system wentylacyjny i klimatyzacyjny

3 marzec 2020

Wpływ wyboru statystycznych danych klimatycznych na zapotrzebowanie energii do uzdatniania powietrza klimatyzującego

obliczenia energetyczne, system wentylacyjny i klimatyzacyjny, typowy rok meteorologiczny

Wstęp

Współczesne tendencje do stosowania coraz bardziej energooszczędnych rozwiązań w technice HVAC wymuszają na projektantach systemów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych przeprowadzenie analizy pracy projektowanych urządzeń pod kątem zużycia energii w cyklu całorocznym. Wyniki takiej analizy powinny decydować o wyborze konkretnego rozwiązania do przyszłej realizacji.

Analizę całorocznej pracy systemów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych przeprowadza się zwykle w oparciu o dostępne dane klimatyczne, charakterystyczne dla danej strefy klimatycznej, regionu czy miejscowości, zlokalizowanej na terenie kraju (por. np. [11, 12]). Dane te opracowywane są metodami statystycznymi na podstawie wieloletnich pomiarów, m. in. parametrów termodynamicznych powietrza zewnętrznego, prędkości wiatru, promieniowania słonecznego, zachmurzenia, czy opadów atmosferycznych. W technice wentylacyjnej i klimatyzacyjnej najważniejszymi parametrami, mającymi bezpośredni lub pośredni wpływ na energochłonność urządzeń, są: temperatura, wilgotność względna (lub zawartość wilgoci) i entalpia powietrza zewnętrznego, natężenie promieniowania słonecznego oraz ciśnienie atmosferyczne i prędkość wiatru.

Rys. 1.
A – Anomalie średniej rocznej temperatury powietrza na świecie [1] i B – w Polsce [3]
Fig. 1.
A – Global [1] and B – in Poland [3] annual average temperature anomalies

Obecnie powszechnie dostępne są dane do obliczeń energetycznych budynków w postaci tzw. typowych lat meteorologicznych (dostępne na portalu internetowym Ministerstwa Inwestycji i Rozwoju www.gov.pl [19]). Wykorzystuje się je m. in. do obliczeń charakterystyk energetycznych, sporządzania świadectw energetycznych oraz do symulacji pracy systemów HVAC w cyklu całorocznym lub sezonowym.

Typowe lata meteorologiczne zostały opracowane na podstawie normy europejskiej EN ISO 15927:4 dla 61 stacji meteorologicznych zlokalizowanych w różnych rejonach Polski [14, 15]. Roczny ciąg branych pod uwagę danych pogodowych utworzony został z 12 miesięcy wybranych z okresu minimum 10 lat obserwacji meteorologicznych dla danej lokalizacji. Typowe lata meteorologiczne, dostępne na portalu www.gov.pl zostały dla wszystkich analizowanych w tym artykule lokalizacji (dziesięciu miast) opracowane na podstawie danych źródłowych z okresu pełnego trzydziestolecia, tzn. z lat 1971-2000 [19].

Do oceny warunków klimatycznych stosuje się w klimatologii różne metody klasyfikacyjne w zakresie warunków termicznych [17]. Z uwagi na obserwowane zmiany klimatyczne, w szczególności zaś tendencję wzrostową temperatury powietrza zewnętrznego, zarówno w aspekcie globalnym [1,2] (por. rys. 1A), jak i krajowym [3,4,16] (por. rys. 1B), zachodzi pytanie, czy dane klimatyczne opracowane na podstawie pomiarów sprzed 20 i więcej lat są w dalszym ciągu reprezentatywne w obliczeniach zapotrzebowania energii w systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Obecnie dostępne są również dane klimatyczne, opracowane na podstawie pomiarów z okresów bardziej współczesnych [21,22,23]. Do skorzystania z niektórych baz danych wymagany jest jednak zakup licencji do odpowiedniego oprogramowania. Jednym z nich jest globalna baza danych Meteonorm, dostępna na stronie internetowej https://meteonorm. com [20]. Do opracowania artykułu posłużono się danymi oferowanymi przez program Meteonorm 7.2 (obecnie do dyspozycji jest już program w wersji 7.3), które w odniesieniu do obszaru Polski zostały uśrednione z okresów dziesięcioletnich: dla promieniowania słonecznego: 1991 – 2010 oraz 1981 – 1990, a dla temperatury zazwyczaj: 2000 – 2009.

Na potrzeby niniejszego artykułu przyjęto następujące skróty oznaczające dane w postaci typowych lat meteorologicznych, uzyskane z dwóch różnych źródeł:

TRM1 – opracowanego na podstawie statystyk zamieszczonych na portalu www.gov.pl [19],
TRM2 – opracowane na podstawie statystyk uzyskanych z licencjonowanego programu Meteonorm 7.2 [20].

Porównanie danych klimatycznych TRM1 i TRM2

Do oceny wpływu uzyskanych z dwóch różnych źródeł danych klimatycznych na zapotrzebowanie energii do uzdatniania powietrza klimatyzującego wybrano dziesięć, różniących się miejscowym klimatem, lokalizacji na terenie Polski. Są to: Białystok, Koszalin, Kraków, Poznań, Lublin, Rzeszów, Suwałki, Szczecin, Warszawa i Wrocław.

W tabeli 1. ujęto charakterystyczne temperatury powietrza zewnętrznego w skali roku (wartości minimalne, średnie i maksymalne) uzyskane z dwóch źródeł (TRM1 i TRM2) dla wybranych lokalizacji na terenie kraju. We wszystkich rozpatrywanych lokalizacjach wartości średnich w całym roku temperatur zewnętrznych dla TRM2 są wyższe od wartości dla TRM1 (od 0,3 K w Szczecinie, aż do 1,4 K we Wrocławiu). Minimalne wartości temperatur zewnętrznych są znacznie bardziej zróżnicowane. Największa różnica w wartościach (6,3 K) występuje w Suwałkach, gdzie dla TRM1 minimalna temperatura zewnętrzna wynosi – 26,2°C, a dla TRM2 jedynie – 19,9°C. Należy zwrócić uwagę, że w Warszawie (reprezentującej środkowo-wschodnią Polskę) TRM1 podaje najniższą wartość temperatury powietrza zewnętrznego równą – 12,3°C, co biorąc pod uwagę lokalizację w III strefie klimatycznej, dla której temperatura obliczeniowa okresu zimnego wynosi – 20°C [26], jest wartością mało realną. TRM2 podaje bardziej prawdopodobną wartość – 16,4°C. We wszystkich branych pod uwagę lokalizacjach (poza Suwałkami) wartości maksymalnych temperatur zewnętrznych są dla TRM2 wyższe od wartości dla TRM1 (od 0,1 K w Warszawie do 3,2 dla Koszalina).

W tabeli 2 podano wartości drugiego ważnego parametru fizycznego powietrza zewnętrznego, mającego wpływ na moce i zapotrzebowanie energii do oziębiania i nawilżania powietrza, tj. zawartości wilgoci. Średnie wartości tego parametru dla całego roku są dla TRM2 większe niż dla TRM1 od 0,03 g/kg w Suwałkach do 0,29 g/kg w Rzeszowie (oprócz Lublina, gdzie wartość tego parametru jest mniejsza dla TRM2 o 0,07 g/kg). Dla większości analizowanych lokalizacji minimalne zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym wykazują mniejsze wartości dla TRM1 (poza Rzeszowem, Szczecinem i w niewielkim stopniu Warszawą). Natomiast maksymalne wartości tego parametru są dla prawie wszystkich miejscowości (poza Szczecinem i Warszawą) większe dla TRM2 (np. w Krakowie o 2,8 g/kg, a we Wrocławiu aż o 3,1 g/kg). Należy jednak zaznaczyć, że zawartość wilgoci powietrza zewnętrznego nie była ujęta w statystykach TRM2 i została obliczona przez autora na podstawie pozostałych parametrów powietrza w oparciu o znane zależności matematyczne służące do wyznaczania parametrów termodynamicznych powietrza wilgotnego [5].

Istotną wielkością wpływającą na energochłonność systemów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych jest promieniowanie słoneczne, gdyż zazwyczaj w dużym stopniu przyczynia się do wzrostu zapotrzebowania energii do oziębiania powietrza (z uwagi na wpływ na bilans ciepła w pomieszczeniu). Parametrem charakterystycznym jest nasłonecznienie, będące sumą energii promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni poziomej w skali roku lub sezonu. W tabeli 3. podano te wartości odniesione do roku oraz półrocza ciepłego i zimnego. We wszystkich analizowanych lokalizacjach roczne nasłonecznienie dla TRM2 jest większe aniżeli dla TRM1. W niektórych miastach różnice są bardzo duże, bo przekraczające 20% wartości podanej dla TRM1 (Koszalin) lub do niej dochodzące (Suwałki). W okresie półrocza ciepłego (kwiecień – wrzesień) różnice te są jeszcze większe – w Rzeszowie, Suwałkach i Szczecinie wyraźnie przekraczają 20%, a w Koszalinie dochodzą prawie do 30%. W okresie zimnym różnice te są znacznie mniejsze, poza Rzeszowem, dla którego różnica względem TRM1 wynosi aż 40%, ale już w ciągu całego roku spada do wartości mniejszej poniżej 1%.

Dobór nagrzewnicy powietrza określa sią w oparciu o jej moc, która jest uzależniona od maksymalnej (w warunkach obliczeniowych) różnicy temperatur między powietrzem nawiewanym a powietrzem za wymiennikiem do odzysku ciepła lub powietrzem po zmieszaniu w komorze mieszania, a co za tym idzie, pośrednio, od obliczeniowej temperatury powietrza zewnętrznego. Wartość tej temperatury jest przyjmowana dla danej strefy klimatycznej, zazwyczaj na podstawie starej normy PN-82/B-02403 [26, 27]. A zatem chwilowe wartości temperatur zewnętrznych nie mają większego wpływu na moc obliczeniową nagrzewnicy, gdyż prawie we wszystkich lokalizacjach temperatury te są niższe od temperatury obliczeniowej (wyjątek stanowią dwa miasta: Suwałki z temperaturą obliczeniową okresu zimnego – 24°C i Kraków z temperaturą – 20°C). Natomiast na roczne zapotrzebowanie energii do ogrzewania powietrza klimatyzującego wpływ ma częstość występowania danej temperatury w ciągu roku. W tabeli 4 podano czasy występowania niskich temperatur powietrza zewnętrznego poniżej pewnych wartości progowych (między – 20°C a +4°C). Różnice w wartościach dla TRM1 i TRM2 są wyraźnie, przy czym na ogół czas występowania niskich temperatur zewnętrznych w ciągu roku jest większy dla TRM1. Wyjątek stanowią tu Szczecin i Warszawa, w których temperatury poniżej ±0°C występują częściej dla TRM2.

Moc nawilżacza parowego (wytwornicy pary) określana jest na podstawie największego przyrostu zawartości wilgoci w powietrzu przepływającym przez nawilżacz, co najczęściej zachodzi przy najmniejszej zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym. Całoroczne zapotrzebowanie energii do nawilżania jest uzależnione ponadto od częstości występowania parametrów powietrza zewnętrznego charakteryzujących się niewielkimi zawartościami wilgoci (mniejszymi od minimalnej zawartości wilgoci w powietrzu nawiewanym). W tabeli 5 podano czasy występowania tego parametru dla powietrza zewnętrznego poniżej założonych wartości progowych (z zakresu od 1 do 6 g/kg p.s.). W większości przypadków najniższe zawartości wilgoci (poniżej 4 g/kg s.p.) występują częściej w TRM1 aniżeli TRM2. Należy zwrócić także uwagę na czas występowania wartości poniżej 6 g/kg s.p., który praktycznie we wszystkich analizowanych miejscowościach wynosi przynajmniej 50%, a wg TRM2 dla wartości progowej 5 g/kg s.p. w Białymstoku przekracza 50% czasu w ciągu całego roku.

Moc oraz zapotrzebowanie energii dla chłodnicy są uzależnione nie tylko od parametrów temperaturowych, ale także od wilgotnościowych powietrza. Oznacza to, że decydująca jest w tym wypadku różnica entalpii między powietrzem za wymiennikiem do odzysku energii lub powietrzem po zmieszaniu w komorze mieszania a powietrzem nawiewanym do pomieszczenia. W konsekwencji, decydujący wpływ zarówno na moc, jak i na zapotrzebowanie energii dla chłodnicy, ma entalpia powietrza zewnętrznego. W tabeli 6 podano czas występowania temperatur powietrza zewnętrznego powyżej wartości progowych z przedziału od +20°C do +32°C, a w tabeli 7 czas występowania entalpii powietrza zewnętrznego powyżej wartości progowych z przedziału od 40 do 70 kJ/kg.

Analizując tabelę 6 można stwierdzić, że częstość występowania temperatur powietrza zewnętrznego powyżej wartości +20°C jest wyższa dla TRM2. Wyjątek stanowią Suwałki, i to jedynie dla temperatur zewnętrznych powyżej +28°C, dla których czas ich występowania jest o 15 godzin w skali roku dłuższy niż dla TRM1. Należy zwrócić także uwagę na bardzo dużą rozbieżność w czasie występowania najwyższych temperatur powietrza zewnętrznego dla analizowanych źródeł danych (TRM1 i TRM2). Największa rozbieżność występuje w Koszalinie, gdzie temperatury powyżej +20°C występują aż o 118%, w Szczecinie o ponad 87% i we Wrocławiu o ponad 75% częściej dla TRM2 aniżeli dla TRM1.

Istotne różnice w częstościach występowania można zaobserwować także w odniesieniu do entalpii powietrza zewnętrznego (tabela 7). Praktycznie w każdym przypadku (poza Suwałkami dla wartości progowej 70kJ/kg) wartości entalpii powietrza zewnętrznego powyżej 40kJ/kg pojawiają się częściej dla TRM2 niż dla TRM1. Różnice względne pogłębiają się wraz ze wzrostem wartości progowej entalpii. Na przykład w Krakowie entalpia powietrza zewnętrznego o wartości przekraczającej 65 kJ/kg występuje ponad szesnastokrotnie, a w Rzeszowie prawie dwunastokrotnie częściej dla TRM2. W Koszalinie i we Wrocławiu podobnie duże różnice pojawiają się już przy mniejszych wartościach progowych entalpii.

Częstość występowania parametrów powietrza zewnętrznego ma istotny wpływ na zapotrzebowanie energii do uzdatniania powietrza klimatyzującego. Na przykładowych rysunkach 2 – 5 pokazano dla kilku wybranych miast graficzne rozkłady tych parametrów na wykresach h-x Moliera. Na rysunkach tych można zauważyć, że dane źródłowe dla TRM2 charakteryzują się wyraźnie większym zakresem występowania parametrów powietrza zewnętrznego. Szczególnie widoczne jest przesunięcie tych parametrów do obszaru większych zawartości wilgoci i entalpii, a także, chociaż w mniejszym stopniu, do obszaru wyższych temperatur. W przypadku korzystania w obliczeniach z danych źródłowych dla TRM2 powinno to skutkować przede wszystkim zwiększonym zapotrzebowaniem energii do oziębiania powietrza, a także większymi chwilowymi mocami chłodnic. W przypadku zapotrzebowania energii do ogrzewania, należy się spodziewać nieco mniejszych wartości uzyskanych z danych dla TRM2 z uwagi na krótszy czas występowania niskich temperatur zewnętrznych. Trudniej przewidzieć wartości zapotrzebowania energii do nawilżania powietrza, gdyż czas występowania najniższych wartości zawartości wilgoci nie różni się w tak dużym stopniu dla TRM1 i TRM2 jak w przypadku czasu występowania temperatur zewnętrznych.

W dalszej części artykułu postanowiono zweryfikować powyższe przypuszczenia wykonując obliczenia zapotrzebowania energii do uzdatniania powietrza w konwencjonalnym systemie klimatyzacyjnym.

Tab. 1.
Temperatury powietrza zewnętrznego w analizowanych miastach [19, 20].
Table 1.
Outside air temperatures in the analyzed cities [19, 20]

Tab. 2
. Zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym w analizowanych miastach [19, 20]
Table 2
. Humidity ratio of outside air in the analyzed cities [19, 20]

Tab. 3.
Nasłonecznienie w analizowanych miastach [19, 20]
Table 3.
Insolation in the analyzed cities [19, 20]

Tab. 4.
Czas występowania temperatury powietrza zewnętrznego poniżej wartości progowej [19, 20]
Table 4.
The time the outside air temperature falls below the threshold value [19, 20]

Tab. 5.
Czas występowania zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym poniżej wartości progowej [19, 20]
Table 5.
The time the humidity ratio of outside air falls below the threshold value [19, 20]

Tab. 6.
Czas występowania temperatury powietrza zewnętrznego powyżej wartości progowej [19, 20]
Table 6.
The time the outside air temperature is above the threshold value [19, 20]

Tab. 7. Czas występowania entalpii właściwej powietrza zewnętrznego powyżej wartości progowej [19, 20]
Table 7.
The time the enthalpy of outside air is above the threshold value [19, 20]

Rys. 2.
Parametry powietrza zewnętrznego w Koszalinie na wykresie h-x Moliera, na podstawie [19, 20]
Fig. 2.
Outside air parameters in Koszalin on the h-x Molier chart, based on [19, 20]

Rys. 3.
Parametry powietrza zewnętrznego w Krakowie na wykresie h-x Moliera, na podstawie [19, 20]
Fig. 3.
Outside air parameters in Kraków on the h-x Molier chart, based on [19, 20]

Rys. 4.
Parametry powietrza zewnętrznego w Suwałkach na wykresie h-x Moliera, na podstawie [19, 20]
Fig. 4.
Outside air parameters in Suwałki on the h-x Molier chart, based on [19, 20]

Rys. 5.
Parametry powietrza zewnętrznego we Wrocławiu na wykresie h-x Moliera, na podstawie [19, 20]
Fig. 5.
Outside air parameters in Wroclaw on the h-x Molier chart, based on [19, 20]

Metodyka obliczeń

–– Na potrzeby niniejszego artykułu wykonano obliczenia zapotrzebowania energii do ogrzewania, oziębiania i nawilżania parowego powietrza klimatyzującego w konwencjonalnym systemie klimatyzacyjnym, w którym po stronie powietrza nawiewanego zastosowano następujące elementy umożliwiające przemiany stanu powietrza: wymiennik do odzysku energii jawnej z powietrza wywiewanego, nagrzewnicę wodną, chłodnicę wodną i nawilżacz parowy. Obliczenia wykonano dla każdej godziny pracy urządzenia klimatyzacyjnego (por. [18]). Analizą objęto dwa przypadki: pracę całodobową oraz pracę dwunastogodzinną (od godz. 7.00 do godz. 18.00) przez siedem dni w tygodniu. W oparciu o parametry fizyczne powietrza zewnętrznego, uzyskane z dwóch źródeł (TRM1 i TRM2), wykorzystując znane zależności umożliwiające określenie parametrów powietrza wilgotnego [5] i uwzględniając założenia podane poniżej, obliczano parametry termodynamiczne powietrza za wymiennikiem do odzysku energii, za nagrzewnicą, za chłodnicą i za nawilżaczem parowym. Uwzględniono przy tym następujące tryby pracy urządzenia klimatyzacyjnego:praca w trybie ogrzewania powietrza z wykorzystaniem maksymalnej sprawności odzysku energii (gdy temperatura powietrza nawiewanego jest większa od temperatury powietrza zewnętrznego oraz temperatura powietrza nawiewanego jest nie mniejsza niż temperatura powietrza za wymiennikiem do odzysku energii),

–– praca w trybie ogrzewania powietrza z wykorzystaniem zmiennej sprawności odzysku energii (gdy temperatura powietrza nawiewanego jest większa od temperatury powietrza zewnętrznego oraz temperatura powietrza nawiewanego jest mniejsza od temperatury powietrza za wymiennikiem do odzysku energii, obliczonej przy maksymalnej sprawności),

–– praca w trybie nawilżania powietrza (gdy zawartość wilgoci w powietrzu zewnętrznym jest mniejsza od minimalnej zawartości wilgoci w powietrzu wewnętrznym, pomniejszonej o założony przyrost zawartości wilgoci w pomieszczeniu),

–– praca w trybie ochładzania powietrza, umożliwiająca jedynie obniżanie temperatury powietrza (gdy temperatura powietrza nawiewanego jest mniejsza od temperatury zewnętrznej i temperatura punktu rosy powietrza zewnętrznego jest mniejsza lub równa założonej temperaturze ścianki chłodnicy),

–– praca w trybie ochładzania i osuszania powietrza, umożliwiająca obniżanie temperatury i zawartości wilgoci (gdy temperatura powietrza nawiewanego jest mniejsza od temperatury zewnętrznej i temperatura punktu rosy powietrza zewnętrznego jest większa od założonej temperatury ścianki chłodnicy).

Obliczenia te wykonano ponadto przy następujących założeniach:

–– strumień masy powietrza klimatyzującego jest stały przez cały czas pracy urządzenia; dla wszystkich rozwiązań przyjęto ṁ = 1 kg/s,

–– temperatura powietrza w pomieszczeniu tp jest stała (tp=20°C), jeżeli temperatura zewnętrzna tz≤20°C oraz jest zmienna (tp=(20+tz)/2), jeżeli tz>20°C,

–– temperatura powietrza wywiewanego jest równa temperaturze powietrza w pomieszczeniu,

–– w pomieszczeniu, w wyniku zysków wilgoci, następuje stały przyrost zawartości wilgoci w powietrzu, wynoszący 0,5 g/kg s.p.,

–– minimalna wartość wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu wynosi 35%,

–– nie jest ograniczana maksymalna wartość wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu, każdorazowo jest wypadkową parametrów powietrza zewnętrznego oraz procesu odzysku energii i oziębiania powietrza do wymaganej temperatury powietrza nawiewanego

–– średnia temperatura ścianki chłodnicy jest stała i wynosi +10°C,

–– sprawność temperaturowa odzysku ciepła jest zmienna, w zależności od aktualnych potrzeb; maksymalna wartość sprawności wynosi η = 73% [24],

–– nie uwzględniono zmniejszenia sprawności temperaturowej odzysku ciepła w wyniku oszronienia wymiennika w okresie zimnym,

–– nie uwzględniono przyrostu temperatury powietrza przepływającego przez sekcję wentylatorów,

–– proces nawilżania parowego jest izotermiczny,

–– proces odzysku energii z powietrza wywiewanego po stronie powietrza nawiewanego zachodzi bez zmiany zawartości wilgoci (Δx=0; odzysk energii jawnej).

Ponadto obliczenia przeprowadzono przy założeniu, że wartość temperatury powietrza nawiewanego jest regulowana tylko w funkcji temperatury powietrza w pomieszczeniu. Uwzględniając dwa różne scenariusze zmian temperatury powietrza nawiewanego i różne czasy pracy urządzenia klimatyzacyjnego, przeanalizowano cztery przypadki:

–– wariant 1A – czas pracy 24h/dobę, Δtoz=-2 K, Δtoc=+6 K,

–– wariant 1B – czas pracy 12h/dobę, Δtoz=-2 K, Δtoc=+6 K,

–– wariant 2A – czas pracy 24h/dobę, Δtoz=4 K, Δtoc=+8 K,

–– wariant 2B – czas pracy 12h/dobę, Δtoz=4 K, Δtoc=+8 K. Wartości Δt określono z zależności:

–– Δtoz=tpoz-tzoz (tpoz – temperatura powietrza w pomieszczeniu w warunkach obliczeniowych okresu zimnego (=20°C), tzoz – temperatura obliczeniowa powietrza zewnętrznego w okresie zimnym; przyjęto wartości zgodnie z [26] w zależności od strefy klimatycznej),

–– Δtoc=tpoc-tzoc (tpoc – temperatura powietrza w pomieszczeniu w warunkach obliczeniowych okresu ciepłego (=(20+tzoc)/2), tzoc – temperatura obliczeniowa powietrza zewnętrznego w okresie ciepłym; przyjęto wartości zgodnie z [25] w zależności od strefy klimatycznej).

Zapotrzebowanie na energię w nagrzewnicy powietrza EN określono na podstawie wzoru:

gdzie:

i – kolejna godzina pracy nagrzewnicy,

τ – czas pracy nagrzewnicy w kolejnej godzinie, h,

QNi = m˙ · (tn –tzw)i – moc nagrzewnicy w kolejnej godzinie pracy (jeżeli tn >tzw), kW

tn – temperatura powietrza nawiewanego, °C,

tzw – temperatura powietrza za wymiennikiem do odzysku energii, °C.

Zapotrzebowanie na energię w chłodnicy powietrza ECH określono na podstawie wzoru:

gdzie:

i – kolejna godzina pracy chłodnicy,

τ – czas pracy chłodnicy w kolejnej godzinie, h,

QCHi = m˙ · (hzw – h n)i – moc chłodnicy w kolejnej godzinie pracy (jeżeli tn <tzw), kW

hzw – entalpia właściwa powietrza za wymiennikiem do odzysku energii, kJ/kg,

hn – entalpia właściwa powietrza nawiewanego, kJ/kg.

Zapotrzebowanie na energię w nawilżaczu parowym ENP określono na podstawie wzoru:

gdzie:

i – kolejna godzina pracy nawilżacza parowego,

τ – czas pracy nawilżacza parowego w kolejnej godzinie, h,

QWPi = m˙ NPi·r – moc wytwornicy pary w kolejnej godzinie pracy, kW,

m˙ NPi= m˙ ·(xn-xzw)i – wydajność nawilżacza parowego w kolejnej godzinie pracy (jeżeli xnmin >xzw), kg/s,

r – ciepło parowania wody, r=2500 kJ/kg,

xn – zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym, kg/kg s.p.,

xnmin – zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym przy minimalnej zawartości wilgoci w powietrzu wewnętrznym, kg/kg s.p.,

xzw – zawartość wilgoci w powietrzu za wymiennikiem do odzysku ciepła, kg/kg s.p

Zapotrzebowanie energii do uzdatniania powietrza – wyniki obliczeń

Wyniki obliczeń przedstawiono w tabelach 8-11, w których podano wartości uzyskane z obliczeń opartych na dwóch źródłach danych (TRM1 i TRM2) dla każdego analizowanego przypadku oraz na wykresach (rys. 6-9), na których ujęto względne różnice w zapotrzebowaniu energii w odniesieniu do wartości uzyskanych na podstawie danych z TRM1.

W wariancie 1A największe zapotrzebowanie na energię do ogrzewania powietrza (por. tab. 8) można zaobserwować w północno-wschodniej (Suwałki, Białystok) oraz południowo-wschodniej (Rzeszów, Lublin) części Polski, najmniejsze zaś dla części północno-zachodniej (Szczecin, Koszalin). Stosunkowo niewielkim zapotrzebowaniem na energię do ogrzewania charakteryzuje się również Warszawa, w szczególności porównując wyniki uzyskane z TRM1, co jest spowodowane relatywnie krótkim czasem występowania niskich temperatur powietrza zewnętrznego (poniżej ±0°C) – por. tab. 4.

Różnice w wynikach uzyskane dla poszczególnych lokalizacji na podstawie TRM1 i TRM2 są dla całodobowej pracy urządzenia klimatyzacyjnego stosunkowo niewielkie (nie przekraczają 14% w stosunku do TRM1). Na ogół zapotrzebowanie energii do ogrzewania powietrza jest większe dla TRM1, poza Szczecinem, gdzie jest mniejsze o ok. 2% – por. rysunek 6. Różnice w zapotrzebowaniu energii do oziębiania powietrza są dla poszczególnych lokalizacji znacznie większe, przede wszystkim dla TRM1 (np. w Krakowie dla całodobowej pracy urządzenia zapotrzebowanie to jest ponad dwukrotnie większe niż w Koszalinie). W poszczególnych miejscowościach występują również bardzo duże różnice w zapotrzebowaniu na energię do oziębiania (porównując dane uzyskane z TRM1 i TRM2) – największe w Koszalinie (aż. ok. 110%) i we Wrocławiu (ok. 62%). Najmniejsza różnica występuje w Warszawie – niespełna 30% (por. rysunek 6).

Sumaryczne zapotrzebowanie na energię do nawilżania powietrza jest największe tam, gdzie czas występowania niskich zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym jest najdłuższy – w Suwałkach i Białymstoku (por też tab. 5). Najmniejsze wartości uzyskano w Szczecinie i w Koszalinie. Różnice między wartościami uzyskanymi z TRM1 i TRM2 są znaczące, aczkolwiek wyraźnie mniejsze niż w zapotrzebowaniu na energię do oziębiania. W niektórych lokalizacjach różnice te są praktycznie niezauważalne (w Szczecinie i w Warszawie oscylują wokół 1%), dla dwóch innych lokalizacji mogą jednak dochodzić do 20% (Poznań i Rzeszów) – por. rysunek 6.

Wariant 1B jest przypadkiem szczególnym wariantu 1A, w którym urządzenie klimatyzacyjne działa przez 12 godzin w ciągu doby. Z tej przyczyny całoroczne zapotrzebowanie energii do uzdatniania powietrza jest dla tego wariantu, w porównaniu z wariantem 1A, mniejsze. Z uwagi na pracę urządzenia klimatyzacyjnego w wariancie 1B przez połowę czasu w stosunku do wariantu 1A, ale w godzinach dziennych, występują ponad dwukrotne różnice w zapotrzebowaniu energii do ogrzewania i nawilżania oraz dochodzące do niespełna 40% różnice w zapotrzebowaniu energii do oziębiania (por. tab. 9 i rys. 7).

Rozkład względnych różnic w zapotrzebowaniu energii obliczanych na podstawie danych klimatycznych z TRM1 i TRM2 dla wariantu 1B jest podobny jak dla wariantu 1A, z tym że różnice te są nieznacznie większe w odniesieniu do zapotrzebowaniu energii do ogrzewania (maksymalnie wynoszą ok. 15% w Poznaniu, Rzeszowie i w Suwałkach) i w odniesieniu do nawilżania powietrza (maksymalnie do 21,5% w Rzeszowie). Jednocześnie mniejsze są względne różnice w zapotrzebowaniu energii do oziębiania, chociaż w dalszym ciągu dla większości lokalizacji są bardzo duże (w Koszalinie osiągają wartość 87%, a we Wrocławiu 48%) – por. rysunek 7. powietrza nawiewanego od temperatury powietrza w pomieszczeniu.

W wariancie 2 temperatura powietrza nawiewanego jest przez okres całego roku niższa od temperatury powietrza w pomieszczeniu i jednocześnie niższa od przyjętej w wariancie 1 temperatury powietrza nawiewanego. W związku z tym zapotrzebowanie energii do ogrzewania jest w tym wariancie mniejsze, a zapotrzebowanie energii do oziębiania większe aniżeli w wariancie 1.

Stosunkowo niewielkie zapotrzebowanie energii do ogrzewania powietrza w wariancie 2 wynika w głównej mierze z relatywnie niskiej temperatury powietrza nawiewanego w okresie zimnym oraz z uwagi na wysoką efektywność odzysku ciepła (w obliczeniach nie uwzględniano obniżenia sprawności odzysku energii spowodowanego szronieniem wymiennika, dlatego w rzeczywistości należy się spodziewać większego zapotrzebowania energii do ogrzewania). Z tego też powodu względne różnice w zapotrzebowaniu energii na te cele, obliczane z danych dla TRM1 i TRM2, są znacznie większe (w Warszawie dla całodobowej pracy urządzenia różnice te dochodzą do 64%, a dla dwunastogodzinnej pracy w ciągu doby przekraczają 65% zarówno w Warszawie jak i w Szczecinie) – por. rysunek 8 i 9. W wartościach bezwzględnych różnice te są jednak mniejsze, poza przypadkiem Warszawy i Szczecina, w których zapotrzebowanie energii do ogrzewania jest wyraźnie większe dla TRM2 (por. tab. 10 i 11).

Podobnie jak w wariancie 1, również w wariancie 2, większe zapotrzebowanie energii do oziębiania uzyskano z danych dla TRM2. Względne różnice nie są już tak duże jak w wariancie 1, ale wciąż znaczące (np. w Koszalinie przy całodobowej pracy urządzenia wynoszą ok. 68%, zaś przy dwunastogodzinnej pracy w ciągu doby ok. 47%) – rys. 8 i 9. Największe wartości bezwzględne otrzymano, podobnie jak poprzednio, dla Rzeszowa, Krakowa i Wrocławia (por. tab. 10 i 11).

Zapotrzebowanie energii do nawilżania powietrza jest uzależnione od przyrostu zawartości wilgoci powietrza przepływającego przez nawilżacz. Dla przyjętych danych klimatycznych na wartość tego zapotrzebowania wpływ ma jedynie założona minimalna wartość wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu, która została przyjęta na poziomie 35%. Ponieważ w obu wariantach (1 i 2) proces nawilżania parowego odbywa się do osiągnięcia tej samej minimalnej wartości wilgotności względnej w pomieszczeniu, zapotrzebowanie energii do nawilżania (dla wariantów 1A i 2A oraz dla 1B i 2B) jest na tym samym poziomie

Rys. 6
. Względne różnice w zapotrzebowaniu energii (odniesione do wartości dla TRM1) dla rozwiązania 1A
Fig. 6.
The relative differences in energy demand (relative to TRM1 value) in case 1A

Rys. 7.
Względne różnice w zapotrzebowaniu energii (odniesione do wartości dla TRM1) dla rozwiązania 1B
Fig. 7.
The relative differences in energy demand (relative to TRM1 value) in case 1B

Rys. 8.
Względne różnice w zapotrzebowaniu energii (odniesione do wartości dla TRM1) dla rozwiązania 2A
Fig. 8.
The relative differences in energy demand (relative to TRM1 value) in case 2A

Rys. 9.
Względne różnice w zapotrzebowaniu energii (odniesione do wartości dla TRM1) dla rozwiązania 2B
Fig. 9.
The relative differences in energy demand (relative to TRM1 value) in case 2B

Tab. 8.
Całoroczne zapotrzebowanie energii dla rozwiązania 1A
Table 8.
Year-round energy demand in case 1A

Tab. 9.
Całoroczne zapotrzebowanie energii dla rozwiązania 1B
Table 9.
Year-round energy demand in case 1B

Tab. 10.
Całoroczne zapotrzebowanie energii dla rozwiązania 2A
Table 10.
Year-round energy demand in case 2A

Tab. 11.
Całoroczne zapotrzebowanie energii dla rozwiązania 2B
Table 11.
Year-round energy demand in case 2B

Wnioski

W ramach niniejszego artykułu zwrócono uwagę na wpływ, jaki ma wybór źródłowych danych klimatycznych na wyniki obliczeń zapotrzebowania energii do uzdatniania powietrza w klimatyzacji. Wykorzystano dane klimatyczne z dwóch źródeł, które zostały statystycznie opracowane na podstawie pomiarów wieloletnich i wykorzystywane m. in. na potrzeby obliczeń energetycznych w budownictwie.

Na podstawie przeprowadzonych analiz można sformułować szereg wniosków.

1. Analizowane w ramach artykułu dane klimatyczne różnią się między sobą w istotny sposób, co skutkuje znacznymi różnicami w wynikach obliczeń zapotrzebowania energii do uzdatniania powietrza klimatyzującego. Różnice te są ponadto w dużej mierze uzależnione od branej pod uwagę lokalizacji na terenie kraju (por. też [6,7]). Przyczyny tego stanu rzeczy można upatrywać w metodach wyznaczania i różnym czasookresie pomiarów, które były brane pod uwagę przy statystycznym opracowywaniu typowych lat meteorologicznych (okres trzydziestoletni dla TRM1 i dziesięcioletni dla TRM2). Poza tym opracowywano je także na podstawie pomiarów prowadzonych w różnym czasie (w przypadku parametrów powietrza zewnętrznego w latach 1971-2000 dla TRM1 i 2000-2009 dla TRM2). Nie bez znaczenia jest także obserwowane od dłuższego czasu ocieplenie klimatu, przejawiające się coraz częstszym występowaniem anomalii temperaturowych w skali poszczególnych miesięcy i lat [4], na co zwrócono uwagę na przykładzie Wrocławia w publikacji [13].

2. Wybór źródłowych danych meteorologicznych ma największy wpływ na obliczanie zapotrzebowania na energię do oziębiania powietrza, z uwagi na ścisłą zależność chwilowej mocy chłodnicy od dwóch parametrów powietrza zewnętrznego: temperatury i entalpii właściwej. Porównując uzyskane z dwóch niezależnych źródeł dane klimatyczne stwierdzono znaczące różnice w czasie występowania tych parametrów powietrza w każdej analizowanej lokalizacji na terenie kraju. Z uwagi na większe wartości tych parametrów oraz częstsze ich występowanie w okresie całego roku w danych źródłowych dla TRM2, zapotrzebowanie energii do oziębiania powietrza obliczane na podstawie tego źródła jest również znacząco większe aniżeli dla TRM1.

3. Względne różnice w zapotrzebowaniu na energię do oziębiania powietrza obliczanego na podstawie danych dla TRM1 i TRM2 pogłębiają się wraz ze wzrostem założonej temperatury powietrza nawiewanego. Wzrost tej temperatury wpływa bowiem na zmniejszenie wartości bezwzględnych uzyskanych z dwóch analizowanych źródeł.

4. Należy przypomnieć, że określanie zapotrzebowania energii na cele chłodnicze w oparciu o tzw. krzywą klimatyczną jest mało wiarygodne i należy taki sposób określania zapotrzebowania energii uznać za błędny lub co najmniej nieprecyzyjny. Różnice w uzyskanych wynikach obliczeń, opartych na takiej metodzie w stosunku do wyników uzyskanych z danych szczegółowych, są znaczące, co zostało przedstawione w artykułach [8, 9, 10].

5. W rozpatrywanych w niniejszym artykule przykładach obliczeniowych wpływ wyboru meteorologicznych danych źródłowych na określenie zapotrzebowania energii do ogrzewania i nawilżania powietrza jest mniejszy niż energii do oziębiania powietrza, chociaż również zauważalny.

Na potrzebę opracowania nowej bazy danych w postaci typowych lat meteorologicznych zwrócono uwagę już wcześniej [15]. Należy w nich uwzględnić bardziej aktualne dane pomiarowe, biorąc pod uwagę również współczesne trendy zmian klimatycznych. Powinny być one, tak jak do tej pory, zamieszczone na powszechnie dostępnym portalu internetowym.

L I T E R AT U R A

[1] The Global Climate in 2011–2015, WMONo. 1179, World Meteorological Organization, 2016, s. 6.

[2] WMO BULLETIN, The journal of the World Meteorological Organization, Volume 67 (2) – 2018.

[3] Biuletyn Monitoringu Klimatu Polski Rok 2018, Instytut Meteorologii I Gospodarki Wodnej – Państwowy Instytut Badawczy.

[4] Biuletyn Państwowej Służby Hydrologiczno- Meteorologicznej, z lat 2009-2018, (https:// dane.imgw.pl/data/dane_pomiarowo_ obserwacyjne/Biuletyn_PSHM/); (dostęp online 12.12.2019).

[5] Pełech A., Wentylacja i klimatyzacja – Podstawy. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 2011.

[6] Pełech A., Klimat w Polsce. Parametry powietrza zewnętrznego w projektowaniu urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Instal 2013, nr 1, s. 21-27.

[7] Pełech A., Oszczędność energii w wentylacji i klimatyzacji. Rozważania nad wyborem obliczeniowych parametrów powietrza zewnętrznego. Instal 2013, nr 2, s. 30-38.

[8] Kwiecień D., Moce nagrzewnicy i chłodnicy powietrza wyznaczane w oparciu o dane klimatyczne. Rynek Instalacyjny 2013, nr 5, s. 45-49.

[9] Kwiecień D., Całoroczne zapotrzebowanie energii do uzdatniania powietrza wentylującego obliczane w oparciu o dane klimatyczne. Rynek Instalacyjny 2013, nr 6, s. 62-64, 6.

[10] Kwiecień D., Moc chłodnicy a zapotrzebowanie energii do oziębiania powietrza w różnych rejonach Polski. Instal 2016, nr 10, s. 28-33.

[11] Kowalski P., Kwiecień D., Symulacja pracy systemu klimatyzacyjnego SDEC w różnych rejonach Polski. Instal. 2017, nr 7/8, s. 37-43.

[12] Kowalski P., Kwiecień D., Symulacje całorocznej pracy systemów wentylacyjnych z nawilżaniem adiabatycznym. Rynek Instalacyjny. 2018, R. 26, nr 3, s. 61-67

[13] Kwiecień D., Zapotrzebowanie na energię do klimatyzacji na podstawie statystycznych danych klimatycznych – studium przypadku dla Wrocławia. Rynek Instalacyjny 2019, nr 12, (artykuł zgłoszony do druku).

[14] Narowski P., Obliczenia energetyczne budynków. Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski. Rynek Instalacyjny 2008, nr 10.

[15] Narowski P., Metody wyznaczania typowych lat meteorologicznych TMY2 WYEC2 oraz według normy EN ISO 159 (COW: 12/45/2014, str. 479)

[16] Grudzińska M., Jakusik E., Typowy Rok Meteorologiczny i późniejsze dane klimatyczne jako czynniki kształtujące zapotrzebowanie na energię. Przegląd budowlany 2016, nr 3, str. 44-50.

[17] Czarnecki B., Miętus M. Porównanie stosowanych klasyfikacji termicznych na przykładzie wybranych regionów Polski. Przegląd Geograficzny, 56, 3-4, 201-233.

[18] Mijakowski M., Sowa J., Narowski P., Godzinowa metoda obliczania zapotrzebowania na energię w systemach wentylacji i klimatyzacji. Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce, Tom IV 2009, s. 141-146.

[19] https://www.gov.pl/web/fundusze-regiony/ dane-do-obliczen-energetycznychbudynkow. Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków; (dostęp online 12.12.2019).

[20] https://meteonorm.com/en/; (dostęp online 12.12.2019).

[21] http://agrometeo.pogodynka.pl/danehistoryczne; (dostęp online 12.12.2019).

[22] https://solargis.info; (dostęp online 12.12.2019).

[23] https://www.wunderground.com/history/ monthly/pl/wroc%C5%82aw/EPWR/ date/2019-4; ; (dostęp online 15.10.2019).

[24] Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1253/2014 z dnia 7 lipca 2014 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla systemów wentylacyjnych

[25] PN-B-03420:1976, Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego.

[26] PN-82/B-02403 „Ogrzewnictwo. Temperatury obliczeniowe zewnętrzne”

[27] PN-EN 12831:2006. Instalacje ogrzewcze w budynkach – Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.

[28] PN-76/B-03420 „Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego”