Całoroczna analiza pracy urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych

Całoroczna analiza pracy urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych

dr inż. Agnieszka Zając, mgr inż. Maria Kostka, dr inż. Wojciech Cepiński *
Całoroczna analiza pracy
urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych
* Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa, Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Wrocławska
W artykule przedstawiono prosty sposób wykonywania analizy całorocznej pracy systemów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych
przy wykorzystaniu wykresów t-tz i i-tz. Sporządzono wykres występowania (trwania) temperatury powietrza zewnętrznego
na obszarze miasta Wrocławia dla różnych wariantów godzinowych pracy instalacji powietrznej.
WPROWADZENIE
W praktyce inżynierskiej zaprojektowanie urządzenia wentylacyjnego
bądź
klimatyzacyjnego
sprowadza
się
do
wyznaczenia
maksymalnych i minimalnych bilansów energetycznych celem
określenia wielkości elementów służących do uzdatniania
powietrza doprowadzanego do pomieszczenia. Przemiany jakim
podlega powietrze uzdatniane w centrali i w pomieszczeniu, przy
obliczeniowych
temperaturach
zewnętrznych,
pokazywane
są zazwyczaj na wykresach i-x Molliera. Wraz ze zmianą warunków
atmosferycznych oraz bilansów ciepła w pomieszczeniu obraz
poszczególnych przemian ulega zmianie. Przeprowadzenie analizy
działania urządzenia w trybie pracy całorocznej na wykresie i-x
dla powietrza wilgotnego wymagałoby ogromnego nakładu pracy
i sporządzenia wielu wykresów, stąd nie jest to praktykowane.
Skutecznym sposobem przedstawienia całorocznego cyklu pracy
urządzenia jest wykorzystanie, w przypadku instalacji wentylacyjnej,
wykresu t-tz, a dla klimatyzacyjnej, wykresu i-tz.
Rys. 1. Wykres t-tz dla przykładowego urządzenia wentylacyjnego
Fig. 1. t-tz graph for a sample ventilation device
Rys. 2. Wykres i-tz dla przykładowego urządzenia klimatyzacyjnego
Fig. 2. i-tz graph for a sample air-conditioning device
WYKRES WYSTĘPOWANIA (TRWANIA) TEMPERATURY
POWIETRZA ZEWNĘTRZNEGO
Poprawne
wykonanie
obliczeń
energetycznych
wymaga
wprowadzenia do powyższej metody obliczeniowej danych
klimatycznych typowego roku meteorologicznego rozpatrywanego
miasta. Na rys. 3 przedstawiono wykres występowania (trwania)
temp. powietrza zewnętrznego na obszarze miasta Wrocławia
dla urządzenia pracującego: całą dobę, w godzinach 700 ÷ 1700
np. bank, biurowiec, w godzinach 900 ÷ 2100 np. galeria handlowa,
w godz. 600 ÷ 2200 np. hala produkcyjna z pracą na dwie zmiany.
Czas występowania temperatury zewnętrznej jest charakterystyczny
zarówno dla dobowego okresu eksploatacji urządzeń (praca jedno,
dwu i trzyzmianowa, w wyznaczonych godzinach), jak i dla
poszczególnych stref klimatycznych (dane meteorologiczne
dostępne dla większości miast).
PODSUMOWANIE
Na wykresie t-tz (rys.1) w funkcji temperatury powietrza
zewnętrznego tz przedstawiona jest temperatura powietrza
w różnych jego fazach - optymalna temp. powietrza na wypływie
z komory mieszania tm lub za wymiennikiem do odzysku ciepła,
temp. powietrza po podgrzaniu go w nagrzewnicy lub ochłodzeniu
w chłodnicy, temp. powietrza nawiewanego tn oraz temp. powietrza
utrzymywana w pomieszczeniu tp. Natomiast na wykresie i-tz (rys.2)
przedstawione są odpowiadające tym temperaturom entalpie
właściwe. Linia iz przedstawia parametry krzywej klimatycznej
dla miasta Wrocławia.
Wykresy t-tz i i-tz są przydatnym narzędziem inżynierskim, gdyż:
– dają możliwość prześledzenia pracy poszczególnych urządzeń
tj. nagrzewnicy, chłodnicy, nawilżacza parowego, komory mieszania,
wymienników do odzysku ciepła przy danych temp. zewnętrznych,
– umożliwiają orientacyjne obliczenie kosztów uzdatniania powietrza
w urządzeniach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych w cyklu
całorocznym,
– pozwalają w prosty sposób na porównanie różnych wariantów
i sposobów eksploatacji instalacji i wskazanie układu bardziej
efektywnego pod względem energetycznym,
– ułatwiają zrozumienie zasady działania, kolejności załączania
i zakresu pracy poszczególnych urządzeń, tj. informacji niezbędnych
przy programowaniu układu automatycznej regulacji i sterowania.
425
317
12
356
348
6
250
150
25
15
6
9
0
2
1
3
10
3
5
20
32
25
50
44
44
50
53
55
100
69
79
116
125
147
200
156
134
112
95
180
183
219
250
276
300
337
268
288
350
369
379
347
400
301
316
330
277
317
450
Czas trwania temp. powietrza zewnętrznego τ [h]
Na podstawie wykresów t-tz lub i-tz i wykresu występowania
temperatury powietrza zewnętrznego, można dość dokładnie
obliczyć całoroczne zapotrzebowanie energii grzewczej i chłodniczej
do eksploatacji urządzenia wentylacyjnego. Aby to uczynić należy:
– określić chwilowe moce cieplne potrzebne do ogrzania powietrza w
jednostopniowych przedziałach wartości temp. pow. zewnętrznego,
zgodnie z zależnością: Qi = V·ρ·cp·∆ti lub Qj = V·ρ·∆ij, kW,
– na podstawie wykresu występowania temperatury powietrza
zewnętrznego wyznaczyć czas τi·3600, s, w ciągu którego
przeciętnie w roku utrzymują się temp. powietrza zewnętrznego
zawarte w poszczególnych przedziałach,
– obliczyć całoroczne zapotrzebowanie ciepła, sumując
poszczególne iloczyny: V·ρ·cp·∆ti·τi lub V·ρ·∆ij·τj, kJ.
Z reguły z procesem oziębiania występuje równocześnie proces
osuszania powietrza i wówczas chwilowe moce cieplne chłodnicy
muszą być obliczane z uwzględnieniem spadku entalpii właściwej
powietrza ∆i. Przy wyznaczeniu całorocznego zapotrzebowania
na energię chłodniczą z różnicy temperatury ∆t rozbieżności
w wynikach mogą wynieść około 25 %.
436
414
390
WYKRESY t-tz ORAZ i-tz DLA PRZYKŁADOWEGO OBIEKTU
0
-18 -16 -14 -12 -10
-8
-6
-4
-2
0
2
praca ciągła (8760 h/rok)
praca w godzinach 9.00 - 21.00 (4380 h/d)
4
8
10
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
o
tz [ C]
praca w godzinach 7.00 - 17.00 (3650 h/d)
praca w godzinach 6.00 - 22.00 (6570 h/d)
Rys. 3. Wykres występowania (trwania) temperatury powietrza zewnętrznego dla Wrocławia
Fig. 3. The duration of outside air temperatur for the city of Wroclaw chart
Air & Heat – Water & Energy 2011