Ефективност на системи за утилизация

Базови критерии и методи за определяне на икономическата ефективност на утилизационни съоръжения в системи за кондициониране

С една коректно проектирана, успешно инсталирана и добре поддържана система за кондициониране е възможно безпроблемно да се поддържат оптималните параметри на микроклимата в сградата. На практика това означава стойностите на комплекс от параметри - сред които температура, влажност и чистота на въздуха, да са в предварително зададени граници.

Целта е осигуряване на добро топлинно самочувствие и високата работоспособност на хората, намиращи се във всяко от помещенията. Ползите от приложението на системи на кондициониране са неразривно свързани и със значително увеличаване на експлоатационните разходи на сградата като цяло. Направени анализи свидетелстват, че системите за кондициониране на въздуха формират не малка част от разходите за поддръжка.

Утилизацията допринася за по-висока енергийна ефективност
Именно затова все по-широко се използват решения за повишаване на енергийната ефективност на системите за кондициониране. Утвърден и сравнително добре познат метод е утилизацията на топлина или студ. Доказано е, че използването му би могло да доведе до значителни икономически ползи. Чрез утилизацията в системите за кондициониране се оползотворява енталпията на изхвърляния въздух, като по този начин значително се подобряват едновременно енергийните и екологичните показатели на системата. Причината е в намаляването на температурата на изхвърляните в околната среда отпадни газове. Приложението на системи за утилизация дава възможност да се намалят както необходимите за загряване и овлажняване на въздуха мощности през зимата, така и мощностите за охлаждане и изсушаване през лятото. Създават се предпоставки за значително понижаване на годишните разходи за отопление и климатизация.

Използвани съоръжения за утилизация
Процесът на утилизация се реализира чрез рециркулация на въздуха, осъществявана в рекуперативни и регенеративни топлообменници, както и чрез термопомпи. Естествено, когато се използва рециркулация, е необходимо да се вземат предвид допустимите от хигиенните норми граници. Избраният метод за утилизация определя съответно и вида на използвания топлообменник.
Регенеративните топлообменници са подходящи за всички системи за кондициониране и обработка на въздух. Основно тяхно предимство е високата им ефективност на пренос на явна и скрита топлина. Ефективността им би могла да достигне до 85%. Недостатъците им се състоят преди всичко в необходимостта от обединяване на двата потока в регенератора и опасността от замръзване.

Кои са най-разпространените рекуператори?
Сред най-разпространените топлообменници, използвани за утилизация на топлина, са пластинчатите топлообменници. Те се отнасят към групата на рекуператорите. Тези топлообменници могат да достигнат ефективност от 40 до 70% в зависимост от конструкцията си. Изпълняват се от отделни успоредно монтирани пластини, между които се формират процепи за преминаване на въздух.
Основните им предимства са елементарното устройство и отсъствието на движещи се части, което определя лесната им поддръжка. Отдаването на топлина се реализира, без да има пряк контакт между двата потока.
Основните недостатъци на пластинчатите топлообменници са свързани предимно с необходимостта от пресичане на смукателния и нагнетателния въздуховод и отсъствието на влагообмен. Друг недостатък се изразява в опасността от замръзване през зимата в случай на отделяне на кондензат при ниски външни температури.
От рекуперативните топлообменници приложение намират и топлинните тръби, както и системите с междинен топлоносител. При системите с топлинни тръби, всеки топлообменен апарат е съставен от пакет от топлинни тръби, като всяка тръба представлява самостоятелна затворена система. С топлинните тръби се постига ефективност от 45 до 65%. Предимства им са високата компактност, надеждната работа и малките разходи за поддръжка и експлоатация. Недостатъците им са свързани предимно с по-сложната технология за изработването им и необходимостта от срещане на потоците на изхвърляния и на външния въздух.

За решението да се инвестира в утилизатор
Преди да се вземе решение за внедряване на устройство за утилизация в системата, е необходимо да оценят няколко определящи ефективността му фактора. Важно е да се направи предварителна оценка на ползите, реализирани чрез изграждане на система за утилизация. Те зависят от постигането на добри икономически показатели, свързани с коректно направена оценка на степента на възможна утилизация.
Определящи фактори при вземане на решение за внедряване на устройство за утилизация са, от една страна, параметрите на отпадната топлина - температура, количество и химичен състав, а от друга - изискванията по отношение на енергийната консумация. Задължително условие за успешно оползотворяване на топлината са процесите на отдаване и на използване на топлина да не намаляват надеждността на системата при експлоатация.
Всяка система за утилизация на топлината се изгражда с цел постигане на икономически ползи. Тъй като при изграждането на всяка отделна система за кондициониране на въздуха се вземат предвид конкретните изисквания към климатизираните помещения, то при избора на елементите за утилизация обикновено се подхожда индивидуално. В зависимост от конкретните изисквания се избира система, която да е съобразена с изискванията на въздухообработващата централа и инсталацията за кондициониране. Необходимо е, също така, да се отчетат размерите на помещенията, както и разположението им в пространството.

Как се оценява ефективността на съоръженията?
Определянето на топлотехническите качества на утилизационните съоръжения обикновено се базира на оценка степента им на ефективност при изменение на температурата, на енталпията и на влажността.
За определяне на ефективността обикновено се използва отношението между стойностите на различни характеристики на външния и изхвърляния въздух. Например за изчисляване степента на ефективност при изменение на температурата се използва изразът
Еt = (t”вн - t`вн)/(t`из - t`вн).
При определяне на енталпията, изразът има вида
Еh = (h”вн - h`в)/(h`из - h`вн),
а за влажността уравнението съответно е:
Ех = (х”вн - х`вн)/(х`из - х`вн).
Във всички изрази с (`) са означени съответно параметрите на входа на топлообменника, а с (“) параметрите на изхода. Използват се също и изразите
Еtи = (t`из - t”из)/(t`из - t`вн)
и
Ехи = (х`из - х”из)/(х`из - х`вн),
с които се оценява степента на ефективност, за да се определи състоянието на преминалия през топлообменника изхвърлян въздух. Когато се оценява ефективността на съоръжението, е добре да се има предвид дали става въпрос за пренос само на явна топлина или едновременно на явна и скрита топлина.
Например за рекуперативните пластинчати топлообменници тип “въздух-въздух” е характерен пренос само на явна топлина, докато при регенераторите се наблюдава пренос както на явна, така и на скрита топлина.

Критерии за пресмятане на оползотворената топлина
Критерий за определяне на икономическата ефективност на един утилизатор, който би наклонил везните в полза на решението за закупуване на подобно съоръжение, е количеството оползотворена топлина от изхвърляния въздух. Това е трудна задача и обикновено получените резултати не са във висока степен точни. Затова за определяне на оползотворената от системата топлина се използват предимно програми за симулиране работата на инсталацията за определен период от време, най-често - една година. В практиката са намерили приложение и чисто инженерни методи, чрез които се получават данни с достатъчно висока точност. Методите се базират основно на честотата на повторяемост на външната температура.
В зависимост от използваните елементи за утилизация, приложение намират два израза за определяне на оползотворената през годината топлина. В случаите, когато в системите се оползотворява предимно явната топлина, се използва изразът
Qоп=0,73mвнcвзEtвнkt1k2(t`из-t`вн), kWh/г.
В него mвн е масовият дебит на външния въздух, kg/h; с cвз е обозначен специфичният топлинен капацитет на въздуха, kJ/(kgK); Etвн е степента на ефективност на изчислителния режим; kt1 е корекционен фактор (функция на Etвн) на температурата на изхвърляния въздух t из и на максимално допустимата стойност за загряване на подавания в помещението въздух max t”вн. Стойността на max t”вн зависи от предназначението на инсталацията и се приема с оглед недопускане претопляне на помещението. Корекционният фактор k2 се определя по формулата k2= Тп/8760, където Тп [часа/год.] е продължителността на експлоатация на съоръжението за оползотворяване на топлина.
При използването на енталпийни регенератори, оползотворената топлина се пресмята, като се вземат предвид енталпиите. В този случай изразът има вида
Qоп=0,73mвнEhkh1k2(h`из - h`вн),
където Eh e степента на ефективност по енталпия на изчислителния режим, а k`1 е корекционният фактор за пълен работен час.
За инсталации, при които подаваният в помещенията въздух се охлажда, е възможно да се реализира и икономия на студ, ако температурата на изхвърляния въздух е по-ниска от тази на външния въздух. Счита се, че за климатичните условия на България тази икономия, отнесена към оползотворената отпадъчна топлина, е незначителна.

Показатели за определяне на годишните приведени разходи
За да се оцени икономическата ефективност на една система за утилизация, още на проектния етап е възможно да се използват определени критерии, за изчисляването на които са необходими различни като обем и съдържание изходни данни. Един от сравнително често използваните критерии за сравнение на системите за утилизация са годишните приведени разходи. Този критерий се приема като сравнително лесен и удобен за прилагане. Използването му дава възможност оценката да се направи по три отделни начина чрез три различни показателя.
При първия начин, годишните приведени разходи се съставят само за съоръженията за утилизация, при втория - за цялата инсталация за кондициониране, а при третия - за инсталацията за студо- и топлопроизводство.
Обикновено се предпочита първият начин, който е значително по-лесен за приложение от другите два. Неговият недостатък е, че дава занижени стойности на ефективността. За да се приеме, че едно техническо решение за утилизация е ефективно, е необходимо да е изпълнено следното условие:
(DKвла` + DKел)/DKтн < 1.
В него DKвл е разликата в капиталните вложения за въздухообработващата централа със и без съоръжения за утилизация; DKел е разликата в разходите за електроенергия, а DKтн е разликата в разходите за топлина. С а` е означен коефициент на разходите. За определянето му се използва формулата а` = а* + арем, където а* е коефициент, чрез който се отчита амортизацията на основните съоръжения. Коефициентът а* зависи от нормативния срок за амортизация (nг). В зависимост от смените на работа, за определяне на nг се използват следните изрази: при едносменен режим на работа
nг = 14 - а* = 0,18;
за двусменен режим
nг = 10 - а* = 0,14,
а за трисменен режим
nг = 8 - а* = 0,16.
С арем се отчитат разходите за ремонтни работи.

Допълнителни разходи за капитални вложения
За да се определи общата годишна икономия на средства се използва изразът:
DKоб = DKтн - (DKвла` + DKел), лв/г,
като
DKтн = QопСтн, лв/год.
Съответно, начинът на изчисляване на Qоп зависи от вида на утилизацията. Стн е стойността на топлината, лв/kWh.
Към допълнителните разходи за капитални вложения се включва инвестицията в подходящи за целта топлообменници, както и в допълнително изградените специално за целите на утилизацията въздухопроводи и средствата за автоматичното регулиране. Разходите за действително консумираната електрическа мощност се определят с израза

DKел=1/650S(VDp)ТгСел+ТопSNпСeл,

където V е дебитът на преминаващ през топлообменниците за утилизация поток въздух, m3/s. С Dp са означени загубите на налягане на потока в системата за утилизация. С Тг е означен броят на работните часове през годината на системата за кондициониране в h/год. Съответно, SNп е сумата от мощностите на циркулационните помпи в системите за утилизация, kW, а Сeл е стойността на електрическата енергия, лв/kWh.