Zimní provoz (ZZT, Ohřev, Vlhčení, Tepelná ztráta)

Zadání

Čerstvovzdušná jednotka pro 1 500 m³/h, zimní výpočtový stav −18 °C. Do místnosti má vstupovat vzduch o teplotě 22 °C a měrné vlhkosti odpovídající návrhovému stavu místnosti 20 °C / 40 %. Řetězec má pět uzlů — venkovní bod, ZZT, ohřev, parní vlhčení a tepelnou ztrátu místnosti — a odpovídá na čtyři otázky: kolik tepla vrátí zpětné získávání, kolik zbude na ohřívač, kolik páry spotřebuje vlhčení a na jakém stavu se místnost ustálí.

1. Venkovní vzduch: −18 °C

První uzel je Bod vzduchu s teplotou −18 °C a relativní vlhkostí 99 %. Vysoká relativní vlhkost při takto nízké teplotě zaráží jen na první pohled: mrazivý vzduch je prakticky nasycený, ale absolutní vlhkosti odpovídá x = 0,76 g/kg, tedy zhruba sedmina toho, co nese vzduch v místnosti. Rozdíl mezi 90 % a 99 % je za mrazu pro bilanci nepodstatný, sytostní tlak je prostě mizivý.

Entalpie tohoto stavu je −16,2 kJ/kg, hustota 1,383 kg/m³. Objemovému toku 1 500 m³/h odpovídá 2 073 kg/h suchého vzduchu — a to je veličina, která zůstává v celém řetězci konstantní. Objemový tok naopak s každým ohřevem roste; na konci řetězce už je to 1 755 m³/h, tedy o 17 % víc než na sání. Pro dimenzování ventilátoru a potrubí je rozhodující, ve kterém místě jednotky se objem udává.

2. ZZT: deskový výměník s účinností 75 %

Deskový výměník je suchý — vlhkost mezi proudy nepřenáší, takže přiváděný vzduch se v diagramu posouvá po svislici konstantního x:

• přívod: −18 °C → 10,5 °C při x = 0,76 g/kg, relativní vlhkost klesá na 9,7 %
• výkon ZZT: 16,53 kW
• odvod: 20 °C → −4,6 °C, vzduch protne rosný bod (6,1 °C) a vypadne z něj 5,82 kg/h kondenzátu
• střední povrchová teplota na straně odvodu: −8,5 °C

Poslední dva řádky patří k sobě a jsou jádrem této ukázky: na povrchu pod bodem mrazu vzniká kondenzát, tedy námraza. Aplikace proto u tohoto uzlu zobrazuje varování před namrzáním včetně povrchové teploty. Model tím říká, že jednotka v návrhovém stavu nemůže běžet bez protimrazové ochrany — obtoku (bypassu), předehřívače nebo regulace otáček. Zkuste si účinnost snížit na 60 %: povrchová teplota vystoupá na −2,8 °C, riziko zůstává, jen se zmenší. Právě tenhle kompromis mezi účinností a namrzáním je v zimním provozu rozhodující.

3. Ohřev na 22 °C

Ohřívač zvedá teplotu z 10,5 °C na požadovaných 22 °C při konstantní vlhkosti, s výkonem 6,67 kW.

Zajímavější je srovnání: ohřát 1 500 m³/h z −18 °C na 22 °C bez rekuperace by stálo 23,2 kW. Deskové ZZT z toho pokrývá 16,53 kW, tedy 71 %, a na vodní ohřívač zbývá necelá třetina. To je hlavní argument pro rekuperaci, převedený na konkrétní čísla jednoho návrhového stavu.

Vzduch za ohřívačem má ale relativní vlhkost jen 4,7 %. Ohřev vlhkost nepřidává, jen roztáhne sytostní tlak — a proto zima v budovách bez vlhčení znamená suchý vzduch, ne kvůli topení jako takovému, ale kvůli tomu, jak málo vody nese venkovní vzduch.

4. Parní vlhčení na x = 5,83 g/kg

Vlhčení sytou párou o teplotě 150 °C doplňuje vlhkost na cílových 5,83 g/kg. Cílová hodnota není náhodná: je to přesně měrná vlhkost návrhového stavu místnosti 20 °C / 40 %.

• spotřeba páry: 10,5 kg/h, tepelný ekvivalent 8,01 kW
• teplota stoupne jen z 22 °C na 23,0 °C, výsledný stav je 23,0 °C / 33,3 % RH
• entalpie roste z 24,1 na 38,0 kJ/kg

Parní vlhčení se proto označuje jako prakticky izotermní: entalpie vzduchu vzroste o 13,9 kJ/kg, ale téměř celý přírůstek je latentní teplo vázané ve vodní páře (entalpie syté páry je 2 746 kJ/kg). Citelně se vzduch ohřeje o pouhý 1 K. V diagramu je proces téměř svislý.

Přepněte typ vlhčení na vodu (adiabatické) a rozdíl uvidíte okamžitě: proces se stočí podél čáry konstantní entalpie, stejné množství vody ochladí vzduch z 22 °C na 9,6 °C při 78 % RH — a ohřívač před vlhčením by musel přitopit o to víc.

5. Tepelná ztráta místnosti 1,88 kW

Poslední uzel uplatňuje tepelnou ztrátu místnosti. Přiváděný vzduch ji kryje citelným teplem, takže se při konstantní vlhkosti ochladí z 23,0 °C na 19,8 °C, čímž relativní vlhkost stoupne na 40,5 %.

A tady se řetězec uzavírá do kruhu. Stav místnosti 19,8 °C / 40,5 % odpovídá předpokladu 20 °C / 40 %, se kterým jsme na začátku počítali odvodní vzduch pro ZZT. Model je tedy sám v sobě konzistentní — kdyby konec řetězce vyšel jinam, byl by to signál buď přepočítat ZZT se skutečným stavem odvodu, nebo použít vazbu vstupu na bod a nechat odvodní stranu výměníku přebírat stav z místnosti automaticky.

Bilance návrhového stavu

• zpětně získané teplo (ZZT): 16,53 kW — 71 % celkové potřeby ohřevu
• ohřívač: 6,67 kW
• parní vlhčení: 8,01 kW při 10,5 kg/h páry
• kryté tepelné ztráty místnosti: 1,88 kW
• kondenzát na odvodní straně ZZT: 5,82 kg/h

Co si v modelu vyzkoušet

• Změnit účinnost ZZT na 60 % nebo 85 % a sledovat, jak se výkon přesouvá mezi rekuperací a ohřívačem — a co to udělá s povrchovou teplotou a rizikem namrzání.
• Přepnout vlhčení na adiabatické a porovnat směr procesu i nároky na předchozí ohřev.
• Nastavit jinou venkovní teplotu podle lokality — klimatická data v aplikaci nabídnou návrhové hodnoty pro konkrétní místo místo paušálních −18 °C.
• Přidat vlhkostní zátěž místnosti (lidé, technologie): stav místnosti se posune doprava a cílová vlhkost za vlhčením může klesnout, případně vlhčení odpadne úplně.