České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební. Katedra technických zařízení budov Fakulta stavební, ČVUT v Praze

Transkript

1 České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební ESB 2 Výroba, distribuce a emise chladu v budovách Ing. Daniel Adamovský, Ph.D. Katedra technických zařízení budov

2 Osnova přednášky Úvod z historie a důvodů proč potřebujeme chladit Volba koncepce chlazení Základy přípravy chladu Komplexní systémy chlazení Alternativní systémy chlazení Příklady zajímavých instalací

3 Historický úvod Potřeba chladu historické jednotlivosti V minulosti výhradně pro potřeby uchovávání potravin (chlazení pomocí ledu). Rozvoj chladírenství - motivován potřebami potravinářského průmyslu, zejména pivovarnictví.. - kompresorová strojovna chlazení pivovaru - cca James Watt patentuje oddělený kondenzátor - oddělení dvou činností zahřívání válce s horkou parou a jeho ochlazování, při němž pára kondenzovala v každém taktu stroje, tzn. válec stále horký a kondenzátor stále studený = úspora energie = masivní rozšíření technologie 1928 Willis Haviland Carrier (tzv. otec klimatizace ) vyvinul první domovní klz jednotku Weathermaker - klimatizaci pro domácí prostředí 40. léta v USA ročně prodáno jednotek Klimatizační jednotky a tepelná čerpadla prolomily v USA hranici 6.2 miliónu prodaných jednotek

4 Proč potřebujeme chladit Potřeba chladu proč potřebujeme chlad? Nutnost výroby chladu: potravinářství - úschova potravin, surovin, přeprava potravin průmysl výrobní technologie (chlazení výrobních procesů, klimatizace) stavby pro sport a kulturu - klimatizace, výroba chladu pro ledové plochy gastro provozy - sklady potravin, technologie uchovávání potravin administrativní budovy a budovy pro bydlení: klimatizace budov (úprava přiváděného vzduchu, úprava vnitřního prostředí) chlazení technologií (komunikační zařízení, servovny) potřeba chladu pro příslušenství administrativních budov a přidružených provozů (gastro provozy, sklady)

5 Proč potřebujeme chladit Co ovlivňuje potřebu chladu v budovách? Klimatizace - systémy zajišťující tvorbu vnitřního prostředí obytných budov Měřítko a základní kriterium pro klimatizaci budov je ČLOVĚK jeho potřeby a požadavky Vnější faktory klimatické poměry (teplota, vlhkost, vítr, srážky) expozice budovy v exteriéru (orientace, terén, nadm. výška) Vnitřní prostředí Systémy TZB (koncepce zařízení, provoz) větrání a klimatizace vytápění systém MaR Vnitřní faktory člověk (věk, pohlaví, činnost, oděv..) technologie, vnitřní zařízení (zdroje škodlivin, atd.) provoz budovy Energetická náročnost Objekt architektonický koncept (tvar, členitost, prosklení, atd.) dispoziční řešení (funkce objektu, zónování)

6 Chladící výkon, potřeba energie Volba koncepce chlazení Qc = Qn/t [W] Čistý chladící výkon Tepelné zisky Qc - maximální tepelná zátěž budovy Tn - provozní doba nabíjení zásobníku Tb - provozní doba budovy Tv - provozní doba vybíjení zásobníku Tch - provozní doba zdroje chladu E = En + Ech = Qn * Tn + Qch * Tch vnitřní vnější

7 Volba koncepce chlazení Chladící zařízení jako celek, koncepce, řešení výpočet potřeby chladu rozhodovací proces návrhu chladícího zařízení :?? použity všechny systémů k eliminaci vzniku tepelných zisků?? NE ANO?? možnost alternativního způsobu chlazení?? ANO NE - pasivní chlazení - ANO?? jiná alternativa?? NE výběr chladícího zařízení : - strojní chlazení - investiční a provozní náklady; požadovaný výkon zařízení, regulovatelnost, pokrytí potřeby chladu - celodenního a celoroční; vlastnosti chladiva, jeho toxicita a vhodnost použití; prostorové požadavky, dispoziční řešení objektu, umístění strojovny; provozní vlastnosti: údržba zařízení, hluk;

8 Základy přípravy chladu Příprava chladu základní rozdělení umístění zdroje chladu centrální nová výstavba - administrativní celky, rekonstrukce stávajících administrativních budov v závislosti na místních podmínkách, apod.; lokální menší celky, lokální potřeba chladu u prostor se zvláštním určením, rekonstrukce objektů, adaptace stávajících prostor na nové účely; využití chladu v koncové spotřebě přímé chlazení chladivem výparník chladí přímo distribuovaný vzduch menší zařízení, lokální úprava vzduchu, VZT jednotky; nepřímé chlazení výparník chladí kapalinu distribuční medium vedené ke koncovým spotřebičům;

9 Základy přípravy chladu Centrální příprava chladu - tzv. strojní chlazení Systémová běžná řešení dle procesu výroby chladu kompresní chlazení klasický zdroj chladu absorpčního chlazení využití odpadního tepla Okrajová řešení: chlazení studeným vzduchem (pasivní chlazení) chlazení vodou jako chladivem a s pohonem proudem vodní páry termoelektrického chlazení s přívodem el. energie (tzv. Peltierůvčlánek) ( využití chlazení ve výpočetní technice chlazení procesorů apod.) absorpční chladící jednotka Peltierův efekt protéká-li stejnosměrný elektrický proud z vnějšího zdroje dvěma spojenými vodiči z různých kovů pak vzniká teplotní rozdíl mezi oběma spoji, efekt závisí na druhu kovů a na jejich teplotě.

10 Příprava chladu - strojní chlazení Principiální skladba zařízení výparník zdroj chladu - chladící jednotka - kondenzátor Základy přípravy chladu distribuční rozvod chladu koncový spotřebič chladu obsluhovaný prostor tepelné zisky zisky chlazení kondenzátoru Distribuční medium: chladící voda - teplotní spád 6/12; 18/25 C, pozn. nutný odvod ko ndenzátu z koncového spotřebiče, v závislosti na potřebě odvlhčení vzduchu vzduch - klimatizace samotné chladivo - chladivové systémy, přímé výparníky roztoky soli - nemrznoucí směs pro t < 0 C

11 Základy přípravy chladu Princip zdroje chladu teoretické základy vychází ze základního termodynamického cyklu Carnotova cyklu periodicky pracující vratný cyklus mezi dvěma tepelnými lázněmi (ohřívací a chladící) s cílem zisku práce z tepla přivedeného pracovní látce 1-2 izotermická expanze ohřívací lázni je odebráno teplo q 1,2 přivedené do cyklu za konstantní teploty pracovní látky, mění se její objem Účinnost cyklu: η = q 1,2 q q 1,2 3,4 T = 1 T min max 2-3 adiabatická expanze pracovní látka nesdílí teplo s okolím, její teplota a tlak klesá 3-4 izotermická komprese z cyklu odchází teplo q 3,4 do chladící lázně při konstantní teplotě pracovní látky 4-1 adiabatická komprese pracovní látka nesdílí teplo s okolím, její teplota a tlak roste

12 Parní kompresorový cyklus Základy přípravy chladu nejrozšířenější princip chladících zařízení pracuje na principu změny skupenství a následné komprese par chladiva a t1,2 Pro charakteristiku chladícího okruhu se používá tzv. chladící faktor (někdy nazývaný COP) vztahuje se k teplu odebranému ochlazovanému prostředí ε ch = q a 4,1 t1,2 1-2 izoentropická komprese (K) dodává se práce a t1,2 kompresoru 2-3 izobarický odvod tepla (C) pracovní látka přes kondenzátor odvádí teplo q 2,3 3-4 škrcení adiabatický proces expanze pracovní látky 4-1 izotermicko izobarický přívod tepla pracovní látce (V) teplo q 4,1 je odebíráno okolí výparníku topný faktor používaný pro tepelná čerpadla se vztahuje k teplu získanému z okruhu ε = t q a 2,3 t1,2

13 Základy přípravy chladu Zdroje chladu Příklad řešení - Parní kompresorový cyklus Chlazení kondenzátoru Kompresor Zásobník chladící vody okruhu zpětného chlazení kondenzátor chlazení pomocí otevřené chladící věže + zásobník vody okruhu zpětného chlazení

14 Základy přípravy chladu Absorpční chladící cyklus Principem je pohlcování par chladiva jinou látkou tzv. absorbentem, ze kterého za vyššího tlaku přiváděním tepla se chladivo opět vypuzuje. dodávka tepla Q v V C p Q k p k dodávka el. energie N RV 1 RV 2 RV 2 RV 1 A S dodávka tepla Q 0 p 0 Q a bohatý roztok chudý roztok kapalné chladivo páry chladiva S výparník A absorber C kondenzátor V varník T

15 Základy přípravy chladu Absorpční chladící cyklus Principem je pohlcování par chladiva jinou látkou tzv. absorbentem, ze kterého za vyššího tlaku přiváděním tepla se chladivo opět vypuzuje. dodávka tepla Q v V dodávka el. energie N RV 1 RV 2 odvod tepla A Q a C S bohatý roztok chudý roztok p odpařené chladivo o počátečním tlaku p 0 přechází do absorberu A Q je absorbováno absorbentem (voda, LiBr k apod.) odvod tepla teplota těsně pod mezí sytosti (pod bodem varu), proto se z absorberu A odvádí teplo Q a. důsledkem absorpce je tzv. bohatý roztok, čerpadlo Č o příkonu N č jej dopravuje do varníku V za současného zvýšení tlaku na p k. dodávka tepla do varníku V přivedeme tepelný tok Q v, Q 0 kapalné chladivo páry chladiva kterým je bohatý roztok uveden do varu. chladivo se z roztoku vyloučí a chudý roztok se vrací přes redukční ventil RV 1 zpět do absorberu A. vyloučené páry chladiva se odvádí do kondenzátoru C, kde odvedením tepla Q k zkapalní a přes škrtící ventil RV 2 odvede zpět do výparníku S.

16 Základy přípravy chladu Lokální příprava chladu - pro klimatizaci obytných budov a lokální chlazení (servovny, telekomunikační zařízení např. vysílače mobilních operátorů) okenní kompaktní klimatizátory (doplňková klimatizace místností) klimatizační jednotky typu "SPLIT " (klimatizace místností, kondenzační jednotka umístěna mimo objekt ve venkovním prostředí) " SPLIT " jednotky s vodou chlazeným kondenzátorem (klimatizace místností, kondenzační jednotka umístěna v objektu a napojena na vodovodní řad, cca 45 Kč/hod provozu) samostatné kondenzační jednotky (variabilní koncový spotřebič chladu) mobilní klimatizátory (doplňkové provizorní řešení)

17 Komplexní systémy chlazení Systém chlazení pokrývající potřebu chladu v budově se skládá z několika částí: zdroje chladu rozvodu chladu k jednotlivým koncovým zařízením zabezpečovacího zařízení koncových odběrných zařízení zařízení chladící kondenzátor zdroje chladu okruh distribučního media okruh chladiva okruh chladící vody

18 Komplexní systémy chlazení Zdroje chladu Kompresní chladící zařízení obvykle se dělí podle způsobu chlazení kondenzátoru s přímým chlazením kondenzátoru venkovní jednotky, u kterých je kondenzátor chlazen venkovním vzduchem s vodou chlazeným kondenzátorem kapalinový okruh (směs vody a nemrznoucí směsi) mezi kondenzátorem a vnějším chladícím zařízením s externím kondenzátorem podobně jako u split systémů, je kondenzátor vyveden mimo jednotku do venkovního prostředí

19 Komplexní systémy chlazení Zdroje chladu Absorpční chladící zařízení vyžaduje tepelný tok o vysokém potenciálu podle kombinace absorbentu a chladiva je teplota media dodávající teplo většinou nad 100 C využití místě s možností využití levné tepelné energie - průmyslová pára, odpadní teplo, sluneční energie apod.; využití tepla a tepelných zisků z technologií v letním období; významné využití u tzv. trigenerace (kombinovaná výroba tepla, chladu a el. energie pomocí klasické kogenerační jednotky - CHCP); požadavek na hospodárnost provozu - cena tepla / cena el. energie < 0,14 Kogenerační jednotka El. energie U T T V Tepelná energie spotřebič Absorpční jednotka Chladič kondensátoru

20 Komplexní systémy chlazení Strojovna chladu řešení dle uspořádání zdroje chladu volné jednotlivé části systému odděleny kompaktní systémová řešení (chillery výrobníky studené vody) umístění zajistit výměnu zařízení, montáž suterén nutné zajistit chlazení kondenzátoru, zajistit větrání v případě havárie střecha únosnost střešní konstrukce Chladící výkon [W] Půdorysná plocha [m2] CHLADIČ strojovna chladu - suterén objektu chladič - mimo objekt, střecha SPOTŘEBIČ CHLADU ZDROJ CHLADU

21 Komplexní systémy chlazení Chlazení kondenzátoru Systémy zpětného chlazení otevřené chladiče chladící věže uzavřené chladiče chladící okruh proudí přes vzduchem chlazený výměník chladící bazény a) pomocí chladící věže b) pomocí chladícího bazénu c) vzduchový chladič

22 Komplexní systémy chlazení Chlazení kondenzátoru Chladící věže schéma zapojení otevřené ené chladící věže uzavřené chladící věže vodou skrápěný vzduchem chlazený výměník, kterým proudí chladící okruh kondenzátoru 1. Chladící věž 2. Čerpadla 3. Dodávka doplňkové vody 6. Filtr 15. Zásobní nádrž 16. Úprava vody 17. Místo chlazení kondenzátoru

23 Komplexní systémy chlazení Chlazení kondenzátoru Suché chladiče Klady: kompaktní systémové řešení prostorová nenáročnost jednoduchá údržba široká variabilita kondenzátor chlazený vzduchem Zápory: hlučnost nutnost venkovní část opatřit protimrazovou ochranou zajistit odtok kondenzátu oběhová čerpadla

24 Komplexní systémy chlazení Distribuce chladu - řešení systému rozvodů, vč. materiálového obdobné jako u otopných soustav, tzn. rozvodů tepla distribuční medium voda v rozsahu teplot 6 18 C, směsi ethylenglykolu a vody pro teploty pod 6 C pozo r mění se fyzikální vlastnosti (klesá měrná tepelná kapacita, roste viskozita vyšší tlakové ztráty) roztok soli materiálové řešení ocel, měď, dtto jako otopné soustavy koroze rozvodů vnitřní (vznik el. vodivého článku mezi prvky rozvodů) vnější (kondenzace vodních par na povrchu rozvodů chladu = důkladné řešení těsné tepelné izolace) systémové řešení rozvodů dvoutrubní systém (přívod a zpátečka UT+CHL nutná přepínání režimu) třítrubní systém (přívod UT+CHL oddělené, zpátečka společná) čtyřtrubní systém (oddělený přívod i zpátečka pro UT+CHL, nezávislé optimální reakce na změnu režimu provozu)

25 Komplexní systémy chlazení Distribuce chladu zabezpečovací zařízení - obdoba teplovodních systémů otopných soustav zabezpečení proti nadměrnému přetlaku každý zdroj chladu musí být opatřen pojistným ventilem zabezpečení při změně objemu pracovní teploty výrazně nižší než u otopné soustavy přesto probíhají objemové změny pracovního média obvykle vychází menší expanzní objemy zabezpečení kvality pracovního média nutné řídit se požadavky výrobce zdroje chladu obvykle stačí neutralizace ph, případně demineralizace (větší instalace chlazení se doplňují i o malé úpravny vody pro dopouštění) ochrana proti mechanickým nečistotám,

26 Příklad připojení vzduchem chlazené chladící jednotky Komplexní systémy chlazení

27 Komplexní systémy chlazení Emise chladu - sdílení chladu do cílového prostoru klimatizací chlazení vzduchu, který slouží jako distribuční médium chlazení ve vzduchotechnické jednotce chlazení v koncových částech fancoily, indukční jednotky, airboxy aj. čtyřtrubkový rozvod FCU vytápění i chlazení distribuční mřížky

28 Komplexní systémy chlazení Emise chladu - sdílení chladu do cílového prostoru zařízení přímo spojené s rozvodem chladu chladící povrchy stropy, případně stěny kapilární rohože, trubkové smyčky, lamely aj. a) Masivní chladicí strop jako součást stropní konstrukce b) Modulační klima deska c) Chladicí panely umístěné v podhledové konstrukci opatřené izolací d) Lamelový chladicí strop upevněný na vodní potrubí e) Otevřený chladicí strop v podobě protlačovaných profilů s vodními kanály f) Kapilární systém umístěný v omítce

29 Komplexní systémy chlazení Regulace systémů chlazení obecně probíhá podle klimatických podmínek s možnou korekcí podle interiéru regulace na zdroji chladu chladící výkon se obvykle řídí podle teploty vratné vody z rozvodu chlazení příp. nadřazeným systémem cílem je udržet požadovanou výstupní teplotu kompresorové chladiče mají obvykle regulaci kompresoru (cca od 50 do 100 %) při dvouokruhovém uspořádání lze na kompresorech regulovat 25 až 100 % chladícího výkonu není vhodné měnit průtok pracovního média na straně výparníku jednoduchá oběhová čerpadla okruh chlazení kondenzátoru musí být podřízen regulaci chladící jednotky (u menších systémů pracuje autonomně podle vstupní teploty do výměníku)

30 Komplexní systémy chlazení Regulace systémů chlazení obecně probíhá podle klimatických podmínek s možnou korekcí podle interiéru regulace na rozvodu typické postupy jako pro otopné soustavy často se používá třícestné armatury v tzv. rozdělovací funkci vzhledem k nízkým rozdílům teplot mezi přívodem a zpátečkou je nutné zabránit vzájemnému ohřívání a ochlazování například kombinované R/S, hydraulické spojky, netěsné armatury aj.

31 Alternativní systémy chlazení Zdroje chladu - alternativní možnosti chladící zařízení s vodním chladícím oběhem - využití vody jako chladiva nejekologičtější a nejpřirozenější chladivo (označení R 718) větší chladící výkony cca 500 kw a výše. není příliš rozšířeno - vysoké a pořizovací náklady chlazení vodou ze studní čerpání vody (přímé, nepřímé chlazení) zemní sondy - využití zemního chladu umístění zemních sond podmíněno dostatečnou vzdáleností technologicky náročné řešení závisí na místních geologických podmínkách VŽDY nutné schválení orgánem spravujícím vodní zdroje v lokalitě ZEMNÍ CHLAD SPODNÍ VODA

32 Alternativní systémy chlazení Zdroje chladu - alternativní možnosti využití kombinace strojního chlazení a vodoteče čerpání vody z řeky pro chlazení kondenzátoru tepelného čerpadla využití i pro přímé chlazení - možné pouze v případě povolení správcem vodoteče - sdílení chladu s okruhem v objektu výhradně přes vložený výměník využití: - pro přímé chlazení chladícího okruhu budovy v přechodném období v době nižší potřeby chladu - v případě vysoké potřeby chladu v létě chladí okruh chlazení kondenzátorů chladících jednotek - nutné mít k dispozici chladící věže paralelně se sestavou řekou chlazeného výměníku - omezení čerpání vody podle stavu ve vodoteči, nutné pravidelné čištění výměníku, provozovatel musí zaručit nedotčení kvality říční vody

33 Alternativní systémy chlazení Zdroje chladu - alternativní možnosti zemní chlad chlazení, resp. odvlhčování venkovního vzduchu před jeho přívodem do budovy v létě či jeho předehřátí v zimě vzduch je nasáván přes potrubí (plast, beton, zděné aj.) uložené v zemním masivu v oblasti s celoročně malými změnami teploty (min. 1,8 m, může být i pod objektem). uspořádání možné průtočné jedním směrem i cirkulační výhodou je předehřev v zimním období, předchlazení, případně odvlhčení v letním období trasa může být přímá i tvarovaná (čištění!), délka min. 25 m, uložení potrubí pod volným terénem i pod budovou. výhodné jsou zeminy s vysokým obsahem vody (jíly), naprosto nevýhodné jsou písky, spraše apod. problém je s návrhem dostatek relevantních vstupních údajů, proměnnost prostředí včase měnící se parametry sdílení tepla

34 Alternativní systémy chlazení Zdroje chladu - alternativní možnosti chlazení sorpčním odvlhčováním vzduchu (chlazení přiváděného vzduchu) Chlazení sorpčním odvlhčováním - schéma převzato z podkladů firmy Robatherm (zastoupení firmou OK- Puls s.r.o. ) Chlazení sorpčním odvlhčováním hx diagram

35 Příklady zajímavých instalací Zajímavé realizace - Alternativní způsoby chlazení Chlazení pomocí sorpčního odvlhčení vzduchu - regenerace sorpčního rotoru teplem z kapalinových solárních kolektorů Ökopark Hartberg Štýrsko, Rakousko

36 Příklady zajímavých instalací Chladící zařízení příklady instalací Stroje pro centrální chlazení obchodního domu Qchl = 500kW Chladič kondenzátoru pro centrální zdroj chladu Qchl = 160kW

37 Příklady zajímavých instalací Chladící zařízení příklady instalací Zdroj chladu umístěný na střeše v historické zástavbě Split jednotky pro každou kancelář (Portugalsko Lisabon)

38 Příklady zajímavých instalací Chladící zařízení příklady instalací Chlazení prostor pomocí ochlazování střešního pláště tekoucí vodou Portugalsko (Lisabon)

39 Děkuji za pozornost Daniel Adamovský ČVUT Fsv, katedra TZB