Zimná prevádzka (ZZT, ohrev, vlhčenie, tepelná strata)

Zadanie

Jednotka čerstvého vzduchu pre 1 500 m³/h, zimný výpočtový stav −18 °C. Do miestnosti má vstupovať vzduch s teplotou 22 °C a mernou vlhkosťou zodpovedajúcou návrhovému stavu miestnosti 20 °C / 40 %. Reťazec má päť uzlov — vonkajší bod, ZZT, ohrev, parné vlhčenie a tepelnú stratu miestnosti — a odpovedá na štyri otázky: koľko tepla vráti spätné získavanie, koľko zostane na ohrievač, koľko pary spotrebuje vlhčenie a na akom stave sa miestnosť ustáli.

1. Vonkajší vzduch: −18 °C

Prvý uzol je Bod vzduchu s teplotou −18 °C a relatívnou vlhkosťou 99 %. Vysoká relatívna vlhkosť pri takto nízkej teplote zarazí len na prvý pohľad: mrazivý vzduch je prakticky nasýtený, ale jeho merná vlhkosť je iba x = 0,76 g/kg, teda zhruba sedmina toho, čo nesie vzduch v miestnosti. Rozdiel medzi 90 % a 99 % je za mrazu pre bilanciu nepodstatný, tlak nasýtených pár je jednoducho mizivý.

Entalpia tohto stavu je −16,2 kJ/kg, hustota 1,383 kg/m³. Objemovému prietoku 1 500 m³/h zodpovedá 2 073 kg/h suchého vzduchu — a to je veličina, ktorá zostáva v celom reťazci konštantná. Objemový prietok naopak s každým ohrevom rastie; na konci reťazca je to už 1 755 m³/h, teda o 17 % viac ako na nasávaní. Pre dimenzovanie ventilátora a potrubia je rozhodujúce, v ktorom mieste jednotky sa objem udáva.

2. ZZT: doskový výmenník s účinnosťou 75 %

Doskový výmenník je suchý — vlhkosť medzi prúdmi neprenáša, takže privádzaný vzduch sa mení pri konštantnom x:

• prívod: −18 °C → 10,5 °C pri x = 0,76 g/kg, relatívna vlhkosť klesá na 9,7 %
• výkon ZZT: 16,53 kW
• odvod: 20 °C → −4,6 °C, vzduch pretne rosný bod (6,1 °C) a vypadne z neho 5,82 kg/h kondenzátu
• stredná povrchová teplota na strane odvodu: −8,5 °C

Posledné dva riadky patria k sebe a sú jadrom tejto ukážky: kondenzát na povrchu pod bodom mrazu znamená námrazu. Aplikácia preto pri tomto uzle zobrazuje varovanie pred namŕzaním vrátane povrchovej teploty. Model tým hovorí, že jednotka v návrhovom stave nemôže bežať bez protimrazovej ochrany — obtoku (bypassu), predohrievača alebo regulácie otáčok. Skúste účinnosť znížiť na 60 %: povrchová teplota vystúpi na −2,8 °C, riziko zostáva, len sa zmenší. Práve tento kompromis medzi účinnosťou a namŕzaním je v zimnej prevádzke rozhodujúci.

3. Ohrev na 22 °C

Ohrievač zvyšuje teplotu z 10,5 °C na požadovaných 22 °C pri konštantnej vlhkosti, s výkonom 6,67 kW.

Zaujímavejšie je porovnanie: ohriať 1 500 m³/h z −18 °C na 22 °C bez rekuperácie by stálo 23,2 kW. Doskové ZZT z toho pokrýva 16,53 kW, teda 71 %, a na vodný ohrievač zostáva necelá tretina. To je hlavný argument pre rekuperáciu, prevedený na konkrétne čísla jedného návrhového stavu.

Vzduch za ohrievačom má však relatívnu vlhkosť len 4,7 %. Ohrev vlhkosť nepridáva, len zväčší tlak nasýtených pár — a preto zima v budovách bez vlhčenia znamená suchý vzduch, nie kvôli kúreniu ako takému, ale kvôli tomu, ako málo vody nesie vonkajší vzduch.

4. Parné vlhčenie na x = 5,83 g/kg

Vlhčenie sýtou parou s teplotou 150 °C dopĺňa vlhkosť na cieľových 5,83 g/kg. Cieľová hodnota nie je náhodná: je to presne merná vlhkosť návrhového stavu miestnosti 20 °C / 40 %.

• spotreba pary: 10,5 kg/h, tepelný ekvivalent 8,01 kW
• teplota stúpne len z 22 °C na 23,0 °C, výsledný stav je 23,0 °C / 33,3 % RH
• entalpia rastie z 24,1 na 38,0 kJ/kg

Parné vlhčenie sa preto označuje ako prakticky izotermické: entalpia vzduchu vzrastie o 13,9 kJ/kg, ale takmer celý prírastok je latentné teplo viazané vo vodnej pare (entalpia sýtej pary je 2 746 kJ/kg). Citeľne sa vzduch ohreje o púhy 1 K. V diagrame proces takmer kopíruje izotermu.

Prepnite typ vlhčenia na vodu (adiabatické) a rozdiel uvidíte okamžite: proces sa stočí pozdĺž čiary konštantnej entalpie, rovnaké množstvo vody ochladí vzduch z 22 °C na 9,6 °C pri 78 % RH — a ohrievač pred vlhčením by musel pritápať o to viac.

5. Tepelná strata miestnosti 1,88 kW

Posledný uzol uplatňuje tepelnú stratu miestnosti. Privádzaný vzduch ju kryje citeľným teplom, takže sa pri konštantnej vlhkosti ochladí z 23,0 °C na 19,8 °C, čím relatívna vlhkosť stúpne na 40,5 %.

A tu sa reťazec uzatvára do kruhu. Stav miestnosti 19,8 °C / 40,5 % zodpovedá predpokladu 20 °C / 40 %, s ktorým sme na začiatku počítali odvodný vzduch pre ZZT. Model je teda sám v sebe konzistentný — keby koniec reťazca vyšiel inde, bol by to signál buď prepočítať ZZT so skutočným stavom odvodu, alebo naviazať vstup na bod a nechať odvodnú stranu výmenníka preberať stav z miestnosti automaticky.

Bilancia návrhového stavu

• spätne získané teplo (ZZT): 16,53 kW — 71 % celkovej potreby ohrevu
• ohrievač: 6,67 kW
• parné vlhčenie: 8,01 kW pri 10,5 kg/h pary
• kryté tepelné straty miestnosti: 1,88 kW
• kondenzát na odvodnej strane ZZT: 5,82 kg/h

Čo si v modeli vyskúšať

• Zmeniť účinnosť ZZT na 60 % alebo 85 % a sledovať, ako sa výkon presúva medzi rekuperáciou a ohrievačom — a čo to urobí s povrchovou teplotou a rizikom namŕzania.
• Prepnúť vlhčenie na adiabatické a porovnať smer procesu aj nároky na predchádzajúci ohrev.
• Nastaviť inú vonkajšiu teplotu podľa lokality — klimatické dáta v aplikácii ponúknu návrhové hodnoty pre konkrétne miesto namiesto paušálnych −18 °C.
• Pridať vlhkostnú záťaž miestnosti (ľudia, technológie): stav miestnosti sa posunie k vyššej mernej vlhkosti, cieľová vlhkosť za vlhčením môže klesnúť, prípadne vlhčenie odpadne úplne.