Épületek hűtéstechnikája Komfort hűtések egyes műszaki, tervezési kérdései I. Klímaberendezések, folyadékhűtők „hűtéstechnikai” jellemzői Tóth Tamás gépészmérnök műszaki tanácsadó
Komfort hűtések egyes műszaki, tervezési kérdései I.
Kompresszoros hűtőkörök: I/1.Hűtőkörfolyamatok klímaberendezésekben
Alapfogalmak
Hűtőközegek T-s diagrammja Fizikai mennyiségek: •hőmérséklet - T [ºC] •entrópia - s [kJ/kgK] •folyadék-tartalom - x [kg/kg] •nyomás - p [bar] •fajtérfogat - V[m3/kg] Folyadék Nedves gőz
Túlhevített gőz
•entalpia - h [kJ/kg] A hőmennyiségeket és a technikai munkát területek jelenítik meg.
Alapfogalmak
Hűtőközegek log p/h diagrammja Fizikai mennyiségek: •hőmérséklet - T[ºC] •entrópia - s [kJ/kgK] •folyadék-tartalom - x [kg/kg]
Folyadék
•nyomás - p [bar] Nedves gőz
Túlhevített gőz
•fajtérfogat - V [m3/kg] •entalpia - h [kJ/kg] A hőmennyiségek és a technikai munka (az entalpia-különbségek) egyenes szakaszokkal ábrázolhatók.
Alapfogalmak
A hűtőkör-folyamat jellegzetes pontjai, és a hűtőközegekkel szemben támasztott főbb követelmények •Nagy párolgáshő az alacsony tömeg-
Folyadék
áram érdekében •Kis fajtérfogat gőz állapotban, a kis
pelp
kondenzáció
túlhevítés
gépméretek miatt •Minél kisebb kondenzációs nyomás a
expanzió
pkond
túlhűtés
A kompresszor által előállított nyomáskülönbség [bar]
elpárolgás A hűtéssel elvont fajlagos hőmennyiség: Δh [kJ/kg]
szilárdság miatt •A kritikus hőmérséklet és a dermedéspont essen távol a körfolyamattól •Az olajat kevéssé oldja
•Vegyileg stabil legyen Túlhevített gőz
•A szerkezeti anyagokat ne támadja meg •Ne legyen tűzveszélyes, mérgező
I/2.Tipikus hűtőkörök
A hűtőberendezés és a hőszivattyú egyszerűsített működési elve: U.a. történik mint a bicikli pumpában amikor az alacsony hőmérsékletű és nyomású levegőből magas hőmérsékletű és nyomású levegő lesz.
Elpárolgás: -5°C, 6,8 bar
U.a. történik mint amikor kijövünk a Balatonból és akár 35°C-os az a szél ami ránk fúj, még is fázunk, mivel a börfelületünkön lévő víz intenzíven párolog.
Expanzió: 34,3→ 6,8 bar.
Kompresszió: 55°C, 34,3 bar U.a. történik mint amikor a 40°C-os gőzfürdőben valaki gyorsan megy és úgy érzi mintha leforráznák, mivel a 40°C-os telített gőz intenzíven kondenzál a kb. 32°C-os bőrfelületen.
Kondenzáció: 55°C, 34,3 bar U.a. történik mint a PB gázpalack nyomáscsökkentőjében ahol a magasnyomású folyadék halmazállapotú PB.-ból, alacsony nyomású gáz lesz.
Hűtőköri méretezések
Szabadon letölthető hűtőköri méretező program: http://www.solvaychemicals.com/EN/products/Fluor/Software.aspx
Tipikus hűtőkörök
Egyfokozatú hűtőkörfolyamat Folyadék wkomp=461,91-415,01=46,9kJ/kg 4’ expanzió
pkond
túlhűtés
pelp
5
kondenzáció
túlhevítés
3
JÓSÁGFOKhűtés= qhűt/wkomp
2
qhűt+wkomp=qkond
4 A kompresszor által előállított nyomáskülönbség [bar]
elpárolgás
6-1 6”
A hűtéssel elvont fajlagos hőmennyiség: qhűt=Δh [kJ/kg] Kompressziós munka - w [kJ/kg]
Túlhevített gőz
JÓSÁGFOKfűtés= qhősziv/wkomp (Q = q x m)
Tipikus hőszivattyús hűtőkörök
Kétfokozatú hűtőkör folyamat, folyadék befecskendezéssel wkomp1=433,3-415,01=18,29kJ/kg wkomp2=438,11-416,32=21,79kJ/kg w=wkomp1+wkomp2=40,08kJ/kg
6’
6
5’ 4 2-3 szakasz: Izobár hűtés
7
3
8
9’
2
9-1
A hűtéssel elvont fajlagos Kompressziós hőmennyiség: qhűt=Δh [kJ/kg] munka 1 és 2, w [kJ/kg]
A kompresszor által előállított nyomáskülönbség [bar]
(az egyfok.-nál wkomp=46.9 kJ/kg) ~15% kisebb kompresszor munka, és itt 22ºC-al alacsonyabb túlhevítési hőmérséklet! Ezáltal a hűtőközeg hűtéstechnikai határa jobban megközelíthető, Tkond magasabb lehet. A túlhűtés a COP és a hűtési jóságfok ε= qhűt/wkomp nő.
Folyadék befecskendezéses technológia A kompresszió közbeni folyadék befecskendezéssel nagy nyomást érhetünk el anélkül, hogy emelkedne a nyomó oldali hőmérséklet.
Hőleadó
Beltéri egység Water heat exchanger
②
Folyadék befecskendezés
Kültéri egység
Magas kondenzációs hőmérsékletet eredményez Bypass kör
② ①
Folyadék befecskendezés
Elpárologtató
Hűtőkör
Hagyományos hűtőkör
① Folyadék befecskendezés
Nyomás-entalpia diagram
11
Folyadék befecskendezéses technológia
EER a hőfelvevő közeg hőmérséklete, a klímaberendezések hőmérséklete, illetve a hővisszanyerés tekintetében
Összegzés:
1. Minden egyes ºC elpárolgási hőfok emeléssel körülbelül 2-3 %, és 2. minden egyes ºC kondenzációs hőfok csökkentéssel körülbelül 3-4 % energia-
megtakarítás érhető el.
I/2.Kompresszorok
Kompresszorok
Dugattyús kompresszorok Szabályozás • Fordulatszám szabályozás: egyszerű, de hajtógép függő, a ford. szám nem csökkenthető sokkal
•
Állandó fordulatszám melletti szabályozások: – ki-be kapcsolás (nagy gyűjtőtartály) – lökettérfogat szabályozásával (bolygótárcsás komp.-nál) – szívószelep kitámasztása – szívóvezeték fojtása – szívóvezeték lezárása (teljes fojtás) – by-pass – pót káros-tér beiktatása
Kompresszorok
Kompresszorok hatásfoka
Dugattyús kompresszorok λ, ηi jelleggörbe-tartománya
Kompresszorok
Scroll kompresszorok Jellemzők: - magas hatásfok - egyszerű felépítés, kevés alkatrész - egyenletes (nem lüktető) gázszállítás - nincs káros tér - nincsenek rezgések, nincs zaj - kis méret és tömeg - fordulatszám szabályozással, és tárcsa kiemeléssel szabályozható
Inverter technologia: előnyök
A frekvencia és a feszültség koordinálja hogy a nyomatékot és a szállítást fenntartsa a szabályzás során 280
VOLTS
240
130
30
60
80
120
FREQUENCY
Fixed Scroll Low Pressure
High
Low
Pressure
Pressure
Orbiting Scroll
Before operation During operation
Kompresszorok
Csavar kompresszorok - kenéses (olaj és víz) és kenésmentes változatok - nagy axiális terhelés - egyenletes (nem lüktető) gázszállítás - nincs károstér - nincsenek rezgések - fordulatszám: 6000-25000 1/perc Szabályozás: - fordulatszám szabályozás - szívóvezeték elzárása - szívóvezeték fojtása - ki-be kapcsolás - csúszó- vagy forgószelepes megoldás
Kompresszorok
Rotációs - gördülődugattyús kompresszor - kenéses és kenésmentes változatok - nincs axiális terhelés - egyenletes (nem lüktető) gázszállítás - nincsenek rezgések - hosszú élettartam, kis karbantartásigény - magas, konstans vagy növekvő volumetrikus hatásfok a teljes szabályozott tartományban - fordulatszám: 1450-2200 1/perc - szállítás: 40-2100 m3/h
Adszorpciós hűtés a nap által termelt hőenergia meghajtással
•Napkollektor •Távhő •Mikro-kogeneráció •Hővisszanyerés
Energetikai evidencia: A „hidegenergiára” (hűtésre) jellemzően akkor van szükség amikor süt a nap. Ezért az adszorpciós hűtő akkor tud a legnagyobb teljesítménnyel dolgozni amikor a napsugárzásból jelentős energianyeresége van.
Az adszorpciós hűtő körfolyamata: víz vákuumban történő elpárologtatásával, majd szilika-gélben történő adszorpciót, illetve hő hatására történő deszorpciót követően a kondenzációval zárul. Nagy előnye energetikailag a viszonylag alacsony (60-90°C) hőmérsékletű deszorpció, ami lehetőséget nyújt napkollektor és hulladékhő hasznosítására.
I/3. Hővisszanyerés a hűtéstechnikában
Hulladékhő hasznosítás, hővisszanyerés a klímatechnikában • • • •
Szivárgásvizsgálatra kötelezett hűtőberendezések (Qhűtő<10kW) hozzávetőleges száma Magyarországon: 35.000 db (HKVSZ). Az átlag 25 kW hűtőteljesítménnyel rendelkező géppark becsült energiafelhasználása: ~700 GWh/év (PAKS ~ 15427 GWh/2009)
A reálisan visszanyerhető hőenergia kb.: • •
a fenti 30%.
~210 GWh/év ~3.000.000.000,- Ft/év megtakarítás Oka: a hűtés és a hőtermelés (fűtés, HMV) energia igényének korlátozott időbeni átfedése.
REÁLIS CÉLOK 1.
MelegVíz előállítás, illetve előfűtés: óvodák, iskolák, kórházak, rendelőintézetek, konyhák, szociális létesítmények, HMV ellátása
2.
Technológiai melegvíz előállítás, illetve előfűtés: ipari fogyasztók
3.
Nagy belső hőfejlődésű és/vagy kis hőtehetettlenségű üveghomlokzatos épületek hűtése-fűtése: irodaház, könnyűszerkezetes épületek
4.
4 csöves fan-coilos rendszerek hűtése-fűtése: irodaházak, kórházak
5.
Légtechnikai rendszerek elő- illetve utófűtőinek hőellátása: légkezelők kultúrházak, mozik, színházak, sportlétesítmények
A TELJES VISSZANYERHETŐ HŐMENNYISÉG=KONDENZÁCIÓS+TÚLHEVÍTÉSI kJ/kg A TÚLHEVÍTÉS MIATT VISSZANYERHETŐ A KONDENZÁCIÓS HŐMENNYISÉG kJ/kg FAJLAGOS HŐMENNYISÉG kJ/kg
A HŰTÉSSEL ELVONT FAJLAGOS HŐMENNYISÉG kJ/kg
qhűt+wkomp=qkond=qvisszanyert=(qhősziv) JÓSÁGFOK= qhősziv/wkomp (Q = q x m)
EGY KIS TERMODINAMIKA
COP - COP - COP EGY KIS TERMODINAMIKA
• • • • •
COP és EER = Qhasznos / Ebefektetett EER = Qhűtés / Wkomp.+ Esegédenergia COP = Qhősziv. / Wkomp. + Esegédenergia COPhővisszanyer. =( Qhősziv + Qhűtés ) / (Wkomp. + Esegédenergia ) COPhővisszanyer. = (Qhűtés + Wkomp. + Qhűtés)/ (Wkomp. + Esegédenergia ) •
COPhővisszanyeréssel» » COP
Példa a Thermocold Quattro Prozone EA multifunkciós hőszivattyúval: • EERhűtés = 50,5/ (14,6 +1,5)= 3,14 • COPhővisszanyer.= (50,5kW + 65,2kW) / (14,6 +1,5 )= 7,18! • COPhővisszanyer. = 2,29 X EER
COPhővisszanyeréssel» » COP
TÚLHEVÍTÉSI HŐVISSZANYERÉS VÍZ: 50/60ºC
50/60ºC R410A 80ºC
• 25-30% nyerhető vissza • Magas fűtővíz hőmérséklet • Legjobb az R410A
R410A 50ºC
TELJES HŐVISSZANYERÉS
45/40ºC
VÁLTÓSZELEP
ELPÁROLOGTATÓ
KONDENZÁTOR
• 100% visszanyerhető • Alacsonyabb fűtővíz hőmérséklet • Minden hűtőközegnél ideális
TÚLHEVÍTÉSI HŐVISSZANYERÉS •25-30% nyerhető vissza • Magas fűtővíz hőmérséklet, HMV-hez is alkalmas • Egyszerű kialakítás, vezérlés • Gazdaságos üzemeltetés: melegvíz kvázi ingyen, a hűtés jóval gazdaságosabb
HCS primer old.: R410A
Thcs
Thmv
túlhevített
gőz: 78/49ºC
Hőcserélő szekunder oldal: 55/45ºC glikol-víz keverék
Példa: V=1.000 m3/h
Kondenzátor 0,9 kW
Rekuperatív Hővissz: 1,9kW Friss levegő η=67% Pvent=0,15 kW
Légtechnikai rendszerek hővisszanyerése osztott levegő-levegő hőszivattyúkkal II.
Méretezési állapotban a COP=3,79 +4ºC-ban a COP=6,21 Rekuperatív Hővisszanyerő:1,9 kW Elszívás, η=67% Pventilátor=0,15 kW
Elpárologtató 0,8 kW PHSZel=0,21 kW Méretezési állapotban: A rekuperatív hővisszanyerő jóságfoka: 1,9/0,3=6,3 A teljes hővisszanyerésre vonatkoztatott jóságfok: 2,8/0,51= 5,5
ESZKÖZÖK, JAVASLATOK I. A fokozottabb hulladékhő hasznosítás (HHH) érdekében
Műszaki javaslatok:
•
Központi vagy zóna központi klímarendszerek telepítése
•
A hulladékhő fogadására
alkalmasabb épületgépészeti rendszerek alkalmazása, pl. indirekt fűtésű tárolók, pufferek •
Alacsony hőmérsékletű HMV és fűtési rendszerek kialakítása: padlófűtés, falfűtés, szerkezet temperálás, fan-coilos rendszerek
ESZKÖZÖK, JAVASLATOK II. A fokozottabb hulladékhő hasznosítás (HHH) érdekében Közigazgatási, ill. szabványügyi javaslatok ösztönzők: •
A HHH beemelése az ép. energiahatékonyságáról szóló 2010/31/EK (régi: 2002/91/EK) irányelvbe: HHH alkalmazás kötelező vizsgálata
•
A HHH beemelése a 2005/32/EK számú „ökodizájn” irányelvbe (termékek környezetbarát tervezése): hűtőberendezések, klímaberendezések esetén
•
A HHH beemelése a 7/2006 (V.24.) TNM rendelet, 4.melléklet: „Az alternatív energiafelhasználás vizsgálata” előírása közé abban az esetben ha az épület nyári túlmelegedése meghaladja a szabványban rögzített értéket (Δtbnyár≤3 K – nehéz ép.szerk. és Δtbnyár≤2 K – könnyű ép.szerk. esetén)
•
A 264/2008 (XI.6.) kormány rendelet a „Hőtermelő berendezések és légkondíciónáló rendszerek energetikai felülvizsgálatáról” szól ahol előírják a rendszeres felülvizsgálatot a 12 kW-nál nagyobb teljesítményű klímaberendezésekre: a felülvizsgáló tegyen javaslatot a HHH kihasználására
•
Az építésügyi szabványok írják elő a HHH alkalmazását új építésnél, bizonyos feltételek esetén (gazdaságosság)
Köszönöm a figyelmet! Tóth Tamás műszaki tanácsadó 06-70/333-50-18
[email protected]
