Do ch lodzenia pomieszcze´n potrzebne sa dwa wymienniki: zewn֒ etrzny - oddaj֒ acy ciep lo֒ otoczeniu, i wewnetrzny - odbieraj֒ acy je z pomieszczenia. Spos´֒ ob dzia lania i kszta lt wy-miennik´ow mo˙ze by´c zrealizowany na wiele sposob´ow. Najcze´sciej stosowane rozwi֒ azania֒ wykorzystuja obiegi termodynamiczne (uk lady spr֒ e˙zarkowe), ale wykorzystuje si֒ e r´֒ ownie˙z ciep lo parowania wody (wie˙ze ch lodzace), a tak˙ze nisk֒ a temperatur֒ e gruntu lub w´֒ od grun-towych (pompy ciep la). Wymienniki wewnetrzne mog֒ a r´֒ o˙zni´c sie medium transportuj֒ acym֒ ciep lo, kszta ltem, oraz lokalizacja w pomieszczeniu. W zale˙zno´sci od czynnik´ow takich jak֒ wielko´s´c pomieszczenia, obecno´s´c ludzi, czy ˙zadana wilgotno´s´c, stosuje si֒ e r´֒ o˙zne po laczenia֒ obydwu rodzaj´ow wymiennik´ow.
2.5.1 Wymienniki zewnetrzne֒
Spre˙zarkowe uk lady ch lodzenia pomieszcze´֒ n, potocznie zwane klimatyzacja, s֒ a dobrze opi-֒ sane w literaturze. Publikacji dotyczacych system´֒ ow alternatywnych jest niewiele. Jednym z najstarszych takich uk lad´ow sa wie˙ze ch lodz֒ ace (ang. cooling towers, wind towers) [70, 71],֒ stosowane g l´ownie w rejonach podzwrotnikowych. Zasade dzia lania wie˙zy przedstawia rysu-֒ nek 2.9. Pierwotnie wie˙ze ch lodzi ly powietrze, kt´orym wentylowano pomieszczenia. P´o´zniej w wie˙zy umieszczano wymiennik wodny, zasilajacy uk lad centralnego ogrzewania, co pod-֒
Rysunek 2.10: Schemat wie˙zy z wymiennikiem wg [36]
Rysunek 2.11: Schemat dzia lania odwracalnej pompy ciep la w trybie: ogrzewania (a), ch lo-dzenia (b) [72]
nios lo wydajno´s´c uk ladu i pozwoli lo na latwiejsze sterowanie procesem ch lodzenia - rysunek 2.10. Taka konfiguracja stosowana jest w przemy´sle energetycznym (elektrownie, rafinerie), ale bywa te˙z wykorzystywana w wiekszych budynkach u˙zyteczno´sci publicznej (biura, szpi-֒ tale, szko ly). Obydwa rodzaje uk lad´ow, sa z powodzeniem modelowane numerycznie (np.֒ [36] i [74] ).
Innym rozwiazaniem, stosowanym od niedawna w budownictwie, jest odwracalna pompa֒ ciep la. Pompa ciep la teoretycznie nadaje sie zar´֒ owno do ogrzewania jak i ch lodzenia. Aby wy-korzysta´c ja do ch lodzenia pomieszcze´֒ n, nale˙zy odwr´oci´c kierunek t loczenia spre˙zarki, zmie-֒ niajac tym samym kierunek przep lywu czynnika ch lodniczego - rysunek 2.11 [72]. Ch lodzenie֒ mo˙ze odbywa´c sie tak˙ze pasywnie, czyli bez udzia lu spr֒ e˙zarki, gdy˙z temperatura gruntu jest֒ ni˙zsza od temperatury pomieszczenia i sam obieg czynnika spowoduje ch lodzenie pomieszcze-nia. Podobna (pasywn֒ a) zasad֒ e dzia lania ma gruntowy wymiennik ciep la (GWC), ale w tym֒ przypadku medium transportowym jest powietrze - rysunek 2.12 [73, 72]. Zaleta tego roz-֒ wiazania jest wst֒ epne ogrzewanie powietrza do wentylacji pomieszcze´֒ n w zimie. GWC mo˙ze wsp´o lpracowa´c z instalacja pompy ciep la oraz z rekuperatorem. Zar´֒ owno pompy ciep la, jak i gruntowe wymienniki sa stosowane w niewielkich budynkach, najcz֒ e´sciej jednorodzinnych,֒ ze wzgledu na wymagan֒ a du˙z֒ a powierzchnie wymiennika zewn֒ etrznego.֒
Rysunek 2.12: Gruntowy wymiennik ciep la (GWC) [72]
Rysunek 2.13: Schemat hybrydowego systemu ch lodzenia sufitowego [63]
2.5.2 Wymienniki wewnetrzne֒
W literaturze spotyka sie r´֒ o˙zne sposoby odbierania ciep la z pomieszcze´n, najcze´sciej jest֒ to wymuszony przep lyw powietrza przez ma ly wymiennik (w instalacjach klimatyzacyjnych spre˙zarkowych). Wad֒ a tego rozwi֒ azania jest du˙zy ruch powietrza w pomieszczeniu oraz nie-֒ r´ownomierny rozk lad temperatur - obydwa czynniki negatywnie wp lywaja na przebywaj֒ ace֒ tam osoby. W latach dziewie´cdziesi֒ atych pojawi la si֒ e koncepcja umieszczania wi֒ ekszych wy-֒ miennik´ow na sufitach (ang. ceiling cooling) [61, 63] i ´scianach [62]. Ch lodzenie powietrza odbywa sie drog֒ a konwekcji naturalnej, a odpowiedni֒ a wydajno´s´c uzyskuje si֒ e zwi֒ ekszaj֒ ac֒ powierzchnie wymiennik´ow. Wada tych rozwi֒ aza´֒ n jest powstawanie wilgoci przy du˙zych r´o˙znicach temperatur, dlatego czesto stosuje si֒ e dodatkowe instalacje usuwaj֒ ace wilgo´c po-֒ wstajac֒ a na wymiennikach lub wspomaga si֒ e ruch powietrza systemami wentylacyjnymi od-֒ bierajacymi wilgo´c z pomieszczenia. Na rysunku 2.13 przedstawiony jest uk lad realizuj֒ acy֒ funkcje ch lodzenia sufitowego z odwilgacaniem pomieszczenia wykorzystujacy wie˙z֒ e ch lodni-֒
Rysunek 2.14: Uk lad paneli ´sciennych i sufitowych po laczonych w uk lad centralnego ogrze-֒ wania i ch lodzenia, z wykorzystaniem kolektor´ow s lonecznych i gruntowego wymiennika ciep la[62]
cza. W pracy [62] zaproponowano uk lad paneli ´sciennych i sufitowych po l֒ aczonych w uk lad֒ centralnego ogrzewania i ch lodzenia, z wykorzystaniem kolektor´ow s lonecznych i gruntowego wymiennika ciep la. Schemat uk ladu znajduje sie na rysunku 2.14.֒
W pracy [4] przeprowadzono badania systemu sch ladzania pomieszcze´n mieszkalnych wy-korzystaniem istniejacych instalacji centralnego ogrzewania. W czasie sch ladzania pomiesz-֒ czenia o wymiarach: 5, 5 × 5, 0 × 2, 6 m (rysunek 2.15), woda wodoci֒ agow֒ a o temperaturze֒ oko lo 10◦C, uzyskiwano obni˙zenie temperatury w stosunkowo kr´otkim czasie - rysunek 2.16, jednak z obserwowanym wykraplaniem pary wodnej na powierzchni kaloryfera
W praktyce, do obecnie stosowanych uk lad´ow utrzymujacych temperatur֒ e w zakresie kom-֒ fortu cieplnego, potrzebne sa systemy utrzymuj֒ ace wilgotno´s´c powietrza w pomieszczeniach֒ oraz utrzymujace ˙z֒ adany wydatek wymiany powietrza. Dopiero uk lad spe lniaj֒ acy powy˙zsze֒ warunki nazywany jest klimatyzacja֒6.
6
Rysunek 2.15: Schemat pomieszczenia o wymiarach 5, 5 × 5, 0 × 2, 6 m, ch lodzonego kaloryfe-rem dwup lytowym o wymiarach 140 × 60 cm w ramach pracy [4]. Termoele-menty: 101 i 102 - wlot i wylot wody ch lodzacej; 103 – na wysoko´sci 70 cm od֒ posadzki w odleg lo´sci 5 cm od powierzchni kaloryfera; 104 i 105 - w odleg lo´sci 100cm od brzegu kaloryfera na wysoko´sci, odpowiednio, 70 cm oraz 180 cm od posadzki.
Rysunek 2.16: Przebieg ch lodzenia pomieszczenia przedstawionego schematycznie na ry-sunku 2.15. Oznaczenia czujnik´ow opisane r´ownie˙z w 2.15. Wydatek wody: a)14 l/min; b) 4 l/min. [4]
Na podstawie dotychczasowych bada´n [4, 5] mo˙zna sformu lowa´c teze, i˙z mo˙zliwe jest wy-֒ korzystanie istniejacych instalacji centralnego ogrzewania do efektywnego ch lo-֒ dzenia pomieszcze´n w okresie letnim.
G l´ownym celem pracy jest ustalenie granic mo˙zliwo´sci zastosowania wymiennik´ow ciep la centralnego ogrzewania jako upust´ow ciep la, zasilanych w okresie letnim woda o obni˙zonej֒ temperaturze.
Ponadto celem pracy jest opracowanie matematycznego modelu, umo˙zliwiajacego nume-֒ ryczna symulacj֒ e proces´֒ ow wymiany ciep la i masy, przebiegajacych w czasie procesu sch la-֒ dzania.
Dla osiagni֒ ecia sformu lowanych powy˙zej g l´֒ ownych cel´ow pracy zaplanowano realizacje na-֒ stepuj֒ acych zada´֒ n badawczych:
• przeprowadzenie bada´n na modelu fizycznym, sporzadzonym w skali 1 : 5 w stosunku֒ do standardowego pomieszczenia rzeczywistego o wymiarach 5, 0 × 4, 0 × 2, 5 m
• sporzadzeniu bilansu cieplnego dla pomieszczenia modelowego na podstawie zmierzo-֒ nych zmian temperatury i wilgotno´sci oraz okre´slenie parametr´ow cieplnych i liczb podobie´nstwa dla modelu, i dla pomieszczenia rzeczywistego,
• opracowanie modelu numerycznego procesu ch lodzenia dla obiekt´ow modelowego oraz rzeczywistego,
• przeprowadzenie analizy wp lywu r´o˙znych zmiennych parametr´ow na przebieg proces´ow ch lodzenia,
• weryfikacja opracowanego modelu numerycznego poprzez konfrontacje wynik´ow ekspe-֒ ryment´ow i oblicze´n numerycznych dla obiektu modelowego,
• wykonanie wstepnych oblicze´֒ n numerycznych i wykonanie pomiar´ow dla obiektu rze-czywistego oraz sformu lowanie kierunk´ow dalszych bada´n.
Zaplanowane badania eksperymentalne procesu ch lodzenie komory modelowej oraz jego nume-ryczna symulacja powinny da´c podobny do rzeczywistego rozk lad i przebieg zmian w czasie dla temperatury i wilgotno´sci. Uzyskanie zbli˙zonych do siebie wynik´ow symulacji nume-rycznej i bada´n eksperymentalnych potwierdzi s luszno´s´c opracowanego modelu dla analizy proces´ow cieplnych, przebiegajacych w czasie ch lodzenia obiektu rzeczywistych rozmiar´ow.֒ Opracowany w ramach pracy model numeryczny, pozytywnie zweryfikowany w badaniach mo-delowych, bedzie m´֒ og l by´c nastepnie uog´֒ olniony dla r´o˙znych zakres´ow temperatury, r´o˙znych
parametr´ow materia lowych czy r´o˙znych rozmiar´ow pomieszcze´n. Mo˙zliwe bedzie przewi-֒ dywanie skuteczno´sci dzia lania instalacji grzewczych jako upust´ow ciep la bez konieczno´sci wykonywania dodatkowych bada´n eksperymentalnych, co jest nadrzednym celem opracowy-֒ wanych wsp´o lcze´snie modeli symulacji numerycznej proces´ow fizycznych.