System chłodzenia pomieszczeń świeżym powietrzem z wykorzystaniem pośredniego chłodzenia przez odparowanie wody OXYCELL TECHNOLOGY

Ekologiczny, energooszczędny system chłodzenia pomieszczeń świeżym powietrzem z wykorzystaniem pośredniego chłodzenia przez odparowanie wody OXYCELL™ TECHNOLOGY firmy KAMPMANN.

W 2000 r. Komisja Europejska przyjęła Zieloną Księgę "Europejska Strategia
Zaopatrzenia w Energię". W strategii tej wyróżniono trzy podstawowe problemy, przed
którymi stała ówczesna Unia Europejska:
• Unia Europejska uzależnia się coraz bardziej od zewnętrznych zasobów energetycznych;
poszerzenie Unii zwiększy jeszcze tę zależność. Z opracowanych prognoz wynika, że jeśli nie
zostaną podjęte żadne środki, to zależność od importowanych zasobów energetycznych
wzrośnie do 70% w roku 2030, w porównaniu z obecnym 50% importem.
• Emisja gazów cieplarnianych w krajach członkowskich stale rośnie, co znacznie utrudnia
spełnienie wymagań wynikających z Programu Ochrony Środowiska ONZ (UNEP) oraz
ustaleń Protokołu z Kioto. Co więcej, ustalenia zawarte w Protokole z Kioto muszą być
traktowane jako pierwszy krok; zmiany klimatyczne to długotrwała batalia angażująca całą
międzynarodową społeczność.
• Unia Europejska ma bardzo ograniczone możliwości zmiany warunków zaopatrzenia w
energię. Znajdują się one po stronie popytu i Unia może interweniować głównie przez
promocję oszczędności energii w sektorze budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej
oraz transporcie.
Postanowiono, że uwzględnienie tych problemów powinno stanowić podstawę do
wprowadzenia zasad oszczędnego użytkowania energii wszędzie tam, gdzie to tylko możliwe.
Szczególną uwagę zwrócono na sektor budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej,
gdyż jest on największym odbiorcą energii. W związku z tym zdecydowano, że należy
wprowadzić bardziej restrykcyjne regulacje prawne zmierzające do ograniczenia wzrostu
popytu na energię. W tym celu wprowadzono nową Dyrektywę UE w sprawie charakterystyki
energetycznej; przepisy tej dyrektywy powinny być włączone przez kraje członkowskie do
swego krajowego ustawodawstwa do 4 stycznia 2006 r. Zgodnie z wymaganiami Dyrektywy
2002/91/WE:
- w całej UE stosowana będzie, w miarę możliwości, zbliżona metodologia obliczania
charakterystyki energetycznej budynku, uwzględniająca lokalne warunki klimatyczne,
- kraje członkowskie określą minimalne wymagania charakterystyki energetycznej i będą je
stosować zarówno do budynków nowych, jak i remontowanych, dużych budynków
istniejących. Wiele z tych wymagań będzie określonych na podstawie istniejących lub
opracowywanych norm europejskich.
- system świadectw energetycznych budynków sprawi, że jasno zdefiniowane poziomy
zużycia energii będą bardziej przejrzyste dla właścicieli budynków, najemców i
użytkowników,
- kotły grzewcze i systemy klimatyzacji o mocach większych niż ustalone minimum
(znamionowa moc chłodnicza urządzeń klimatyzacyjnych większa niż 12 kW) będą
podlegać regularnym kontrolom, których celem będzie sprawdzenie ich sprawności
energetycznej i emisji gazów cieplarnianych oraz szczelności obiegów chłodniczych.
Wynikająca z wymagań Dyrektywy 2002/91/WE poprawa izolacyjności cieplnej
ogrzewanych budynków spowoduje równocześnie zwiększenie zapotrzebowania na zimno
systemów klimatyzacji i wentylacji usuwających w okresie letnim z pomieszczeń wewnętrzne
i zewnętrzne zyski ciepła.
Obecnie w urządzeniach chłodniczych systemów klimatyzacji stosowane są przede
wszystkim syntetyczne czynniki robocze, które są obce ekosystemom, gdyż stanowią
produkty syntezy chemicznej. Z tego powodu ich obecność w środowisku naturalnym jest
zwykle szkodliwa i niepożądana.
Do oceny wpływu czynników chłodniczych na środowisko stosowane są trzy wskaźniki :
● potencjał niszczenia ozonu (ODP),
● globalny potencjał ocieplenia (GWP),
● całkowity równoważny wskaźnik ocieplenia (TEWI).
Wskaźnik ODP charakteryzuje wpływ danego czynnika na intensywność rozkładu ozonu,
przy czym wartość tego wskaźnika jest odniesiona do właściwości R11(ODP R11=1).
Wskaźnik GWP opisuje wpływ czynnika na efekt cieplarniany, przy czym podawane
wartości tego wskaźnika odniesione są do R744 (CO2) i horyzontu czasowego
oddziaływania danej substancji wynoszącego 100 lat, przy czym GWPR 744 =1.
Dwutlenek węgla ma niewielki wskaźnik GWP, jednak na skutek ogromnej emisji tego
gazu do atmosfery, ma on przeważający udział w tworzeniu globalnego potencjału
ocieplenia (ponad 50%). Natomiast, tzw. gazy śladowe, do których są zaliczane pochodne
węglowodorów (CFC i HCFC), mimo ich małej ilości w atmosferze, odpowiadają za 25%
globalnego ocieplenia z powodu bardzo długiego okresu ich rozpadu.
Jednak wskaźnik GWP nie charakteryzuje całkowitego wpływu określonego czynnika
chłodniczego na atmosferę. Wskaźnikiem umożliwiającym ocenę globalnego ocieplenia
atmosfery, który uwzględnia zarówno wpływ bezpośredniej emisji czynnika chłodniczego
do atmosfery, jak i pośredni wpływ emisji dwutlenku węgla powstającego podczas
wytwarzania energii niezbędnej do działania urządzenia chłodniczego lub klimatyzacyjnego,
w pełnym okresie ich trwałości eksploatacyjnej jest całkowity równoważny wskaźnik
ocieplenia (TEWI). Wskaźnik ten ma istotne znaczenie w przypadku porównywania
alternatywnych urządzeń lub czynników chłodniczych, w warunkach takiego samego
zastosowania i tego samego usytuowania.
Wartość wskaźnika TEWI obliczana jest za pomocą wzoru
TEWI = GWP • L • n + n • Ea • β            kg CO2
gdzie:
GWP • L • n = człon uwzględniający równoważną emisję CO2 spowodowaną wyciekami
czynnika chłodniczego przez nieszczelności,
n • Ea • β = człon uwzględniający emisję CO2 związaną z produkcją energii zużywanej do
napędu urządzenia,
GWP - globalny potencjał ocieplenia czynnika chłodniczego,
L - roczne straty czynnika przez nieszczelności, kg/a,
n - czas eksploatacji urządzenia, a,
Ea - roczne zużycie energii napędowej, kWh /a,
β - wskaźnik emisji CO2 przy wytwarzaniu 1kWh energii napędowej, kg CO2/kWh.
W projekcie Rozporządzenia Komisji Parlamentu Europejskiego o niektórych fluorowanych
gazach cieplarnianych (Rozporządzenie UE 2037/2000) znalazły się, między innymi,
następujące propozycje zmierzające do redukcji emisji tych gazów:
- minimalizacja emisji przez stosowanie dostępnych środków technicznych i
ekonomicznych,
- obowiązek regularnej kontroli szczelności stacjonarnych instalacji chłodniczych,
klimatyzatorów i pomp ciepła,
- obowiązek stosowania systemów wykrywania nieszczelności w instalacjach o napełnieniu
przekraczającym 300 kg,
- raportowanie o zwiększeniu liczby instalacji o napełnieniu powyżej 3 kg,
- zakaz stosowania gazów fluorowanych, których globalny potencjał cieplarniany GWP jest
większy niż 150.
Ta ostatnia propozycja, ograniczająca stosowanie substancji o GWP>150 budzi największe
kontrowersje, gdyż w praktyce zakaz ten dotyczy prawie wszystkich używanych obecnie
syntetycznych czynników chłodniczych. W związku z tym powstaje konieczność
poszukiwania nowych technologii chłodzenia powietrza wykorzystujących przede wszystkim
naturalne czynniki chłodnicze.
1. Ekologiczna klimatyzacja pomieszczeń świeżym powietrzem OXYCELL™
TECHNOLOGY
1.1. Uwagi ogólne
Firma Kampmann zaproponowała znakomitą, a równocześnie rewelacyjną w swej
prostocie, technologię OXYCELL™ TECHNOLOGY do klimatyzacji pomieszczeń z
wykorzystaniem tylko świeżego powietrza zewnętrznego, które jest chłodzone w
przeponowym wymienniku ciepła w wyniku odparowania wody. Dzięki tej technologii
można wyeliminować większość wad stosowanych dotychczas klimatyzatorów, w których
powietrze wentylacyjne jest ochładzane i osuszane w powierzchniowych chłodnicach
powietrza z bezpośrednim odparowaniem syntetycznego czynnika chłodniczego.
1.2. Zasada działania urządzenia
Zasada działania urządzenia w którym wykorzystano technologię OXYCELL™
TECHNOLOGY wynika bezpośrednio z rys.1.


Rys.1. Zasada działania urządzenia do chłodzenia powietrza z wykorzystaniem OXYCELL™ TECHNOLOGY:
a) układ strumieni powietrza przepływającego przez wymiennik,
b) schemat wymiennika ciepła oraz parametry powietrza wyznaczone w wyniku badań
Strumień świeżego powietrza zewnętrznego przepływa wzdłuż ścianki wymiennika ciepła,
którego zewnętrzna powierzchnia jest chłodzona przez wodę odparowującą do strumienia,
tzw. powietrza procesowego, które przepływa w przeciwprądzie. Powietrze procesowe
stanowi część (ok.1/3) powietrza świeżego czerpanego z otoczenia. Woda odparowuje z
powierzchni powłoki hydrofilowej, przy czym szybkość jej odparowania jest zwiększona
dzięki przepływowi powietrza. Powłoka hydrofilowa zraszana jest wodą pobieraną z instalacji
wodociągowej budynku; pobór jej umożliwia specjalny zestaw przyłączeniowy. Z rysunku
wynika, że powietrze procesowe spełnia dwa zadania:
- asymiluje parę wodną powstającą na powłoce hydrofilowej,
- odbiera ciepło jawne od powietrza wentylacyjnego, które przepływa przeciwprądowo
przez wymiennik ciepła.
W wyniku procesu wymiany ciepła i masy zachodzącego w wymienniku powietrze
wentylacyjne ochładzane jest prawie do temperatury punktu rosy, przy czym wartość tej
temperatury zależy od parametrów powietrza zewnętrznego (p. rys.3).
Budowę przeciwprądowego, przeponowego wymiennika ciepła OXYCELL X pokazano na
rys.2.

Rys.2. Wymiennik ciepła OXYCELL X
Przepona wymiennika wykonana jest ze specjalnej cienkościennej blachy aluminiowej.
Blacha ta jest po obu stronach pokryta powłoką zabezpieczającą przed korozją i nadmiernym
osadzaniem się zanieczyszczeń. Odpowiednio ukształtowana powłoka hydrofilowa jest
cyklicznie zraszana wodą (w odstępach czasu 3 do czterech minut). Ponadto powłoka
hydrofilowa jest okresowo zraszana wodą z roztworem usuwającym kamień wodny i inne
zanieczyszczenia.
Dzięki zastosowaniu przepony rozdzielającej strumienie powietrza wymieniające ciepło
oraz odpowiedniemu umieszczeniu wylotu powietrza procesowego nie ma niebezpieczeństwa
skażenia powietrza wentylacyjnego bakteriami z rodziny Legionella.
Przebieg procesu chłodzenia powietrza zewnętrznego na wykresie Molliera w układzie h-x
pokazano na rys.3. Z wykresu tego wynika wpływ zawartości wilgoci w tym powietrzu na
końcową temperaturę chłodzenia w wymienniku OXYCELL X. Gdy zawartość wilgoci x w
powietrzu o temperaturze 30°C nie jest większa niż 14,6 g /kg, to temperatura powietrza
wentylacyjnego odpływającego z wymiennika wyniesie co najwyżej ok.22 °C; powietrze to
ma jeszcze wystarczającą zdolność chłodzącą i zapewnia w klimatyzowanym pomieszczeniu
odpowiednie warunki komfortu cieplnego. A zatem wartość x=14,6 g /kg wyznacza granicę
skuteczności działania wymiennika OXYCELL X.

Rys.3. Przebieg procesów chłodzenia powietrza w wymienniku OXYCELL X
na
wykresie w układzie h-x
Natomiast na rys. 4 pokazano zmiany parametrów powietrza wentylacyjnego i
procesowego określone w wyniku cieplno-przepływowych badań wymiennika OXYCELL X.

Rys.4. Zmiany parametrów powietrza (wentylacyjnego i procesowego) w wymienniku
OXYCELL X
2. Zastosowanie OXYCELL™ TECHNOLOGY w praktyce
Nowoczesna ekologiczna metoda chłodzenia powietrza w wyniku przeponowego
odparowania wody OXYCELL™ TECHNOLOGY została z powodzeniem wykorzystana
w firmie Kampmann do budowy nowoczesnych urządzeń do wentylacji z chłodzeniem
zarówno pojedynczych pomieszczeń, jak i średnich oraz dużych obiektów użyteczności
publicznej. Są to urządzenia, które praktycznie zrewolucjonizowały dotychczasowy rynek
kompaktowych urządzeń klimatyzacyjnych.
Na rysunku 5 pokazano urządzenie ROOFTOP 3000 przeznaczone chłodzenia i
wentylacji pomieszczeń ze 100% udziałem świeżego powietrza w lecie lub wentylacji w
zimie wstępnie podgrzanym powietrzem zewnętrznym dzięki odzyskaniu ciepła z
powietrza wywiewanego (opcja ROOFTOP 3000WRG).
Urządzenie umożliwia również chłodzenie wentylowanych pomieszczeń za pomocą
oczyszczonego powietrza zewnętrznego w okresach, gdy temperatura tego powietrza jest
niższa niż temperatura w pomieszczeniu (free cooling).

Rys.5. ROOFTOP 3000 do montażu na lub przy średnich i dużych budynkach
Charakterystyka urządzenia ROOFTOP 3000
Chłodzenie

Maksymalny strumień objętości powietrza wentylacyjnego (ciśnienie 300Pa): 3000 m³/h,
Moc chłodnicza (powietrze zewnętrzne: te = 32°C, φ = 40%): 12 kW,
Pobór mocy elektrycznej: 2,55 kW,
Zużycie wody: 0,015 m³/h.
Wentylacja z odzyskiwaniem ciepła

Maksymalny strumień objętości powietrza wentylacyjnego: 1500 m³/h,
Sprawność odzyskiwania ciepła: ok. 80%.
Wentylacja nawiewna

Maksymalny strumień objętości powietrza wentylacyjnego: 4500 m³/h.
Urządzenie jest wyposażone w następujące elementy do oczyszczania powietrza: filtr
zgrubny G3 w siatce na wlocie oraz filtr dokładny F8 z kontrolą stopnia jego
zanieczyszczenia.
Strumień objętości powietrza wentylacyjnego oraz jego temperatura mogą być regulowane
ręcznie lub automatycznie za pomocą mikroprocesorowego sterownika, przy czym jeden
sterownik umożliwia podłączenie 16 urządzeń. Urządzenie może być również wyposażone
w moduł komunikacji do podłączenia do BMS.
Firma Kampmann oferuje również mniejsze urządzenia, w których wykorzystano
technologię OXYCELL™ TECHNOLOGY. Są to: ROOFTOP 400 - urządzenie do
wentylacji pojedynczych pomieszczeń i przystosowane do montażu zewnętrznego na
budynkach oraz INDOOR 400 - urządzenie do wentylacji pojedynczych pomieszczeń i
przystosowane do montażu wewnątrz budynku.
3. Możliwości zastosowania w Polsce urządzeń wykorzystujących technologię
OXYCELL™ TECHNOLOGY

Efektywność działania urządzeń wentylacyjnym z pośrednim chłodzeniem powietrza przez
odparowanie wody w przeponowym wymienniku ciepła OXYCELL X zależy przede
wszystkim od parametrów powietrza zewnętrznego. Urządzenia te działają szczególnie
efektywnie w warunkach suchego klimatu kontynentalnego, gdy zawartość wilgoci w
powietrzu zewnętrznym jest mniejsza niż 14,6 g/kg.
W Polsce obliczeniowe parametry powietrza zewnętrznego określone są w normie
PN-76/B-03420. Zgodnie z tą normą Polska jest podzielona na dwie strefy klimatyczne, w
których przyjmowane są następujące parametry:
- I strefa klimatyczna
temperatura 28,0°C,
zawartość wilgoci 12,4 g/kg,
wilgotność względna 52%,
entalpia 59,9 kJ /kg
- II strefa klimatyczna
temperatura 30,0°C,
zawartość wilgoci 11,9 g/kg,
wilgotność względna 45%,
entalpia 60,7 kJ /kg.
W tablicy 1 zestawiono wartości parametrów powietrza zewnętrznego okresu letniego,
decydujące e efektywności działania urządzeń wykorzystujących technologię OXYCELL™
TECHNOLOGY w wybranych miastach Polski.
Tablica 1
Charakterystyka klimatu w wybranych miastach Polski
(wg Meteonorm Version 5.0,2003
von METEOTEST, Schweiz- Durchschnitt Jahre 1961-1990)

Wielkość
Koszalin
Warszawa
Poznań
Kraków

h/a
%
h/a
%
h/a
%
h/a
%

Okres wystepowania te>21°C
317
-
628
-
660
-
556
-

Zawartość wilgoci w powietrzu
zewnętrznym xe, g/kg:

poniżej 10
71
22
247
39
354
54
311
56

10÷12
95
30
283
45
148
22
133
24

12÷13,3
53
17
79
13
42
6
60
11

13,3÷14,6
16
5
17
3
40
6
45
8

ponad14,6
82
26
2
0
76
12
7
1

Okres występowania te przy
zawartości wilgoci xe > 14,6 g/kg

21÷28°C
77
24
2
0
60
9
7
1

28÷35°C
5
2
0
0
16
2
0
0

>35°C
0
0
0
0
0
0
0
0
Z danych zestawionych w tablicy wynika, że w Polsce należy oczekiwać efektywnej pracy
urządzeń z technologią OXYCELL™ TECHNOLOGY , gdyż w sezonie chłodzenia okres
występowania warunków, w których x<12,0 g/kg jest najdłuższy.
4. Zalety nowej technologii chłodzenia powietrza OXYCELL™ TECHNOLOGY
zastosowanej w produktach firmy KAMPMANN

Najnowsze produkty firmy Kampmann, w porównaniu z konwencjonalnymi rooftpami
wyposażonymi w sprężarkowe urządzenia chłodnicze, mają następujące zalety:
- technologia chłodzenia powietrza przez odparowanie wody jest przyjazna dla środowiska
(wskaźniki ekologiczne czynnika chłodniczego R718: GWP=0 i ODP=0),
- bardzo małe zużycie energii elektrycznej i dzięki temu wskaźnik TEWI jest kilkanaście
razy mniejszy niż w urządzeniach tradycyjnych,
- do wentylowanego pomieszczenia dostarczane jest stale świeże powietrze zewnętrzne i
dzięki temu w pomieszczeniach nie ma „deficytu" tlenu,
- nieuciążliwa i tania eksploatacja,
- wyjątkowo niski poziom hałasu,
- prosty montaż i łatwa obsługa,
- łatwa i precyzyjna regulacja poprzez mikroprocesorowy sterownik,
- możliwy recycling całego urządzenia,
- możliwość całorocznej eksploatacji w następujących trybach pracy:
● lato - wentylacja pomieszczenia wyłącznie powietrzem świeżym chłodzonym przez
odparowanie wody z możliwością stosowania naturalnego chłodzenia w okresie nocnym (free
cooling),
● zima - odzyskiwanie ciepła z powietrza wywiewanego do wstępnego podgrzania
powietrza świeżego,
● wiosna / jesień - naturalne chłodzenie (free cooling)
Na podstawie materiałów firmy Kampmann GMBH
opracował dr inż. Marian Rubik
Źródło: Kampmann GMBH

Źródło: ''