Zastosowanie powłok sorpcyjnych w obrotowych wymiennikach odzysku ciepła montowanych w centralach wentylacyjnych pozwala w dużym stopniu ograniczyć zużycie energii, emisję CO2, a jednocześnie poprawić jakość środowiska wewnętrznego. Ale co czyni to rozwiązanie tak wyjątkowym? Niniejszy artykuł pomoże Państwu od podstaw zrozumieć działanie rotorów sorpcyjnych, ze szczególnym uwzględnieniem instalacji z układami chłodzenia.
Technologia sorpcyjna
Powłoka sorpcyjna ma dużą zdolność do pochłaniania cząsteczek wody znajdujących się w powietrzu o dużej wilgotności, a w przypadku kontaktu powłoki z powietrzem suchym, do oddawania zgromadzonej wilgoci. Jednocześnie mamy tu do czynienia z odzyskiem energii utajonej i jawnej.
W okresie letnim, kiedy powietrze zewnętrzne posiada dużą zawartość wilgoci, rotor sorpcyjny będzie je osuszał, przekazując część wilgoci do powietrza usuwanego. Natomiast w okresie zimowym, kiedy mamy do czynienia z suchym powietrzem zewnętrznym, wilgoć będzie przekazywana z powietrza wywiewanego do nawiewanego, nawilżając je. W przypadku pracy w warunkach zimowych zyskujemy dwie rzeczy. Po pierwsze, nawiew wilgotnego powietrza zimą jest dobry dla jakości środowiska wewnętrznego, a po drugie z wymiennika usuwana jest wilgoć, co znacznie ogranicza ryzyko zamarzania rotora. Tym samym proces rozmrażania, który ogranicza sprawność odzysku ciepła, uruchamia się rzadziej, a układ pracuje wydajniej. Dzięki temu również zimą rotor sorpcyjny oszczędza więcej energii.
W okresie letnim, kiedy powietrze zewnętrzne, które nawiewamy do pomieszczeń jest wilgotne, rotor sorpcyjny będzie je osuszał, przekazując wilgoć do powietrza usuwanego. Zimą, wilgoć przekazywana jest z powietrza wywiewanego do nawiewanego.
Migracja wilgoci jest możliwa, jeżeli występuje różnica zawartości pary wodnej (wilgotność bezwzględna) między strumieniami powietrza. Ilościowo wartość wymiany wilgoci podawana jest jako sprawność odzysku wilgoci wymiennika obrotowego.
Sprawność odzysku wilgoci, nawiew = (x22-x21)/(x11-x21 )%
gdzie:
x11 = wilgotność bezwzględna powietrza wywiewanego g/kg
x21 = wilgotność bezwzględna powietrza zewnętrznego g/kg
x22 = wilgotność bezwzględna powietrza nawiewanego g/kg
Ograniczenie mocy chłodniczej
Ponieważ na wymienniku sorpcyjnym odzyskujemy dużą część energii utajonej, to w znacznie większym stopniu ograniczamy zapotrzebowanie mocy chłodniczej układu chłodzenia, niż w przypadku odzysku tylko energii jawnej. Na poniższym wykresie porównamy zapotrzebowanie energii dla standardowego rotora aluminiowego i rotora sorpcyjnego.
Odzysk energii jawnej i utajonej w przypadku chłodzenia jest dużo bardziej efektywny niż tylko energii jawnej. Poniższy przykład obliczono dla parametrów: powietrze zew. 30°C, temp. nawiewu 12°C. Jak widać odzysk energii jawnej to tylko 20% zapotrzebowania na chłód, gdzie z jednoczesnym odzyskiem energii utajonej ograniczamy zapotrzebowanie o 50%. Należy pamiętać, że wyniki będą zależeć od konkretnych warunków, ale jednoznacznie widać, że rotor sorpcyjny zapewnia znaczne zmniejszenie zapotrzebowania układu chłodniczego.
Dzięki temu rozwiązaniu możemy rozważyć zastosowanie dużo mniejszego agregatu chłodniczego. Co więcej, jeśli zamontujemy mniejszy agregat, instalacja chłodnicza będzie mniejsza, co bezpośrednio przełoży się na niższy koszt inwestycji, mniej zajętej przestrzeni i mniejszą ilość czynnika chłodniczego w instalacji.
Ograniczenie zużycia energii na chłodzenie
Ilość zużywanej energii do chłodzenia będzie oczywiście zależała od ilości gorących dni. Poniższy przykład został obliczony dla warunków:
- Przepływ powietrza: 2 m3/s
- Temperatura powietrza nawiewanego: 16°C.
- Temperatura powietrza wywiewanego: 22°C.
- Rotor sorpcyjny posiada sprawność odzysku chłodu 82% i wilgoci 74%.
- Standardowy rotor aluminiowy posiada sprawność odzysku chłodu 82%.
- Rotor sorpcyjny ma większy spadek ciśnienia niż rotor aluminiowy o około 10 Pa, co nie wpływa znacząco na pobór prądu przez wentylator.
- Na pierwszym wykresie przedstawiono odzysk chłodu ze standardowego rotora aluminiowego, a na drugim wykresie odzysk chłodu z rotora sorpcyjnego.
W przedstawionym przykładzie ograniczenie zużycia energii do chłodzenia w przypadku cieplejszych regionów (Mediolan, Frankfurt) sięga prawie 50%, a w chłodniejszych regionach około 20%.
W porównaniu do urządzeń chłodniczych, technologia sorpcyjna w wymiennikach obrotowych jest prosta, co daje nam kolejną zaletę w postaci dużo mniejszych kosztów eksploatacji w przeliczeniu na kWh.
Ograniczenie mocy szczytowej
Warunki pogodowe są zmienne i zdarza się, że temperatura i wilgotność na zewnątrz jest wyższa niż założenia projektowe. W takiej sytuacji należy się liczyć z faktem, że temperatura wewnątrz pomieszczeń też będzie wyższa. W tym miejscu należy pamiętać, że moc odzysku energii na wymienniku obrotowym jest proporcjonalna do różnicy między parametrami powietrza (temperatura i wilgotność) zewnętrznego i wewnętrznego. Dlatego jeśli temperatura i wilgotność na zewnątrz rośnie, zwiększa się różnica parametrów między strumieniami powietrza, a w konsekwencji mamy większy odzysk energii.
Odzysk wilgoci
W zimie powietrze zewnętrzne ma niewielką zawartość wilgoci, a po jego podgrzaniu do temperatury komfortu w pomieszczeniu, staje się suche. W takich warunkach rotor sorpcyjny odzyskuje wilgoć zgromadzoną w powietrzu wywiewanym (wewnętrznym) i przekazuje ją do powietrza nawiewanego do pomieszczeń. Dzięki temu nie przesuszamy powietrza w pomieszczeniach i zachowujemy lepszy komfort i higienę środowiska wewnętrznego. W szczególnych przypadkach może być konieczne zastosowanie dodatkowo nawilżacza powietrza, ale i w tej sytuacji rotor sorpcyjny będzie użyteczny, ponieważ ograniczy zapotrzebowanie wilgoci i moc nawilżacza. Ponownie koszt zakupu, montażu i eksploatacji instalacji będzie mniejszy.
Poniższy przykład obliczyliśmy przy założeniu, że rotor ogrzewa powietrze zewnętrzne do 13°C, a następnie nagrzewnica dogrzewa je do temperatury nawiewu 20°C.
Na wykresie Molliera widzimy, że powietrze nawiewane za standardowym rotorem aluminiowym ma wilgotność względną 10%, a za rotorem sorpcyjnym 25%.
Linia czerwona = rotor aluminiowy, Linia zielona = rotor sorpcyjny
Ograniczenie wydajności nawilżania
Powyższy wykres pokazuje, że dzięki technologii sorpcyjnej możemy znacząco zmniejszyć koszty nawilżania powietrza. Zakładając, że warunki środowiska wewnętrznego powinniśmy utrzymać na poziomie 30 - 40% wilgotności względnej, zamiast dostarczać do powietrza nawiewanego 5-6 g pary na kg powietrza, to z rotorem sorpcyjnym będzie potrzebne tylko 2-3 g/kg, co da nam połowę kosztów ponoszonych na nawilżanie.
Natomiast w przypadku nawilżaczy adiabatycznych, rotor sorpcyjny pozwala na zmniejszenie mocy wtórnej nagrzewnicy powietrza i zmniejszenie zużycia wody.
Przecieki
W kwestii wad obrotowe wymienniki ciepła charakteryzują się ryzykiem wystąpienia przecieku, czyli mieszania się niewielkiej części powietrza wywiewanego z nawiewanym. Jeśli odpowiednio dobierzemy układ centrali wentylacyjnej i zamontujemy wymiennik zgodnie z zaleceniami producenta, to przeciek będzie mniejszy niż 1%. Rotor musi przede wszystkim posiadać odpowiednie uszczelki, sektor czyszczący, a instalacja musi być wyregulowana, z zachowaniem właściwej różnicy ciśnień.
W tym celu najważniejsze jest prawidłowe ustawienie wentylatorów względem wymiennika. Dlatego wentylator nawiewny i wywiewny należy zamontować za wymiennikiem, zgodnie z kierunkiem przepływu właściwego strumienia powietrza. W niektórych przypadkach wymaga to zastosowania dodatkowego elementu dławiącego w strumieniu powietrza wywiewanego.
Podsumowanie
Zdolność rotora sorpcyjnego do odzysku energii jawnej i utajonej ma znaczący wpływ zarówno na zapotrzebowanie mocy do chłodzenia, jak i na zużycie energii przez układ chłodniczy. Możliwość zamontowania mniejszych urządzeń chłodniczych oszczędza zajmowaną powierzchnię i koszty inwestycji. Jednocześnie mniejszy agregat oznacza mniejszą ilość czynnika w układzie chłodniczym. Jeśli zależy Państwu na ograniczeniu zużycia energii i ograniczeniu kosztów inwestycji, ale nie chcecie rezygnować z wysokiego poziomu komfortu i jakości środowiska wewnętrznego, to biorąc pod uwagę wszystkie powyższe elementy, rotor sorpcyjny jest rozwiązaniem, którego Państwo szukacie.
W kwestii najnowszych osiągnięć w zakresie technologii powłok sorpcyjnych warto przyjrzeć się nowej generacji obrotowych wymienników ciepła RECOsorptic, przeznaczonych do central wentylacyjnych Swegon GOLD. Zaprezentowane w drugiej połowie 2021 roku wyznaczają nowe standardy w zakresie wydajności rotorów sorpcyjnych. Centrale Swegon GOLD charakteryzujące się minimalnym przeciekiem powietrza i wyposażone w wielofunkcyjny inteligentny układ sterowania, pozwalają w pełni wykorzystać potencjał technologii sorpcyjnych obrotowych wymienników odzysku ciepła.
