ODVLHČOVANIE VZDUCHU ZVYŠUJE ENERGETICKÚ EFEKTÍVNOSŤ CHLADENIA
Thomas MEYER*, Cristina RICART, Technische Universität Berlin, Institute of Energy Engineering, Berlin, preložil Peter Tomlein
Zníženie spotreby elektrickej energie kompresného chladiaceho systému pre klimatizáciu sa dá predchádzajúcim tepelne poháňaným absorpčným systémom odvlhčovania vzduchu.
Chladenie vzduchu znamená zmysluplné zníženie latentnej záťaže na zníženie teploty a vlhkosti. Časť potrebná na kondenzáciu vlhkosti býva výrazná až dominantná. Odvlhčovanie vzduchu v tepelne poháňanom otvorenom absorpčnom (vysúšacom) systéme nasledované jeho ochladzovaním v bežnom chladiči prináša potenciál pre veľké zníženie elektrickej spotreby energie.
V tomto príspevku je predstavená metodika výpočtu špecifickej spotreby elektrickej energie na kilogram chladeného vzduchu konvenčného a hybridného systému pre klimatizačné aplikácie. Skúma sa potenciálna úspora elektrickej energie v závislosti od okolitých podmienok.
Odvlhčovacie systémy s otvorenou absorpciou pracujúce s nízkokvalitnými zdrojmi tepla pri teplote okolo 85 °C môžu ušetriť až 80 % spotreby elektrickej energie v teplom a vlhkom podnebí. Ale aj v menej vlhkých klimatických podmienkach je potenciál úspory elektrickej energie podobne vysoký, medzi 65 a 70 %, takmer nezávisle od teploty okolia.
Rozsah skúšok znižovaním latentnej záťaže, teploty a vlhkosti
Na obrázku 1 je znázornený proces úpravy vzduchu (AC) z okolitých (1) do cieľových podmienok (4) v psychrometrickom grafe pre konvenčný systém (CC) a hybridný systém (OA+CC). V tomto príklade suchá teplota t1 a relatívna vlhkosť 𝜑1 vzduchu sú 35°C a 45%, čo vedie k pomeru vlhkosti ω1 asi 16 gv/kgda a špecifická entalpia h1 77 kJ/kgda. Cieľové podmienky ovzdušia kondicionačného systému (AC) sú T4 = 15 °C a 𝜑4 = 54 % (ω4 ≈ 5,5 gv/kgda, h4 ≈ 29 kJ/kgda, Tdp4 ≈ 6 °C), čo je zjavne chladnejšia ako teplota priestoru v miestnosti (T4<T5 ≈ 23°C).
V kompresnom chladiči sa vzduch ochladzuje pri konštantnom pomere vlhkosti až do teploty rosného bodu sa dosiahne okolitý vzduch (1-2). Od tohto momentu sa vzduch ochladzuje podľa ideálne línie nasýtenia (𝜑=100%), kým sa nedosiahne teplota rosného bodu požadovaných podmienok (2-3), čo je vždy chladnejšie ako cieľová teplota (T3 = Tdp4 ≈ 6°C <T4) (h3 ≈ 19 kJ/kgda). V tomto kroku vlhkosť kondenzuje.
Existuje niekoľko spôsobov, ako dosiahnuť cieľovú teplotu T4: vzduch je možné ohrievať pomocou pomocného elektrického prúdu ohrievačom alebo čiastočne rekuperáciou tepla s odpadovým vzduchom. Alternatívne sa dá dosiahnuť aj zmiešaním časti odpadového vzduchu s upraveným čerstvým vzduchom (3+5 -> 4). Vzduchotechnické jednotky zvyčajne používajú kombináciu zo všetkých možností (Beggs 2009). V tejto práci sa, samozrejme, zameriavame na zvládanie latentnej záťaže okolia vzduchu a tým aj úsporu elektrickej energie pri jeho úprave. Preto iba úprava okolitého vzduchu tu sa berie do úvahy.
Kvôli jednoduchosti je tvorba vlhkosti v miestnosti generovaná napr. transpiráciou ľudí a rastlín sa tu tiež zanedbáva (ω3 = ω4 = ω5 ≈ 6 gv/kga). V opačnom prípade chladič by sa mal odvlhčiť na nižšiu teplotu rosného bodu, aby sa kompenzovali prírastky vlhkosti. Požadovaný špecifický chladiaci výkon chladiča pre daný tento príklad je q0 = Δhlatent + Δhsensible = (h1-h6)+(h6-h3) = h1-h3 ≈ 58 kJ/kgda.
V hybridnom systéme sa vzduch najskôr takmer vysuší v otvorenom absorpčnom odvlhčovacom systéme (OA) izotermicky, kým sa nedosiahne požadovaná teplota rosného bodu, t.j. pomer vlhkosti, cieľového vzduchu (1-6) (T6 ≈ T1, ω6 = ω4, h6 ≈ 49 kJ/kgda). Špecifická kapacita odvlhčovania je tu q0,dehum. = Δvlas,latentný = h1->h6 ≈ 28 kJ/kgda.
Cieľová teplota T4 sa dosiahne ochladením vzduchu v nasledujúcom kroku (6>-4). To sa dá realizovať napríklad kompresným alebo absorpčným chladičom, zdrojom tepla tepelného čerpadla, alebo nepriamym resp. dokonca aj priame procesy ochladzovania odparovaním (Beggs 2009, Chen a kol., 2020, Mohammad a kol., 2016). V druhom prípade by sa vyžadovali nižšie hodnoty ω6. V žiadnom prípade nekondenzuje voda, pretože teplota zostáva nad rosným bodom vzduchu. V tejto práci je použitie rovnakého chladiča používaného v konvenčnom systéme, keďže zameranie je na úsporu elektrickej energie v danom systéme. Chladič potrebuje dodávať iba q0, chladenie = Δhair, senssible = h6-h4 ≈ 20 kJ/kgda, približne 34 % chladiacej kapacity konvenčného systému. V prípade neizotermického odvlhčovania, vzduch opúšťa OA pri vyššej teplote (6’), zvyčajne 2 až 5 K nad teplotou okolitého prostredia (Chen a kol. 2020). To by mierne zvýšilo chladiaci výkon chladiča asi o 5 kJ/kga, ale stále je hlboko pod konvenčným systémom vrátane odvlhčovania. S vnútorným chladením vzduch na výstupe z odvlhčovača by mohol byť tiež chladnejší (Chen et al. 2020). V analýze sa predpokladajú izotermické podmienky v absorbéri, doložené vlastnými experimentálnymi výsledkami (Ricart a kol. 2017). Upozorňujeme, že v hybridnom systéme chladič pracuje pri teplote okolo 15 °C, na rozdiel od 6 °C konvenčného systému. To má vplyv na elektrickú účinnosť, ktorá bude podrobne diskutovaná v sekcii výsledkov.
Otvorený absorpčný systém na odvlhčovanie vzduchu
Otvorené absorpčné systémy odvlhčovania vzduchu (OA) sa spoliehajú na kapacitu niektorých látok, tzv. sušidlá, aby absorbovali vlhkosť vzduchu nad jeho teplotou rosného bodu v dôsledku rozdielu pár tlak medzi vzduchom a roztokom. Sušidlá môžu byť pevné (adsorpcia) alebo kvapalné (absorpcia). Tieto umožňujú vnútornú rekuperáciu tepla a môžu fungovať ako zásobník energie od regenerácie a súčasné odvlhčovanie nie je nevyhnutne. Na obrázku 1 je zjednodušená schéma OA s použitím kvapaliny je zobrazené vysúšadlo. Systém pozostáva v podstate z dvoch výmenníkov tepla a hmoty s určitou výmenou oblasť A: absorbér (A) na odvlhčenie vzduchu a desorbér (D) na regeneráciu sušiaceho roztoku. V oboch prípadoch okolitý vzduch vstupuje do spodnej časti každého stýkača (𝑚̇oA a 𝑚̇aD) a prúdi v priamom kontakte protiprúdom s roztokom (𝑚̇d).
V absorbéri (odvlhčovači) sa odstraňuje vzdušná vlhkosť (𝑚̇abs'). Vzduch opúšťajúci absorbér je suchší (ωA<ωamb) a roztok sa zriedi z hmotnostného podielu xc na xd. Teplo sa zvyčajne odvádza do okolia cez okruh chladiacej vody pri teplote chladenia TA. Roztok opúšťajúci absorbér cirkuluje dodesorbéra, kde sa proces zahrieva na hnaciu teplotu TD. Uvoľňuje sa desorbovaná voda 𝑚̇des (v prúde odpadového vzduchu dosahujúceho vysoké pomery vlhkosti (ωD>ωamb). Výmenník tepla s roztokom je inštalovaný na vnútornú rekuperáciu tepla. Zvyčajne je medzi vstupom a výstupom desorbéra umiestnený vzduchový výmenník tepla, aby sa znížili aj citeľné tepelné straty. Experimentálne dáta využívajúce tento systém a jeho teoretické modelovanie boli prezentované Ricartom a kol. (2017) a Meyer (2023).
VÝSLEDKY SIMULÁCIE
V tejto časti výsledkov je „konvenčný“ referenčný systém obsahujúci iba kompresorový chladič na kondicionovanie vzduchu a navrhovaný systém s predchádzajúcim otvoreným absorpčným odvlhčovaním. Skúma sa latentná záťaž a kompresný chladič na odvod citeľného tepla - chladenie. Teplota okolia je rôzna od tamb = 25 °C do 45 °C ako nezávislá premenná pre dve rôzne relatívne vlhkosti 𝜑 = 0,4 a 𝜑 = 0,8 ako parameter. Tieto dve relatívne vlhkosti predstavujú rôzne klimatické podmienky v teplom vlhkom a suchšom vzduchu v teplých oblastiach sveta. Pre opísané podmienky, pomery vlhkosti okolia vzduchu sú uvedené na obrázku 5 v rozsahu od ωamb = 8 g · kgda-1 pre tamb = 25 °C a 𝜑 = 0,4 až do ωamb = 50 g · kgda-1 pre tamb = 45 °C a 𝜑 = 0,8 vo vlhkejších oblastiach. Tieto teplotné a vlhkostné podmienky sú hraničné podmienky pre dva rôzne chladiace systémy, o ktorých sa tu uvažuje.
Na obrázku 4 je znázornená recipročná elektrická účinnosť pre Carnotov cyklus proti smeru hodinových ručičiek bodkované čiary a skutočný cyklus daný plnými čiarami. Tieto vzájomné účinnosti priamo udávajú mernú spotrebu elektriny na jednotku chladu. Resp. tiež Carnotova kvalita je daná ako funkcia okolitej teploty vykazujúca uvedené mierne maximum v približne tamb = 38 °C. Všetky riadky sú uvedené pre dve rôzne teploty studeného vzduchu t0,out = 5,5°C a t0,out =15°C predstavujúce dva prevádzkové režimy kompresného chladiča. Nižšia teplota zodpovedá konvenčnému chladiču (s chladeným vzduchom a kondenzáciou vody), pričom vyššia teplota 15°C zodpovedá hybridnému systému, kde sa kompresné chladenie CC používa len na citeľné ochladzovanie vzduchu za systémom odvlhčovania OA (6-4).
Prerušované čiary sú priame čiary pre konštantu t0 a meniace sa t1 podľa rovnice. (4). Čím bližšie je t0 k t1 (malé zvýšenie teploty), tým nižší je špecifický elektrický faktor pre reverzibilný cyklus. Navyše 15 % zvýšenie Carnotovej funkcie kvality (bodkovaná čiara) sa tu predpokladá pre výstupnú teplotu vzduchu t0,out=15 °C v porovnaní s CQ pre t0,out = 5,5 °C, pretože zvýšenie nižšej teploty pravdepodobne vedie tiež k nižšej vnútornej strate.
Tieto dva efekty sú vyvolané iba zvýšením výstupnej teploty vzduchu o približne 10 K, čo vedie k jej zníženiu na polovicu, špecifického elektrického faktora (EER). To znamená, že takmer polovica spotreby elektrickej energie na jednotku chladiaceho zaťaženia môže sa ušetriť zvýšením výstupnej teploty vzduchu o cca 10 K.
Taktiež je jasne vidieť, že skutočná požiadavka na elektrinu sa zvyšuje nelineárne so zvyšujúcou sa teplotou okolia, čo je spôsobené miernymi zmenami v Carnotovej funkcii kvality. Pri zvýšených teplotách okolia sa tento účinok zdá byť ešte závažnejší, pretože dopyt po elektrine pre reverzibilný proces je zvýšený a potom je škálovaný pomocou funkcie CQ.
Regulácia vlhkosti otvoreného absorpčného systému a merná potreba tepla na absorpciu
odvlhčovanie
Použiteľnosť tepelne poháňaného otvoreného absorpčného odvlhčovacieho systému je skúmaná na riadenie pomeru výstupnej vlhkosti. Cieľom je dosiahnuť cieľovú hodnotu ωcieľ = 6 g ·kgda-1 nezávisle od pomeru vstupnej vlhkosti.
ZÁVERY
V tejto štúdii sa skúma potreba elektrickej energie konvenčných systémov s chladením kompresiou pri meniacich sa klimatických podmienkach. Počítalo sa s pomerne suchým a zároveň vlhkým scenárom.
V prvej časti sa skúmal špecifický elektrický faktor kompresného chladiča ako funkcie okolitej teploty a cieľovej teploty s ohľadom na odvlhčovanie.
V druhej časti odvlhčovanie bolo predsunuté a ovládané tepelne poháňanou otvorenou absorpciou. Systém indikujúci úsporu elektrickej energie v rozsahu od 65 do 80 % takmer nezávisle od teploty okolia podobne pre suchšie aj vlhkejšie oblasti.
Sú dva hlavné dôvody na veľké úspory
Po prvé, zrejmým dôvodom je zníženie skutočnej chladiacej zaťaže o odstránenie vlhkosti v cieľovom pomere vlhkosti pred samotným chladením.
Po druhé, iba manipuláciou citeľného zaťaženia, zvýšenie teploty výstupného vzduchu z kompresného chladiča vedie len k polovici špecifického elektrického faktora EER pre citeľné chladenie v porovnaní s koeficientom referenčného systému. V závislosti od tepelnej účinnosti otvoreného absorpčného odvlhčovacieho systému a klimatických podmienkach, je však potrebné značné množstvo tepla na kg suchého vzduchu. Napriek tomu pri zvýšenom prostredí teploty má špecifický tepelný faktor tendenciu k nižším hodnotám, čím sa využívajú absorpčné systémy ekonomicky výhodnejšie.
Otvorené absorpčné odvlhčovacie systémy pracujúce s nízkokvalitnými zdrojmi tepla pri teplote okolo 85 °C môžu ušetriť až 80 % dopytu po elektrickej energii v teplom a veľmi vlhkom podnebí.
Dokonca aj v menej vlhkom podnebí potenciál úspor elektrickej energie je tiež vysoký, pohybuje sa medzi 65 a 70 %, takmer nezávisle od teploty okolia. Je potrebné vyvinúť úsilie na zvýšenie tepelnej účinnosti otvorenej sorpcie systémov, aby bol merný tepelný faktor čo najnižší a tomu zodpovedajúce merné teplo požiadavka na absorpčné odvlhčovanie v prijateľnom rozsahu.
Viac informácií nájdete v časopise Správy 3/2024