Využití adiabatického chlazení při klimatizaci budov

Datum: 16.5.2005  |  Autor: Ing. Miloš Lain  |  Organizace: ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí

Pro moderní kancelářské budovy a často i obytné domy a průmyslové stavby se stále zvyšují požadavky na chlazení. Částečně lze tyto potřeby uspokojit pasivním chlazením, které zajišťuje architektonicky vhodně řešené budova. Další rostoucí nároky mohou pak vedle tradičního kompresorového chladicího cyklu zajistit i tzv. alternativní způsoby chlazení. Tento článek se zabývá především možnostmi adiabatického chlazení.

Úvod
Snahy o snížení spotřeby energie, využívání alternativních zdrojů energií a návrhy nízkoenergetických, případně pasivních budov se v našich klimatických podmínkách spojují především s vytápěním. Ale pro moderní kancelářské budovy a často i obytné domy a průmyslové stavby se stále zvyšují požadavky na chlazení. Velmi dobře izolované obvodové pláště budov spolu s velkým množstvím kancelářské techniky způsobují, že řada kancelářských budov vyžaduje téměř celoroční chlazení. Proto je již při návrhu budovy a systémů techniky prostředí třeba snažit se o minimalizaci spotřeby energie pro chlazení, a to při celoročním zajištění parametrů tepelné pohody.

Alternativní způsoby chlazení
Alternativou k běžnému kompresorovému cyklu jsou pouze tři základní zdroje chladu, a to:

  1. kolísání teplot vzduchu v kombinaci s akumulační hmotou budovy (noční větrání)
  2. využívání přeměny citelného tepla na latentní (adiabatické chlazení, přímé, nepřímé nebo s využitím sorpčních výměníků)
  3. využívání chladu ze zemského polomasivu (zemní výměníky, podzemní voda).

Historie
U většiny alternativních způsobů chlazení budov a konceptu pasivních budov z pohledu chlazení používáme principů známých již velmi dlouhou dobu. Řada návrhů se inspiruje historickými budovami, kde byly alternativní způsoby chlazení uplatňovány. Moderní konstrukce budov a strojní chlazení však většinou původní koncepty plně vytlačily. Je proto třeba nejen znovu objevovat nízkoenergetické způsoby chlazení, ale plně využít i nových nástrojů a technologií pro projektování a dimenzování těchto systémů. Adiabatické chlazení bylo dříve základní metodou chlazení. V České republice jsou známy především systémy nuceného větrání divadel (Národní divadlo, Státní opera, Karlovy Vary atd.), kde bylo využíváno rozprašování vody do přiváděného vzduchu pro chlazení v letních měsících.

Metody řešení
Alternativní způsoby chlazení budov využívají ve značné míře kolísání teploty a relativní vlhkosti venkovního vzduchu, akumulace tepla do budovy nebo chladu ze zemského polomasivu.
Pro navrhování těchto chladicích systémů proto nestačí ani ten nejpřesnější výpočet maximální tepelné zátěže, není-li kombinován s řešením dynamického chování budovy a systému. Systém chlazení s chladivovým oběhem může být navržen na extrémní hodnoty vzhledem k tomu, že jeho chladicí výkon lze poměrně jednoduše regulovat v závislosti na aktuálních parametrech vnitřního prostředí. Avšak u většiny alternativních způsobů chlazení je tato regulace krajně obtížná. Například při nočním větrání je denní teplota v místnosti závislá na tom, jak bylo větráno předchozí noc.

S navrhováním alternativních systémů chlazení nejsou příliš velké zkušenosti, a proto chybí dostatečně jednoduché, ověřené a všeobecně používané výpočtové postupy. Při dimenzování standardních chladicích systémů může být takovýmto zjednodušením například korekce tepelných zisků radiací na akumulaci vnitřních stěn.

Hlavním nástrojem, který se v souvislosti s návrhem systémů alternativního chlazení budov uplatňuje, jsou počítačové simulace.
Pro některé nově budované nebo rekonstruované systémy jsou zpracovávány individuální studie energetických bilancí. Pro tyto studie se využívají komplexní počítačové programy, jež využívají podrobné klimatické databáze a při řešení respektují dynamiku chování budovy a systému. Vhodné jsou především integrované nástroje, které umožní řešení energetických bilancí budovy, klimatizačního systému, vlivu osob a vnitřních zátěží, regulace a případně i proudění v místnostech (CFD).
Základem pro předběžné posouzení potenciálu alternativního chlazení je analýza klimatických dat. Porovnání klimatických dat je používáno také jako první krok při aplikaci výsledků některých doposud zpracovaných studií na podmínky České republiky.

Adiabatické chlazení
Adiabatické chlazení využívá přeměny citelného tepla na teplo latentní při vypařování vody, čímž se snižuje teplota vzduchu. Přímé adiabatické chlazení se hodí především pro suché, horké či teplé klima (někdy se používá i název pouštní chlazení). Nelze ho však použít pro oblasti s vlhkým klimatem. Středoevropské klima je hodnoceno jako teplé (výpočtová teplota 32 °C) a částečně vlhké (semi humid).
Při hodnocení energetické náročnosti chlazení se často používají denostupně (hodinostupně), ty však reprezentují pouze citelnou tepelnou zátěž prostoru. Pro systémy s adiabatickým chlazením je třeba respektovat i teplo vázané. Zejména z tohoto důvodu byly definovány entalpi hodiny (IEA 1995). Entalpi hodiny (EH) jsou definovány jako suma hodin a rozdíl entalpií v době, kdy entalpie venkovního vzduchu překročí referenční hodnotu. Tabulka č. 1 dokumentuje porovnání hodinostupňů a entalpi hodin pro Českou republiku (zastoupenou Prahou) a některé další oblasti (města). Výpočet byl proveden na základě dvou referenčních roků pro oblast Prahy (TRY1 a TRY2), a to pro dvě referenční teploty (18 a 25 °C) a referenční vlhkost 40 %.

Town CDH25 EH25/40 (kJ/kgsv) CDH18 EH18/40 (kJ/kgsv)
Praha TRY1 361 3 047 4 581 25 198
Praha TRY2 483 3 483 5 300 28 689
Drážďany 527 3 040 5 154 28 068
Stockholm 150 1 350 1 000 16 425
Zurich 426 1 658 4 757 16 380
New York 2 570 25 698 15 942 68 783
Toronto 837 12 294 7 643 40 831
Helsinky 26 368 1 524 11 490
Paříž 234 3 091 3 447 26 146
Lisabon 1 824 11 686 11 064 67 077
Mineapolis 2 540 21 341 13 106 56 359
Tab. 1 - Hodinostupně a entalpi hodiny pro chlazení


Obr. 1 - Limity pro přímé adiabatické chlazení

Budeme-li předpokládat pro běžnou kancelář maximální přípustnou teplotu 26 °C a relativní vlhkost 60 % a zanedbáme-li latentní zisky, lze konstatovat, že přímé adiabatické chlazení nelze použít, je-li entalpie venkovního vzduchu vyšší než 59 kJ/kgsv nebo měrná vlhkost vyšší než 12,8 g/kgsv (viz obr. 1). Chceme-li použít vzduch pro odvod tepelné zátěže, je nezbytné, aby jeho teploty byly nižší než požadovaná teplota. Za předpokladu teplotního rozdílu 4 K (tj. teplota vzduchu 22 °C) je limitní entalpie 55 kJ/kgsv. Počty hodin, kdy jsou v obou referenčních rocích pro Prahu překročeny tyto hodnoty, dokumentuje tabulka č. 2. Z výsledků uvedených v tabulce jasně vyplývá, že počet hodin, kdy nelze adiabatické chlazení využít k dosažení tepelné pohody a nebo kdy je jeho chladicí potenciál malý, je nezanedbatelný.

Výhodou přímého adiabatického chlazení je, že nevyžaduje instalaci dalších zařízení do vzduchových systémů, neboť v našich klimatických podmínkách musí klimatizační jednotka obsahovat vlhčení pro zimní provoz.

  Praha TRY1 Praha TRY2
Počet hodin, kdy je entalpie vyšší než 59 kJ/kgsv nebo
měrná vlhkost vyšší než 12,8 g/kgsv
72 88
Počet hodin, kdy je entalpie vyšší než 55 kJ/kgsv nebo
měrná vlhkost vyšší než 12,8 g/kgsv
181 215
Tab. 2 - Počty hodin, kdy nelze použít přímé adiabatické chlazení

Závěrem lze tedy konstatovat, že přímé adiabatické chlazení umožňuje výrazně snížit tepelnou zátěž prostoru, ale není schopno celoročně zajistit podmínky tepelného komfortu a je proto nezbytné ho kombinovat s jiným zdrojem chladu. Přímé adiabatické chlazení se uplatní především tam, kde je požadována vysoká vlhkost vzduchu a zároveň chlazení. Příkladem takové aplikace je adiabatické chlazení pavilonu Indonéská džungle pražské ZOO.

Nepřímé adiabatické chlazení
Při nepřímém adiabatickém chlazení je sekundární vzduch adiabaticky ochlazen a pomocí výměníku vzduch-vzduch ochlazuje primární vzduch. Výhodou tohoto principu je, že se měrná vlhkost primárního vzduchu již nezvyšuje. K odvlhčení (kondenzaci) primárního vzduchu dochází však jen výjimečně, a tak relativní vlhkosti zůstávají vyšší než při standardním chlazení (viz obr. 2). Pomocí počítačové simulace bylo provedeno porovnání tří klimatizačních systémů: Evap - nepřímé adiabatické chlazení; All-Air - centrální vzduchový systém se strojním chlazením; Fan-Coil - systém s cirkulačními chladicími jednotkami v místnostech a minimálním přívodem čerstvého vzduchu. Z výsledků prezentovaných v tabulce č. 3 je patrné výrazné snížení spotřeby energie pro chlazení, oproti tomu maximální chladicí výkon se snížil poměrně málo.


Obr. 2 - Porovnání distribuce relativních vlhkostí vzduchu pro tři varianty klimatizace

Systém Tepelné zisky Maximální chladicí výkon Max. vlhkost vzduchu Spotřeba energie
W W % % kWh %
EVAP. 3 266 5 175 91 85 967 43
ALL-AIR 3 266 5 678 100 84 2 241 100
FAN-COIL 3 266 4 419 78 75 3 096 138
Tab. 3 - Výsledky simulace nepřímého adiabatického chlazení

Pro nepřímé adiabatické chlazení se často používají i speciální klimatizační jednotky, které využívají sprchování sekundární strany výměníku tepla a které mají vyšší chladicí výkony než prostá kombinace pračky a výměníku. Jako sekundární vzduch je využíván vzduch odváděný z klimatizovaného prostoru, čerstvý vzduch nebo část již ochlazeného primárního vzduchu.

Při analýze výsledků nelze opomenout, že alternativní způsoby chlazení využívají větší průtoky venkovního vzduchu. To samo o sobě vede k výraznému snížení spotřeby energie pro chlazení, neboť většinu chladicí sezóny je teplota venkovního vzduchu nižší než teplota požadovaná.

Problémy alternativního chlazení budov
Problémů spojených s využitím alternativních způsobů chlazení budov je celá řada. Kromě již zmiňované náročnosti detailního dimenzování je velkým problémem i nutnost velmi úzké koordinace všech oblastí a stupňů vypracování projektu a realizace díla. Tato spolupráce a koordinace je často potlačena stávajícím systémem zadávání zakázek. Některé systémy nepřinášejí očekávané výsledky, a to nikoli proto, že by byly špatně navrženy, ale zejména z důvodů změn v užívání stavby, realizace systémů techniky prostředí a často nevhodně navržené či provozované regulaci.

Dále existují problémy spojené s jednotlivými technologiemi. Pro adiabatické chlazení je hlavním nedostatkem údržba praček vzduchu. Pračky vyžadují pravidelnou údržbu, je třeba též zabránit množení nebezpečných či obtěžujících bakterií v pračkách apod.

Závěr
Alternativní způsoby chlazení mohou přinést jak zvýšení tepelného komfortu v neklimatizovaných budovách, tak výrazné snížení spotřeby energie pro chlazení v hybridních systémech. Koncept nízkoenergetické či pasivní budovy z pohledu chlazení musí vycházet již z architektonického řešení. Kromě uplatňování prvků pro snížení tepelných zisků z vnějšího prostředí (stínění, přirozené větrání atd.) je třeba zajistit i užívání budovy v souladu s touto koncepcí.

Pro dimenzování alternativních způsobů chlazení budov stále chybí standardní postupy, a proto je vhodné využívat metod modelování a počítačové simulace při jejich návrhu a optimalizaci.

Literatura
[1] Barnard, N., Jaunzens, D., 2001, Low Energy Cooling - Technology Selection and Early Design Guidance, Building Research Establishment Ltd, London, 109 p.
[2] Bartak, M., Drkal, F., Hensen, J., Lain, M., 2001, Design Support Simulations For The Prague Zoo "Indonesian Jungle" Pavilion, Proc. Building Simulation 2001, IBPSA, p.841 to 845.
[3] Behne, M., 1997, Alternatives to Compressive Coolingin Non-Residential Buildings to Reduce Primary Energy Consumption, Final report, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California.
[4] Duska, M., 2003, Alternativni chlazeni kancelarskych prostor, Thesis Czech Technical University in Prague, 101 p.
[5] Heap, R.D., 2001, Refrigeration and air conditioning - the response to climate change, Bulletin of the IIR - No 2001-5,
[6] IEA, 1995, Review of Low Energy Cooling Technologies, Natural resources Canada, Ottawa, Canada, 88 p.
[7] Lain, M., 2002, Počítačové simulace při řešení alternativních způsobů chlazení budov, Proc. Simulace budov a techniky prostředí 2002, IBPSA-CZ, p.93 to 96.
[8] Liddament, M. W., 2000, Low energy cooling, ESSU, Coventry, U.K., 32 p.
[9] Roel, H., 2000, Low Energy Cooling-Detailed Design Tools, Building Research Estabilishment Ltd, London, 327 p.
[10] Santamouris, M., Asimakopoulos, D., 1996, Passive Cooling of Buildings, James&James Ltd., London, U.K., 472 p.
[11] Lain, M., Duška, M., Matejíček, K.: Applicability Of Evaporative Cooling Techniques in the Czech Republic, Proc. International Congres of Refrigeration 2003, IIR.
 

Hodnotit:  

Datum: 16.5.2005
Autor: Ing. Miloš Lain   všechny články autora
Organizace: ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (10 příspěvků, poslední 16.02.2010 13:38)


Projekty 2017

Tipy pro projektanty

Partneři - Větrání a klimatizace

logo Ziehl-Abegg
logo ZEHNDER
logo JANKA ENGINEERING
logo AHI-CARRIER
logo ebm-papst
logo ATREA
 
 

Aktuální články na ESTAV.czČernobílý interiér obývacího pokoje je vyladěn do posledního detailuPraha zapracuje do územního plánu podzemní železniční tratěNový bezbariérový práh EasystepOdborná porota vybrala vítěze „Soutěže o nejlepší projekt“ společnosti Wienerberger