Kluczowe elementy techniczne wpływające na efektywność energetyczną

Zrozumienie Odzysk energii w obrotowych wymiennikach ciepła – Kluczowe elementy techniczne wpływające na efektywność energetyczną

Układy odzysku ciepła można podzielić na dwie kategorie w zależności od parametrów cieplnych układu: Układy odzysku energii i konwersji ciepła odpadowego o wysokich parametrach cieplnych (powyżej 70^oC) oraz układy odzysku i konwersji energii z ciepła odpadowego o niskich parametrach cieplnych (poniżej 70^oC).

Systemy odzysku ciepła i konwersji energii powyżej 70^oC znajdują zastosowanie w procesach technologicznych zachodzących w przemyśle energetycznym, spożywczym, chemicznym i innych gałęziach przemysłu procesowego, w których uwalniane są duże ilości ciepła odpadowego.To ciepło odpadowe o wysokich parametrach cieplnych może być wykorzystane do poprawy efektywności energetycznej i ekonomicznej przedsiębiorstw poprzez bezpośrednie ogrzewanie powietrza w systemach wentylacyjnych lub wspomaganie procesów technologicznych wymagających wyższych temperatur (np. źródło ciepła dla pomp ciepła stosowanych do pasteryzacji w przemyśle spożywczym, lub do produkcji energii elektrycznej w organicznych układach Rankine'a lub Kalina Cycle).Ciepło odpadowe o tak podwyższonych parametrach cieplnych może być również wykorzystane do procesów chłodniczych i klimatyzacyjnych (np. zamiana energii cieplnej na wodę lodową za pomocą agregatów absorpcyjnych lub adsorpcyjnych).

Systemy odzysku ciepła i konwersji energii poniżej 70^oC wykorzystywane są najczęściej do celów grzewczych w budynkach mieszkalnych (np. ogrzewanie podłogowe z wykorzystaniem pomp ciepła) lub komercyjnych (np. w centralach klimatyzacyjnych (AHU) do ogrzewania powietrza „świeżego” lub „zewnętrznego” poprzez odzysk ciepła z „zużytych” ” lub „powietrze wywiewane”).W tym artykule skupimy się na zastosowaniach w budownictwie komercyjnym.

Systemy odzysku ciepła w centralach wentylacyjnych oparte są na dwóch układach, które w zależności od rodzaju rozwiązania przyjętego w konstrukcji centrali zużywają energię elektryczną (układy aktywne) lub nie (układy pasywne).Do systemów aktywnego odzysku ciepła w centralach wentylacyjnych zalicza się np. układy oparte na obrotowych wymiennikach ciepła czy rewersyjnych pompach ciepła.Pasywne systemy odzysku ciepła obejmują krzyżowe i sześciokątne wymienniki ciepła.Charakterystyczne dla odzysku ciepła w instalacjach wentylacyjnych jest to, że ciepło jest odzyskiwane przy niewielkich różnicach temperatur pomiędzy strumieniem powietrza o wyższej temperaturze a strumieniem powietrza o niższej temperaturze, przy czym powietrze o wyższej temperaturze rzadko przekracza 30^oC (w obiektach komercyjnych odzysk ciepła następuje nawet przy niższych temperaturach powietrza).

Najczęściej odzysk ciepła w centralach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych realizowany jest za pomocą obrotowych lub krzyżowych (sześciokątnych) wymienników ciepła, rzadziej za pomocą pomp ciepła.Obrotowe wymienniki ciepła stosowane są w centralach, w których dopuszczalna jest wymiana masy pomiędzy powietrzem wlotowym i wylotowym w centrali (są to zazwyczaj budynki użyteczności publicznej).Wymienniki krzyżowe i heksagonalne stosowane są w centralach klimatyzacyjnych, gdzie nie jest możliwa wymiana masy między powietrzem świeżym a używanym (np. szpitale).Rewersyjne pompy ciepła są stosowane, gdy do celów grzewczych wymagane jest powietrze nawiewane o wysokiej temperaturze.

Bilans masowy i energetyczny wymienników ciepła stosowanych w centralach wentylacyjnych

Przy obliczaniu wydajności obrotowego wymiennika ciepła do odzysku ciepła w centralach wentylacyjnych oprócz bilansu energetycznego wymagany jest odpowiedni bilans masowy.Poniżej przedstawiono równania bilansu energetycznego i masowego dla warunków przepływu w stanie ustalonym przy następującym założeniu.Okresowe zmiany parametrów wynikające z ruchu obrotowego wymiennika są uśredniane w ogólnym bilansie energetycznym i wilgotnościowym — tzn. okresowe lokalne zmiany temperatury i wilgotności na powierzchni obracającego się koła są nieznaczne i dlatego pomijane w obliczeniach.

a) Masa, stężenie i bilans energetyczny dla obrotowych wymienników ciepła: