Słowa kluczowe: odzysk ciepła, wymienniki ciepła stanowisko badawcze, pomiar parametrów powietrza



Pobieranie 28.09 Kb.
Data02.05.2016
Rozmiar28.09 Kb.


Słowa kluczowe: odzysk ciepła, wymienniki ciepła
stanowisko badawcze, pomiar parametrów powietrza

Maciej BESLER, Maciej SKRZYCKI*



O BADANI ACH SKUTECZNOŚCI ODZYSKU CIEPŁA Z POWIETRZA WYWIEWANEGO

Coraz większą uwagę zwraca się obecnie na rozwiązania instalacji, działających skutecznie przy jednocześnie ograniczonym zużyciu energii. Zarazem wciąż rośnie poziom wyposażenia technicznego budynków przemysłowych, użyteczności publicznej jak i mieszkalnych. Użytkownicy domagają się coraz wyższego komfortu mikroklimatu, lecz to wymaga większego zużycia energii. Dziś zatem oszczędność energii, a zwłaszcza odzysk energii w układach wentylacyjnych stają się standardem. Pomagają tu zmieniające się przepisy, ale również bardziej rozbudowana oferta producentów urządzeń do odzysku energii. Zagadnieniom tym poświęca się dużo uwagi w badaniach na Politechnice Wrocławskiej.

1. WSTĘP

W krajach środkowoeuropejskich z ogółu produkowanej energii około 40 % przypada na wytworzenie mikroklimatu. Dziś klimatyzacja jest wymagana nie tylko w przemyśle, ale także w pomieszczeniach użyteczności publicznej i coraz częściej również w mieszkaniach, a te wymagania są rosnące. Natomiast możliwości zmniejszenia zużycia energii niezbędnej do przygotowania powietrza nawiewanego są ograniczone m.in. wymaganiami co do minimalnych strumieni powietrza zewnętrznego. Należy zatem skupić się zwłaszcza na bardziej oszczędnym gospodarowaniu energią. Działania powinny dotyczyć lepszej automatyki sterującej dokładniej pracą układów wentylacyjnych oraz pozyskiwania energii z niekonwencjonalnych, odnawialnych źródeł, a zwłaszcza odzysku energii.

Odzysk energii w układach wentylacyjnych staje się standardem. Wynika to z bardziej rygorystycznych przepisów, ale sprzyja temu równocześnie bardziej rozbudowana oferta producentów urządzeń do odzyskiwania energii. Zmienia się także świadomość społeczna potrzeby oszczędzania energii.

Dawniej wymienniki do odzysku ciepła stosowane były jedynie w średnich i dużych układach wentylacyjnych. Obecnie dostępne są urządzenia umożliwiające także odzysk ciepła z powietrza usuwanego z małych pomieszczeń bytowych w układach wspomagających wentylację grawitacyjną.

2. PODZIAŁ URZĄDZEŃ I DEFINICJE

Odzysk ciepła z powietrza wywiewanego w wentylacji i klimatyzacji jest przedmiotem licznych badań. Nie ma jednoznaczności co do istoty zagadnień. W Polsce wśród inwestorów ciągle funkcjonuje pogląd, iż każde urządzenie do odzyskiwania ciepła z powietrza wywiewanego to rekuperator. Nawet małe centralki wentylacyjne określa się tym terminem. W naszych przepisach oprócz Rozporządzenia [1] oraz zaledwie kilku norm [2, 3] można znaleźć niewiele odniesień dotyczących oszczędności energii w wentylacji i klimatyzacji. Znacznie lepiej potraktowano te zagadnienia w przepisach oraz wytycznych krajów sąsiednich. Oprócz podstawowych definicji przedstawiane są szczegółowe wytyczne dotyczące metodologii badań oraz bardzo ważnych kalkulacji efektywności układów do odzysku ciepła. Przyjęto, że jako wymienniki do odzysku ciepła rozumie się „(…) urządzenia lub zespoły urządzeń, które przenoszą ciepło, a w szczególnych przypadkach także wilgoć pomiędzy strumieniami powietrza tłoczonego i zasysanego, w zależności od różnicy poziomów temperatury i wilgotności (…)”. Na rys.1. przedstawiono ideowy schemat działania wymiennika do odzysku ciepła wg ASHRAE [6].


Rys. 1 Schemat przepływu powietrza w wymienniku ciepła [6]

Fig. 1. Scheme of airflow in heat exchanger [6]
Wyróżnia się kilka sposobów podziału wymienników do odzysku ciepła. Najogólniejszym i najbardziej popularnym, jest podział na rekuperatory, regeneratory oraz pompy ciepła. Wymienniki można również określić jako wykorzystujące czynnik pośredniczący oraz niewykorzystujące żadnego czynnika przy wymianie ciepła, przy czym jedne i drugie można zaliczyć do urządzeń działających na zasadzie rekuperacji.

Przykładem takich wymienników są wymienniki krzyżowo – płytowe (z ożebrowaniem lub bez), wymienniki przeciwprądowe oraz wymienniki z wymuszonym obiegiem czynnika, czy też rurki ciepła (urządzenia z czynnikiem pośredniczącym).

Do grupy urządzeń regeneracyjnych zalicza się wymienniki obrotowe oraz nieobrotowe (akumulacyjne). Wśród wymienników obrotowych wyróżnić można jeszcze wymienniki szybkoobrotowe oraz wolnoobrotowe. Te z kolei podzielić można na wymienniki do odzysku ciepła jawnego, wymienniki do odzysku ciepła i masy oraz osuszacze powietrza.

W wielu publikacjach można odnaleźć również recyrkulację powietrza, niejednokrotnie mylnie postrzeganą, jako jeden ze sposobów odzysku ciepła. Recyrkulacja jest przestarzałym i niehigienicznym sposobem „oszczędzania” w wentylacji, aczkolwiek bardzo chętnie i często stosowanym. Krajowe rozporządzenie [1] oraz chociażby niemieckie normatywy [5] wyraźnie odróżniają recyrkulację od odzysku ciepła, jako dwie różne metody ograniczenia zużycia energii w układach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Recyrkulacja może również niejednokrotnie wpływać na wzrost zużycia energii w danym rozwiązaniu, gdyż wymaga zwiększonego nakładu energii na przetłaczanie większych strumieni powietrza oraz na pokonanie oporów hydraulicznych instalacji.

Do opisu pracy wymienników do odzysku ciepła określa się następująco poszczególne wielkości termodynamiczne:

Ciepło odzyskane – to ciepło jawne oraz w niektórych przypadkach również utajone, które jest pobierane lub oddawane do nawiewanego powietrza zewnętrznego poprzez urządzenie do odzyskiwania ciepła.

Wilgoć odzyskana – wilgoć, która jest pobierana lub oddawana do powietrza zewnętrznego poprzez urządzenie do odzyskiwania ciepła.

Współczynnik efektywności odzysku ciepła (ang. Recovery Efficiency Ratio - RER) określa się, jako stosunek energii odzyskanej do wydatku energii w procesie odzysku ciepła [7] i opisuje się go za pomocą równania:

(1)

gdzie: lub – spadki ciśnienia po stronie powietrza zewnętrznego oraz wywiewanego w wymiennika, lub – sprawność wentylatorów nawiewnego oraz wywiewnego, – dodatkowa energia, jaka musi być doprowadzona do wymiennika (np. do silnika wymiennika obrotowego),

Współczynnik przenikania powietrza wywiewanego (ang. Exhaust Air Transfer Ratio - EATR) – to stosunek strumienia powietrza wywiewanego przenikającego do strumienia powietrza zewnętrznego. Innymi słowy jest to stosunek różnicy stężenia gazów znacznikowych na wylocie z wymiennika od strony powietrza zewnętrznego i wylocie z wymiennika, do różnicy na wlocie do wymiennika od strony powietrza wywiewanego i na wlocie do wymiennika od strony powietrza zewnętrznego [6, 7], wyrażona zależnością:

(2)

gdzie: Cstężenie gazów znacznikowych, %

Spadek ciśnienia na wymienniku wyrażony jest jako różnica ciśnienia statycznego przed i za wymiennikiem.

Współczynnik poprawkowy powietrza zewnętrznego (ang. Outdoor Air Correction Factor - OACF) – określa stosunek strumienia powietrza doprowadzanego do wymiennika do wartości (brutto) strumienia powietrza odprowadzanego z wymiennika.

Do oceny skuteczności pracy wymienników do odzysku ciepła korzysta się najczęściej z dwóch wielkości: efektywności oraz sprawności. Sprawność każdego urządzenia jest niczym innym, jak współczynnikiem temperaturowym (lub entalpijnym) ściśle uzależnionym od parametrów powietrza. Efektywność natomiast to powszechnie przyjęty w literaturze oraz najskuteczniejszy sposób opisywania wydajności cieplnej w celu projektowania wymienników ciepła [6].

Przy projektowaniu wymienników do odzysku ciepła jawnego projektant musi znać strumienie przepływu powietrza, ciepła właściwe, temperatury (oraz wilgotności w przypadku wymienników do odzysku ciepła utajonego) oraz efektywność, która definiowana jest, jako stosunek chwilowo odzyskiwanej energii, do maksymalnie możliwej do odzyskania energii w procesie wymiany ciepła:

(3)

3. STANOWISKO BADAWCZE WYMIENNIKÓW DO ODZYSKU CIEPŁA

W celu praktycznego sprawdzenia i wykazania skuteczności oraz stopnia odzysku ciepła różnego rodzaju wymienników zaprojektowano oraz zbudowano w Instytucie Klimatyzacji i Ogrzewnictwa stanowisko badawcze z trzema wymiennikami (krzyżowo-płytowym, regeneratorem obrotowym oraz wymiennikiem typu rurka ciepła-termosyfonu dwufazowego) pracującymi naprzemiennie.

Powietrze do układu pobierane jest z zewnątrz przez ścienną czerpnię, oczyszczane na filtrze kanałowym i doprowadzane do poszczególnych wymienników. Każdy wymiennik ma możliwość odcięcia przepływu przepustnicami i klapami zwrotnymi, zapobiegające wstecznemu przepływowi powietrza.

Powietrze zewnętrzne po przepłynięciu przez wymienniki może być podgrzewane w nagrzewnicy kanałowej lub ochładzane w chłodnicy kanałowej w zależności od potrzeb. Przewidziano również możliwość różnicowania wartości strumieni powietrza nawiewnego i wywiewnego przepływających przez wymienniki, za pomocą układów upustowych oraz uzupełniających.

Pomiary parametrów powietrza odbywają się za pomocą kanałowych przetworników temperatury i wilgotności umieszczonych odpowiednio w kanałach głównych: powietrza zewnętrznego, nawiewanego, wywiewanego oraz usuwanego. Wydajność cieplna nagrzewnicy kanałowej sterowana jest za pomocą regulatora pulsacyjnego typu PWM, wydajność wentylatora - za pomocą potencjometru ręcznego, wydajność wymiennika obrotowego - za pomocą elektronicznego regulatora obrotów. Przewiduje się docelowo wykorzystanie stanowiska do badań długookresowych. Badania na stanowisku prowadzone będą wg dostępnych wytycznych/przepisów zarówno krajowych, jak i wytycznych AHRI/ANSI [7], ASHRAE [6], PN-EN [2, 3, 4].

Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego

Fig. 2. Scheme of research station

LITERATURA

[1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. 2002 nr 75 poz. 690) + późniejsze zmiany

[2] PN–EN 305:2001 Wymienniki ciepła. Definicje parametrów pracy wymienników ciepła oraz ogólna procedura badawcza do ustalenia wydajności wszystkich wymienników ciepła, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa 2001

[3] PN–EN 306:2001 Wymienniki ciepła. Metody pomiaru parametrów koniecznych do obliczania wydajności, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa 2001

[4] PN–EN 308:2001 Wymienniki ciepła. Procedury badawcze wyznaczania wydajności urządzeń do odzyskiwania ciepła w układzie powietrze-powietrze i powietrze-gazy spalinowe, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa 2001

[5] VDI 2071:1997-12 Wärmerückgewinnung in Raumlufttechnischen Anlagen, Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf 1997

[6] ANSI/ASHRAE 84 – 2008 Method of testing air-to-air heat/energy exchangers, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc., ASHRAE Inc. 2008

[7] ANSI/AHRI STANDARD 1060: 2005 Standard for performance rating of air-to-air exchangers for energy recovery ventilation, Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute, AHRI 2003

ABOUT INVESTIGATIONS OF EFFECTIVENESS OF RECOVERY WARMTH FROM EXHAUST AIR

It turns the more and more larger attention on solution of installation at present, acting effectively near simultaneously the limited waste of energy. The level of technical equipment of industrial buildings, public usefulness how and habitable grows also continually. Users demand the more and more higher comfort of microclimate, but this requires the larger waste of energy. Today therefore the economy of energy, and especially they become in ventilating arrangements the recovery of energy the standard. The changing recipes help here, but the also more complex offer of manufacturers of devices to salvage of energy. A lot of attention sacifice in investigations questions this at Wrocław University of Technology.



* Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa, Politechnika Wrocławska, maciej.besler@pwr.wroc.pl,

maciej.skrzycki@pwr.wroc.pl





Pobieranie 28.09 Kb.





©absta.pl 2020
wyślij wiadomość

    Strona główna