Zpět

Využití kondenzačního tepla pro ohřev TV

V letním období je nezbytné zabývat se systémem chlazení, především u novostaveb. To úzce souvisí s projektem vzduchotechniky (dále VZT), který je nejčastěji doplněn projektem systému parního kompresorového chlazení vnitřního vzduchu ve slunných a teplých dnech. Při oprávněném tlaku na snižování celkové potřeby energie v budově je třeba hledat úspory i v oblasti chlazení a ohřevu TV.

Publikováno: 29.07.2009
Rubrika:
Autor: (red)

Pro tyto účely byla posuzována novostavba administrativní budovy v Brně. Experimentálně jsme zde v letním období měřili teploty na vstupním a výstupním potrubí vedoucí do/z kondenzátoru ve strojovně VZT v posledním nadzemním podlaží. Tento vzduchem chlazený kondenzátor je umístěn na střeše budovy. V budově je provozován chladící stroj typu 30 RW s maximálním výkonem 310 kW a okruhem chladiva R407C se nachází ve strojovně VZT. Měření probíhalo v měsíci srpnu tohoto roku.

VYHODNOCENÍ MĚŘENÝCH VELIČIN
Na obr.1 vidíme průběh experimentálně naměřených hodnot pro vybraný den, které ukazují, jak vysokých teplot dosahuje chladivo R407 C proudící do a z kondenzátoru tohoto chladícího okruhu, v závislosti na čase. Tyto teploty dosahují na výstupu z chladícího stroje směrem do kondenzátoru až kolem 65 – 70 °C, na výstupu z kondenzátoru asi 35 – 45 °C.


Obr. 1 Průběh naměřených teplot na vstupním a výstupním potrubí kondenzátoru během dne

ENERGETICKÉ BILANCE
Instalovaným systémem měření nebylo možno zjistit skutečné potřeby energie pro chlazení nebo výkon kondenzátoru. Pro první přiblížení k těmto reálným spotřebám byl tedy využit teoretický výpočet tepelné zátěže dle [4] čímž byl zjištěn průběh tepelných zátěží během dne 21. 7. Z ní jsme s využitím chladicího faktoru zdroje chladu udávaného výrobcem dopočetli průběh tepla produkovaného kondenzátorem během tohoto dne – viz obr.2. Toto kondenzační teplo se bez využití běžně odvádí do exteriéru. Cílem dalšího zkoumání pak bylo stanovit, zda a na kolik je reálné a výhodné využít toto teplo pro předehřev TV pro potřeby dané budovy.

Průběh tepelné zátěže


Obr. 2 Denní průběh tepelné zátěže pro 21. červenec

Stanovení potřeby TV
Za účelem možnosti využití přebytečné energie z kondenzační strany chladícího cyklu pro předehřev TV byla nejprve stanovena celková potřeba TV během dne – obr. 3. Ve výpočtu množství TV byla zahrnuta potřeba na umývání, úklid a potřeba pro stravovací zařízení. Výpočtem pro zásobníkový ohřev TV byla stanovena celková potřeba tepla asi 150 kWh/den. Nutná zásoba TV pro pokrytí odběrových špiček byla dostatečně zabezpečena zásobníkem o objemu 800 l, který je již v kotelně instalován. Dále bylo třeba stanovit jak je tento zásobník účelné plnit teplou vodou, ohřátou pomocí přebytečného tepla z kondenzační strany chladícího okruhu.

Na obr. 2 vidíme, že během dne má kondenzátor největší výkon a dosahuje nejvyšších teplot v době největší tepelné zátěže (cca od 12 do 17 hod). A právě v této době je vhodné přebytečné teplo kondenzátoru chlazeného vzduchem odebírat, abychom zajistili ohřev TV na co nejvyšší teplotu. Výpočet velikosti zásobníku vychází z obr. 3 a dosažené výsledky odpovídají objemu skutečně instalovaného zásobníku v budově.


Obr. 3 Celková potřeba energie na ohřev teplé vody (TV) a stanovení objemu zásobníku Vz

Dodávky energií
Na obr. 4 je v posuzovaném dni porovnán průběh vývinu kondenzačního tepla s potřebou energie pro ohřev TV. Je na něm patrné, že v daném případě je dosaženo značného přebytku kondenzačního tepla.


Obr. 4 Dodaná energie během dne
 

SCHÉMA ZAPOJENÍ VÝMĚNÍKU


Obr. 5 Schéma zapojení výměníku do chladícího okruhu před kondenzátor

Na obr. 5 vidíme schéma zvoleného zapojení protiproudého výměníku pro ohřev TV do chladícího okruhu. Bylo zvoleno zapojení výměníku pro předehřev TV před kondenzátor, kde jsou vyšší teploty chladiva, tak aby bylo dosaženo úplného ohřátí TV na požadovanou teplotu 55 °C. Na výměníku se sdílí teplo mezi parami chladiva R407C a studenou vodou. Jak už jsem v předchozím odstavci zmínili, budeme ohřívat celkovou potřebu vody tj. 150 kWh během 5 hodin od 12 do 17 hod. Potřebný výkon výměníku bude tedy 30 kW. Hmotnostní průtok chladiva byl určen v programu „kleacalc“ pro maximální výkon zdroje chladu 310 kW.

Budeme uvažovat zjednodušený jednostupňový parní kompresorový oběh na úrovni Clausius-Rankinova cyklu. Předpokládá se vstup sytých par do kompresoru a izoentropický průběh komprese a další idealizace. Výchozími parametry byly experimentálním měřením zjištěné teploty na výstupu z kondenzátoru (40 °C ) a na vstupu do kondenzátoru (60 °C). Dopočetním parametrů bodu V bylo zjištěno, že se nachází v oblasti přehřátých par, přičemž tV > t3, hV > h3 , viz obr. 6.


Obr. 6 Průběh chladícího cyklu se zapojením výměníku v p – h diagramu chladiva R407C

ZÁVĚR
Příspěvek se zabývá teoretickým posouzením možnosti využití kondenzačního tepla chladicího stroje pro ohřev TV v konkrétní administrativní budově. Na základě experimentálního měření systému centrálního chlazení a teoretických výpočtů bylo zjištěno, že ve zvoleném dni lze systémem zcela pokrýt potřebu tepla na ohřev TV energií kondenzačního tepla chladicího stroje instalovaného v budově. Přebytek kondenzačního tepla je tak velký, že lze předpokládat jeho využití pro ohřev, či předehřev TV i ve většině dnů s potřebou chlazení – viz obr. 4. Lze tím výrazně ušetřit na nákladech na přípravu TV. V této fázi výzkumu se jedná pouze o dílčí posouzení založeném na několika zjednodušujících předpokladech a pouze jednoho způsobu zapojení výměníku pro předehřev TV – viz obr. 5. Z hlediska praktického návrhu je pak třeba ještě dořešit několik technických detailů jako např. systém regulace, čistitelnost a odolnost výměníku.

Možnosti využití kondenzačního tepla zdroje chladu a možnosti zefektivnění výroby chladu budou dále zkoumány s využitím dynamických simulací v průběhu celého roku.

Literatura
[1] Doc. Ing. Cihlář Jiří, CSc., Ing. Gebauer Günter . Technická zářízení budov C-Vzduchotechnika, Cvičení, ateliérová tvorba:. VUT Brno. 1990. 193 s. ISBN 80-214-0212-1
[2] Sborník ASHRAE Fundamentals Handbook (SI), r. 1997
[3] ČSN 73 0548 Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných budov. Praha : Český normalizační institut,1986. 32 s.
[4] ČSN 06 0320 Tepelné soustavy v budovách. Příprava teplé vody – Navrhování a projektování. Praha : Český normalizační institut, září 2006. 20 s.
[5] http://secespol.cz
[6] http://www.nuovarafi.it/public/downloads/tazzetti/CD%20INEOS%20KleaCalc/html/kleacalc_intro_en.htm
[7] http://www.spywaredata.com/spyware/download.php

Recenzoval
Olga Rubinová, Ing. Ph.D., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technických zařízení budov, Veveří 331/95, 602 00 Brno, rubinova.o@fce.vutbr.cz. Recenzi si můžete přečíst ZDE.

Tento článek byl také publikován na JUNIORSTAVU 2009.