Вестник УКЦ АПИК: Технологии кондиционирования с жидким влагопоглотителем

В последние десятилетия традиционным способом достижения требуемой относительной влажности воздуха в системах кондиционирования стало охлаждение воздуха до температуры ниже заданной, а затем повторный нагрев, сопровождающийся расходом значительного количества энергии. При этом традиционные системы кондиционирования редко используют возобновляемые источники энергии, а орошаемые воздухоохладители способствуют загрязнению воздуха и размножению бактерий.

Системы кондиционирования воздуха с жидким влагопоглотителем (десикантом) лишены этих и многих других недостатков. Главное их достоинство — возможность независимого контроля температуры и влажности воздуха и способность осуществлять явное и скрытое охлаждение (снижение температуры и влажности, соответственно) без расхода лишней энергии.

Особенности традиционных систем кондиционирования воздуха

Системы охлаждения являются третьими по величине потребителями энергии и источниками углеродных выбросов в коммерческих зданиях (после систем освещения и воздушного отопления) и четвертыми по величине потребителями энергии и источниками углеродных выбросов в жилых зданиях (после воздушного и водяного отопления и освещения). Системы охлаждения как в коммерческих, так и в жилых зданиях потребляют около 11 % всей энергии. Мировое производство энергии составило в 2004 г. 14,9 ТВт. Периоды пиковой нагрузки энергопотребления приходились на соответствующие периоды интенсивного использования систем кондиционирования воздуха, поэтому любое сокращение энергопотребления системами кондиционирования способствует сокращению требуемого производства и поставки энергии.

Основная проблема традиционных систем кондиционирования состоит в том, что парокомпрессионные тепловые насосы (составляющие 95 % традиционных систем кондиционирования), охлажденная вода и системы непосредственного охлаждения обеспечивают значительное явное охлаждение, но неэффективны для снижения влажности воздуха. 80 % работы обычного кондиционера составляет явное охлаждение и только 20 % — скрытое охлаждение. Это не соответствует требованиям среды в большинстве помещений. Обычно целевые показатели температуры и влажности составляют 22 ºC/50 %. Для снижения влажности до допустимого уровня может потребоваться охлаждение обрабатываемого воздуха до 11 °C или ниже, а затем использование калорифера для повторного нагрева до нужной температуры. Именно такой алгоритм заложен в большинство осушителей воздуха.

Однако отметим, что ставшее стандартным требование к уровню влажности в 50–55 % основано главным образом на функциональных возможностях традиционных систем вентиляции и кондиционирования, а не на реальных ощущениях человека.

Снижение влажности помогает создать более комфортную среду в помещении и повысить производительность, а также снизить энергопотребление с помощью увеличения заданного значения температуры.

После проведения испытаний систем кондиционирования с использованием контрольно-измерительной аппаратуры более чем в 100 медицинских учреждениях был сделан следующий вывод: «…диаграммой комфортных параметров воздуха Американской ассоциации инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers — ASHRAE) рекомендуется поддержание уровня влажности почти от 0 до 80 % в летние месяцы для создания достаточно комфортной рабочей атмосферы. Мы считаем, что уровень влажности должен составлять от 30 % в зимние до 40 % в летние месяцы для достижения наиболее комфортных условий, а рабочая температура — от 22 до 26 ºC, что было определено в контрольной области почти в середине комфортной зоны. Рабочая температура состоит из температуры воздуха и радиационной температуры. …Поддержание низкого (ниже 50 %) уровня влажности в летние месяцы позволит повышать рабочую температуру, не снижая уровня комфортности».

Здесь подразумевается, что для человека важна энергия (энтальпия) воздуха. Действительно, известно, что +30 °C в Москве и в Сочи переносится по-разному. Это объясняется различием в относительной влажности воздуха: в Москве более сухой климат, в то время как в Сочи — морской, а потому воздух более влажный. Дополнительная влажность повышает энергию воздуха, и именно этот излишек энтальпии делает сочинские +30 °C менее комфортными, нежели московские.

Явная и скрытая тепловая нагрузка

Для упрощения понимания явной и скрытой тепловой мощности вводится индекс тепловой нагрузки при вентиляции, представляющий годовую тепловую нагрузку, необходимую для обработки воздушного потока в 1 м3/ч при подаче воздуха с улицы в помещение. Индекс разделяет нагрузку на два слагаемых: кВт∙ч скрытой нагрузки на 1 м 3 в год и кВт∙ч явной нагрузки в год. Исследование, проведенное в США, показало значительную разницу между скрытой и явной нагрузкой. Данные, собранные для американских городов, справедливы также и для аналогичных климатических зон Европы. Например, в Бостоне скрытая нагрузка составляет 4,1 кВт∙ч/ (м 3 /ч∙год), а явная нагрузка — 0,6 кВт∙ч/ (м 3 /ч∙год). Париж находится в той же климатической зоне со среднегодовой температурой 10,5 °C (ср. 10,7 °C в Бостоне) и относительной влажностью 76,5 % (ср. 73 % в Бостоне). Цель данного исследования — демонстрация того, насколько показатели работы используемых в настоящее время систем вентиляции и кондиционирования в большинстве городов не соответствуют требуемым.

Другая проблема используемых в настоящее время систем вентиляции и кондиционирования — вред здоровью, причиняемый бактериями, находящимися в воздухе, и ростом бактерий на внутренних поверхностях оборудования. Вода, конденсируемая на охладителях, — идеальная инкубационная среда для плесени и бактерий. Исследование американских ученых Эстель Леветин, Ричарда Шонесси, Кристины А. Роджес и Роберта Шейра обнаружило десятикратное увеличение находящейся в воздухе плесени за четыре месяца, в течение которых охладители пребывали во влажном состоянии. А ведь воздушный поток, проходящий по системе вентиляции, представляет собой идеальное средство переноса бактерий в помещение, где они могут вызвать заболевания и нанести серьезный ущерб.

Принцип работы систем кондиционирования, использующих десиканты

Схема воздушных потоков в системе кондиционирования с использованием десикантов
Рис. 1 Схема воздушных потоков в системе кондиционирования с использованием десикантов
Технология кондиционирования с жидким влагопоглотителем предлагает решение этих проблем. Как правило, такая система состоит из двух компонентов — абсорбера и регенератора. Жидкий влагопоглотитель протекает через абсорбер. Обрабатываемый воздух подается в противоположном направлении. Тепло и влага удаляются из воздуха влагопоглотителем. Влага, извлекаемая из воздуха, подается в регенератор. В регенераторе она нагревается, а затем пропускается через другой абсорбер. Горячий раствор испаряет собранную влагу, направляя ее в поток отработанного воздуха, текущий в противоположном направлении.

Общая схема воздушных потоков представлена на рис. 1.

Оптимизация явной и скрытой нагрузок

Главное достоинство систем кондиционирования с жидким влагопоглотителем заключается в оптимизации производительности явного и скрытого охлаждения в соответствии с заданными параметрами кондиционирования. Производительность скрытого охлаждения может быть увеличена в 2–5 раз по сравнению с явным охлаждением, что существенно для регионов с влажным климатом и объектов с большим влаговыделением.

Жидкий влагопоглотитель снижает скрытую нагрузку, уменьшая необходимость избыточного охлаждения и повторного нагрева воздуха для достижения требуемой влажности. Одно только это свойство может способствовать достаточной экономии энергии.

Системы кондиционирования с жидким влагопоглотителем также позволяют независимо контролировать температуру и влажность, создавая более комфортную атмосферу и способствуя дополнительному энергосбережению. Большая способность систем с жидким влагопоглотителем к уменьшению влажности также способствует созданию комфортной рабочей среды, позволяя увеличивать заданные параметры температуры на 1–3 градуса.

В системах кондиционирования воздуха с жидким влагопоглотителем используется низкопотенциальное тепло. Источником этого вида тепловой энергии может стать промышленное оборудование, в том числе традиционные системы вентиляции и кондиционирования. К примеру, для питания жидких влагопоглотителей скрытого охлаждения может использоваться отработанное тепло традиционных охладителей (тепло от конденсаторов парокомпрессионных систем охлаждения), сокращая, таким образом, операционные издержки системы охлаждения примерно на 40 %.

В более сложных, но эффективных с точки зрения энергосбережения устройствах может использоваться тепловая энергия, вырабатываемая когенерационными установками, тепло, выделяемое в процессе производства (бросовое тепло), энергия из возобновляемого источника, как, например, солнечное излучение. Подобная система охлаждения может сократить потребление энергии на 80 % и более.

Улучшение качества воздуха в помещении

Еще одно преимущество использования жидкого влагопоглотителя заключается в сокращении площади поверхностей, на которых происходит конденсация влаги, являющейся идеальной питательной средой для плесени и бактерий.

Соленый жидкий осушающий раствор выполняет функцию бактерицида, очищая обрабатываемый воздух от микроорганизмов. В результате системы кондиционирования с жидким влагопоглотителем способствуют улучшению качества воздуха в помещении, удаляя около 91 % воздушных микроорганизмов и 80 % частиц размером более 5 микрон.

Это важно для многих сфер применения, в том числе для предприятий пищевой и фармацевтической промышленности, медицинских учреждений, чистых помещений и лабораторий, производства микросхем, для учебных и иных учреждений, где особенно значимо качество воздуха.

Сфера применения систем кондиционирования на жидких десикантах

Вообще говоря, сфера применения систем кондиционирования на жидких десикантах довольно широка, так как они помогают достичь требуемых параметров микроклимата с существенно более низкими затратами электроэнергии. Если же говорить о том, где применение данного типа кондиционеров наиболее оправданно, то можно выделить следующие группы объектов:

  • Объекты, находящиеся в регионах с влажным климатом (как правило, это приморские районы). Необходимость осушения в подобных условиях очевидна, а конденсационный метод охлаждения, применяемый в традиционных увлажнителях, неэффективен.
  • Объекты с высоким уровнем теплоизбытков. Наиболее популярный пример — бассейны и спорткомплексы. В первом случае влажность возрастает за счет зеркала воды, а во втором — за счет повышенного влаговыделения, генерируемого спортсменами (в 2–4 раза выше обычного). Также к этой категории могут относиться промышленные объекты с высоким уровнем влаговыделения.
  • Объекты с недостатком электрической мощности, то есть объекты, где остро стоит вопрос энергосбережения.
  • Объекты, имеющие бросовое тепло. Как правило, это производственные и промышленные площадки. Обычно речь идет о воде с температурой 40–60 °C. Часто ее охлаждают наружным воздухом в градирнях, но, внедрив систему кондиционирования на влагопоглотителях, ее можно использовать с выгодой для себя.
  • Объекты, для которых критично качество воздуха, — медицинские учреждения, лаборатории, пищевые предприятия. Безусловно, здесь устанавливаются специальные фильтры и очистные установки, но и к установкам кондиционирования применяются повышенные требования. Системы кондиционирования с жидким поглотителем характеризуются антибактериальным действием, поэтому могут эффективно работать на подобных объектах.

Примеры внедрения систем кондиционирования на жидких десикантах

Панель десикативного охладителя
Рис. 2. Панель десикативного охладителя
Рассмотрим некоторые примеры применения подобных систем охлаждения.

Ведущее мировое кондитерское предприятие в цехах по производству жевательной резинки ранее использовало систему с твердым влагопоглотителем и электрическим нагревателем, который высушивает десикант. Затем компания заменила ее системой кондиционирования с жидким поглотителем, использующей свежий воздух и существующую вентиляционную установку.

Система кондиционирования с жидким влагопоглотителем поддерживает и способствует улучшению состояния воздуха в помещении с температурой 20 °C +/- 1 °C и влажностью 45 +/- 5 %. В помещение поставляется сухой холодный воздух, и существенно снижается энергопотребление вентустановки и нагревателя. В качестве чистого результата компания добилась сокращения издержек на энергопотребление на 60 %.

Еще один пример. Крупное предприятие, занимающееся литьевым формованием, сократило производственные издержки на 125 643 доллара в год, заменив систему осушения воздуха с роторным осушителем системой кондиционирования с жидким влагопоглотителем.

Во избежание конденсации, способной привести к повреждению поверхности отформованного изделия, требуется низкая влажность воздуха. Для поддержания требуемого уровня влажности ранее использовались роторные осушители. Система с роторным осушителем производила 4556 кубометров воздуха в час для двух помещений с 32 литьевыми машинами. Для питания системы с роторным осушителем использовалось 12 362 м 3 сжиженного углеводородного газа в год; тепловая нагрузка на систему кондиционирования составляла 98,5 кВт. Издержки на поддержание нужной температуры регенерации составляли 102 269 долларов стоимости сжиженного углеводородного газа и 72 855 долларов стоимости электроэнергии.

Был рассмотрен ряд альтернатив и принято решение об использовании системы кондиционирования с жидким влагопоглотителем. В одном из производственных помещений были установлены три такие системы. Затем было принято решение об установке системы во втором производственном помещении.

Использование системы кондиционирования с жидким влагопоглотителем устраняет необходимость в использовании сжиженного углеводородного газа, так как регенерация требует меньшей температуры и сокращает потребление электроэнергии, производя нагрузку по охлаждению в 61,2 кВт и снижая тепловую нагрузку системы вентиляции и кондиционирования на 159,7 кВт. Установки кондиционирования с жидким влагопоглотителем потребляют электричество на сумму 75 891 доллар в год, но сокращают издержки на электричество систем вентиляции и кондиционирования на 26 410 долларов. В целом устранение потребности в использовании сжиженного углеводородного газа и сокращение издержек на электричество обеспечили общую экономию в 125 643 доллара.

Наконец, третий пример. Мясокомбинат в Германии сократил издержки на охлаждение и снижение влажности воздуха на 43 %, установив системы кондиционирования и осушения с жидким влагопоглотителем. Для требуемого охлаждения и осушения воздуха система использует холодную и горячую воду, получаемую на предприятии в процессе технологического цикла. Комбинат экономит ежегодно более 231 000 долларов (165 000 евро) на плате за электричество, улучшая в то же время условия труда, снижая угрозы безопасности и продлевая срок действия оборудования.

Выводы

В отличие от традиционных систем кондиционирования системы кондиционирования с жидким влагопоглотителем непосредственно поглощают влагу из воздуха в процессе охлаждения. Данный подход значительно снижает энергопотребление, избавляя от необходимости избыточного охлаждения и повторного нагрева воздуха.

Такие системы позволяют также контролировать температуру и влажность, создавая более комфортную рабочую среду и возможность дополнительного энергосбережения. В качестве источников питания здесь могут выступать солнечные панели, геотермальные скважины или отработанное тепло когенерационных установок и бросовое тепло заводов и предприятий.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «МИР КЛИМАТА»



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест