Koszty nawilżania i osuszania powietrza w systemach klimatyzacyjnych

Koszty nawilżania i osuszania powietrza w systemach klimatyzacyjnych Warunki klimatyczne Klimatyzacja budynków użytkowych i przemysłowych wiąże się na ogół z koniecznością dostarczania do nich powietrza zewnętrznego. Parametry powierza zewnętrznego są zmienne w ciągu roku, latem mamy do dyspozycji powietrze ciepłe o stosunkowo dużej zawartości wilgoci (wilgotności bezwzględnej), zimą powietrze zimne o małej zawartości wilgoci. Pomiędzy tymi okresami występują okresy, które można nazwać przejściowymi, o temperaturze i wilgotności bezwzględnej w zakresach pośrednich pomiędzy zimą a latem. Zmienność parametrów wilgotnościowych powietrza zewnętrznego omówiona zostanie na podstawie wyników pomiarów parametrów klimatu prowadzonych na terenie Politechniki Poznańskiej [1]. Jednak, nie popełniając dużego błędu, dane wilgotnościowe odnieść można do przeważającego obszaru Polski. Na rys. 1 i 2 przedstawiono przebieg zmian i częstotliwość występowania określonych przedziałów zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym w roku 1997 uznanym na podstawie analiz za rok reprezentatywny [2]. Na rysunkach tych dodatkowo zaznaczono obszary zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym odpowiadające zakresom uznanym za optymalne (cp,- = 40-5-60%) i dopuszczalne (cp,- = 30-5-75%) wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu z małą aktywnoś-cią fizyczną użytkowników (met < 1), dla okresów letniego (ti = 24 C) i zimowego (ti = 20 C). Zawartość wilgoci 8 g/kg przyjmowana jest często jako wartość graniczna do określania teoretycznej wartości gramo-godzin nawilżania i osuszania. Gramo-godziny nawilżania są iloczynem liczby godzin

nawilżania i różnicy pomiędzy zawartością pary wodnej w powietrzu w pomieszczeniu równą 8 g/kg a średnią zawartością pary wodnej w powietrzu zewnętrznym. Odpowiednio do tego zdefiniowane są gramogodziny osuszania. Dla analizowanego roku, ilość gramogo-dzin nawilżania wynosi 22 200 h/rok-g/ kg, natomiast gramogodzin osuszania 4160 h/rok g/kg - są to oczywiście wartości teoretyczne przy założeniu 24 godzinnego działania układu klimatyzacji, braku wewnętrznych zysków wilgoci i utrzymywaniu wilgotności wewnętrznej powietrza na poziomie odpowiadającym zawartości wilgoci 8 g/kg. W praktyce w układach klimatyzacyjnych budynków użytkowych dopuszczalne są znaczne odstępstwa od powyższych wartości teoretycznych. Górna granica zakresu optymalnego wilgotność względnej powietrza wewnętrznego to ok. 60%, dolna znajduje się na poziomie ok. 40%, wartości graniczne, których nie należy przekraczać to 75% i 30%. Dodatkowo w pomieszczeniach występują na ogół zyski pary wodnej, najczęściej od ludzi, które zimą poprawiają warunki wilgotnościowe w pomieszczeniach, natomiast latem wręcz odwrotnie. Przyjmując całoroczne zyski pary wodnej w pomieszczeniu na poziomie 1g/kg nawiewanego powietrza, 24 godzinną pracę układu klimatyzacji i utrzymywanie wilgotności względnej na poziomie optymalnym (40-5-60%), gramogodziny nawilżania dla analizowanego roku wynoszą 5450 h/rok -g/kg, gramogodziny osuszania 2800 h/rok-g/kg, natomiast dla 12 godzinnej dziennej pracy układu klimatyzacji odpowiednio: gramogodziny nawilżania 2785 h/rok-g/kg, gramogodziny osuszania 1210 h/rok-g/kg. Przyjmując powyższe założenia i utrzymywanie wilgotności względnej w zakresie dopuszczalnym (30-5-75%) oraz 12 godzin pracy systemu klimatyzacji w ciągu dnia, gramogodziny nawilżania wynoszą 920 h/rok g/kg, natomiast gramogodziny osuszania 240 h/rok-g/kg. Są to więc wartości znacznie mniejsze od teoretycznych. Praktycznie, z punktu widzenia utrzymania wilgotności względnej powietrza w zakresach optymalnych w przeciągu całego roku dużo większe znaczenie energetyczne ma nawilżanie powietrza niż jego osuszanie (rys. 2). Osuszanie powietrza najczęściej i tak występuje w układach klimatyzacyjnych ze względu na stosowanie chłodnic o temperaturze powierzchni poniżej punktu rosy powietrza nawiewanego. Koszty energetyczne nawilżania powietrza Proces nawilżania powietrza w klimatyzacji wiąże się ze zwiększeniem zawartości wilgoci w powietrzu dostarczanym do pomieszczenia, tak by osiągnąć wymagany poziom wilgotności względnej powietrza w warunkach termicznych panujących w pomieszczeniu. W przypadku osuszania proces jest odwrotny. W układach klimatyzacyjnych nawilżanie powietrza osiąga się poprzez wprowadzenie do jego strumienia wody lub pary wodnej, a także poprzez mieszanie z powietrzem wilgotnym.

Osuszanie natomiast, realizowane jest poprzez kontakt powietrza z powierzchnią (chłodnicą) o temperaturze niższej niż temperatura punktu rosy powietrza lub rzadziej poprzez kontakt ze złożem sorpcyjnym (higroskopijnym) regenerowanym na zimno lub gorąco. W praktyce jednak najczęściej nawilżanie powietrza w klimatyzacji komfortu odbywa się poprzez wtrysk pary lub rozpylanie wody w komorach zraszania. Ze względu na wady nawilżaczy wodnych (komór zraszania), do których zaliczyć można przede wszystkim: stosunkowo duże gabaryty, konieczność częstego czyszczenia i dezynfekcji wody obiegowej, groźbę rozwoju flory bakteryjnej i mikroorganizmów, problemy z porywanymi cząsteczkami rozpylanej wody, straty ciśnienia (ok. 100-5-200 Pa), znajdują one zastosowanie głównie w instalacjach przemysłowych. Zostały one wyparte przez nawilżacze parowe z własnymi wytwornicami pary. W niektórych sytuacjach, gdy w budynku istnieje instalacja parowa (kotłownia parowa), stosowana jest centralna dystrybucja pary do lanc umieszczonych w kanałach lub centralach klimatyzacyjnych. Jeżeli para wodna wprowadzana do powietrza jest parą suchą a nie przegrzaną, a tak jest w większości przypadków, to strumień ciepła wprowadzany do powietrza jest niewielki, a jego temperatura nieznacznie wzrasta (ok. 0,5-J-1,0 C). Z pewnym uproszczeniem można przyjąć, że proces nawilżania parą suchą przebiega wzdłuż izotermy termometru suchego (rys. 3). W przypadku nawilżania w komorze zraszania proces jest dużo bardziej skomplikowany, praktycznie jeżeli nie podgrzewamy wody obiegowej, temperatura wody uzupełniającej jest zbliżona do temperatury adiabatycznego nasycenia i nie ma dużych strat ciepła obiegu wodnego to proces nawilżania w komorze zraszania przebiega adiabatycznie (rys. 3). Wiążę się to z ochłodzeniem przepływającego powietrza i jeżeli chcemy w pełni kontrolować temperaturę nawiewanego powietrza to koniecznością jest jego ponowne ogrzanie na nagrzewnicy przed wprowadzeniem powietrza do pomieszczenia (rys. 3). Koszty energetyczne związane z procesem nawilżania powietrza w klimatyzacji zależą głównie od sposobu nawilżania (wodnego czy parowego), od zakresu utrzymywanej wilgotności względnej (zakres optymalny czy minimalny) oraz oczywiście od parametrów wilgotnościowych powietrza zewnętrznego (stopnio-godzin nawilżania). Ogólnie uważa się, że najtańszym energetycznie sposobem nawilżania powietrza stosowanym w klimatyzacji jest nawilżanie wodne w komorach zraszania lub komorach o powierzchniach zraszanych. Jest tak, ale pod warunkiem, że nie podgrzewamy powietrza po procesie nawilżania. Koszty z tym związane, to koszty przetłaczania i rozpylania wody (napęd pompy obiegowej), koszty związane ze zwiększeniem oporu przepływu powietrza przez centralę, koszty ponownego

podgrzewania ochłodzonego adiabatycznie powietrza oraz oczywiście koszty zużytej wody. Zużycie wody związane jest nie tylko z jej odparowaniem, ale również z koniecznością jej częstej wymiany ze względu na zwiększanie zasolenia i zabrudzenie szlamem powstałym z pyłu zawartego w przepływającym powietrzu. Praktycznie zużycie wody jest 3-4 razy większe niż wynika to tylko z odparowania [3]. Przybliżone koszty związane z procesem nawilżania w komorze zraszania możemy wyliczyć ze wzoru: Koszty tłoczenia wody zależą głównie od wymaganego ciśnienia wody przed dyszami (1,5-5-4,5 bara), wymaganego strumienia tłoczonej wody w stosunku do powietrza i oporów filtrów wody zasysanej. Stosunek rozpylanej wody wynosi od około 0,3 do 1,5 kg wody na 1 kg powietrza [3]. Zakładając 2000 godzin pracy pompy obiegowej w roku zużycie energii elektrycznej wyniesie od ok. 0,1 do 0,3 kwh/rok na kg/h przetłaczanego powietrza. Koszty tłoczenia powietrza związane są ze zwiększeniem oporów przepływu powietrza przez centralę. Spadek ciśnienia przy przepływie przez komorę zraszania i odkraplacz wynosi średnio 10O-5-2OO Pa, występuje jednak w ciągu całego roku. Dla 3600 godzin pracy układu w roku dodatkowe zużycie energii elektrycznej wyniesie więc od 0,11 do 0,22 kwh/rok na kg/h przetłaczanego powietrza Odparowanie rozpylonych kropel wody w przepływającym powietrzu wiąże się z pobieraniem ciepła i jego ochładzaniem. Zakładając, że ochłodzone powietrze doprowadzamy do temperatury przed komorą zraszania > koszty podgrzania powietrza można wyznaczyć z ilości ciepła potrzebnego do odparowania wody (ciepło parowania 2500 kj/kg) i gramogodzin nawilżania. Dla 2800 gra-mogodzin nawilżania zapotrzebowanie energii wyniesie 1,94 kwh/rok na kg/h przetłaczanego powietrza. Praktyczne zużycie wody jak już wcześniej wspomniano jest 3-4 razy większe od teoretycznego, zatem dla 2800 gramogodzin nawilżania zużycie wody wyniesie ok. 8-11 kg wody na rok na kg/h przetłaczanego powietrza. Przybliżone łączne koszty nawilżania 1 kg/h powietrza dla centrali klimatyzacyjnej z komorą zraszania przy założeniu 2800 gramogodzin nawilżania to ok. 2,1-2,5 kwh/rok plus koszt ok. 10 kg wody uzdatnionej. Przy obecnych cenach energii i wody uzdatnionej jest to ok. 0,7-0,8 zł/rok na kg/h przetłaczanego powietrza (rys. 4).

Przykładowo dla centrali klimatyzacyjnej o wydajności powietrza 10 000 kg/h jest to kwota rzędu 7000-8000 zł/rok, bez uwzględnienia kosztów dodatkowych związanych np. z konserwacją, amortyzacją itp. Jeżeli po procesie nawilżania nie ma potrzeby podgrzewania powietrza to roczny koszt nawilżania wodnego wyniósłby tylko 0,15-0,25 zł na kg/h przetłaczanego powietrza -byłby więc stosunkowo niewielki. Dla nawilżania poprzez wtrysk pary wodnej oszacowanie kosztów nawilżania jest znacznie prostsze, bowiem najważniejszymi kosztami są koszty wytworzenia pary wodnej oraz koszty wody odparowującej i wody służącej do płukania i usuwania osadów. Koszt wytworzenia pary wodnej zależny jest głównie od sprawności urządzenia w którym się to odbywa. Obecnie najczęściej wykorzystuje się do tego celu elektryczne wytwornice pary wodnej połączone przewodem parowym z lancą lub kilkoma lancami wtryskującymi parę, umieszczonymi w centrali klimatyzacyjnej lub kanale za centralą. W takim przypadku, ilość energii potrzebnej do

wytworzenia 1 kg pary suchej jest to ilość ciepła potrzebna do podgrzania wody do stanu wrzenia, odparowania wody, do pokrycia ew. strat ciepła do otoczenia oraz strat związanych ze skraplaniem pary przed wprowadzeniem do powietrza. Zakładając początkową temperaturę wody 20 C, ciepło parowania 2500 kj/kg, 2800 gramogodzin nawilżania i sprawność wytwornicy wraz z systemem dystrybucji pary na poziomie 80% na każdy kg/h powietrza zapotrzebowanie energii elektrycznej wyniesie ok. 2,75 kwh/kg rok. Jest zatem ok. 10-5-20% większe od nawilżaczy wodnych. Zużycie wody w nawilżaczach parowych jest mniejsze niż w nawilżaczach wodnych, jednak ze względu na konieczność usuwania pozostałości mineralnych po odparowaniu również większe od teoretycznego od 1,5 do 2 razy. Dodatkowo, zwłaszcza przy stosowaniu wody nie-uzdatnionej, uszkodzeniu lub szybkiemu zużyciu ulegają elementy wytwornicy (zbiorniki, grzałki itp.). Sumaryczne koszt nawilżania parowego wg powyższych założeń wynosi ok. 0,9-5-1,0 zł/rok na kg/h przetłaczanego powietrza (rys. 5). Powyższe analizy opierały się na założeniu utrzymywania w pomieszczeniu dolnej granicy wartości optymalnych wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu (40%) i prawidłowej pracy całego układu klimatyzacyjnego, a zwłaszcza układu automatycznego sterowania i regulacji. W praktyce powyższe koszty mogą znacznie wzrosnąć np. z powodu zarośnięcia" i zwiększenia oporów przepływu przez elementy za komorą zraszania, zmniejszenia sprawności komory z powodu zapchania dysz rozpylających, rozregulowania układu automatyki itp. Dlatego zwłaszcza w przypadku nawilżaczy wodnych wymagana jest wysoka kultura obsługi i eksploatacji urządzenia. Koszty energetyczne osuszania powietrza W naszej strefie klimatycznej proces osuszania powietrza przed wprowadzeniem go do pomieszczeń stosowany jest rzadko, głównie w dwóch przypadkach. Pierwszy występuje wtedy, gdy mamy do czynienia z wysokimi wymogami co do stabilizacji poziomu wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniach, np. ze względów technologicznych czy zdrowotnych, drugi natomiast, kiedy w celu klimatyzacji pomieszczeń stosowane są systemy w których nie możemy dopuszczać do wykraplania się wilgoci na powierzchniach wymiany ciepła czy rur zasilających (sufity i posadzki chłodzące, belki chłodzące itp.) W pozostałych przypadkach klimatyzacji pomieszczeń proces osuszania jest najczęściej procesem samoistnym, niekontrolowanym, spowodowanym niską temperaturą powierzchni chłodnic przeponowych w urządzeniach klimatyzacyjnych (centralach klimatyzacyjnych, klimakonwektorach, klimatyzatorach). W tych przypadkach warunkiem wystąpienia osuszania jest to aby temperatura powierzchni chłodnicy była niższa od temperatury punktu rosy powietrza. Istnieją dwa podstawowe sposoby osuszania powietrza. Pierwszy to ochładzanie powietrza za pomocą wymiennika ciepła o temperaturze niższej od temperatury punktu rosy powietrza (chłodzenie z wykraplaniem), drugi to absorpcja lub adsorpcja wody przez materiały absorbujące parę wodną. Osuszacze sorpcyjne wypełnione są materiałem silnie higrosko-pijnym, najczęściej żelem krzemionkowym (silikażelem), który po osiągnięciu stanu nasycenia musi zostać regenerowany -najczęściej przez podgrzanie do temperatury 150-5-200 C gorącym powietrzem, lub na zimno przez powietrze już osuszone. Stąd konstrukcja tego typu urządzeń to dwa złoża działające naprzemiennie lub złoża obrotowe, gdzie część złoża osusza powietrze, podczas gdy druga część jest regenerowana. Przykład osuszacza sorpcyjnego obrotowego pokazano na rys. 6.

Najczęstszym sposobem osuszania powietrza w klimatyzacji jest osuszanie przez ochłodzenie i ko densację (rys. 7). Przepływające przez chłodnicę powietrze styka się z jej zimną powierzchnią, para wodna zawarta w powietrzu skrapla się, a powietrze zostaje osuszone - ale również ochłodzone. Chłodnice powietrza w praktyce zasilane są w dwojaki sposób: bezpośrednio z układu chłodniczego sprężarkowego (chłodnice freonowe), chłodnica spełnia wówczas rolę parownika i pośrednio, poprzez czynnik pośredniczący w wymianie ciepła pomiędzy źródłem chłodu a przepływającym powietrzem (chłodnice wodne). Czynnikiem pośredniczącym w klimatyzacji jest najczęściej woda lub w układach całorocznych mieszanka wody z czynnikiem przeciwzamrożeniowym (np. glikolem etylenowym). Źródłem chłodu są natomiast sprężarkowe wytwornice wody lodowej, tzw. water chillery lub wytwornice absorpcyjne. Lepsze efekty osuszania można osiągnąć przy stosowaniu chłodnic freonowych ze względu na możliwą do osiągnięcia niższą średniątemperaturę powierzchni chłodnicy (ATP) - w praktyce niewiele powyżej temperatury parowania freonu. W praktyce urządzeń klimatyzacyjnych, jak już wspomniano, najczęściej używany jest sposób kondensacyjny. Biorąc pod uwagę, że osuszanie najczęściej występuje w urządzeniach klimatyzacyjnych w sposób niekontrolowany (wynikowy) nie zawsze jest efektem pożądanym, a do tego jeszcze kosztownym. W niektórych przypadkach, zwłaszcza przy chłodnicach freonowych i małych zyskach wilgoci, następuje nadmierne przesuszanie powietrza w pomieszczeniach, następstwem czego jest opinia, że klimatyzacja wysusza powietrze. Przy wysokim poziomie osuszania

powietrza, co wiąże się z jego znacznym ochłodzeniem, najczęściej wymagane jest jego podgrzanie na nagrzewnicy wtórnej przed wprowadzeniem do pomieszczenia. Zbyt zimne powietrze może powodować dyskomfort termiczny dla użytkowników lub, jeżeli temperatura punktu rosy dla powietrza w pomieszczeniu jest wysoka, wykraplanie się wilgoci na elementach nawiewu powietrza. Koszty energetyczne związane z procesem osuszania powietrza w klimatyza cji, podobnie jak przy nawilżaniu, zależą głównie od sposobu osuszania (kondensacyjny czy sorpcyjny), od zakresu utrzymywanej wilgotności względnej (optymalnej czy dopuszczalnej), od parametrów wilgotnościowych powietrza zewnętrznego (stopniogodzin nawilżania) oraz od tego, czy po procesie osuszania powietrze musi zostać ponownie podgrzane przed wprowadzeniem do pomieszczenia. Dla kondensacyjnego sposobu osuszania powietrza przybliżone koszty osuszania K o możemy wyliczyć sumując następujące składniki: Koszty energetyczne wytworzenia energii chłodniczej na potrzeby osuszania można obliczyć określając ilość ciepła odbieranego od osuszanego powietrza i sprawność energetyczną wytwarzania chłodu. Teoretycznie jest to ilość stopniodni osuszania pomnożona przez ciepło skraplania pary wodnej (ciepło parowania wody 2500 kj/kg, co daje 0,7 kwh/kg wody). Dla warunków klimatycznych analizowanych wcześniej gramogodziny osuszania wynosiły 1210 h/rok-g/kg - dla utrzymania optymalnego górnego poziomu wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu (60%), przy 12 godzinach dziennej pracy układu klimatyzacji i wewnętrznych zyskach wilgoci na poziomie 1 g/kg nawiewanego powietrza. Dla sprężarkowych urządzeń chłodniczych praktyczny współczynnik sprawności wytwarzania chłodu wynosi od 2,5 do 4,0, zatem koszt wytworzenia 1 kwh chłodu to koszt 0,25 do 0,4 kwh energii elektrycznej. Wg powyższych założeń, przy obecnych cenach energii elektrycznej roczny koszt wytworzenia chłodu na potrzeby osuszania to ok. 0,08-0,10 zł na kg/h nawiewanego powietrza. Proces kondensacyjnego osuszania powietrza wiąże się ze spadkiem jego temperatury, a wielkość zmian temperatury przy jednostkowej zmianie zawartości wilgoci praktycznie zależy od parametrów początkowych powietrza i temperatury powierzchni chłodnicy. Praktycznym problemem jest również przyjęcie konkretnej wartości stopniodni osuszania, bowiem najczęściej przy chłodzeniu w klimatyzacji osuszanie i tak występuje ze względu na parametry pracy chłodnicy. Należy mieć na uwadze, że niepotrzebne osuszanie powietrza jest stratą energii, która płynie do kanalizacji. Praktycznie, osuszanie kondensacyjne wiąże się z koniecznością przechłodzenia powietrza, a w naszych warunkach klimatycznych ilość energii chłodniczej potrzebnej do osuszania wzrasta w związku z tym do ok. 1,5-2,8 kwh/ kg odprowadzanej wody. Roczne koszty wytworzenia chłodu na potrzeby osuszania wzrastają więc do ok. 0,17-0,32 zł na kg/h przepływającego powietrza.

Koszty tłoczenia powietrza związane są ze zwiększeniem oporów przepływu powietrza przez centralę. Ze względu na niewielką wymaganą wydajność nagrzewnic II stopnia, najczęściej stosuje się nagrzewnice elektryczne lub wodne o minimalnej liczbie rzędów, ich opory przepływu powietrza są stosunkowo niewielkie (30-70 Pa). Chłodnice powietrza, zwłaszcza wodne, służące do osuszania powietrza mają stosunkowo dużą ilość rzędów, mokre powierzchnie i konieczność stosowania odkra-placza, a co za tym idzie również duże opory przepływu powietrza (200-400 Pa). W sumie dla 3600 godzin pracy układu w roku dodatkowe zużycie energii elektrycznej do napędu wentylatora wyniesie od 0,25 do 0,5 kwh/rok na kg/h przetłaczanego powietrza, a roczne koszty 0,08-0,16 zł na kg/h przetłaczanego powietrza. Roczne koszty podgrzewu powietrza w nagrzewnicy II stopnia są stosunkowo trudne do precyzyjnego obliczenia, czy oszacowania, ze względu na różne wymagane minimalne temperatury nawiewu w systemach klimatyzacyjnych i zmienne parametry powietrza przed nagrzewnicą II stopnia. Praktycznie, obliczeniową minimalną temperaturą powietrza nawiewanego w klimatyzacji jest 16 C, która dla większości przypadków jest temperaturą powyżej temperatury punktu rosy dla powietrza w pomieszczeniach. Zakładając, że powietrze po osuszeniu na chłodnicy należy podgrzać o 3-5 C, przy 800 godzinach osuszania w roku i elektrycznej nagrzewnicy II stopnia roczny koszt ogrzewania powietrza to ok. 0,2-0,3 zł na kg/h przetłaczanego powietrza. Łączne roczne koszty osuszania powietrza dla warunków przyjętych powyżej to poziom 0,45-0,78 zł na kg/h przetłaczanego powietrza. Przykładowo, dla centrali klimatyzacyjnej o wydajności powietrza 10 000 kg/h jest to kwota rzędu 4500-7800 zł/rok, bez uwzględnienia kosztów dodatkowych związanych np. z konserwacją urządzeń chłodniczych, amortyzacją itp. LITERATURA [1] BASIŃSKA M.: Niepublikowane dane pomiaru klimatu zewnętrznego na terenie domku doświadczalnego IIŚ PP, 1997. [2] BASIŃSKA M.: Rozprawa doktorska Stopniodni w ujęciu dynamicznym" - IIŚ PP, 1999. [3] RECKNAGEL, SPRENGER, HÖNMAN, SCHRAMEK: Ogrzewanie i klimatyzacja - poradnik. [4] Strona internetowa firmy Swegon. Dr inż. Andrzej ODYJAS Instytut Inżynierii Środowiska, Politechnika Poznańska

KONTAKT Chłodnictwo & Klimatyzacja Tel: +48 22 678 84 94 Fax: +48 22 678 84 94 Adres: al. Komisji Edukacji Narodowej 95 02-777 Warszawa