Návrh klimatizačního systému pro konferenční sál pro 450 osob ve Vilniusu (výška místnosti – 4 m)

Podle odhadu zveřejněného v březnu 2023 online portálem Refrigeration World spotřebují chladicí zařízení a klimatizační systémy asi 20 % veškeré elektřiny vyrobené na světě a produkují přibližně 8 % světových emisí skleníkových plynů.

Úniky chladiva při instalaci, provozu, údržbě a vyřazování zařízení z provozu přitom tvoří pouze 37 % celkových emisí skleníkových plynů chladicích a klimatizačních systémů. Zbývajících 63 % pochází z nepřímých emisí spojených s výrobou elektřiny.

Výzkum ukazuje, že přechod z fluorovaných plynů na přírodní látky, jako je amoniak, oxid uhličitý (CO₂), uhlovodíky, voda a vzduch, umožňuje výrazné snížení přímých i nepřímých emisí ze zařízení, protože přírodní látky se vyznačují nejen nulovým nebo zanedbatelným potenciálem globálního oteplování (GWP), ale také vysokou energetickou účinností při použití jako chladiva.

Jednou z takových studií bylo hodnocení životního cyklu domácích tepelných čerpadel vzduch-voda, které provedl Institut pro energetickou účinnost budov a mikroklima na RWTH Aachen University (Německo). Hodnocení porovnávalo tři fluorovaná chladiva (HFC a HFO) a čtyři přírodní látky (tři jednoduché uhlovodíky a amoniak). Pro každou látku vědci vypočítali specifický index náboje a energetické účinnosti, na základě kterého získali hodnotu náboje a množství elektrické energie potřebné k vytápění rodinného domu v klimatických podmínkách západního Německa.

Jako ukazatel energetické účinnosti byl použit sezónní koeficient výkonu (SCOP), jehož hodnoty byly: 3,71 pro HFC-410a, 3,99 pro HFC-32, 3,82 pro HFO-1234yf, 4,2 pro propan (R290), 4,19 pro propylen (R1270) pro propylen (R3,81). amoniak (R600).

Abychom pochopili fyzikální význam daných čísel a proč se v tomto případě nejlépe hodí indikátor SCOP pro hodnocení energetické účinnosti, připomeňme si, co je energetická účinnost sama o sobě a jaké existují metody jejího hodnocení.

Energetická účinnost

Efektivita je obvykle definována jako poměr vynaloženého úsilí a dosaženého výsledku: čím menší úsilí vynaložené se stejným výsledkem, tím vyšší je. Energetická účinnost (energetická účinnost) je stejný poměr, ve kterém je vynaložené úsilí vyjádřeno ve formě spotřebované energie. ISO 50001 definuje energetickou účinnost jako poměr nebo jiný kvantitativní vztah mezi výstupem práce, služby, zboží nebo vyrobené energie a energií spotřebovanou jako vstup.

Výsledkem provozu chladicího zařízení je chladicí výkon, měřený v kilowattech a vynaložené úsilí je vstupní elektrický (někdy mechanický) výkon, vyjádřený rovněž v kilowattech. Ukazatel energetické účinnosti chladicího zařízení je tedy bezrozměrná hodnota.

COP, EER a COSP

Nejběžnějším ukazatelem používaným pro stanovení energetické účinnosti chladicích zařízení, klimatizačních systémů a tepelných čerpadel je ukazatel COP, což je koeficient výkonu neboli koeficient chlazení, určený vzorcem:

COP = výstupní výkon (chladicí výkon), kW / příkon, kW

Hodnota COP se vypočítá při plné (100%) zátěži.

Historicky je chladicí kapacita pro klimatizační jednotky často uváděna v BTU/h (britské tepelné jednotky za hodinu) a pro větší chladiče v tunách chlazení (RT). Kromě toho lze také použít jednotku, jako je koňská síla (hp). K získání odpovídajících hodnot v kW by měly být použity následující konverzní faktory:

• 1 kW = 3412,142 BTU/h
• 1 kW = 0,284 x. T.
• 1 kW = 1,34 l. S.

V Evropě se k měření energetické účinnosti při chlazení používá podobný ukazatel EER (Energy Efficiency Rate):

EER = výstupní výkon (chladicí výkon), kW / příkon, kW

Hodnota EER se vypočítá při plném (100%) zatížení.

COP se v Evropě používá k měření energetické účinnosti vytápění (režim tepelného čerpadla) a je definován jako:

COP = kondenzační výkon, kW/příkon, kW, což je ekvivalentní:
COP = (chladicí výkon + příkon), kW / příkon, kW

Hodnocení energetické účinnosti EER zavedl Evropský výbor výrobců zařízení na úpravu vzduchu a klimatizaci EUROVENT. Hodnocení EER je určeno pro stejné standardní vypařovací a kondenzační teploty, aby bylo možné porovnat energetickou účinnost různých zařízení.

Pro měření celkové energetické účinnosti instalace se používá ukazatel COSP – koeficient výkonu systému. Bere v úvahu všechna pomocná zatížení, jako jsou motory ventilátorů a čerpadel, stejně jako další zařízení, která zajišťují fungování systému.

Koeficient výkonu systému COSP je definován jako poměr chladicího výkonu k součtu veškerého výkonu spotřebovaného systémem (kompresory, ventilátory, čerpadla, ovládací prvky atd.):

COSP = chladicí výkon, kW/Σ příkon (kompresory, ventilátory, čerpadla, ovládání…), kW

SCOP, ESEER a IPLV

Hodnoty COP a EER odrážejí energetickou účinnost instalací při 100% zatížení, avšak zpravidla jsou chladicí zařízení plně zatížena pouze po omezenou dobu. Stupeň zatížení klimatizačních systémů a tepelných čerpadel je do značné míry dán teplotou venkovního vzduchu. Sezónní koeficienty SCOP a ESEER byly navrženy jako ukazatele, které přesněji odrážejí energetickou účinnost zařízení při částečném zatížení.

Evropský sezónní koeficient energetické účinnosti (ESEER) byl vyvinut jako výsledek studie změn tepelné zátěže budov a provozního režimu budov v Evropě v průběhu roku. ESEER je v podstatě součtem poměrů energetické účinnosti (EER) při zatížení 100 %, 75 %, 50 % a 25 %, trvajících 3 %, 33 %, 41 % a 23 % celkové provozní doby (tabulka 1).

Tabulka 1. Provozní teploty a váhové faktory pro výpočet ESEER vzduchem a vodou chlazených chladičů v Evropě

Parametry koeficientu ESEER
zatížení, %	Teplota venkovního vzduchu, °C	Teplota chladicí vody, °C	Váhové faktory, %
100	35	30	35
75	30	26	33
50	25	22	41
25	19	18	23

Ukazatel ESEER se vypočítá pomocí vzorce:

ESEER = A*EER100% + B*EER75% + C*EER50% + D*EER25%,

kde A, B, C a D jsou váhové koeficienty rovné 0,03, resp. 0,33; 0,41 a 0,23.

Pro stanovení průměrné roční účinnosti tepelných čerpadel v Evropě se používá obdobný ukazatel – sezónní koeficient výkonu SCOP, jehož způsob výpočtu je popsán v normě EN 14825.

Principem výpočtu SCOP je rozdělení celé topné sezóny na období („koše“) s různou teplotou venkovního vzduchu a odpovídající tepelnou zátěží. Pro všechny „koše“ jsou hodnoty COP určeny a sečteny s ohledem na dobu trvání každého „koše“. Norma vyžaduje, aby byl SCOP uveden pro mírné klima (A, odpovídající Štrasburku), a SCOP může být také uveden pro horké (W, odpovídající Atény) a studené (C, odpovídající Helsinkám) klimatické zóny. Délka topné sezóny pro zónu A je 4910 hodin, pro W – 3590 hodin, pro C – 6446 hodin.

Pro stanovení SCOP je tepelné čerpadlo testováno v několika teplotních bodech. Tabulka 2 ukazuje takové body (venkovní/vnitřní teplota) pro čerpadlo vzduch-vzduch. Podobné tabulky existují pro zařízení „vzduch – voda“ a „voda (solanka) – voda“.

Tabulka 2. Teplotní body pro tepelné čerpadlo vzduch-vzduch

Směřovat	Mírný	Horký	Studené
-15/20 °C
A	-7/20 °C	-7/20 °C
B	2/20 ° C	2/20 ° C	2/20 ° C
C	7/20 ° C	7/20 ° C	7/20 ° C
D	12/20 ° C	12/20 ° C	12/20 ° C

Návrhové (vypočtené) tepelné zatížení odpovídající jmenovité teplotě stanovené pro každou klimatickou zónu se bere jako 100% zatížení tepelného čerpadla: -10°C pro střední, 2°C pro teplo a -22°C pro chlad.

Tabulka 3 ukazuje hodnoty částečného zatížení (v % návrhové hodnoty) pro různé teplotní body a klimatické zóny.

Tabulka 3. Částečné zatížení pro různé teplotní body

Směřovat	Mírný	Horký	Studené
(82%)
A	88%	61%
B	54%	100%	37%
C	35%	64%	24%
D	15%	29%	11%

Ve Spojených státech je podobná metrika jako ESEER IPLV (Integrated Part Load Valuation) vyvinutá institutem Air Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute (AHRI). Podobně jako u ESEER je IPLV součtem koeficientu výkonu (COP) při 25%, 50%, 75% a 100% zatížení, označovaného A, B, C, D a vypočítává se pomocí následujícího vzorce:

IPLV = 0,01 A + 0,42 B + 0,45 C + 0,12 D

Pro jiné než standardní provozní podmínky se používá nestandardní hodnocení účinnosti při částečném zatížení NPLV vypočítané podle stejného vzorce.

TEWI (OKEP)

TEWI (nebo TEWI) je zkratka pro Total Equivalent Warming Impact, která odráží celkový dopad chladicího zařízení na klima v důsledku přímých emisí použitého chladiva a nepřímých emisí spojených s výrobou spotřebované energie.

Norma EN 378-1 (GOST 34891.1-2022), která pokrývá konstrukci a použití chladicích jednotek, jakož i bezpečnost a těsnost systémů, poskytuje následující vzorec pro výpočet TEWI:

• GWP – potenciál globálního oteplování chladiva
• L – únik chladiva za rok (kg)
• n — životnost instalace (roky)
• m – množství chladiva v systému (kg)
• α_zotavení — koeficient regenerace chladiva, může nabývat hodnot od 0 do 1
• E_výroční — spotřeba energie za rok (kWh za rok)
• β — emise CO₂ při výrobě elektřiny, kg/kW⋅h.

Pokud se z izolace nebo jiných součástí chladicího systému mohou uvolňovat skleníkové plyny, je třeba do vzorce přidat ještě jeden výraz:

• GWP_i — potenciál globálního oteplování plynu obsaženého v tepelné izolaci;
• m_i — množství plynu obsaženého v tepelné izolaci, kg;
• α_i — koeficient odvodu plynu z tepelné izolace po skončení její životnosti, od 0 do 1.

Ze vzorce je patrné, že při použití přírodních látek s nulovým nebo ultranízkým GWP jako chladiv a nadouvadel v izolačních materiálech bude skleníkový efekt chladicí jednotky určován téměř výhradně její spotřebou energie.

Co ovlivňuje energetickou účinnost chladicích zařízení

Mezi hlavní faktory určující energetickou účinnost chladicí jednotky lze rozlišit následující:

• Teplota vypařování — Snížení výparné teploty o 1 °C zhorší výkonový koeficient (COP) o 1,5 %–3 % v závislosti na chladivu a konstrukci jednotky.
• Kondenzační teplota — Snížení kondenzační teploty o 1 °C zlepšuje výkonový koeficient (COP) o 2–3 % v závislosti na chladivu.
• Pokles tlaku v potrubí a výměnících tepla — ztráty způsobené tlakovými rozdíly jsou kompenzovány kompresory, čerpadly a ventilátory, které proto vyžadují více energie (výkonu). Při projektování instalace je třeba pečlivě vzít v úvahu pokles tlaku v potrubí, ventilech a výměnících tepla. Příliš malý průměr potrubí nebo příliš velká tlaková ztráta ve výměníku tepla okamžitě znehodnotí instalaci.
• Regulace průtoku kapalin a plynů — když se průtok sníží, spotřeba energie jakéhokoli průtokového zařízení (například ventilátorů, čerpadel, odstředivých kompresorů) klesá v krychlovém poměru.
• Řídicí systém – přizpůsobení aktuální tepelné zátěži řízením otáček kompresoru, čerpadel a ventilátorů (např. pomocí invertorových měničů) výrazně snižuje spotřebu energie.
• Provoz a údržba — pravidelné čištění výměníků tepla od nečistot a námrazy pomáhá předcházet poklesu COP o 5–15 %. Porucha ventilátoru kondenzátoru vede ke zvýšení kondenzační teploty a špatnému COP. Pravidelná údržba a výměna filtrů zabraňuje nárůstu tlakové ztráty a v důsledku toho zvýšení spotřeby energie. Pravidelná údržba kompresoru zajišťuje jeho bezproblémový chod.

Viz také:

• Odvětví chlazení v kontextu environmentálních a ekonomických problémů
• OKEP a PGP
• Hodnocení životního cyklu ukazuje, že amoniak je pro domácí tepelná čerpadla šetrnější k životnímu prostředí než syntetická chladiva a uhlovodíky
• Návrh a výběr zařízení s ohledem na minimalizaci dopadu na klima. Odhad celkového koeficientu ekvivalentního oteplení (TEWC)

Akceptujeme vzduchotechnický systém třídy 2 (pro zajištění meteorologických podmínek v rámci optimálních norem nebo požadavků technologického procesu).

3. Stanovení výkonnosti SCS pro teplá a chladná období roku.

Hlavním úkolem SCS je asimilovat škodlivé látky pro udržení optimálních parametrů ve vypočítané místnosti. Hlavními škodlivými faktory jsou nadměrné teplo, nadměrná vlhkost, škodlivé plyny nad maximální přípustnou koncentraci atd. Výkon SVC je stanoven na základě požadavků kladených na prostory za předpokladu, že přiváděný vzduch musí asimilovat škodlivé látky přítomné v prostorách.

3.1.Stanovení výkonnosti SCW pro teplé období roku.

1. Optimální vypočtené vnitřní parametry vzduchu aplikujeme na HD diagram (viz Příloha 1). Ta je v tomto případě omezena izočárami.

2. Stanovíme poměr tepla a vlhkosti při asimilaci tepla a vlhkosti přiváděným vzduchem v obsluhované místnosti (procesní paprsek):

3. Aplikujte procesní paprsek.

4. Pomocí paralelního přenosu se procesní paprsek přesune do vypočítaného bodu (bod B – maximální optimální teplota a průměrná relativní vlhkost).

5. Z vypočteného bodu podél procesního paprsku se hodnota odloží a tím získáme bod P, který charakterizuje hodnoty parametrů přiváděného vzduchu na výstupu z rozdělovače vzduchu.

6. Určete odhadovaný vzduchový výkon vzduchotechnické jednotky , , pro teplé období roku:

Kde — hustota vzduchu v místnosti, ;

— entalpie vnitřního vzduchu, kJ/kg,

— entalpie přiváděného vzduchu, kJ/kg.

Hodnoty , — jsou převzaty z hd diagramu.

3.2.Stanovení výkonu SCW pro chladné období roku.

Bod výpočtu B je minimum z optimálních teplot a průměrné relativní vlhkosti.

Poměr tepla a vlhkosti nebo procesní paprsek pro chladné období roku:

Vypočtený výkon SVC pro vzduch pro chladné období roku bereme jako stejný jako pro teplé období, přičemž přepočítáme pro zjištění změněné teploty přiváděného vzduchu:

4. Stanovení recirkulačního objemu.

SCS musí zajistit přívod sanitárního standardního venkovního vzduchu, tedy L_н musí být stejná nebo ne nižší než hygienická norma pro přívod venkovního vzduchu v obsluhovaných prostorách:

L_н≥0,1L, kde L=L_л, m3/h – výkon klimatizace;

L_н=L_ud∙n, m3/h kde n=450 osob je počet osob v místnosti;

L_ud – norma pro přívod venkovního vzduchu na osobu. Závisí na účelu místnosti a povaze lidské činnosti v této místnosti (L_ud= 20 m3/h).

9000≥0,1∙16473 m3/h – tj. budou splněny hygienické požadavky.

Přijímáme L_н= 9000 m3/h, tedy

Postup 1: klimatizace s přímým prouděním (DFA).

Tento proces využívá vzduchový chladič a sekundární topnou spirálu. První topné těleso nefunguje v létě.

H-2 – chlazení ve vzduchovém chladiči;

2-1 – ohřev v ohřívači;

1-P – ohřev ve ventilátoru;

P-V – asimilace přebytečného tepla a vlhkosti v místnosti;

B-U – změna parametrů vzduchu při jeho přesunu z pracovního prostoru do výfukového otvoru. Teplota vystupujícího vzduchu je určena vzorcem:

0 C, kde gradt≈0,5 0 C je teplotní gradient podle výšky pro danou místnost;

H=4m – výška místnosti;

2- výška pracovní plochy;

Najdeme proudění chladu v chladiči vzduchu:

Spotřebu tepla zjistíme ve druhé sekci vytápění:

Konstrukce procesu v příloze 1.

Postup 2: úprava vzduchu s recirkulací (H-R-V-P).

H-Sm – směšování venkovního a recirkulovaného vzduchu. Bod Cm rozděluje segment H-Cm nepřímo úměrně hmotnostem směšovacích proudů;

Cm-2 – chlazení ve vzduchovém chladiči;

2-1 – ohřev v ohřívači;

1-P – ohřev ve ventilátoru;

P-V – asimilace přebytečného tepla a vlhkosti v místnosti;

B-U – změna parametrů vzduchu při jeho přesunu z pracovního prostoru do výfukového otvoru.

U-R – změna parametrů odváděného vzduchu při pohybu po aerodynamickém traktu, budeme předpokládat, že vzduch se ohřeje přibližně o 1 0 C;

P – parametry vstupu vzduchu do recirkulace.

Najdeme proudění chladu v chladiči vzduchu:

Spotřebu tepla zjistíme ve druhé sekci vytápění:

Konstrukce procesu v příloze 2.

Postup 3: úprava vzduchu s recirkulací pomocí rozprašovací komory (N-R-OK-P).

Tento proces využívá irigační komoru a druhý topný článek.

H-Sm – směšování venkovního a recirkulovaného vzduchu. Bod Cm rozděluje segment H-Cm nepřímo úměrně hmotnostem směšovacích proudů;

Cm-2 – proces polytropního chlazení s vysoušením venkovního vzduchu v závlahové komoře;

2-1 – ohřev vzduchu v 2. topné komoře;

t_ω – teplota vody, kterou bychom měli stříkat v závlahě

Похожие материалы

• Návrh klimatizačního systému pro veřejnou budovu v Jekatěrinburgu (projektová zeměpisná šířka 56,65 N, barometrický tlak 98000 Pa)
• ILTC vzduchem chlazený chladič vody
• Výběr klimatizačního zařízení pro prostory ve městě Irkutsk (rozdíl provozních teplot mezi teplotou vnitřního vzduchu a přiváděného vzduchu je 50C)