Autor: dział techniczny Mycond
Tradycyjne systemy klimatyzacji wykorzystują energochłonny proces schładzania powietrza poniżej punktu rosy w celu usunięcia wilgoci, a następnie jego dogrzewania do temperatury komfortu. Takie podejście prowadzi do znacznych strat energii, zwłaszcza przy wysokim obciążeniu utajonym. Chłodzenie desykantowe oferuje alternatywę, rozdzielając procesy obróbki wilgotności i temperatury, co znacząco podnosi efektywność energetyczną systemu.
Zasada działania systemów desykantowych opiera się na pochłanianiu wilgoci przez stałe lub ciekłe adsorbenty, a następnie regeneracji desykantu przy użyciu energii cieplnej. Taka technologia pozwala niezależnie kontrolować temperaturę i wilgotność powietrza, co jest szczególnie istotne dla obiektów o restrykcyjnych wymaganiach mikroklimatycznych. Integracja z chillerami absorpcyjnymi, które również pracują na energii cieplnej, tworzy efekt synergii, maksymalizując ogólną efektywność systemu.
Podstawy fizyczne chłodzenia desykantowego
Adsorpcyjne osuszanie powietrza opiera się na procesie dyfuzji pary wodnej wynikającym z różnicy ciśnień cząstkowych między wilgotnym powietrzem a powierzchnią desykantu. Skuteczność tego procesu zależy od właściwej powierzchni adsorbentu, która dla nowoczesnych materiałów może wynosić 400–800 m²/g. Podczas adsorpcji cząsteczki wody wiążą się z powierzchnią desykantu, uwalniając utajone ciepło kondensacji oraz ciepło wiązania chemicznego, co prowadzi do ogrzania osuszonego powietrza.
Regeneracja nasyconego desykantu odbywa się poprzez podgrzanie do temperatury zależnej od rodzaju materiału oraz wymaganej wartości punktu rosy. Dla żelu krzemionkowego (silikażelu) temperatura ta wynosi zazwyczaj 80–120°C, dla sit molekularnych 150–200°C, a dla niskotemperaturowych kompozytowych desykantów może być obniżona do 50–70°C. Przy podgrzewaniu ciśnienie cząstkowe pary wodnej na powierzchni desykantu rośnie, co powoduje oddawanie wilgoci do strumienia powietrza regeneracyjnego.
Kluczowy efekt termodynamiczny osuszania desykantowego to wydzielanie ciepła sorpcji, które składa się z utajonego ciepła kondensacji (około 2500 kJ/kg wody przy 20°C) oraz ciepła wiązania, którego wartość zależy od rodzaju desykantu i może wynosić 10–30% ciepła kondensacji. Efekt ten należy uwzględniać przy obliczaniu wydajności chłodniczej systemu.
Elementy systemu chłodzenia desykantowego
Głównym elementem systemu desykantowego jest obrotowe koło wypełnione adsorbentem. Struktura koła zapewnia dużą powierzchnię kontaktu z powietrzem przy minimalnym oporze aerodynamicznym. Średnica koła jest determinowana wydatkiem powietrza i dopuszczalną prędkością przepływu (zwykle 2–4 m/s). Głębokość koła wynosi 200–400 mm, a prędkość obrotowa zazwyczaj 10–20 obrotów na godzinę. Koło jest podzielone na dwie strefy: procesową (zwykle 75% powierzchni) i regeneracyjną (25% powierzchni).
System regeneracji obejmuje nagrzewnicę zapewniającą wymaganą temperaturę powietrza regeneracyjnego. Wydatek powietrza regeneracyjnego zwykle stanowi 30–40% wydatku powietrza procesowego, choć przy wysokich temperaturach regeneracji proporcję tę można zmniejszyć do 25%. Zużycie energii na regenerację zależy od ilości usuwanej wilgoci i zwykle wynosi 3000–4000 kJ/kg wody.
Koło entalpiczne do odzysku ciepła służy do rekuperacji energii między strumieniami procesowym i regeneracyjnym. Sprawność takiego wymiennika może osiągać 70–85% w zależności od konstrukcji i prędkości obrotowej. Pozwala to znacząco obniżyć koszty energetyczne regeneracji.
Integracja z chillerami absorpcyjnymi
Chiller absorpcyjny pracuje w oparciu o cykl termochemiczny, wykorzystując wodę jako czynnik chłodniczy i bromek litu (LiBr) jako absorbent. Cykl składa się z czterech podstawowych komponentów: parownika, absorbera, generatora i skraplacza.
W parowniku woda odparowuje przy niskim ciśnieniu (0,6–1,2 kPa) i niskiej temperaturze (3–7°C), odbierając ciepło z chłodzonej wody. W absorberze para wodna jest pochłaniana przez stężony roztwór LiBr, co wymaga chłodzenia absorbera ze względu na wydzielanie ciepła. W generatorze roztwór podgrzewany jest do temperatury 80–95°C dla jednostopniowych lub 140–160°C dla dwustopniowych maszyn, co powoduje odparowanie wody i zagęszczenie roztworu LiBr. W skraplaczu para ulega skropleniu z oddaniem ciepła.
Współczynnik wydajności (COP) chillerów absorpcyjnych dla maszyn jednostopniowych wynosi zwykle 0,6–0,75, a dla dwustopniowych — 1,0–1,35. Choć wartości te są niższe w porównaniu z chillerami sprężarkowymi (COP 3,0–5,5), systemy absorpcyjne wykorzystują tanią energię cieplną zamiast drogiej energii elektrycznej, co korzystnie zmienia ich wskaźniki ekonomiczne.
Schematy integracji i efekty synergiczne
Istnieją trzy podstawowe schematy integracji osuszania desykantowego z chillerami absorpcyjnymi:
1. Obróbka szeregowa: powietrze najpierw przechodzi przez koło desykantowe, gdzie usuwana jest wilgoć i powietrze ogrzewa się od ciepła sorpcji, a następnie jest chłodzone w chillerze absorpcyjnym do zadanej temperatury. Schemat ten pozwala niezależnie kontrolować temperaturę i wilgotność, zapewniając stabilne utrzymanie niskiego punktu rosy.
2. Obróbka równoległa: desykant osusza świeże powietrze zewnętrzne przed jego wprowadzeniem do pomieszczeń, natomiast chiller absorpcyjny chłodzi powietrze recyrkulacyjne. Taki schemat pozwala zmniejszyć całkowite obciążenie chillera, co prowadzi do oszczędności nakładów inwestycyjnych.
3. Schemat kogeneracyjny: jedno źródło energii cieplnej zasila zarówno regenerację desykantu, jak i generator chillera absorpcyjnego poprzez system dystrybucji. Schemat ten zapewnia maksymalne wykorzystanie energii pierwotnej z łączną sprawnością systemu na poziomie 80–90%.
Połączenie tych technologii tworzy szereg efektów synergicznych:
• Oba systemy zużywają energię cieplną, co pozwala przenieść obciążenia z godzin szczytowych sieci elektroenergetycznej i obniżyć opłaty za moc szczytową.
• Wstępne osuszanie desykantem pozwala podnieść temperaturę wody lodowej z chillera z 6–7°C do 12–15°C, co poprawia COP maszyny absorpcyjnej o 10–20%.
• Pojawia się możliwość wykorzystania niskotemperaturowego ciepła odpadowego do regeneracji niskotemperaturowych desykantów, co jest szczególnie istotne dla obiektów przemysłowych.
Efektywność energetyczna i wskaźniki wydajności
Współczynnik efektywności (COP) systemów chłodzenia desykantowego definiuje się jako stosunek użytecznej wydajności chłodniczej do sumy wszystkich nakładów energetycznych. Typowe wartości COP dla podstawowych systemów desykantowych wynoszą 0,5–0,8, dla systemów z odzyskiem ciepła — 0,8–1,2, a dla schematów kogeneracyjnych mogą osiągać 1,4–1,8.
Do oceny efektywności cyklu cieplnego niezależnie od składowej elektrycznej wykorzystuje się wskaźnik COP termiczny (thermal COP), obliczany jako stosunek użytecznej wydajności chłodniczej do energii cieplnej zużytej na regenerację.
W porównaniu z tradycyjnymi systemami chłodzenia-osuszania, systemy desykantowe mają przewagę w następujących warunkach:
• Wysoki udział obciążenia utajonego (współczynnik sensible heat ratio (SHR) poniżej 0,7–0,75).
• Wymagana niska wartość punktu rosy (poniżej 7–10°C), przy której systemy kondensacyjne stają się nieefektywne.
• Dostępność taniej energii cieplnej, co sprawia, że regeneracja cieplna jest ekonomicznie uzasadniona.
Typowe zastosowania i rozwiązania projektowe
Systemy desykantowe z chillerami absorpcyjnymi są efektywnie stosowane w różnych branżach:
Supermarkety: otwarte lady chłodnicze generują znaczne obciążenie utajone. System desykantowy utrzymuje wilgotność na poziomie 40–45%, zapobiegając powstawaniu kondensatu i szronu. Możliwe jest wykorzystanie ciepła odpadowego ze skraplaczy instalacji chłodniczych do regeneracji desykantu.
Hotele: świeże powietrze dostarczane zgodnie z normami wentylacji niesie główne obciążenie utajone. System desykantowy obniża wilgotność, co pozwala zmniejszyć rozmiar chillera i ograniczyć szczytowe zużycie energii elektrycznej w godzinach porannych, gdy taryfy są najwyższe.
Baseny: parowanie z tafli wody tworzy wysokie obciążenie utajone przy współczynniku udziału ciepła jawnego (SHR) około 0,3–0,4. System desykantowy zapewnia utrzymanie optymalnej wilgotności 50–60% przy minimalnych nakładach energetycznych.
Systemy chłodzenia promiennikowego: chłodne powierzchnie o temperaturze 16–18°C wymagają, aby punkt rosy powietrza był niższy o 2–3°C w celu zapobieżenia kondensacji. System desykantowy stabilnie utrzymuje wymagany punkt rosy.
Przy projektowaniu systemów desykantowych kluczowe są następujące aspekty:
Obliczenie przepływów powietrza: wydatek powietrza procesowego określa się z bilansu wilgotności jako stosunek emisji wilgoci do różnicy zawartości wilgoci. Wydatek powietrza regeneracyjnego wynika z wymaganej głębokości desorpcji wilgoci z desykantu.
Dobór temperatury regeneracji: zależy od rodzaju desykantu i docelowego punktu rosy. Podniesienie temperatury regeneracji poprawia głębokość osuszenia, ale zwiększa zużycie energii.
Optymalne rozmieszczenie wymienników ciepła do odzysku energii: koło obrotowe (wysoka sprawność, ale możliwe przenoszenie wilgoci), rekuperator płytowy (niższa sprawność, ale brak przenoszenia wilgoci) lub pompa ciepła (najwyższa sprawność, lecz wyższe nakłady inwestycyjne).
Minimalizacja przecieków powietrza między strefami: szczelne przegrody muszą zapewniać niezawodne rozdzielenie strumieni procesowego i regeneracyjnego, ponieważ nawet niewielkie przecieki mogą istotnie pogorszyć wydajność systemu.
Aspekty ekonomiczne
Nakłady inwestycyjne na systemy desykantowe z chillerami absorpcyjnymi są zazwyczaj wyższe w porównaniu z tradycyjnymi systemami sprężarkowymi. Jednak dodatkowe koszty są częściowo kompensowane przez mniejszy rozmiar chillera oraz niższe wymagania dotyczące przyłączy elektrycznych.
Koszty operacyjne systemu desykantowego składają się z nakładów na energię cieplną do regeneracji (główna część) oraz energię elektryczną dla wentylatorów. W tradycyjnych systemach główne koszty stanowią energia elektryczna dla sprężarki i dodatkowe dogrzewanie. Porównanie pokazuje, że systemy desykantowe stają się opłacalne przy niskim stosunku ceny gazu do energii elektrycznej.
Czynniki determinujące opłacalność ekonomiczną systemów desykantowych:
• Relacja taryf energii elektrycznej do gazu: przy relacji poniżej 3,0–3,5 systemy desykantowe są zwykle korzystne.
• Strefa klimatyczna: w gorącym i wilgotnym klimacie udział obciążenia utajonego jest znaczący, co sprzyja systemom desykantowym.
• Tryb pracy: dla obiektów z długim okresem chłodzenia (ponad 3000–4000 godzin rocznie) oszczędności kosztów operacyjnych szybciej rekompensują wyższe nakłady inwestycyjne.
• Dostępność taniej energii cieplnej: obecność ciepła odpadowego radykalnie poprawia wyniki ekonomiczne systemu.
Metodyka wyznaczania okresu zwrotu opiera się na porównaniu rocznych kosztów operacyjnych i dodatkowych nakładów inwestycyjnych. Ważne jest także uwzględnienie wpływu na szczytowe zużycie energii elektrycznej, zwłaszcza w taryfach z opłatą za moc.
Najczęściej zadawane pytania
Czym chłodzenie desykantowe zasadniczo różni się od tradycyjnej klimatyzacji i kiedy jest zasadne?
Tradycyjna klimatyzacja wykorzystuje jeden proces do jednoczesnego obniżania temperatury i wilgotności: powietrze schładza się poniżej punktu rosy, co powoduje kondensację wilgoci, a następnie jest dogrzewane (reheat). Wymaga to znacznych nakładów energii, zwłaszcza przy głębokim osuszaniu. Na przykład obniżenie punktu rosy z 14°C do 7°C może zwiększyć zużycie energii o 30–50%.
Chłodzenie desykantowe rozdziela procesy kontroli wilgotności i temperatury: najpierw wilgoć jest adsorbowana przez desykant, a następnie suche powietrze jest chłodzone. Pozwala to niezależnie kontrolować oba parametry z wyższą efektywnością energetyczną.
Systemy desykantowe są zasadne przy trzech warunkach: wysoki udział obciążenia utajonego (powyżej 30–40% całkowitego), potrzeba niskiej wilgotności (punkt rosy poniżej 7–10°C) oraz dostępność taniej energii cieplnej.
Jak działa chiller absorpcyjny i dlaczego skutecznie łączy się z desykantem?
Chiller absorpcyjny działa w oparciu o cykl termochemiczny, w którym woda jest czynnikiem chłodniczym, a roztwór LiBr — absorbentem. W parowniku woda paruje przy niskim ciśnieniu (0,6–1,2 kPa) i temperaturze (3–7°C), odbierając ciepło z chłodzonej wody. Para jest absorbowana przez stężony roztwór LiBr w absorberze, roztwór jest podgrzewany w generatorze do 80–95°C (maszyny jednostopniowe) lub 140–160°C (dwustopniowe), co odparowuje wodę i zagęszcza roztwór. Para skrapla się w skraplaczu, zamykając cykl.
Synergia z desykantem przejawia się w kilku aspektach:
1. Oba systemy zużywają energię cieplną, co przenosi obciążenia z sieci elektrycznej.
2. Wstępne osuszanie pozwala podnieść temperaturę wody lodowej z 6–7°C do 12–15°C, co poprawia COP maszyny absorpcyjnej o 10–20%.
3. Możliwość wykorzystania jednego źródła ciepła maksymalizuje wykorzystanie energii pierwotnej.
Jakie źródła energii cieplnej można wykorzystać i jak wpływa to na ekonomię systemu?
Źródła energii cieplnej w kolejności rosnących kosztów:
• Ciepło odpadowe: najtańsze źródło (0–15% ceny rynkowej ciepła w zależności od kosztów rekuperacji). Obejmuje ciepło z procesów technologicznych, skraplaczy maszyn chłodniczych, instalacji kogeneracyjnych.
• Energia słoneczna: kolektory próżniowe mogą osiągać temperatury 80–120°C, co wystarcza do regeneracji. Koszt po amortyzacji sprzętu wynosi 20–40% kosztów tradycyjnych źródeł.
• Gaz ziemny: taryfy różnią się w zależności od regionu i sezonu. Sprawność palników 85–93% dla nowoczesnych urządzeń.
• Elektryczne nagrzewnice: najdroższe źródło o sprawności około 98–99%, ekonomicznie nieuzasadnione w większości przypadków.
Wykorzystanie ciepła odpadowego lub energii słonecznej może obniżyć koszty operacyjne o 50–80%, radykalnie poprawiając wskaźniki ekonomiczne systemu.
Wnioski
Chłodzenie desykantowe z chillerami absorpcyjnymi to innowacyjna technologia, która rozdziela obróbkę obciążenia jawnego i utajonego, wykorzystując energię cieplną zamiast elektrycznej. Umożliwia to osiągnięcie wysokiej efektywności energetycznej oraz niezależnej kontroli temperatury i wilgotności.
Praktyczne zalecenia dla inżynierów:
1. Dobieraj schemat integracji zgodnie ze strukturą obciążeń: szeregowy przy wysokim obciążeniu utajonym, równoległy przy dużych strumieniach świeżego powietrza, kogeneracyjny przy złożonych potrzebach energetycznych.
2. Maksymalnie wykorzystuj ciepło odpadowe lub odnawialne jako główny czynnik opłacalności ekonomicznej.
3. Uwzględniaj resztkowe ciepło adsorpcji przy obliczaniu wydajności chłodniczej.
Systemy desykantowe są optymalne przy udziale obciążenia utajonego powyżej 30–40% całkowitego, konieczności utrzymania niskiego punktu rosy oraz dostępności taniego ciepła. Okres zwrotu zależy od relacji taryf, trybu pracy oraz możliwości wykorzystania ciepła odpadowego.
Należy zauważyć, że chłodzenie desykantowe nie jest rozwiązaniem uniwersalnym. Jest nieefektywne przy niskim obciążeniu utajonym, braku dostępu do energii cieplnej, w bardzo suchym klimacie, dla małych obiektów lub przy krótkim sezonie chłodzenia. W takich przypadkach tradycyjne systemy mogą być optymalnym wyborem.
