Modelowanie działania urządzeń w centrali wentylacyjnej

W obliczeniach przyjęto moce skraplacza i parowacza ciepła odpowiednie do projektowanego strumienia powietrza wentylacyjnego według załącznika C (wg rozdz. 5.2.).

Współczynnik wydajności grzejnej COP pompy ciepła

Współczynnik wydajności grzejnej COP pompy ciepła zależny jest od konfiguracji centrali wentylacyjnej, jej wielkości, czynnika chłodniczego w obiegu pompy ciepła oraz temperatur skraplania i parowania tego czynnika. Literatura wskazuje wzory do obliczeń COP, które uwzględniają właśnie temperaturę skraplania i parowania czynnika chłodniczego w obiegu pompy ciepła. Jednak z uwagi na zmienne moce parowacza i skraplacza wzory te nie są odpowiednie do obliczeń symulacyjnych przy zmiennych parametrach powietrza w obrębie parowacza i skraplacza w pompach ciepła powietrze-powietrze Ogólną zależność do obliczania współczynnika wydajności grzejnej COP z uwzględnieniem temperatur powietrza przed i za wymiennikami pompy ciepła przedstawia zależność (5.40) [60].

Oznaczenia we wzorze pokazano na rysunku 5.8.

𝐶𝑂𝑃 = 𝑡_𝑂𝐶^′ × 𝑘₁+ (𝑡_𝑃𝐶+ 𝑡_𝑀2 konkretnych instalacji. Można jednak przyjąć, że w przypadku, gdy parametry powietrza przed wymiennikami pompy ciepła będą zmieniały się jedynie w wąskim zakresie współczynnik COP będzie stały w tym okresie. Z uwagi na przyjęte założenia i przyjęte tryby pracy central wentylacyjnych, współczynnik COP będzie w przybliżeniu stały w ciągu roku.

Współczynniki COP przyjętych urządzeń (załącznik C) mieszczą się w zakresie 4,3-5,5 (w zależności od konfiguracji centrali wentylacyjnej). Przyjmując, według zasad opisanych w rozdziale 5.4., że w obliczeniach przez 25% godzin roku (w okresie nocy) centrala pracuje tylko na powietrzu obiegowym oraz przez 50% godzin w roku pracuje w trybie Mieszanie 1, w którym występują stałe parametry powietrza przed wymiennikiem do odzysku ciepła, można przyjąć, że przez większość roku pompa ciepła pracuje z wysokim współczynnikiem wydajności cieplnej.

Skraplacz pompy ciepła

Skraplacz pompy ciepła, umieszczony za komorą mieszania recyrkulacji wewnętrznej, podgrzewa powietrza wentylacyjne do pewnej granicy, która wynika z jego mocy.

Przyjmując moc Q̇_SKR=0,1 kW/m²_B oraz strumień powietrza nawiewanego ṁ_N= 40 kg/(h ∙ m_B²), skraplacz może podgrzać powietrze o maksymalnie około 9 K. Temperatura ta może więc wynosić około 35^oC, w zależności od temperatury, jaka uzyskiwana jest w komorze mieszania recyrkulacji wewnętrznej.

W obliczeniach wyliczana jest wymagana moc skraplacza, jaka jest potrzebna do zapewnienia właściwej temperatury nawiewu:

𝑄̇_{𝑆𝐾𝑅,1} = 𝑚̇_𝑁∙ (ℎ_𝑁− ℎ_𝑀2) [𝑘𝑊] (5.41)

Jeżeli obliczona wymagana moc skraplacza jest mniejsza od mocy maksymalnej Q̇_SKR,1<

Q̇_SKR, to przyjmuje się, że skraplacz jest jedynym urządzeniem zapewniającym właściwą temperaturę nawiewu. Podgrzewanie powietrza w nagrzewnicy nie jest konieczne.

Dodatkowo obliczany jest wtedy zapas mocy, który może być wykorzystany do innych celów – na przykład do wspomagania podgrzewu wody basenowej.

∆𝑄̇_𝑆𝐾𝑅 = 𝑄̇_{𝑆𝐾𝑅,1}− 𝑄̇_𝑆𝐾𝑅 [𝑘𝑊] (5.42)

Jeżeli obliczona wymagana moc skraplacza jest mniejsza od mocy maksymalnej Q̇_SKR,1> Q̇_SKR, to wyliczana jest temperatura powietrza na skraplaczem, przyjmując jego maksymalną moc.

𝑡_𝑃𝐶 = 𝑡_𝑀2+ 𝑄̇_𝑆𝐾𝑅

𝑚̇_𝑁∙ 𝑐_𝑝 [℃] (5.43)

Wymaganą temperaturę nawiewu uzyskać można w takim przypadku poprzez podgrzanie powietrza w nagrzewnicy umieszczonej za skraplaczem.

Zawartość wilgoci w powietrzu za skraplaczem jest równa zawartości powietrza w komorze mieszania recyrkulacji wewnętrznej i równa zawartości wilgoci wymaganej w powietrzu nawiewanym:

𝑥_𝑃𝐶 = 𝑥_𝑀2= 𝑥_𝑁[𝑔

𝑘𝑔] (5.44)

Entalpia powietrza za skraplaczem obliczana jest z zależności (5.22), a wilgotność względna z zależności (5.25).

Parowacz pompy ciepła

Parowacz pompy ciepła zlokalizowany jest w części wywiewnej centrali wentylacyjnej za wymiennikiem krzyżowym do odzysku ciepła. Jego rolą jest osuszenie powietrza usuwanego z hali basenowej poprzez jego ochłodzenie. Założono, że pompa ciepła działa przez cały rok, ponieważ parowacz jest dolnym źródłem ciepła dla skraplacza.

W części roku powietrze osuszone jest ponownie wykorzystywane poprzez zastosowanie recyrkulacji zewnętrznej. W okresie letnim, gdy centrala wentylacyjna działa tylko na powietrzu świeżym, parowacz osusza powietrze, ale jedynie w celu zapewniania działania skraplaczowi powietrza, tak by nie było konieczności stosowania nagrzewnicy powietrza.

Parametry powietrza za parowaczem określane są przy założeniu, że powietrze za parowaczem jest powietrzem nasyconym, o wilgotności względnej fPC’=100%.

W pierwszej kolejności obliczana jest entalpia powietrza za parowaczem, przy wykorzystaniu przekształcenia wzoru na moc parowacza:

𝑄̇_𝑃𝐶′= 𝑚̇_𝑁∙ (ℎ_𝑂𝐶′− ℎ_𝑃𝐶′) [𝑘𝑊] (5.45) Temperatura powietrza za parowaczem wyznaczana jest z zależności (5.33), która wykorzystuje fakt, że punkt odpowiadający parametrom powietrza za parowaczem znajduje się na linii nasycenia.

Zawartość wilgoci w powietrzu za parowaczem wyznaczana jest w funkcji temperatury i wilgotności względnej z zależności (5.31).

Wymiennik do odzysku ciepła

W układzie centrali wentylacyjnej basenowej przyjęto krzyżowy wymiennik do odzysku ciepła. Sprawność odzysku ciepła w wymienniku ciepła nie jest stała w ciągu roku, z uwagi na parametry powietrza przepływającego przez to urządzenie. W okresie zimowym sprawność odzysku ciepła jest wyższa ze względu na wykraplanie się wilgoci, natomiast od pewnego momentu, zależnego od parametrów powietrza przed wymiennikiem ciepła (gdy x_M1>7 g/kg dla central wentylacyjnych wyposażonych w pompę ciepła lub x_e>7 g/kg dla wariantów bez pompy ciepła), sprawność odzysku ciepła jest stała i wynosi około η_Oc,s=60%.

Sprawność odzysku ciepła przy braku wykraplania wilgoci zależy od dobranej centrali wentylacyjnej i należy ją odczytać z danych katalogowych centrali. Wpływ na zwiększenie się sprawności odzysku ciepła, gdy w wymienniku ciepła zachodzi wykroplenie wilgoci ma również różnica zawartości wilgoci między powietrzem, które wchodzi do wymiennika ciepła po stronie wywiewnej oraz które opuszcza ten wymiennik, oznaczona jako Δx. Zależność do obliczania zwiększonej sprawności wymiennika ciepła z uwagi na wykraplanie się wilgoci ustalono według programu doboru wymienników krzyżowych firmy Heatex [111].

Podstawiając różne parametry powietrza przed wymiennikiem ciepła, otrzymano szereg punktów, na podstawie których wyznaczono wzór:

∆ƞ_𝑂𝐶(∆𝑥) = 0,0794 ∙ ∆𝑥³− 1,1352 ∙ ∆𝑥²+ 6,4543 ∙ ∆𝑥 [%] (5.47)

ƞ_𝑂𝐶 = ƞ_{𝑂𝐶,𝑠}+ ∆ƞ_𝑂𝐶(∆𝑥) (5.46)

Temperatura powietrza za wymiennikiem ciepła obliczana jest z zależności:

𝑡_𝑂𝐶 = 𝑡_𝑀1+ ƞ_𝑂𝐶∙ (𝑡_𝑃− 𝑡_𝑀1) [℃] (5.48) Zawartość wilgoci w powietrzu za wymiennikiem ciepła jest równa zawartości wilgoci przed wymiennikiem ciepła, czyli w komorze mieszania recyrkulacji zewnętrznej:

𝑥_𝑂𝐶 = 𝑥_𝑀1[𝑔

𝑘𝑔] (5.49)

Nagrzewnica

Nagrzewnica powietrza podgrzewa powietrze w okresach, kiedy skraplacz pompy ciepła nie ma wystarczającej mocy. Ma to miejsce przede wszystkim w okresach niskich temperatur powietrza zewnętrznego.

𝑄̇_𝑁 = 𝑚̇_𝑁∙ (ℎ_𝑁− ℎ_𝑃𝐶) [𝑘𝑊] (5.50)

5.4. Algorytm obliczeniowy dla zmiennych warunków klimatu