970×90

Wpływ zabezpieczenia przeciwzamrożeniowego (nagrzewnicy) na sprawność odzysku ciepła centrali rekuperacyjnej

Inwestor przy zakupie centrali rekuperacyjnej bardzo często kieruje się podstawowym parametrem wymiennika: sprawnością temperaturową odzysku ciepła. Jest to o tyle uzasadnione, że sprawność temperaturowa pozwala na oszacowanie oszczędności, jakie może przynieść zastosowanie danego typu rekuperatora. Niestety o rzeczywistych oszczędnościach, oprócz sprawności, decyduje również układ zabezpieczenia przeciwzamrożeniowego wymiennika. I o tym będzie niniejszy artykuł.

Przeanalizujmy pracę centrali wentylacyjnej nawiewno-wywiewnej z przeciwprądowym wymiennikiem służącym do odzysku ciepła z powietrza wywiewanego. Zimą, powietrze wywiewane z pomieszczenia ma znacznie wyższą temperaturę niż powietrze zewnętrzne na wlocie wymiennika. Przypomnijmy, że w wymienniku krzyżowym lub przeciwprądowym, strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego  rozdzielone są cienką membraną, metalową lub z tworzywa sztucznego. W przypadku, gdy w powietrzu wywiewanym zawarta jest para wodna, a membrana zostanie oziębiona przez strumień powietrza zewnętrznego poniżej pewnej temperatury zwanej temperaturą punktu rosy, w wymienniku nastąpi wykroplenie wody (po stronie wywiewu). Jeśli temperatura membrany będzie wynosiła mniej niż 0°C, wykraplana woda zacznie zamarzać.

Zachowanie typowego wymiennika przeciwprądowego możemy sprawdzić korzystając z programu doboru producenta [1]. Na rysunku 1 pokazałem wyniki obliczeń dla wymiennika L0200/1.5A 250mm firmy Heatex, uzyskane dla skrajnie niskiej temperatury powietrza na wlocie nawiewu (Tc=-20°C, projektowa temperatura zewnętrzna według normy [2]). Jak widzimy, temperatura na wylocie wywiewu będzie wynosiła -10,8°C, co przy szybkości powstawania skroplin 0,5l/h gwarantuje wystąpienie oblodzenia wymiennika.

Dobór wymiennika przeciwprądowego w programie producenta
Rysunek 1: Dobór wymiennika przeciwprądowego w programie producenta[1]
 

Samo wykraplanie się wody jest zjawiskiem korzystnym, gdyż w ten sposób odzyskujemy również energię związaną z ciepłem parowania [3]. Niestety, gdy temperatura powietrza na czerpni (Tc) jest zbyt niska, dochodzi do zamarzania skroplin. Zmniejsza się wtedy przekrój szczelin wymiennika po stronie wywiewu co może doprowadzić do zmniejszenia strumienia powietrza wywiewanego lub wręcz całkowitego oblodzenia rekuperatora. Dlatego też stosuje się różne sposoby zabezpieczenia wymiennika, polegające na okresowym wyłączaniu wentylatora nawiewnego, przepuszczaniu części strumienia nawiewnego poza wymiennikiem (tzw. by-pass) lub zastosowaniu dodatkowej nagrzewnicy elektrycznej za czerpnią [4][5].

 

Schemat układu zabezpieczenia przeciwzamrożeniowego wymiennika
Rysunek 2: Schemat układu zabezpieczenia przeciwzamrożeniowego wymiennika

 

W dalszej części artykułu przeanalizujmy ostatni z wymienionych sposobów zabezpieczenia wymiennika – dodatkową nagrzewnicę elektryczną umieszczoną za czerpnią. Konfigurację tego typu zabezpieczenia pokazałem na rysunku 2. O tym, czy zachodzi ryzyko zamarzania decydujemy na podstawie informacji z czujnika temperatury powietrza wywiewanego za wymiennikiem (TW). Układ regulatora tak dobiera moc nagrzewnicy elektrycznej, aby w przypadku gdy temperatura powietrza na czerpni (TC) jest ujemna, temperatura TW była większa lub równa pewnej ustawionej przez instalatora wartości TR. Dzięki zastosowaniu układów opartych na tyrystorach lub przekaźnikach półprzewodnikowych możliwe jest uzyskanie efektu płynnego sterowania mocą nagrzewnicy. Jeśli ustalimy wartość TR na poziomie 2…5°C, powietrze po stronie wywiewu za rekuperatorem będzie miało zawsze dodatnią temperaturę co pozwoli na uniknięcie oblodzenia wymiennika. Wyniki działania takiego zabezpieczenia dla analizowanego wymiennika, przy założeniu równych strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego (100m3/h) pokazałem w tabeli 1. Jako dane temperaturowe wykorzystałem dane klimatyczne dla Warszawy do obliczeń energetycznych budynków w miesiącu styczniu. W obliczeniach przyjąłem, że powietrze usuwane z pomieszczenia miało stałe parametry (TP=20°C, wilgotność względna 40%) natomiast wartość TR ustalono na poziomie 2°C.

Oznaczenia zastosowane w tabeli:

Tc – temperatura powietrza zewnętrznego dla obu przypadków,
TW – temperatura na wywiewie za wymiennikiem w przypadku nieuwzględnienia zabezpieczenia,
TN – temperatura na nawiewie za wymiennikiem w przypadku nieuwzględnienia zabezpieczenia,
P1 – odzyskana moc w przypadku nieuwzględnienia zabezpieczenia,
n – liczba godzin, gdy obliczeniowa temperatura zewnętrzna wynosi Tc,
E1 – odzyskana energia w przypadku nieuwzględnienia zabezpieczenia,
T’C – temperatura powietrza nawiewanego za nagrzewnicą elektryczną w przypadku zastosowania zabezpieczenia,
TN2 – temperatura na nawiewie za wymiennikiem w przypadku zastosowania zabezpieczenia,
P2 – odzyskana moc w przypadku zastosowania zabezpieczenia,
E2 – odzyskana energia w przypadku zastosowania zabezpieczenia,
P3 – moc nagrzewnicy elektrycznej w przypadku zastosowania zabezpieczenia,
E3 – energia zużyta przez nagrzewnicę elektryczną w przypadku zastosowania zabezpieczenia.

 

Porównanie ilości odzyskanej energii z i bez uwzględnienia zabezpieczenia przeciwzamrożeniowego dla miesiąca stycznia według danych obliczeniowych dla miasta Warszawy. Kolorem szarym oznaczyłem obszar, w którym zadziała zabezpieczenie.
Tabela 1: Porównanie ilości odzyskanej energii z i bez uwzględnienia zabezpieczenia przeciwzamrożeniowego dla miesiąca stycznia według danych obliczeniowych dla miasta Warszawy. Kolorem szarym oznaczyłem obszar, w którym zadziała zabezpieczenie.

Jak widzimy, w rozważanym przypadku rzeczywiste oszczędności wynikające z odzysku energii (435,6 kWh) są o około 7% mniejsze niż w przypadku nieuwzględnienia zabezpieczenia przeciwzamrożeniowego (406,2 kWh). W związku z faktem, że przedstawione wyliczenia zostały wykonane dla miesiąca stycznia, w innych, cieplejszych okresach różnice te będą mniejsze. Oczywiście na ilość odzyskanej energii ma również wpływ wartość założonej temperatury TR – im wartość ta będzie niższa, tym więcej energii odzyskamy. Niestety zbytnie obniżanie tej wartości zwiększa ryzyko oblodzenia rekuperatora.

Podobna analiza, przeprowadzona dla innych sposobów zabezpieczenia przeciwzamrożeniowego układów odzysku ciepła prowadzi do takich samych wniosków – zadziałanie układu każdorazowo zmniejsza ilość odzyskiwanej energii.

Jak pokazałem wyżej, ilość odzyskanego ciepła jest mniejsza niż wynikałoby to z samej sprawności temperaturowej wymiennika. Obliczenia rzeczywistej sprawności całego układu są dosyć żmudne, gdyż każdorazowo należy uwzględnić zarówno warunki klimatyczne, jak też specyfikę wynikającą z punktu pracy centrali (natężenie przepływu powietrza nawiewanego i wywiewanego, temperatura i wilgotność powietrza wywiewanego). Dlatego renomowani producenci central rekuperacyjnych korzystają z tzw. programów doboru [6], które dostarczają kompleksową analizę zużycia energii będącą częścią analizy kosztów życia urządzenia (LCC – z ang. Life Cycle Cost Analysis) [7].

Opracował: Piotr Kaczmarek
O Autorze: Piotr Kaczmarek od 1998 roku jest związany z branżą klimatyzacyjną. Zajmuje się tworzeniem oprogramowania wspomagającego projektowanie urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych oraz ich komponentów. Jest autorem programów doboru central klimatyzacyjnych, wymienników ciepła, pomp ciepła oraz układów automatyki dla największych polskich producentów. Od 2007 roku prowadzi firmę DOBORY.PL, specjalizującą się w opracowywaniu narzędzi obliczeniowych dla branży HVACR.
Źródła
 [1] Program doboru wymienników firmy Heatex http://heatexselect.heatex.com/ (dostęp z dnia 02.01.2015)
[2 ]Norma PN-EN 12831 „Instalacje ogrzewcze w budynkach – Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego”
[3] Piotr Kaczmarek „Od czego zależy sprawność rekuperatora cz. 1”, http://centrale-rekuperacyjne.pl/od-czego-zalezy-sprawnosc-rekuperatora-cz-1/ (dostęp z dnia 02.01.2015)
[4] Piotr Kaczmarek „Automatyka rekuperatora – zabezpieczenie przeciwzamrożeniowe” http://centrale-rekuperacyjne.pl/wymiennik-przeciwpradowy-zabezpieczenie-przeciwzamrozeniowe-cz-1/ (dostęp z dnia 02.01.2015)
[5] Bernard Zawada „Układy sterowania w systemach klimatyzacji i wentylacji”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2006
[6] Piotr Kaczmarek „Dobór central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych w jedną minutę”, Polski Instalator, 6/2001
[7] „Koszt w cyklu życia” http://www.portal.pemp.pl/efektywnosc-energetyczna/tzlcc (dostęp z dnia 02.01.2015)
 

1 Komentarz

  1. Pingback: Wpływ zabezpieczenia przeciwzamrożeniowego na sprawność odzysku ciepła

Zostaw odpowiedź

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *


trzy × = 12