České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební. Katedra technických zařízení budov Fakulta stavební, ČVUT v Praze

České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební

ESB 2 Výroba, distribuce a emise chladu v budovách Ing. Daniel Adamovský Adamovský,, Ph.D. Ph.D. Katedra technických zařízení budov Fakulta stavební, ČVUT v Praze

Katedra technických zařízení budov, Fakulta stavební, ČVUT v Praze

Osnova přednášky • • • • • •

Úvod z historie a důvodů proč potřebujeme chladit Volba koncepce chlazení Základy přípravy chladu Komplexní systémy chlazení Alternativní systémy chlazení Příklady zajímavých instalací

Přednáška předmětu Energetické systémy budov 2 – Výroba, distribuce a emise chladu v budovách


Historický úvod Potřeba chladu – historické jednotlivosti V minulosti výhradně pro potřeby uchovávání potravin (chlazení pomocí ledu). Rozvoj chladírenství - motivován potřebami potravinářského průmyslu, zejména pivovarnictví ..

- kompresorová strojovna chlazení pivovaru - cca 1920

1769 James Watt patentuje oddělený kondenzátor - oddělení dvou činností zahřívání válce s horkou parou a jeho ochlazování, při němž pára kondenzovala v každém taktu stroje, tzn. válec stále horký a kondenzátor stále studený = úspora energie = masivní rozšíření technologie ▪ 1928 – Willis Haviland Carrier (tzv. „otec klimatizace“) vyvinul první domovní klz jednotku ”Weathermaker“- klimatizaci pro domácí prostředí • 40. léta v USA ročně prodáno 30.000 jednotek • 1998 - Klimatizační jednotky a tepelná čerpadla prolomily v USA hranici 6.2 miliónu prodaných jednotek



Proč potřebujeme chladit Potřeba chladu – proč potřebujeme chlad ? Nutnost výroby chladu: • • • •

potravinářství - úschova potravin, surovin, přeprava potravin průmysl – výrobní technologie (chlazení výrobních procesů, klimatizace) stavby pro sport a kulturu - klimatizace, výroba chladu pro ledové plochy gastro provozy - sklady potravin, technologie uchovávání potravin

•

administrativní budovy a budovy pro bydlení: – klimatizace budov (úprava přiváděného vzduchu, úprava vnitřního prostředí) – chlazení technologií (komunikační zařízení, servovny) – potřeba chladu pro příslušenství administrativních budov a přidružených provozů (gastro provozy, sklady)



Proč potřebujeme chladit Co ovlivňuje potřebu chladu v budovách? Klimatizace - systémy zajišťující tvorbu vnitřního prostředí obytných budov Měřítko a základní kriterium pro klimatizaci budov je ČLOVĚK … jeho potřeby a požadavky …

Vnější faktory • klimatické poměry (teplota, vlhkost, vítr, srážky) • expozice budovy v exteriéru (orientace, terén, nadm. výška)

Vnitřní faktory • člověk (věk, pohlaví, činnost, oděv ..) • technologie, vnitřní zařízení (zdroje škodlivin, atd.) • provoz budovy

Vnitřní prostředí

Energetická náročnost

Systémy TZB (koncepce zařízení, provoz) • větrání a klimatizace • vytápění • systém MaR

Objekt • architektonický koncept (tvar, členitost, prosklení, atd.) • dispoziční řešení (funkce objektu, zónování)



Volba koncepce chlazení Chladící výkon, potřeba energie

Qc = Qn/t

[W]

Čistý chladící výkon

Tepelné zisky

Qc - maximální tepelná zátěž budovy Tn - provozní doba nabíjení zásobníku Tb - provozní doba budovy Tv - provozní doba vybíjení zásobníku Tch - provozní doba zdroje chladu E = En + Ech = Qn * Tn + Qch * Tch

vnitřní

vnější



Volba koncepce chlazení Chladící zařízení jako celek, koncepce, řešení rozhodovací proces návrhu chladícího zařízení :

výpočet potřeby chladu

?? použity všechny systémů k eliminaci vzniku tepelných zisků ??

NE

ANO

?? možnost alternativního způsobu chlazení ??

NE

ANO ?? jiná alternativa ??

- pasivní chlazení -

ANO

NE

- strojní chlazení výběr chladícího zařízení : – investiční a provozní náklady; – požadovaný výkon zařízení, regulovatelnost, pokrytí potřeby chladu celodenního a celoroční; – vlastnosti chladiva, jeho toxicita a vhodnost použití; – prostorové požadavky, dispoziční řešení objektu, umístění strojovny; – provozní vlastnosti: údržba zařízení, hluk; Přednáška předmětu Energetické systémy budov 2 – Výroba, distribuce a emise chladu v budovách


Základy přípravy chladu Příprava chladu – základní rozdělení umístění zdroje chladu • centrální – nová výstavba - administrativní celky, – rekonstrukce stávajících administrativních budov v závislosti na místních podmínkách, apod.; • lokální – menší celky, – lokální potřeba chladu u prostor se zvláštním určením, – rekonstrukce objektů, – adaptace stávajících prostor na nové účely; využití chladu v koncové spotřebě • přímé chlazení chladivem – výparník chladí přímo distribuovaný vzduch – menší zařízení, lokální úprava vzduchu, VZT jednotky; • nepřímé chlazení – výparník chladí kapalinu – distribuční medium vedené ke koncovým spotřebičům;



Základy přípravy chladu Centrální příprava chladu - tzv. strojní chlazení Systémová běžná řešení dle procesu výroby chladu • kompresní chlazení – klasický zdroj chladu • absorpčního chlazení – využití odpadního tepla Okrajová řešení: • chlazení studeným vzduchem (pasivní chlazení) • chlazení vodou jako chladivem a s pohonem proudem vodní páry • termoelektrického chlazení s přívodem el. energie (tzv. Peltierův článek) ( využití chlazení ve výpočetní technice – chlazení procesorů apod.)

absorpční chladící jednotka

Peltierův efekt 1834 - protéká-li stejnosměrný elektrický proud z vnějšího zdroje dvěma spojenými vodiči z různých kovů pak vzniká teplotní rozdíl mezi oběma spoji, efekt závisí na druhu kovů a na jejich teplotě. Přednáška předmětu Energetické systémy budov 2 – Výroba, distribuce a emise chladu v budovách


Základy přípravy chladu Příprava chladu - strojní chlazení Principiální skladba zařízení distribuční rozvod chladu

zdroj chladu - chladící jednotka -

obsluhovaný prostor

tepelné zisky

výparník

koncový spotřebič chladu

kondenzátor zisky chlazení kondenzátoru Distribuční medium: • chladící voda - teplotní spád 6/12; 18/25 °C, pozn. nutný odvod ko ndenzátu z koncového spotřebiče, v závislosti na potřebě odvlhčení vzduchu • vzduch - klimatizace • samotné chladivo - chladivové systémy, přímé výparníky • roztoky soli - nemrznoucí směs pro t < 0°C Přednáška předmětu Energetické systémy budov 2 – Výroba, distribuce a emise chladu v budovách


Základy přípravy chladu Princip zdroje chladu – teoretické základy • vychází ze základního termodynamického cyklu – Carnotova cyklu

• periodicky pracující vratný cyklus mezi dvěma tepelnými lázněmi (ohřívací a chladící) s cílem zisku práce z tepla přivedeného pracovní látce 1-2 izotermická expanze – ohřívací lázni je odebráno teplo q1,2 přivedené do cyklu za konstantní teploty pracovní látky, mění se její objem 2-3 adiabatická expanze – pracovní látka nesdílí teplo s okolím, její teplota a tlak klesá 3-4 izotermická komprese – z cyklu odchází teplo q3,4 do chladící lázně při konstantní teplotě pracovní látky Účinnost cyklu:

η=

q1, 2 − q3, 4 q1, 2

= 1−

Tmin Tmax

4-1 adiabatická komprese – pracovní látka nesdílí teplo s okolím, její teplota a tlak roste



Základy přípravy chladu Parní kompresorový cyklus • nejrozšířenější princip chladících zařízení • pracuje na principu změny skupenství a následné komprese par chladiva 1-2 izoentropická komprese (K) – dodává se práce at1,2 kompresoru 2-3 izobarický odvod tepla (C) – pracovní látka přes kondenzátor odvádí teplo q2,3

at1,2

3-4 škrcení – adiabatický proces expanze pracovní látky

Pro charakteristiku chladícího okruhu se používá tzv. chladící faktor (někdy nazývaný COP) – vztahuje se k teplu odebranému ochlazovanému prostředí

ε ch =

q4,1 at1, 2

4-1 izotermicko – izobarický přívod tepla pracovní látce (V) – teplo q4,1 je odebíráno okolí výparníku

topný faktor používaný pro tepelná čerpadla se vztahuje k „teplu získanému“ z okruhu

εt =


q2 , 3 at1, 2


Základy přípravy chladu Zdroje chladu Příklad řešení - Parní kompresorový cyklus Chlazení kondenzátoru

Kompresor

Zásobník chladící vody okruhu zpětného chlazení kondenzátor – chlazení pomocí otevřené chladící věže + zásobník vody okruhu zpětného chlazení Přednáška předmětu Energetické systémy budov 2 – Výroba, distribuce a emise chladu v budovách


Základy přípravy chladu Absorpční chladící cyklus • Principem je pohlcování par chladiva jinou látkou tzv. absorbentem, ze kterého za vyššího tlaku přiváděním tepla se chladivo opět vypuzuje. V

p

C

dodávka tepla Qv

Qk

dodávka el. energie N

RV 1 A

RV 2

pk

RV 2

RV 1

S

dodávka tepla Q0

p0 T

Qa

bohatý roztok chudý roztok

kapalné chladivo páry chladiva

S – výparník A – absorber

C – kondenzátor V – varník



Základy přípravy chladu Absorpční chladící cyklus • Principem je pohlcování par chladiva jinou látkou tzv. absorbentem, ze kterého za vyššího tlaku přiváděním tepla se chladivo opět vypuzuje. V

p

C

dodávka tepla Qv

dodávka el. energie N

RV 1 A

odvod tepla

RV 2 S

Qa

bohatý roztok chudý roztok

• odpařené chladivo o počátečním tlaku p0 přechází do absorberu A • je absorbováno absorbentem (voda, LiBr Qk apod.) odvod tepla • teplota těsně pod mezí sytosti (pod bodem varu), proto se z absorberu A odvádí teplo Qa. • důsledkem absorpce je tzv. bohatý roztok, • čerpadlo Č o příkonu Nč jej dopravuje do varníku V za současného zvýšení tlaku na pk. • do varníku V přivedeme tepelný tok Qv, dodávka tepla Q0 kterým je bohatý roztok uveden do varu. • chladivo se z roztoku vyloučí a chudý roztok se vrací přes redukční ventil RV 1 zpět do absorberu A. kapalné chladivo • vyloučené páry chladiva se odvádí do páry chladiva kondenzátoru C, kde odvedením tepla Qk zkapalní a přes škrtící ventil RV 2 odvede zpět do výparníku S.



Základy přípravy chladu Lokální příprava chladu -

pro klimatizaci obytných budov a lokální chlazení (servovny, telekomunikační zařízení např. vysílače mobilních operátorů)

•

okenní kompaktní klimatizátory (doplňková klimatizace místností)

•

klimatizační jednotky typu "SPLIT " (klimatizace místností, kondenzační jednotka umístěna mimo objekt ve venkovním prostředí)

•

" SPLIT " jednotky s vodou chlazeným kondenzátorem (klimatizace místností, kondenzační jednotka umístěna v objektu a napojena na vodovodní řad, cca 45 Kč/hod provozu)

•

samostatné kondenzační jednotky (variabilní koncový spotřebič chladu)

•

mobilní klimatizátory … (doplňkové provizorní řešení)



Komplexní systémy chlazení Systém chlazení pokrývající potřebu chladu v budově se skládá z několika částí: • zdroje chladu • rozvodu chladu k jednotlivým koncovým zařízením • zabezpečovacího zařízení • koncových odběrných zařízení • zařízení chladící kondenzátor zdroje chladu

okruh distribučního media

okruh chladiva

okruh chladící vody



Komplexní systémy chlazení Zdroje chladu Kompresní chladící zařízení • obvykle se dělí podle způsobu chlazení kondenzátoru – s přímým chlazením kondenzátoru – venkovní jednotky, u kterých je kondenzátor chlazen venkovním vzduchem – s vodou chlazeným kondenzátorem – kapalinový okruh (směs vody a nemrznoucí směsi) mezi kondenzátorem a vnějším chladícím zařízením – s externím kondenzátorem – podobně jako u split systémů, je kondenzátor vyveden mimo jednotku do venkovního prostředí



Komplexní systémy chlazení Zdroje chladu Absorpční chladící zařízení • vyžaduje tepelný tok o vysokém potenciálu • podle kombinace absorbentu a chladiva je teplota media dodávající teplo většinou nad 100 °C • využití místě s možností využití levné tepelné energie - průmyslová pára, odpadní teplo, sluneční energie apod.; • využití tepla a tepelných zisků z technologií v letním období; • významné využití u tzv. trigenerace (kombinovaná výroba tepla, chladu a el. energie pomocí klasické kogenerační jednotky - CHCP); • požadavek na hospodárnost provozu - cena tepla / cena el. energie < 0,14

El. energie U T

Kogenerační jednotka

TV

Tepelná energie

Absorpční jednotka


Chladič kondensátoru

spotřebič


Komplexní systémy chlazení Strojovna chladu • řešení dle uspořádání zdroje chladu – volné – jednotlivé části systému odděleny – kompaktní – systémová řešení • (chillery – výrobníky studené vody) • umístění zajistit výměnu zařízení, montáž – suterén – nutné zajistit chlazení kondenzátoru, zajistit větrání v případě havárie – střecha – únosnost střešní konstrukce

Chladící výkon [W]

Půdorysná plocha [m2]

12 000 – 120 000

10 – 20

120 000 – 350 000

20 – 40

350 000 – 700 000

40 – 60

700 000 – 1 120 000

60 – 80

1 120 000 – 1 750 000

85

1 750 000 – 2 350 000

100

CHLADIČ

strojovna chladu - suterén objektu

SPOTŘEBIČ CHLADU

chladič - mimo objekt, střecha ZDROJ CHLADU



Komplexní systémy chlazení Chlazení kondenzátoru Systémy zpětného chlazení • otevřené chladiče – chladící věže • uzavřené chladiče – chladící okruh proudí přes vzduchem chlazený výměník • chladící bazény

a) pomocí chladící věže

b) pomocí chladícího bazénu

c) vzduchový chladič



Komplexní systémy chlazení Chlazení kondenzátoru Chladící věže – schéma zapojení otevřené chladící věže – uzavřené chladící věže – vodou skrápěný vzduchem chlazený výměník, kterým proudí chladící okruh kondenzátoru

1. Chladící věž 2. Čerpadla 3. Dodávka doplňkové vody 6. Filtr 15. Zásobní nádrž 16. Úprava vody 17. Místo chlazení kondenzátoru



Komplexní systémy chlazení Chlazení kondenzátoru Suché chladiče Klady: • kompaktní systémové řešení

kondenzátor chlazený vzduchem

• prostorová nenáročnost • jednoduchá údržba • široká variabilita

Zápory: • hlučnost • nutnost venkovní část opatřit protimrazovou ochranou • zajistit odtok kondenzátu

oběhová čerpadla Přednáška předmětu Energetické systémy budov 2 – Výroba, distribuce a emise chladu v budovách


Komplexní systémy chlazení Distribuce chladu - řešení systému rozvodů, vč. materiálového obdobné jako u otopných soustav, tzn. rozvodů tepla • distribuční medium – voda v rozsahu teplot 6 – 18 °C, – směsi ethylenglykolu a vody pro teploty pod 6 °C – pozo r mění se fyzikální vlastnosti (klesá měrná tepelná kapacita, roste viskozita – vyšší tlakové ztráty) – roztok soli • materiálové řešení – ocel, měď, … dtto jako otopné soustavy • koroze rozvodů – vnitřní (vznik el. vodivého článku mezi prvky rozvodů) – vnější (kondenzace vodních par na povrchu rozvodů chladu = důkladné řešení těsné tepelné izolace) • systémové řešení rozvodů – dvoutrubní systém (přívod a zpátečka UT+CHL – nutná přepínání režimu) – třítrubní systém (přívod UT+CHL oddělené, zpátečka společná) – čtyřtrubní systém (oddělený přívod i zpátečka pro UT+CHL, nezávislé optimální reakce na změnu režimu provozu)



Komplexní systémy chlazení Distribuce chladu – zabezpečovací zařízení - obdoba teplovodních systémů otopných soustav • zabezpečení proti nadměrnému přetlaku – každý zdroj chladu musí být opatřen pojistným ventilem • zabezpečení při změně objemu – pracovní teploty výrazně nižší než u otopné soustavy – přesto probíhají objemové změny pracovního média – obvykle vychází menší expanzní objemy • zabezpečení kvality pracovního média – nutné řídit se požadavky výrobce zdroje chladu – obvykle stačí neutralizace ph, případně demineralizace (větší instalace chlazení se doplňují i o malé úpravny vody – pro dopouštění) – ochrana proti mechanickým nečistotám,



Komplexní systémy chlazení Příklad připojení vzduchem chlazené chladící jednotky



Komplexní systémy chlazení Emise chladu - sdílení chladu do cílového prostoru • klimatizací – chlazení vzduchu, který slouží jako distribuční médium – chlazení ve vzduchotechnické jednotce – chlazení v koncových částech – fancoily, indukční jednotky, airboxy aj.

čtyřtrubkový rozvod

FCU – vytápění i chlazení distribuční mřížky



Komplexní systémy chlazení Emise chladu - sdílení chladu do cílového prostoru • zařízení přímo spojené s rozvodem chladu – chladící povrchy – stropy, případně stěny – kapilární rohože, trubkové smyčky, lamely aj.

a) b) c) d) e) f)

Masivní chladicí strop jako součást stropní konstrukce Modulační klima deska Chladicí panely umístěné v podhledové konstrukci opatřené izolací Lamelový chladicí strop upevněný na vodní potrubí Otevřený chladicí strop v podobě protlačovaných profilů s vodními kanály Kapilární systém umístěný v omítce Přednáška předmětu Energetické systémy budov 2 – Výroba, distribuce a emise chladu v budovách


Komplexní systémy chlazení Regulace systémů chlazení • obecně probíhá podle klimatických podmínek s možnou korekcí podle interiéru • regulace na zdroji chladu – chladící výkon se obvykle řídí podle teploty vratné vody z rozvodu chlazení – příp. nadřazeným systémem – cílem je udržet požadovanou výstupní teplotu – kompresorové chladiče mají obvykle regulaci kompresoru (cca od 50 do 100 %) – při dvouokruhovém uspořádání lze na kompresorech regulovat 25 až 100 % chladícího výkonu – není vhodné měnit průtok pracovního média na straně výparníku – jednoduchá oběhová čerpadla – okruh chlazení kondenzátoru musí být podřízen regulaci chladící jednotky (u menších systémů pracuje autonomně podle vstupní teploty do výměníku)



Komplexní systémy chlazení Regulace systémů chlazení • obecně probíhá podle klimatických podmínek s možnou korekcí podle interiéru • regulace na rozvodu – typické postupy jako pro otopné soustavy – často se používá třícestné armatury v tzv. „rozdělovací funkci“ – vzhledem k nízkým rozdílům teplot mezi přívodem a zpátečkou je nutné zabránit vzájemnému ohřívání a ochlazování – například kombinované R/S, hydraulické spojky, netěsné armatury aj.



Alternativní systémy chlazení Zdroje chladu - alternativní možnosti • chladící zařízení s vodním chladícím oběhem - využití vody jako chladiva – nejekologičtější a nejpřirozenější chladivo (označení R 718) – větší chladící výkony cca 500 kW a výše. – není příliš rozšířeno - vysoké a pořizovací náklady • chlazení vodou ze studní – čerpání vody (přímé, nepřímé chlazení) • zemní sondy - využití zemního chladu – umístění zemních sond podmíněno dostatečnou vzdáleností – technologicky náročné řešení – závisí na místních geologických podmínkách – VŽDY nutné schválení orgánem spravujícím vodní zdroje v lokalitě

ZEMNÍ CHLAD SPODNÍ VODA



Alternativní systémy chlazení Zdroje chladu - alternativní možnosti • využití kombinace strojního chlazení a vodoteče – čerpání vody z řeky pro chlazení kondenzátoru tepelného čerpadla – využití i pro přímé chlazení - možné pouze v případě povolení správcem vodoteče - sdílení chladu s okruhem v objektu výhradně přes vložený výměník využití: - pro přímé chlazení chladícího okruhu budovy v přechodném období v době nižší potřeby chladu - v případě vysoké potřeby chladu v létě chladí okruh chlazení kondenzátorů chladících jednotek - nutné mít k dispozici chladící věže paralelně se sestavou řekou chlazeného výměníku - omezení čerpání vody podle stavu ve vodoteči, nutné pravidelné čištění výměníku, provozovatel musí zaručit nedotčení kvality říční vody



Alternativní systémy chlazení Zdroje chladu - alternativní možnosti • zemní chlad chlazení, resp. odvlhčování venkovního vzduchu před jeho přívodem do budovy v létě či jeho předehřátí v zimě – vzduch je nasáván přes potrubí (plast, beton, zděné aj.) uložené v zemním masivu v oblasti s celoročně malými změnami teploty (min. 1,8 m, může být i pod objektem). – uspořádání možné „průtočné“ jedním směrem i „cirkulační“ – výhodou je předehřev v zimním období, předchlazení, případně odvlhčení v letním období – trasa může být přímá i tvarovaná (čištění !), délka min. 25 m, uložení potrubí pod volným terénem i pod budovou. – výhodné jsou zeminy s vysokým obsahem vody (jíly), naprosto nevýhodné jsou písky, spraše apod. – problém je s návrhem – dostatek relevantních vstupních údajů, proměnnost prostředí v čase → měnící se parametry sdílení tepla



Alternativní systémy chlazení Zdroje chladu - alternativní možnosti •

chlazení sorpčním odvlhčováním vzduchu (chlazení přiváděného vzduchu) 7 2 2 3

1

3

4

6

Chlazení sorpčním odvlhčováním - schéma převzato z podkladů firmy Robatherm (zastoupení firmou OKPuls s.r.o. )

Chlazení sorpčním odvlhčováním – hx diagram Přednáška předmětu Energetické systémy budov 2 – Výroba, distribuce a emise chladu v budovách


Příklady zajímavých instalací Zajímavé realizace - Alternativní způsoby chlazení Chlazení pomocí sorpčního odvlhčení vzduchu - regenerace sorpčního rotoru teplem z kapalinových solárních kolektorů Ökopark Hartberg Štýrsko, Rakousko



Příklady zajímavých instalací Chladící zařízení – příklady instalací

Stroje pro centrální chlazení obchodního domu

Chladič kondenzátoru pro centrální zdroj chladu

Qchl = 500kW

Qchl = 160kW




Zdroj chladu umístěný na střeše v historické zástavbě

Split jednotky pro každou kancelář (Portugalsko – Lisabon)




Chlazení prostor pomocí ochlazování střešního pláště tekoucí vodou Portugalsko (Lisabon) Přednáška předmětu Energetické systémy budov 2 – Výroba, distribuce a emise chladu v budovách


Děkuji za pozornost

Daniel Adamovský ČVUT – Fsv, katedra TZB email: [email protected] [email protected]

České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební. Katedra technických zařízení budov Fakulta stavební, ČVUT v Praze

Recommend Documents