A közvetett párologtató hűtés lehetőségei és határai
A párologtató hűtés számítása
A szaktervezők és berendezésgyártók egy szabadon elérhető számítási eszközzel projektspecifikusan és rendkívül pontosan, nagyon egyszerűen meghatározhatják a párologtató hűtés energetikai és ökológiai előnyeit, valamint valós teljesítményeit és az évente előállított energiát.
Mostanáig a központi szellőzéstechnikai készülékekben a meleg külső levegő befújtlevegő-állapotra történő hűtése és párátlanítása legtöbbször mechanikus, szintetikus hűtőközegekkel működő vízhűtő egységek üzemeltetésével történt. A közvetett párologtató hűtés célja, hogy az elpárolgó víz a hűtési feladat lehető legnagyobb részét átvegye, és ezáltal csökkenjen a vízhűtő által szolgáltatott teljesítmény.
Ezáltal villamos energia takarítható meg, és csökkenhet CO2 kibocsátás, valamint a klímaberendezések működéséhez szükséges hűtőközegek környezetet terhelő emissziója. Így ha a szellőzéstechnikai készülékekben párologtató hűtést alkalmazunk léghűtésre, jelentős mértékű energiát takaríthatunk meg, és óvjuk a környezetünket is.
A közvetett párologtató hűtés elve
A közvetett párologtató hűtésnél az épületből távozó levegőt a lehető legnagyobb mértékben a 100%-os telítettségi állapotig nedvesítik. Ekkor az egy kg levegővel felvett víz minden grammja a levegő 2,5 K-es lehűlését eredményezi. Ezután a kb. 8–10 K-nel lehűtött távozó levegő átáramlik a szellőzéstechnikai készülékekben lévő hővisszanyerőn, és a meleg külső levegőből most már lényegesen több hőt képes felvenni. Ezáltal a külső levegőt a hővisszanyerés után a vízhűtő egység hűtőjében sokkal kevésbé kell továbbhűteni a például 19 °C-os befújtlevegő-hőmérséklet eléréséhez. Sok esetben a párologtató hűtés, mint ahogy példákkal még bemutatjuk, a hűtési periódusban az egyébként mechanikusan kifejtendő hűtési munkát több mint 50%-kal csökkentheti és jelentős üzemeltetési költségeket takaríthat meg.A párologtató hűtés teljesítménye
A párologtató hűtés teljesítőképessége sok befolyásoló tényezőtől függ. Ezekhez többek között az alábbi paraméterek tartoznak:
A párásítás minősége
A maximális hűtőhatáshoz a távozó levegőt a lehető legnagyobb mértékben a 100%-os relatív páratartalomig kell nedvesíteni. A jó rendszerek, például a garchingi Condair GmbH „ME” típusa, mintegy 97%-os értékeket érnek el.
A hővisszanyerés hatékonysága
Minél hatékonyabb a hővisszanyerés a szellőzéstechnikai készülékben (φ hővisszanyerési szám), annál több hőt tud a párologtató hűtésben lehűtött távozó levegő a meleg külső levegőből felvenni. Emellett a 2016 óta a szellőzéstechnikai készülékekre vonatkozó környezetbarát tervezési irányelvnek pozitív hatása is van: Ez a szellőzéstechnikai készüléknél a hővisszanyerés típusától függően legalább 63%-os jó hővisszanyerési számokat követel meg.
A távozó levegő állapotának befolyása
A távozó levegő annál erősebben nedvesíthető és hűthető, minél szárazabb. Párologtató hűtéssel a 24 és 28 °C közötti hőmérsékletű távozó levegő 95% relatív páratartalomra történő nedvesítése mellett kb. 9 K-nel (a távozó levegő 30%-os páratartalma), illetve kb. 5 K-nel (a távozó levegő 60%-os páratartalma) hűthető. Minél szárazabb a távozó levegő, annál nagyobb lesz a párologtató hűtés teljesítménye.
A külső levegő állapotának befolyása
Minél nagyobb a külső levegő és a távozó levegő hőmérsékletének különbsége és minél jobb a hővisszanyerés hővisszanyerési száma, annál több hőt tud a hűvös távozó levegő a meleg külső levegőtől elvonni. Ha a távozó levegőnek a párologtató hűtés után például 18 °C-os a hőmérséklete, a 32 °C-os hőmérsékletű külső levegőt kb. 9 K (hővisszanyerési szám 0,65) és 11,5 K (hővisszanyerési szám 0,80) közötti értékkel tudja lehűteni.
A párologtató hűtés további előnyei
A szellőzéstechnikai készülékekben levegőhűtésre használt mechanikus vízhűtők a hűtött víz előállításakor kb. 1 kWh villamos munkát használnak fel 3–4 kWh hűtési energia létrehozásához. Németországban minden kWh áram előállítása kb. 0,5 kg CO2 kibocsátással jár (atomenergiából, erőművekből és megújuló energiákból álló árammix). Ha a párologtató hűtőrendszerekkel a vízhűtők villamos munkája csökken, ezáltal a CO2 kibocsátások is csökkenthetők.
Ehhez egy további ökológiai hatás társul. Egy vízhűtő minden 3–4 kW hűtőteljesítményéhez annak hűtőkörében 1 kg hűtőközeg szükséges. Amennyiben ez a hűtőközeg-mennyiség kismértékű szivárgások miatt a hűtőkörből a környezetbe jut, ez (a mai hűtőközegek esetében) 1400–2100 kg CO2 környezeti terhelésének felel meg. A vízhűtők éves töltési mennyiségének kb. 4–5%-a elszivárog a rendszerből a környezetbe. Ha a párologtató hűtőrendszerek révén a hűtők kisebbre méretezhetők és kisebb hűtőközeg-mennyiséggel üzemeltethetők, a melegházhatású hűtőközeg-kibocsátások is csökkennek.
A megújuló energiákról és hőről szóló törvényben (EEWärmeG) mindazon fűtési és hűtési energiaáramlások, amelyek egy szellőzéstechnikai berendezés hővisszanyerőjében a távozó levegőből a befújt levegőbe átkerülnek, megújuló energiának számítanak, és az EEWärmeG mérlegben figyelembe vehetők. Ehhez tartozik a párologtató hűtés által előállított hűtési munka is.
A párologtató hűtés számítása
Mint a fentiekből látszik, egy párologtató hűtőrendszer teljesítményének és ténylegesen elérhető hűtési munkájának számítása sok paramétertől függ. Még összetettebbek lesznek a számítások, ha a helyszíntől, projekttől és üzemtől függő szempontokat és különösen a külső levegő éves alakulását is figyelembe kell venni a hőmérséklet, páratartalom és entalpia tekintetében. A Condair mindezeket a tényezőket a nagyon nagy teljesítményű és egyszerűen használható számítási eszközben, a „myCoolblue” szoftverben foglalta egybe. Ez az ingyenesen rendelkezésre álló alkalmazás ( www.condair.de/myCoolblue-app ) három lépésen alapul:1. lépés
magában foglalja a projekt helyszíne és az összes kívánt üzemi adat (használati idők, előírt hőmérséklet- és páratartalom-értékek) megadását. Az alkalmazásban megtalálható 15 német klímarégió és több, mint 300 nemzetközi, a világtérképről vagy egy menüből kiválasztható város külső hőmérsékleteinek éves alakulása. A szabványos tervezési állapotok adatai a VDI 4710-en (t,xkorrelációk) és a Meteonorm időjárási adatokon alapulnak.
2. lépés
a berendezés adatainak megadására vonatkozik. Ezek a levegő térfogatárama, a szellőzéstechnikai készülék előrelátható méretei, a hővisszanyerés rendszere, a ventilátorok hatásfokai és nyomásfokozása, valamint a részegységek elrendezése a szellőzéstechnikai készülékben.
3. lépés
Ezekből az adatokból pár pillanat alatt kiszámítja az eredményeket és abszolút értékek formájában, ill. grafikusan megjeleníti. Az eredmények például a hűtőgép szükséges névleges teljesítménye a párologtató hűtés figyelembe vételével és anélkül, a párologtató hűtés éves alakulása, valamint a levegőhűtésre felhasznált teljes éves hűtési munka a vízhűtő, a párologtató hűtés és a hővisszanyerés arányaival (megújuló hányad). Az eredmények ismét három esetre számíthatók:
1. eset: Éves szimuláció normál nyár esetére (10 éves középértékek) a párologtató hűtés átlagosan várható energetikai hozzájárulásának meghatározására és a gazdaságosság értékelésére. Ekkor figyelembe kell venni, hogy az eredmények a megfigyelési időszak középértékét jelenítik meg és így egy „szintetikus” éves lefolyást mutatnak.
2. eset: Éves szimuláció rendkívül meleg nyár esetére a párologtató hűtő és a vízhűtőgép méretezéséhez a maximálisan jelentkező hűtési igény fedezése érdekében. Itt egy évet választunk ki a megfigyelési időszakon belül különösen meleg nyári hőmérsékletekkel, és ez így olyan extrém értékeknek felel meg, amelyeket az érzékeny követelményeknél figyelembe kell venni.
3. eset: Csak teljesítmény-méretezés a VDI 4710 szerinti szabványos külső körülmények vagy összehasonlítható tervezési állapotok esetére a Meteonorm időjárási adatok alapján, azonban éves szimuláció nélkül. Az eredményeknél egy éves teljesítményfaktor is megjelenik. Ez a párologtató hűtés által végzett hűtési munka és a párologtató vízhez szükséges szivattyúzási munka viszonyából, és a párologtató hűtőrendszer levegőoldali nyomásveszteségének leküzdéséhez szükséges ventilátormunkából adódik. Az adatokból egy PDF fájl keletkezik, amely a projekthez kinyomtatható vagy e-mailben elküldhető.
Több változó, pl. a levegő térfogatáramainak változásai, a hőmérsékletek, a hővisszanyerés módja, a ventilátorok hatásfokai, a részegységek szellőzéstechnikai készülékben történő elrendezése, a helyiség vagy a helyszín megengedett legnagyobb páratartalma számítása és megjelenítése az alkalmazással csak néhány másodpercig tart. Így az alkalmazás szimulációs eredményei optimális alapot adnak a párologtató hűtés minden egyes projektnél gyakran eltérő potenciáljainak és teljesítményeinek valós számítására és becslésére.
Számítási példák
Az alábbiakban egy párologtató hűtés hűtöttvíz-megtakarítási potenciáljának a „myCoolblue” alkalmazással történő becslésére több számítási példát végzünk. Ehhez egy mintaprojekthez (irodaépület) az alábbi üzemeltetési feltételek adottak:
• Levegő-térfogatáram 27 000 m³/h (= 7,5 m³/s) • Készülék keresztmetszete Sz 2 250 x Ma 1 750 mm
• Levegősebesség 1,9 m/sbr> • Frisslevegő-hőmérséklet 18–20 °C
• Szobahőmérséklet előírt/nyári kompenzációja 22–26 °C
• Helyiség páratartalma maximum 65%
• Hővisszanyerés hővisszanyerési száma 70%
• A szellőzéstechnikai berendezés üzeme napi 12 óra, heti 5 nap (= 3120 óra/év)
A párologtató hűtés teljesítményének szemléltetésére ezt a projektet különböző német és nemzetközi forró, hűvös, párás és száraz klímájú helyszíneken tesszük közzé. A helyszín e változtatásai és a megfelelő eredmények megjelenítése az alkalmazással csak néhány másodpercig tart. Az 1. táblázatban található értékek a párologtató hűtésre több fontos tendenciát mutatnak: A mérsékelt és meleg helyszíneken (Mannheim, Potsdam, Essen, Rostock) a párologtató hűtés a levegőhűtéshez szükséges éves hűtési munka 44–51%-át adja. A Fichtelberg hűvös helyszínén a 78%-os arány ugyan nagyobb, de az egyáltalán szükséges hűtési munka abszolút értéke nagyon kicsi.
A nyáron forró, de inkább száraz helyszíneken (Madrid, Rijád, Las Vegas) a párologtató hűtés az éves hűtési munka 52–75%-os értékeit éri el – nagy és nagyon nagy éves munkaszámok mellett! Ez a trend viszont csökken a helyszín páratartalmának növekedésével (Chicago, Colombo): Itt a párologtató hűtés már csak az éves hűtési munka 10–29%-át éri el. Mindamellett a párologtató hűtés a trópusi helyszíneken, pl. Colomboban egész évben üzemel.
Itt a párologtató hűtés veszi át a külső levegő előhűtésének feladatát. Ahhoz, hogy a külső levegőt a megkövetelt páratartalomra és befújtlevegő-hőmérsékletre lehessen kondicionálni (különösen a párátlanítás szempontjából!), a mechanikus klímagépeknek nagy teljesítményeket kell alacsony előremenő vízhőmérsékletek mellett leadniuk.
A párologtató hűtés gazdaságossága
A közvetett párologtató hűtés sok ökológiai előnye mellett e hűtési megoldás gazdaságossága is természetesen fontos szerepet játszik. A beszerzésnél jelentkező többletköltségeket az üzemeltetési költségeknél elérhető megtakarítások kompenzálják a mechanikus klimatizálással összehasonlítva.
Az előbbiekben felvázolt nagyon sok helyszín-specifikus és üzemeltetéstől függő tényező miatt minden klíma- és hűtési projektet a párologtató hűtés gazdaságossága szempontjából egyedileg kell megvizsgálni. Itt a leírt paramétereken túlmenően még a tényleges projektspecifikus áram- és vízköltségek is fontosak. Azonban a párologtató hűtést alapvetően nem önmagában kell vizsgálni, hanem kombinált rendszerként, a hővisszanyeréssel együtt, hiszen enélkül a közvetett párologtató hűtés fizikailag nem alkalmazható.
A párologtató hűtés alkalmazásával a kombinált rendszer értékcsökkenési ideje a hővisszanyeréssel együtt lényegtelenül hosszabbodik meg. Ezért a lehetséges értékcsökkenési idők sávszélessége nagy, és minden projekthez egyedileg meghatározható. A párologtató hűtőrendszerek gyártói az ügyfelek számára ilyen gazdaságossági számításokat kínálnak. A lehetséges kialakítási változatok azonban már előzetesen is a szimulációs alkalmazással modellezhetők és energetikailag számíthatók.
Összefoglalás
Ahhoz, hogy sok alkalmazási területen a levegőhűtéshez eddig majdnem kizárólag használt, árammal működtetett vízhűtők teljesítményeit csökkenteni lehessen, a párologtató hűtés technikája jelentős potenciálokat kínál. A szellőzéstechnikai készülékek távozólevegő-áramában lévő víz elpárologtatásával szinte áram nélkül lehet hűtési teljesítményt létrehozni. Potenciáljait a közvetett párologtató hűtés energetikai szempontból különösen jól hasznosíthatja, ha az alábbi feltételek teljesülnek:
• a párologtató hűtés nagy párásítási hatásfoka,
• a hővisszanyerés nagy hővisszanyerési száma,
• a távozó levegő kis páratartalma,
• nyáron forró és száraz helyszínek.
A párologtató hűtés azonban nem arra szolgál, hogy az épület hűtését teljesen átvegye. Az csak nagyon kevés projektnél, például nyáron hűvös helyszíneken képes egy vízhűtőt teljesen pótolni. Ezért a párologtató hűtésre elsősorban a „külső levegő előhűtésének ökológiai alaprendszereként” lehet tekinteni.
A maradékot vagy csúcsterhelést ekkor átveszi a kisebb teljesítményre méretezett és így kedvezőbb vízhűtő. A párologtató hűtéssel azonban majdnem minden projektnél nagy megtakarítások érhetők el a hagyományosan elvégzendő hűtési munka mellett.
Néhány esetben a fizikai határok elfogadásakor akár tiszta párologtató hűtés is alkalmazható, és így a mechanikus klimatizálástól teljesen el lehet tekinteni.