ÚSPORY ENERGIE PŘI CHLAZENÍ VENKOVNÍHO VZDUCHU

20. Konference Klimatizace a větrání 2012 OS 01 Klimatizace a větrání STP 2012

ÚSPORY ENERGIE PŘI CHLAZENÍ VENKOVNÍHO VZDUCHU Vladimír Zmrhal ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí [email protected] ANOTACE V klimatizačních zařízeních dochází při chlazení venkovního vzduchu často ke kondenzaci, která výrazně ovlivňuje výslednou potřebu energie. Odvlhčování vzduchu je žádoucí zejména při vysoké měrné vlhkosti venkovního vzduchu. V případě, že vlhkost venkovního vzduchu nepředstavuje nebezpečí zvýšení relativní vlhkosti vzduchu ve vnitřním prostoru nad požadovanou mez, je možné chladič vzduchu provozovat s vyšší povrchovou teplotou, čímž lze dosáhnout energetických úspor. Článek analyzuje možné způsoby úspory energie související s chlazením venkovního vzduchu při variantním provozu chladicího zařízení. ÚVOD Běžnou praxí při projektování vodního chlazení pro klimatizaci budov je používání tzv. „ostré vody“ to je vody o konstantní teplotě, regulace výkonu je kvantitativní (Mw = var.). Pro chlazení venkovního vzduchu se používá voda o nízké teplotě (např. 6/12 °C) tak, aby bylo možné vzduch odvlhčovat. Požadavek na odvlhčení vzduchu však nemusí být trvalý a v průběhu léta se mění. Při provozování chladicího zařízení v závislosti na klimatických podmínkách je možné vhodně regulovat teplotu vstupní chladicí vody (směšováním, nebo na zdroji chladu) a tím dosáhnout úspor energie.

x = 7 g/kg

85% Klimatická data

80% 75%

TRY 2010 2005 2003 1984 1985 - 1997

x = 10,8 g/kg

Kumulativní četnost výskytu [%]

Venkovní klimatické údaje Pro hodnocení potřeby energie na chlazení byl použit referenční klimatický rok zpracovaný pro Prahu (TRY – test reference year). Referenční rok prezentuje reálná charakteristická klimatická data pro účely výpočtu energetické potřeby budov. Tyto údaje lze považovat v letním období za reprezentativní pro 100% ČR. Dále byly výpočty realizovány pro léto roku 2003, které je považováno za 95% období s dlouhodobým klimatickým extrémem. 90%

70% 65% 6

8

10

12

Měrná vlhkost x [g/kg s.v.]

14

O nutnosti odvlhčování v letním období rozhoduje především měrná vlhkost venkovního vzduchu xe. Na obr. 1 je uvedena kumulativní četnost výskytu měrné vlhkosti pro vybrané roky a rovněž pro TRY. Na obr. 1 jsou vyznačeny měrné vlhkosti 7 a 10,8 g/kg, které odpovídají povrchové teplotě chladiče 9 °C resp. 15 °C (při nasycení). Z grafu lze vyčíst, že rok 2003 byl rokem, kdy 30 % času byla měrná vlhkost větší než 7 g/kg a téměř 6 % času větší než 10,8 g/kg.

Obr. 1 Kumulativní četnost výskytu měrné vlhkosti venkovního vzduchu během vybraných let

METODIKA VÝPOČTU Potřeba tepelné energie na chlazení Metodika stanovení potřeby energie na chlazení venkovního vzduchu je založená na psychrometrických výpočtech a byla popsána v článku [1]. Celkový výkon chladiče se skládá z citelného a vázaného tepla 











Q ch,e  Q ch,cit  Q ch,váz  Ve e he  h p [W]

(1)

Celková spotřeba energie na chlazení venkovního vzduchu během časového intervalu  je dána součtem chladicích výkonů vypočtených v hodinových intervalech  



Qch,e   Q ch,e d  Q ch,e [kWh]

(2)

0

Směr změny při chlazení vzduchu je dán povrchovou teplotou chladiče tch. Za předpokladu, že směr změny vzduchu při chlazení probíhá teoreticky po přímce (obr. 2), lze rozdíl entalpií hpe = (he - hp) stanovit na základě faktoru citelného tepla



ct pe h pe



ctch [-] hch

(3)

kde rozdíl entalpií hch se stanoví jako hch  ctch  l xch [kJ/kg]

(4) 

= 1 t [°C]

xe< x ch xe > x ch

tp

P

E P

t ch

RB

RB

 x ch

 x pe



=1

CH

h

pe

 t ch

E

 t pe

te

Obr. 2 Znázornění průběhu chlazení venkovního vzduchu bez kondenzace a s kondenzací v h-x diagramu vlhkého vzduchu vč. zakreslení sledovaných parametrů Na obr. 2 je znázorněn průběh chlazení venkovního vzduchu pro danou teplotu venkovního vzduchu te a měrnou vlhkost xe. V případě, že je povrchová teplota chladiče tch nižší než

teplota rosného bodu tRB, dochází na chladiči ke kondenzaci. Pokud není potřeba venkovní vzduch odvlhčovat lze vhodnou volbou teploty vstupní vody tw1 kondenzaci eliminovat. Potřeba elektrické energie na chlazení Potřeba elektrické energie na chlazení je dána chladicím faktorem EER (Energy Efficiency Ratio) daného chladicího zařízení. U kompresorových chladicích zařízení se vzduchem chlazeným kondenzátorem (nejrozšířenější) závisí chladicí faktor EER na teplotě venkovního vzduchu, teplotě vody na straně výparníku. Je obecně známo, že s rostoucí teplotou chlazené vody roste chladicí faktor, naopak s rostoucí teplotou venkovního vzduchu chladicí faktor klesá (obr. 3). Z výše uvedeného vyplývá, že pokud chladicí zařízení pracuje s vyšší teplotou chladicí vody je energeticky výhodnější. Na obr. 3 jsou uvedeny chladicí faktory konkrétního typu kompresorového chladicího zařízení se vzduchem chlazeným kondenzátorem. Uvedené zařízení se vyrábí v rozsahu výkonů 20 až 300 kW a bohužel nelze stanovit obecnou závislost chladicího faktoru na jmenovitém výkonu zařízení. Pro přepočet potřeby chladu na potřebu elektrické energie byla použita závislost EER pro jmenovitý výkon 30 kW, která reprezentuje střední hodnoty EER (v obr. 3 zvýrazněné závislosti). 

P

Q ch ,e EER

[W]

(5)

5,5 Q n = 20 až 300 kW

5,0 tw1 = 15 °C

4,5

EER

4,0 tw1 = 5 °C

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 20

25

30

35

40

45

50

t e [°C]

Obr. 3 Závislost chladicího faktoru kompresorového chladicího zařízení na teplotě venkovního vzduchu (s použitím firemních materiálů) Výsledný (sezónní) chladicí faktor během zkoumaného období je dán podílem potřeby energie na chlazení a potřeby elektrické energie 

EERv 



 Qch,e d 0



 Pd 0

(6)

ZKOUMANÉ PŘÍPADY Energetické analýzy byly realizovány pro průtok venkovního vzduchu: A) V = konst. = 10 000 m3/h, B) V = var. = 10 000 nebo 5 000 m3/h. Varianta B) odpovídá případu kdy je teplota venkovního vzduchu > 26 °C a průtok venkovního vzduchu může být snížen až na polovinu (v souladu se závaznými předpisy [2]). V době, kdy je teplota venkovního vzduchu nižší, než požadovaná teplota přiváděného vzduchu se nechladí. Směšování venkovního vzduchu s oběhovým nebylo uvažováno. Předpokládá se trvalý provoz větrání od 7.00 do 18.00 hodin v období od 1. 5. do 30. 9. Analyzovány byly následující varianty pro extrémní (2003) a typické (TRY) venkovní klimatické údaje. Varianta 1: 6/12 Návrhový teplotní rozdíl na chladiči vzduchu je 6/12 °C. Povrchová teplota chladiče je konstantní tch = 9 °C. Varianta 2: 15/17 Návrhový teplotní rozdíl na chladiči vzduchu je 15/17 °C. Povrchová teplota chladiče je konstantní tch = 16 °C. Jedná se o teoretický případ, kdy během roku téměř nedochází k odvlhčování venkovního vzduchu. Varianta 3: směšování vody Povrchová teplota chladiče tch se mění (9 nebo 16 °C) na základě požadavku na odvlhčení venkovního vzduchu. Chladicí zařízení připravuje vodu o konstantní teplotě tw1 = 5 °C a teplota vstupní vody je regulována směšováním. Varianta 4: regulace zdroje chladu Povrchová teplota chladiče tch se mění (9 nebo 16 °C) na základě požadavku na odvlhčení venkovního vzduchu. Chladicí zařízení připravuje vodu o požadované teplotě (5 nebo 15 °C). Volba teploty vstupní vody resp. povrchové teploty chladiče u variant 3 až 5 závisí na měrné vlhkosti venkovního vzduchu. Pro realizované analýzy byla jako mezní stanovena měrná vlhkost x = 10,8 g/kg. Při vyšších měrných vlhkostech je povrchová teplota chladiče 9 °C, při nižších 16 °C. VÝSLEDKY Na obr. 4 jsou znázorněny výsledky jednotlivých variant v grafické podobě. Výsledky platí pro chlazení venkovního vzduchu na teplotu 20 °C pro zkoumané klimatické roky. Z obr. 4a jsou zřejmé úspory tepelné energie (chladu) a elektrické energie pro klimatickou databázi roku 2003. V případě chlazení venkovního vzduchu chladičem s vysokou povrchovou teplotou 16 °C (Případ A, varianta 1), jsou úspory v potřebě chladu 16,5 % a díky vyšším chladicím faktorům dochází k úspoře elektrické energie 31,5 %. Uvedená varianta 2 je však pouze teoretická, neboť v průběhu léta je žádoucí při určitých stavech venkovního vzduch odvlhčovat. Úspory této varianty lze považovat za maximální při konstantním průtoku venkovního vzduchu. Varianta 3 a 4 prezentuje možné úspory při proměnné teplotě vstupní vody do chladiče. Úspory energie potřebné na chlazení venkovního vzduchu činí 13,5 % a úspory elektrické energie 13,5 % resp. 25,3 %. Zatímco u varianty 3 je teplota vstupní vody regulována směšováním (zdroj chladu připravuje chladicí vodu o teplotě 5 °C), u varianty 4 je zdroj chladu provozován na základě požadavku na teplotu vody a tudíž jeho celoroční

(sezónní) chladicí faktor je vyšší. Obdobné výsledky byly získány pro klimatický rok TRY (obr. 4b). V době, kdy je teplota venkovního vzduchu vyšší než 26 °C, může být průtok venkovního vzduchu snížen až na polovinu (případ B). Úspory energie v takovém případě jsou patrné z obr. 5, opět pro oba zkoumané klimatické roky. Je zřejmé, že oproti variantě A1, která představuje běžné řešení, je možné dosáhnout až poloviční úsporu elektrické energie. Výsledky pro typická klimatická data je možné vidět na obr. 5b. Výsledné (sezónní) chladicí faktory EER zjištěné na základě podkladů výrobce (obr. 3) pro zkoumané varianty jsou uvedeny v tab. 1. 14000

Potřeba elektrické energie

12000

6482

3131 2557

0

0 6/12

15/17

směšování

regulace

2229

1985

2000

-25,3%

-13,5%

-31,5%

5000

6000

4842

4438

9356

8000

4000

5606

9356

8878

6/12

15/17

Varianta

směšování

-28,8%

10000

-13,5%

-13,5%

15000

10000

-18,5%

Q [kWh/rok]

19474

11478

-18,3%

19474

18786

Potřeba elektrické energie

-18,5%

20000

-16,5%

Q [kWh/rok]

22509

Potřeba energie na chlazení

Klimatický rok: TRY 10 000 m3/h, tp = 20 °C

-22,7%

Potřeba energie na chlazení

-36,6%

25000

Klimatický rok: 2003 10 000 m3/h, tp = 20 °C

regulace

Varianta

a) Případ A - klimatický rok 2003

b) Případ A - klimatický rok TRY

Obr. 4 Grafické znázornění výsledků pro chlazení venkovního vzduchu na 20 °C (Případ A - V = konst. = 10 000 m3/h)

13143

8000

7367

7045

6000

-13,5%

10000

13143

-13,5%

12645

9120

-22,8%

Q [kWh/rok]

15186

10000

Potřeba elektrické energie

7367

-19,2%

12000

Potřeba energie na chlazení

Klimatický rok: TRY 5000 / 10 000 m3/h, tp = 20 °C

-19,2%

Potřeba elektrické energie

20000

15000

14000

Potřeba energie na chlazení

-16,7%

Q [kWh/rok]

25000

Klimatický rok: 2003 5 000 / 10 000 m3/h, tp = 20 °C

4000 2448

6/12

15/17

směšování

regulace

Varianta

a) Případ B - klimatický rok 2003

2000

1981

1549

0 6/12

15/17

1712

směšování

-30,1%

-13,5%

-31,7%

0

3195

-19,1%

3695

2916

-36,7%

4270

-25,2%

5000

regulace

Varianta

b) Případ B - klimatický rok TRY

Obr. 5 Grafické znázornění výsledků pro chlazení venkovního vzduchu na 20 °C (Případ B - V = var. = 5000 / 10 000 m3/h)

Tab. 1 Výsledné chladicí faktory EERv v průběhu zkoumaného období Případ Varianta

A 1 6/12 3,47 3,67

2003 TRY

2 15/17 4,23 4,47

B 3 směš. 3,47 3,66

4 reg. 4,02 4,20

1 6/12 3,56 3,73

2 15/17 4,34 4,55

3 směš. 3,56 3,72

4000

7000

Klimatický rok: TRY

Klimatický rok: 2003 6000

6/12

6/12

Qel [kWh/rok]

směšování regulace

4000

15/17

3000

15/17

5000

Qel [kWh/rok]

4 reg. 4,11 4,30

3000 2000

směšování regulace

2000

1000

1000 3

3

10 000 m /h

10 000 m /h 0

0 20

21

22

23

24

25

26

20

Teplota vzduchu za chladičem t p [°C]

21

22

23

24

25

26

Teplota vzduchu za chladičem t p [°C]

a) 2003

b) TRY

Obr. 6 Potřeba elektrické energie na chlazení venkovního vzduchu (Případ A - V = konst. = 10 000 m3/h) 50

50 15/17 směšování regulace

30

20

20

10

0

0 21

22

23

24

25

Teplota vzduchu za chladičem t p [°C]

a) 2003

26

regulace

30

10

20

směšování

40

Úspory el. energie [%]

Úspory el. energie [%]

40

Klimatický rok: TRY Případy A a B

15/17

Klimatický rok: 2003 Případy A a B

20

21

22

23

24

25

Teplota vzduchu za chladičem t p [°C]

b) TRY

Obr. 7 Procentuální úspory energie při chlazení venkovního vzduchu (Případ A - V = konst. = 10 000 m3/h)

26

Na obr. 6 jsou uvedeny výsledky potřeby elektrické energie na chlazení venkovního vzduchu pro všechny zkoumané varianty v závislosti na teplotě přiváděného vzduchu. Je logické, že s rostoucí teplotou přiváděného vzduchu, klesá potřeba energie na chlazení. I když se z obr. 6b může zdát, že se zvyšující se teplotou přiváděného (ochlazeného) vzduchu jsou rozdíly v možné úspoře energie minimální, procentuální úspora je energie je pro všechny případy zhruba konstantní (obr. 7). Na obr. 7 jsou zobrazeny procentuální úspory energie na chlazení venkovního vzduchu pro oba případy A i B v porovnání s variantou 1 (6/12). Je zřejmé, že procentuální úspory potřeby elektrické energie na chlazení s rostoucí teplotou přiváděného vzduchu jsou pro varianty 2, 3 a 4 téměř konstantní. VÝKON CHLADIČE U řízené regulace teploty chladicí vody vstupující do výměníku (varianty 3 a 4) je třeba dbát zvýšené pozornosti při návrhu chladiče. Jedná se o kontrolu, zda zvolený chladič je schopen dodávat požadovaný výkon při proměnné teplotě vstupní vody. V tab. 2 jsou uvedeny maximální požadované výkony chladiče vzduchu pro uvažované teplotní rozdíly chladicí vody. Pod údajem maximálního výkonu v tab. 2 jsou pro představu uvedeny parametry venkovního vzduchu, kdy nastává maximální požadavek. K ověření plnění funkce chladiče při proměnných podmínkách byl použit návrhový program výrobce klimatizačních jednotek [4]. Pro případ A (klimatická data 2003) program navrhl pro provoz při teplotním rozdílu 6/12 °C čtyřřadý výměník. Následně bylo ověřeno, že zvolený výměník je schopen dodávat požadovaný výkon i pří zvýšeném teplotním rozdílu 15/17 °C. Tab. 2 Výkony chladiče pro varianty s řízeným směšováním (Varianta 3 a 4) Případ tw1/tw2 2003

A (V = konst.) 6/12 15/17 76,6 kW 53,8 kW 29,9 °C / 66,5 % (10 000 m3/h)

TRY

35,95 °C / 23 % (10 000 m3/h)

B (V = var.) 6/12 15/17 38,4 kW 26,9 kW 29,9 °C / 66,5 % (5 000 m3/h)

35,95 °C / 23 % (5000 m3/h)

63,4 kW

40,4 kW

41,0

21,6

30,8 °C / 48 % (10 000 m3/h)

31,2 °C / 39 % (10 000 m3/h)

25,9 °C / 67 % (10 000 m3/h)

26 °C / 52 % (10 000 m3/h)

ZÁVĚR Článek prezentuje možné úspory energie při chlazení venkovního vzduchu vodním chladičem. Analyzované případy předpokládají zařízení, které pracuje pouze s čerstvým vzduchem a to buď s konstantním průtokem vzduchu, nebo se připouští snížení průtoku vzduchu při letních extrémech na polovinu. Celá řada vzduchotechnických zařízení nepracuje pouze s čerstvým vzduchem a často je používán i vzduch oběhový. Využití oběhového vzduchu v analýzách není uvažováno. Rovněž se neřeší vztah mezi stavem venkovního a vnitřního vzduchu resp. neřeší se odvod vodních par z prostoru. Výsledky odpovídají systémům, kdy k odvodu vlhkostních zisků dochází převážně na vnitřní klimatizační jednotce (ventilátorové konvektory, chladivové systémy). Takové systémy představují v našich podmínkách převážnou většinu. Výsledky mohou posloužit provozovatelům, kteří jsou často tlačeni k energeticky úsporným opatřením s cílem snížit náklady na provoz klimatizačních zařízení. LITERATURA [1] ZMRHAL, V. Porovnání spotřeby energie vodních klimatizačních systémů. In: Vytápění, větrání, instalace. roč. 19, č.2, str. 80-83. 2010.

[2] [3] [4]

Nařízení vlády č. 68/2010 Sb., kterým se mění nařízení vlády č 361/2007 Sb. o ochraně zaměstnanců při práci. Sbírka zákonů ČR. 2010. CIAT. Podklady výrobce dostupné z domovské stránky <www.ciat.com>. AeroCAD. Návrhový software firmy Remak. Dostupný z .

SEZNAM OZNAČENÍ c měrná tepelná kapacita [J/kgK] EER chladicí faktor [-] h entalpie [J/kg] l výparné teplo [J/kg] P příkon [W] Q výkon [W] Q spotřeba energie [kWh/rok] t teplota [°C] V objemový průtok [m3/h] x měrná vlhkost [g/kg] ρ hustota [kg/m3]  faktor citelného tepla [-]