Ocena energetyczna przemian powietrza przy regulacji wilgotności powietrza w pomieszczeniu metodą temperatury termometru mokrego

1. Zasada regulacji wilgotności powietrza w pomieszczeniu z wykorzystaniem temperatury termometru mokrego

W układach regulacji temperatury i wilgotności względnej w pomieszczeniu powszechnie stosowane są układy kaskadowe. Układ regulacji kaskadowej jest układem dwustopniowym składającym się z obwodu głównego (nadrzędnego) i obwodu pomocniczego (podrzędnego). 

Obwód nadrzędny kształtuje wartość zadana dla obwodu podrzędnego, a ten realizuje dopiero właściwa regulacje oddziałując na urządzenia wykonawcze.

Przy regulacji temperatury jako wielkość regulowana przyjmuje się:

• temperaturę powietrza w pomieszczeniu w obwodzie nadrzędnym,
• temperaturę powietrza nawiewanego w obwodzie podrzędnym.

Przy regulacji wilgotności względnej, w układzie nadrzędnym, przyjmuje się jako wielkość regulowana - wilgotność względna powietrza w pomieszczeniu. Natomiast wielkość regułowa w układzie podrzędnym zależy od rodzaju urządzenia nawilżającego zastosowanego w centrali oraz rodzaju sterownika. Przyjęcie wilgotności względnej powietrza nawiewanego (w analogii do układu temperatury), nie jest wskazane ze względu na silna zależność wilgotności powietrza od jego temperatury.

Najlepszym rozwiązaniem jest przyjęcie zawartości wilgoci powietrza nawiewanego, która ma bezpośredni wpływ na bilans wilgoci w powietrzu pomieszczenia. Jednak nie ma urządzeń pomiarowych, które pozwalałyby bezpośrednio pomierzyć tę wielkość; może być ona jedynie obliczona na podstawie pomiaru wartości temperatury i wilgotności względnej. Jednak obliczenia takie są możliwe tylko w sterownikach cyfrowych. Z tego względu ciągle jeszcze stosowane są inne zastępcze metody, które pozwalałyby na pośredni pomiar zawartości wilgoci w powietrzu nawiewanym. Taką właśnie metodą zastępczą, jest pomiar temperatury termometru mokrego powietrza w stanie nasycenia. Stan bliski nasycenia osiąga powietrze za komora zraszania lub za chłodnica powierzchniowa przy wykraplaniu wilgoci i wówczas wskazanie termometru (tzw. mokrego) dość wiernie odwzorowuje zawartość wilgoci w powietrzu.

Zasadę utrzymywania wymaganej temperatury termometru mokrego pokazano na wykresie i-x zamieszczonym na rysunku 1. 

a)  

b)  

W okresie roku, gdy wymagane jest nawilżanie powietrza (tZm < tKm ≈ iZ < iK), zadaniem układu regulacji jest sprowadzenie stanu powietrza przed złożem zraszanym do stanu scharakteryzowanego punktem M leżącym na linii termometru mokrego (tKm ≈ a iK). Wówczas po nawilżeniu wodnym uzyskuje się wymaganą zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym. Natomiast w okresie roku, gdy wymagane jest osuszanie powietrza, zadaniem układu jest ochłodzenie powietrza i wykroplenie z niego wilgoci w takiej ilości, aby również uzyskać wymaganą wartość temperatury termometru mokrego powietrza za chłodnica tKm.

Jak wynika z wykresu i-x, do przeprowadzenia przemiany od parametrów punktu Z do punktu N wymagane jest często "podwójne" zapotrzebowanie na energie, a mianowicie: 

• w przypadku nawilżania (wodnego) - nagrzewanie i rezygnacja z części odzysku ciepła,
• w przypadku osuszania powietrza - ochłodzenie, ogrzewanie i czasami rezygnacja z możliwego odzysku ciepła.

W obu przypadkach skutkiem jest zwiększone zużycie energii i większa energochłonność procesu uzdatniania powietrza. W artykule określono wartości zużycia energii oraz sprawności i energochłonności tego typu procesów. Obliczenia przeprowadzono przy wykorzystaniu programu symulacyjnego dla okresu jednego roku w warunkach klimatycznych Polski. Dla określenia konkretnych wartości zużycia energii, oraz sprawności przyjęto określone wyposażenie centrali, algorytm regulacji, zmiany parametrów powietrza zewnętrznego i wewnętrznego, zmiany wydzielanych zysków ciepła i wilgoci w pomieszczeniu oraz czas pracy instalacji. 

2. Obliczenia symulacyjne 

2.1. Wyposażenie centrali 

Do obliczeń przyjęto schemat technologiczny centrali klimatyzacyjnej wraz ze schematem układu sterowania pokazany na rys. 2. 

Wyposażenie centrali stanowią:

• komora mieszania zapewniająca I recyrkulacje powietrza w systemie,
• nagrzewnica wstępna wodna na przewodzie powietrza zmieszanego
• złoże zraszane wodne,
• chłodnica powierzchniowa wodna,
• nagrzewnica wtórna wodna.

2.2. Algorytm sterowania

Do symulacji przyjęto kaskadowe układy regulacji temperatury i wilgotności powierza w pomieszczeniu. W układzie regulacji temperatury obwód nadrzędny reguluje temperaturę powietrza w pomieszczeniu, natomiast obwód podrzędny - temperaturę powietrza nawiewanego. W układzie regulacji wilgotności względnej nadrzędny reguluje wilgotność względna powietrza w pomieszczeniu, natomiast obwód podrzędny - temperaturę termometru mokrego powietrza za urządzeniem zraszającym W przyjętym algorytmie, temperatura powietrza nawiewanego utrzymywana jest poprzez zmianę mocy nagrzewnicy wtórnej.

Natomiast temperatura termometru mokrego za komora zraszania utrzymywana jest przez sekwencyjna zmianę:

• mocy nagrzewnicy wstępnej,
• stosunku zmieszania powietrza wewnętrznego i obiegowego,
• mocy chłodnicy.

W okresie wymagającym nawilżenia powietrza, zmiana temperatury powietrza wchodzącego do komory zraszania powoduje zmianę zawartości wilgoci w powietrzu nawiewanym. W okresie wymagającym osuszenia, z kolei, zmniejszenie zawartości wilgoci odbywa się przez ochłodzenie powietrza poniżej punktu rosy i wykroplenie nadmiaru wilgoci.

Sekwencje działania układu zamieszczono na rysunku 3.

2.3. Zmiany parametrów powietrza zewnętrznego 

Do obliczeń wykorzystano dane meteorologiczne (wartości temperatury i wilgotności względnej) ze stacji W-wa Okręcie w okresie czasu od X. 90 do IX 91. Ich wartości naniesione na wykres i-x zamieszczono na rys. 4. Stopień zagęszczenia świadczy o częstości występowania danych wartości parametrów. Najczęściej występujące wartości to: wilgotność względna w zakresie 80 ÷ 100 % oraz temperatura w zakresie -5 ÷ 10 °C.

2.4. Zmiany parametrów powietrza wewnętrznego

W obliczeniach, zależnie od wariantu przyjmowano stale lub zmienne wartości temperatury i wilgotności powietrza wewnętrznego z zakresu 20 ÷ 22 °C oraz 45 ÷ 55 % ww. Przy zmiennych wartościach parametry te były obliczane w każdym kroku z wykorzystaniem rozkładu normalnego według zależności: ti = ti0 ± Δti0*N(0,1), φi =φi0 ± Δφi0*N(0,1), gdzie: N(μ,σ) - liczba losowa o rozkładzie normalnym o wartości średniej μ = 0 i odchyleniu standardowym σ = 1, ti0 , φi0 - wartości zadane temperatury i wilgotności względnej w pomieszczeniu, Δti0 , Δφi0 - dopuszczalne wahania temperatury i wilgotności w pomieszczeniu.

2.5. Zmiany zysków ciepła i wilgoci w pomieszczeniu

W zasadzie nie określano bezpośrednio zysków ciepła i wilgoci. Przyjmowano od razu wymagane parametry powietrza nawiewanego do pomieszczenia. Wartości te obliczano, przy założeniu losowych zmian wymaganej temperatury i zawartości wilgoci w powietrzu nawiewanym według rozkładu normalnego. Aktualne wartości wyliczano ze wzorów: tn = ti - N(4,1) xn = xi - N(0.5,1) gdzie: xi =F(ti ,φi) N(μ,σ), ti, φi - zmienne zdefiniowane w rozdz. 2.4. 

3. Wyniki symulacji

Symulacje przeprowadzono metoda stanów ustalonych, z krokiem 1 godz. Przy ustalaniu wariantów symulacyjnych uwzględniono:

• okres pracy centrali klimatyzacyjnej:

praca na 1-zmianę (2295h), 2-zmiany (4335h) i 3- zmiany (8760h),

• dopuszczalne zmiany parametrów powietrza wewnętrznego:

Δti0 = 0K i Δφi0 = 0%ww oraz Δti0 = 0K i Δφi0 = 0%ww

• minimalny udział powietrza zewnętrznego:

10%, 20%, 30%, 40% i 50%

Łącznie przeanalizowano 75 wariantów. Wybrane warianty zamieszczono w tab. 1. oraz na rys. 5 i 6. 

Na rys. 5a zamieszczono jako przykładowe (wariant 2 wg tab. 1) kształtowanie się energii w poszczególnych miesiącach roku, a mianowicie: energii odzyskanej, energii wymaganej do przeprowadzenia przemian z uwzględnieniem odzysku ciepła oraz energii rzeczywiście zużytej. Podane na rysunku wartości energii odnoszą się do strumienia powietrza w centrali równego 1 kg/s. Natomiast na rys. 5b zamieszczono kształtowanie się wartości współczynników sprawności i współczynnika energochłonności procesów, a także sprawności systemu odzysku ciepła dla analizowanego wariantu.

Oznaczenia przyjęte na rysunkach są następujące: 

• Odzysk rzecz - rzeczywisty odzysk ciepła z powietrza usuwanego, 
• Odzysk max - maksymalnie możliwy odzysk ciepła z powietrza usuwanego, 
• Zużycie min - minimalne zużycie energii wymagane do uzyskania parametrów punktu N, 
• Zużycie rzecz - rzeczywiste zużycie energii wymagane do uzyskania parametrów punktu N, 
• n_odz_rzecz – rzeczywista sprawność odzysku ciepła określona jako stosunek energii rzeczywiście odzyskanej z powietrza usuwanego do maksymalnie możliwej. 
• n_odz_max – maksymalnie możliwa sprawność odzysku ciepła (w przypadku I recyrkulacji - równa udziałowi powietrza obiegowego w całkowitej ilości powietrza). 
• n_proc – sprawność procesu przemian powietrza w centrali, 
• 1/n_proc – energochłonność procesu przemian powietrza w centrali określona jako odwrotność sprawności procesu).

Najmniejsza sprawnością a największa energochłonnością wszystkich procesów przemiany powietrza w centrali cechuje się okres miesięcy letnich, kiedy dominują procesy osuszania powietrza. Natomiast największa sprawność systemu odzysku uzyskuje się w miesiącach zimowych. W miesiącach okresu przejściowego sprawność odzysku ciepła jest najmniejsza, gdyż wówczas świadomie rezygnuje się z części możliwego odzysku, aby następnie nie chłodzić podgrzanego wstępnie powietrza. W okresach o wysokich wartościach temperatury powietrza zewnętrznego (letni), wykorzystuje się odzysk ciepła w większym zakresie, co tłumaczy wzrost sprawności odzysku ciepła w stosunku do okresu przejściowego. Charakter zmian energii oraz współczynników sprawności i energochłonności jest analogiczny dla wszystkich wariantów. Zmieniają się tylko ich wartości bezwzględne.

Z kolei na rysunku 6. zamieszczono słupkowe wykresy zużycia energii tzn.: minimalne możliwe oraz rzeczywiste przy różnych wartościach zadanych temperatury i wilgotności powietrza w pomieszczeniu (warianty nr 6 ÷ 9 wg. tab. 1). W tym przypadku obliczono zużycie energii dla czterech „umownych” okresów roku, w przybliżeniu pokrywających się z kalendarzowymi porami roku. Jako okres jesieni przyjęto: IX, X i XI; okres zimy - XII, I, II; okres wiosny - III, IV, V, a okres lata - VI, VII, VIII. Jak wynika z wykresów, największe rzeczywiste zużycie energii (oraz największa energochłonność procesu przemian) występuje w okresie lata, podczas gdy najmniejsze rzeczywiste zużycie (oraz najmniejsza energochłonność) paradoksalnie - w okresie zimy. Wiąże się to z pełnym wykorzystaniem systemu odzysku ciepła właśnie w okresie zimy.

Analiza wpływu wartości zadanych na rzeczywiste zużycie energii pozwala stwierdzić, ze największy wpływ ma zadana wartość wilgotności względnej; im większa wartość zadana wilgotności tym mniejsze zużycie energii. Zmiana wartości z φi0 = 45% na φi0 = 55% pozwala na ok. 30% zmniejszenie zużycia energii, podczas gdy zmiana wartości zadanej temperatury z ti0 = 20oC na 22 °C, tylko teoretycznie pozwala na zmniejszenie zużycia energii o ok. 10%. W rzeczywistości, wskutek niekorzystnego położenia punktów - punkt P1(20 °C, 55%ww) zawsze leży po lewej stronie punktu P2(22 °C, 55%ww) - zużycie energii jest nawet większe, wskutek zwiększonego zużycia „chłodu” niezbędnego do wykroplenia nadmiaru wilgoci. Dla przykładu zamieszczonego na rys. 6 najmniejsze zużycie całkowite uzyskuje się przy wartościach zadanych ti0 = 22 °C i φi0 = 55%. (xi0 = 8.8 g/kg). W rozbiciu na poszczególne okresy roku - najmniejsze zużycie uzyskuje się przy wartościach zadanych ti0 = 20 °C i φi0 = 55% w okresach zimy i wiosny oraz dla wartości ti0 = 22 °C i φi0 = 55% w okresach lata i jesieni. 

4. Podsumowanie

Reasumując należy stwierdzić, że największy wpływ na zużycie energii w analizowanych procesach uzdatniania powietrza, ma nie udział powietrza zewnętrznego (warianty 1 ÷ 5 tab. 1), ale wartości zadane i dopuszczalne zmiany parametrów powietrza wewnętrznego (warianty 6 ÷ 9). Wynika to z faktu różnych wartości energochłonności procesów przemiany powietrza w centrali klimatyzacyjnej dla poszczególnych miesięcy w roku; przy czym największa energochłonność wykazują procesy osuszania powietrza przez jego ochłodzenie i wykroplenie nadmiaru wilgoci. Generalnie można zatem stwierdzić, ze w warunkach klimatycznych Polski, w zakresie parametrów komfortu cieplnego człowieka, im wyższa jest nastawa wartości zadanej wilgoci względnej powietrzu w pomieszczeniu, tym mniejsze zużycie energii. 

Autor: Bernard A. Zawada, Politechnika Warszawska, Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji