aspekty energetyczne zastosowania chłodzenia suchego w

słowa kluczowe: klimatyzacja, zapotrzebowanie na energię, sterowanie
Mieczysław POROWSKI*
ASPEKTY ENERGETYCZNE ZASTOSOWANIA CHŁODZENIA
SUCHEGO W UKŁADACH KLIMATYZACYJNYCH
SAL OPERACYJNYCH Z RECYRKULACJĄ
W artykule zaprezentowano modele symulacyjne działania układu klimatyzacyjnego zespołu operacyjnego z recyrkulacją dla sali operacyjnej realizowaną przez ścienne moduły recyrkulacyjne
z chłodnicą suchą. Założono regulację parametrów powietrza w sali operacyjnej w dopuszczalnych
przedziałach tolerancji parametrów, wykorzystanie parametrów powietrza zewnętrznego w formie roku porównawczego oraz energooptymalną obróbkę termodynamiczną powietrza. Wyznaczono roczne
zapotrzebowanie na energię pierwotną oraz efekty energetyczne w porównaniu z układami klimatyzacyjnymi z recyrkulacją bez chłodzenia suchego.
1. WPROWADZENIE
Układy klimatyzacyjne dla sal operacyjnych szpitali należą do najbardziej energochłonnych. Wynika to z konieczności ciągłego działania, trójstopniowej filtracji oraz
wymaganych parametrów powietrza wewnętrznego. Dlatego też – w celu ograniczenia
zapotrzebowania na energię – powszechną praktyką staje się zastosowanie w tych
układach częściowej recyrkulacji powietrza. Jedną z możliwości w tym zakresie jest
zastosowanie modułów recyrkulacyjnych przy sali operacyjnej (ściennych lub zewnętrznych), które dodatkowo mogą być wyposażone opcjonalnie w chłodnicę suchą.
W prezentowanej analizie wyznaczono i porównano roczne zapotrzebowanie na energię pierwotną dla układu klimatyzacyjnego zespołu operacyjnego z modułem ściennym recyrkulacyjnym dla sali operacyjnej w wariancie bez chłodnicy (MSR) oraz
z chłodnicą suchą (MSRC). Uwzględniono przy tym oszczędności energetyczne wynikające z chłodzenia suchego (bez wykraplania na chłodnicy) oraz dodatkowe nakłady na przetłaczanie powietrza przez chłodnicę.
* Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Środowiska, ul. Piotrowo 3A
2. MODEL SYMULACYJNY
Jako narzędzie analizy sformułowano model symulacyjny działania układu klimatyzacyjnego w ciągu całego roku. Strukturę układu klimatyzacyjnego zespołu operacyjnego dla obydwu analizowanych wariantów przedstawiono na rys. 1.
a)
b)
Rys. 1. Schemat układu klimatyzacyjnego zespołu operacyjnego z modułem ściennym recyrkulacyjnym
dla sali operacyjnej; a) bez chłodzenia; b) z chłodnicą suchą
Fig. 1. Diagram of the air conditioning operating unit with the wall recirculation module for the operating
room; a) without cooling; b) with dry cooler
Algorytmy modelu symulacyjnego realizują sterowanie energooptymalne obróbką
termodynamiczną powietrza uwzględniającą płynną zmianę zadanych parametrów
powietrza w sali operacyjnej wewnątrz przedziałów dopuszczalnych, zróżnicowanych
dla okresu użytkowania i przerw w użytkowaniu zespołu operacyjnego. Przyjęto funkcję celu dla optymalizacji obróbki termodynamicznej powietrza w postaci:
h
f c = ∑ m& i ∆hi = min
i =1
gdzie:
mሶ i – strumień masy powietrza w i-tej operacji,
∆hi – zmiana entalpii właściwej w i-tej operacji.
(1)
W efekcie powstają strefy optymalnej obróbki powietrza dla analizowanej struktury
układu klimatyzacyjnego i przedziału regulacji parametrów powietrza w pomieszczeniu, które można odwzorować na wykresie h-x w oparciu o równania linii granicznych. Jednocześnie wyznacza się łączne zapotrzebowanie na energię netto dla poszczególnych operacji obróbkowych ogrzewania, chłodzenia i nawilżania w analizowanym czasie działania układu klimatyzacyjnego. Sprowadza się to do sformułowania
algorytmów modeli symulacyjnych działania układu klimatyzacyjnego w ciągu całego
roku oraz opracowania programów obliczeniowych. W celu porównania analizowanych wariantów – w analogii do metodologii obliczania charakterystyki energetycznej
budynku [3] definiuje się i wyznacza roczne zapotrzebowanie na energię pierwotną
dla układu klimatyzacyjnego (τ=8760 h) z relacji:
Ep =
wH
w el
w
w
Q H, n +
Q HE, n + C Q C, n + B Q B, n + w el E el, pom
η H, t
η HE, t
η C, t
η B, t
(2)
gdzie:
QH,n – roczne zapotrzebowanie ciepła netto dla nagrzewnic wodnych, QHE,n – roczne zapotrzebowanie
ciepła netto dla nagrzewnic elektrycznych strefowych (tutaj nagrzewnic strefowych dla pomieszczeń
przygotowania pacjenta – PP1 i lekarzy – PL1), QC,n – roczne zapotrzebowanie chłodu netto dla chłodnic,
QB,n – roczne zapotrzebowanie ciepła netto dla nawilżaczy parowych, Eel,pom – roczne zapotrzebowanie
energii elektrycznej końcowej do napędu urządzeń pomocniczych (tutaj ograniczone do przetłaczania –
wentylatorów), ηH,t – średnia sezonowa sprawność całkowita systemu grzewczego dla nagrzewnic wodnych powietrza, przyjęto ηH,t = 0,81, ηHE,t – średnia sezonowa sprawność całkowita systemu wytwarzania
ciepła dla nagrzewnic elektrycznych, przyjęto ηHE,t = 0,95, ηC,t – średnia sezonowa sprawność całkowita
systemu chłodu dla chłodnic powietrza, przyjęto ηC,t = 3,0, ηB,t – średnia sezonowa sprawność całkowita
systemu grzewczego dla nawilżaczy parowych, przyjęto ηB,t = 0,95, wi – współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnia energii (lub energii) końcowej
(wH – dotyczy energii cieplnej, wC – dotyczy energii chłodniczej, wB – dotyczy pary, wel – dotyczy energii elektrycznej) przyjęto wH = 1,1 – kocioł gazowy/ olejowy, wC = 3,0 – agregat chłodniczy o napędzie
elektrycznym, wB = 3,0 – elektryczna wytwornica pary, wel = 3,0 – sieć elektroenergetyczna systemowa
3. WYNIKI OBLICZEŃ
Obliczenia przeprowadzono zakładając dwa tryby działania układu klimatyzacyjnego zespołu operacyjnego:
• tryb aktywny (12h/dobę) – sala operacyjna użytkowana,
• tryb pasywny (12h/dobę) – przerwa w działaniu sali operacyjnej
Dane wyjściowe zestawiono w tabeli 1.
Tabela 1 Dane wyjściowe
Table 1 Output data
Parametry
Wariant I
Wariant II
tryb aktywny (τ=12 h/d)
tryb pasywny (τ=12 h/d)
ܸሶே , m3/h
ሶ , m3/h
ܸௐ
1900 (1200)*
570 (360)*
1280 (700)*
384 (210)*
ܸሶோ , m3/h
7300
2190
tp, °C
+23
+23–28
φp, %
40–60
–
tzz,
°C
-18
φzz,
%
100
tzl,
°C
30
φzl,
%
45
tzi,
°C
TRY (Test Reference Year)
φzi,
ܳሶ௝ ,
%
TRY
kW
3,0
ܹሶ௝ ,
g/h
360
Φ t,
-
0,4
∆pN, Pa
1400
∆pW, Pa
700
∆pR, Pa
350
∆pRC, Pa
400
τ,
h/r
8760
τ1,
h/r
4380
τ2,
h/r
4380
cp,
kJ/kgK
1,005
cpp,
kJ/kgK
1,86
ro ,
kJ/kg
2500,8
ρ,
kg/m3
1,2
pa,
kPa
100
*/ w tym dla sali operacyjnej, dla trybu aktywnego przyjęto 1200 m3/h [2]
gdzie:
ሶ , ܸሶௐ , ܸሶோ – strumień powietrza nawiewanego, wywiewanego, recyrkulacyjnego, ∆pN, ∆pW, ∆pR, ∆pRC –
ܸே
spręż wentylatora nawiewnego, wywiewnego, recyrkulacyjnego (MSR), recyrkulacyjnego (MSRC),
tp – temperatura powietrza w pomieszczeniu, ϕp – wilgotność względna powietrza w pomieszczeniu,
tzz – temperatura obliczeniowa powietrza zewnętrznego dla zimy, ϕzz – wilgotność względna obliczenio-
wa powietrza zewnętrznego dla zimy, tzl – temperatura obliczeniowa powietrza zewnętrznego dla lata,
ϕzl – wilgotność względna obliczeniowa powietrza zewnętrznego dla lata, tzi – temperatura powietrza
zewnętrznego w i-tej godzinie roku porównawczego, ϕzi –wilgotność względna powietrza zewnętrznego
w i-tej godzinie roku porównawczego, TRY – rok porównawczy dla Poznania (Test Reference Year),
8760 wartości par parametrów tzi, ϕzi [1], ܳሶ௝ – zyski ciepła jawnego, ܹሶ௝ – zyski wilgoci, Φt – skuteczność
odzysku ciepła jawnego wymiennika glikolowego, τ – czas działania instalacji w całym roku (założono
pracę ciągłą), τ1 – czas działania instalacji w trybie aktywnym (założono 12h/dobę) – 100% wydajności
powietrza, τ2 – czas działania instalacji w trybie pasywnym (założono 12h/dobę) – 30% wydajności
powietrza, cp – ciepło właściwe powietrza , cpp – ciepło właściwe pary wodnej, ro – ciepło parowania
wody, ρ – średnia gęstość powietrza, pa – ciśnienie barometryczne
Zależności obliczeniowe dla powietrza wilgotnego, niezbędne dla przeprowadzenia
obliczeń komputerowych wykorzystano z pracy [4]. Wyniki obliczeń rocznego zapotrzebowania na energię pierwotną dla analizowanych wariantów układu klimatyzacyjnego przedstawiono na rys. 3.
120000
104500
105700
Ep, kWh/r · 10 -3
100000
Nagrzewnica wodna
80000
37300
28200
5800
18700
14500
28200
21300
6500
20000
14500
40000
35200
Nagrzewnica elektryczna
60000
Chłodnica
Nawilżacz parowy
Wentylatory
Razem
0
Wariant I
(MSR)
Wariant II
(MSRC)
Rys. 3. Roczne zapotrzebowanie na energię pierwotną dla układu klimatyzacyjnego
Fig. 3. The annual demand for primary energy for air-conditioning system
W świetle wyników obliczeń, dla wariantu II – z chłodnicą suchą w module ściennym
recyrkulacyjnym (MSRC), roczne zapotrzebowanie na energię pierwotną pozostaje
w następującej relacji:
• dla nagrzewnic elektrycznych strefowych maleje o 12,2%,
• dla chłodnic maleje o 10,8%,
• dla obróbki termodynamicznej łącznie maleje o 4,7%,
• dla wentylatorów rośnie o 6,0%,
• dla energii pierwotnej łącznie maleje o 1,1%,
w stosunku do wariantu I – bez chłodnicy suchej w module ściennym recyrkulacyjnym (MSR).
4. PODSUMOWANIE
Oszczędności energetyczne w wyniku zastosowania chłodzenia suchego w modułach ściennych recyrkulacyjnych w układach klimatyzacyjnych sal operacyjnych nie
są spektakularne i wynoszą w odniesieniu do całkowitego zapotrzebowania na energię
pierwotną około 1%. Wynika to z faktu, iż oszczędności energetyczne dla chłodzenia
suchego (~11%) i nagrzewnic elektrycznych strefowych (~12%) kompensowane są
przez wzrost nakładów energetycznych dla wentylatorów (~6% – dodatkowy spadek
ciśnienia na chłodnicy suchej wynosi 50–55 Pa [5]). Natomiast istotne są tutaj dodatkowe zalety zastosowania modułów ściennych recyrkulacyjnych z chłodnicą suchą –
aspekt higieniczny oraz niższy poziom hałasu w stosunku do rozwiązania alternatywnego w postaci stropów recyrkulacyjnych.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
BASIŃSKA M., Wpływ czynników zewnętrznych i wewnętrznych na zużycie energii na potrzeby
ogrzewania budynków, Rozprawa doktorska, Politechnika Poznańska 2000,
DIN 1946-4 12/2008 Ventilation and air conditioning – Part 4: VAC systems in buildings and
rooms used in the health care sector;
ROZPORZĄDZENIE MINISTRA INFRASTRUKTURY z dnia 06 listopada 2008 r. w sprawie
metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części
budynku stanowiącej samodzielna całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej Dz. U. Nr 201 poz. 1240,
SZCZECHOWIAK E., Analityczne obliczanie parametrów powietrza wilgotnego, Chłodnictwo,
vol. 20, 1985, 8.
Weiss Klimatechnik – Katalog 2010.
ENERGY ASPECTS OF DRY COOLING APPLICATION IN AIR CONDITIONING
SYSTEMS OF OPERATING ROOM WITH RECIRCULATION
An article presents the simulation models of air-conditioning system with recirculation of the operating unit in the operating room, realized by recirculation wall modules with dry cooler. Regulation of air
parameters in the operating room within acceptable ranges of tolerance parameters was founded as well as
the use of outdoor air parameters in the form of the Test Reference Year and energy optimal thermodynamic treatment of air. The annual demand for primary energy and energy effects in comparison with airconditioning with recirculation systems without dry cooling was determined.