PL205308B1

PL205308B1 - Układ klimatyzacji

Info

Publication number: PL205308B1
Application number: PL364085A
Authority: PL
Inventors: Pincus Catzel
Original assignee: Uniflair Int Sa
Priority date: 2001-05-16
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2010-04-30
Also published as: CZ301374B6; ATE322653T1; HU227968B1; RU2280214C2; US20040148950A1; CA2445970A1; CZ20033311A3; CN1509394A; DK1387988T3; EP1387988A1; CA2445970C; ES2259372T3; EP1387988B1; IL158663A0; JP2005501213A; IL158663A; NO325063B1; DE60210443T2; RU2003135785A; PL364085A1

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy układu klimatyzacji.

Nowoczesne budynki posiadają zwykle duże oszklone powierzchnie oraz szeroki zakres wymaganych temperatur we wnętrzach, przy czym występują w nich zarówno zewnętrzne jak i wewnętrzne źródła ciepła. Tak szeroki zakres temperatur wymaga strefowego systemu kontroli temperatury oraz wysokiego stopnia czystości powietrza w celu zapewnienia odpowiedniego komfortu również w przypadku dużego zagęszczenia ludzi i sprzętu. Wewnętrzne źródła ciepła przyczyniają się w znacznym stopniu do całkowitego bilansu źródeł chłodzenia i grzania. Największymi wewnętrznymi źródłami ciepła są urządzenia elektryczne, elektroniczne oraz oświetlenie o dużym natężeniu.

W duż ych otwartych pomieszczeniach, gdzie poszczególne stanowiska robocze bą d ź urzą dzenia mogą wymagać indywidualnej kontroli temperatury, konieczne jest stosowanie klimatyzacji z lokalną kontrolą. Coraz częściej ludzie i urządzenia znajdują się w tych samych pomieszczeniach, co wymusza różnice w dostarczaniu ciepła zarówno mierzonego w watach na metr kwadratowy, jak i uwzględniające zmiany sezonowe. Pomieszczenia z nowoczesnym sprzętem, jak pokoje komputerowe bądź pokoje sterowania, typowo wymagają klimatyzowania również zimą, gdyż ciepło wydzielane przez znajdujące się w nich urządzenia przekracza naturalne straty cieplne pomieszczeń. Tym samym istnieje zapotrzebowanie na systemy grzewcze i klimatyzacyjne, które mogą efektywnie kontrolować warunki wewnątrz budynku a jednocześnie być na tyle elastyczne, by można je było dostosować do różnych wymagań w różnych częściach budynku w różnych porach roku. Zwykle stosuje się niezależne układy klimatyzacji dla różnych części budynku, co wyklucza współpracę między nimi i inteligentne sterowanie. Może się zdarzyć, że jednocześ nie istnieje zapotrzebowanie na chłodzenie i ogrzewanie, przy czym oba z nich są zapewniane niezależ nie przy znaczą cym nakł adzie energii.

Dodatkowo, nowoczesne budynki są projektowane tak, by zapewnić daleko idącą elastyczność w aranżacji przestrzeni wewnątrz. W rezultacie układ pomieszczeń i ich przeznaczenie może zmieniać się wielokrotnie podczas istnienia budynku. Co za tym idzie układ klimatyzacji musi również być łatwo adoptowalny do tych zmian.

Przedmiotem wynalazku jest układ klimatyzacji w budynku posiadający: obieg wody gorącej; obieg wody zimnej; pewną liczbę terminali klimatyzacji, przy czym każdy terminal posiada wentylator tłoczący powietrze w przestrzeni wewnątrz budynku, spiralę grzewczą połączoną do obiegu wody gorącej i/lub spiralę chłodzącą połączoną do obiegu wody zimnej; oraz przynajmniej jeden układ kontrolujący temperaturę otoczenia pozwalający kontrolować moc grzewczą spirali grzewczych oraz moc chłodzącą spirali chłodzących. Układ według wynalazku charakteryzuje się tym, że posiada układ zarządzania energią cieplną z pompą ciepła, która przepompowuje energię cieplną z obiegu wody zimnej do obiegu wody gorącej.

W jednym z korzystnych wariantów realizacji układu klimatyzacji według wynalazku układ zarządzania energią cieplną z pompą ciepła dodatkowo przepompowuje energię cieplną z obiegu wody zimnej do atmosfery oraz z atmosfery do obiegu wody gorącej, przy czym układ zarządzania energią cieplną zarządza energią cieplną tak, by zoptymalizować zużycie energii.

W kolejnym korzystnym wariancie realizacji układu klimatyzacji według wynalazku optymalizacja zużycia energii opiera się na minimalizacji całkowitego zużycia energii lub na minimalizacji całkowitego kosztu energii zużywanej przez układ klimatyzacji.

W dalszym korzystnym wariancie realizacji układu klimatyzacji według wynalazku układ zarządzania energią cieplną posiada dodatkowo wymiennik ciepła powietrze/woda umożliwiający przekaz energii cieplnej z obiegu wody zimnej do atmosfery.

W innym korzystnym wariancie realizacji uk ł ad klimatyzacji wedł ug wynalazku posiada dodatkowo generator ciepła wytwarzający energię cieplną i przekazujący ją do obiegu wody gorącej.

W jeszcze innym korzystnym wariancie realizacji układ klimatyzacji według wynalazku posiada dodatkowo zasobnik energii chłodzącej, przy czym układ zarządzania energią cieplną pobiera energię z tego zasobnika w celu jego ł adowania oraz przekazywać energię cieplną z obiegu wody zimnej do zasobnika energii chłodzącej.

W nastę pnym korzystnym wariancie realizacji układ klimatyzacji wedł ug wynalazku posiada dodatkowo zasobnik energii cieplnej, przy czym układ zarządzania energią cieplną dostarcza energię do tego zasobnika w celu jego ładowania oraz przekazywać energię cieplną z zasobnika energii cieplnej do obiegu wody gorącej.

PL 205 308 B1

W kolejnym korzystnym wariancie realizacji układu klimatyzacji według wynalazku układ zarządzania energią cieplną monitoruje zapotrzebowanie na energię chłodzącą/cieplną dla każdego terminala klimatyzacji oraz zmieniać punkt ustawienia w obwodach wody zimnej i gorącej w zależności od zapotrzebowania na energię chłodzącą/cieplną dla terminali klimatyzacji.

W dalszym korzystnym wariancie realizacji układu klimatyzacji według wynalazku układ zarządzania energią cieplną zarządza przekazem energii cieplnej z uwzględnieniem całkowitego zapotrzebowania na ogrzewanie/chłodzenie budynku, parametrów pogodowych na zewnątrz budynku oraz kosztów energii.

W innym korzystnym wariancie realizacji ukł adu klimatyzacji wedł ug wynalazku obieg wody zimnej oraz obieg wody gorącej posiadają połączenia wyposażone w szybkozłącza rozmieszczone w regularnych odstępach do przyłączenia odpowiednio spirali chłodzących i spirali grzewczych przy pomocy elastycznych przewodów.

W jeszcze innym korzystnym wariancie realizacji układu klimatyzacji według wynalazku terminale klimatyzacji są umieszczone w przestrzeni technologicznej pod podłogą lub nad podwieszanym sufitem przy czym wentylatory terminali klimatyzacji pobierają powietrze z komory powietrznej pod podłogą.

W dalszym korzystnym wariancie realizacji ukł adu klimatyzacji wedł ug wynalazku terminal klimatyzacji posiada: modułową obudowę zamocowaną pod podłogą, przy czym modułowa obudowa posiada wylot powietrza połączony do wlotowej kratki wentylacyjnej umieszczonej w podłodze oraz wlot powietrza otwarty na komorę powietrzną; wentylator, zamocowany w modułowej obudowie, który pobiera powietrze z przestrzeni technologicznej przez wlot powietrza i wydmuchuje je przez wylotową kratkę wentylacyjną do pomieszczenia znajdującego się nad podłogą; spiralę grzewczą podłączoną do obiegu wody gorącej i/lub spiralę chłodzącą podłączoną do obiegu wody zimnej, przy czym spirala grzewcza i chłodząca są zamontowane w modułowej obudowie między wentylatorem a wylotem powietrza. W korzystniejszym wariancie wykonania terminal klimatyzacji posiada dodatkowo element filtrujący umieszczony w modułowej obudowie, przy czym element filtrujący jest wymieniany przez otwór inspekcyjny w podłodze. W szczególnie korzystnym przypadku terminal klimatyzacji posiada modułową obudowę zamocowana pod podłoga, przy czym modułowa obudowa posiada wylot powietrza połączony do wylotowej kratki wentylacyjnej otwartej na pomieszczenie umieszczonej w podłodze oraz komorę mieszającą z kanałem powrotnym powietrza i kanałem świeżego powietrza; wentylator, zamocowany w modułowej obudowie, który pobiera powietrze z komory mieszającej przez wlot powietrza i wydmuchuje je przez wylotową kratkę wentylacyjną do pomieszczenia znajdującego się nad podłogą; układ chłodzenia przez rozprężanie do chłodzenia i osuszania powietrza zamocowany w modułowej obudowie przy czym układ chłodzenia posiada chłodzony wodą skraplacz połączony z obiegiem wody zimnej; spiralę grzewczą umieszczoną w moduł owej obudowie i połączoną z obiegiem wody gorącej do podgrzewania powietrza po osuszeniu.

W następnym korzystnym wariancie realizacji układ klimatyzacji według wynalazku posiada układ wstępnego przygotowania świeżego powietrza wstępnie przygotowujący świeże powietrze i podają cy je do komory powietrznej.

W kolejnym korzystnym wariancie realizacji uk ł adu klimatyzacji wedł ug wynalazku ukł ad dostarczania energii posiada: przynajmniej jeden kompresor czynnika chłodzącego; chłodzony wodą skraplacz dla czynnika chłodzącego, przy czym chłodzony wodą skraplacz jest połączony do obiegu wody gorącej i przekazuje energię kondensacji do obiegu wody gorącej; parownik dla czynnika chłodzącego połączony do obiegu wody zimnej, który odbiera energię parowania z obiegu wody zimnej; chłodzony powietrzem skraplacz dla czynnika chłodzącego połączony równolegle do skraplacza chłodzonego wodą, przy czym skraplacz chłodzony powietrzem oddaje do atmosfery nadmiar energii kondensacji; oraz spiralę chłodzącą połączoną szeregowo z parownikiem w obiegu wody zimnej. W szczególnie korzystnym przypadku chłodzony powietrzem skraplacz jest wymiennikiem ciepła pomiędzy powietrzem i czynnikiem chłodzącym i działa on również jako parownik dla czynnika chłodzącego pobierając energię parowania z atmosfery.

Urządzenie według wynalazku rozwiązuje problem opracowania elastycznego energooszczędnego układu klimatyzacji w budynku, gdzie wymagana jest strefowa kontrola temperatury oraz gdzie istnieje jednoczesne zapotrzebowanie na ogrzewanie i chłodzenie.

Jak wskazano powyżej układ klimatyzacji według wynalazku posiada obieg wody gorącej obieg wody zimnej oraz pewną liczbę terminali klimatyzacji. Każdy z terminali klimatyzacji ma wentylator tłoczący powietrze w przestrzeni wewnątrz budynku, spiralę grzewczą połączoną do obiegu wody

PL 205 308 B1 gorącej i/lub spiralę chłodzącą połączoną do obiegu wody zimnej. Układ kontroli temperatury otoczenia pozwala kontrolować moc grzewczą spiral grzewczych oraz moc chłodzącą spiral chłodzących. Istotnym aspektem urządzenia według wynalazku jest to, że układ klimatyzacji posiada dodatkowo układ zarządzania energią cieplną ze źródłem energii, pompą ciepła mogący przepompowywać energię cieplną z obiegu wody zimnej do obiegu wody gorącej. W korzystnym wykonaniu układ zarządzania energią cieplną może dodatkowo przepompowywać energię cieplną: a) z obiegu wody zimnej do atmosfery, oraz b) z atmosfery do obiegu wody gorącej. Układ zarządzania energią cieplną zarządza energią cieplną tak, utrzymuje zadaną temperaturę w obiegu wody gorącej i obiegu wody zimnej oraz tak, by zoptymalizować zużycie energii, przy czym optymalizacja zużycia energii może oznaczać na przykład zminimalizowanie zużycia energii bądź zminimalizowanie kosztu energii zużywanej przez układ klimatyzacji.

Dla dodatkowego zoptymalizowania zużycia energii układ korzystnie posiada wymiennik ciepła zdolny do przekazywania energii cieplnej z obiegu wody zimnej do atmosfery w procesie swobodnego chłodzenia.

Dla zoptymalizowania produkcji energii chłodzącej układ korzystnie posiada zasobnik energii chłodzącej. Zasobnik energii chłodzącej umożliwia zmagazynowanie nadmiarowej energii chłodzącej lub wytwarzanie energii chłodzącej na zapas, kiedy warunki wytwarzania energii chłodzącej są optymalne, a to niezależnie od chwilowego zapotrzebowania na energię chłodzącą.

Dla zoptymalizowania produkcji energii grzewczej układ korzystnie posiada zasobnik energii grzewczej. Zasobnik energii grzewczej umożliwia zmagazynowanie nadmiarowej energii grzewczej lub wytwarzanie energii grzewczej na zapas, kiedy warunki wytwarzania energii grzewczej są optymalne, a to niezależnie od chwilowego zapotrzebowania na energię grzewcza.

Dla zaspokojenia szczytowego zapotrzebowania na energię chłodzącą układ korzystnie posiada generator ciepła wytwarzający energię cieplną i przekazujący ją do obiegu wody gorącej.

Zużycie energii jest dodatkowo ograniczone, jeśli układ zarządzania energią cieplną może monitorować zapotrzebowanie na energię grzewczą/chłodzącą każdego z terminali klimatyzacji oraz odchylenia od zadanej temperatury w obiegach wody zimnej i gorącej w funkcji zapotrzebowania na energię grzewczą/chłodzącą terminali klimatyzacji.

Układ zarządzania energią cieplną może korzystnie zarządzać przepływem energii cieplnej uwzględniając całkowite zapotrzebowanie budynku na ogrzewanie/chłodzenie, parametry pogodowe na zewnątrz budynku oraz koszt energii.

Aby zapewnić elastyczność w aranżacji przestrzeni wewnątrz budynku, obieg wody zimnej oraz obieg wody gorącej korzystnie posiadają połączenia wyposażone w szybkozłącza rozmieszczone w regularnych odstę pach do przyłączenia odpowiednio spirali chłodzą cych i spirali grzewczych przy pomocy elastycznych przewodów.

Terminale klimatyzacji są korzystnie umieszczone w przestrzeni technologicznej pod podłogą lub nad podwieszanym sufitem, przy czym wentylatory terminali klimatyzacji pobierają powietrze z komory powietrznej.

Terminal klimatyzacji posiada korzystnie modułową obudowę zamocowana na przykład pod podłogą. Modułowa obudowa terminala posiada wylot powietrza połączony do wlotowej kratki wentylacyjnej umieszczonej w podłodze oraz wlot powietrza otwarty na komorę powietrzną. Wentylator, zamocowany w modułowej obudowie pobiera powietrze z przestrzeni technologicznej przez wlot powietrza i wydmuchuje je przez wylotową kratkę wentylacyjną do pomieszczenia znajdującego się nad podłogą. Dodatkowo terminal klimatyzacji posiada spiralę grzewczą podłączoną do obiegu wody gorącej i/lub spiralę chłodzącą podłączoną do obiegu wody zimnej. Spirala grzewcza i chłodząca są korzystnie zamontowane w modułowej obudowie między wentylatorem a wylotem powietrza. Terminal klimatyzacji może posiadać dodatkowo element filtrujący umieszczony w modułowej obudowie, przy czym element filtrujący może być wymieniany przez otwór inspekcyjny w podłodze.

Jak wskazano powyżej, w innym korzystnym wykonaniu, terminal klimatyzacji posiada na przykład modułową obudowę zamocowana na przykład pod podłogą oraz ma wylot powietrza połączony do kratki wlotowej powietrza znajdującej się w podłodze oraz komorę mieszającą z kanałem powrotnym powietrza i kanałem świeżego powietrza. Wentylator zamocowany w modułowej obudowie pobiera powietrze z komory mieszającej przez wlot powietrza i wydmuchuje je przez wylotową kratkę wentylacyjną do pomieszczenia znajdującego się nad podłogą. Terminal klimatyzacji może dodatkowo posiadać układ chłodzenia przez rozprężanie do chłodzenia i osuszania powietrza. Układ chłodzenia przez rozprężanie zamocowany w modułowej obudowie może mieć chłodzony wodą skraplacz

PL 205 308 B1 połączony z obiegiem wody zimnej oraz spiralę grzewczą umieszczoną w modułowej obudowie i połączoną z obiegiem wody gorącej do podgrzewania powietrza po osuszeniu. Układ klimatyzacji może dodatkowo posiadać układ wstępnego przygotowania świeżego powietrza wstępnie przygotowujący świeże powietrze i podający je do komory powietrznej.

Korzystnie układ klimatyzacji według wynalazku umożliwia transportowanie energii cieplnej z przestrzeni, która ma być chł odzona do przestrzeni, która ma być ogrzewana i w przeciwnym kierunku, przy czym zewnętrzne źródła energii są używane tylko dla energii przekraczających bilans wewnętrzny. Inną korzyścią związaną z zastosowaniem układu klimatyzacji według wynalazku jest zintegrowanie systemu ogrzewania i chłodzenia, co pozwala zredukować zużycie energii ograniczyć zajmowaną przestrzeń. Kolejną zaletą układu klimatyzacji według wynalazku jest uproszczenie i przyspieszenie instalacji oraz ograniczenie jej kosztów. Dalszą zaletą zastosowania układu klimatyzacji według wynalazku jest zapewnienie wysokiej elastyczności, dzięki czemu można go łatwo i małym kosztem dostosować do zmian w układzie wnętrza budynku.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania na załączonym rysunku, na którym fig. 1. przedstawia schematyczny widok układu klimatyzacji według wynalazku, fig. 2. przedstawia schematyczny przekrój pierwszego typu terminala klimatyzacji, fig. 3. przedstawia schematyczny przekrój drugiego typu terminala klimatyzacji, fig. 4. przedstawia schematycznie przepływ energii w układzie, fig. 5. przedstawia schematycznie pojedynczy moduł źródła energii, fig. 6. przedstawia schematycznie różne poziomy kontroli, fig. 7. przedstawia diagram temperatury w obiegu wody zimnej oraz zużycie energii zależnie od obciążeń cieplnych, w różnych trybach pracy, fig. 8. przedstawia godzinny diagram zużycia energii w styczniu, fig. 9. przedstawia godzinny diagram zużycia energii w marcu, zaś fig. 10. przedstawia godzinny diagram temperatury wody.

Fig. 1 przedstawia schematyczny widok układu klimatyzacji według wynalazku. Układ ten posiada obieg wody gorącej 10, obieg wody zimnej 12, pewną liczbę terminali klimatyzacji 14 (nazywanych również „terminalami strefowymi”) oraz generator grzewczy/chłodzący 16 nazywany również „źródłem energii”.

Obiegi wody gorącej 10 oraz wody zimnej 12 są zamkniętymi obiegami energii w budynku 18. Zależnie od specyficznych potrzeb, różne strefy budynku 18', 18”, 18”' wymagają chłodzenia i/lub grzania. Cały układ klimatyzacji wyposażony działa podobnie jak układ rozprowadzania energii elektrycznej: obiegi wody gorącej i zimnej są rozprowadzone w budynku 18 i, zależnie od indywidualnych potrzeb, terminale klimatyzacji 14 zapewniają kontrolę temperatury i wilgotności w różnych strefach 18', 18”, 18”', podczas gdy źródło energii 16 utrzymuje poziom energii w obiegach rozprowadzania energii 10, 12 oddziałując ze wszystkimi elementami układu w celu optymalnego wykorzystania energii. Korzystnie wszystkie połączenia między obiegami rozprowadzania energii 10, 12 i terminalami klimatyzacji 14 są wykonane przy pomocy szybkozłączy oraz wstępnie izolowanych przewodów tak, by zapewnić łatwą instalację.

Różne rodzaje terminali klimatyzacji 14 pozwalają na efektywne klimatyzowanie poszczególnych stref 18', 18”, 18”' budynku. Terminale klimatyzacji 14 zapewniają ogrzewanie/chłodzenie poszczególnych stref 181, 18”, 18”', w których są zainstalowane. Korzystnie są one zaprojektowane tak, by można je było montować w przestrzeni technologicznej pod podniesioną podłogą w celu maksymalnej elastyczności układu i oszczędności miejsca.

Fig. 2. przedstawia terminal klimatyzacji 14, który może być użyty do grzania i chłodzenia. Ma on modułową obudowę 30 zamocowaną pod panelem podłogi 32 w systemie podniesionej podłogi. W modułowej obudowie 30 znajduje się wylot powietrza 34 połączony z kratką wlotową 36 w panelu podłogi 32, oraz wlot powietrza 38 otwarty na przestrzeń pod podłogą 20. Wentylator 40 zamocowany w modułowej obudowie 30 zasysa powietrze z przestrzeni 20 pod podłogą przez wlot powietrza 38 i wydmuchuje je przez kratkę wylotową 36 w panelu podłogi 32 do stref budynku 18', 18”, 18”' znajdujących się nad przestrzenią 20. Między wentylatorem 40 i wylotem powietrza 34, w modułowej obudowie 30 są zamontowane: spirala grzewcza 42 i spirala chłodząca 44. Między wlotem powietrza 38 i wentylatorem 40 jest zamontowany element filtrujący 46. Korzystnie element filtrujący 46 może być wymieniany przez otwór inspekcyjny 48 w panelu podłogi 32.

W strefach technicznych, jak strefa 18”', wlot świeżego powietrza oraz osuszanie powietrza nie są generalnie wymagane. W tego typu zastosowaniach terminale klimatyzacji 14 służą głównie do chłodzenia. W konsekwencji terminale klimatyzacji powinny mieć bardzo wysoki wskaźnik SHR [współczynnik ciepła jawnego, sensible heat ratio]. Z kolei strefach takich jak strefa 18”, gdzie przebywają ludzie, może być dodatkowo konieczne osuszanie powietrza oraz doprowadzanie świeżego

PL 205 308 B1 powietrza. W tym celu używane jest oddzielne urządzenie do zapewnienia kontroli wilgotności w tej strefie. Urządzenie osuszające może być zamontowane pod podłogą. Urządzenie osuszające może na przykład działać na zasadzie bezpośredniego rozprężania z chłodzeniem powietrzem i połączonymi szeregowo spiralami parownika i skraplacza. W ten sposób temperatura w obiegu wody zimnej nie musi być ograniczona przez temperaturę wymaganą do odprowadzenia ciepła utajonego, które stanowi ułamek całkowitego obciążenia termicznego. W przypadku, gdy obciążenia ciepłem utajonym są znaczne, konieczne jest odprowadzenie nadmiaru ciepła na zewnątrz. Tam, gdzie istnieje kontrolowana wentylacja pomieszczeń, można do tego celu wykorzystać wylotowy strumień powietrza.

Na Fig. 3. pokazano terminal klimatyzacji 14', który może służyć również do osuszania powietrza i dostarczania świeżego powietrza. W modułowej obudowie 50 znajduje się wylot powietrza 52 połączony z kratką wlotową 54 w panelu podłogi 56 oraz komora mieszania 58 z kanałem zwrotnym powietrza 60 i kanałem świeżego powietrza 62. Wentylator 64 zamontowany w modułowej obudowie 50 zasysa powietrze z komory mieszania 58 i wydmuchuje je przez kratkę wlotową 54 w panelu podłogowym 56 do stref budynku 18], 18”, 18”' znajdujących się ponad przestrzenią 20. Dodatkowo terminal klimatyzacji 14” posiada układa chłodzenia przez rozprężanie 66 do chłodzenia i osuszania powietrza. Układ chłodzenia, zamontowany w modułowej obudowie, korzystnie składa się z osuszającej spirali parownika 68 oraz chłodzonego wodą skraplacza (nie pokazanego na rysunku) połączonego do obiegu wody zimnej 12. Spirala grzewcza 68 jest zamocowana za spiralą parownika 68 i połączona do obiegu wody gorącej 10 w celu podgrzania osuszonego powietrza. Warto podkreślić, że w terminalu klimatyzacji 14” ciepło kondensacji nie jest tracone, lecz jest przekazywane do obiegu wody gorącej 10 i wykorzystywane w strefach 18], 18”, 18”' budynku, które wymagają ogrzania.

Odnosząc się znów do Fig. 1. - układ klimatyzacji może również posiadać układ wstępnego przygotowania świeżego powietrza 78 (nazywany również układem odświeżania powietrza 78) wstępnie przygotowujący świeże powietrze i podający je do przestrzeni technologicznej.

Źródło energii 16 oraz obiegi wody gorącej i zimnej 10, 12 są kontrolowane przez układ zarządzania energią cieplną 80, który utrzymuje temperaturę w obiegach 10, 12 przy minimalnym zużyciu energii w każdych warunkach pracy. Źródło energii 16 pracuje na zasadzie przekazywania ciepła między obiegami wody gorącej i zimnej w funkcji zapotrzebowania na energię cieplną terminali klimatyzacji 11. W ten sposób temperatura w obiegach 10, 12 jest utrzymywana przy minimalnym zużyciu energii, gdyż jest ona jedynie potrzebna do dopełniania strat.

W celu ograniczenia do minimum zużycia energii, układ wykorzystuje, na przykład, następujące zasoby: (1) obieg wody gorącej 10, (2) obieg wody zimnej 12; (3) otoczenie budynku 82; (4) pompę ciepła; (5) układ swobodnego chłodzenia; (6) jeden lub więcej bojler 84 (jeśli potrzebne jest dodatkowe ogrzewanie w sezonie zimowym).

Jeśli używane są tylko terminale klimatyzacji dla chłodzenia odczuwalnego oraz jeśli do kontroli wilgotności służy oddzielny układ, możliwe jest utrzymanie stosunkowo wysokiej temperatury w obiegu wody zimnej 12, co w konsekwencji podnosi współczynnik wydajności (COP, coefficient of performance) w chłodzeniu z cyklem sprężania czynnika chłodzącego, lub też daje możliwość większego wykorzystania swobodnego chłodzenia.

Obecnie zajmiemy się omówieniem działania źródła ciepła w odniesieniu do Fig. 4. Pompa ciepła znajdująca się w źródle ciepła 16 może przepompowywać ciepło odebrane z obiegu wody zimnej 12 oraz ciepło zaabsorbowane podczas pracy pompy ciepła do obiegu wody gorącej 10. Po osiągnięciu zadanej temperatury w obiegu wody gorącej 10, nadmiar ciepła jest odprowadzany na zewnątrz (zimny termostat o nieskończonej pojemności 82'). Jeśli chłodzenie jest potrzebne w ciągu sezonu zimowego (na przykład w pomieszczeniach technicznych 18”'), źródło ciepła 16 może użyć zewnętrzne powietrze do swobodnego chłodzenia wody w obiegu wody zimnej 12. Jeśli podczas chłodzenia obciążenia cieplne są mniejsze od maksymalnych, możliwe jest podwyższenie temperatury w obiegu wody zimnej 12 i, co za tym idzie, zwiększenie COP bez utraty kontroli temperatury w pomieszczeniach.

Źródło ciepła 16 utrzymuje również temperaturę w obiegu wody gorącej 10 przy użyciu pompy ciepła. Energia cieplna jest pozyskiwana z obiegu wody zimnej 12 lub, jeśli obieg wody zimnej osiągnął już wymagana temperaturę, z otoczenia (ciepły termostat o nieskończonej pojemności 82”). Jeśli ciepło wytworzone przez pompę ciepła nie jest wystarczające do pokrycia zapotrzebowania na energię cieplną budynku 18, możliwe jest użycie tradycyjnego bojlera 84 do uzupełnienia brakującej części energii.

Układ zarządzania 80 może ocenić przebiegi temperatury w poszczególnych strefach i przetworzyć zebrane dane tak, by wyznaczyć charakterystyczne przebiegi temperatury i wilgotności oraz na

PL 205 308 B1 tej podstawie ustalać przyszłe działania źródła energii 16. Dodatkowo magazynowanie energii w układzie może doprowadzić do lepszego wykorzystania energii cieplnej w układzie ogrzewania i chłodzenia, co w oczywisty sposób przyczynia się do zwiększenia sprawności energetycznej układu. Temperatury w obiegach 10, 12 zmieniają się w zależności od obciążeń termicznych w różnych strefach.

Korzystne wykonanie źródła ciepła pokazano na Fig. 5. Ma ono korzystnie budowę modułową, co ułatwia zastosowanie w różnych sytuacjach. Każdy moduł ma, na przykład, moc chłodzącą równą 150 kW. Możliwe jest równoległe połączenie do szesnastu takich modułów. W ten sposób źródło ciepła 16 jest bardzo uniwersalne i może być stosowane do precyzyjnej kontroli przy skrajnie różnych obciążeniach termicznych. Moduł podstawowy jest korzystnie wyposażony w cztery kompresory 90. Ze względu na korzystne wskaźniki poziomu hałasu i wydajności używane są kompresory śrubowe. Korzystnie czynnikiem chłodzącym jest HFC R407C, zgodnie z normą CEE 2037/2000 dotyczącą ochrony środowiska. Układ skraplaczy 92 korzystnie ma dwa wymienniki ciepła połączone równolegle: jeśli wymagane jest grzanie (pompowanie ciepła lub odzysk ciepła) używany jest skraplacz chłodzony wodą 92' (typu płytowego wymiennika ciepła). W przeciwnym razie ciepło kondensacji jest odprowadzane do atmosfery przez odwracalny wymiennik ciepła ze spiralą 92”. Układ parowników składa się z wymiennika ciepła woda/czynnik chłodzący 94, który jest używany gdy układ pracuje jako chłodziarka razem ze wspomnianym odwracalny wymiennikiem ciepła ze spiralą używanym w trybie pracy jako pompa ciepła. Każdy moduł jest wyposażony w połączenia wody, pompy, zbiornik wyrównawczy i spirale swobodnego chłodzenia 96, przez które przepływa powracająca woda pompowana pompą recyrkulacyjną tylko gdy temperatura powietrza na zewnątrz jest dostatecznie niska, by mieć wkład do chłodzenia. Korzystnie obieg wody zimnej ma zmienny punkt ustawienia temperatury. Przepływy w budynku są sterowane pod nadzorem centralnego układu sterowania 80.

Układ klimatyzacji według wynalazku jest szczególnie polecany do budynków, w których: (1) obciążenia chłodzenia są generalnie znacznie większe niż obciążenia grzewcze; (2) praca w trybie chłodzenia jest wymagana przez cały rok ze względu na wielkość wewnętrznych obciążeń cieplnych oraz jakość izolacji budynku.

Korzystnie sterowanie układem klimatyzacji odbywa się na trzech poziomach (patrz Fig. 6.): (1) poziom mikroklimatu 100: śledzenie ustawień temperatury i wilgotności w każdej strefie (kontrola lokalna); (2) poziom instalacji 102: utrzymanie zadanych temperatur w obiegach wody; (3) poziom systemowy 104: optymalizacja zużycia energii i minimalizacja kosztów z uwzględnieniem oddziaływania budynku z instalacją przy użyciu kontroli adaptacyjnej i technik prognozowania obciążeń termicznych.

Poziom mikroklimatu 100 uwzględnia kontrolę w każdej strefie. Użytkownik zadaje ustawienia, które moduł kontrolny 106 utrzymuje przy pomocy trójdrożnego zaworu spirali chłodzącej lub grzewczej.

Poziom instalacji 102 uwzględnia pracę źródła ciepła 16. Monitoruje on temperaturę w obiegu wody zimnej 12, mierzy odchylenie od zadanej wartości i zapewnia odpowiednie chłodzenie. Jeśli chodzi o wytwarzanie zimnej wody, źródło ciepła 16 monitoruje również temperaturę na zewnątrz budynku w celu uwzględnienia możliwości zastosowania swobodnego chłodzenia.

Poziom systemowy 104 uwzględnia optymalizację zużycia energii/optymalizację kosztów. Kontrola układu opiera się na analizie przebiegów warunków pracy układu i warunkach brzegowych przy użyciu algorytmu, który podnosi zadana temperaturę w obiegu wody zimnej 12 tak wysoko, jak to możliwe w celu zwiększenia całkowitej sprawności energetycznej. Pomiar temperatury powracającej wody w obiegu wody gorącej 10 pozwala określić zapotrzebowanie na ogrzewanie oraz umożliwia określenie warunków pracy po stronie skraplacza (chłodzonego wodą lub powietrzem). Temperatura kondensacji, w pracy z odzyskiem ciepła, określona jest przez zapotrzebowanie na energię do wytworzenia wody o temperaturze dostatecznej do zasilania spirali grzewczych. W analizowanym typie budynku, dostępne ciepło jest zawsze wystarczające do zaspokojenia potrzeb grzewczych. Układ może również wymusić pewne działania w celu osiągnięcia maksymalnej oszczędności energii w dłuższym czasie, na przykład: magazynować gorącą lub zimną wodę oraz kontrolować swobodne chłodzenie. Generalnie dotyczy to zmiany pewnych parametrów w algorytmie sterującym aby wymusić magazynowanie energii na bazie analizy przebiegów parametrów cieplnych budynku lub regulacji parametrów i obserwowania reakcji układu.

Na poziomie mikroklimatu 100 temperatura w różnych strefach (mających jeden lub więcej terminali klimatyzacji 14) jest utrzymywana na zadanym poziomie przez otwieranie i zamykanie zaworów spiral grzewczych i chłodzących. Wilgotność jest kontrolowana przez niezależne układy osuszania powietrza.

PL 205 308 B1

Na poziomie instalacji, źródło ciepła mierzy temperaturę wody powracającej w obiegu wody zimnej 12 i ocenia zapotrzebowanie na chłodzenie (do którego musi być jeszcze dodane obciążenie chłodzenia przez algorytm magazynowania energii działający na trzecim poziomie kontroli). Częściowe otwieranie zaworów trójdrożnych 110, 112 z terminalach klimatyzacji (porównaj Fig. 2.) pozwala maksymalnie zwiększyć temperaturę w obiegu wody zimnej zgodnie z oszacowanym obciążeniem cieplnym.

Na podstawie tych danych algorytm sterujący na poziomie 3. zwiększa zadaną temperaturę wody zasilającej biorąc pod uwagę ograniczenia wynikające z przebiegów parametrów w klimatyzowanej przestrzeni przy jednoczesnym maksymalnym zwiększeniu sprawności energetycznej. Algorytm ocenia obciążenia cieplne w poszczególnych strefach biorąc pod uwagę nominalną pojemność i tolerancję ustawienia temperatury w danej strefie. Ten sam algorytm ocenia również możliwość użycia swobodnego chłodzenia przy danych warunkach. Wszystkie te czynniki są skorelowane ponieważ podwyższenie zadanej temperatury wody podnosi wydajność oszczędzania energii. Algorytm uwzględnia również wartość użycia chłodzenia swobodnego w stosunku do zapotrzebowania obiegu wody gorącej przez porównanie kosztów chłodzenia przez sprężanie czynnika chłodzącego z kosztem podgrzewania przy użyciu bojlera. Po ustaleniu warunków pracy związanych z obciążeniem chłodzenia, oblicza się ilość ciepła, która może być odzyskana. Szacuje się zapotrzebowanie obiegu wody gorącej po czym system kontroli na poziomie 3. ocenia następujące możliwości. Jeśli istnieje natychmiastowe zapotrzebowanie na ciepło mniejsze niż dostępna energia cieplna, używa się odzysku ciepła, a różnica jest odprowadzana przez chłodzony powietrzem skraplacz. Odzysk ciepła wpływa niekorzystnie na temperaturę kondensacji. Jeśli istnieje natychmiastowe zapotrzebowanie na ciepło większe niż dostępna energia cieplna, układ decyduje, na bazie analizy kosztów opartej głównie na wskaźniku PER (wskaźnik energii pierwotnej, primary energy ratio) pompy ciepła oraz sprawności bojlera, jak wygenerować potrzebne dodatkowe ciepło. Jeśli zapotrzebowanie na energię nie jest natychmiastowe, pewna część energii cieplnej może być zmagazynowana w zasobniku w obiegu wody gorącej.

Na trzecim poziomie sterowania 104 ocenia się wydajność układu w długim okresie czasu w porównaniu z poprzednim okresem. Na podstawie rezultatów takiego porównania modyfikuje się parametry algorytmu kontrolnego, takie jak zadane temperatury w obiegach oraz określa się „fikcyjne” obciążenia cieplne w celu większego wykorzystania odzysku ciepła gdy rzeczywiste obciążenia nie są w fazie tak, by uzyskać maksymalną sprawność.

Kontrolna na trzecim poziomie określa również parametry pracy źródła ciepła (temperaturę wody zimnej, podział między kondensację wodną i powietrzną, podział między parowanie wodne i powietrzne).

Opis programu do symulacji

W celu zasymulowania całego układu klimatyzacji użyto program komputerowy. W obrębie głównego programu znajduje się wiele podprogramów, przy czym każdy z nich opisuje jeden element układu.

Jako parametry WEJŚCIOWE zadaje się przebiegi: obciążeń cieplnych i chłodzących, temperaturę powietrza na zewnątrz, wymaganą temperaturę w obiegach wody zimnej i gorącej. Na WYJŚCIU dostaje się parametry pracy obiegu chłodzącego (temperaturę i ciśnienie w różnych punktach), przepływy ciepła, parametry elektryczne silnika oraz współczynniki wydajności (COP) chłodziarki i pompy ciepła.

Program symulacyjny uwzględnia również użycie wymiennika ciepła do chłodzenia swobodnego, jeśli jest ono możliwe w danych warunkach pracy.

Program symulacyjny kładzie nacisk na oszczędzanie energii przez staranne nią zarządzanie. Optymalizacja zakłada pracę przy najwyższej możliwej temperaturze wody powrotnej w obiegu wody zimnej i najniższej w obiegu wody gorącej, które wciąż umożliwiają sprostanie obciążeniom grzewczym i chłodniczym. Spełnienie tych warunków nie zawsze jest proste w obecności obciążeń termicznych o zmiennych amplitudach i częstościach między strefami. Kilka terminali w szczególnie niekorzystnej sytuacji może narzucić poziom temperatur, który będzie zbyt dużym obciążeniem dla układu. W takim wypadku konieczne jest ustalenie, czy temperatura płynu w obu obwodach ma być ustalona na podstawie średniego zapotrzebowania w strefach a nie na tych kilku terminalach znajdujących się w szczególnie wymagających warunkach. Układ kontroli musi brać pod uwagę obecność bezwładności cieplnej, i musi być w stanie wygładzać przebiegi obciążeń termicznych w czasie.

W dalszej części zostaną podane przykłady potencjalnych oszczędności energii przy zastosowaniu przedstawionej filozofii sterowania. Zaproponowano też kilka podstawowych schematów ich praktycznej realizacji.

Program symulacyjny umożliwia ustalenie punktu równowagi między różnymi elementami układu. W uproszczeniu, określa on temperatury kondensacji i parowania, które prowadzą do wyrównania

PL 205 308 B1 przepływów czynnika chłodzącego przez kompresor, skraplacz i parownik, używając przy tym zadanych wartości przegrzania pary na wyjściu parownika (która jest pewną funkcją kalibracji termostatycznego zawory rozprężania) i przechłodzenia cieczy na wyjściu skraplacza (generalnie określanej przez użytkownika w przypadku skraplacza cieczowego lub równej zero gdy używa się odbiornika cieczy). Przyjmuje się, że urządzenie rozprężające, na przykład zawór termostatyczny, nie wpływa na pracę obwodu, przy czym dostosowuje się do warunków równowagi wyznaczonych przez trzy główne składniki. Zbieżność parametrów układu do stanu równowagi uzyskuje się stosując metodę sekansa do zredukowania do zera dwóch błędów zdefiniowanych jako względne odchylenia między dwoma wartościami przepływów czynnika chłodzącego a trzecią wartością przepływu.

Do określenia wymaganych przez procedury obliczeniowe programu do symulacji właściwości czynnika chłodzącego stosuje się podprogram interpolacji (REFPINT) oparty na danych wygenerowanych przez program REFPROP z NIST. Choć wszystkie powszechnie stosowane czynniki chłodzące zostały uwzględnione w podprogramie, niniejsza analiza dotyczy wyłącznie zeotropowej mieszaniny R407C. W tym wypadku zmiana temperatury podczas fazowej przemiany izobarycznej została przyjęta jako liniowa funkcja entalpii.

Jak wspomniano powyżej, układ klimatyzacji został zaprojektowany jako system modułowy z możliwości wielostopniowej kontroli. Aby zapewnić dużą elastyczność sterowania oraz zwiększyć sprawność energetyczną, w przypadku obciążeń cieplnych zmieniających się znacząco w czasie i z położeniem, układ składa się z n identycznych modułów, przy czym każdy z modułów ma pewna liczbę kompresorów 90 pracujących równolegle, skraplacz płytowy 92', parownik płytowy 94, żebrowaną spiralę 92” (która może pracować jako skraplacz albo jako parownik) i chłodzoną powietrzem spiralę 96 do swobodnego chłodzenia. Kontrola pojemności nie odbywa się na poziomie pojedynczego kompresora 90, który w związku z tym pracuje w warunkach nominalnych, ale jest wielostopniowa, a poszczególne moduły są, zależnie od obciążenia, włączane i wyłączane.

Program określa liczbę pracujących modułów na podstawie zapotrzebowania na grzanie/chłodzenie w danym momencie. Jeśli obciążenie nie może być przejęte przez całkowitą liczbę modułów, program określa liczbę n modułów zdolnych do przejęcia obciążenia i liczbę n-1, tuż poniżej obciążenia. Procentowy udział czasu pracy modułu, który musi być włączony i wyłączony jest więc określany na podstawie pojemności, jaką musi on zapewnić.

Pojedynczy moduł zawiera pewną liczbę kompresorów 90, podwójny skraplacz 922, 92”, zawór rozprężający oraz podwójny parownik 922, 94. Zespół hermetycznych kompresorów typu śrubowego ma nominalna moc chłodzącą 150 kW. W programie zespół kompresorów reprezentuje podprogram, w którym dana jest krzywa pracy kompresora. Parowniki są reprezentowane przez dwa podprogramy: jeden, który odpowiada wymiennikowi ciepła woda-czynnik chłodzący i drugi, który odpowiada wymiennikowi ciepła powietrze-czynnik chłodzący. Pierwszy z tych wymienników ma lutowane płyty ze stali nierdzewnej i jest opisany przez krzywe wydajności. Drugi ma postać żebrowanej spirali, przy czym założono doskonałe przepływy obu płynów w przeciwnych kierunkach. Model przyjęty do symulacji jest analityczny i opiera się na podzieleniu wymiennika ciepła na skończona liczbę elementów, przy czym w każdym z nich zakład się stałe własności płynów i stały współczynnik przewodzenia ciepła. Zależnie od średniej temperatury na powierzchni, element może być traktowany jako suchy (występuje jedynie przepływ ciepła jawnego, gdy temperatura punktu rosy przekracza temperaturę na powierzchni) lub mokry (występuje przepływ ciepła oraz przemiana fazowa, gdy temperatura punktu rosy jest poniżej temperatury na powierzchni). W tym drugim wypadku potencjały przepływu ciepła są określone przez entalpię wilgotnego powietrza między powietrzem i metalem oraz różnicę temperatur metalu i płynu wewnątrz. Różnice w sprawności żeberka spirali wynikające z różnych reżimów przekazywania ciepła dla żeberka suchego i mokrego muszą być również brane pod uwagę. Tak jak w przypadku parowników, użyto dwóch różnych skraplaczy: jednego dla wody (płytowego) i drugiego dla powietrza (żebrowana spirala). Dla pierwszego z nich przyjęto krzywe wydajności dostarczone przez producenta, a dla drugiego użyto analitycznego modelu symulującego żebrowaną spiralę o przeciwnych przepływach. Zawór rozprężający jest opisany prostym rozprężaniem ze stałą entalpią między wyjściem skraplacza i wejściem parownika.

Symulacje

Na Fig. 7. pokazano zachowanie układu klimatyzacji podczas serii testów przy temperaturze zewnętrznej 10°C. Założenie to nie jest konieczne, lecz zostało poczynione dla pokazania możliwości układu. Wykres pokazuje stosunek zapotrzebowania na chłodzenie i obciążenia cieplnego w celu ukazania zmian różnych parametrów gdy obciążenie chłodnicze zmienia się od maksymalnej do minimalnej wartości. Na osi odciętych pokazane są temperatury wody zasilającej i powrotnej w strefach oraz,

PL 205 308 B1 po drugiej stronie, moc pobierana przez kompresor. Energia ta podana jest w sensie energii pierwotnej (elektrycznej) w celu łatwego porównania między układem konwencjonalnym i układem z całkowitym bądź częściowym odzyskiem ciepła do ogrzewania w sezonie zimowym. Pobierana moc (oznaczona P_ep) została obliczona w odniesieniu do konwencjonalnego układu termoelektrycznego o całkowitej sprawności (wliczając straty przesyłowe) równej 0,33. Kiedy układ pracuje w sezonie zimowym możliwe jest, dla zaspokojenia obciążeń grzewczych, użycie dodatkowego bojlera. W tym wypadku energia pobierana przez bojler powinna być wzięta pod uwagę w obliczeniu energii całkowitej, przy założeniu sprawności bojlera równej 0,9.

Zakładana temperatura powietrza we wnętrzu wynosi 24°C. Temperatura wody została obliczona według dwóch różnych schematów sterowania. W pierwszym z nich układ jest sterowany skokowo i dostarcza zimną wodę do obiegu wody zimnej o temperaturze 7°C. Przy częściowych obciążeniach, kontrola pojemności cieplnej w poszczególnych strefach jest osiągnięta dzięki sterowaniu przepływem zimnego płynu w wymiennikach ciepła terminali. Ten typ kontroli będzie nazywany kontrolą ze stałą temperaturą. Drugi schemat umożliwia podwyższenie temperatury zimnej wody dostarczanej do stref powyżej tradycyjnego poziomu 7°C gdy obciążenie chłodzeniem jest mniejsze niż nominalne. Schemat kontroli zakłada że taki wzrost temperatury osiągnie maksymalną wartość przy której będzie wciąż wystarczająca do przejęcia obciążenia chłodzeniem przy wydajnej pracy wymienników ciepła. W rezultacie COP wzrasta podczas pracy z częściowym obciążeniem, jako że ciśnienie parowania rośnie wraz ze wzrostem temperatury zimnej wody. Ten typ kontroli będzie nazywany kontrolą ze zmienną temperaturą.

Wykres pokazuje jasno zaletę kontroli ze zmienną temperaturą kiedy układ pracuje z częściowym obciążeniem. Gdy zapotrzebowanie na chłodzenie spada, temperatura wody dostarczanej do stref rośnie, a wraz z nią temperatura parowania do momentu gdy, przy zerowym obciążeniu, równa się temperaturze powietrza. W trybie kontroli ze stałą temperaturą temperatura wody dostarczanej do wynosi stale 7°C niezależnie od spadku obciążenia.

Wzrost COP związany ze wzrostem temperatury parowania powoduje w konsekwencji obniżenie energii zużywanej w ciągu dnia. Na Fig. 7. widać że w przypadku pracy ze stałą temperaturą zmienia się ona liniowo z pojemnością cieplną, podczas gdy obniża się przy pracy ze zmienną temperaturą. Maksymalna oszczędność energii jest na poziomie 50% obciążenia cieplnego, jako że ilość zużywanej energii jest taka sama przy obciążeniu 100% jak i 0%.

Na Fig. 7. krzywa zużycia energii jest pokazana przy uwzględnieniu możliwości pracy ze swobodnym chłodzeniem. Może się tak dziać, kiedy temperatura powietrza na zewnątrz jest dostatecznie niska by mogło być ono źródłem chłodzenia swobodnego zastępującym chłodzenie mechaniczne. Oczywiste jest, że chłodzenie swobodne można dużo łatwiej wykorzystać przy pracy ze zmienną niż ze stałą temperaturą. Dzieje się tak, ponieważ znaczący wzrost temperatury powrotnej wody z obiegu wody zimnej przy częściowym obciążeniu oznacza dużo większy transfer ciepła w spirali chłodzenia swobodnego.

Uruchomienie chłodzenia swobodnego jest widoczne na wykresie jako szybki spadek zużycia energii, który osiąga zero przy częściowych obciążeniach mniejszych niż 40%. Trzeba podkreślić, iż przebiegi na Fig. 7. pokazane są jako linie ciągłe choć układ pracuje skokowo, jako że oparte są one na wartościach średnich dla pełnego cyklu układu. Istotne jest również, że układ może pracować, zarówno w trybie kontroli ze stałą, jak i zmienną temperaturą, w połączeniu ze swobodnym chłodzeniem gdy to możliwe, korzystając z ciepła kondensacji gdy tylko istnieje jednoczesne zapotrzebowanie na grzanie i chłodzenie. Może się tak dziać zimą i w porach przejściowych. Aby uwzględnić ten efekt, opracowano dwa dodatkowe tryby pracy. Oba z nich uwzględniają odzysk ciepła kondensacji oraz możliwość zmian temperatury wody wejściowej. Pierwszy tryb kontroli zakłada, że moduł układu pracuje z dwoma skraplaczami 92, 92' połączonymi równolegle. W skraplaczu płytowym 92' ciepło jest odzyskiwane w tak, by zrównoważyć obciążenie cieplne przy użyciu wody o temperaturze 45°C w terminalach, podczas gdy w skraplaczu ze spiralą 92” nadmiar ciepła kondesacji jest rozpraszany. W przypadku, gdy moduł nie jest w stanie zaspokoić zapotrzebowania na ciepło, używa on skraplacza płytowego 92' z całkowitym odzyskiem, a dodatkowy moduł zaczyna pracować z częściowym odzyskiem. W profilach obciążeń pokazanych w przykładach taka możliwość nigdy nie występuje. Taki tryb pracy będzie dalej nazywany „ciągłym odzyskiem”.

W drugim trybie z odzyskiem ciepła moduł lub moduły pracują z odzyskiem ciepła zawsze z pełną mocą, to znaczy wykorzystują maksymalnie ciepło kondensacji w płytowym wymienniku ciepła 92' nawet jeśli odzyskane ciepło jest mniejsze niż ciepło kondensacji. Taka metoda odzysku oznacza że moduł pracuje z przerwami. W symulacjach przyjęto, że ze względu na dostatecznie dużą bezwładność cieplną układu zmiany temperatury tym spowodowane są zaniedbywalne. Kiedy moduł nie musi dostarczać

PL 205 308 B1 ciepła pracuje on normalnie ze skraplaczem chłodzonym powietrzem. Taki tryb pracy będzie dalej nazywany „okresowym odzyskiem”. Jasne jest, że metoda ta pozwala na większe oszczędności energii w porównaniu z ciągłym odzyskiem ponieważ nie traci się energii w związku z podwyższaniem temperatury kondensacji w skraplaczu chłodzonym powietrzem do temperatury w skraplaczu chłodzonym wodą.

W dalszej części przedstawione są wyniki badań nad układem w różnych trybach pracy opisanych wyżej w odniesieniu do obciążeń typowych dla budynków technologicznych.

Aby wykonać kompletną analizę konieczne było przestudiowanie zachowania układu w różnych porach roku. Charakterystyczne profile obciążeń pokazano w tabeli 1.

T a b e l a 1. Profile obciążeń

	styczeń	marzec	lipiec
Czas (godzina)	P1 [kWh]	P2 [kWh]	P1 [kWh]	P2 [kWh]	P1 [kWh]	P2 [kWh]
1:00-2:00	375,0	0,0	375,0	0,0	375,0	0,0
3:00-4:00	487,5	0,0	487,5	0,0	487,5	0,0
5:00-6:00	562,5	0,0	562,5	0,0	562,5	0,0
7:00-8:00	637,5	0,0	637,5	0,0	637,5	0,0
9:00-16:00	675,0	75,0	712,5	37,5	750,0	0,0
17:00-18:00	637,5	0,0	637,5	0,0	637,5	0,0
19:00-20:00	562,5	0,0	562,5	0,0	562,5	0,0
21:00-22:00	487,5	0,0	487,5	0,0	487,5	0,0
23:00-24:00	375,0	0,0	375,0	0,0	375,0	0,0

Różnią się one jedynie obciążeniami termicznymi pomieszczeń biurowych, które przyjęto jako stałe podczas normalnego dnia pracy i równe zero podczas pozostałej części dnia. Obciążenia mogą być chłodzące lub grzewcze zależnie od pory roku. W lipcu istnieje jedynie zapotrzebowanie na chłodzenie, zarówno w pomieszczeniach technologicznych jak i biurowych. Styczeń i marzec wykazują zmniejszenie chłodzenia w pomieszczeniach biurowych, które później wymagają ogrzewania. Dla zanalizowania trybu pracy podczas różnych miesięcy uwzględniono temperaturę i wilgotność w regionie Padwy podczas typowego dnia [x].

Wyniki symulacji

Styczeń

Na fig. 8. pokazano godzinny diagram zużycia energii dla czterech trybów pracy opisanych powyżej. Przejście od stałej do zmiennej temperatury zadanej pozwala na oszczędność energii rzędu 50%. Jak pokazano wcześniej, możliwe jest to dzięki możliwości użycia cieplejszej wody do stref co znacząco zwiększa różnicę temperatur między mini i temperaturą powietrza na zewnątrz i tym samym zwiększa ilość ciepła, które może być wymieniane w spirali swobodnego chłodzenia. Tryb pracy z odzyskiem ciepła dodatkowo zmniejsza zużycie energii. W szczególności, warto zauważyć że w trybie pracy ze zmienną temperaturą, ciągły odzysk tylko nieznacznie poprawia wydajność. Można to wytłumaczyć biorąc pod uwagę niewielkie, w porównaniu z chłodzeniem, zapotrzebowanie na ogrzewanie, ponieważ zysk energii podczas odzysku ciepła jest częściowo równoważony przez straty sprawności spowodowane wyższym ciśnieniem kondensacji, przy którym układ musi pracować by podgrzać gorącą wodę do temperatury 45°C. Ta strata energii jest ograniczona do minimum w przypadku odzysku okresowego ponieważ układ wykorzystuje ciepło skraplacza bardziej efektywnie i w efekcie sprawność układu jest znacząco wyższa. Dla natychmiastowego porównania wydajności energetycznej przy różnych trybach kontroli, w tabeli 2. pokazano zużycie energii w każdym w trzech rozpatrywanych miesięcy. Można zauważyć, że nie używając ciepła ze skraplacza, uzyskuje się w trybie zmiennej temperatury oszczędność zużycia energii elektrycznej równą 50,7%, co przekłada się na oszczędność ekonomiczną tego samego rzędu. W trybach z odzyskiem ciepła, oszczędność energii odnosi się do różnych typów energii (elektrycznej i cieplnej), które choć mogą być porównywane dzięki koncepcji energii pierwotnej, nie mogą być jednoznacznie przełożone na oszczędności ekonomiczne.

PL 205 308 B1

Marzec

Podobnie jak dla stycznia, Fig. 9. pokazuje godzinny diagram zużycia energii dla czterech trybów pracy opisanych powyżej. W tym wypadku widać, że oszczędność związana z przejściem od trybu pracy ze stałą temperaturą do trybu ze zmienną temperaturą jest mniejsza niż w przypadku stycznia gdyż możliwość użycia swobodnego chłodzenia jest zmniejszona ze względu na wyższą temperaturę powietrza na zewnątrz. Jeśli chodzi o pracę z odzyskiem ciepła, ewidentne jest, że ciągły odzysk pogarsza sprawność przez kilka godzin podczas dnia w porównaniu z innymi trybami pracy. W tym przypadku zapotrzebowanie na ogrzewanie jest mniejsze niż podczas miesię cy zimowych, tak że zysk z odzysku ciepła nie równoważy spadku efektywności spowodowanego wzrostem ciśnienia kondensacji. W trybie odzysku okresowego spadek ten nie ma miejsca gdyż, jak wyjaśniono wyżej, ciepło kondensacji jest wykorzystywane z maksymalną sprawnością.

Lipiec

Z analizy godzinowych przebiegów zużycia energii w trybie pracy ze stałą temperaturą i ze zmienną temperaturą wynika, że oszczędność energii jest tym większa, im bardziej warunki odbiegają od tych z maksymalnym obciążeniem stosowanym podczas godzin porannych i popołudniowych, to znaczy - im większa praca z częściowym obciążeniem, tym większe oszczędności.

Wyjaśniają to wykresy temperatury wody na wejściu w dwóch trybach pracy pokazane na Fig. 10. gdzie widać iż przy pracy ze zmienną temperaturą, temperatura wody rośnie kiedy obciążenie spada. W Tabeli 2. pokazano dzienne zuż ycie energii. Procentowa oszczę dność energii nie jest szczególnie duża ponieważ podczas godzin maksymalnego obciążenia zachowanie układu w obu trybach pracy jest jednakowe. Warto jednak zwrócić uwagę na całkowitą bezwzględną oszczędność energii.

T a b e l a 2.

Dzienne zużycie energii w różnych porach roku [kWh/dzień]

	pochłonięta energia	różnica w porównaniu do trybu pracy ze stałą temperaturą	różnica w procentach
	[kWh/dzień]	[kWh/dzień]	[%]
styczeń
tryb stałej temperatury	2794
tryb zmiennej	1378	-1414	-50,7
temperatury
tryb zmiennej temperatury oraz ciągły odzysk	1220	-1572	-56,3
tryb zmiennej temperatury oraz okresowy odzysk	964	-1828	-65,5
marzec
tryb stałej temperatury	7623
tryb zmiennej temperatury	4628	-2996	-39,3
tryb zmiennej temperatury oraz ciągły odzysk	5118	-2505	-32,9
tryb zmiennej temperatury oraz okresowy odzysk	4364	-3260	-42,8
lipiec
tryb stałej temperatury	10660
tryb zmiennej temperatury	10136	-524	-4,9

Warto zwrócić uwagę, że w styczniu i marcu temperatura powietrza na zewnątrz pozwala na użycie funkcji swobodnego chłodzenia przez kilka godzin w ciągu dnia zależnie od strategii kontroli.

PL 205 308 B1

Claims

1. Układ klimatyzacji w budynku posiadający: obieg wody gorącej; obieg wody zimnej; pewną liczbę terminali klimatyzacji, przy czym każdy terminal posiada wentylator tłoczący powietrze w przestrzeni wewnątrz budynku, spiralę grzewczą połączoną do obiegu wody gorącej i/lub spiralę chłodzącą połączoną do obiegu wody zimnej; oraz przynajmniej jeden układ kontrolujący temperaturę otoczenia pozwalający kontrolować moc grzewczą spirali grzewczych oraz moc chłodzącą spirali chłodzących, znamienny tym, że posiada układ zarządzania energią cieplną z pompą ciepła, która przepompowuje energię cieplną z obiegu wody zimnej do obiegu wody gorącej.

2. Układ klimatyzacji według zastrz. 1, znamienny tym, że układ zarządzania energią cieplną z pompą ciepła dodatkowo przepompowuje energię cieplną z obiegu wody zimnej do atmosfery oraz z atmosfery do obiegu wody gorącej, przy czym układ zarządzania energią cieplną zarządza energią cieplną tak, by zoptymalizować zużycie energii.

3. Układ klimatyzacji według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że optymalizacja zużycia energii opiera się na minimalizacji całkowitego zużycia energii lub na minimalizacji całkowitego kosztu energii zużywanej przez układ klimatyzacji.

4. Układ klimatyzacji według jednego z zastrzeżeń od 1 do 3, znamienny tym, że układ zarządzania energią cieplną posiada dodatkowo wymiennik ciepła powietrze/woda umożliwiający przekaz energii cieplnej z obiegu wody zimnej do atmosfery.

5. Układ klimatyzacji według jednego z zastrzeżeń od 1 do 4, znamienny tym, że posiada dodatkowo generator ciepła wytwarzający energię cieplną i przekazujący ją do obiegu wody gorącej.

6. Układ klimatyzacji według jednego z zastrzeżeń od 1 do 5, znamienny tym, że posiada dodatkowo zasobnik energii chłodzącej, przy czym układ zarządzania energią cieplną pobiera energię z tego zasobnika w celu jego ładowania oraz przekazywać energię cieplną z obiegu wody zimnej do zasobnika energii chłodzącej.

7. Układ klimatyzacji według jednego z zastrzeżeń od 1 do 6, znamienny tym, że posiada dodatkowo zasobnik energii cieplnej, przy czym układ zarządzania energią cieplną dostarcza energię do tego zasobnika w celu jego ładowania oraz przekazywać energię cieplną z zasobnika energii cieplnej do obiegu wody gorącej.

8. Układ klimatyzacji według jednego z zastrzeżeń od 1 do 7, znamienny tym, że układ zarządzania energią cieplną monitoruje zapotrzebowanie na energię chłodzącą/cieplną dla każdego terminala klimatyzacji oraz zmieniać punkt ustawienia w obwodach wody zimnej i gorącej w zależności od zapotrzebowania na energię chłodzącą/cieplną dla terminali klimatyzacji.

9. Układ klimatyzacji według jednego z zastrzeżeń od 1 do 8, znamienny tym, że układ zarządzania energią cieplną zarządza przekazem energii cieplnej z uwzględnieniem całkowitego zapotrzebowania na ogrzewanie/chłodzenie budynku, parametrów pogodowych na zewnątrz budynku oraz kosztów energii.

10. Układ klimatyzacji według jednego z zastrzeżeń od 1 do 9, znamienny tym, że obieg wody zimnej oraz obieg wody gorącej posiadają połączenia wyposażone w szybkozłącza rozmieszczone w regularnych odstępach do przyłączenia odpowiednio spirali chłodzących i spirali grzewczych przy pomocy elastycznych przewodów.

11. Układ klimatyzacji według jednego z zastrzeżeń od 1 do 10, znamienny tym, że terminale klimatyzacji są umieszczone w przestrzeni technologicznej pod podłogą lub nad podwieszanym sufitem przy czym wentylatory terminali klimatyzacji pobierają powietrze z komory powietrznej pod podłogą.

12. Układ klimatyzacji według zastrz. 11, znamienny tym, że terminal klimatyzacji posiada: modułową obudowę zamocowana pod podłogą, przy czym modułowa obudowa posiada wylot powietrza połączony do wlotowej kratki wentylacyjnej umieszczonej w podłodze oraz wlot powietrza otwarty na komorę powietrzną; wentylator, zamocowany w modułowej obudowie, który pobiera powietrze z przestrzeni technologicznej przez wlot powietrza i wydmuchuje je przez wylotową kratkę wentylacyjną do pomieszczenia znajdującego się nad podłogą; spiralę grzewczą podłączoną do obiegu wody gorącej i/lub spiralę chłodzącą podłączoną do obiegu wody zimnej, przy czym spirala grzewcza i chłodząca są zamontowane w modułowej obudowie między wentylatorem a wylotem powietrza.

13. Układ klimatyzacji według zastrz. 12, znamienny tym, że terminal klimatyzacji posiada dodatkowo element filtrujący umieszczony w modułowej obudowie, przy czym element filtrujący jest wymieniany przez otwór inspekcyjny w podłodze.

PL 205 308 B1

14. Układ klimatyzacji według zastrz. 13, znamienny tym, że terminal klimatyzacji posiada modułową obudowę zamocowana pod podłoga, przy czym modułowa obudowa posiada wylot powietrza połączony do wylotowej kratki wentylacyjnej otwartej na pomieszczenie umieszczonej w podłodze oraz komorę mieszającą z kanałem powrotnym powietrza i kanałem świeżego powietrza; wentylator, zamocowany w modułowej obudowie, który pobiera powietrze z komory mieszającej przez wlot powietrza i wydmuchuje je przez wylotową kratkę wentylacyjną do pomieszczenia znajdującego się nad podłogą; układ chłodzenia przez rozprężanie do chłodzenia i osuszania powietrza zamocowany w modułowej obudowie przy czym układ chłodzenia posiada chłodzony wodą skraplacz połączony z obiegiem wody zimnej; spiralę grzewczą umieszczoną w modułowej obudowie i połączoną z obiegiem wody gorącej do podgrzewania powietrza po osuszeniu.

15. Układ klimatyzacji według zastrz. 9, znamienny tym, że posiada układ wstępnego przygotowania świeżego powietrza wstępnie przygotowujący świeże powietrze i podający je do komory powietrznej.

16. Układ klimatyzacji według jednego z zastrzeżeń od 1 do 15, znamienny tym, że układ dostarczania energii posiada: przynajmniej jeden kompresor czynnika chłodzącego; chłodzony wodą skraplacz dla czynnika chłodzącego, przy czym chłodzony wodą skraplacz jest połączony do obiegu wody gorącej i przekazuje energię kondensacji do obiegu wody gorącej; parownik dla czynnika chłodzącego połączony do obiegu wody zimnej, który odbiera energię parowania z obiegu wody zimnej; chłodzony powietrzem skraplacz dla czynnika chłodzącego połączony równolegle do skraplacza chłodzonego wodą, przy czym skraplacz chłodzony powietrzem oddaje do atmosfery nadmiar energii kondensacji; oraz spiralę chłodzącą połączoną szeregowo z parownikiem w obiegu wody zimnej.

17. Układ klimatyzacji według zastrz. 16, znamienny tym, że chłodzony powietrzem skraplacz jest wymiennikiem ciepła pomiędzy powietrzem i czynnikiem chłodzącym i działa on również jako parownik dla czynnika chłodzącego pobierając energię parowania z atmosfery.