Chladenie vzduchu vo VZT jednotke: výpočet chladiaceho výkonu a odvlhčenia

Chladič vo vzduchotechnickej jednotke (VZT) ochladzuje privádzaný vzduch pod rosný bod – kondenzuje prebytočnú vlhkosť a odvádza ju ako kondenzát. Celkový chladiaci výkon je súčet citeľného a latentného tepla: $\Phi_c = \dot{m} \cdot (h_1 - h_2)$, kde $h_1$ a $h_2$ sú entalpie vzduchu pred chladičom a za ním.

Princíp chladenia s odvlhčením

Vzduch vstupuje do chladiča s teplotou $t_1$ a relatívnou vlhkosťou $\varphi_1$. Chladič ho ochladí cez rosný bod ($t_d$) až na výstupnú teplotu $t_2$:

1. Sensible cooling (citeľné chladenie) – pokles teploty bez zmeny vlhkosti, kým vzduch nedosiahne rosný bod
2. Latent cooling (odvlhčenie) – pod rosným bodom kondenzuje vodná para, merná vlhkosť $x$ klesá
3. Výstupný stav – vzduch opúšťa chladič nasýtený ($\varphi_2 \approx 95\text{–}100\ \%$) alebo sa následne dohrieva na požadovanú teplotu

Princíp chladenia bez odvlhčenia

Ak výstupná teplota $t_2$ zostane nad teplotou rosného bodu, kondenzácia neprebehne — vzduch sa len ochladí.

1. Sensible cooling (citeľné chladenie) – pokles teploty bez zmeny vlhkosti, kým vzduch nedosiahne rosný bod
2. Výstupný stav – vzduch opúšťa chladič viac nasýtený než na vstupe

Výpočet chladiaceho výkonu

Celkový chladiaci výkon

$$\Phi_c = \dot{m} \cdot (h_1 - h_2) \quad \text{[kW]}$$

kde $\dot{m}$ je hmotnostný prietok vzduchu [kg/s].

Citeľná zložka výkonu

$$\Phi_s = \dot{m} \cdot c_{pa} \cdot (t_1 - t_2) \approx \dot{m} \cdot 1{,}006 \cdot (t_1 - t_2) \quad \text{[kW]}$$

Latentná zložka výkonu (odvlhčenie)

$$\Phi_{lat} = \dot{m} \cdot r_0 \cdot (x_1 - x_2) \approx \dot{m} \cdot 2501 \cdot (x_1 - x_2) \quad \text{[kW]}$$

kde $r_0 = 2501\ \text{kJ/kg}$ je výparné teplo vody pri 0 °C.

Prietok kondenzátu

$$q_{\text{kond}} = \dot{m} \cdot (x_1 - x_2)\ \text{[kg/s]} = \dot{m} \cdot (x_1 - x_2) \cdot 3600\ \text{[l/h]}$$

Príklad výpočtu

Zadanie: VZT jednotka, prietok 3000 m³/h, vstup do chladiča: $t_1$ = 32 °C, $φ_1$ = 55 %, výstup: $t_2$ = 14 °C, $φ_2$ = 95 %.

Psychrometrické hodnoty:

• Hustota vzduchu: $\rho \approx 1{,}145\ \text{kg/m}^3$ → $\dot{m} = \frac{3000}{3600} \cdot 1{,}145 = \mathbf{0{,}955}\ \textbf{kg/s}$
• $h_1$ (32 °C, φ 55 %): $\approx \mathbf{74{,}6}\ \textbf{kJ/kg}$
• $h_2$ (14 °C, φ 95 %): $\approx \mathbf{38{,}1}\ \textbf{kJ/kg}$
• $x_1 \approx 16{,}6\ \text{g/kg}$, $x_2 \approx 9{,}5\ \text{g/kg}$

Výsledky:

• Celkový výkon: $\Phi_c = 0{,}955 \cdot (74{,}6 - 38{,}1) = \mathbf{34{,}9}\ \textbf{kW}$
• Citeľný výkon: $\Phi_s = 0{,}955 \cdot 1{,}006 \cdot (32 - 14) = \mathbf{17{,}3}\ \textbf{kW}$
• Latentný výkon: $\Phi_{lat} = 0{,}955 \cdot 2501 \cdot \dfrac{16{,}6 - 9{,}5}{1000} = \mathbf{17{,}0}\ \textbf{kW}$
• Kondenzát: $0{,}955 \cdot \dfrac{7{,}1}{1000} \cdot 3600 = \mathbf{24{,}4}\ \textbf{l/h}$

Faktor citeľného tepla (SHR)

SHR (Sensible Heat Ratio) udáva, aký podiel celkového chladiaceho výkonu tvorí citeľné chladenie:

$$\text{SHR} = \frac{\Phi_s}{\Phi_c} = \frac{17{,}3}{34{,}9} = \mathbf{0{,}50}$$

Typické hodnoty:

• Kancelárie: SHR = 0,75–0,85 (nízka vnútorná produkcia latentného tepla)
• Reštaurácie, bazény: SHR = 0,45–0,65
• Tropické podnebie: SHR = 0,50–0,65

Teplota za chladičom (bypass faktor)

Reálny chladič nikdy neochladí všetok vzduch presne na teplotu povrchu výmenníka. Bypass faktor (BF) = podiel vzduchu, ktorý prechádza chladičom bez kontaktu:

$$t_2 = t_{\text{ADP}} + \text{BF} \cdot (t_1 - t_{\text{ADP}})$$

kde $t_{\text{ADP}}$ je teplota aparátového rosného bodu (Apparatus Dew Point) – teplota povrchu výmenníka.

BF pre lamelový výmenník typicky 0,05–0,15. V Mollierovom diagrame platí, že stav výstupného vzduchu leží na priamke spájajúcej stav $t_1$, $\varphi_1$ s krivkou nasýtenia – vzdialenosť zodpovedá BF.

Chladenie v Mollierovom diagrame

V h-x diagrame:

1. Nakreslite vstupný stav vzduchu (bod 1)
2. Veďte priamku vľavo na krivku nasýtenia – bod 2’ je ideálny výstup (BF = 0)
3. Skutočný výstup (bod 2) leží na úsečke 1–2’ vo vzdialenosti BF od krivky nasýtenia

Konštrukciu si môžete prejsť aj ručne – prázdny list na tlač má krivku nasýtenia nakreslenú v 0,5 mm, takže sa na ňu dobre mieri pravítkom. PsychroView tento výpočet vykonáva automaticky po zadaní vstupného stavu a výstupnej teploty alebo entalpie.

Časté otázky

Ako zistím chladiaci výkon, ktorý potrebujem? Chladiaci výkon je daný tepelnými ziskami miestnosti (slnko, osoby, svietidlá, technika) plus teplom privedeným vetraním. Pre štandardnú kanceláriu počítajte 60–100 W/m² celkového chladiaceho výkonu.

Prečo výstup chladiča tvorí nasýtený vzduch? Chladič ochladzuje vzduch pod rosný bod – kondenzuje vlhkosť a vzduch sa približuje nasýteniu. Za chladičom je vzduch typicky φ = 90–100 % a relatívne studený (12–16 °C), preto sa za chladič obvykle umiestňuje dohrievač.

Čo je chilled water coil a DX coil? Chilled water coil (CW) – v lamelách preteká studená voda (typicky +6/+12 °C) z centrálneho zdroja chladu (chiller). DX coil (direct expansion) – v lamelách sa odparuje chladivo priamo z kompresorovej jednotky.