Maciej Danielak ALTERNATYWNE SYSTEMY CHŁODZENIA I KLIMATYZACJI PRZEWODNIK seria
»
Alternatywne systemy chłodzenia i klimatyzacji przewodnik dr inż. Maciej Danielak 2014
Copyright by Grupa MEDIUM Warszawa 2014 Redakcja techniczna DTP Korekta Monika Mucha Wydawnictwo GRUPA MEDIUM Spółka z o.o. S.K.A. ul. Karczewska 18, 04-112 Warszawa www.ksiegarniatechniczna.com.pl ISBN 978-83-64094-34-7 Seria i pod patronatem miesięcznika
Spis treści 1. Wstęp...................................................... 5 2. Wprowadzenie i definicja problemu................................. 7 2.1. Zyski ciepła.............................................. 8 2.2. Podział systemów klimatyzacyjnych.............................. 9 2.3. Klimat zewnętrzny......................................... 11 2.4. Komfort w pomieszczeniu zamkniętym........................... 11 2.5. Transport energii w pomieszczeniu.............................. 12 2.6. Procesy termodynamiczne................................... 12 2.6.1. Chłodzenie........................................ 13 2.6.2. Nawilżanie wodą (chłodzenie adiabatyczne)................. 14 2.6.3. Osuszanie kondensacyjne.............................. 15 3. Materiał zmiennofazowy PCM.................................... 17 3.1. Zasada działania.......................................... 17 3.2. Przykłady rozwiązań z zastosowaniem materiału zmiennofazowego....... 21 3.2.1. Przykład 1........................................ 21 3.2.2. Przykład 2........................................ 22 3.2.3. Przykład 3........................................ 23 3.2.4. Przykład 4........................................ 24 3.2.5. Przykład 5........................................ 25 3.2.6. Realizacje referencyjne................................ 26 4. Chłodzenie pasywne budynki ochronne w trudno dostępnych okolicach...... 30 5. Systemy chłodzenia wyparnego................................... 33 5.1. System bezpośredniego chłodzenia wyparnego (DEC)................. 33 5.2. System pośredniego chłodzenia wyparnego (IEC).................... 39 5.3. Wieża chłodnicza......................................... 41 5.4. System kombinowanego pośredniego i bezpośredniego chłodzenia wyparnego.............................................. 43 5.5. Ultracoolery adiabatyczne.................................... 45 6. Wentylacja naturalna i mechaniczna............................... 48 6.1. Przykłady zastosowań wentylacji nocnej.......................... 50 7. Free-cooling................................................. 52 8. Wentylacja dzienna............................................ 53 9. Ograniczenie zysków ciepła...................................... 55 9.1. Zasada działania.......................................... 55 9.2. Urządzenia niskoenergetyczne................................. 55 9.3. Ruchome instalacje ochrony przeciwsłonecznej..................... 56 9.4. Szkło przeciwsłoneczne..................................... 57 9.5. Heliostaty i systemy kierowania strumieniem światła................. 58 3
10. Masa akumulacyjna........................................... 60 10.1. Zasada działania.......................................... 60 10.2. Przykłady zastosowań...................................... 61 11. Wymiennik gruntowy.......................................... 62 11.1. Zasada działania.......................................... 62 11.2. Powietrzny wymiennik gruntowy............................... 65 11.2.1. Klimatyzacja komfortu................................ 67 11.2.2. Klimatyzacja pomieszczeń............................. 68 11.2.3. Wspomaganie chłodzenia............................. 69 11.3. Wodny wymiennik gruntowy.................................. 70 11.3.1. Zastosowanie oraz możliwości montażu.................... 71 11.3.2. Wodny wymiennik gruntowy do chłodzenia z wodnym systemem odbioru.......................................... 71 11.3.3. Wodny wymiennik gruntowy do grzania i chłodzenia z powietrznym systemem odbioru........................ 75 11.3.4. Chłodzenie pasywne pompy ciepła....................... 76 11.4. Studnia powietrzna........................................ 77 12. Pasywne chłodzenie wyparne.................................... 79 13. Chłodzenie słoneczne.......................................... 82 13.1. Zasobnik sorpcyjny........................................ 84 14. Architektura................................................ 86 14.1. Zazieleniona fasada........................................ 87 14.2. Zazielenianie dachów....................................... 87 14.3. Budynki earth-sheltered..................................... 88 15. Podsumowanie............................................... 90 4 Alternatywne systemy chłodzenia i klimatyzacji
1. Wstęp Szybki wzrost konsumpcji energii na świecie powoduje kurczenie się jej zasobów naturalnych oraz wywołuje zmiany klimatyczne. Wzrost zużycia energii spowodowany jest ciągłym wzrostem liczby ludności, wzrostem ekonomicznym, rozwojem komunikacji oraz stylem życia charakteryzującym się większymi wymaganiami dotyczącymi komfortu i konsumpcji. W ostatnich dwóch dekadach zużycie energii pierwotnej na świecie wzrosło o 49%, a emisji CO 2 do atmosfery o 43%. Wzrost tych dwóch parametrów jest już niezależny od wzrostu gospodarczego. Konsumpcja energii wzrosła o 1,1% w 2009 r., czyli w roku światowej recesji. Z powodu wzrostu technicznej jakości budynków oraz czasu w nich spędzanego, wzrost zużycia energii w sektorze mieszkaniowym i biurowym jest bardziej dynamiczny niż w przemyśle i transporcie. Zależność ta dotyczy krajów rozwiniętych, jak kraje Unii Europejskiej i USA, których zużycie energii to 20 40% całej podaży na świecie. Według IEA zapotrzebowanie na energię wzrośnie o 54% do 2025 roku. Energia jest niezbędnym czynnikiem rozwoju ekonomicznego, społecznego i kulturowego ludzkości. Struktura zużycia energii w Europie to 40% dla sektora budowlanego, 30% dla transportu, a 28% dla przemysłu. W krajach rozwiniętych za 50% zużycia energii w budownictwie odpowiedzialne są ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja. Jest to 20% całego zużycia energii. W budownictwie o słabych standardach izolacyjności (np. w Polsce) udział zużycia energii na cele HVAC może wzrosnąć do 70%. W systemach HVAC udział klimatyzacji rośnie bardzo dynamicznie. Prowadzone monitoringi rynkowe wskazują na roczny wzrost udziału w rynku systemów klimatyzacyjnych o 3,75%, a sprzedaży detalicznej o 3,0%. Wzrost udziału w rynku systemów chłodzenia pasywnego wynosi 2,5%, czyli jest mniejszy niż systemów sprężarkowych. Zmiany klimatyczne oraz rosnące standardy w budownictwie powodują, że w gorących okresach letnich wzrasta eksploatacja systemów klimatyzacyjnych. Są to systemy o dużym zużyciu energii elektrycznej, co powoduje drastyczne chwilowe wzrosty zapotrzebowania globalnego energii elektrycznej. W aspekcie globalnym są to problematyczne zagadnienia dla dostawców tej energii. Obecna polityka energetyczna oraz środowiskowa nakłada na kraje unijne obowiązek wprowadzania regulacji zmniejszających zużycie energii pierwotnej, a zwiększających udział energii odnawialnej. Malejące rezerwy źródeł kopalnych (węgiel, ropa, gaz) wskazują na potrzebę znalezienia alternatywnych rozwiązań. Zgodnie z wizją energetyczną na rok 2050 studiów BMU (niemieckie Federalne Ministerstwo Środowiska), zakłada się (scenariusz średni): zapotrzebowanie budynków na ciepło: 80% cena gazu ziemnego: +100% Wstęp 5
cena ropy: +70% zużycie energii końcowej budynków: 42% (średnio) zapotrzebowanie energii elektrycznej: 25% zużycie energii elektrycznej: 20%, z tego 60% ze źródeł odnawialnych udział budynków rewitalizowanych: wzrost z 1% na 2%. Wymagania energetyczne oraz jakościowe budynków będą się dynamicznie zmieniać, a bardzo uproszczona forma tych zmian pokazana została poniżej. Zapotrzebowanie na ciepło nowych budynków do 2012 r. 2012 r. 2020 r. 2050 r. średnie niskie bliskie zeru plus Zapotrzebowanie na ciepło istniejących budynków wysokie średnie niskie bliskie zeru Udział energii odnawialnej bliski zeru niski wysoki bardzo wysoki Energooszczędność ogrzewania (mierzona zapotrzebowaniem na energię pierwotną) niska średnia wysoka bardzo wysoka Energooszczędność wentylacji niska średnia wysoka Chłodzenie niskie średnie wysokie bardzo wysokie Zgodnie z wszelkimi oczekiwaniami chłodzenie budynków, czyli pełna klimatyzacja, będzie stawało się standardem. Przy rosnących wymaganiach energetycznych oraz oszczędnościowych niezbędne stanie się szukanie alternatywnych form chłodzenia. 6 Alternatywne systemy chłodzenia i klimatyzacji
2. Wprowadzenie i definicja problemu Zarówno zagadnienia komfortu wewnętrznego, jak i energooszczędności są w ostatnich latach jednymi z wiodących tematów w dziedzinie inżynierii środowiska wewnętrznego. Kreowanie komfortowego środowiska wewnętrznego realizowane jest przede wszystkim w okresie zimy, gdy trzeba pokryć straty ciepła pomieszczeń. Rosnące wymagania użytkowników oraz coraz powszechniej stosowane szkło w fasadach budynków powodują częstsze stosowanie systemów klimatyzacyjnych bilansujących zyski ciepła w okresie letnim. Coraz częściej spotyka się przypadki, w których konieczne są specjalne techniczne środki, aby latem utrzymać komfortowe warunki. Przyczyny takiego stanu są różne, m.in.: rosnące wymagania użytkowników, którzy oczekują klimatyzacji. Z tego powodu też klimatyzacja mobilna lub montowana w późniejszym czasie (np. rozwiązania sprężarkowe) jest coraz popularniejsza, a jej sprzedaż rośnie; rosną zyski wewnętrzne pomieszczeń i budynków. Związane jest to z rosnącą ilością urządzeń elektrycznych i elektronicznych; dobrze zaizolowany budynek chroni go przed stratami energii zimą, ale latem często powoduje przegrzewanie pomieszczeń. Zyski wewnętrzne przez zbyt szczelną fasadę nie wydostają się z budynku. Gdy dodatkowo w budynku fasada jest w dużej części oszklona, chwilowe wysokie zyski od nasłonecznienia znacznie pogarszają warunki komfortu w pomieszczeniach. Dla celów klimatyzacyjnych najczęściej stosowane są freonowe klimatyzatory typu split. Swoją popularność zawdzięczają stosunkowo szybkiemu montażowi. Stosowanie tych urządzeń wiąże się jednak z dwoma podstawowymi mankamentami: dużym zużyciem energii elektrycznej oraz użyciem szkodliwego dla środowiska czynnika chłodniczego. Komfortowe warunki klimatu wewnętrznego są jednym z głównych celów i zadań budynków. Przy tym chłodzenie jest tak samo ważne jak grzanie. Faktem jest, że człowiek sprawniej się chroni przed niskimi niż przed wysokimi temperaturami. Badania komfortu [20] pokazują dokładnie, że człowiek w letnim ubiorze w pozycji siedzącej w temperaturze 23 C osiąga swoją maksymalną produktywność. Wraz z dalszym wzrostem temperatury maleją zdolności zarówno organizmu, jak i umysłu. Zwyczajowo zyski ciepła kompensowane są konwencjonalnymi urządzeniami klimatyzacyjnymi. Coraz większą popularność zyskują w szczególności rozproszone jednostki sprężarkowe napędzane energią elektryczną. Konsekwencją tych rozwiązań jest duże zużycie energii pierwotnej, co skutkuje wysokimi kosztami eksploatacyjnymi. W budynkach biurowych koszty eksploatacyjne w okresach letnich przewyższają niejednokrotnie koszty eksploatacyjne w okresach zimowych. Alternatywną możliwością chłodzenia budynków są systemy pasywnego chłodzenia, które pozwalają za pomocą klasycznych rozwiązań instalacyjnych odprowadzać ciepło z budynku Wprowadzenie i defi nicja problemu 7