzysk. Pojmowanie tego zagadnienia bardzo często kojarzone jest jedynie z odzyskiwaniem ciepła w okresie zimowym. Zapominamy natomiast o tym, że te same układy mogą być wykorzystywane również do odzysku chłodu. Biorąc pod uwagę, że technologia jego pozyskiwania jest znacznie bardziej skomplikowana i droższa niż wytwarzanie ciepła, temat wydaje się być godnym uwagi.
Dla skrajnie ciepłych bądź chłodnych stref klimatycznych, urządzenia umożliwiające odzysk (rekuperatory, regeneratory) są wykorzystywane do odzysku tylko jednej z wyżej wspomnianych postaci energii cieplnej. W strefach umiarkowanych istnieje zasadność wykorzystania raz zainstalowanych komponentów do pracy zarówno w okresie letnim jak i zimowym. Skutkiem powolnego ocieplania się klimatu jest tendencja, aby układy pierwotnie dedykowane do odzysku tylko ciepła, powtórnie przeliczyć i przystosować do odzysku chłodu. Rozszerzenie zakresu stosowalności tych urządzeń wymagać może bardzo niewielkich modernizacji w samej konstrukcji oraz dokonania zmian w oprogramowaniu układów sterowania.
Najbardziej czytelnym wyznacznikiem opłacalności stosowania odzysku chłodu, jest zmniejszenie wymaganej mocy, dostarczanej przez agregat wody lodowej do centrali. Porównanie ukazuje różne wartości zapotrzebowania na chłód dla układów nawiewno – wywiewnych, wyposażonych w typowe systemy odzysku.
Warto zauważyć, że zasadność stosowania układów odzysku energii (zarówno ciepła jak i chłodu), nie sprowadza się jedynie do oszczędności eksploatacyjnej. Zmniejszenie zapotrzebowania na dany typ energii, wiąże się z możliwością zaoszczędzenia znacznych kwot przy zakupie urządzeń służących jej przygotowaniu. Mniejsze zapotrzebowanie na ciepło lub chłód, to instalacja urządzeń peryferyjnych o mniejszych mocach, a co za tym idzie - niższych cenach. Do konieczności odzyskiwania chłodu powinien ostatecznie przekonać fakt, iż koszt inwestycyjny związany z pozyskaniem 1kW chłodu jest znacznie wyższy, niż koszt instalacji do wytworzenia tej samej ilości ciepła dla celów grzewczych. Analiza rynkowa cen kotłów i agregatów wody lodowej wykazuje, że zakup urządzenia do przygotowywania chłodu potrafi być do pięciu razy droższy, niż zakup urządzenia do przygotowania ciepła w przeliczeniu na jeden kilowat mocy . Zatem obliczając układ na odzysk chłodu oszczędzamy podwójnie – na eksploatacji i inwestycji.
Powyższe porównanie udowadnia, że aby dokonać najkorzystniejszej kompletacji całego zestawu urządzeń, konieczne jest kompleksowe wyznaczenie wszystkich parametrów eksploatacyjnych, jeszcze na etapie projektowym. Od strony samej centrali, program doboru, uwzględniając założenia odzyskiwania chłodu, odpowiednio przeliczy pracę wszystkich komponentów centrali i w wielu przypadkach dobierze dla niej chłodnicę o mniejszej rzędowości oraz wyliczy parametry wody lodowej bądź odparowania czynnika chłodniczego. W niektórych przypadkach poskutkuje to nawet obniżeniem ceny samej centrali (przykład centrali z wymiennikiem krzyżowym).
Intensyfikacja „utajonej” części procesu
Decydując się na konkretny typ systemu odzysku energii, należy dokładnie przeanalizować warunki jego przyszłej pracy oraz nasze oczekiwania, co do jego funkcjonalności. Zazwyczaj głównym analizowanym kryterium jest porównanie „apetytu” nagrzewnicy i chłodnicy na ilości dostarczanych do nich kilowatów, przy danym typie układu odzysku. Warto jednak zwrócić uwagę na dodatkowe korzyści, jakie niesie ze sobą przenoszenie ciepła utajonego pomiędzy strumieniami powietrza uczestniczącymi w procesie. Ten typ odzysku energii jest, jak wiemy, zarezerwowany dla regeneratorów – w szczególności wymienników obrotowych, zarówno tych nie jak i higroskopijnych.
Jak wiemy, dla wymiennika niehigroskopijnego, wymiana ciepła utajonego zachodzi jedynie w wyniku kondensacji wilgoci na jego złożu. Zatem czynnikiem warunkującym ten proces jest niższa temperatura powierzchni regeneratora niż temperatura punktu rosy powietrza oddającego wilgoć.
Istotą stosowania złoża higroskopijnego w wymienniku obrotowym, jest zwiększenie udziału migracji ciepła utajonego (wymiana masy - konkretnie wilgoci) pomiędzy strumieniami powietrza. W tym przypadku proces może zachodzić przy temperaturach niekoniecznie niższych niż punkt rosy osuszanego powietrza, a kierunek przekazywania wilgoci podyktowany jest różnicami ciśnienia cząsteczkowego wody zawartej w powietrzu i złożu.
Rozważmy zatem zasadność zastosowania wymiennika obrotowego wyposażonego w złoże higroskopijne w warunkach Polski. Przyjmując typowe obliczeniowe temperatury powietrza dla lata i zimy, można zauważyć znaczące różnice w ogólnych mocach odzysku. Porównując je z osiągami typowego wymiennika niehigroskopijnego podczas zimy zauważamy, że sumaryczna moc odzysku wzrasta od 6 do 9%, podczas gdy latem różnica ta oscyluje w przedziale pomiędzy 33 a 39%. Mając świadomość, że zwiększenie ogólnej mocy odzysku jest udziałem przenoszenia wilgoci pomiędzy strumieniami powietrza, warto zadać pytanie o parametry powietrza nawiewanego, opuszczającego wymiennik latem i zimą.
W okresie zimowym, gdy temperatura powietrza zewnętrznego spada znacznie poniżej 0oC, zawartość wilgoci jest na tyle niska, że subiektywnie powietrze takie (po ogrzaniu o dostarczeniu do pomieszczeń), możemy odczuwać jako suche. Dla poprawy komfortu wielokrotnie posiłkujemy się systemami nawilżania, których zakup i eksploatacja nie należą do tanich. Stosując wymiennik obrotowy, wyposażony w złoże higroskopijne, zyskujemy dodatkowe gramy wilgoci na każdy kilogram powietrza już w trakcie procesu odzysku ciepła. Zysk ten, z całą pewnością, znajdzie odzwierciedlenie w postaci podniesienia komfortu odczuwalnego w wentylowanych pomieszczeniach, a także poskutkuje zmniejszeniem zapotrzebowania na dodatkowe jego nawilżanie. Jednak ze względu na większą wilgotność powietrza trafiającego do nagrzewnicy (sumaryczne większe ciepło właściwe mieszaniny powietrza suchego i pary wodnej), zmniejszenie jej mocy w porównaniu z układem wyposażonym w wymiennik niehigroskopijny, nie jest oczywiste. Przeciwnie – w niektórych sytuacjach możemy zaobserwować niewielkie zwiększenie zapotrzebowania na moc grzewczą (patrz: porównanie).
Odwrotne działanie wymiennika higroskopijnego obserwujemy latem. Wysoka temperatura i wilgotność powietrza zewnętrznego, zasysanego przez centralę wentylacyjną, skutkuje od strony jego obróbki koniecznością jego schłodzenia do wymaganej temperatury. Pamiętać trzeba, że znaczna cześć mocy oddanej przez chłodnicę powietrza pożytkowana jest na jego osuszenie. Stosując wymiennik higroskopijny, możemy znacznie zmniejszyć wymagany wydatek chłodnicy. Mamy zatem dwie korzyści jednocześnie: mniejszą wymaganą moc ze strony agregatu wody lodowej oraz mniejszą wilgotność powietrza dostarczanego do pomieszczeń.
Powyższe porównania nie są w stanie udzielić jednoznacznej odpowiedzi na pytanie o najlepszy system odzysku energii – stanowią one jedynie przykład takiej analizy. Jak widać, wybór tego najbardziej optymalnego, nie sprowadza się do przeprowadzenia „konkursu” na moc odzyskiwanego ciepła czy chłodu. Oprócz tego parametru, słusznie postrzeganego za jeden z najważniejszych, musimy zadać sobie wiele pytań, dotyczących miedzy innymi: warunków klimatycznych, w jakich przyjdzie pracować naszej centrali, długości poszczególnych pór roku, parametrów powietrza, które wypłynie z kanałów wentylacyjnych do naszych pomieszczeń oraz wymagań odnośnie separacji strumieni powietrza (co praktycznie jest tematem na oddzielny artykuł).
Źródło: VTS Polska Sp. z o.o.
