Autor: dział techniczny Mycond
Integracja osuszaczy powietrza z systemami ogrzewania lub pompami ciepła pozwala znacząco zwiększyć ogólną efektywność energetyczną instalacji budynku. Prawidłowo zaprojektowany system odzysku ciepła z osuszacza umożliwia pozyskanie użytecznej energii cieplnej, która w przeciwnym razie zostałaby oddana do atmosfery. Rozwiązanie to jest szczególnie istotne dla obiektów ze stabilnymi emisjami wilgoci, takich jak baseny, pralnie, strefy suszenia, gdzie osuszacze pracują znaczną część roku.
Bilans cieplny osuszacza chłodniczego – źródło odrzucanego ciepła
Termodynamiczny cykl osuszacza chłodniczego obejmuje trzy podstawowe procesy: schłodzenie powietrza na parowniku poniżej punktu rosy, kondensację pary wodnej z powietrza oraz dalsze podgrzanie osuszonego powietrza na skraplaczu. Jest to standardowy cykl chłodniczy, który zapewnia usunięcie wilgoci z powietrza przez jej kondensację.
Bilans energetyczny skraplacza osuszacza opisuje równanie:
Q(kondensator) = Q(utajone) + N(sprężarka) + Q(jawne)
gdzie:
- Q(kondensator) – całkowita moc cieplna na skraplaczu, kW;
- Q(utajone) – ciepło utajone kondensacji wilgoci, kW;
- N(sprężarka) – praca sprężarki (moc elektryczna), kW;
- Q(jawne) – ciepło jawne powietrza, kW.
Teoretyczne podstawy odzysku ciepła – potencjał skraplacza i poziomy temperatur
Dalej w artykule mowa wyłącznie o chłodniczych osuszaczach kondensacyjnych. Osuszacze adsorpcyjne mają zasadniczo inną fizykę procesu i inny bilans cieplny bez cyklu chłodniczego, a ich integracja z systemami ogrzewania jest rozpatrywana osobno.
Temperatura skraplania czynnika chłodniczego w osuszaczu zależy od temperatury ośrodka chłodzącego (powietrze lub woda po stronie skraplacza) oraz od wymaganej różnicy temperatur na wymienniku ciepła. Dla skraplacza powietrznego w pomieszczeniu o temperaturze 25°C, temperatura skraplania może wynosić 35–45°C. Dla skraplacza wodnego przy temperaturze wody 30°C, temperatura skraplania może być rzędu 40–50°C. Nie są to wartości uniwersalne, lecz wyniki obliczeń dla konkretnych warunków.
Dla oceny efektywności osuszacza ważne jest rozumienie pojęcia COP (współczynnik wydajności). COP grzewczy to stosunek ciepła na skraplaczu do pracy sprężarki – czyli stosunek oddawanej mocy cieplnej do zużycia energii elektrycznej. COP chłodniczy to stosunek ciepła na parowniku do pracy sprężarki – czyli stosunek mocy chłodniczej do zużycia energii elektrycznej.
W katalogach osuszaczy często podaje się SMER (Specific Moisture Extraction Rate) w litrach na kilowatogodzinę lub kilogramach na kilowatogodzinę, co jest innym wskaźnikiem niż COP.
Schematy integracji – trzy podstawowe podejścia
Istnieją trzy główne schematy integracji osuszaczy z systemami ogrzewania:
Schemat 1. Oddzielny wodny wymiennik ciepła
W tym schemacie stosuje się płytowy lub płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła po stronie skraplacza. Po stronie gorącej – czynnik chłodniczy lub powietrze po skraplaczu (w zależności od konstrukcji osuszacza), po stronie zimnej – woda systemu ogrzewania lub ciepłej wody użytkowej.
Hydraulicznie system podłącza się do przewodu powrotnego ogrzewania lub do obiegu ciepłej wody użytkowej. Wymagane komponenty: pompa obiegowa, naczynie wzbiorcze, zawory regulacyjne (balansujące).
Zalety: prostota, możliwość doposażenia istniejących instalacji.
Wady: dodatkowy opór hydrauliczny, potrzebna osobna pompa obiegowa.
Obliczenie odzyskanego ciepła – jeden szczegółowy przykład
Rozważmy szczegółowy przykład obliczenia odzysku ciepła dla osuszacza w basenie.
Dane wejściowe:
- Wydajność osuszania G = 20 kg/h (z obliczeń emisji wilgoci basenu)
- Temperatura powietrza w pomieszczeniu = 28°C
- Wilgotność względna pomieszczenia = 60%
- Moc elektryczna osuszacza N(sprężarka) = 6 kW (z danych technicznych)
Krok 1. Obliczenie ciepła utajonego kondensacji wilgoci
Ciepło parowania przy 28°C r ≈ 2435 kJ/kg (z tabel pary wodnej, nie jest stałą – zależy od temperatury).
Ciepło utajone Q(utajone) = G × r = 20 kg/h × 2435 kJ/kg = 48700 kJ/h = 13,5 kW
Krok 2. Bilans cieplny skraplacza
Pełny bilans cieplny skraplacza obejmuje trzy składowe: ciepło utajone kondensacji wilgoci, pracę sprężarki oraz ciepło jawne powietrza. Dla uproszczonej oceny w tym przykładzie szkoleniowym przyjmujemy, że ciepło jawne powietrza jest relatywnie niewielką częścią w porównaniu z ciepłem utajonym kondensacji i pracą sprężarki i jest już uwzględnione w całkowitej wielkości ciepła skraplacza.
Ciepło na skraplaczu Q(kondensator) ≈ Q(utajone) + N(sprężarka) = 13,5 kW + 6 kW = 19,5 kW
Jest to wartość szacunkowa do zademonstrowania metodyki obliczeń.
Wykorzystanie sezonowe – zima, okres przejściowy, lato
Efektywne wykorzystanie systemu odzysku ciepła z osuszacza wymaga uwzględnienia sezonowości:
Tryb zimowy: Ciepło skraplacza w całości kierowane jest na ogrzewanie lub podgrzew wody w basenie. Jeśli odbiornikiem jest niskotemperaturowy system ogrzewania (ogrzewanie podłogowe), system może pracować autonomicznie. Jeśli potrzebna jest wyższa temperatura (c.w.u. 60°C), osuszacz zapewnia bazowy podgrzew do 45–50°C, a dogrzew realizuje kocioł lub pompa ciepła.
Okres przejściowy: Część ciepła jest odzyskiwana, gdy ogrzewanie jest jeszcze potrzebne, część może być nadmiarowa, gdy ogrzewanie jest już wyłączone, lecz osuszanie nadal pracuje. Potrzebny jest układ przełączania – automatyczny zawór trójdrogowy kierujący ciepło do ogrzewania, na zrzut lub do bufora.
Tryb letni: Jeśli istnieje całoroczny odbiornik (basen, podgrzew technologiczny), ciepło kieruje się tam. W przypadku braku odbiornika potrzebny jest układ zrzutu ciepła (dry cooler, wieża chłodnicza) lub wyłączenie obiegu wodnego z powrotem do standardowego trybu pracy osuszacza (ciepło oddawane do pomieszczenia).
Wpływ integracji na efektywność osuszania – temperatura skraplania i wydajność
Podniesienie temperatury wody chłodzącej skraplacz powoduje wzrost temperatury skraplania czynnika chłodniczego, co z kolei podnosi ciśnienie skraplania. Skutkuje to spadkiem masowego strumienia czynnika przez sprężarkę, spadkiem mocy chłodniczej parownika i, w konsekwencji, spadkiem wydajności osuszania.
Wielkość wpływu zależy od typu sprężarki (scroll, tłokowa, śrubowa), czynnika chłodniczego (R410A, R407C, R32) oraz trybu pracy. Dla typowych sprężarek scroll na R410A podniesienie temperatury skraplania o 10 kelwinów może prowadzić do spadku wydajności masowej sprężarki w stopniu zależnym od jej konstrukcji.
Kiedy integracja ma sens inżynierski – kryteria zastosowania
Integracja jest zasadna, jeśli jednocześnie spełnione są wszystkie poniższe warunki:
1. Obecność stabilnych emisji wilgoci – osuszacz pracuje nie okazjonalnie, ale co najmniej 10–15 godzin na dobę przez 6 lub więcej miesięcy w roku. Typowe obiekty: baseny, pralnie, strefy suszenia, przechowalnie warzyw, produkcja farmaceutyczna.
2. Obecność stałego odbiornika niskotemperaturowego ciepła (do 50°C) – ogrzewanie podłogowe, podgrzew basenu, powietrze nawiewane, niskotemperaturowe grzejniki, podgrzew technologiczny.
3. Rozwiązanie na okres letni – całoroczny odbiornik (basen) lub system zrzutu ciepła (dry cooler, wieża chłodnicza) albo uzgodniony tryb pracy (osuszacz pracuje nocą, gdy ciepło nie koliduje z dziennym chłodzeniem).
Typowe błędy projektowe i jak ich uniknąć
Błąd 1: Pominięcie zysków ciepła od osuszacza przy obliczaniu obciążenia chłodniczego. Skutek: latem klimatyzacja nie daje rady, temperatura w pomieszczeniu jest powyżej normy, dyskomfort.
Błąd 2: Brak możliwości zrzutu ciepła latem. Skutek: latem osuszacz albo nie może pracować (awaryjne wyłączenia z powodu wysokiego ciśnienia skraplania), albo przegrzewa pomieszczenie.
Błąd 3: Nieprawidłowy dobór temperatury nośnika ciepła bez analizy wpływu na osuszanie. Skutek: temperatura skraplania rośnie do krytycznej (55–60°C), wydajność osuszania spada, wilgotność w pomieszczeniu nie jest utrzymywana na poziomie projektowym.
Błąd 4: Brak bufora w systemie ze zmiennym zapotrzebowaniem na ciepło. Skutek: rozbieżność trybów pracy, częste starty i postoje sprężarki, zużycie urządzeń.
Błąd 5: Duże odległości między osuszaczem a odbiornikiem bez obliczenia strat ciepła. Skutek: straty ciepła w rurociągach mogą stanowić znaczną część użytecznej mocy.
Najczęściej zadawane pytania (FAQ)
Pytanie 1: Jakie są granice temperaturowe dla nośnika ciepła przy odzysku ciepła ze skraplacza osuszacza?
Odpowiedź: Minimalna temperatura jest ograniczona koniecznością zapewnienia wystarczającej różnicy temperatur dla wymiany ciepła (zwykle 5–7 kelwinów), czyli nie niżej niż 15–20°C. Maksymalna temperatura zależy od dopuszczalnego ciśnienia skraplania sprężarki – dla większości osuszaczy na R410A temperatura nośnika ciepła na wyjściu nie powinna przekraczać 50–55°C.
Pytanie 2: Czy osuszacz może całkowicie zastąpić system ogrzewania?
Odpowiedź: Dla obiektów ze stabilnymi emisjami wilgoci i niskotemperaturowymi odbiornikami ciepła – możliwe, jako główne źródło ciepła w okresie przejściowym oraz częściowo zimą, pod warunkiem istnienia źródła rezerwowego. Dla zwykłych pomieszczeń mieszkalnych lub biurowych bez istotnych emisji wilgoci – nie, ponieważ ilość ciepła jest ograniczona wydajnością osuszania.
Pytanie 3: Co zrobić z ciepłem latem, jeśli ogrzewanie nie jest potrzebne?
Odpowiedź: Istnieją trzy opcje: 1) Skierować ciepło do całorocznego odbiornika (basen, podgrzew technologiczny); 2) Zainstalować dry cooler lub wieżę chłodniczą do zrzutu ciepła do atmosfery; 3) Wyłączyć obieg wodny latem, wówczas ciepło oddawane jest do pomieszczenia, co należy uwzględnić przy projektowaniu systemu klimatyzacji.
Wnioski
Integracja osuszacza z systemem ogrzewania lub pompą ciepła poprzez odzysk ciepła ze skraplacza jest efektywnym rozwiązaniem inżynierskim dla obiektów ze stabilnymi emisjami wilgoci i niskotemperaturowymi odbiornikami ciepła. To nie jest rozwiązanie uniwersalne, lecz narzędzie dla konkretnych warunków.
Kluczowe warunki sukcesu: prawidłowy bilans cieplny, zgranie poziomów temperatur, maksymalna temperatura nośnika ciepła zgodna z możliwościami sprężarki, rozwiązania na okres letni, realistyczne oczekiwania oraz zrozumienie, że ilość ciepła ogranicza emisja wilgoci, a nie straty ciepła budynku.
Rekomendacje dla projektantów: zawsze analizować możliwość odzysku ciepła na etapie projektu, przewidywać możliwość przyszłej modernizacji (przygotowane przepusty dla rur, miejsce na wymiennik ciepła, zasilanie elektryczne dla pomp), wykonywać szczegółowe obliczenia z konkretnymi danymi wejściowymi.
Wniosek końcowy: odzysk ciepła z osuszacza to nie rozwiązanie uniwersalne, lecz narzędzie inżynierskie do konkretnych zastosowań. Sukces zależy od jakości projektu, szczegółowego bilansu cieplnego oraz realistycznej oceny opłacalności dla konkretnego obiektu z konkretnymi danymi wejściowymi.
