Épületek hűtéstechnikája Komfort hűtések egyes műszaki, tervezési kérdései I.

Átírás

1 Épületek hűtéstechnikája Komfort hűtések egyes műszaki, tervezési kérdései I. Klímaberendezések, folyadékhűtők hűtéstechnikai jellemzői Tóth Tamás gépészmérnök műszaki tanácsadó

2 Komfort hűtések egyes műszaki, tervezési kérdései I. Kompresszoros hűtőkörök: I/1.Hűtőkörfolyamatok klímaberendezésekben

3 Alapfogalmak Hűtőközegek T-s diagrammja Fizikai mennyiségek: hőmérséklet - T [ºC] entrópia - s [kj/kgk] folyadék-tartalom - x [kg/kg] nyomás - p [bar] fajtérfogat - V[m3/kg] Folyadék Nedves gőz Túlhevített gőz entalpia - h [kj/kg] A hőmennyiségeket és a technikai munkát területek jelenítik meg.

4 Alapfogalmak Hűtőközegek log p/h diagrammja Folyadék Nedves gőz Túlhevített gőz Fizikai mennyiségek: hőmérséklet - T[ºC] entrópia - s [kj/kgk] folyadék-tartalom - x [kg/kg] nyomás - p [bar] fajtérfogat - V [m3/kg] entalpia - h [kj/kg] A hőmennyiségek és a technikai munka (az entalpia-különbségek) egyenes szakaszokkal ábrázolhatók.

5 expanzió Alapfogalmak A hűtőkör-folyamat jellegzetes pontjai, és a hűtőközegekkel szemben támasztott főbb követelmények Folyadék Nagy párolgáshő az alacsony tömegáram érdekében p kond túlhűtés kondenzáció túlhevítés Kis fajtérfogat gőz állapotban, a kis gépméretek miatt Minél kisebb kondenzációs nyomás a p elp elpárolgás A kompresszor által előállított nyomáskülönbség [bar] szilárdság miatt A kritikus hőmérséklet és a dermedéspont essen távol a körfolyamattól Az olajat kevéssé oldja A hűtéssel elvont fajlagos hőmennyiség: Δh [kj/kg] Túlhevített gőz Vegyileg stabil legyen A szerkezeti anyagokat ne támadja meg Ne legyen tűzveszélyes, mérgező

6 I/2.Tipikus hűtőkörök

7 A hűtőberendezés és a hőszivattyú egyszerűsített működési elve: U.a. történik mint a bicikli pumpában amikor az alacsony hőmérsékletű és nyomású levegőből magas hőmérsékletű és nyomású levegő lesz. Elpárolgás: -5 C, 6,8 bar Kompresszió: 55 C, 34,3 bar U.a. történik mint amikor a 40 C-os gőzfürdőben valaki gyorsan megy és úgy érzi mintha leforráznák, mivel a 40 C-os telített gőz intenzíven kondenzál a kb. 32 C-os bőrfelületen. U.a. történik mint amikor kijövünk a Balatonból és akár 35 C-os az a szél ami ránk fúj, még is fázunk, mivel a börfelületünkön lévő víz intenzíven párolog. Expanzió: 34,3 6,8 bar. U.a. történik mint a PB gázpalack nyomáscsökkentőjében ahol a magasnyomású folyadék halmazállapotú PB.-ból, alacsony nyomású gáz lesz. Kondenzáció: 55 C, 34,3 bar

8 Hűtőköri méretezések Szabadon letölthető hűtőköri méretező program:

9 Tipikus hűtőkörök Egyfokozatú hűtőkörfolyamat expanzió Folyadék w komp =461,91-415,01=46,9kJ/kg p kond 4 túlhűtés 4 kondenzáció túlhevítés 3 2 JÓSÁGFOK hűtés = q hűt /w komp q hűt +w komp =q kond p elp elpárolgás A hűtéssel elvont fajlagos hőmennyiség: q hűt =Δh [kj/kg] Kompressziós munka - w [kj/kg] A kompresszor által előállított nyomáskülönbség [bar] Túlhevített gőz JÓSÁGFOK fűtés = q hősziv /w komp (Q = q x m)

10 Tipikus hőszivattyús hűtőkörök Kétfokozatú hűtőkör folyamat, folyadék befecskendezéssel szakasz: Izobár hűtés A hűtéssel elvont fajlagos Kompressziós hőmennyiség: q hűt =Δh [kj/kg] munka 1 és 2, w [kj/kg] 4 2 A kompresszor által előállított nyomáskülönbség [bar] w komp1 =433,3-415,01=18,29kJ/kg w komp2 =438,11-416,32=21,79kJ/kg w=w komp1+ w komp2 =40,08kJ/kg (az egyfok.-nál w komp =46.9 kj/kg) ~15% kisebb kompresszor munka, és itt 22ºC-al alacsonyabb túlhevítési hőmérséklet! Ezáltal a hűtőközeg hűtéstechnikai határa jobban megközelíthető, T kond magasabb lehet. A túlhűtés a COP és a hűtési jóságfok ε= q hűt /w komp nő.

11 Folyadék befecskendezéses technológia Hőleadó Beltéri egység Water heat exchanger A kompresszió közbeni folyadék befecskendezéssel nagy nyomást érhetünk el anélkül, hogy emelkedne a nyomó oldali hőmérséklet. 2 Folyadék befecskendezés Kültéri egység Bypass kör Folyadék befecskendezés 1 Elpárologtató Magas kondenzációs hőmérsékletet eredményez 1 2 Folyadék befecskendezés Hagyományos hűtőkör Hűtőkör Nyomás-entalpia diagram 11

12 Folyadék befecskendezéses technológia

13 EER a hőfelvevő közeg hőmérséklete, a klímaberendezések hőmérséklete, illetve a hővisszanyerés tekintetében Összegzés: 1. Minden egyes ºC elpárolgási hőfok emeléssel körülbelül 2-3 %, és 2. minden egyes ºC kondenzációs hőfok csökkentéssel körülbelül 3-4 % energiamegtakarítás érhető el.

14 I/2.Kompresszorok

15 Kompresszorok Dugattyús kompresszorok Szabályozás Fordulatszám szabályozás: egyszerű, de hajtógép függő, a ford. szám nem csökkenthető sokkal Állandó fordulatszám melletti szabályozások: ki-be kapcsolás (nagy gyűjtőtartály) lökettérfogat szabályozásával (bolygótárcsás komp.-nál) szívószelep kitámasztása szívóvezeték fojtása szívóvezeték lezárása (teljes fojtás) by-pass pót káros-tér beiktatása

16 Kompresszorok Kompresszorok hatásfoka Dugattyús kompresszorok λ, η i jelleggörbe-tartománya

17 Kompresszorok Scroll kompresszorok Jellemzők: - magas hatásfok - egyszerű felépítés, kevés alkatrész - egyenletes (nem lüktető) gázszállítás - nincs káros tér - nincsenek rezgések, nincs zaj - kis méret és tömeg - fordulatszám szabályozással, és tárcsa kiemeléssel szabályozható

18 VOLTS Inverter technologia: előnyök A frekvencia és a feszültség koordinálja hogy a nyomatékot és a szállítást fenntartsa a szabályzás során FREQUENCY Fixed Scroll Low Pressure High Pressure Orbiting Scroll Low Pressure Before operation During operation

19 Kompresszorok Csavar kompresszorok - kenéses (olaj és víz) és kenésmentes változatok - nagy axiális terhelés - egyenletes (nem lüktető) gázszállítás - nincs károstér - nincsenek rezgések - fordulatszám: /perc Szabályozás: - fordulatszám szabályozás - szívóvezeték elzárása - szívóvezeték fojtása - ki-be kapcsolás - csúszó- vagy forgószelepes megoldás

20 Kompresszorok Rotációs - gördülődugattyús kompresszor - kenéses és kenésmentes változatok - nincs axiális terhelés - egyenletes (nem lüktető) gázszállítás - nincsenek rezgések - hosszú élettartam, kis karbantartásigény - magas, konstans vagy növekvő volumetrikus hatásfok a teljes szabályozott tartományban - fordulatszám: /perc - szállítás: m3/h

21 Adszorpciós hűtés a nap által termelt hőenergia meghajtással Napkollektor Távhő Mikro-kogeneráció Hővisszanyerés Az adszorpciós hűtő körfolyamata: víz vákuumban történő elpárologtatásával, majd szilika-gélben történő adszorpciót, illetve hő hatására történő deszorpciót követően a kondenzációval zárul. Nagy előnye energetikailag a viszonylag alacsony (60-90 C) hőmérsékletű deszorpció, ami lehetőséget nyújt napkollektor és hulladékhő hasznosítására. Energetikai evidencia: A hidegenergiára (hűtésre) jellemzően akkor van szükség amikor süt a nap. Ezért az adszorpciós hűtő akkor tud a legnagyobb teljesítménnyel dolgozni amikor a napsugárzásból jelentős energianyeresége van.

22 I/3. Hővisszanyerés a hűtéstechnikában

23 Hulladékhő hasznosítás, hővisszanyerés a klímatechnikában Szivárgásvizsgálatra kötelezett hűtőberendezések (Q hűtő <10kW) hozzávetőleges száma Magyarországon: db (HKVSZ). Az átlag 25 kw hűtőteljesítménnyel rendelkező géppark becsült energiafelhasználása: ~700 GWh/év (PAKS ~ GWh/2009) A reálisan visszanyerhető hőenergia kb.: a fenti 30%. ~210 GWh/év ~ ,- Ft/év megtakarítás Oka: a hűtés és a hőtermelés (fűtés, HMV) energia igényének korlátozott időbeni átfedése.

24 REÁLIS CÉLOK 1. MelegVíz előállítás, illetve előfűtés: óvodák, iskolák, kórházak, rendelőintézetek, konyhák, szociális létesítmények, HMV ellátása 2. Technológiai melegvíz előállítás, illetve előfűtés: ipari fogyasztók 3. Nagy belső hőfejlődésű és/vagy kis hőtehetettlenségű üveghomlokzatos épületek hűtése-fűtése: irodaház, könnyűszerkezetes épületek 4. 4 csöves fan-coilos rendszerek hűtése-fűtése: irodaházak, kórházak 5. Légtechnikai rendszerek elő- illetve utófűtőinek hőellátása: légkezelők kultúrházak, mozik, színházak, sportlétesítmények

25 A TELJES VISSZANYERHETŐ HŐMENNYISÉG=KONDENZÁCIÓS+TÚLHEVÍTÉSI kj/kg A KONDENZÁCIÓS HŐMENNYISÉG kj/kg A TÚLHEVÍTÉS MIATT VISSZANYERHETŐ FAJLAGOS HŐMENNYISÉG kj/kg A HŰTÉSSEL ELVONT FAJLAGOS HŐMENNYISÉG kj/kg q hűt +w komp =q kond =q visszanyert =(q hősziv ) JÓSÁGFOK= q hősziv /w komp (Q = q x m) EGY KIS TERMODINAMIKA

26 COP - COP - COP EGY KIS TERMODINAMIKA COP és EER = Q hasznos / E befektetett EER = Q hűtés / W komp. + E segédenergia COP = Q hősziv. / W komp. + E segédenergia COP hővisszanyer. =( Q hősziv + Q hűtés ) / (W komp. + E segédenergia ) COP hővisszanyer. = (Q hűtés + W komp. + Q hűtés )/ (W komp. + E segédenergia ) COP hővisszanyeréssel»» COP Példa a Thermocold Quattro Prozone EA multifunkciós hőszivattyúval: EER hűtés = 50,5/ (14,6 +1,5)= 3,14 COP hővisszanyer. = (50,5kW + 65,2kW) / (14,6 +1,5 )= 7,18! COP hővisszanyer. = 2,29 X EER COP hővisszanyeréssel»» COP

27 TÚLHEVÍTÉSI HŐVISSZANYERÉS VÍZ: 50/60ºC R410A 80ºC 50/60ºC R410A 50ºC 25-30% nyerhető vissza Magas fűtővíz hőmérséklet Legjobb az R410A

28 45/40ºC TELJES HŐVISSZANYERÉS VÁLTÓSZELEP ELPÁROLOGTATÓ KONDENZÁTOR 100% visszanyerhető Alacsonyabb fűtővíz hőmérséklet Minden hűtőközegnél ideális

29 TÚLHEVÍTÉSI HŐVISSZANYERÉS 25-30% nyerhető vissza Magas fűtővíz hőmérséklet, HMV-hez is alkalmas Egyszerű kialakítás, vezérlés Gazdaságos üzemeltetés: melegvíz kvázi ingyen, a hűtés jóval gazdaságosabb HCS primer old.: R410A túlhevített gőz: 78/49ºC Thcs Thmv Hőcserélő szekunder oldal: 55/45ºC glikol-víz keverék

30 Példa: V=1.000 m 3 /h Légtechnikai rendszerek hővisszanyerése osztott levegő-levegő hőszivattyúkkal II. Kondenzátor 0,9 kw Rekuperatív ővissz: 1,9kW Friss levegő η=67% P vent =0,15 kw Rekuperatív Hővisszanyerő:1,9 kw Elszívás, η=67% P ventilátor =0,15 kw Elpárologtató 0,8 kw P HSZel =0,21 kw Méretezési állapotban: A rekuperatív hővisszanyerő jóságfoka: 1,9/0,3=6,3 A teljes hővisszanyerésre vonatkoztatott jóságfok: 2,8/0,51= 5,5 Méretezési állapotban a COP=3,79 +4ºC-ban a COP=6,21

31 Műszaki javaslatok: ESZKÖZÖK, JAVASLATOK I. A fokozottabb hulladékhő hasznosítás (HHH) érdekében Központi vagy zóna központi klímarendszerek telepítése A hulladékhő fogadására alkalmasabb épületgépészeti rendszerek alkalmazása, pl. indirekt fűtésű tárolók, pufferek Alacsony hőmérsékletű HMV és fűtési rendszerek kialakítása: padlófűtés, falfűtés, szerkezet temperálás, fan-coilos rendszerek

32 ESZKÖZÖK, JAVASLATOK II. A fokozottabb hulladékhő hasznosítás (HHH) érdekében Közigazgatási, ill. szabványügyi javaslatok ösztönzők: A HHH beemelése az ép. energiahatékonyságáról szóló 2010/31/EK (régi: 2002/91/EK) irányelvbe: HHH alkalmazás kötelező vizsgálata A HHH beemelése a 2005/32/EK számú ökodizájn irányelvbe (termékek környezetbarát tervezése): hűtőberendezések, klímaberendezések esetén A HHH beemelése a 7/2006 (V.24.) TNM rendelet, 4.melléklet: Az alternatív energiafelhasználás vizsgálata előírása közé abban az esetben ha az épület nyári túlmelegedése meghaladja a szabványban rögzített értéket (Δt bnyár 3 K nehéz ép.szerk. és Δt bnyár 2 K könnyű ép.szerk. esetén) A 264/2008 (XI.6.) kormány rendelet a Hőtermelő berendezések és légkondíciónáló rendszerek energetikai felülvizsgálatáról szól ahol előírják a rendszeres felülvizsgálatot a 12 kw-nál nagyobb teljesítményű klímaberendezésekre: a felülvizsgáló tegyen javaslatot a HHH kihasználására Az építésügyi szabványok írják elő a HHH alkalmazását új építésnél, bizonyos feltételek esetén (gazdaságosság)

33 Köszönöm a figyelmet! Tóth Tamás műszaki tanácsadó 06-70/ ttoth@regale.hu