Автор: технічний відділ Mycond
Інтеграція осушувачів повітря з системами опалення та тепловими насосами дозволяє значно підвищити загальну енергоефективність інженерних систем будівель. Особливо актуальним це рішення стає для об'єктів зі стабільними вологовиділеннями – басейнів, пралень, фармацевтичних виробництв. Правильно спроектована система утилізації відкинутого тепла конденсатора дозволяє отримати значну економію енергоресурсів при мінімальних додаткових капіталовкладеннях.
Тепловий баланс осушувача холодильного типу: джерело відкинутого тепла
Осушувач холодильного типу працює за термодинамічним циклом стиснення-розширення холодоагенту. Процес осушення полягає в охолодженні повітря на випарнику нижче точки роси, конденсації вологи та подальшому нагріві повітря на конденсаторі. В результаті повітря втрачає частину вологи, але отримує додаткове тепло.
Енергетичний баланс конденсатора має чітке формулювання: теплота на конденсаторі дорівнює сумі трьох складових:
1. Прихована теплота конденсації вологи – це енергія, що виділяється при конденсації водяної пари на випарнику. Вона обчислюється як продуктивність осушення в кілограмах на годину, помножена на теплоту пароутворення, яка залежить від температури конденсації (зазвичай 2300-2500 кДж/кг). Важливо розуміти, що теплота пароутворення не є константою і береться з таблиць водяної пари для конкретної температури.
2. Робота компресора – електрична потужність, що споживається компресором. Цей параметр береться з технічних даних осушувача або розрахунку холодильного циклу.
3. Явне тепло повітря – додатковий нагрів повітря, що проходить через осушувач, залежить від конструкції та режиму роботи.
Психрометричний процес при роботі осушувача на h-d діаграмі виглядає так: спочатку повітря охолоджується на випарнику з одночасним осушенням (зниження ентальпії та вологовмісту), а потім нагрівається на конденсаторі (підвищення ентальпії при постійному вологовмісті).
Теоретичні основи утилізації тепла: потенціал конденсатора та температурні рівні
Температура конденсації холодоагенту відрізняється від температури теплоносія. Конденсація холодоагенту відбувається при температурі, що залежить від температури охолоджуючого середовища (повітря або води) плюс температурний напір теплообмінника. Для повітряного конденсатора в приміщенні з температурою 25°C, температура конденсації може становити 35-45°C. Для водяного конденсатора при температурі води 30°C, температура конденсації може становити 40-50°C. Ці значення не є універсальними константами, а результатом розрахунку для конкретних умов.
Для оцінки ефективності осушувача використовується коефіцієнт перетворення енергії (COP). COP тепловий дорівнює відношенню теплоти на конденсаторі до роботи компресора. Це показник теплової віддачі відносно електроспоживання. COP холодильний дорівнює відношенню теплоти на випарнику до роботи компресора. Для осушувачів у каталогах часто вказують SMER (Specific Moisture Extraction Rate) у літрах або кілограмах на кіловат-годину, що є іншим показником, ніж COP.
Порівняно з тепловим насосом типу повітря-вода, осушувач має перевагу в стабільності роботи випарника, оскільки працює з внутрішнім повітрям при температурі 20-25°C, тоді як тепловий насос використовує зовнішнє повітря, температура якого взимку може становити від -10°C до +10°C.
Потенціал утилізації тепла залежить від різниці температур, типу теплообмінника та режиму роботи. За умови правильного підбору теплообмінника та узгодження температурних рівнів можливе відведення більшої частини теплоти конденсатора в корисне навантаження. Слід враховувати, що підвищення температури конденсації при підвищенні температури охолоджуючої води знижує ефективність холодильного циклу.
Схеми інтеграції: три базові підходи
Існує три основні схеми інтеграції осушувача з системами опалення:
1. Окремий водяний теплообмінник (пластинчастий або кожухотрубний) на стороні конденсатора. Гаряча сторона – холодоагент або повітря після конденсатора (залежно від конструкції осушувача), холодна – вода системи опалення або гарячого водопостачання. Гідравлічне підключення здійснюється до зворотної магістралі опалення або контуру гарячого водопостачання з використанням циркуляційного насосу, розширювального бака та балансувальних вентилів. Переваги: простота, можливість дооснащення існуючих систем. Недоліки: додатковий гідравлічний опір, потреба в окремому циркуляційному насосі.
2. Каскадне підключення з тепловим насосом. Осушувач нагріває воду з температури T1 до T2 (наприклад, з 20°C до 40°C), а тепловий насос догріває з T2 до T3 (наприклад, з 40°C до 60°C) для гарячого водопостачання. Між ними встановлюється буферна ємність для згладжування режимів. Переваги: зниження навантаження на тепловий насос, підвищення загального COP системи, оскільки тепловий насос працює з підігрітим джерелом. Недоліки: складність автоматизації, необхідність узгодження режимів роботи двох пристроїв.
3. Прямі низькотемпературні споживачі. Тепло конденсатора використовується безпосередньо для теплої підлоги (температура подачі 30-40°C), підігріву припливного повітря вентиляції (20-30°C) або підігріву басейну (26-30°C). Переваги: температурні рівні добре узгоджені, максимальна утилізація без додаткового обладнання. Недоліки: необхідна наявність таких низькотемпературних споживачів на об'єкті.
Споживачі тепла мають різну сумісність з осушувачем:
- Тепла підлога (30-40°C): добра сумісність, можливе пряме підключення
- Гаряче водопостачання (55-60°C): обмежена сумісність, потрібен каскад або догрів
- Радіатори (50-70°C): обмежена сумісність, можливо тільки в каскаді з тепловим насосом
- Басейн (26-30°C): відмінна сумісність, ідеальний цілорічний споживач
Розрахунок утилізованої теплоти: один детальний приклад
Розглянемо конкретний приклад розрахунку утилізації тепла для басейну:
Вхідні дані:
- Продуктивність осушення (G) = 20 кг/год (з розрахунку вологовиділень басейну)
- Температура повітря приміщення = 28°C
- Відносна вологість приміщення = 60%
- Електрична потужність осушувача (N) = 6 кВт (з технічних даних)
Крок 1: Розрахунок прихованої теплоти конденсації вологи.
Теплота пароутворення при 28°C (r) ≈ 2435 кДж/кг (з таблиць водяної пари)
Прихована теплота (Q(прихована)) = G × r = 20 кг/год × 2435 кДж/кг = 48700 кДж/год = 13,5 кВт
Крок 2: Тепловий баланс конденсатора.
Теплота на конденсаторі (Q(конденсатор)) = Q(прихована) + N(компресор) = 13,5 кВт + 6 кВт = 19,5 кВт
Це загальна теплова потужність, що виділяється на конденсаторі.
Крок 3: Утилізована потужність через водяний теплообмінник.
Приймаємо ефективність теплообмінника 80% (реальне значення для пластинчастого теплообмінника при правильному підборі)
Утилізована теплота (Q(утилізована)) = Q(конденсатор) × 0,80 = 19,5 кВт × 0,80 = 15,6 кВт
Крок 4: Нагрів води для басейну.
Витрата води через теплообмінник (m) = 0,5 кг/с (підбирається за температурним напором та гідравлікою контуру)
Теплоємність води (c) = 4,19 кДж/(кг·К)
Підйом температури (∆T) = Q(утилізована) ÷ (c × m) = 15,6 кВт ÷ (4,19 кДж/(кг·К) × 0,5 кг/с) = 7,4 К
Якщо вода на вході має температуру 26°C, то на виході буде 33,4°C, що підходить для підігріву басейну.
Крок 5: Економічний ефект для системи опалення басейну.
Без утилізації весь підігрів басейну здійснюється від газового котла або електронагрівача.
З утилізацією 15,6 кВт безкоштовного тепла зменшується навантаження на основний нагрівач.
Річна економія залежить від годин роботи осушувача протягом року, тарифів на газ або електрику та наявності альтернативних джерел тепла.
Сезонне використання: зима, перехідний період, літо
Робота системи утилізації тепла від осушувача змінюється протягом року:
Зимовий режим: тепло конденсатора спрямовується на опалення або підігрів басейну. Осушувач працює за вологістю, а тепло повністю утилізується без скидання в приміщення. Якщо споживачем є низькотемпературне опалення (тепла підлога), система може працювати автономно без додаткового джерела. Для вищих температур (гаряче водопостачання - 60°C) осушувач забезпечує базовий нагрів до 45-50°C, а додатковий догрів здійснюється від котла або теплового насоса.
Перехідний період (весна-осінь): частина тепла утилізується, коли ще потрібне опалення, частина може бути зайвою, коли опалення вже відключене, але осушення ще працює. Потрібна система переключення – автоматичний тризонний клапан, що направляє тепло або в опалення, або на скидання, або в буферну ємність.
Літній режим: якщо є цілорічний споживач (басейн, технологічний нагрів), тепло спрямовується туди. Якщо споживача немає, потрібна система скидання тепла (dry cooler, градирня) або просто відключення водяного контуру, що призводить до викиду тепла в приміщення і збільшення навантаження на кондиціонер.
Для автоматизації процесу використовується тризонний клапан та логіка управління: якщо температура зовнішнього повітря більше 20°C або температура приміщення більше 26°C, або немає запиту на опалення від термостата, то тепло направляється на dry cooler або в приміщення; в іншому випадку тепло йде в контур опалення.
Вплив інтеграції на ефективність осушення: температура конденсації та продуктивність
Підвищення температури охолоджуючої води на конденсаторі призводить до підвищення температури конденсації холодоагенту, що викликає зростання тиску конденсації. Це, у свою чергу, знижує масову витрату холодоагенту через компресор, зменшує холодопродуктивність випарника і, як наслідок, знижує продуктивність осушення.
Кількісна оцінка цього впливу залежить від типу компресора, холодоагенту та початкових умов. Для типових scroll-компресорів на R410A підвищення температури конденсації на 10 К може призвести до зниження масової продуктивності компресора на величину, що залежить від конструкції компресора (конкретні значення беруться з діаграм виробника компресора).
Компромісним рішенням є обмеження максимальної температури теплоносія на виході. Наприклад, якщо для гарячого водопостачання потрібна вода з температурою 55°C, але осушувач може ефективно працювати тільки при нагріві до 45°C без критичного падіння продуктивності, доцільно застосувати каскадну схему: осушувач нагріває воду з 20°C до 45°C, а тепловий насос догріває з 45°C до 60°C.
Системи з інверторним управлінням компресора можуть частково компенсувати падіння продуктивності підвищенням частоти обертання, але це збільшує споживання електроенергії, тому важливо знаходити оптимальний баланс між продуктивністю та енергоспоживанням.
Коли інтеграція має інженерний сенс: критерії застосування
Інтеграція осушувача з системою опалення доцільна, якщо виконуються всі наступні умови одночасно:
1. Стабільні вологовиділення: осушувач працює не епізодично, а принаймні 10-15 годин на добу протягом 6 і більше місяців на рік. Типові об'єкти: басейни, пральні, сушильні зони, овочесховища, фармацевтичні виробництва.
2. Наявність постійного споживача низькотемпературного тепла (до 50°C): тепла підлога, підігрів басейну, припливне повітря, низькотемпературні радіатори, технологічний нагрів.
3. Наявність рішення для літнього періоду: цілорічний споживач (басейн), система скидання тепла (dry cooler, градирня) або узгоджений режим роботи (осушувач працює вночі, коли тепло не заважає денному кондиціонуванню).
4. Адекватне співвідношення потужностей: теплова потужність осушувача складає принаймні 20-30% від базового теплового навантаження об'єкта, інакше складність інтеграції не окуповується капітальними витратами.
Інтеграція не має інженерного сенсу, якщо:
- Осушувач працює епізодично (1-2 години на добу, тільки влітку)
- Немає низькотемпературних споживачів, лише високотемпературне опалення (більше 70°C) без можливості каскадної схеми
- Економіка: вартість інтеграції перевищує 8-10-річну економію на енергоносіях при поточних тарифах
Граничні режими, що потребують особливої уваги:
- Температура приміщення менше 15°C: ефективність осушення різко падає
- Температура конденсації більше 60°C: більшість побутових та комерційних компресорів не розраховані на такий високий тиск
- Регіони з дуже коротким опалювальним сезоном (менше 3 місяців): окупність інтеграції знижується
Типові проектні помилки
1. Ігнорування теплового викиду осушувача при розрахунку навантаження на кондиціонування. Наслідок: влітку кондиціонер не справляється, температура приміщення вище норми, виникає дискомфорт. Приклад: у басейні з осушувачем тепловою потужністю 25 кВт в проекті охолодження враховані тільки вологовиділення людей і сонячна радіація, але не врахований тепловий викид осушувача.
2. Відсутність можливості скидання тепла влітку. Наслідок: влітку осушувач або не може працювати (аварійне відключення по високому тиску конденсації), або перегріває приміщення. Рішення: передбачити dry cooler або літній споживач на етапі проектування.
3. Некоректний підбір температури теплоносія без аналізу впливу на осушення. Приклад: замовник хоче воду з температурою 60°C для гарячого водопостачання, проектувальник підключає осушувач напряму без каскаду, в результаті температура конденсації зростає до критичної (55-60°C), продуктивність осушення падає, вологість в приміщенні не підтримується на проектному рівні.
4. Відсутність буферної ємності в системі з перемінним споживанням тепла. Наслідок: осушувач керується вологістю (вмикається та вимикається за гігростатом), споживач опалення керується температурою (термостат), виникає розузгодження режимів роботи. Рішення: буферна ємність 300-500 л для комерційних систем.
5. Великі відстані між осушувачем і споживачем без розрахунку втрат тепла. Приклад: осушувач в підвалі, споживач на даху, відстань 50 м, трубопроводи з недостатньою ізоляцією. Результат: значні втрати тепла в трубопроводах.
6. Завищені очікування: осушувач як повноцінна заміна теплового насоса або котла. Реальність: осушувач дає стільки тепла, скільки вологи він вилучає. Якщо вологовиділення малі або сезонні, то і тепла буде мало. Взимку при низькій вологості внутрішнього повітря осушувач майже не працює, отже, тепла немає, коли воно найбільш потрібне.
7. Ігнорування необхідності обслуговування водяного контуру. Якщо вода жорстка і відсутня водопідготовка, накип на поверхні теплообмінника через 1-2 роки експлуатації призводить до падіння ефективності теплопередачі. Рішення: водопідготовка або періодична хімічна промивка теплообмінника.
Часті запитання (FAQ)
1. Які температурні межі для теплоносія при утилізації тепла з конденсатора осушувача?
Мінімальна температура обмежена необхідністю достатньої різниці температур для теплообміну (зазвичай 5-7 К), тобто не нижче 15-20°C. Максимальна температура залежить від допустимого тиску конденсації компресора. Для більшості осушувачів на R410A температура теплоносія на виході не повинна перевищувати 50-55°C. Промислові моделі з компресорами високого тиску можуть забезпечувати до 60-65°C.
2. Чи може осушувач повністю замінити систему опалення?
Для об'єктів зі стабільними вологовиділеннями (басейни, пральні, сушильні зони) та низькотемпературними споживачами тепла (тепла підлога 30-40°C, підігрів басейну 28°C) осушувач може служити основним джерелом тепла в перехідний період (весна-осінь) та частково взимку за умови наявності резервного джерела. Для звичайних житлових, офісних або торгових приміщень без значних постійних вологовиділень – ні, оскільки кількість доступного тепла обмежена продуктивністю осушення.
3. Що робити з теплом влітку, якщо опалення не потрібне?
Є три варіанти: 1) Використання цілорічного споживача тепла (басейн, технологічний нагрів); 2) Встановлення dry cooler або градирні для скидання тепла в атмосферу; 3) Відключення водяного контуру влітку, при цьому тепло йде в приміщення, що потребує збільшення потужності системи кондиціонування.
4. Як інтеграція впливає на ефективність осушення?
Підвищення температури охолоджуючої води призводить до підвищення температури конденсації холодоагенту, зростання тиску конденсації, зниження масової продуктивності компресора і, як наслідок, зниження продуктивності осушення. Величина впливу залежить від типу компресора, холодоагенту та режиму роботи. Компромісне рішення – обмеження максимальної температури теплоносія на виході (зазвичай до 45-50°C) або використання каскадної схеми.
5. Як оцінити економічний ефект від інтеграції?
Розрахунок включає кілька кроків: 1) визначення утилізованої теплоти за опалювальний сезон; 2) визначення заміщеної енергії від основного джерела; 3) розрахунок річної економії з урахуванням різниці в тарифах; 4) визначення терміну окупності шляхом ділення капітальних витрат на річну економію. Конкретні цифри залежать від годин роботи осушувача, тарифів на енергоносії, вартості обладнання та монтажу.
Висновки
Інтеграція осушувача з системою опалення або тепловим насосом через утилізацію тепла конденсатора є ефективним інженерним рішенням для об'єктів зі стабільними вологовиділеннями і низькотемпературними споживачами тепла. Це не універсальне рішення, а інструмент для конкретних умов.
Ключові умови успіху: правильний тепловий баланс, чіткий енергетичний баланс конденсатора, узгодження температурних рівнів, рішення для літнього періоду, реалістичні очікування та розуміння, що кількість тепла обмежена вологовиділеннями, а не тепловими втратами будівлі.
Рекомендації для інженерів-проектувальників: аналізувати можливість утилізації тепла на етапі проектування, передбачати закладні та резерв місця для обладнання, виконувати детальні розрахунки з конкретними вхідними даними замість використання типових відсотків без джерел.
Критерії доцільності інтеграції: стабільні вологовиділення протягом 6 і більше місяців, наявність низькотемпературного споживача (до 50°C) та рішення для літнього періоду. Якщо хоча б одна умова не виконується, інтеграція потребує додаткового техніко-економічного обґрунтування.
Утилізація тепла від осушувача – не універсальне рішення, а інженерний інструмент для конкретних умов. Успіх залежить від якості проектування, детального теплового балансу та реалістичного розрахунку економічної доцільності для конкретного об'єкта.
