Alternatív hűtési módok, free-cooling György Péter
2012. április 30.
Bevezetés Az emberek komfort igénye napjainkban egyre nagyobb lesz. Évszaktól függetlenül szeretnénk mindig 20-22 °C -os helyiségekben tartózkodni. Ennek egyik főbb oka az, hogy az emberek egyre több szellemi és fizikai munkát végeznek valamint egy felgyorsult életmódot élünk. Ezáltal az ideális levegőminőség elengedhetetlen a magas szintű szellemi teljesítményhez továbbá a megfelelő pihenéshez is. A 21. században egyre nagyobb hangsúlyt kap az, hogy a lehető legtöbb technológia karbon mentes legyen. Ez nem csak az iparra, közlekedésre vonatkozik, hanem a komfortos környezet megteremtésére is. A mostanság is használatban levő kompresszoros klímaberendezések energia igénye igen magas. Helyettük alternatív hűtési módokra van szükség, melyek környezetbarát módon tudják biztosítani az emberek számára a megfelelő hőmérsékletű levegőt. Ezekkel az új technológiákkal csökkenthetnék a káros anyag kibocsátást és energiát is megspórolhatnánk. Ez azonban egyre nehezebb feladat, mivel a statisztikai adatok azt mutatják, hogy a nyári átlaghőmérséklet egyre magasabb lesz. Az alternatív hűtési módok lehetőségei a következők: a föld állandó hőmérsékletétének kihasználása, a napi hőingás hasznosítása, elpárologtató rendszerek. Ezek közül részletesebben a napi hőingást kihasználó és úgy nevezett PCM-eket(Phase Change Materials-fázis váltó anyagok) hasznosító berendezéseket szeretném bemutatni.
Alternatív hűtési módok[1] [3] [6] Még mielőtt egy helyiség hűtéséről kezdünk beszélni fontos megemlíteni magát az épület kialakítását. A megfelelő komfort biztosításának alapvető lépése, az hogy nem engedjük, hogy a hő bejusson az épületbe. Egy ház építésekor figyelni kell a megfelelő tájolásra és a zöld környezet biztosítására. Az emeletes családi házaknál a legnagyobb gondot a tetőterek hűtése jelenti a legnagyobb feladatot. Ha földszinteset építünk ez a probléma könnyel elkerülhető. Nyáron árnyékot adó fákkal ültetjük körbe 1. ábra – Passzív ház [6] az épületet akkor azok a növények egy kellemes mikroklímát biztosítanak a lakók számára. Azonban ha egy régi építésű házról van szó, a legfontosabb lépés az épület megfelelő szigetelése. Ebbe beletartozik a falak hőszigetelése és a nyílászárók cseréje. A legegyszerűbb alternatív hűtési mód, mely a napi hőingást használja ki, az éjszakai szellőztetés. Ehhez nincs szükség különösebb berendezésre, csupán a szellőztetés jó időzítésére. Erre a legmegfelelőbb időintervallum este 10 és reggel 7 óra közt van. A többi időben az ablakokat be kell csukni, és redőnyökkel, zsalugáterrel árnyékolni. Az éjszakai szellőztetés egy továbbfejlesztett módja a ventilátoros szellőztetés. Jobb 2
hatásfokot érhetünk el ezáltal, mivel több levegő jut be az épületbe és jobban le tudjuk hűteni a helyiséget. Ennek két módja van: központi vagy lokális ventilátorrendszer. Ha az épület rendelkezik mesterséges szellőztető berendezéssel, akkor az éjszakai üzemmódban a kinti levegőt könnyen be tudjuk juttatni a lakóterekbe. Amennyiben erre nincs lehetőség akkor szobánként kell telepíteni egy-egy ventilátort. Levegőt áramoltatunk át nagy vízfelület felett, akkor a levegő nedvességtartalma megnövekszik, a párolgás miatt a folyadék lehűl. Állandósult állapotban a folyadék egy olyan hőmérsékletre hűl, hogy a vele érintkező levegőáramot lehűtve ugyan erre a hőmérsékletre, éppen annyi hőt vesz fel a levegőáramból amennyi az elpárolgást fedezi. Ezáltal a kilépő levegő hőmérséklete alacsonyabb lesz, míg nedvességtartalma magasabb. Ezt a kilép levegőt juttathatjuk a helyiségekbe. [3] Földcsöves megoldás: Ennél a technológiánál azt használjuk ki, hogy talaj hőmérséklete 1,5-2 méteres mélységben állandó, mely hűtésre alkalmas. Ez úgy történik, hogy jó hővezetési tényezőjű csöveket fektetnek le földbe melyen keresztül levegőt áramoltatnak és ezt juttatják be a helyiségekbe. Ezáltal biztosítható a friss és kellemes hőmérsékletű levegő egész nap. Ez a technológia alkalmazható télen is, mivel a földbe fektetett csőrendszer télen előmelegíti a kinti levegőt, így azt kevesebb energia befektetésével kell tovább melegíteni. Amennyiben az épület rendelkezik kúttal, akkor a benne található talajvíz 10-15°C hőmérséklete felhasználható hűtési célokra. Ez úgy történik, hogy egy csőkígyót engednek le a kútba, melyen keresztül hőszállító közeget áramoltatunk, és ezt a közeget az épület fűtésrendszeren keresztül juttatjuk be a házba. Legjobb hatásfok akkor érhető el, ha a lakásban nagy hőleadó felülettel rendelkező fűtésrendszer került kialakításra (padló- vagy falfűtés). Free cooling, PHC anyagok felhasználásával.
Free cooling [4] A ventilátoros rendszerek hűtési potenciálja tovább növelhető PCM-ek, fázis váltó anyagok beépítésével. Ez a techológia szintén a napi hőingást hasznosítja. A PCM olyan anyag aminek legfontosabb tulajdonsága, hogy az olvadáspontja 20-25°C környékén van. Tovább nagy az olvadáshője, jó a hővezetési tényezője, kicsi térfogati hőtágulási együtthatója, nem mérgező és korrózió mentes. Ilyen anyagok a sóhidrátok (MnH2O) és a paraffinok (CnH2n+2).
Működés A rendszer éjszakai üzemmódban (bal oldali ábra) a kinti levegőt átáramoltatja a PCMeken keresztül, melyek hideg hatására megszilárdulnak. Nappal (jobb oldali ábra) a meleg (25-30 °C) levegőt átáramoltatják a berendezésen keresztül. Hő hatására a PCMek megolvadnak, az olvadáshoz szükséges hőt a meleg levegőből vonják el. Ezáltal a távozó levegő hőmérséklete alacsonyabb lesz, mint a belépőé. Lehetőség van arra, hogy a kinti és benti levegőt összekeverve juttatjuk át a szerkezeten vagy tisztán külső levegőt szívunk be. Az elsőt akkor alkalmazzuk, ha hűtendő helyiség hőmérséklete megközelíti a 3
30 °C-ot. Ezáltal lassabban olvadnak meg az anyagok. Miután a környezeti hőmérséklet a PCM-ek olvadáspontja alá csökken, ismét "töltési üzemmódra" kapcsoljuk a gépet.
2. ábra – PCM működése [2]
Kialakítási módok A rendszer kialakítására több lehetőségünk is van, akár csak a ventilátor rendszereknél, a beépítéstől függően. Az egyik, hogy a ház pincéjében helyezzük el a PCM-eket tartalmazó központi hűtőberendezést. Ebben az esetben szükséges, hogy a hűtendő helyiségeket csővezetékkel kössük össze a géppel. Ez a megoldás gazdaságosabb, mivel csak egy hőcserélőre van szükség és a központi szellőzés is biztosított. További előnye, a halkabb működés, mivel a keringtető ventilátor a szobáktól távol helyezkedik el. Az elrendezés a 3. ábra bal oldalán látható. A másik, hogy minden helyiségben külön elhelyezük egy parapet készüléket. Ez az utólagos beszerelésnél alkalmazható, valamint ha csak egy szoba hűtését szeretnénk ily módon megoldani. Ebben az esetben a homlokzaton egy nyílást kell készítenünk a beszívott és a kifújt levegő számára. (3. ábra jobb oldali kép) A kialaktásnál szintén fontos szempont a PCM-ek megfelelő geomentriájának kiválasztása. Lehetséges lapokból vagy granulátumokból álló hőcserélőt kialakítani.
3. ábra – PCM-ek elhelyezései lehetőségi az épületen belül [1], [5]
4
Konstrukciós problémák A free-cooling technológiánál kimondottan ügyelni kell a rendszer pontos működésére. Mind a hűtés mind pedig a töltés állapotban fontos a megfelelő légtömegáram biztosítása. A megszilárdulás sebességét nem befolyásolja a beszívott levegő sebessége, ezért ebben az üzemmódban a ventilátorokat a lehető legkisebb sebességgel kell üzemeltetni, energiatakarékossági célokból. A hűtési fázisban a túl gyors légcsere felgyorsítja az olvadást ezért ügyelni kell itt is a megfelelő tömegáram biztosítására (10 m3/h). Az olvadás sebességét befolyásolhatjuk azzal is hogy mennyi szekunder levegőt keverünk a hűteni kívánt levegőhöz. Ha túl nagy a hőmérséklet különbség, akkor érdemes nem tisztán kinti friss levegőt bejuttatni, hanem keverten a belsővel, vagy csak tisztán belső levegőt. A legutóbbit akkor alkalmazzák, ha nem tartózkodik senki az adott helyiségben, csupán a megfelelő hőmérséklet biztosítása a cél. Ha egy berendezéssel szeretnénk biztosítani minden évszakban a komfortos környezetet, akkor ennek megfelelően kell megválasztanunk a PCM-eket. Ennek Módja, hogy több fajta PCM-et építünk be a készülékbe, különböző olvadási hőmérséklettel. A megfelelő geometria kiválasztása szintén kardinális kérdés. Legideálisabbnak a vékony lapok bizonyultak. Ezzel a kialakítással érhető el az adott érfogathoz tartozó legnagyobb felszín, valamint a leggyorsabb megszilárdulási idő. További előnyei az adott konsturkciónak, hogy a megszilárdulás a lapokon egyenletesen történik valamint, hogy szabályozható a lapok távolsága.
Szimulációs kísérlet[2] A Ljubjanai Egyetem kutatói végeztek egy numerikus szimulációs kísérletet a PCM-eket használó berendezésekkel. Azt szimulálták, hogy 4 különböző európai nagyvárosban ilyen készülékeket használtak helyiség segédhűtésére. A beolvasott adatok külső hőmérsékletek voltak, ami a hűtő berendezés belépő oldali hőmérséklete, a kiszámított adatok pedig a kilépő oldali hőmérsékletek. Több kalkulációt is végeztek ezekkel az adatokkal. Változtatták a beszívott levegő tömegáramát (10 és 40 m3/h), valamint PCMek látens hőjét (100 kJ/kg és 200 kJ/kg). A PCM-ek geometriai adatai minden esetben adottak voltak. Az eredmények összehasonlítása céljából végeztek egy hatásfok számítást az alapján, hogy a hűtésre fordított energia hány százalékát tudták fedezni alternatív hűtési móddal.
E0
E PCM E0
ahol E0 csak hagyományos hűtési mód használata esetén szükséges energia, E PCM pedig alternatív és hagyomás hűtési mód együttes használata esetén szükséges energia. A kísérlet eredményei az 1. táblázatban láthatóak. A mért adatokból látszi, hogy a nagy tömegáram rossz hatással van a berendezés hatására, továbbá hogy a magasabb látens hőjű anyagok használata a javasolt. A római adatok igen elszomorítóak. Ennek oka, hogy az éjszakai hőmérséklet a nyári napokban ritkán csökken 20 °C alá, így a PCM-ek használata értelmetlen. A londoni adatok azért ilyen kiugróan jók, mert ott ritkán volt szükség hűtésre a kontinentális éghajlat miatt. 5
Stockholban és Londoban üzemeltetett PCM-es hűtőberendezések körülbelül 50%-os energiamegtakarítást eredményeztek.
Látens hő [kJ/kg]/levegő tömegáram [m3/h] Hűtésre fordított energia [kWh] Megtakarított energia [kWh] Hatásfok [%]
100/10 12,9 8,5 66
Látens hő [kJ/kg]/levegő tömegáram [m3/h] Hűtésre fordított energia [kWh] Megtakarított energia [kWh] Hatásfok [%]
100/10 35,9 7,8 22
Látens hő [kJ/kg]/levegő tömegáram [m3/h] Hűtésre fordított energia [kWh] Megtakarított energia [kWh] Hatásfok [%]
100/10 1,5 1,3 87
Látens hő [kJ/kg]/levegő tömegáram [m3/h] Hűtésre fordított energia [kWh] Megtakarított energia [kWh]
100/10 5,3 3,7
Ljubjana 100/40 51,9 14,2 27 Róma 100/40 143,7 14 10 London 100/40 5,9 2,6 44 Stockholm 100/40 21,3 6,4
70
30
Hatásfok [%]
200/10 12,9 10,1 78
200/40 51,9 26,3 51
200/10 35,9 9,2 26
200/40 143,7 123,6 14
200/10 1,5 1,5 100
200/40 5,9 3,7 63
200/10 5,3 4,2
200/40 21,3 9,4
79
44
1. táblázat – szimulációs kísérlet eredményei [2]
Konklúzió Az említett alternatív hűtési módokat nagyon kreatívnak és hasznosnak találtam. Némelyik igen egyszerű és alacsony beruházási költségű. A ventilátoros, párologtatós és PCM-es technológiák mind alternatív hűtési módként használhatóak, míg a földcsöves berendezés akár önállóan is megbirkózik egy lakás levegőjének klimatizálásával. A PCM-es technológiáról azért beszéltem részletsebben, mert az nagyon egyedi megoldásnak találtam. Ez a berendezés tovább fejleszthető ha sikerül olyan agyagot kifejleszteni, aminek még nagyobb a látens hője. Mint említettem a berendezés lényege, a nagy napi hőingás. Ilyen éghajlattal a sivatagos területeken és kontinensek belső részein találkozhatunk. A partvidéki területek nem a alkalmasak PCM-es készülékek használatára, hiszen az óceán hűtő-fűtő hatása biztosítja a kellemes éghajlatot. Magyarországon alternatív hűtésként jól alkalmazható a kora nyári hónapokban, de a legnagyobb kánikulák esten szükséges lehet egy hagyományos, kompresszoros légkondícionálló berendezés.
6
Források [1] V. ANTONY AROUL RAJ, R. VELRAJ: Review on free cooling of buildings using phase change material, (2010) http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S136403211000184X [2] UROŠ STRITIH, DOMEN RESNIK, VINCENC BUTALA: Energy conservation opportunities of PCM free cooling system (2010) [3] DR. BIHARI PÉTER: Műszaki Termodinamika (2001) [4] http://en.wikipedia.org/wiki/Phase-change_material [5] http://www.trox.hu/hu/products/air_water_systems/facade_ventilation_units/u nder_sill_units/fsl-b-pcm/index.html [6] http://www.passivehouse.us/passiveHouse/PassiveHouseInfo.html
7
