Modelování fyzikálních jevů 2 - VZT jednotka a spotřeba energie na odvlhčování

Úvod

Návrh vzduchotechnické jednotky pro odvod vlhkostní zátěže z prostorů bazénových hal apod. je spojený s mnoha okrajovými podmínkami, který tento návrh ovlivňují. Mezi ty základní patří požadovaná teplota a vlhkost v interiéru obsluhované místnosti. Sestava jednotlivých prvků pro úpravy vzduchu je většinou navrhována na extrémní klimatické podmínky v exteriéru objektu v letním a zimním období. Jak ukazuje následující text, problémy s provozem zařízení a zajištění vnitřních mikroklimatických podmínek nastávají ne v projektech uvažovaných letních a zimních extrémech, ale v přechodných obdobích, kdy se venkovní klimatické podmínky v čase poměrně rychle mění a kdy jsou vzhledem k nasycení venkovního vzduchu vodní parou (vlhký podzim, období po dešti apod.) okrajové podmínky pro odvlhčovaní velmi nepříznivé. Aby bylo možné tyto stavy vzduchu a fyzikální jevy probíhající při jednotlivých úpravách pozorovat a případně optimalizovat, byl na ústavu TZB Fakulty stavení VUT v Brně v rámci výzkumu „Modelování fyzikálních jevů“ vytvořen nový modul pro software TERUNA nazvaný „bazény“. Modul obsahuje výpočet termodynamických úprav vzduchu s vybraným návrhem skladby VZT jednotky a funkci vyhledání optimální varianty provozu z hlediska energetické spotřeby daného VZT zařízení.

Popis skladby vzduchotechnické jednotky

V praxi se v současné době používá několik způsobů odvodu vlhkostní zátěže pomocí vzduchotechnické jednotky. Jsou to varianty od nejjednodušších zařízení, které snižují vlhkost pouze větráním, tedy výměnou vzduchu v místnosti za vzduch venkovní, přes zařízení využívající ZZT, směšování a v létě chlazení (chladičem respektive výparníkem, kde dochází při nízkých povrchových teplotách chladiče ke snížení vzdušné vlhkosti v přiváděném vzduchu) až po zařízení vybavené tepelným čerpadlem, ZZT, směšováním, dohřevem apod.

Abychom mohli sestavovat a kombinovat jednotlivé úpravy vzduchu podle potřeby, byl sestrojen matematický model odvlhčovací jednotky, který zahrnuje nejčastěji používané úpravy vzduchu. Pro výpočet je potřeba definovat okrajové podmínky nutné a variabilní.

Nutné okrajové podmínky jsou:

• klimatické podmínky v exteriéru (teplota, vlhkost, atmosférický tlak, entalpie)
• mikroklima v interiéru, tj. parametry vzduchu, kterých chceme dosáhnout (teplota, vlhkost)
• vzduchové výkonové parametry VZT zařízení (jak na straně přívodu, tak i odvodu)

Variabilní okrajové podmínky jsou určeny podle toho, které úpravy vzduchu navrhujeme. Mezi ty nejčastější patří:

• zpětné získávání tepla rekuperací (ZZT),
• ohřev vzduchu v zimním období,
• chlazení vzduchu v letním období (neřízené odvlhčení),
• cirkulace vzduchu.

Pro řízené celoroční odvlhčení se variabilně používá:

• dohřev ochlazeného a odvlhčeného přiváděného vzduchu,
• uzavřený okruh tepelného čerpadla s umístěním kondenzátoru v proudu přiváděného vzduchu, případně v provedením pro ohřev bazénové vody, či úplně oddělená varianta s výměníkem umístěným v exteriéru,

Možnost kombinace různých variant úpravy vzduchu představuje výpočtové schéma uvedené na obr. 1. Z obrázku je patrné využití odpadního tepla z tepelného čerpadla pro předehřev vzduchu, případně pro ohřev bazénové vody.

Model uvedený na obr. 1 umožňuje ovládat:

• chod tepelného čerpadla (např. vypnout TČ pro jednotky bez TČ, nebo má-li být TČ vypnuto),
• výkon tepelného čerpadla (pomocí nastavení střední povrchové teploty chladiče, tím nastavení požadovaného odvlhčení na výparníku a následně nastavením teploty za chladičem, tj. možnost řízení obtokového součinitele chladiče,
• požadovanou odvodní účinnost ZZT,
• využití obtoku ZZT (aktivací, či deaktivací ZZT ),
• směšovací poměr s možností využít cirkulace části odváděného vzduchu bez jeho úpravy.

Výpočet

Z hlediska aplikace okrajových klimatických podmínek a požadovaných podmínek vnitřního mikroklima můžeme výpočet rozdělit do tří základních režimů v zimě, v létě a v přechodném období. Vzhledem k tomu, že v dnešní době je kladen důraz na energetickou náročnost provozu a následné provozní náklady těchto zařízení, byl do programu implementován optimalizační modul, tj. výběr kombinace nejvhodnějších termodynamických úprav, které máme k dispozici s ohledem na nejmenší celkovou energetickou náročnost. Na základě zadaných variabilních okrajových podmínek se provede mnohačetný iterační výpočet a nastaví jednotlivé výkony a příkony jednotlivých prvků tak, aby pokud to fyzikální zákony dovolí, byly zachovány požadované mikroklimatické parametry v interiéru a zároveň respektovány co nejmenší náklady na provoz zařízení. Cena energií (tepla a elektrické energie) se zadává na této kartě výpočtového modulu. Ukázka modulu pro optimalizaci výpočtu je uvedena na obr. 2.

Po provedení výpočtu jsou vypočtená nastavení prvků přenesena do výpočtového modulu jednotky. Zde se zobrazí nastavení úprav vzduchu a provede výpočet jednotlivých úprav vzduchu. Pro přehlednost zobrazovaných informací je možné všechny prováděné úpravy sledovat v H-X diagramu. Na obrázku č. 3 je ukázka jednoho z mnoha možných nastavení a výpočtů, které odpovídají provedenému výpočtu po optimalizaci.

Ze zobrazení jsou patrné v daném případě využívané úpravy vzduchu, jako je 80 % cirkulace oběhového vzduchu, přenos kondenzačního tepla do výměníku pro předehřev bazénové vody nebo teplé vody, využití výměníku ZZT s účinností na odvodu 40 % a následného dohřevu teplovodním výměníkem. Všechny tyto úpravy zajistí za okrajových nutných podmínek (30 °C / 70 % parametr venkovního vzduchu, celkové množství 12000 m³/h s teplotou přiváděného vzduchu 28 °C a požadavkem vnitřního vzduchu 30 °C / 63 %) odvlhčení v interiéru 75 kg/h a pokrytí tepelné zátěže 8 kW.

Důležitým parametrem zavedeným do výpočtů ZZT je jeho odvodní účinnost. Z hlediska měření v reálně instalovaných VZT jednotkách za provozu je výhodné pro určení účinnosti využít teplotu za výměníkem ZZT na straně odváděného vzduchu. Zde je většinou čidlo MaR, které zajišťuje ochranu proti namrzání výměníku. Tato účinnost je samozřejmě jiná než přívodní a zahrnuje v sobě jak přenos citelné složky tepla, tak teplo vázané ve formě kondenzátu. Vztah popisující tepelnou rovnováhu je definován:

V_p ρ c (t_p,ZZT − t_e) = V_o ρ c (t_o − t_o,ZZT) + M_k ‧ L_v

kde

t_o

teplota odváděného vzduchu [°C]

t_e

teplota venkovního vzduchu [°C]

t_p

teplota přiváděného vzduchu [°C]

t_o,ZZT

teplota odváděného vzduchu za výměníkem ZZT [°C]

h_o,ZZT

entalpie odváděného vzduchu za výměníkem ZZT [J/kg‧K]

V_p, V_o

průtoky přiváděného nebo odváděného vzduchu [m³/s]

M_k

hmotnostní tok kondenzátu [kg/s]

L_v

výparné teplo vody [J/kg‧K]

Více ohledně teorie odvodní účinnosti včetně praktického porovnání na příkladech z reálného provozu VZT zařízení je možné přečíst v článku „Ověření účinnosti zařízení pro zpětné získávání tepla z odpadního vzduchu v reálném provozu“ publikovaném v časopise Český instalatér 3/2011.

Teoretický příklad

Na základě požadavků praxe byl sestrojen celoroční model virtuálního prostoru s bazénovou halou s charakteristickými parametry pro výpočet vnitřního mikroklima, odparu z vodní hladiny včetně celoročního výpočtu tepelných ztrát a zátěží. Následně byly provedeny výpočty pro teplotu a vlhkost přiváděného vzduchu tak, aby byly celoročně dodrženy požadované parametry vnitřního mikroklimatu (vzduchu) v místnosti.

Zadání

Požadované celoroční parametry vzduchu interiéru jsou: teplota vnitřního vzduchu t_int = 30 °C, relativní vlhkost interiéru Rh_int = 50 %. Vypočítaný odpar z vodní hladiny je 180 kg/h. Průtok vzduchu V_p = V_o = 28000 m³/h. Účinnost ZZT 40 %, minimální podíl čerstvého vzduchu při směšování 20 % (tj. 5600 m³/h). Tepelné čerpadlo s výparnou teplotou 6 °C a minimální teplotou dosažitelnou za chladičem 14 °C. Cena elektrické energie 4,50 Kč/kWh, cena tepelné energie 1,42 Kč/kWh.

Parametry teploty a vlhkosti exteriéru včetně parametrů teploty a vlhkosti přiváděného vzduchu potřebných pro zajištění požadovaného vnitřního mikroklima 30°C/50% jsou:

Pozn.: Uvedené parametry venkovního klimatu nejsou typickými hodnotami pro referenční rok, ale jsou to hodnoty, které jsou nepříznivé pro řízení vlhkosti v interiéru. Léto roku 2011 je po stránce parametrů venkovního klimatu představitelem těchto nepříznivých hodnot.

Výpočet

Pro okrajové podmínky uvedené v tab. 1 byly provedeny jednotlivé výpočty s energetickou optimalizací jednotlivých úprav vzduchu ve třech variantách. Každá varianta v sobě zahrnuje možnosti ovládání nejdůležitějších prvků potřebných pro požadované parametry přiváděného vzduchu. Jedná se o:

• regulaci výkonu tepelného čerpadla (plynulá – skoková),
• možnou změnu účinnosti ZZT (např. řízení obtokem).

Potřebné informace a okrajové podmínky provedených výpočtů jsou u každé varianty uvedeny přehledně v příslušné tabulce. Je zvoleno posouzení schopnosti odvlhčení a energetických nároků s ohledem na funkci odvlhčovače respektive chladiče. Z jednotlivých variant výpočtu je zřejmé, že za uvedených okrajových podmínek (při teplotách nad 20 °C v exteriéru a uvažované relativní vlhkosti) nelze úpravami vzduchu docílit požadovaného parametrů relativní vlhkosti vzduchu 50 %. Hodnoty relativní vlhkosti jsou vyšší.

Varianta č. 1

Strojní vybavení jednotky umožňuje plynule podle potřeby měnit teplotu vzduchu za výparníkem TČ od 14 °C do 25 °C po 0,5 °C a zároveň lze měnit účinnost ZZT

Varianta č. 2

Strojní vybavení jednotky umožňuje pouze zapnutí a vypnutí TČ, a to s teplotou za výparníkem 14 °C, zároveň lze měnit účinnost ZZT

Varianta č. 3

Strojní vybavení jednotky umožňuje pouze chlazení v letním období s teplotou za chladičem 14 °C, zároveň lze měnit účinnost ZZT. Jednotka je v provedení bez TČ s výparníkem a „ohřívačem“ využívanými pouze v přechodném a letním období, výparník je součástí např. SPLIT systému.

Vyhodnocení

Sjednocujícím kritériem pro porovnání jednotlivých variant z hlediska ekonomiky provozu pro dané klimatické parametry exteriéru je porovnání předpokládaných provozních nákladů za zvolenou dobu. Pro toto vyhodnocení je uvažováno s roční spotřebou energie při simulování četnosti výskytu daných klimatických podmínek. Tím lze vyjádřit procentuální rozdíl v provozních nákladech uvažovaného VZT zařízení. Závislost provozních nákladů jednotlivých variant na klimatických podmínkách v exteriéru je zobrazena na obr. č. 7.

Z obrázku č. 7 je patrný rozdíl v nákladech pro podmínky, kdy charakter provozu a nastavení je specificky závislý na vnějších klimatických podmínkách. Letní období je prakticky z hlediska nákladů shodné, v přechodném a zimním období je provozní rozdíl dán využitím tepelného čerpadla (jeho odpadním teplem) v závislosti na možnosti jeho regulace. Jako neúspornější se pro podmínky uvedené v zadání příkladu jeví použít nastavení a ovládání VZT jednotky uvažované ve variantě č. 1.

Závěr

Při uvažování četnosti výskytu vnějších klimatických podmínek odpovídajícím datům z ČHMÚ za rok 2010 je možné pomocí specifického nastavení a ovládání docílit teoretické úspory na provozních nákladech (při využívání zařízení s TČ) cca 12 %. Tato úspora předpokládá možnost ovládání a regulaci VZT zařízení ne obvyklým způsobem, tj. TČ umožňuje plynulou regulaci chladícího výkonu (respektive odvlhčení), je zajištěna možnost obtoku ZZT a je možné odpadní teplo z TČ využívat nejen pro předehřev přiváděného vzduchu, ale je možné teplo distribuovat i mimo VZT zařízení (zejména v letním období).

Článek i uvedený příklad poukazují na náročnost problematiky odvlhčování vzhledem ke konstrukci a nastavení „odvlhčovací“ jednotky, ukazuje na náročnost výpočtů a jejich nutnou kombinaci s ohledem na provozní náklady zařízení. Z článku je zřejmé, že i při max. využití (v současnosti) dostupné technologie není vždy možné zajistit požadované vnitřní mikroklimatické podmínky. Tyto jsou závislé na okrajových podmínkách návrhu (např. nutnosti min. množství čerstvého větracího vzduchu apod.)

Na základě uvedeného software je možné zajistit optimální postup při zpracování technických návrhů vzduchotechnických zařízení obsluhující tyto prostory.

Článek vznikl za podpory specifického výzkumu Vysokého učení technického v Brně reg. číslo FAST-J-11-30, identifikační číslo 1321.

Literatura

• [1] CHYSKÝ, J., HEMZAL, K. a kol. Technický průvodce větrání a klimatizace. 3. vyd. Praha: ČESKÁ MATICE TECHNICKÁ, 1993. 490 s. ISBN 80-901574-0-8.
• [2] SZÉKYOVÁ, M., FERSTL, K. a NOVÝ, R.. Větrání a klimatizace. 1. české vyd. Bratislava: JAGA, 2006. 359 s. ISBN 80-8076-037-3.
• [3] GEBAUER, G., RUBINOVÁ, O., HORKÁ, H. Vzduchotechnika. 2. vyd. Brno: ERA, 2007. 262 S. ISBN 978-80-7366-091-8
• [4] RUBINOVÁ, O.; RUBINA, A., Ověření účinnosti zařízení pro zpětné získávání tepla z odpadního vzduchu v reálném provozu, článek v Český instalatér, ISSN 1210-695X, ČNTL, spol. s r.o., Praha, 2011