Proste okresy zwrotu dla wymienników spiralnych typu WS

W referacie wyznaczono i podano proste okresu zwrotu nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacji dla wymienników spiralnych typu WS w wybranych miastach Polski. Ze względu na osiąganą bardzo wysoką sprawność temperaturową przekraczającą 85% zbędne są nagrzewnice powietrza wentylacyjnego, co zmniejsza nakłady inwestycyjne. Wyeliminowanie nagrzewnic zmniejsza również wzrost oporów przepływu powietrza ze względu na zastosowanie rekuperatora. Wyznaczano czas prostego zwrotu nakładów. Zwykle jest on krótszy niż trzy lata. Zależy on również od warunków klimatycznych.

Konieczność odzyskiwania ciepła w instalacjach wentylacyjnych
Wraz ze wzrostem izolacyjności cieplnej budynków i wzrostem cen nośników energii
zwiększa się zainteresowanie odzyskiwaniem ciepła z powietrza wentylacyjnego. Oprócz
oszczędności energii cieplnej, inwestorzy kierują się także chęcią poprawy jakości powietrza
w budynku.
Nowoczesne budownictwo odznacza się dobrą izolacyjnością przegród zewnętrznych.
Ściany oraz okna, a także posadzki oraz strop czy stropodach charakteryzują się coraz
mniejsza wartością współczynnika przenikania ciepła. Powoduje to, że maleje udział strat
ciepła przez przenikanie w ogólnym bilansie strat ciepła budynku w miarę zaostrzania
wymagań ochrony cieplnej budynków. Zwieksza się natomiast udział strat ciepła na ogrzanie
powietrza wentylacyjnego. Orientacyjne udziały poszczególnych strat ciepła dla aktualnie
wznoszonych budynków przedstawiono w tabeli 1. Ponad połowa strat ciepła dla budynków
obecnie wznoszonych, to ciepło możliwe do odzyskania.

Tabela 1. Najczęściej spotykane wartości udziałów strat ciepła dla budynków
obecnie wznoszonych (piwnice nieogrzewane, stropodach)

Lp.
źródła strat ciepła
udziały w stratach ciepła [%]
1
ściany zewnętrzne
14
2
okna
16
3
stropodach
6
4
strop piwnicy
4
5
inne (drzwi zewnętrzne, dylatacje)
2
6
wentylacja
wentylacja - ciepło możliwe do odzyskania
6
52
Efektywność odzysku energii
Wielkością charakteryzującą urządzenie do odzysku energii jest efektywność odzysku
Eo, definiowana jako stosunek (strumienia) energii odzyskanej Qo do (strumienia) energii, która zostałaby stracona Qt w układzie wentylacyjnym bez odzysku, tzn.

Strumien energii cieplnej powietrza zewnetrznego (exterior) przed wymiennikiem wynosi
Qe1, za nim zas Qe2. Dla powietrza wewnątrz pomieszczenia (interior), które jest usuwane,
wielkości te wynoszą odpowiednio Qi1 i Qi2.

Strumień energii traconej wraz z powietrzem usuwanym do atmosfery bez stosowania
odzysku wynosi

Zastosowanie urządzenia do odzysku energii umożliwią odzyskanie strumienia energii w
Ilości

co odpowiada strumieniowi energii doprowadzonej do powietrza nawiewanego
(zewnetrznego) w urządzeniu odzyskującym energie lub

co odpowiada strumieniowi energii pobranej z powietrza usuwanego do atmosfery w
urządzeniu odzyskującym energie.
Jeżeli strumienie masowe przepływającego przez wymiennik powietrza wynoszą
odpowiednio Me i Mi , to

Zakładajac równosc strumieni powietrza Me = Mi , otrzymujemy

Pomijając ciepło jawne pary wodnej zawartej w powietrzu, entalpie powietrza można wyrazić
uproszczonym równaniem

Po podstawieniu zależnosci (8) do wzoru (7) otrzymujemy

Wprowadzimy tu pojęcia:
- stopień wykorzystania różnicy temperatur Et (lub temperaturowa efektywność odzysku )

- stopień wykorzystania różnicy zawartości wilgoci Ex (lub wilgotnościowa
efektywność odzysku)

- współczynnik B zdefiniowany jako

Wymienniki przeciwprądowe osiągają największe temperaturowe efektywności
odzysku C przy tych samych wartościach parametru Ntu w porównaniu z innymi
wymiennikami. Zaletą jest także to, iż nie występuje szronienie się wymiennika. Oferowane
na rynku są wymienniki spiralne o wzdłużnym przepływie przeciwprądowym. Podstawa
urządzenia jest spiralny wymiennik ciepła. Konstrukcja jest prosta i zwarta oraz lekka.
Wymiennik spiralny utworzony jest z arkuszy blachy nawiniętych z zachowaniem stałej
odległości między kolejnymi płytami. W technice wentylacyjnej stosuje się przepływ
wzdłużny (rysunek 1).


Rys. 1. Schemat obliczeniowy rekuperatora spiralnego
o wzdłużnym przepływie
przeciwprądowym
a)przekrój wzdłużny b)poprzeczny
Ze względu na przeciwprądowe warunki przepływu i bardziej równomierne pole
temperatur w poszczególnych przekrojach poprzecznych strumienia powietrza chłodzonego
są bardziej odporne na wykraplanie wilgoci w porównaniu z innymi konstrukcjami
rekuperatorów.
Wyznaczenie prostych okresów zwrotu wymiennika spiralnego
Można przyjąć, że nakłady inwestycyjne stosowania rekuperatora spiralnego o przepływie
wzdłużnym w instalacjach z odzyskiem ciepła wymagają nakładów większych o koszt zakupu
i montażu rekuperatora KR. Mogą wymagać również zastosowania większych, a wiec również
droższych wentylatorów, ale ze względu na wysoka wartość współczynnika ε przekraczającą
85% i przy uwzględnieniu zysków ciepła w wentylowanych pomieszczeniach stają się zbędne
nagrzewnice powietrza.
Koszty eksploatacyjne są związane ze stratami strumienia energii w rekuperatorach, które
maja dwa istotne zródła:
a) strumień ciepła, które nie zostało wymienione i jest unoszone w powietrzu
wywiewanym do atmosfery opisuje równanie:

w którym Q oznacza rzeczywista moc cieplna wymiennika, zaś Qmax moc cieplna możliwa do
wymienienia przy danych temperaturach wlotowych i nieskończenie dużej powierzchni
wymiany ciepła.
Znając cenę energii cieplnejcc, zł/kWh, dla założonej liczby dni τ można oszacować wartość
ciepła unoszonego w powietrzu wywiewanym Kout, zł/a, w rozpatrywanym okresie sezonu
grzewczego:

oraz wartość zaoszczędzonej energii cieplnej Ko, zł/a, w porównaniu do instalacji bez
rekuperacji:

Wartość Qmaxsr w powyższych równaniach oznacza wartość Qmax wyznaczona dla średniej
temperatury powietrza zewnętrznego tesr w rozpatrywanym czasie τ, czyli

stąd

zaś dla całego sezonu ogrzewczego opisuje równanie:

w którym Ld(m) oznacza liczbę dni ogrzewania w m-tym miesiącu, tesr(m) - średnia temperaturę powietrza zewnętrznego tesr w m-tym miesiacu.
Sumowanie następuje dla całego sezonu grzewczego. Średnie temperatury powietrza
zewnetrznego tesr(m) oraz liczby dni ogrzewania τ w miesiącach rozpoczynających lub
kończących sezon grzewczy przyjęto wg PN-B-02025:2001. Jeżeli podana w normie wartość tesr(m) spełniała warunek tesr(m) >12 , to w obliczeniach przyjmowano tesr(m) =12.
b) opory przepływu powietrza przez rekuperator wymagają zastosowania
wentylatorów o większych sprężach w porównaniu z instalacja bez rekuperacji i mogą
zwiększać nakłady inwestycyjne. Zwiększenie kosztów eksploatacyjnych ΔKW, zł/a, można
oszacować wg równania:

w którym ce oznacza cenę energii elektrycznej, zł/kWh, Δp – opory przepływu przez
rekuperator, Pa, V – strumień objętościowy powietrza wentylacyjnego, m³/h, η - sprawność
wentylatorów, - , wskaźniki 1, 2 – oznaczają odpowiednio strumień powietrza nawiewanego
oraz wywiewanego.
Dla całego sezonu ogrzewczego τ wyznaczymy z równania:

Przykłady obliczeniowe
Rozpatrujemy centrale z wymiennikiem spiralnym zamontowane w wybranych miastach w
Polsce leżących w różnych strefach temperatur obliczeniowych powietrza zewnetrznego.
Przyjęto:
- średnie temperatury i liczby dni ogrzewania wg PN-B-02025:2001,
- temperatura usuwanego powietrza tu = 20oC,
- cena energii cieplnej cc = 0,1070 zł/kWh,
- cena energii elektrycznej ce = 0,3747 zł/kWh,
- przyjęte do obliczeń ceny wymienników WS zestawiono w tabeli 2,
- opory przepływu przez rekuperator w oparciu o własne wyniki pomiarów, sprawność
temperaturowa przyjęta do obliczeń - zestawiono w tabeli 2,
- sprawność wentylatorów wg danych katalogowych zależnie od strumienia
objętościowego powietrza wentylacyjnego η = 0,4 ÷ 0,7.
W oparciu o przeprowadzone obliczenia wyznaczono wartość zaoszczędzonej energii
cieplnej Ko oraz zwiększenie kosztów eksploatacyjnych ΔKW [zł/a] ze względu na opory
przepływu przez rekuperator. Na rysunkach 2 - 7 przedstawiono uzyskane wartości prostego
okresu zwrotu N wg równania:

stąd


Tabela 2. Przyjęte koszta wymienników WS i strumienie
powietrza wentylacyjnego
V[m³/h] w zależności od prędkości




Rys. 2. Proste okresy zwrotu – dane klimatyczne dla Suwałk


Rys. 3. Proste okresy zwrotu – dane klimatyczne dla Zakopanego


Rys. 4. Proste okresy zwrotu – dane klimatyczne dla Białegostoku


Rys. 5. Proste okresy zwrotu – dane klimatyczne dla Warszawy


Rys. 6. Proste okresy zwrotu – dane klimatyczne dla Poznania


Rys. 7. Proste okresy zwrotu – dane klimatyczne dla Gdańska
Podsumowanie i wnioski
We wszystkich wynikach obliczeń, których ilustracja są rysunki 2 do 7, minimalny
okres zwrotu uzyskuje się dla przepływu powietrza w kanałach rekuperatora o prędkości 3,5
m/s. Stosowanie wyższych prędkości jest nieracjonalne, następuje znaczny wzrost oporów
oraz pogorszenie temperaturowej efektywności odzysku ε, zwłaszcza dla powietrza o
większej zawartości wilgoci.
Mimo osiągania niezwykle wysokiej sprawności temperaturowej powyżej 85%
możliwe i celowe jest prowadzenie prac polepszających konstrukcje i parametry techniczno –
ekonomiczne wymiennika spiralnego o wzdłużnym przepływie przeciwprądowym.
Praca naukowa finansowana ze środków Komitetu Badan Naukowych w latach 2004-
2006 jako własny projekt badawczy nr 3 T09D 053 27.
Badania przeprowadzono na spiralnych wymiennikach ciepła Firmy Bartosz Sp.J. z
Białegostoku. Więcej informacji na stronie www.bartosz.com.pl

Autor: dr inż. Mariusz Adamski, Katedra Ciepłownictwa, Politechnika Białostocka
LITERATURA:
1. Urządzenia wentylacyjne i odzysk ciepła 2003. “Poradnik firmy Bartosz”, Białystok.
2. PN-B-02025:2001 Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania
budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego
3. PN-76/B-03420 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza
Zewnętrznego
4. PN-78/B-03421 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza
wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi
5. PN-83/B-03430 Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i
użyteczności publicznej. Wymagania