chłodzenie adiabatyczne

x

Wideo, Animacja Chłodzenie adiabatyczne










Nawilżanie powietrza w prostych słowach:

Jak działa chłodzenie adiabatyczne?



Pośrednie chłodzenie wyparne to proces, podczas którego powstające w trakcie przemiany fazowej ciepło parowania jest wykorzystywane do chłodzenia (np. chłodzenia powietrza w urządzeniu HVAC).

1. Czynniki wpływające na możliwy do uzyskania efekt chłodzenia
W przypadku pośredniego chłodzenia wyparnego następuje parowanie wody po stronie wylotu powietrza z urządzenia HVAC, w następstwie czego ciepłe powietrze z otoczenia ulega schłodzeniu dzięki odbywającemu się w następnej kolejności procesowi odzyskiwania ciepła. Osiągalne schłodzenie powietrza z otoczenia zależy więc od odparowanej ilości wody po stronie wylotu powietrza oraz od konstrukcji, jak również od współczynnika sprawności stosowanego układu odzyskiwania ciepła. Powietrze wylotowe może przy tym być nawilżane aż do poziomu bliskiego nasyceniu, co nie powoduje wzrostu wilgotności w powietrzu doprowadzanym.

Odparowywana ilość wody, a tym samym również osiągane schładzanie, zależy - poza prędkością powietrza, z jaką następuje przepływ przez chłodnicę wyparną - od stanu powietrza, z jakim powietrze wylotowe wpływa do chłodnicy wyparnej.

Miarodajne są przy tym:
  • temperatura powietrza przed odparowaniem: im niższa, tym mniej wilgoci może przyjąć powietrze i tym słabszy jest efekt chłodzenia
  • wilgotność powietrza przed odparowaniem: im więcej wody zawiera już powietrze, tym mniej wilgoci może jeszcze przyjąć i tym słabszy jest uzyskiwany efekt obniżania temperatury


  • Teoretyczna granica chłodzenia wyparnego zostaje osiągnięta przy całkowitym nasyceniu powietrza wodą, a więc przy względnej wilgotności powietrza wynoszącej 100%. W urządzeniach HVAC realistyczne jest, przy akceptowalnych ekonomicznie nakładach, zwiększenie wilgotności do wartości od 92 do 95%, w zależności od konstrukcji zastosowanej chłodnicy wyparnej.

    2. Oszczędność energii dzięki pośredniemu chłodzeniu wyparnemu w urządzeniu HVAC
    Zapotrzebowanie budynku na energię chłodniczą zależy zasadniczo od aktualnego promieniowania słonecznego oraz wewnętrznego obciążenia cieplnego przez osoby, urządzenia oraz instalacje oświetleniowe. W celu zachowania dopuszczalnych wartości wilgotności powietrza w pomieszczeniach niezbędna jest, w zależności od stanu powietrza otoczenia oraz występujących wewnętrznie źródeł wilgoci, dodatkowa, utajona energia chłodnicza.

    Pośrednie chłodzenie wyparne nadaje się do chłodzenia jawnego powietrza doprowadzanego. Dodatkowo niezbędne w celu usunięcia wilgoci chłodzenie utajone lub też wykraczające poza potencjał chłodzenia wyparnego schładzanie jawne musi odbywać się w dalszym ciągu za pomocą mechanicznych, lecz mających odpowiednio małe wymiary, urządzeń chłodniczych. W przypadku odpowiedniej koncepcji urządzenia, za pomocą pośredniego chłodzenia wyparnego można zaoszczędzić znacznie więcej elektrycznej energii napędowej, służącej do chłodzenia mechanicznego, niż jest niezbędne do pokonania dodatkowego spadku ciśnienia po stronie powietrza za pomocą wentylatora powietrza wylotowego.

    Chcąc wiedzieć już w stadium planowania, ile energii można wytworzyć i rzeczywiście zaoszczędzić za pomocą regeneracji dzięki pośredniemu chłodzeniu wyparnemu, można określić tę wartość w danej lokalizacji budynku na podstawie obliczenia symulacyjnego w odniesieniu do eksploatacji urządzenia HVAC. W symulacji tej należy ująć wszystkie występujące w ciągu roku warunki powietrza otoczenia, jak również istotne parametry projektowe urządzenia HVAC.

    3. Przykład obliczenia na podstawie symulowanego urządzenia HVAC
    Symulacja urządzenia HVAC z pośrednim chłodzeniem wyparnym
    Wkład energetyczny pośredniego chłodzenia wyparnego jest przedstawiony poniżej na podstawie przykładowego obliczenia symulacyjnego dla przykładowego budynku. Oznacza to, że na podstawie meteorologicznych danych lokalizacji oblicza się, jak duża jest rzeczywiście całkowita praca chłodnicza w celu schłodzenia budynku wzorcowego i jaki wkład wnosi przy tym pośrednie chłodzenie wyparne w ciągu roku. Wyniki mogą następnie posłużyć jako realistyczna podstawa do prawidłowego określenia parametrów urządzenia oraz oceny opłacalności ekonomicznej tychże działań, zwiększających efektywność w trakcie planowania instalacji.

    Parametry planistyczne dla budynku wzorcowego
    Obliczenie symulacyjne zostało przeprowadzone dla przedstawionej na rys. 1 konstrukcji urządzenia HVAC, przy czym przedstawione na rys. 2 rozkłady temperatur oraz parametry przyjęte zostały dla przypadku chłodzenia. Eksploatacja instalacji odbywa się z kompensacją letnią temperatury powietrza pomieszczeń oraz z ruchomym spadkiem temperatury powietrza doprowadzanego. Odzyskiwanie ciepła odbywa się przykładowo za pomocą płytowego wymiennika ciepła bez przekazywania wilgoci ze strony powietrza wylotowego na stronę powietrza doprowadzanego oraz bez występowania upływowych strumieni powietrza. Stosunek pomiędzy strumieniem objętości powietrza doprowadzanego oraz powietrza wylotowego przyjmowany jest na poziomie 1:1.

    Przyjęto wymienione poniżej dalsze, istotne dla symulacji urządzenia, parametry projektowe:
    Strumień objętości powietrza urządzenia HVAC: 52.500 m³/h
    Dni użytkowania na tydzień: 7 d
    Początek czasu użytkowania: 6:00 h
    Wzrost wilgotności w pomieszczeniu: 1,0 g/kg
    Min./maks. wilgotność powietrza pomieszczenia: 40/65% rel. hum.
    Różnica przełączeniowa chłodzenia wyparnego: 1,0 K
    Współczynnik sprawności nawilżania: 94%
    Współczynnik sprawności odzyskiwania ciepła: 0,75

    Uzyskiwany rocznie łączny wkład energetyczny wynika ze zsumowania wyników jednostkowych, obliczonych na podstawie symulacji dla każdej godziny roku. Obliczenia bazują na lokalizacjach statystycznych z globalnej meteorologicznej bazy danych Meteonorm, wersja 6.1, dla 5 lokalizacji: Berlina, Monachium, Stuttgartu, Wiednia i Bregencji.

    Dyskusja nad wynikami symulacji
    Symulacja wyraźnie uwidacznia wykonaną w ciągu roku pracę chłodniczą oraz jej rozkład na chłodzenie mechaniczne, pośrednie chłodzenie wyparne oraz odzyskiwanie ciepła. Odciążenie, jakie zapewnia samo tylko odzyskiwanie ciepła z powietrza wylotowego budynku, jest odpowiednio niskie nawet w przypadku wybranej wartości odzysku na poziomie 0,75, ze względu na niską użyteczną różnicę temperatur w trybie chłodzenia. Jeśli jednak nastąpi dalsze obniżenie temperatury powietrza wylotowego ze względu na pośrednie chłodzenie wyparne, spowoduje to znaczący wzrost jego wkładu energetycznego.

    Wyniki symulacji, bazujące na danych z normalnego lata, przedstawiają - w przypadku długoletniej eksploatacji instalacji - uzyskiwane średnio wkłady energetyczne, w związku z czym nadają się do oceny osiąganej oszczędności energii przez pośrednie chłodzenie wyparne oraz jego opłacalności ekonomicznej. Biorąc pod uwagę bardzo różne stany powietrza otoczenia w ciągu roku, można szybko zauważyć, że urządzenia chłodzące muszą wytworzyć stosowną moc chłodniczą w przypadku wszystkich występujących warunków powietrza. Dlatego też w celu określenia parametrów instalacji należy przyjąć wyniki symulacji, bazujące na wartościach ekstremalnych dla ciepłego lata. Jeśli mają zostać uwzględnione również przyszłe tendencje rozwoju klimatycznego, można wykonać symulacje modelowe na podstawie przyszłych danych meteorologicznych, przy założeniu ich wystarczającej reprezentatywności.


    Wyniki symulacji odnoszą się do przykładowego urządzenia HVAC w 5 wybranych lokalizacjach. Wkład energetyczny pośredniego chłodzenia wyparnego zmniejsza znacznie moc chłodniczą, wymaganą od mechanicznych urządzeń chłodniczych do chłodzenia budynku.

    QK (32°C, 40% wilg. wzgl.) Całkowita moc chłodnicza w przypadku standardowych warunków powietrza otoczenia
    QK, całkowita* Całkowita moc chłodnicza (wartość ekstremalna)
    QK, mechaniczna* Mechaniczna moc chłodnicza (wartość ekstremalna)
    QK, odparow. + WRG* Regeneracyjna moc chłodnicza (wartość ekstremalna)
    WK, całkowita Całkowita dostarczana rocznie energia chłodnicza (wartość średnia)
    WK, mechaniczna Udział energetyczny chłodzenia mechanicznego (wartość średnia)
    WK, odparow. Udział energetyczny pośredniego chłodzenia wyparnego (wartość średnia)
    WK, WRG Wkład energetyczny odzyskiwania ciepła (wartość średnia)
    ηReg Udział regeneracyjny (wartość średnia)

    Jak przedstawia symulacja, pośrednie chłodzenie wyparne przyczynia się do znacznego wkładu regeneracyjnego. Powstają przy tym znaczne różnice, przy skądinąd takim samym projekcie instalacji, będące wynikiem każdorazowych danych pogodowych z różnych lokalizacji. W przypadku wyższej regionalnie wilgotności powietrza, a więc gdy konieczne jest również bardziej intensywne usuwanie wilgoci, wkład energetyczny wykazuje niższe wartości udziału. Widać to wyraźnie w przypadku Bregencji, gdzie bezpośrednie położenie na wschodnim brzegu jeziora Bodeńskiego wywiera odpowiedni wpływ klimatyczny. Całkowity udział regeneracyjny jest jednakże wynikiem sumy wkładów energetycznych pośredniego chłodzenia wyparnego oraz odzyskiwania ciepła. Osiąga on w wybranych lokalizacjach budynków pomiędzy 40 a 56,6% całkowitej, dostarczanej rocznie energii chłodniczej.

    Kwestia opłacalności ekonomicznej
    Najpoważniejszą przeszkodą w zastosowaniach energii odnawialnych jest w praktyce opłacalność ekonomiczna. Środki zwiększające efektywność, takie jak pośrednie chłodzenie wyparne, muszą być opłacalne. Generowane w przypadku inwestycji koszty dodatkowe muszą zwrócić się ponownie podczas eksploatacji dzięki uzyskanym oszczędnościom. Bilans ten musi być przy tym obliczany dla każdego budynku. Wiarygodna symulacja instalacji zapewnia przejrzystość zależności i umożliwia realistyczne porównanie z konwencjonalnymi środkami, służącymi do chłodzenia budynków.