2. LÉG‐KLÍMATECHNIKAI RENDSZEREK ÜZEMELTETÉSE ÉS DIAGNOSZTIKÁJA
2.6 A KLÍMAKÖZPONTOK ENERGIAFELHASZNÁLÁSÁNAK MEGHATÁROZÁSA
A klímaközpontok igen jelentős energiamennyiséget használnak fel a levegő melegítésére, ill. hűtésére. Az elhasznált levegővel ennek az energiaigénynek nagy hányada a külső térbe távozik. Az energiafelhasználás jelentősen csökkenthető a távozó levegőáram energiatartalmának hasznosításával.
Az energia-visszanyerés egyik leggyakrabban igénybe vett formája a keverés. A rendszerek zöménél a távozó levegő energiatartalmának jelentős részét a keverés során hasznosítani lehet. A keverésnek azonban vannak korlátai, ennek következtében még tekintélyes energiahányad kerül ki a külső térbe.
A másik módszer, amivel lehet csökkenteni a energiafelhasználást, a hővisszanyerő berendezések alkalmazása [2.5].
A továbbiakban a rekuperatív hővisszanyerővel és nedvesítőkamrával üzemelő frisslevegős klímaközpont energiafelhasználását vizsgáljuk.
A fűtési és hűtési energiafelhasználás meghatározásánál figyelembe kell venni, hogy a külső levegő állapota (hőmérséklet, nedvességtartalom és entalpia) a napi periódusidőnek megfelelően, évszakonként módosulva változik.
A klímaközpontok energiafelhasználása a fűtés, a hűtés, a ventilátor és a szivattyú energiafelhasználásából tevődik össze, számításukat nagyon megnehezíti, hogy a levegőkezelő központok az év során elsősorban a változó külső időjárás, légállapot jellemzők miatt folyamatosan változó teljesítménnyel üzemelnek [2.7].
A klímaközpontok üzemeltetése során lejátszódó folyamatokat Mollier-féle h–x diagramban lehet szemléltetni a legjobban [2.8].
A szellőztető és klimatizáló rendszerek üzemeltetésekor az egyik veszteség a távozó levegővel elvitt hőáram. A távozó levegővel előálló energiaveszteség a téli és nyári méretezési állapotban, a legnagyobb energiaigényű időszakokban a legjelentősebb.
Az éves fűtési és hűtési energiafelhasználással és a hővisszanyeréssel arányos területek meghatározását a 2.5 ábra mutatja [2.2].
A 2.5. ábra alapján az éves fűtési energiafelhasználás hő– és nedvességátvitelére alkalmas hővisszanyerő nélküli üzemet tekintve [2.9]:
(2.1)
ahol:
[kg/óra] a szellőző levegő tömegárama,
[óra] a fűtési órák száma, amely idő alatt a fűtőkalorifer üzemel, [kJ/kg] a szellőző levegő entalpiája,
a külső levegő entalpiájának tartamdiagramja.
A hővisszanyerővel megtakarított energiamennyiség:
(2.2)
ahol:
[óra] a fűtési órák száma, amely alatt a hővisszanyerő üzemel [h]
[kJ/kg] a levegő entalpiája a hővisszanyerő után
Hővisszanyerővel üzemelő frisslevegős klímaközpont felépítésére vonatkozó kapcsolási rajz a 2.3. ábrán látható.
A fűtési üzemet vizsgálva a levegőkezelő központban lejátszódó légállapot változásokat Mollier-féle h–x diagramban a 2.6. ábra mutatja. A diagramban látható zöld színnel bejelölve a havi átlagos külső légállapotok burkoló görbe is, mely a külső légállapot változását mutatja az év során, energetikai vizsgálatra nem alkalmas [2.2].
2.6 ábra: Hővisszanyerővel üzemelő frisslevegős klímaközpont folyamatábrája fűtési időszakban [2.2]
A külső légállapot tartamdiagramok alapján végzett energetikai vizsgálatok kedvezőek a klímaközpontok energiafelhasználásának meghatározására. A tartamdiagramok segítségé-vel megállapítható az olyan rendszerek energiafogyasztása is, amelyek az üzemeltetésük módjából adódóan az évnek csak bizonyos szakaszában üzemelnek. A tartamdiagramokat, hőmérséklet esetén hőfok-gyakorisági görbének, entalpia esetében pedig hőtartalom-gyakorisági görbének nevezik.
A görbék egyes pontjaihoz rendelt számok az alapul vett időszak azon időtartalmát jelölik, amelyben a külső levegő állapotát jellemző érték az adottnál kisebb, tehát a tartamdiagramok tetszőlegesen kiválasztott pontja megmutatja, hogy hány órán át, valamint a szóban forgó időtartam hány százalékában volt a kiválasztott értéknél alacsonyabb a külső levegő hőmérséklete, illetve entalpiája [2.10].
2.7 ábra: A külső levegő hőmérsékletének tartamdiagramja októbertől márciusig terjedő időszakban [2.10]
Hővisszanyerővel üzemelő frisslevegős klímaközpont esetén a fűtési energiafelhasználás meghatározását a hővisszanyerő működéséből, és a benne lejátszódó levegő állapotváltozásából adódóan két lépésben lehet megoldani. Első lépésben az elő– és utófűtő energiafelhasználása számítandó hővisszanyerő nélküli esetet feltételezve, majd a hővisszanyerő fűtési energiamegtakarítását, tekintettel annak hőátviteli tulajdonságára, a hőmérséklet tartamdiagram segítségével megkapva, a kettő különbsége adja a vizsgált időszakra vonatkozó fűtési energiafelhasználást [2.2].
2.8 ábra: Hővisszanyerő fűtési energiamegtakarításával arányos területek tartamdiagramja [2.2]
A külső légállapot változása során, amint a külső légállapot eléri a nedvesítőkamra utáni légállapotot (téli időszak utáni melegedés során), a klímaközpont üzemeltetésénél előfűtőre és nedvesítésre már nincs szükség, a szellőző légállapot előállításához az utófűtő és a hővisszanyerő üzemel, így a hővisszanyerő energiamegtakarításának az utófűtőre jutó hányadát ettől a légállapottól (nedvesítés utáni légállapottól; tN=14,5 °C) kezdve kell figyelembe venni.
Ennek megfelelően vannak meghatározva a hővisszanyerővel üzemelő frisslevegős klímaközpont esetén a fűtési energiafelhasználásra a következő összefüggések [2.2].
Az előfűtő energiafelhasználása:
(2.3) ahol:
cpl [kJ/kg°C] a levegő állandó nyomáson mért fajhője, FK(t) a külső levegő hőfokgyakorisági görbéje,
tN [°C] az adiabatikus nedvesítés utáni levegőhőmérséklet, tKM [°C] a külső levegő hőmérséklete méretezési állapotban,
tHVM [°C] a levegő hőmérséklete a hővisszanyerő után, méretezési állapotban, értéke a megvalósulási foktól, a helyiséget elhagyó távozó levegő állapotától, valamint a külső légállapottól függ, (tHVM = tK’),
FHV(t) a hővisszanyerő utáni levegő hőmérsékletének a vonala, amely a megvalósulási fok, a helyiséget elhagyó távozó levegő állapota és a külső légállapot tartamdiagramja alapján szerkeszthető meg [2.2].
Az utófűtő energiafelhasználása:
(2.4) ahol:
tT [°C] a helyiséget elhagyó távozó levegő hőmérséklete [2.2].
A hűtési energiafelhasználást vizsgálva az eljárás menete hasonló. A külső levegő a klímaközpontba beérkezve először áthalad a hővisszanyerőn, amely a távozó levegő alacsonyabb hőmérséklete miatt hűl, majd a hűtőkaloriferen áthaladva, tovább hűlve áll elő hűtőkalorifer utáni légállapot. A levegő állapotváltozásának a folyamatát szemlélteti a 2.9. ábra [2.2].
2.9 ábra: A hűtés folyamata Mollier-féle h–x diagramban, rekuperatív hővisszanyerővel üzemelő frisslevegős klímaközpont esetén [2.2]
2.10 ábra: A csak hőátvitelre alkalmas hővisszanyerő hűtési energia megtakarításával arányos terület a tartamdiagramon [2.2]
Ennek megfelelően van meghatározva a csak hőátvitelre alkalmas hővisszanyerővel üzemelő frisslevegős klímaközpont esetén a hűtési energiafelhasználásra a következő összegfügés [2].
A hűtőkalorifer energiafelhasználása:
(2.5) A (2.1)–(2.5) egyenletek jobb oldalán a negatív előjelű tag a hővisszanyerő által megtakarított fűtési illetve hűtési energia mennyiséget jelenti [2.2].
A ventilátorok és szivattyúk energiafelhasználása
A ventilátorok a levegő továbbítását végzik, a szivattyúk pedig közvetítik a hideg és meleg energiát szállító közeget a klímaközpont hőcserélői felé, valamint adiabatikus nedvesítés esetén a víz porlasztásához szükséges víz mennyiségét [2.11]. A ventilátorok és a szivattyúk energiafelhasználása viszonylag egyszerű összefüggésekkel meghatározhatók.
A ventilátor energiafelhasználása [2.12]:
(2.6)
ahol:
[m3/s] a ventilátor légszállítása,
∆pö [Pa] a ventilátor össznyomásemelése, ηvent;ηmot ventilátor és a motor hatásfoka, τ [h] a ventilátor üzemideje
A szivattyú energiafelhasználása: