Experimentální ověření možností odvodu kondenzačního tepla zdroje chladu
Článek navazuje na předchozí publikace autorů zabývající se možností využití odpadního vzduchu z klimatizovaných budov. Tento vzduch je ještě před vypuštěním do exteriéru využit pro odvod kondenzačního tepla zdroje chladu pracujícího na principu parního kompresorového chlazení. Tento vzduch je navíc dále ochlazován v adiabatické pračce vzduchu, což snižuje jeho teplotu. To umožní snížit kondenzační teplotu zdroje chladu, čímž se zvyšuje chladící faktor.
SOUHRN
Článek navazuje na předchozí publikace autorů zabývající se možností využití odpadního vzduchu z klimatizovaných budov. Tento vzduch je ještě před vypuštěním do exteriéru využit pro odvod kondenzačního tepla zdroje chladu pracujícího na principu parního kompresorového chlazení. Jedná se tedy o inovaci klasického, nepřímého způsobu odvodu kondenzačního tepla vodní smyčkou z budovy do exteriéru na způsob, kdy toto kondenzační teplo je odváděno odpadním vzduchem vzduchotechniky. Tento vzduch je navíc dále ochlazován v adiabatické pračce vzduchu, což snižuje jeho teplotu. To umožní snížit kondenzační teplotu zdroje chladu, čímž se zvyšuje chladící faktor. Podle dříve provedených teoretických výpočtů je možné takto dosáhnout úspory na výrobě chladu až 40 %. Pro ověření těchto teoreticky dosažitelných úspor bylo provedeno několik laboratorních měření systému jako celku a zvláště pak vodní pračky vzduchu. Neúplným měřením, kdy bylo nutné dopočítávat hodnoty příkonu zdroje chladu, vycházela finanční úspora přibližně 20%. Nově je v laboratoři instalován systém měření elektrického příkonu zdroje chladu a tímto byla provedena další měření, které daly ještě přesnější představu o změně příkonu kompresoru při změněných podmínkách pro odvodu kondenzačního tepla a tím i o skutečné finanční úspoře na výrobu chladu. Cílem článku je pak seznámit čtenáře s výsledky tohoto experimentu.
ÚVOD
Neustále narůstající energetická náročnost naší společnosti a z toho plynoucí rychlé vyčerpávání neobnovitelných zdrojů energie, nás vede k hledání cest k úspoře energií. Jednou z oblastí s nemalým vlivem na spotřebu energie jsou systémy zajišťující kvalitní pobytové prostředí ve stavbách. Jedná se především o klimatizační zařízení, které se v poslední době stávají standardní součástí stále většího počtu staveb. Ideální by bylo, kdyby provoz těchto zařízení mohl plně využívat obnovitelné zdroje energie a mít co nejmenší elektrický příkon, tak aby při současném provozu chladicích systému byla co nejméně zatěžována rozvodná síť. Jistým řešením by mohly být systémy pasivního chlazení budov, které využívají k chlazení přírodní procesy a mají minimální nároky na elektrický příkon. Tyto systémy však často vyžadují specifické řešení stavby a není možné je plně využívat ve všech typech staveb a podnebných podmínkách. Existuje zde však prostor pro různá technická řešení, která se snaží optimalizovat stávající systémy. Tento příspěvek se zaměřuje na jeden z možných způsobů optimalizace kompresorového chladicího cyklu a přináší experimentální ověření jeho možností.
TEORIE
Kompresorový chladicí oběh využívá k chlazení chladivo, to se ve výparníku odpařuje a tím odebírá teplo. Jeho páry jsou pak kompresorem stlačeny a při vyšším tlaku opět kondenzují. Zkondenzované chladivo je pak přes redukční ventil, kde dojde ke snížení tlaku, přiváděno zpět do výparníku a celý cyklus se opakuje. Chceme-li tedy hledat úsporu u tohoto systému můžeme se například zaměřit na teplotní podmínky, při kterých zdroj chladu pracuje.
Příkon chladicího stroje závisí především na průtoku chladiva, které kompresor stlačuje a pak na tlaku, na který je chladivo stlačováno. Oba dva tyto faktory můžeme ovlivnit a to prostřednictvím kondenzační teploty. Snížení této teploty snížíme tlak kondenzace a zvýšíme hmotnostní chladivost. Tento jev je zjednodušeně znázorněn ve výseku h - p diagramu chladiva na obr. 1.
Obr. 1 Chladicí parní kompresorový oběh v h - p diagramu chladiva
Abychom mohli dosáhnout snížení této teploty, umístíme výměník pro odvod kondenzačního tepla místo do exteriéru, do proudu odpadního vzduchu. Výměník kondenzačního tepla v exteriéru bude nazýván EVKT a výměník kondenzačního tepla umístěný v proudu odpadního vzduchu IVKT. Když si uvědomíme, že externí vzduch má v době největší potřeby chlazení teplotu přesahující 30 °C a odpadní vzduch má teplotu kolem 26 °C, vidíme, že už touto úpravou dosahujeme lepších provozních podmínek. Dalšího zlepšení můžeme dosáhnout, pokud budeme odpadní vzduch ještě před průchodem přes výměník kondenzačního tepla chladit ve vodní pračce vzduchu. Tím dosáhneme dalšího snížení teploty a zvýšení úspory. Obě varianty jsou zobrazeny na obr. 1. Celý systém je podrobněji popsán v literatuře [1].
Obr. 2 Umístění výměníku kondenzačního tepla (EVKT a IVKT)
EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ
Experimentální ověření bylo realizováno v laboratořích ústavu Technických zařízení budov, fakulty Stavební, VUT v Brně. Při provádění experimentu bylo využito dvou vzduchotechnických jednotek.
Vzduchotechnická jednotka A obsahuje přívodní a odvodní ventilátor a slouží k tepelné úpravě vzduchu pro laboratoř vzduchotechniky a typově odpovídá běžné VZT jednotce plnící funkci směšování, filtrace, ohřevu a chlazení běžně užívané v praxi. Tato VZT jednotka pracovala při experimentu v režimu s externím vzduchem, tedy bez cirkulace.
Vzduchotechnická jednotka B je pomocnou jednotkou s obecnějším využitím. Obsahuje pouze jeden ventilátor a dokáže plnit funkci ohřevu, chlazení a vlhčení ve vodní pračce vzduchu. V daném experimentu sloužila k ochlazení odpadního vzduchu z jednotky A ve vodní pračce a využití tohoto vzduchu k odvodu kondenzačního tepla zdroje chladu. Tato VZT jednotka není samozřejmě nutnou částí celého systému a může být v praxi nahrazena zvýšeným výkonem ventilátorů jednotky A doplněné o vodní pračku vzduchu.
Cílem experimentu bylo ověřit, jaké lze reálně dosáhnout úspory na příkonu kompresoru chladicího stroje.
Obr. 3 Vzduchotechnická jednotka pro odvod kondenzačního tepla
Experimentálně byly ověřovány následující dvě možnosti odvodu kondenzačního tepla:
- neupraveným odpadním vzduchem
- adiabaticky vlhčeným odpadním vzduchem
Dle závěrů uvedených v [2] je provoz pračky ekonomický téměř vždy jen s dešťovou vodou. Dešťová voda nebyla k dispozici a byla tedy nahrazena vodou z vnitřního vodovodu budovy. Tlak vody byl v době měření přibližně 200 kPa, což odpovídá přibližně 20 m převýšení jímky na dešťovou vodu nad tryskami pračky vzduchu. Průtok rozstřikované vody v tomto případě činil 30 l/h a účinnost pračky pro vlhčení vzduchu mírně přes 50 %. Tato dosahovaná nízká účinnost vlhčení je dána nízkým tlakem vody, a zatím neoptimalizovaným konstrukčním řešením rozstřikování vody s malým počtem trysek - viz obr. 4.
Obr. 4 Vzduchotechnická jednotka B s vodní pračkou vzduchu
Vzduchotechnickou jednotkou A byl upravován vzduch na letní parametry a přiváděn do místnosti. Odtud byl vzduch odváděn do vzduchotechnické jednotky B, kde byl instalován výměník, přes který bylo odváděno kondenzační teplo zdroje chladu a adiabatická pračka vzduchu (IVKT). Měřené byly teploty a průtoky vody v okruhu kondenzátoru i výparníku a pomocí analyzátoru výkonu byl sledován příkon zdroje chladu. Jako porovnávací veličina obou zkoumaných variant byl zvolen chladící faktor (dále jen "COP"). COP je počítán jako poměr získaného chladu k dodané elektrické energii. Z toho vyplývá, že čím vyšší je hodnota COP, tím je provoz zařízení levnější.
Porovnání obou sledovaných případů bylo provedeno za přibližně shodných podmínek daných těmito parametry:
- průměrná teplota odpadního vzduchu todp ≈ 27 °C
- střední teplota chladicí vody z výparníku to,m ≈ 15.5 °C
- průměrný chladicí výkon zdroje chladu Qch ≈ 14 kW
- objemový průtok přívodního a odvodního vzduchu jednotky A i B V ≈ 860 m3/h.
VÝSLEDKY MĚŘENÍ
Z vyhodnocení měření příkonu kompresoru vyplývá, že vlhčením odpadního vzduchu ve vodní pračce bylo dosaženo navýšení COP z 2,68 na 3,19, tedy o 0,5. Toto zvýšení COP znamená snížení nákladů na příkon kompresoru o cca 19 %. Na obrázku 5 můžeme vidět průběhy teplot vody v okruhu kondenzátoru i výparníku. Je zde dobře patrné, jak se po začátku vlhčení začaly snižovat teploty vody v okruhu kondenzátoru, než se ustálila. Vliv na příkon kompresoru je pak patrný na obrázku 6, který ukazuje změnu příkonu kompresoru v průběhu vlhčení.
Obr. 5 Průběhy teplot v okruhu výparníku a kondenzátoru
Obr. 6 Průběh příkonu kompresoru v průběhu měření
ZÁVĚR A DISKUSE
Z výsledků měření vyplývá, že ochlazení vzduchu adiabatickým vlhčením má pozitivní vliv na snížení příkonu kompresoru. Experimentálně však bylo zjištěno, že jde přibližně o poloviční úsporu, než by odpovídalo teoretickým výpočtům. Jedná se ovšem jen o jednu část dosažitelných úspor při použití systému s odvodem kondenzačního tepla do adiabaticky vlhčeného odpadního vzduchu. Je potřeba si uvědomit, že už samotné přemístění výměníku z exteriéru do proudu odpadního vzduchu znamená podstatné zlepšení podmínek pro odvod kondenzačního tepla. Jak bylo uvedeno v úvodu příspěvku externí vzduch má v době maximální potřeby teplotu přesahující 30 °C, tato teplota závisí na klimatickém pásmu a na umístění venkovního chladiče. Při nevhodném umístění na osluněném místě se teplota externího vzduchu, který by sloužil k odvodu kondenzačního tepla, mohla pohybovat i vysoko nad 30 °C. Tedy samotné přemístění výměníku kondenzačního tepla z exteriéru do proudu odpadního vzduchu znamená snížení teploty vzduchu odvádějícího kondenzační teplo o více než 5 K. Velikost úspory získané jen tímto způsobem tak bude samozřejmě závislá na každém konkrétním zadání.
Za daných podmínek bylo experimentálně zjištěno, že ochlazení vzduchu ve vodní pračce vede k přibližně 20% úspoře nákladů na chlazení, ale ke komplexnímu hodnocení je však ještě nutno stanovit vliv této inovace v průběhu celé chladicí sezóny - tedy při více tepelně-vlhkostních stavech vnitřního a vnějšího prostředí a také vyčíslit náklady spojené se zřízením a provozem pračky vzduchu, zvážit možné hygienické problémy, apod.
Tato inovace přináší kromě úspor provozních nákladů na chlazení i řešení možných technických a architektonických problémů s umisťováním externích výměníků tepla. Nejedná se tedy o univerzálně použitelný systém chlazení, ale v mnoha aplikacích by mohl přinést úspory jak provozní, tak i pořizovací.
PODĚKOVÁNÍ
Příspěvek vznikl s podporou specifického výzkumu podporovaného vnitřním grantem č. 187 a vnitřním grantem č. 111 z roku 2008 Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně.
Použité zdroje:
[1] ŠÍMA, Jiří, ŠIKULA, Ondřej. Využití pračky vzduchu pro zefektivnění výroby chladu. Topenářství instalace. 2008, roč. 2008, č. 8
[2] ŠÍMA, Jiří. Zefektivnění výroby chladu. In Juniorstav 2009. Brno. 2009
Recenzent: doc. Ing. Jiří Sedlák, CSc.
Autoři se v předkládaném příspěvku zabývají inovativní možností úspory energie potřebné pro ochlazování budov. Obecně platí, že efektivnost v článku zkoumaného parního kompresorového chlazení závisí především na rozdílu teplot, mezi kterými je nucen chladicí stroj pracovat. Vytvořením vhodných podmínek pro práci chladicího stroje tedy lze dle prezentovaných výsledků experimentálního měření ušetřit významnou část potřebného chladicího výkonu. Nevýhody tohoto systému lze spatřovat v hygienických rizicích, které přináší použití adiabatické pračky vzduchu a také v investiční náročnosti. Předkládaný systém se však jeví být perspektivní také s ohledem na to, že umožní odstranit kondenzátorové jednotky ze střech a fasád budov. Příspěvek doporučuji k přijetí.
This article describes theoretical and experimental investigation of an innovative concept of condensing heat removal using an adiabatic cooling. The authors deal with aplication of air-washer for the cooling of an exhaust air which is used for removing of condensation heat from a cooling machine. This aproach leads to increase of coeficient of performance (COP) and can solve a problem with situating of an condenser on the facade, or on the roof of buildings.
