ANALÝZA SPOTŘEBY ENERGIE VÍCEZÓNOVÝCH KLIMATIZAČNÍCH SYSTÉMŮ

Transkript

1 Simulace budov a echniky prosředí konference IBPSA-CZ Praha, 8. a ANALÝZA SPOTŘBY NRGI VÍCZÓNOVÝCH KLIMATIZAČNÍCH SYSTÉMŮ Vladimír Zmrhal Úsav echniky prosředí, Fakula srojní, České vysoké učení echnické v Praze Vladimir.Zmrhal@fs.cvu.cz ABSTRAKT Výsledkem energeických simulačních výpočů je věšinou chladicí výkon pořebný k odvodu cielné epelné záěže klimaizovaného prosoru např. v hodinových inervalech, ze keré lze následně urči pořebu chladu v kwh/rok. Uvedené číslo však neobsahuje vázanou složku, kerá závisí jednak na venkovních klimaických podmínkách a rovněž na vlhkosní záěži daného prosoru. Pro sanovení celkové pořeby energie na chlazení obsahující cielné i vázané eplo lze s výhodou využí psychromerické výpočy, keré popisují úpravy vlhkého vzduchu v klimaizačním zařízení. Na základě simulace a uvedeného výpočeního posupu byly analyzovány vybrané vícezónové klimaizační sysémy z hlediska spořeby energie. Klíčová slova: spořeba energie, energeická simulace, klimaizační sysémy ANALYSIS OF MULTI-ZON AIR-CONDITIONING SYSTMS NRGY CONSUMPTION The hea load of air-condiioned space a hourly inervals as he resul of energy simulaion corresponds o need for cooling in kwh/year. The number does no conain laen componen, which depends boh on he oudoor climae condiions and also he moisure load of he space. The psychromeric calculaions can be used for deermining of he oal energy needs for cooling conaining sensible and laen hea. Based on he simulaion and presened calculaion he energy consumpions of muli-zone air-condiioning sysems were analyzed. Keywords: energy consumpion, energy simulaion, air-condiioning sysems ÚVOD Příspěvek prezenuje varianní způsob výpoču celkové spořeby energie na chlazení na základě výsupu výsledků energeické simulace s použiím psychromerických výpočů. Uvedený posup je aplikován pro porovnání ypických uspořádání vícezónových klimaizačních sysémů. TORI Z klimaické daabáze používané pro energeické simulační výpočy je znám průběh eploy venkovního vzduchu e a relaivní vlhkosi ϕ e. Na základě psychromerických výpočů uvedených níže [2] lze sanovi měrnou vlhkos x e a enalpii venkovního vzduchu h e. pd x =, 622 (1) p pd Parciální lak par se sanoví z definice relaivní vlhkosi ϕ pd = ϕ pd (2) h = 1, 1 + (25 + 1,84 ) x (3) Pro výpoče parciálního laku syé páry p d lze použí vzahy uvedené např. v lierauře [1] nebo [3]. MTODIKA VÝPOČTU Spořeba energie na úpravu venkovního vzduchu Je-li venkovní vzduch chlazen, je nuné sanovi pořebný výkon chladiče. Celkový výkon chladiče se skládá z cielného a vázaného epla Q = Q + Q (4) ch, pe ch, ci ch, váz což lze obecně vyjádři jako Qch, pe = Ve ρe ( he hpe ) = Ve ρe pe (5) Celková spořeba energie na chlazení venkovního vzduchu je dána součem chladicích výkonů vypočených v hodinových inervalech = n pe, c ch, pe Q Q (6) Směr změny při chlazení vzduchu je dán povrchovou eploou chladiče ch, kerá se během výpoču nemění ( ch = kons., x ch = kons. při p b = kons.). Předpokládáme-li, že směr změny vzduchu při chlazení probíhá po přímce (obr. 2), lze rozdíl enalpií pe sanovi na základě fakoru cielného epla c pe c ϑ = = pe ch ch (7) kde rozdíl enalpií ch se sanoví jako hch = c ch + l x ch (8) Je-li eploa venkovního vzduchu e nižší, než minimální eploa přiváděného vzduchu pe,min (zvolená s ohledem na rozpýlení vzduchu v prosoru), což nasává zejména v ranních hodinách,

2 nebo v přechodovém období, je venkovní vzduch ohříván. Celková spořeba energie se sanoví obdobně jako v předchozím případech jako souče oopných výkonů s ím, že výkon ohřívače je ( ) Q = V ρ c (9) oh e e pe e e pe ch ϕ = 1 υ=1 x e< xch x e> x P CH P ch x ch x pe υ pe pe ch Q = Q (14) ch, ob ci, c Celková spořeba energie pro chlazení oběhového vzduchu je pak dána součem chladicích výkonů vypočených v hodinových inervalech = n ob, c ch, ob Q Q (15) i p ch P CH S I P p h pe ϕ i ϕ = Obr. 2 Znázornění průběhu chlazení venkovního vzduchu bez kondenzace a s kondenzací v h-x diagramu vlhkého vzduchu Spořeba energie pro chlazení oběhového vzduchu Úkolem klimaizačního zařízení je úprava epelného savu prosředí v mísnosi. V případech, kdy se využívá pro chlazení i přiváděný venkovní vzduch, je čás epelné záěže odvedena věracím vzduchem ( ) Q = Q Q = Q V ρ c (1) ci, c z, ci vě z, ci e e i pe Výše uvedená rovnice (1) plaí i pro případy, kdy venkovní vzduch není v cenrální jednoce chlazen a epelná záěž od věracího vzduchu zvyšuje cielnou epelnou záěž mísnosi, kerou je pořeba odvádě. Vlhkosní zisky jsou odváděny celkovým průokem vzduchu M = V + V ρ ( x x ) (11) w ob e sm i s Na základě znalosi vlhkosních zisků M w lze polohu bodu I na izoermě i resp. měrnou vlhkos x i zjisi ieračním výpočem. Celkový výkon chladiče oběhového vzduchu se pak sanoví jako Qch, ob = Vob ρ p hp = Vob ρ p ( hi h p ) (12) kde hp = c p + l x p (13) U sysémů kde nedochází ke kondenzaci vodní páry na chladiči oběhového vzduchu (např.: sálavé chladicí sysémy, nebo vysokoeploní vodní sysémy jako chladicí rámce apod.) je siuace o poznání jednodušší, neboť odvádějí pouze cielnou epelnou záěž. Celkový výkon pro chlazení oběhového vzduchu (u sálavých sysémů předpokládáme, že veškerý chladicí výkon se sdílí do oběhového vzduchu i když omu ak ve skuečnosi není) je v akovém případě i p pe,min ch pe P I S P CH 8 h [kj/kg ] 1 h [kj/kg ] 1 p p x [g/kg ] ϕ i ϕ = 1 4 x [g/kg ] Obr. 3 Úprava vzduchu sysému s veniláorovým konvekorem v h-x diagramu a) lení exrém, b) případ, kdy je venkovní vzduch dohříván Spořeba elekrické energie na chlazení Spořeba elekrické energie na chlazení je dána chladicím fakorem R (nergy fficiency Raio) daného chladicího zařízení. U kompresorových chladicích zařízení se vzduchem chlazeným kondenzáorem závisí chladicí fakor R na eploě venkovního vzduchu, eploě vody (vzduchu) na sraně výparníku a na vyížení zdroje chladu. Hodnoy R udávané výrobcem pro jmenovié podmínky (např.: eploa venkovního vzduchu 35 C a eploa vody 7 C) nelze pro výpoče spořeby energie použí a je nuné použí závislos R na uvedených paramerech. Příklad akových závislosí je uveden na obr. 4 a 5. U kompresorového chladicího zařízení připravujícího chlazenou vodu, lze předpokláda

3 provoz vypnuo/zapnuo s ím, že je nuné zná, nebo odhadnou frekvenci chodu. Naproi omu chladivový VRV sysém pracuje s proměnným průokem chladiva a udíž s rozdílným zaížením zdroje. S rosoucím zaížením sroje klesá chladicí fakor R (obr. 5). Spořebu elekrické energie pro chlazení lze obecně sanovi jako. Qch Qel, ch = e (16) R Je zřejmé, že chladicí fakor závisí na celé řadě paramerů. Závislosi prezenované na obr. 4 a 5 plaí pro konkréní výrobky s jmenoviým chladicím výkonem cca 5 kw, jejichž hodnoy budou použiy pro pozdější analýzu spořeby energie a nelze je edy v žádném případě zobecňova. R [-] 5, 4,5 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 Chiller 5 kw, w = 5 C Chiller 5 kw, w = 15 C VRV 49 kw, a = 25 C, 1 % e Obr. 4 Příklad závislos chladicího fakoru R na eploě venkovního vzduchu (zpracováno s použiím firemních údajů) [7],[6] R [-] 6, 5,5 5, 4,5 4, DB = 25 C, WB = 18 C 13 % 12 % 11 % 1 % 9 % 8 % 7 % 6 % 5 % Spořeba elekrické energie pro pohon veniláorů a čerpadle je opě dána součem akuálních příkonů vypočených v hodinových inervalech. PŘÍPADOVÁ STUDI Pro porovnání vícezónových klimaizačních sysémů z hlediska spořeby energie byl vyvořen jednoduchý model kanceláře v simulačním programu SP-r [5]. Jednalo se o kancelář o půdorysném rozměru 5,2 x 4 m a výšce 3 m s orienací na jih. Fasáda byla z věší čási prosklená oknem o rozměru 4,7 x 1,7 m. Součiniel prosupu epla zasklení U = 1,4 W/(m 2 K) (dvojié zasklení), okna jsou síněna vniřními žaluziemi, sínicí součiniel s =,55. Mísnos byla vybavena dvěmi pracovními mísy a je zaížena vniřními zisky od osob (62 W/os) a elekronického vybavení, kerým je počíač (4 W/os) a monior (58 W/os) s působením v pracovní době od 7. do 19. hodin. Časové rozložení vniřních epelných zisků během dne zohledňuje úlumy v ranních (7. až 8.), poledních (11. až 12.) a odpoledních hodinách (16. až 18.), kdy působení vniřních epelných zisků bylo 5%. V sousedních mísnosech se předpokládá oožný epelný sav prosředí jako ve zkoumané mísnosi. V rámci simulačních výpočů byla využia klimaická daa z roku 23 pro Prahu. Léo roku 23 bylo obdobím s dlouhodobým klimaickým exrémem pro ČR. Výpoče byl realizován pro eplou vniřního vzduchu 26 C (konvekivní sysémy) a 28 C (sálavý sysém). Výsupem simulačního výpoču je cielná epelná záěž prosoru v hodinových inervalech v období od 1.5. do ,5 3, 2,5 VRV, Q ch,n = 49 kw, R N = 3, e Obr. 5 Příklad závislos chladicího fakoru R na eploě venkovního vzduchu a zaížení zdroje chladu VRV sysém (zpracováno s použiím firemních údajů) [6] Spořeba el. energie na pohon veniláorů a čerpadel Příkon čerpadla, nebo veniláoru se sanoví z jeho výkonu a z celkové účinnosi V p P = (17) ηc nebo lze použí šíkové hodnoy. Při výpoču se provoz čerpadel a veniláorů klimaizačních sysémů předpokládal v době, kdy je pořeba chladi. Obr. 6 Schéma modelu kanceláře Zkoumané klimaizační sysémy V rámci příspěvku byla porovnávána spořeba energie pro ypická uspořádání následujících klimaizačních sysémů: VRV chladivový sysém FCU sysém s veniláorovým konvekorem CHT chladicí rámce CHS chladicí sropy Součásí klimaizačního sysému je vždy i věrací jednoka s konsanním průokem vzduchu (bez cirkulace), kerá zajišťuje přívod a úpravu minimální dávky čersvého venkovního vzduchu pro osoby pobývající v prosorách kanceláře. Na obr. 7 je znázorněno uspořádání sysému s veniláorovým

4 konvekorem (FCU). V případech, kdy je eploa venkovního vzduchu e vyšší než eploa vzduchu v mísnosi i je venkovní vzduch chlazen. V leních exrémech se předpokládá s izoermním přívodem vzduchu, zn. že venkovní vzduch je ochlazován na eplou vzduchu v mísnosi pe = i (obr.3a). V případě, že je eploa venkovního vzduchu e nižší, než požadovaná eploa vniřního vzduchu i je možné venkovní vzduch použí pro chlazení pe = e. Zejména v ranních hodinách, kdy eploa venkovního vzduchu může bý velmi nízká nelze přivádě venkovní vzduch bez úpravy. V akovém případě je pořeba venkovní vzduch ohříva (obr.3b). Pro všechny zkoumané sysémy byla použia podmínka, že eploa venkovního přiváděného vzduchu pe může bý z důvodu použiého disribučního elemenu maximálně o 6 K nižší, než je eploa vzduchu v mísnosi. Popis řešených sysémů je uveden v ab. 1. jednoku. Porovnání sysémů ak zohledňuje především chladicí zařízení, keré slouží k úpravě savu vniřního prosředí. nergie kerou spořebovává veniláor cenrální jednoky není v analýze uvedena a předpokládá se, že je pro všechny sysémy oožná. V dolní polovině ab. 2 jsou uvedeny výsledky spořeby elekrické energie. Pro přepoče spořeby epelné energie pro chlazení na spořebu elekrické energie byl použi průměrný chladicí fakor během roku sanovený z pokladů výrobců chladicích zařízení. U vodního a kombinovaného sysému byla zohledněna i frekvence spínání kompresoru součinielem e =,9. U chladivového sysému bylo uvažováno s rozdílným zaížením zdroje chladu podle obr Variana VRV Qz,ci - cielná epelná záěž Qch,pe - výkon chladiče venkovního vzduchu Qch,ob - celkový výkon chladiče VRV Qvě - chladicí výkon venkovního vzduchu Qoh - výkon ohřívače venkovního vzduchu Q [W] Obr. 7 Schéma sysému s veniláorovým konvekorem (FCU) VÝSLDKY Na obr. 8 jsou znázorněny průběhy výkonů ve vybraném období pro chladivový VRV sysém (obr. 8a) a sysém s chladicím sropem (obr. 8b). Z průběhů jsou zřejmé především vyšší nároky na celkový chladicí výkon chladivového sysému VRV způsobený kondenzací vodní páry na povrchu chladiče. Podobně se chová i sysém s veniláorovým konvekorem FCU. Celkový výkon chladicího sropu prakicky odpovídá epelné záěži prosoru Q z,ci. Zejména v odpoledních hodinách, kdy je eploa venkovního vzduchu e vyšší než eploa vzduchu v mísnosi i je parná nunos chlazení venkovního vzduchu. U chladivového sysému je pořeba vyšší, neboť pracuje s nižší eploou přiváděného vzduchu. Naproi omu v ranních hodinách je pořeba venkovní vzduch dohříva a vyšší pořeba se projevuje u sysému s chladicím sropem. Výsledná spořeba epelné energie pro všechny zkoumané sysémy je uvedena v ab. 2. V analýzách bylo uvažováno, že cenrální vzduchoechnická jednoka u všech zkoumaných případů obsahuje přímý výparník (povrchová eploa chladiče 5 C) napojený na samosanou kondenzační Čas Obr. 8a Průběhy výkonů ve vybraném období pro chladivový sysém (VRV) Q [W] Variana CHS Qz,ci - cielná epelná záěž Qch,pe - výkon chladiče venkovního vzduchu Qch,ob - celkový výkon CHS Qvě - chladicí výkon venkovního vzduchu Qoh - výkon ohřívače venkovního vzduchu Čas Obr. 8b Průběhy výkonů ve vybraném období pro sysém s chladicím sropem (CHS) DISKUS Z ab. 2 je zřejmé, že spořeba energie pro chlazení venkovního vzduchu je, díky vyšší eploě vniřního vzduchu i, nejnižší u sysému s chladicím sropem (o více než 5 %). Naproi omu je však vyšší spořeba energie pro ohřev venkovního vzduchu ehdy, je-li jeho eploa nižší než eploa ( i 6) C. Pro ohřev vzduchu lze však s výhodou využíva výměník ZZT, avšak v uvedených

5 analýzách s ako řízenou úpravou vzduchu nebylo počíáno. Celková spořeba epelné energie pro chlazení vniřního prosředí resp. cirkulačního vzduchu (u konvekivních sysémů) vychází nevýhodně pro chladivový sysém, neboť pracuje s nejnižší povrchovou eploou chladiče oběhového vzduchu. Výrazně výhodnější jsou sysémy u kerých nedochází ke kondenzaci vodní páry na chladicím povrchu (chladicí rámce a chladicí sropy). Sálavý sysém vychází ješě o něco výhodněji opě díky možnosi udržova vyšší eplou vzduchu v prosoru. Q el [kwh/rok] % Pohon veniláorů Pohon čerpadel Chlazení venkovního vzduchu Chlazení oběhového vzduchu 35,8 % 43,5 % FCU VRV CHT CHS Variana Obr. 9 Grafické porovnání spořeby energie zkoumaných sysémů Z hlediska spořeby elekrické energie je siuace poněkud odlišná. Uplaňují se zde zejména vyšší chladicí fakory chladivových sysémů. U chladivového sysému a sysému s veniláorovým konvekorem je nuné navíc započía spořebu energie pro pohon veniláoru. Díky malému eplonímu spádu na sraně vody (2 K) sysému s chladicím sropem a s chladicím rámcem je nuné dopravova výrazně věší množsví vody, což má za následek vyšší nároky na dopravní práci a edy i na spořebu energie pro pohon čerpadla. ZÁVĚR Na základě uvedeného výpočeního posupu lze analyzova klimaizační sysémy z hlediska spořeby energie. Uvedený posup není srikně vázán na použií simulačního výpoču a lze ho použí i pro osaní energeické výpočy, keré se provádějí na základě znalosi referenčních klimaických da (jako např. ČSN N 1379). PODĚKOVÁNÍ Příspěvek byl napsán s podporou výzkumného záměru MSM Technika živoního prosředí. [2] Chyský J. Vlhký vzduch. Praha SNTL [3] Chyský, J., Hemzal, K. a kol. Věrání a klimaizace. Brno Boli B-press. 56 s. ISBN [4] Zmrhal V. Porovnání vodních klimaizačních sysémů z hlediska spořeby energie. In.: 19. národní konference Klimaizace a věrání. Praha 21. Společnos pro echniku prosředí 21. [5] SP-r, A Building nergy Simulaion nvironmen, SRU Manual. nergy Sysem Research Uni, Universiy of Srahclyde, Glasgow, 1998 [6] Daikin. Firemní údaje. Dosupné z <hp://exrane.daikineurope.com> [7] Cia. Domovské sránky Cia. Dosupné z: <hp:// PŘHLD OZNAČNÍ c měrná epelná kapacia [J kg 1 K 1 ] e součiniel zohledňující frekvenci spínání kompresoru [-] R chladicí fakor [-] h enalpie [J kg 1 ] l výparné eplo [J.kg 1 ] M hmonosní ok [kg.s 1 ] p lak [Pa] p dopravní lak [Pa] P příkon [W] Q výkon [W] Q spořeba energie [kwh/rok] eploa V objemový průok [m 3.h -1 ] x měrná vlhkos [g.kg -1 ] ϕ relaivní vlhkos [%] ρ husoa [kg m 3 ] ϑ fakor cielného epla [-] indexy c celkový ci cielný d páry e venkovní el elekrický i vniřní max maximální ob oběhový ch chladicí pe venkovní přiváděný p přiváděný s smísený váz vázaný vě věrací z záěž LITRATURA [1] ASHRA Handbook 29 Fundamenals, 29, ASHRA, Alana. ISBN

6 Tab. 1 Seznam a popis zkoumaných sysémů Sysém FCU VRV CHT CHS Teploa vniřního vzduchu Teploa přiváděného venkovního vzduchu Návrhový eploní spád vody Povrchová eploa chladiče Průok čersvého venkovního vzduchu pro osoby [m 3 /h] Průok cirkulačního vzduchu [m 3 /h] Pracovní rozdíl eplo ( i p ) [K] Maximální cielná epelná záěž prosoru [W] (výsup simulace) Produkce vodní páry na osobu [g/h] Příkon cirkulačního veniláoru [W] Tab. 2 Spořeba energie zkoumaných sysémů i pe ( i 6) < pe < i w1 / w2 6/12-16/18 16/18 ch V e 1 V ob p Q z,max M w P Sysém FCU VRV CHT CHS Tepelná energie Spořeba energie pro chlazení venkovního vzduchu [kwh/rok] (cielné/vázané eplo) Spořeba energie pro ohřev venkovního vzduchu [kwh/rok] Spořeba energie pro chlazení vniřního prosředí oběhového vzduchu [kwh/rok] (cielné/vázané eplo) Celkem spořeba energie pro chlazení [kwh/rok] Porovnání spořeby energie pro chlazení v [%] lekrická energie Průměrný chladicí fakor * zařízení pro chlazení venkovního vzduchu (přímý výparník) [-] Průměrný chladicí fakor * zařízení pro chlazení oběhového vzduchu (vniřního prosředí) [-] Spořeba elekrické energie pro chlazení [kwh/rok] Spořeba elekrické energie pro pohon veniláoru vniřních jednoek [kwh/rok] Spořeba elekrické energie pro pohon čerpadla [kwh/rok] Celkem spořeba elekrické energie [kwh/rok] Porovnání celkové spořeby elekrické energie v [%] * Pro zkoumané období od 1.5. do 3.9. Q pe,c 43,7 (31,6/12,1) 43,7 (31,6/12,1) 43,7 (31,6/12,1) 2,4 (15/5,4) Q oh Q ob,c 1236 (14/196) 13 (14/262) 14 (14/) 94 (94/) Q c ,9 % % -19,5 % -31,3 % R pe 4,49 4,49 4,49 4,49 R ob 4,2 4,82 4,85 4,85 Q el,ch 317,2 279,9 224,2 19,5 Q ven 92,8 84,6 Q č 23,8 54,3 54,3 Q el,c 433,8 364,5 278,5 245,2 % -16, % -35,8 % -43,5 %