Inne spojrzenie na proces mieszania - iko.pwr.wroc.pl

Słowa kluczowe: odzysk ciepła, wymienniki ciepła
stanowisko badawcze, pomiar parametrów powietrza
Maciej BESLER, Maciej SKRZYCKI*
O BADANIACH SKUTECZNOŚCI ODZYSKU CIEPŁA Z
POWIETRZA WYWIEWANEGO
Coraz większą uwagę zwraca się obecnie na rozwiązania instalacji, działających skutecznie przy
jednocześnie ograniczonym zużyciu energii. Zarazem wciąż rośnie poziom wyposażenia
technicznego budynków przemysłowych, użyteczności publicznej jak i mieszkalnych. Użytkownicy
domagają się coraz wyższego komfortu mikroklimatu, lecz to wymaga większego zużycia energii.
Dziś zatem oszczędność energii, a zwłaszcza odzysk energii w układach wentylacyjnych stają się
standardem. Pomagają tu zmieniające się przepisy, ale również bardziej rozbudowana oferta
producentów urządzeń do odzysku energii. Zagadnieniom tym poświęca się dużo uwagi w badaniach
na Politechnice Wrocławskiej.
1. WSTĘP
W krajach środkowoeuropejskich z ogółu produkowanej energii około 40 %
przypada na wytworzenie mikroklimatu. Dziś klimatyzacja jest wymagana nie tylko w
przemyśle, ale także w pomieszczeniach użyteczności publicznej i coraz częściej
również w mieszkaniach, a te wymagania są rosnące. Natomiast możliwości
zmniejszenia zużycia energii niezbędnej do przygotowania powietrza nawiewanego są
ograniczone m.in. wymaganiami co do minimalnych strumieni powietrza
zewnętrznego. Należy zatem skupić się zwłaszcza na bardziej oszczędnym
gospodarowaniu energią. Działania powinny dotyczyć lepszej automatyki sterującej
dokładniej pracą układów wentylacyjnych oraz pozyskiwania energii z
niekonwencjonalnych, odnawialnych źródeł, a zwłaszcza odzysku energii.
Odzysk energii w układach wentylacyjnych staje się standardem. Wynika to z
bardziej rygorystycznych przepisów, ale sprzyja temu równocześnie bardziej
rozbudowana oferta producentów urządzeń do odzyskiwania energii. Zmienia się
__________
* Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa, Politechnika Wrocławska, [email protected],
[email protected]
także świadomość społeczna potrzeby oszczędzania energii.
Dawniej wymienniki do odzysku ciepła stosowane były jedynie w średnich i
dużych układach wentylacyjnych. Obecnie dostępne są urządzenia umożliwiające
także odzysk ciepła z powietrza usuwanego z małych pomieszczeń bytowych w
układach wspomagających wentylację grawitacyjną.
2. PODZIAŁ URZĄDZEŃ I DEFINICJE
Odzysk ciepła z powietrza wywiewanego w wentylacji i klimatyzacji jest
przedmiotem licznych badań. Nie ma jednoznaczności co do istoty zagadnień. W
Polsce wśród inwestorów ciągle funkcjonuje pogląd, iż każde urządzenie do
odzyskiwania ciepła z powietrza wywiewanego to rekuperator. Nawet małe centralki
wentylacyjne określa się tym terminem. W naszych przepisach oprócz
Rozporządzenia [1] oraz zaledwie kilku norm [2, 3] można znaleźć niewiele odniesień
dotyczących oszczędności energii w wentylacji i klimatyzacji. Znacznie lepiej
potraktowano te zagadnienia w przepisach oraz wytycznych krajów sąsiednich.
Oprócz podstawowych definicji przedstawiane są szczegółowe wytyczne dotyczące
metodologii badań oraz bardzo ważnych kalkulacji efektywności układów do odzysku
ciepła. Przyjęto, że jako wymienniki do odzysku ciepła rozumie się „(…) urządzenia
lub zespoły urządzeń, które przenoszą ciepło, a w szczególnych przypadkach także
wilgoć pomiędzy strumieniami powietrza tłoczonego i zasysanego, w zależności od
różnicy poziomów temperatury i wilgotności (…)”. Na rys.1. przedstawiono ideowy
schemat działania wymiennika do odzysku ciepła wg ASHRAE [6].
POWIETRZE ZEWNĘTRZNE
(wejściowe)
tz, hz, xz
POWIETRZE NAWIEWANE
(opuszczające)
tn, hn, xn
wymiennik do odzysku ciepła
tu, hu, xu
POWIETRZE USUWANE
(opuszczające)
tw, hw, xw
POWIETRZE WYWIEWANE
(wejściowe)
Rys. 1 Schemat przepływu powietrza w wymienniku ciepła [6]
Fig. 1. Scheme of airflow in heat exchanger [6]
Wyróżnia się kilka sposobów podziału wymienników do odzysku ciepła.
Najogólniejszym i najbardziej popularnym, jest podział na rekuperatory, regeneratory
oraz pompy ciepła. Wymienniki można również określić jako wykorzystujące czynnik
pośredniczący oraz niewykorzystujące żadnego czynnika przy wymianie ciepła, przy
czym jedne i drugie można zaliczyć do urządzeń działających na zasadzie rekuperacji.
Przykładem takich wymienników są wymienniki krzyżowo – płytowe (z
ożebrowaniem lub bez), wymienniki przeciwprądowe oraz wymienniki z
wymuszonym obiegiem czynnika, czy też rurki ciepła (urządzenia z czynnikiem
pośredniczącym).
Do grupy urządzeń regeneracyjnych zalicza się wymienniki obrotowe oraz
nieobrotowe (akumulacyjne). Wśród wymienników obrotowych wyróżnić można
jeszcze wymienniki szybkoobrotowe oraz wolnoobrotowe. Te z kolei podzielić można
na wymienniki do odzysku ciepła jawnego, wymienniki do odzysku ciepła i masy oraz
osuszacze powietrza.
W wielu publikacjach można odnaleźć również recyrkulację powietrza,
niejednokrotnie mylnie postrzeganą, jako jeden ze sposobów odzysku ciepła.
Recyrkulacja jest przestarzałym i niehigienicznym sposobem „oszczędzania” w
wentylacji, aczkolwiek bardzo chętnie i często stosowanym. Krajowe rozporządzenie
[1] oraz chociażby niemieckie normatywy [5] wyraźnie odróżniają recyrkulację od
odzysku ciepła, jako dwie różne metody ograniczenia zużycia energii w układach
wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Recyrkulacja może również niejednokrotnie
wpływać na wzrost zużycia energii w danym rozwiązaniu, gdyż wymaga
zwiększonego nakładu energii na przetłaczanie większych strumieni powietrza oraz na
pokonanie oporów hydraulicznych instalacji.
Do opisu pracy wymienników do odzysku ciepła określa się następująco
poszczególne wielkości termodynamiczne:
Ciepło odzyskane – to ciepło jawne oraz w niektórych przypadkach również
utajone, które jest pobierane lub oddawane do nawiewanego powietrza zewnętrznego
poprzez urządzenie do odzyskiwania ciepła.
Wilgoć odzyskana – wilgoć, która jest pobierana lub oddawana do powietrza
zewnętrznego poprzez urządzenie do odzyskiwania ciepła.
Współczynnik efektywności odzysku ciepła (ang. Recovery Efficiency Ratio - RER)
określa się, jako stosunek energii odzyskanej do wydatku energii w procesie odzysku
ciepła [7] i opisuje się go za pomocą równania:
RER 
mh1  h2 
pn mn /  n  / fn  pw mw /  w  / fw  qdod


(1)
gdzie: p n lub p w – spadki ciśnienia po stronie powietrza zewnętrznego oraz
wywiewanego w wymiennika,  fn lub  fw – sprawność wentylatorów nawiewnego
oraz wywiewnego, q dod – dodatkowa energia, jaka musi być doprowadzona do
wymiennika (np. do silnika wymiennika obrotowego),
Współczynnik przenikania powietrza wywiewanego (ang. Exhaust Air Transfer
Ratio - EATR) – to stosunek strumienia powietrza wywiewanego przenikającego do
strumienia powietrza zewnętrznego. Innymi słowy jest to stosunek różnicy stężenia
gazów znacznikowych na wylocie z wymiennika od strony powietrza zewnętrznego i
wylocie z wymiennika, do różnicy na wlocie do wymiennika od strony powietrza
wywiewanego i na wlocie do wymiennika od strony powietrza zewnętrznego [6, 7],
wyrażona zależnością:
EATR 
C2  C1
C3  C1
(2)
gdzie: C – stężenie gazów znacznikowych, %
Spadek ciśnienia na wymienniku wyrażony jest jako różnica ciśnienia statycznego
przed i za wymiennikiem.
Współczynnik poprawkowy powietrza zewnętrznego (ang. Outdoor Air Correction
Factor - OACF) – określa stosunek strumienia powietrza doprowadzanego do
wymiennika do wartości (brutto) strumienia powietrza odprowadzanego z
wymiennika.
Do oceny skuteczności pracy wymienników do odzysku ciepła korzysta się
najczęściej z dwóch wielkości: efektywności oraz sprawności. Sprawność każdego
urządzenia jest niczym innym, jak współczynnikiem temperaturowym (lub
entalpijnym) ściśle uzależnionym od parametrów powietrza. Efektywność natomiast to
powszechnie przyjęty w literaturze oraz najskuteczniejszy sposób opisywania
wydajności cieplnej w celu projektowania wymienników ciepła [6].
Przy projektowaniu wymienników do odzysku ciepła jawnego projektant musi
znać strumienie przepływu powietrza, ciepła właściwe, temperatury (oraz wilgotności
w przypadku wymienników do odzysku ciepła utajonego) oraz efektywność, która
definiowana jest, jako stosunek chwilowo odzyskiwanej energii, do maksymalnie
możliwej do odzyskania energii w procesie wymiany ciepła:

qodzysk
max
qodzysk
(3)
3. STANOWISKO BADAWCZE WYMIENNIKÓW DO ODZYSKU CIEPŁA
W celu praktycznego sprawdzenia i wykazania skuteczności oraz stopnia odzysku
ciepła różnego rodzaju wymienników zaprojektowano oraz zbudowano w Instytucie
Klimatyzacji i Ogrzewnictwa stanowisko badawcze z trzema wymiennikami
(krzyżowo-płytowym, regeneratorem obrotowym oraz wymiennikiem typu rurka
ciepła-termosyfonu dwufazowego) pracującymi naprzemiennie.
Powietrze do układu pobierane jest z zewnątrz przez ścienną czerpnię,
oczyszczane na filtrze kanałowym i doprowadzane do poszczególnych wymienników.
Każdy wymiennik ma możliwość odcięcia przepływu przepustnicami i klapami
zwrotnymi, zapobiegające wstecznemu przepływowi powietrza.
Powietrze zewnętrzne po przepłynięciu przez wymienniki może być
podgrzewane w nagrzewnicy kanałowej lub ochładzane w chłodnicy kanałowej w
zależności od potrzeb. Przewidziano również możliwość różnicowania wartości
strumieni powietrza nawiewnego i wywiewnego przepływających przez wymienniki,
za pomocą układów upustowych oraz uzupełniających.
Pomiary parametrów powietrza odbywają się za pomocą kanałowych
przetworników temperatury i wilgotności umieszczonych odpowiednio w kanałach
głównych: powietrza zewnętrznego, nawiewanego, wywiewanego oraz usuwanego.
Wydajność cieplna nagrzewnicy kanałowej sterowana jest za pomocą regulatora
pulsacyjnego typu PWM, wydajność wentylatora - za pomocą potencjometru
ręcznego, wydajność wymiennika obrotowego - za pomocą elektronicznego regulatora
obrotów. Przewiduje się docelowo wykorzystanie stanowiska do badań
długookresowych. Badania na stanowisku prowadzone będą wg dostępnych
wytycznych/przepisów zarówno krajowych, jak i wytycznych AHRI/ANSI [7],
ASHRAE [6], PN-EN [2, 3, 4].
Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego
Fig. 2. Scheme of research station
LITERATURA
[1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków
technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. 2002 nr 75
poz. 690) + późniejsze zmiany
[2] PN–EN 305:2001 Wymienniki ciepła. Definicje parametrów pracy wymienników ciepła
oraz ogólna procedura badawcza do ustalenia wydajności wszystkich wymienników ciepła,
Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa 2001
[3] PN–EN 306:2001 Wymienniki ciepła. Metody pomiaru parametrów koniecznych do
obliczania wydajności, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa 2001
[4] PN–EN 308:2001 Wymienniki ciepła. Procedury badawcze wyznaczania wydajności
urządzeń do odzyskiwania ciepła w układzie powietrze-powietrze i powietrze-gazy
spalinowe, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa 2001
[5] VDI 2071:1997-12 Wärmerückgewinnung in Raumlufttechnischen Anlagen, Verein
Deutscher Ingenieure, Düsseldorf 1997
[6] ANSI/ASHRAE 84 – 2008 Method of testing air-to-air heat/energy exchangers, American
Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc., ASHRAE Inc. 2008
[7] ANSI/AHRI STANDARD 1060: 2005 Standard for performance rating of air-to-air exchangers for energy recovery ventilation, Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute, AHRI 2003
ABOUT INVESTIGATIONS OF EFFECTIVENESS OF RECOVERY WARMTH FROM
EXHAUST AIR
It turns the more and more larger attention on solution of installation at present, acting effectively
near simultaneously the limited waste of energy. The level of technical equipment of industrial buildings,
public usefulness how and habitable grows also continually. Users demand the more and more higher
comfort of microclimate, but this requires the larger waste of energy. Today therefore the economy of
energy, and especially they become in ventilating arrangements the recovery of energy the standard. The
changing recipes help here, but the also more complex offer of manufacturers of devices to salvage of
energy. A lot of attention sacifice in investigations questions this at Wrocław University of Technology.