Różne nowo powstające dokumenty zawierają szereg wytycznych jak projektować izolacyjność budynku by zużycie energii cieplnej przez obiekt było jak najmniejsze. Zwiększenie izolacyjności, patrząc pod kątem tylko fizyki cieplnej budowli, rzeczywiście zmniejsza energochłonność cieplną budynku. Niestety jest drugie ale… Wzrost izolacyjności i tym samym szczelności budynku generuje z drugiej strony zwiększone zapotrzebowanie na powietrze świeże, które należy do obiektu doprowadzić na cele wentylacyjne. I tutaj pojawia się problem. Im większe jest zapotrzebowanie na powietrze świeże tym większym zużyciem energii, tym razem na cele chłodzenia i wentylacji, będzie się cechował budynek.
Zwiększona energochłonność na cele chłodnicze i wentylacji wynika bezpośrednio z samej ilości świeżego powietrza (większy wydatek centrali) oraz pośrednio ze zwiększonego zapotrzebowania na moc chłodniczą, grzewczą, itp. przez systemy powiązane.
Konstrukcja central klimatyzacyjnych od wielu lat powiela ten sam model schematyczny. Centrala zawiera element odzysku ciepła - rekuperator, którego zadaniem jest odzysk ciepła/chłodu z powietrza usuwanego. Tutaj prym wiodą rekuperatory głównie obrotowy i płytowo-krzyżowy.
Idea i zasada działania polega na złożeniu elementów w jedną logiczną całość pozwalająca na doprowadzenie parametrów powietrza zmieszanego czy też tylko świeżego do żądanych parametrów powietrza na wyjściu z centrali.
Projektanci często dążą do uzyskania jak najwyższej sprawności wszystkich elementów co jest słuszne ale takie działanie podlega licznym ograniczeniom. Pierwszym z nich to przyjęty i utrwalony typowy schemat działania centrali. Jeżeli nie zostanie przemyślana idea całej centrali, jej zadania przy jednoczesnej weryfikacji najczęściej występujących warunków klimatycznych oraz analiza możliwości uzyskania jak najniższych kosztów eksploatacji wówczas rozwiązania te które były stosowane od wielu lat w dalszym ciągu nie zmienią się zaś dalsza redukcja kosztów eksploatacyjnych nie będzie możliwa.
Poniżej autor chciałby przedstawić rozwiązanie jednego z producentów, które zmienia stereotypy dotyczące central klimatyzacyjnych, jest to świeże spojrzenie producenta na pewne zagadnienia, które zostały całkowicie przemyślane i są odpowiedzią na zapotrzebowanie obecnego klienta.
Cel jaki przyświeca autorowi polega na przedstawianiu rozwiązań innowacyjnych, ciekawych i efektywnych energetycznie. Nie jest intencją autora propagowanie pochodzących od najbardziej rozreklamowanych producentów rozwiązań (często reprezentujących słaby poziom rozwiązań technicznych) tylko takich, które mogą pochodzących od tych mnie znanych wytwórców, ale reprezentujących śmiałe i przemyślane konstrukcje.
Poniżej autor przedstawi w kilku faktach analizę najczęściej stosowanych rozwiązań i kolejno propozycję spojrzenia na konstrukcję nowoczesnej centrali wentylacyjno-klimatyzacyjnej pracującą ze 100% udziałem powietrza świeżego.
W większości rozwiązań systemów klimatyzacyjnych przygotowywane są przez projektanta dobory urządzeń i obliczenia dla praktycznie dwóch całkiem skrajnych i odmiennych parametrów powietrza zewnętrznego.
Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego są przyjmowane m.in. w oparciu o określoną strefę klimatyczną i inne uwarunkowanie, niemniej jednak strony zaangażowane w projekt zgodzą się z pewnym uproszczeniem, że:
Często jest tak, że analiza projektu i danych centrali klimatyzacyjnych ogranicza się tylko do tych dwóch punktów pracy.
Nie ma jednak nic bardziej mylnego, tylko analiza uwzględniająca pracę urządzenia w ciągu całego sezonu pozwoli na prognozowanie i kształtowanie się kosztów eksploatacji urządzeń wciągu roku.
Dla wybranej stacji meteorologicznej - Kraków Balice dane meteorologiczne w postaci temperatury powietrza zewnętrznego zostały zebrane i przedstawione w formie wykresu częstości występowania powietrza zewnętrznego o danej temperaturze (rys. 1). Taki sam wykres można opracować dla dowolnych innych stacji metrologicznych dla konkretnego roku referencyjnego:
Można zauważyć, że odniesienie się tylko do dwóch skrajnych parametrów obliczeniowych nie ma nic wspólnego z zachowaniem się systemu klimatyzacyjnego w ciągu roku. Obliczeniowe parametry powietrza zewnętrznego to zaledwie ok. 1% czasu pracy systemu klimatyzacji bądź grzewczego.
Jakiekolwiek urządzenie klimatyzacyjne o najwyższej efektywności osiąganej dla tych skrajnych punktów obliczeniowych może się zachowywać odmiennie podczas okresu występowania najczęstszych warunków klimatycznych.
Ten fakt został już zauważony np. przez producentów agregatów chłodniczych z tego powodu został wprowadzony w 2008 roku wskaźnik ESEER do programu certyfikacji agregatów chłodniczych EUROVENT.
Jeden z wiodących producentów agregatów chłodniczych (wprowadził gotowe rozwiązania agregatów chłodniczych o wysokich wskaźnikach efektywności energetycznych ESEER odpowiednio wcześniej bo już w 2000 roku przed zauważeniem zagadnienia przez zainteresowane strony. Idea i rozwiązanie nowoczesnej centrali klimatyzacyjnej, które autor pragnie przedstawić pochodzi od tego producenta.
Można zauważyć, że agregaty (rys. 2) o wysokich wskaźnikach EER (współczynnik efektywności energetycznej dla pełnego obciążenia cieplnego) nie muszą osiągać wysokich wskaźników ESEER (współczynnik efektywności energetycznej dla warunków częściowego obciążenia cieplnego).
Podobnie centrale zaprojektowane tak by osiągały jak najwyższe sprawności dla tych dwóch skrajnych punktów obliczeniowych nie muszą się cechować zmniejszonym zużyciem energii podczas całego sezonu. Analiza czy dane rozwiązanie jest efektywne energetycznie musi być poprzedzona jego szczegółową weryfikacją dla warunków najczęściej występujących. Na podstawie rysunku 1 można wywnioskować, że deklaracja producenta co do parametrów poszczególnych elementów centrali dotyczy warunków, które występują przez bardzo krótki okres czasu i nie ma to nic wspólnego z rzeczywistymi warunkami pracy centrali.
Do zasadniczych wad typowych central klimatyzacyjnych jest fakt umieszczenia źródła chłodu i ciepła poza obrysem centrali. Wymagana jest zatem konieczność transportu z miejsca produkcji ciepła i chłodu do miejsca w którym jest na nie zapotrzebowanie (konieczność zastosowania instalacji hydraulicznych, wysokie koszty pompowania) co powoduje zmniejszenie ich efektywności. Najlepszym rozwiązaniem jest „produkcja chłodu” w miejscu gdzie jest na nie zapotrzebowanie.
Dodatkowo warunki zewnętrzne nie są najbardziej korzystne dla wysokich osiągów układów chłodniczych i grzewczych a także występuje dodatkowe zapotrzebowanie miejsca na agregaty chłodnicze, kotły grzewcze, rurociągi, itp.
Również należy zauważyć, że w procesie osuszania powietrza świeżego w pierwszej kolejności pracuje chłodnica, która jest zasilana z agregatu chłodniczego a agregat chłodniczy najczęściej ciepło skraplania wyrzuca do atmosfery. W tym samym czasie ciepło konieczne do podgrzania powietrza na nagrzewnicy jest pobierane z kotłowni. Jest to swego rodzaju paradoks bo z jednej strony przy procesie osuszania powietrza wyrzuca się ciepło które z drugiej strony jest wymagane w tym samym procesie a jest ono pobierane z dodatkowymi kosztami (praca kotła, koszty pompowania, itp.).
Analizując dane techniczne rekuperatorów (najczęściej obrotowych bądź płytowo-krzyżowych) można zauważyć, że deklaracja producentów co do maksymalnej sprawności wymienników rekuperatorów dotyczy warunku maksymalnie skrajnie niskiej temperatury powietrza zewnętrznego oraz dużej różnicy temperatury pomiędzy dwoma strumieniami powietrza wymieniającego ciepło. W takich warunkach sprawności są bardzo wysokie bo:
W praktyce weryfikując pracę wymienników odzysku ciepła (obrotowych i płytowo-krzyżowych) w okresie najczęściej występujących warunków powietrza zewnętrznego można zauważyć, że sprawność wymienników obrotowych (i płytowo-krzyżowych) maleje (zmniejszenie ilości ciepła przekazywanego w sposób utajony, zmniejszona różnica temperatur pomiędzy dwoma strumieniami powietrza, itp.).
Co więcej i najbardziej istotne wysokie sprawności wymienników odzysku ciepła są uzyskiwane na wskutek zwiększonej prędkości powietrza w centrali. Towarzyszą temu zwiększone opory powietrza co wiąże się ze wzrostem zapotrzebowania na moc elektryczną pobieraną przez silnik wentylatora (im wyższy spręż tym większy pobór mocy przez silnik wentylatora). Zwiększone zapotrzebowanie mocy elektrycznej przez silnik wentylatora (wynikające pośrednio z faktu dążenia do zwiększenia sprawności odzysku ciepła) niweluje efekty z pozyskania wyższej sprawności wymiennika.
Jednak co najważniejsze przy deklaracji najwyższych sprawności nie są najczęściej uwzględniane konieczne cykle odszronienia rekuperatora co ma również wpływ na energochłonność odzysku ciepła.
Jak w przypadku sprężarkowych agregatów chłodniczych zasadniczym i najbardziej energochłonnym elementem jest sprężarka, tak w przypadku centrali klimatyzacyjnej takim elementem jest wentylator nawiewny i wyciągowy. Można zauważyć np. korzystając z wykresu z rysunku 1, że w pewnych okresach będzie pracowało źródło chłodu zaś w pewnych okresach źródło ciepła ale to wentylatory (nawiewny i wyciągowy) będą pracować stale dostarczając świeże powietrze wentylacyjne. Nawet niewielki pobór mocy przez wentylator pomnożony przez dużą liczbę godzin pracy generuje zwiększone zużycie energii elektrycznej.
Od pewnego czasu na naszym rynku funkcjonuje pojęcie wskaźnika SFP (ang. Specific Fan Power) wentylatora, którego definicja jest stosunkiem poboru mocy elektrycznej przez wentylator nawiewny lub wyciągowy (wyrażonej w kW) przez przepływ powietrza (w m3/s).
Wartości maksymalne wskaźników SFP jakie są dopuszczalne są usankcjonowane prawnie. Konstrukcje tradycyjnych central klimatyzacyjnych generują bardzo duże opory wewnętrzne centrali. Dla przykładu wymiennik obrotowy generuje spadki ciśnienia rzędu 200-300 Pa, do tego dochodzą spadki ciśnienia na filtrze klasy F7 ok. 150-250 Pa, itp.
Zastosowanie elementów wewnętrznych central o tak dużych oporach powoduje konieczność zastosowania silników zwiększonej mocy co generuje w aspekcie liczby godzin pracy zwiększone zużycie energii elektrycznej przez wentylatory nawiewny i wyciągowy.
Pomijam kwestię faktu, że większość obecnie produkowanych i sprzedawanych central klimatyzacyjnych nawet tych pochodzących od uznawanych jako najbardziej renomowanych producentów central klimatyzacyjnych pracuje z tego powodu (dopuszczalne wartości SFP) na granicy dopuszczenia lub nie spełniając wymogów prawa!
Częściowym rozwiązaniem jest zaprojektowanie central ze zmniejszonym przepływem powietrza co redukuje opory po stronie powietrza ale z drugiej strony zmniejsza sprawność np. wymiennika obrotowego. Można zauważyć że deklaracje przez producentów dotyczące sprawności wymienników obrotowych z tego powodu obniżyły się.
Innym często dużym błędem jest zastosowanie jednej dużej zbiorczej centrali, która uzdatnia powietrze a następnie tłoczy uzdatnione powietrze do klimatyzowanych pomieszczeń. Często część z nich jest zlokalizowana w dalszej odległości od centrali co powoduje konieczność zastosowania silników wentylatorów o dużym sprężu. To z kolei generuje zwiększone zapotrzebowanie energii elektrycznej przez silniki wentylatorów.
Rozwiązaniem tego problemu i tym samym pozwalającym na polepszenie wartości wskaźnika SFP jest zastosowanie kilku central obsługujących określone strefy. Centrale uzdatniają powietrze tylko w obrębie swojej strefy i nie ma konieczności transportu powietrza do pomieszczeń zlokalizowanych w dalszej odległości.
Wymóg doprowadzenia i uzdatnienia powietrza świeżego jest nieodłącznym procesem uzdatniania powietrza przez system klimatyzacyjny.
Nowoczesne, dobrze zaizolowane budynki wymagają doprowadzenia coraz większych ilości powietrza świeżego. Z drugiej strony powstają dokumenty które narzucają by odbywało się to w sposób jak najbardziej energooszczędny.
Uwzględniając wszystkie te cechy jeden z analizowanych producentów stworzył nowe rozwiązanie, które eliminuje wszystkie negatywne cechy tradycyjnych central klimatyzacyjnych. Podobna idea jest powoli stosowana też przez innych producentów.
Konstrukcja analizowanej centrali klimatyzacyjnej została schematycznie przedstawiona na rysunku 3.
Od lat poszukiwania dotyczą darmowego łatwego do pozyskania oraz o wysokiej temperaturze źródła ciepła do zasilania pomp ciepła. Rozpatrywane są ścieki (temp. ok. 10 oC), grunt (temp. od 5 do 10 oC zależnie od głębokości odwiertu, powietrze zewnętrzne (podlega dużym wahaniom wciągu roku dla przykładu dla okresu grzewczego uśredniona temperatura wynosić będzie ok. 0-5 oC choć w zasadzie winno posługiwać się średnią ważoną), itp. Jednak należy zwrócić uwagę, że powietrze usuwane z pomieszczeń jest łatwym do pozyskania źródłem ciepła, posiada temperaturę ok. 20 oC, jest darmowe (bo najczęściej jest wyrzucane do atmosfery).
Termodynamiczny odzysk ciepła stanowiący standardowe wyposażenie centrali ZEPHIR 3 jest oparty na zasadzie działania pompy ciepła. Dla przykładu rozpatrując:
Na rysunku 7 przedstawiono efektywności energetyczne dla trybu chłodzenia i grzania dla centrali ZEPHIR 3 wielk. 5. Uzyskiwane efektywności energetyczna są dwu- lub trzykrotnie wyższe od dostępnych na rynku rozwiązań źródeł chłodu i ciepła.
Korzyści eksploatacyjne wynikające z zastosowania najnowszej centrali wynikają z obniżonego poboru mocy elektrycznej przez wentylatory nawiewny i wywiewny oraz zwiększonej efektywności energetycznej związanych z pracą układów chłodzenia, grzania i filtracji. Jak wynika z zestawień porównawczych przygotowanych dla polskich warunków klimatycznych rozwiązanie nowoczesnej przedstawionej w artykule konstrukcji centrali pozwala na oszczędności eksploatacyjne rzędu 30% w stosunku do tradycyjnych rozwiązań centrali klimatyzacyjnej zasilanej z monoblokowego agregatu chłodniczego oraz kotła grzewczego.
Oczywiście porównanie powinno obejmować również koszty inwestycyjne związane z zakupem centrali. Mówiąc o nowoczesnej konstrukcji centrali producent posługuje się pojęciem nie centrali a kompletnej instalacji powietrza pierwotnego, co jest zgodne z rzeczywistością.
Analizując koszt zakupu samych central to nowoczesna konstrukcja centrali cechuje się kosztem inwestycyjnym przewyższającym tradycyjną centralę 2 do 3 razy większym. Przy czym dokonując porównania należy zwrócić uwagę że koszt centrali nowoczesnej obejmuje wbudowany układ chłodniczy, grzewczy, itp. Po uwzględnieniu układów chłodzenia, grzania, rurociągów wraz z izolacją, pomp wody ziębniczej i grzewczej, automatyki, itp. w tradycyjnej centrali koszt zakupu przekroczy różnicę wynikającą z zestawienia porównawczego kosztów samych central.
Przedstawione w artykule informacje niewątpliwie wskazują, że nowe podejście do projektowania urządzeń przynosi wymierne oszczędności energetyczne.
Przytoczona w artykule konstrukcja centrali jest jednym z elementów całego systemu klimatyzacyjnego oferowanego przez producenta. Uzupełnienie systemu klimatyzacyjnego stanowią agregaty chłodnicze i pompy ciepła o bardzo wysokich wskaźnikach efektywności energetycznej przy obciążeniu częściowym ESEER i/lub EER.
Intencją autora jest zwrócenie uwagi, że tradycyjne rozwiązania central klimatyzacyjnych są obarczone pewnymi wadami, które w istotny sposób ograniczają możliwość uzyskania wysokich efektywności energetycznych związanych z pracą systemów klimatyzacyjnych (zasadniczą jest już chyba sam dobór oddzielnie wszystkich elementów: centrali, źródła chłodu, kotła grzewczego i powiązanie ich w jedną żywą instalację).
Jak przedstawiono w artykule dostępne są już rozwiązania typu „all-in-one”, które poprzez nowe spojrzenie producenta na pracę central klimatyzacyjnych, pozwolą na wymierne oszczędności energetyczne. Autor ma nadzieję, że poruszone zagadnienia wpłyną na bardziej dogłębną analizę pracy central klimatyzacyjnych przez projektantów.
Literatura
[1] Biuletyny techniczne firmy CLIVET dotyczące centrali CPAN-XHE3.
[2] B. Adamski: „Początek końca rekuperatorów obrotowych i pasywnych?” – Chłodnictwo i Klimatyzacja 11/2014
[3] B. Adamski: „Nowoczesne urządzenia i systemy klimatyzacyjne. Cz. 1 Agregaty wody ziębniczej jako pośrednie źródło chłodu w systemie klimatyzacyjnym” Wydawnictwo MEDIUM 2014
Bartłomiej Adamski
Artykuł został opublikowany w "Materiałach Seminaryjnych" Forum Wentylacja Salon Klimatyzacja 2015