Autorius: Mycond techninis skyrius
Oro sausintuvų jungimas su šildymo sistemomis per kondensatoriaus šilumos utilizavimą yra svarbus inžinerinis metodas, didinantis objektų energinį efektyvumą. Ši integracija leidžia „atliekas“ iš sausinimo technologinio proceso – atmetamą šilumą – paversti naudinga energija šildymui, vandens pašildymui ar kitiems poreikiams. Šiame straipsnyje aptarsime termodinamikos pagrindus, techninius sprendimus ir tokių sistemų efektyvumo kriterijus.
Šaldymo tipo sausintuvo šilumos balansas – atmetamos šilumos šaltinis
Šaldymo tipo oro sausintuvai veikia principu, kai oras garintuve atšaldomas žemiau rasos taško, todėl vyksta vandens garų kondensacija. Atšaldytas ir sausas oras vėliau praeina per kondensatorių, kur sušyla, ir grįžta į patalpą su mažesne drėgme, bet aukštesne temperatūra.
Kondensatoriaus energijos balansą galima išreikšti tokia formule:
Šiluma kondensatoriuje = Slaptoji kondensacijos šiluma + Kompresoriaus darbas + Jautrioji oro šiluma
Slaptoji kondensacijos šiluma – tai energija, išsiskirianti kondensuojantis vandens garams garintuve. Ji apskaičiuojama kaip sausinimo našumas (kilogramais per valandą) padaugintas iš garavimo šilumos, kuri priklauso nuo kondensacijos temperatūros ir paprastai yra 2300–2500 kJ/kg (pagal vandens garų lenteles esamai temperatūrai).
Kompresoriaus darbas – tai kompresoriaus suvartojama elektros galia. Ši reikšmė imama iš sausintuvo techninių duomenų arba šaldymo ciklo skaičiavimo.
Jautrioji oro šiluma – tai papildomas oro, praeinančio per sausintuvą, pašildymas; priklauso nuo konstrukcijos ir darbo režimo.
h–d diagramoje sausinimo procesą galima pavaizduoti kaip nuoseklų oro aušinimą iki žemesnės už rasos tašką temperatūros, dalies drėgmės kondensaciją (horizontalus ruožas) ir tolesnį išdžiovinto oro pašildymą kondensatoriuje.
Pavyzdžiui, jei sausintuvas pašalina 10 kg/val. drėgmės esant 28 °C kondensacijos temperatūrai (garavimo šiluma apie 2435 kJ/kg), slaptoji šiluma sudarys 10 kg/val. × 2435 kJ/kg = 24350 kJ/val. = 6,8 kW. Jei kompresorius sunaudoja 3 kW, bendra šiluma kondensatoriuje bus apie 9,8 kW.
Išėjimo oro temperatūros padidėjimas nustatomas pagal šilumos balansą ir konkrečios sistemos oro srautą.
Šilumos utilizavimo teoriniai pagrindai: kondensatoriaus potencialas ir temperatūriniai lygiai
Svarbu suprasti skirtumą tarp šaltnešio kondensacijos temperatūros ir šilumnešio temperatūros. Šaltnešis kondensuojasi esant temperatūrai, kuri priklauso nuo aušinimo terpės (oro ar vandens kondensatoriuje) temperatūros ir šilumokaičio temperatūrinio slėgio.
Oriniam kondensatoriui patalpoje, kurioje 25 °C, kondensacijos temperatūra gali būti 35–45 °C. Vandens kondensatoriui esant vandens temperatūrai 30 °C – 40–50 °C. Šios reikšmės nėra universalios konstantos – jos nustatomos skaičiuojant konkrečioms sąlygoms.
Naudingumo koeficientas (COP) sausintuvui gali būti apibrėžtas dviem būdais:
Šiluminis COP = Šiluma kondensatoriuje / Kompresoriaus darbas
Šaldymo COP = Šiluma garintuve / Kompresoriaus darbas
Sausintuvų kataloguose dažnai nurodomas SMER (Specific Moisture Extraction Rate) litrais arba kilogramais vienai kilovatvalandei – tai kitoks rodiklis nei COP.
Skaičiuojant šilumos utilizavimo potencialą, imame šilumą kondensatoriuje iš energijos balanso: slaptoji šiluma plius kompresoriaus darbas; darbas imamas iš sausintuvo techninių duomenų.
Lyginant su oras–vanduo šilumos siurbliu, kuris žiemą ima šilumą iš lauko oro (temperatūra gali būti −10...+10 °C), sausintuvas gauna šilumą iš vidaus oro (20–25 °C), todėl garintuvas dirba stabilesnėmis sąlygomis.
Tinkamai parinkus šilumokaitį ir suderinus temperatūrinius lygius, didžioji kondensatoriaus šilumos dalis gali būti perduota naudingai apkrovai. Konkreti reikšmė priklauso nuo sistemos parametrų.
Pažymėtina, kad kylant aušinančio vandens temperatūrai didėja kondensacijos temperatūra, o tai mažina šaldymo ciklo efektyvumą.
Integravimo schemos: trys pagrindiniai metodai
Yra trys pagrindinės oro sausintuvų integracijos su šildymo sistemomis schemos:
Pirma schema: atskiras vandens šilumokaitis (plokštelinis arba vamzdžių pluošto) kondensatoriaus pusėje. Karštoji pusė – šaltnešis arba oras po kondensatoriaus (priklausomai nuo sausintuvo konstrukcijos), šaltoji – šildymo ar karšto vandens tiekimo sistemos vanduo. Hidrauliškai šilumokaitis jungiamas į šildymo grįžtamąją liniją arba karšto vandens kontūrą; reikalingas cirkuliacinis siurblys, išsiplėtimo indas, balansiniai vožtuvai. Privalumai: paprastumas, galimybė pritaikyti esamoms sistemoms. Trūkumai: papildomas hidraulinis pasipriešinimas, reikia atskiro cirkuliacinio siurblio.
Antroji schema: kaskadinis prijungimas su šilumos siurbliu. Sausintuvas pašildo vandenį nuo T1 iki T2 (pvz., nuo 20 °C iki 40 °C), šilumos siurblys pakelia nuo T2 iki T3 (pvz., nuo 40 °C iki 60 °C) karštam vandeniui. Tarp jų įrengiama buferinė talpa režimams išlyginti. Privalumai: mažesnė šilumos siurblio apkrova, didesnis bendras sistemos COP, nes šilumos siurblys dirba su pašildytu šaltiniu. Trūkumai: sudėtingesnė automatika, būtina suderinti dviejų įrenginių darbo režimus.
Trečioji schema: tiesioginiai žematemperatūriai vartotojai. Kondensatoriaus šiluma perduodama grindų šildymui (paduodamo vandens temperatūra 30–40 °C), tiekiamo vėdinimo oro pašildymui (20–30 °C) arba baseino šildymui (26–30 °C). Privalumai: gerai suderinti temperatūriniai lygiai, maksimali utilizacija be papildomos įrangos. Trūkumai: objekte turi būti tokie žematemperatūriai vartotojai.
Schemos pasirinkimas priklauso nuo vartotojų, jų temperatūrinio lygio ir darbo režimo metų eigoje.
Žemiau pateikiamas šilumos vartotojų suderinamumo su sausintuvais palyginimas:
- Grindinis šildymas (30–40 °C) – geras suderinamumas, galima tiesioginė jungtis
- Karštas vandens tiekimas (55–60 °C) – ribotas suderinamumas, reikalinga kaskada arba papildomas pašildymas
- Radiatoriai (50–70 °C) – ribotas suderinamumas, tik kaskadoje su šilumos siurbliu
- Baseinas (26–30 °C) – puikus suderinamumas, idealus vartotojas ištisus metus
Utilizuojamos šilumos skaičiavimas: vienas išsamus pavyzdys
Apsvarstykime konkretų baseino šilumos utilizavimo skaičiavimo pavyzdį:
Įvestiniai duomenys:
- Sausinimo našumas G = 20 kg/val. (pagal baseino drėgmės išsiskyrimo skaičiavimą)
- Patalpos oro temperatūra = 28 °C
- Patalpos santykinė drėgmė = 60%
- Sausintuvo elektros galia N = 6 kW
Pirmas žingsnis: slaptoji vandens garų kondensacijos šiluma.
Garavimo šiluma prie 28 °C: r ≈ 2435 kJ/kg (pagal vandens garų lenteles)
Slaptoji šiluma Q(slaptoji) = G × r = 20 kg/val. × 2435 kJ/kg = 48700 kJ/val. = 13,5 kW
Antras žingsnis: kondensatoriaus šilumos balansas.
Šiluma kondensatoriuje Q(kondensatorius) = Q(slaptoji) + N(kompresorius) = 13,5 kW + 6 kW = 19,5 kW
Tai bendra šiluminė galia, išsiskirianti kondensatoriuje.
Trečias žingsnis: per vandens šilumokaitį utilizuojama galia.
Darome prielaidą, kad šilumokaičio efektyvumas 80% (realus plokšteliniam šilumokaičiui, tinkamai parinkus).
Utilizuojama šiluma Q(utilizuojama) = Q(kondensatorius) × 0,80 = 19,5 kW × 0,80 = 15,6 kW
Ketvirtas žingsnis: vandens šildymas baseinui.
Vandens srautas per šilumokaitį m = 0,5 kg/s (parenkama pagal temperatūrinį slėgį ir kontūro hidrauliką).
Vandens šiluminė talpa c = 4,19 kJ/(kg·K).
Temperatūros pakilimas ΔT = Q(utilizuojama) / (c × m) = 15,6 kW / (4,19 kJ/(kg·K) × 0,5 kg/s) = 7,4 K
Jei įėjime vanduo yra 26 °C, išėjime bus 33,4 °C – tai tinka baseino pašildymui.
Penktas žingsnis: ką tai duoda baseino šildymo sistemai.
Be utilizavimo visas baseino šildymas būtų atliekamas dujiniu katilu arba elektriniu šildytuvu.
Turint 15,6 kW „nemokamos“ šilumos, sumažėja pagrindinio šildytuvo apkrova.
Metinė ekonomija priklauso nuo sausintuvo darbo valandų per metus, dujų ar elektros tarifų, alternatyvių šaltinių prieinamumo.
Sezoninis naudojimas: žiema, pereinamasis laikotarpis, vasara
Metų eigoje sausintuvo šilumos utilizavimo sistema dirba skirtingais režimais:
Žiemos režimas: kondensatoriaus šiluma nukreipiama į šildymą arba baseino pašildymą, sausintuvas dirba pagal drėgmę, šiluma pilnai utilizuojama be išmetimo į patalpą. Jei vartotojas – žematemperatūris šildymas (grindinis), sistema gali veikti autonomiškai be papildomo šaltinio. Jei reikalinga aukštesnė temperatūra (karštas vanduo, 60 °C), sausintuvas duoda bazinį pašildymą iki 45–50 °C, o papildomą pakėlimą užtikrina katilas arba šilumos siurblys.
Pereinamasis laikotarpis (pavasaris–ruduo): dalis šilumos utilizuojama, kai dar reikalingas šildymas, dalis gali būti perteklinė, kai šildymas jau išjungtas, tačiau sausinimas vis dar reikalingas. Reikia perjungimo sistemos – automatinio trijų eigos vožtuvo, kuris nukreipia šilumą į šildymą, į išmetimą (jei šildymo nereikia, o sausintuvas dirba) arba į buferinę talpą.
Vasaros režimas: jei yra vartotojas (baseinas, technologinis šildymas), šiluma ten nukreipiama ištisus metus. Jei vartotojo nėra, reikia šilumos išmetimo sistemos (dry cooler, sausasis aušintuvas, šaldymo bokštas) arba tiesiog atjungti vandens kontūrą – tuomet sausintuvas išskiria šilumą į patalpą, didindamas kondicionavimo apkrovą.
Konkreti valdymo schema gali apimti trijų eigos vožtuvą ir dry cooler su logika: JEI lauko oro temperatūra didesnė nei 20 °C ARBA patalpos temperatūra didesnė nei 26 °C ARBA nėra šildymo užklausos iš termostato, TADA šiluma nukreipiama į dry cooler arba į patalpą, KITU ATVEJU šiluma nukreipiama į šildymo kontūrą.
Automatikos sistema apima tiekimo ir grįžtamojo srautų temperatūros jutiklius kiekviename kontūre, vožtuvų valdymą pagal algoritmą per programuojamą valdiklį arba DDC sistemą.
Integracijos įtaka sausinimo efektyvumui: kondensacijos temperatūra ir našumas
Oro sausintuvo integracija su šildymo sistema veikia sausinimo efektyvumą per šaldymo ciklo darbo sąlygų pokyčius. Fizinė grandinė tokia:
- Didėjanti aušinančio vandens temperatūra kondensatoriuje
- → lemia šaltnešio kondensacijos temperatūros kilimą
- → sukelia didesnį kondensacijos slėgį
- → mažina per kompresorių pratekantį šaltnešio masės srautą
- → mažėja garintuvo šaldymo galia
- → mažėja sausinimo našumas
Poveikio dydis priklauso nuo kompresoriaus tipo, šaltnešio ir pradinių sąlygų. Tipiniams slankiojo (scroll) tipo kompresoriams su R410A, kondensacijos temperatūrai pakilus 10 K, kompresoriaus masinė našumo dalis gali sumažėti – tikslios reikšmės pateikiamos kompresoriaus gamintojo dokumentacijoje – ir proporcingai mažėja sausinimo našumas.
Kompromisinis sprendimas – riboti maksimalią šilumnešio temperatūrą išėjime. Pavyzdžiui, jei karštam vandeniui reikia 55 °C, o sausintuvas be kritinio našumo kritimo gali suteikti tik 45 °C, tikslinga kaskadinė schema: sausintuvas šildo nuo 20 °C iki 45 °C, šilumos siurblys pakelia nuo 45 °C iki 60 °C.
Sistemos su inverteriniu kompresoriaus valdymu gali iš dalies kompensuoti našumo kritimą didinant apsukas, tačiau tai didina elektros sąnaudas, todėl būtina rasti balansą tarp našumo ir energijos suvartojimo.
Kada integracija turi inžinerinę prasmę: taikymo kriterijai
Oro sausintuvo integracija su šildymo sistema tikslinga, jei VIENU METU tenkinamos VISOS šios sąlygos:
Pirma sąlyga: stabilus drėgmės išsiskyrimas – sausintuvas dirba ne epizodiškai, o bent 10–15 valandų per parą 6 ir daugiau mėnesių per metus. Tipiniai objektai: baseinai, skalbyklos, džiovinimo zonos, daržovių saugyklos, farmacijos gamyba.
Antra sąlyga: yra pastovus žematemperatūris šilumos vartotojas (iki 50 °C) – grindinis šildymas, baseino pašildymas, tiekiamo oro pašildymas, žematemperatūriai radiatoriai, technologinis šildymas.
Trečia sąlyga: yra sprendimas vasaros laikotarpiui – arba ištisus metus veikiantis vartotojas (baseinas), arba šilumos išmetimo sistema (dry cooler, šaldymo bokštas), arba suderintas darbo režimas (sausintuvas dirba naktį, kai šiluma netrukdo dienos kondicionavimui).
Ketvirta sąlyga: galių santykis – sausintuvo šiluminė galia sudaro bent 20–30% nuo objekto bazinės šiluminės apkrovos; kitu atveju integracijos sudėtingumas neatsiperka kapitalo išlaidomis.
Integracija NETURI inžinerinės prasmės, jei:
- Sausintuvas dirba epizodiškai (1–2 valandas per parą, tik vasarą)
- Nėra žematemperatūrių vartotojų (tik aukštatemperatūris šildymas >70 °C arba karštas vanduo be kaskadinės schemos galimybės)
- Ekonomika: integracijos kaina (šilumokaitis, vamzdynai, automatika, montavimas) viršija 8–10 metų energijos sąnaudų sutaupymą esant dabartiniams tarifams
Ribiniai režimai, kai išvardyti metodai neveikia arba reikalauja korekcijų:
- Patalpos temperatūra mažesnė nei 15 °C – sausinimo efektyvumas smarkiai krenta, kondensacija garintuve apsunkinta dėl žemos garavimo temperatūros
- Kondensacijos temperatūra virš 60 °C – dauguma buitinių ir komercinių kompresorių tam netinkami dėl per didelio slėgio
- Regionai su labai trumpu šildymo sezonu (mažiau nei 3 mėnesiai) – integracijos atsiperkamumas mažėja dėl mažo utilizuojamos šilumos valandų skaičiaus
Tipinės projektavimo klaidos: penki konkretūs pavyzdžiai
Pirma klaida: ignoruojamas sausintuvo šilumos išmetimas skaičiuojant kondicionavimo apkrovą. Pasekmė: vasarą kondicionierius nesusitvarko, patalpos temperatūra viršija normą, diskomfortas. Pavyzdys: baseine sausintuvas su 25 kW šilumine galia, tačiau vėsinimo projekte įvertinta tik žmonių drėgmės išsiskyrimo ir saulės spinduliuotės įtaka, neįvertinta sausintuvo šilumos emisija. Rezultatas: 3–5 kW šaldymo galios deficitas, patalpos perkaitimas.
Antra klaida: nenumatyta šilumos išmetimo galimybė vasarą. Pasekmė: vasarą sausintuvas arba negali dirbti (avarija dėl aukšto kondensacijos slėgio), arba peršildo patalpą (papildoma kondicionieriaus apkrova). Sprendimas: suprojektuoti dry cooler arba vasaros vartotoją (baseiną, technologinį šildymą) projektavimo etape.
Trečia klaida: neteisingai parinkta šilumnešio temperatūra neįvertinus poveikio sausinimui. Klaida: užsakovui reikia 60 °C karštam vandeniui, projektuotojas jungia sausintuvą tiesiogiai be kaskados. Rezultatas: kondensacijos temperatūra pakyla iki kritinės (55–60 °C), sausinimo našumas krenta, patalpos drėgmė nebesilaiko pagal projektą. Sprendimas: kaskadinė schema (sausintuvas šildo iki 45 °C, katilas arba šilumos siurblys pakelia iki 60 °C) arba maksimalios šilumnešio temperatūros ribojimas.
Ketvirta klaida: nėra buferinės talpos sistemoje su kintamu šilumos vartojimu. Pasekmė: sausintuvas valdomas pagal drėgmę (įjungia/išjungia higrostatas), šildymo vartotojas – pagal temperatūrą (termostatas), atsiranda darbo režimų nesuderinamumas. Sprendimas: 300–500 litrų buferinė talpa komercinėms sistemoms trumpalaikiams režimų skirtumams išlyginti.
Penkta klaida: dideli atstumai tarp sausintuvo ir vartotojo neįvertinus šilumos nuostolių. Pavyzdys: sausintuvas rūsyje, vartotojas ant stogo, 50 metrų atstumas, vamzdynai be izoliacijos arba su plona izoliacija (20 mm vietoje 50 mm). Rezultatas: šilumos nuostoliai vamzdynuose gali sudaryti reikšmingą naudingos galios dalį. Sprendimas: sausintuvą montuoti arčiau vartotojo arba kokybiškai izoliuoti vamzdžius 50–100 mm storio izoliacija.
Dažniausiai užduodami klausimai (DUK)
Klausimas 1: Kokios šilumnešio temperatūrų ribos, utilizuojant sausintuvo kondensatoriaus šilumą?
Atsakymas: Mažiausia temperatūra ribojama būtinu temperatūriniu skirtumu šilumos mainams (paprastai 5–7 K), t. y. ne žemesnė nei 15–20 °C, kas praktiškai nėra ribojimas šildymo sistemoms, nes grįžtamas vanduo paprastai aukštesnis. Didžiausia temperatūra priklauso nuo kompresoriaus leidžiamo kondensacijos slėgio – daugumai sausintuvų su R410A išėjimo šilumnešio temperatūra neturėtų viršyti 50–55 °C.
Klausimas 2: Ar sausintuvas gali visiškai pakeisti šildymo sistemą?
Atsakymas: Objektuose su stabiliais drėgmės išsiskyrimais (baseinai, skalbyklos, džiovinimo zonos, daržovių saugyklos) ir žematemperatūriais šilumos vartotojais (grindinis šildymas 30–40 °C, baseino pašildymas 28 °C) – įmanoma kaip pagrindinis šilumos šaltinis pereinamuoju laikotarpiu (pavasaris–ruduo) ir iš dalies žiemą, su sąlyga, kad yra rezervinis šaltinis (elektrinis ar dujinis katilas) dideliems šalčiams. Įprastoms gyvenamosioms, biuro ar prekybinėms patalpoms be reikšmingų pastovių drėgmės išsiskyrimų – ne, nes prieinama šiluma ribojama sausinimo našumu, kuris priklauso nuo drėgmės išsiskyrimų, o ne nuo pastato šilumos nuostolių.
Klausimas 3: Ką daryti su šiluma vasarą, jei šildymo nereikia?
Atsakymas: Trys variantai:
1) Ištisus metus veikiantis šilumos vartotojas (baseinui šiluma reikalinga ir vasarą, technologinis šildymas)
2) Dry cooler (sausasis aušintuvas) arba šaldymo bokštas šilumai išmesti į atmosferą
3) Vasarą atjungti vandens kontūrą – šiluma atiduodama į patalpą kaip standartiniame sausintuvo darbo režime (reikalinga didesnė kondicionavimo sistemos galia).
Klausimas 4: Kaip integracija veikia sausinimo efektyvumą?
Atsakymas: Didėjant aušinančio vandens temperatūrai kondensatoriuje, kyla šaltnešio kondensacijos temperatūra, didėja kondensacijos slėgis, mažėja kompresoriaus masinė našumo dalis ir atitinkamai mažėja sausinimo našumas. Kompromisinis sprendimas – riboti maksimalią šilumnešio temperatūrą kondensatoriaus šilumokaičio išėjime (paprastai ne daugiau kaip 45–50 °C) arba taikyti kaskadinę schemą.
Klausimas 5: Kaip įvertinti integracijos ekonominį efektą?
Atsakymas: Skaičiavimas apima šiuos žingsnius:
1) Nustatyti utilizuotos šilumos kiekį per šildymo sezoną
2) Nustatyti pakeistą (sumažintą) energijos kiekį
3) Apskaičiuoti metinę ekonomiją
4) Nustatyti atsipirkimo laiką
Išvados
Sausintuvo integracija su šildymo sistema arba šilumos siurbliu per kondensatoriaus šilumos utilizavimą yra efektyvus inžinerinis sprendimas objektams su stabiliais drėgmės išsiskyrimais ir žematemperatūriais šilumos vartotojais. Tai nėra universalus sprendimas, o įrankis konkrečioms sąlygoms.
Pagrindinės sėkmės sąlygos:
- Teisingas šilumos balansas
- Aiškus kondensatoriaus energijos balansas
- Temperatūrinių lygių suderinimas
- Sprendimas vasaros laikotarpiui
- Realistiniai lūkesčiai
Rekomendacijos projektų inžinieriams: visada analizuoti šilumos utilizavimo galimybes projektavimo etape, numatyti įvadus, vietos rezervą įrangai. Vienas detalus skaičiavimas su konkrečiais įvestiniais duomenimis yra vertingesnis už dešimt tipinių procentų be šaltinių.
Integracijos tikslingumo kriterijai: stabilūs drėgmės išsiskyrimai 6+ mėnesius, žematemperatūris vartotojas iki 50 °C, sprendimas vasarai. Jei bent viena sąlyga neįvykdoma, integracijai reikia papildomo techninio–ekonominio pagrindimo.
Sausintuvo šilumos utilizavimas – inžinerinis įrankis konkrečioms sąlygoms. Sėkmė priklauso nuo projektavimo kokybės, detalaus šilumos balanso ir realistiško ekonominio tikslingumo skaičiavimo konkrečiam objektui su konkrečiais pradiniais duomenimis.
