ODZYSK CIEPŁA W KLIMATYZACJI

Definicje i podstawowe zasady

Odzysk ciepła i inne terminy takie jak rekuperacja, regeneracja znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach. W przypadku klimatyzacji można określić jako docelowe wykorzystanie energii powietrza odlotowego odprowadzanego z budynku. Można wykorzystać wrażliwą energię cieplną oraz energię związaną z wilgocią, która to energia jest zwykle wykorzystywana do regulacji dostarczanego do budynku powietrza.

Odzysk ciepła jest pojęciem ogólnym o szerokiej treści i dlatego obejmuje szeroką gamę różnych rozwiązań. Podstawową zasadą wymienników ciepła jest przenoszenie ciepła pomiędzy przepływającym powietrzem a materiałem wymiennika. Jednak przy rozwiązywaniu różnych typów systemów ZZT stosuje się szereg innych zasad i rozwiązań. Zasady te obejmują na przykład kondensację, adsorpcję i inne.

Montaż rekuperatorów oraz pomp ciepła

Ponieważ do wykorzystania ciepła odpadowego wykorzystywane są różne urządzenia i właściwości fizyczne, do dystrybucji można stosować różne kryteria. Bardzo często układy odzysku ciepła dzieli się na rekuperatory i regeneratory, dlatego też terminy te są często uogólniane i mylone.

Ocena systemów odzyskiwania ciepła

Producenci systemów odzysku ciepła często podają wartość jego sprawności. Czy parametr ten, dokładniej nazywany sprawnością cieplną względem powietrza zewnętrznego, wyraża stosunek różnicy temperatur powietrza nawiewanego do różnicy temperatury powietrza wywiewanego i nawiewanego przed wymiennikiem? = (te2-te1) / (ti1-te1). Ta ocena jest bardzo prosta, ale też bardzo niejednoznaczna. Ponieważ rzeczywiste temperatury w procesie HVAC zależą od wielu innych parametrów, sprawność również nie jest stała, ale zależy od rzeczywistych warunków użytkowania. Niektórzy producenci wykorzystują tę cechę i wykazują maksymalną skuteczność swoich produktów, która jednak nie zostanie osiągnięta w rzeczywistym użytkowaniu lub zostanie osiągnięta tylko w krótkim okresie w określonych warunkach.

Podobnie jak sprawność cieplna, można określić sprawność przenoszenia wilgoci i sprawność przenoszenia entalpii.

Tak określona sprawność dla pasywnych wymienników ciepła może teoretycznie sięgać nawet 100%. W rzeczywistych zastosowaniach zwykle stosuje się urządzenia o nominalnej sprawności 50-90%. Sprzęt o niższej sprawności zazwyczaj nie zwraca się ze względu na niskie zwroty, co powoduje, że inwestycja jest wielokrotnie wyższa niż koszty oszczędności energii. Oczywiście przy wyborze rozwiązania mogą mieć znaczenie inne aspekty, na przykład w zakładach przemysłowych aspekt czystości.

Również wysiłek w celu osiągnięcia maksymalnej wydajności odzysku ciepła nie jest najważniejszy. Celem każdego rozwiązania powinno być zaprojektowanie systemu optymalnego dla danych warunków i aplikacji. Wymienniki ciepła do klimatyzacji posiadają również szereg innych właściwości, takich jak straty ciśnienia, waga, wielkość itp. Dlatego projektując wymiennik ciepła jako część całego systemu rozwiązania klimatyzacyjnego, należy uwzględnić te dodatkowe parametry rachunek.

Regeneracja – Rekuperacja

Przy zastosowaniu systemu rekuperacji energia cieplna jest przekazywana pomiędzy powietrzem wywiewanym a nawiewanym przez litą ścianę. Dzięki tej zasadzie nie ma przenoszenia masy między powietrzem wywiewanym i nawiewanym, dlatego generalnie nadaje się do zanieczyszczonego powietrza wywiewanego. Projekt może być bardzo różny. Podstawowy typ to rurowy wymiennik rekuperacyjny. Zaletą tego rozwiązania jest bardzo dobra podatność na czyszczenie, dlatego ten typ znajduje zastosowanie głównie w przemyśle. Wadą jest stosunkowo niewielka powierzchnia i wynikająca z niej niska wydajność, która zwykle wynosi 20-40%. Wydajności płyt są zwykle osiągane w zakresie 40-70%. Ich konstrukcja jest zwarta i stosunkowo prosta. Na płyty wymienników ciepła stosowane są różne materiały – stal, aluminium, tworzywa sztuczne. Wraz z rosnącą wydajnością, jaką uzyskuje się dzięki aranżacji, jednak ze względu na kształt płyt i zwiększającą się powierzchnię właściwą zmniejsza się podatność na czyszczenie i wzrastają straty ciśnienia. Jeszcze wyższe sprawności w zakresie ok. 60-90% można osiągnąć dzięki układowi przeciwprądowemu i profilowi ​​kanałów dróg przepływu wymiennika.

Wśród wymienników rekuperacyjnych można również zaliczyć konstrukcje specjalne, w których do wymiany ciepła wykorzystywany jest drugi stopień pośredni. Takim rozwiązaniem są obiegi cieczowe, w których energia cieplna przekazywana jest z powietrza wywiewanego najczęściej w wymienniku lamelowym do cieczy (mieszanina wody lub płynu niezamarzającego). Za pomocą obiegu płynu z pompą i innymi niezbędnymi elementami energia przekazywana jest do drugiego wymiennika w powietrzu nawiewanym. Największą zaletą tego układu jest możliwość przesyłania energii na stosunkowo duże odległości. W typowej konfiguracji system ten ma sprawność 30-50%, czyli stosunkowo niską. Przy układzie przeciwprądowym i zastosowaniu dużej ilości rzędów wymienników, sprawność może być wyższa (do 90%), ale ponieważ przy takim rozwiązaniu występują większe straty ciśnienia, takie rozwiązanie nie zawsze się opłaca.

Bardzo prostym rozwiązaniem dla systemów odzysku ciepła jest zastosowanie rurek cieplnych. Jest to specjalny rurowy wymiennik ciepła ingerujący w oba strumienie powietrza, gdzie wewnątrz rur znajduje się czynnik chłodniczy. Poprzez naturalną kondensację i odparowanie czynnika chłodniczego pomiędzy różnymi temperaturami powietrza wywiewanego i nawiewanego następuje odzysk ciepła. Zaletą rozwiązania jest doskonała podatność na czyszczenie, duża gęstość strumienia ciepła, prosty układ i konstrukcja. Wadą jest konieczność określonego wzajemnego położenia kanałów powietrznych. Częściowo to ograniczenie można zmniejszyć, stosując konstrukcję kapilarną, w której kanały powietrzne nie muszą być ułożone w stos w określonej konfiguracji.

Rekuperacja

Regeneracyjny system odzysku ciepła wykorzystuje masę wymiennika do akumulacji energii cieplnej i ewentualnie także wilgoci. Ciepło jest naprzemiennie przekazywane z powietrza wywiewanego do masy i przekazywane do powietrza nawiewanego, tzn. powierzchnia wymiany ciepła masy jest naprzemiennie myta powietrzem wywiewanym i nawiewanym.

Obecnie najczęściej stosowane są dwa układy, wykorzystujące obrotowy wymiennik regeneracyjny, gdzie masę akumulacyjną tworzy cylinder z kanałami przepływowymi, który obraca się w przestrzeni między kanałami powietrznymi i naprzemiennie osiąga połowę objętości masy do obu kanałów. Drugą zasadą jest przełączanie, gdzie powietrze wywiewane i nawiewane przepływa naprzemiennie przez blok magazynowy za pomocą klap przełączających. W celu uniknięcia nierówności przepływu zwykle stosuje się dwa identyczne bloki akumulacyjne, a system przepustnic przełącza przepływ naprzemiennie między nimi.

Podobnie jak w przypadku rekuperacji sprawność może dochodzić do 100%, ale rzeczywista sprawność to zazwyczaj 60-80%. W zależności od konstrukcji wymiennika, regeneracyjne wymienniki ciepła zwykle nie zapewniają 100% szczelności, dlatego ten typ nadaje się zazwyczaj do zastosowań innych niż rekuperatory.

Właściwością wymienników regeneracyjnych jest częściowy transfer masy. Ta cecha może być korzystna w niektórych zastosowaniach, ponieważ umożliwia przenoszenie wilgoci z powietrza wywiewanego. W przypadku regeneratorów obrotowych powierzchnia masy jest dostosowana tak, aby przenoszenie wilgoci było jak największe. W niektórych przypadkach można osiągnąć wydajność przenoszenia wilgoci na poziomie 60-80%.

Regeneratory obrotowe są zwykle wykonane z taśmy aluminiowej o szerokości 100-300 mm, która jest nawinięta na cylinder. Do produkcji wykorzystywane są również inne materiały – stal, tworzywa sztuczne, papier specjalny. Materiał jest pofałdowany, a pomiędzy poszczególnymi warstwami powstają małe kanaliki. W przypadku powierzchni standardowej przenoszenie wilgoci następuje tylko w warunkach kondensacji, jeśli temperatura powierzchni jest niższa niż temperatura punktu rosy przepływającego powietrza. Aby zwiększyć przenoszenie wilgoci, powierzchnię można poddać obróbce higroskopijnej. Aby osiągnąć najwyższą skuteczność przenoszenia wilgoci, powierzchnia jest wyposażona w specjalną substancję – adsorbent, który przenosi wilgoć z jednego powietrza na drugie.

Sprawność powyżej 100%?!

Sprawność cieplną definiuje się jako stosunek różnic temperatury powietrza przed i po odzysku ciepła, ponieważ temperatury te mogą przyjmować różne wartości, więc sprawność procesu nie musi być tylko w zakresie 0-100%. W przypadku pasywnych systemów granica 100% nie może być przekroczona zgodnie z zasadami praw termodynamicznych, natomiast w przypadku systemu aktywnego (np. pompy ciepła), gdy do systemu jest dostarczana dodatkowa energia z zewnątrz, sprawność może być wyższy. Ponieważ te systemy są bardzo różne, ten parametr nie jest odpowiedni do wzajemnego porównania.

Rekuperacja – sprawność

Mieszanie powietrza jest często określane jako system odzysku ciepła. Mieszanie jest niewątpliwie użytecznym narzędziem i odpowiednim rozwiązaniem do oszczędzania energii cieplnej w niektórych zastosowaniach. Oszczędność energii osiąga się dzięki bezpośredniemu wykorzystaniu powietrza wywiewanego (recyrkulacji), pod warunkiem, że jest to możliwe w aplikacji. Pod względem zużycia energii zastosowanie recyrkulacji jest często bardziej odpowiednie i ekonomiczne niż stosowanie systemów HVAC. Mieszanie nie jest jednak systemem odzysku ciepła (CHP), ponieważ nie spełnia swojej podstawowej definicji – nie wykorzystuje energii wywiewanego powietrza wywiewanego na zewnątrz budynku.

Zamrażanie wymienników ciepła

W zastosowaniach z temperaturami poniżej zera i wilgotnym powietrzem wymienniki ciepła mogą zawsze zamarzać. W przypadku regeneracyjnych wymienników ciepła, w których wymiana ciepła jest rozwiązywana w powtarzalnych cyklach, w normalnych warunkach ryzyko negatywnych skutków zamarzania jest minimalne, dlatego też wymienniki te zazwyczaj nie są w żaden sposób adresowane. Powstały oblodzenie może mieć negatywny wpływ na przepływ powietrza, wymianę ciepła i inne czynniki.

W przypadku wymienników rekuperacyjnych zamarzanie wymienników jest zjawiskiem negatywnym, które może wpłynąć na pracę urządzenia, a nawet doprowadzić do zniszczenia wymiennika. Dlatego w przypadku tego typu wymiennika ciepła należy rozwiązać problem zamarzania. Strategia rozwiązania może być inna. Podstawowym typem jest odszranianie cykliczne, poprzez zmianę przepływów powietrza, ogrzewanie powietrza lub cyrkulację powietrza. Drugi rodzaj to stałe zapewnienie warunków zapobiegających zamarzaniu przez obejście, podgrzewanie, mieszanie lub odpowiednio umiejscowioną grzałkę lokalną (przewody grzejne itp.). Środki przeciwoblodzeniowe generalnie zmniejszają skuteczność ZZT, a zatem właściwy wybór może mieć również znaczący wpływ na ogólne oszczędności energii rozwiązania. Oczyszczanie ciągłe (obejście, podgrzewanie) jest rozwiązaniem stabilnym, ale ich wpływ na wydajność jest większy. Odwrotnie, cykliczne odszranianie jest korzystniejsze pod względem zmiany średniej wydajności.

Szczelność wymienników ciepła

Z punktu widzenia zapobiegania przenoszeniu masy pomiędzy strumieniem powietrza wywiewanego (zanieczyszczonego) a powietrzem nawiewanym, wymienniki rekuperacyjne są ogólnie bardziej odpowiednie, w których przenoszenie energii odbywa się poprzez nieruchomą przeszkodę. W przypadku obiegów cieczy zapobieganie zanieczyszczeniom w zasadzie wynosi 100%. W przypadku innych wymienników, w których kanały powietrzne poprowadzone są w bezpośrednim sąsiedztwie, ich szczelność zależy od jakości wykonania i projektu. W większości przypadków ich szczelność (na przykład w płytowych wymiennikach ciepła) jest wystarczająco duża do standardowych zastosowań przy normalnych ciśnieniach i takie wymienniki ciepła są uważane za hermetyczne. W zastosowaniach specjalnych, np. gdy w powietrzu wywiewanym znajdują się zanieczyszczenia zagrażające życiu, należy sprawdzić szczelność oraz zaprojektować urządzenie tak, aby warunki ciśnieniowe w wymienniku były ustawione z nadciśnieniem po stronie czystej.

Zasada działania regeneracyjnych wymienników ciepła jest inna i dlatego zawsze może wystąpić pewne zanieczyszczenie powietrza nawiewanego z powietrza wywiewanego. Jeśli rozwiązanie ma również na celu przenoszenie wilgoci, inne substancje, w tym zanieczyszczenia, również mogą być przenoszone. W przypadku obrotowych wymienników ciepła, w zależności od konstrukcji, między kanałami może również występować stały przepływ powietrza. Zwykle mówi się, że przepływ ten wynosi do 5%, ale oczywiście jest to wartość jedynie orientacyjna iw dużej mierze zależy również od warunków ciśnieniowych. Z tego powodu nadaje się również do obrotowych regeneracyjnych wymienników ciepła, aby zapewnić nadciśnienie między stroną czystą i brudną.

Konfiguracja i zarządzanie

Kolejnym ważnym elementem przy wyborze odpowiedniego typu ZZT jest sterowalność. Możliwości regulacyjne są zwykle bardzo ściśle związane ze złożonością oraz zaawansowaniem konstrukcyjnym i technicznym systemu. Prosty pasywny element ZZT, taki jak płytowy wymiennik ciepła, ma szereg zalet, ale sterowalność nie jest jedną z nich. Regulację takiego wymiennika (podobnie jak i innych wymienników, które rozwiązano kompaktowo w urządzeniu) można wykonać bypassem z regulowanymi przepustnicami. Regenerator obrotowy jest doskonale regulowany, gdzie prędkość koła akumulacyjnego może być zmieniana w zależności od wymaganego transferu energii (lub wilgotności). Obwody cieczowe charakteryzują się również dobrą sterowalnością, gdzie możliwe jest sterowanie przepływem cieczy za pomocą odpowiednich zaworów lub innych elementów obiegu wodnego.

Opłacalność stosowania rekuperacji

Chociaż ekonomia jest jednym z głównych kryteriów wyboru ZZT, prawidłowa ocena ekonomiczna jest zwykle bardzo trudnym zadaniem o stosunkowo niepewnych wynikach. Możliwe jest uwzględnienie w obliczeniach wielu parametrów, z których pewna część ma duży zakres możliwych wartości, które mogą być zweryfikowane tylko przez zrealizowaną rzeczywistość. Dlatego prawdopodobnie nie jest możliwe śledzenie wyłącznie liczbowych wyników parametrów ekonomicznych, ale konieczne jest wykonanie innych analiz.

Obecna praktyka pokazuje, że systemy HVAC opłacają się w przypadku urządzeń o dłuższym czasie pracy. W przypadku sprzętu działającego krótkotrwale lub okazjonalnie, instalacja HVAC zwykle nie opłaca się, chyba że jest potrzebna z innego powodu (na przykład z powodu braku zasobów energii). Najczęściej stosowane są kompaktowe układy ZZT o sprawności 50-90% – rekuperatory płytowe i regeneratory obrotowe.