Abstract

The object of this research study was investigating the energy saving by heat and energy recovery ventilation units in three in different climate EU countries. During the research the investigated heat recoveries that are suitable only for heat transfer were the fixed-plate heat exchanger, the run around coil and the heat-pipe technology. Energy exchangers allow both heat-and moisture transfer with higher moisture transfer effectiveness by a sorption rotor (desiccant wheel) and with lower humidity effectiveness without sorption coating. The effectiveness values of heat and energy exchangers were selected based on VDI 2071 standard. Using the ambient temperature and enthalpy duration curves, developing a novel simulation approach, detailed mathematical expressions are presented to determine the annual energy saved of the ventilation systems. The calculations were achieved for three different climates cities.

1. Bevezetés

A szellőztető és klimatizáló rendszerek üzemeltetésekor az egyik legjelentősebb veszteség a távozó levegővel elvitt hőáram. A távozó levegővel előálló energiaveszteség télen és nyáron, a legnagyobb energiaigényű időszakokban (méretezési állapot közelében) a legjelentősebb. Veszteségként jelentkezik télen a technológiából adódó belső hőterhelés is, amit a szellőztetéssel távolítanak el. A távozó levegőben lévő hő hasznosításának egyik módja különböző kialakítású hővisszanyerő (hőcserélő) készülék alkalmazása.

Az energiavisszanyerés egyik leggyakrabban igénybe vett formája a visszakeverés. A rendszerek nagy részénél a távozó levegő energiatartalmának jelentős részét a visszakeverés során hasznosítani lehet. A visszakeverésnek azonban vannak korlátai, emiatt még jelentős energiahányad kerül ki a külső térbe. A hővisszanyerők ennek az energiahányadnak a hasznosítását célozzák meg. Azon rendszereknél, ahol előírt belső levegőminőségi okokból visszakeverésre nincs lehetőség, ott a hőhasznosításnak egyetlen módja a hővisszanyerő berendezés alkalmazása [1].

A VDI 2071 [2] szabvány meglehetősen jól összefoglalja a szellőztető berendezésekben alkalmazott hővisszanyerőkkel kapcsolatos tudnivalókat. A szabvány a hővisszanyerést a következőképpen definiálja. A hővisszanyerés egy eljárás az épületből vagy folyamatból (ipari, vegyi) távozó tömegáramok entalpiájának újrahasznosítására. A hővisszanyerők olyan hőcserélők, amelyek a hulladékhő egy részét a rendszerbe visszanyerik. A fűtés-klíma- és szellőzéstechnikai rendszerekben hő- (és nedvesség-) átadás az elszívott, távozó levegő és a beszívott, külső környezeti frisslevegő között történik.

1.1. A hővisszanyerők előnyei és alkalmazási területei

A hővisszanyerés előnyei:

• Csökkenti a beépítendő fűtési, hűtési és nedvesítési teljesítményt, ezáltal csökkenti a hőtermelő berendezés, a hűtőgép, nedvesítő egység teljesítményét, beruházási költségét, és ezáltal hidraulikai hálózat kialakításának költségeit is.
• Csökkenti a hő- és hűtőenergia-szükségletet, és ezáltal az üzemeltetési költségeket.
• Csökkenti az energiaszolgáltatásból származó károsanyagemissziót.

A hővisszanyerők alkalmazási területei:

• Komfortterületek épületei (irodaépületek, iskolák, kórházak, szálloda épületek, bevásárlóközpontok, lakóépületek stb.).
  
• Ipari épületek (csarnokok, üzemek, pl. autóipar, gyógyszeripar, élelmiszeripar, elektronikaipar stb.).
  
• Légtechnikai folyamatokkal működő berendezések (lakkozó-, szárító-, elszívó berendezések stb.).

A hővisszanyerők csoportosítása szempontjából beszélhetünk regeneratív és rekuperatív rendszerekről. Az előbbi megoldásnál tárolótöltetet alkalmaznak, amely csak a hőt vagy a hőt és a nedvességet felveszi és ismét leadja. A rekuperatív rendszereknél szilárd hőcserélő felületeket alkalmaznak, amelynél általában hőtvitelre kerül sor [3].

1.2. A hővisszanyerők hatásfoka és számítása

A hővisszanyerő hatásosságának meghatározásához ismernünk kell a hővisszanyerő előtti és utáni légállapotokat (1. ábra). 1. ábra. Légállapot paraméterek a hővisszanyerő előtt és után [2-4] Dr. Kassai Miklós Ph.D. Burián Kristóf egyetemi docens végzett MSc hallgató BME Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék Hővisszanyerési szám (szenzibilis hatásfok) (1-2 egyenletek) A külső levegőre vonatkoztatva: A kidobott levegőre vonatkoztatva: Nedvességvisszanyerési szám (látens hatásfok) (3-4 egyenletek): A külső levegőre vonatkoztatva: A kidobott levegőre vonatkoztatva: Ahol „t” a hőmérsékletet [°C], az „x” pedig az abszolút nedvességtartalmat [kg/kg] jelöli. Az 1-4 egyenleteket entalpiával [kJ/kg] felírva a totális hatásfok is meghatározható [5-6].

1.3. Az iparban leggyakrabban alkalmazott hővisszanyerőkről általánosságban

A hővisszanyerők csoportosítása szempontjából beszélhetünk rekuperatív és regeneratív rendszerekről. Az előbbi megoldásnál, rendszereknél szilárd hőcserélő felületeket alkalmaznak. A regeneratív hővisszanyerők esetében tárolótöltetet alkalmaznak, amely a hőt és a nedvességet vagy mindkettőt felveszi, és ismét leadja. A VDI 2071 szabvány a hővisszanyerők csoportosítására is ad útmutatást (1. táblázat) [2-4].

1.4. A kutatási munka célja

A hővisszanyerők energetikai vizsgálatának témaköre iránt mutatott elszánt érdeklődésem inspirált a kutatási témán belül végzett további vizsgálataimra. A kutatási munkám során az ipari gyakorlatban leggyakrabban előforduló szellőztető rendszerekben alkalmazott, különböző típusú hővisszanyerőkről is készítettem energetikai összehasonlító tanulmányt és vizsgáltam az egyes típusok (csak hőátadásra alkalmas hőviszszanyerők közül a lemezes keresztáramú, a közvetítőközeges és a hőcsöves hővisszanyerő; hő- és nedvesség átadására is alkalmas hővisszanyerők közül a szorpciós és nem szorpciós anyagú töltettel rendelkező forgódobos hővisszanyerő) által megtakarítható éves energiamennyiségeket. Az általam vezetett kutatási munkában közreműködött Burián Kristóf egyetemi hallgató is [7]. Az energetikai összehasonlító vizsgálatot három, különböző éghajlatú városra: Palermóra, mint meleg éghajlatú városra; Krakkóra, mint mérsékelt és Helsinkire, mint hideg éghajlatú európai városokra végeztem el. A cél olyan vizsgálatok véghezvitele volt, melynek során pontosan meghatározható legyen az hővisszanyerő típus, amelylyel a legnagyobb mértékű energiát lehet megtakarítani a szellőztetés során az adott éghajlatú földrészen.

2. A kutatás során kidolgozott eljárás bemutatása

A Palermo városára történő energetikai méretezés menetét ismertetem részletesen terjedelmi korlátok miatt. A levegő sűrűségét állandó, 1,2 kg/m3 értékre vettem fel. A hűtési időszakban történő vizsgálataim során a csak hőátvitelre alkalmas hővisszanyerők esetében hőmérséklet szabályozást vettem figyelembe, így a hővisszanyerő azokban az órákban működik, amikor a külső levegő hőmérséklete magasabb a távozó levegő hőmérsékleténél. Hő- és nedvességátvitelre alkalmas hővisszanyerőknél entalpiaszabályozást tételeztem fel, így a hővisszanyerő addig üzemel, amíg a külső légállapot entalpiája el nem éri a távozó levegő entalpiáját.

A kutatási munka során a szellőző (SZ) és távozó (T) légállapotokat, valamint a hűtőkalorifer felületi közepes hőmérsékletét (FK) állandónak feltételeztem, a vizsgálatot 1000 m3/h állandó térfogatáram mellett, kiegyenlített szellőzést feltételezve végeztem. A hűtési légállapot változását kellett meghatároznom, amely a külső, hűtendő levegő hőmérsékletétől és a nedvességtartalomtól függ. A hűtőkalorifert elhagyó levegő hőmérsékletének meghatározására egy közelítéses módszert alkalmaztam, amit a témában az eddigi kutatások során állandó értéknek feltételeztek. A h-x diagramon a 2. ábrán látható módon egy kisméretű területet vettem fel. A terület ábrán látható határértékei: 14,5 g/kg, 15 g/kg nedvességtartalom- és 21 °C, 22 °C hőmérséklet görbék. Az így kapott terület közepéhez tartozó légállapot hűtési hőmérséklet értékét határoztam meg és a területen belül elhelyezkedő összes külső légállapothoz tartozó hűtési hőmérsékletet is erre az értékre vettem fel. A h-x diagram felosztását eszerint folytattam (3. ábra), így minden külső légállapothoz hozzárendelhető egy hűtési hőmérséklet és légállapot (a hűtési légállapot nedvességtartalma állandó, megegyezik a szellőző levegő nedvességtartalmával, biztosítva ezzel az előírt, vagy tartani kívánt szellőző légállapotot).  Az egyes területekhez tartozó hűtési hőmérsékletek az azonos nedvességtartalom-határokon belül egy felírható egyenlet szerint változtak a hőmérséklet-határok függvényében. Így elegendő volt egy nedvességtartalom-határon belül három hőmérséklet intervallumon belüli értékhez tartozó hűtési hőmérséklet meghatározása (4. ábra), majd a Microsoft Excel program segítségével egy görbét illesztve a három pontra, kiadódtak a többi hőmérséklethatárhoz tartozó hűtési hőmérsékletek.

A következőkben egy nedvességtartalom-határon belül mutatom be a leírt megoldást.

A vizsgált nedvességtartalom-tartomány 14,5 – 15 g/kg. Ebben a nedvességtartományban a külső légállapot értékei 21 – 31 °C között változtak, így összesen 10 légállapothoz kellett meghatározni a hűtési hőmérsékleteket e nedvességtartalom-tartományon belül. Első lépésként kiszerkesztettem az egyenlet megadásához szükséges három külső légállapothoz (K0, K4, K9) tartozó hűtési hőmérsékleteket (H0, H4, H9). Az egyes légállapotokhoz tartozó hűtési hőmérsékleteket a következő oldalon látható 2. táblázat tartalmazza.

Ezekre az értékekre görbét illesztve, annak egyenletét a Microsoft Excel segítségével meghatározva megkaptam a többi külső léghőmérséklet tartományhoz tartozó hűtési hőmérsékletet.

A közelítő függvény alkalmazásával megkaptam a további külső hőmérséklet-tartományokhoz tartozó hűtési hőmérsékletek értékét. A pontosság ellenőrzése érdekében az értékeket néhány érték-tartományban le is olvastam. Az értékeket a 3. táblázat tartalmazza.

A 3. táblázatból látható, hogy az eltérések értéke mindössze néhány század °C, így az egyenlettel való meghatározás megfelelő módja a hűtési hőmérsékletek megadásának. A további tartományokhoz tartozó hűtési hőmérsékleteket a fentiekben leírt módszer szerint határoztam meg.

Az energetikai összehasonlító vizsgálataim során a hőviszszanyerőkre jellemző visszahevítési (szenzibilis hatásfok) és visszanedvesítési fokot (látens hatásfok) a VDI szabvány [2] szerint megadott értéktartományból választottam ki (azok számtani közepét véve), a 4. táblázat szerinti értékekkel számolva.

A kutatási munkában a PhD doktori munkámban kidolgozott analitikai eljárást alkalmaztam, amellyel ilyen összetett vizsgálatokat korábban még nem készítettem. A kutatási munka terjedelmi korlátai miatt és vizsgálati módszer alkalmazásának analógiájából kifolyólag a felsorolt 4. táblázat. A vizsgálat során alkalmazott visszahevítési és visszanedvesítési fokok értékei A hővisszanyerő típusa Visszahevítési fok Visszanedvesítési fok

– Φ [–] Ψ [–] Lemezes keresztáramú 0,6 0 Közvetítőközeges 0,4 0 Hőcső 0,3 0 Forgódobos, szorpciós anyagú töltettel 0,8 0,65 Forgódobos, nem szorpciós anyagú töltettel 0,8 0,15 hővisszanyerők közül az energetikai méretezés során alkalmazott eljárást a szorpciós töltetű forgódobos hővisszanyerővel üzemelő klímaberendezés energiafelhasználásának meghatározásán keresztül mutatom be, Palermo városban, hűtési majd fűtési időszakban. A kutatási munka során az energiafelhasználás meghatározásához a külső levegő hőmérséklet és entalpia tartamdiagramjait használtam, amelyen ábrázolhatók az adott méretezési légállapotok és hővisszanyerő hatásfokok alapján az adott hővisszanyerő által visszanyert hőmennyiséggel és a szellőző légállapot biztosításához szükséges kiegészítő fűtés, hűtés energiaigényével arányos területek [8-9].

A klímaberendezésben lejátszódó légállapot változási folyamatábra hűtési időszakban a Mollier-féle h-x diagramban ábrázolva a 6. ábrán látható (lásd a következő oldalon). A hűtés során az energiaigények meghatározásához a 7. ábrán látható tartamdiagram nyújt segítséget. A tartamdiagramon ábrázolt területeket felszorozva a szellőző levegő térfogatáramával, és a sűrűséggel adódik az adott elem (kalorifer) hűtési vagy fűtési energiafelhasználásnak értéke.

A hűtőkalorifer energiafelhasználását az (5) egyenlet segítségével határoztam meg:ahol A szorpciós töltetű forgódobos hővisszanyerővel üzemelő klímaberendezés energiafelhasználásának meghatározása, Palermo városban, fűtési időszakban látható a folyamatábrán (8. ábra).

Az utófűtés és gőzbeporlasztás energiafelhasználásával arányos területek, szorpciós töltetű forgódobos hővisszanyerővel üzemelő klímaberendezésben láthatók a 9. ábrán Palermo városban. 8. ábra. A szorpciós töltetű forgódobos hővisszanyerővel üzemelő klímaberendezés folyamatábrája h-x diagramban, fűtési időszakban, Palermo 9. ábra. A fűtés és gőzbeporlasztás energiafelhasználásával arányos területek, szorpciós töltetű forgódobos hővisszanyerővel üzemelő klímaberendezés, Palermoban A fűtőkalorifer energiafelhasználása: ahol hF – a fűtőkaloriferből kilépő levegő entalpiája [kJ/kg].

A gőzbeporlasztás energiaigénye: QG = mG · hG [kJ/év] (8) ahol mG – a beporlasztott gőz mennyisége [kg], hG – a beporlasztott gőz entalpiája [kJ/kg].

A bemutatott eljárás alapján történt a lemezes keresztáramú, a közvetítőközeges és a hőcsöves hővisszanyerő és a nem szorpciós anyagú töltettel rendelkező forgódobos hővisszanyerővel üzemelő szellőztető rendszer éves energiamegtakarításának és a szellőzési légállapot biztosításához szükséges kiegészítő energiaszükségletének a vizsgálata. 3. Az energetikai vizsgálat összefoglaló eredményei A 10-15. ábrákon egy közös diagramban ábrázolva láthatjuk, hogy miként oszlanak meg az szellőztetésre fordítandó energiaigények és energiamegtakarítások a hűtési és fűtési időszakokban a különböző éghajlatú európai városok esetében. A kapott eredményekből láthatjuk, hogy hűtési időszakban a nedvességátvitelre is alkalmas, azon belül is a szorpciós anyagú töltettel rendelkező hővisszanyerő alkalmazásával érhetjük el a legnagyobb mértékű energia megtakarítást, Helsinkiben közel 1100 MJ/év, Krakkóban mintegy 3000 MJ/év és Palermo esetében körülbelül 25 000 MJ/év energia takarítható meg hűtési időszakban. Természetesen a városok között különbség van az energiafelhasználás mértékében is, ezért érdemes az értékek mellé a százalékos formában megadott megtakarítási mennyiséget is figyelembe venni.

Természetesen a városok között különbség van az energiafelhasználás mértékében is, ezért érdemes az értékek mellé a százalékos formában megadott megtakarítási mennyiséget is figyelembe venni. Ezek az értékek azt mutatják, hogy Palermóban érhetjük el a legnagyobb %-os energia megtakarítást (hővisszanyerő nélküli klímaberendezéshez képest 42 %), ezt követi Krakkó (31,5 %), végül Helsinki (17,5 %). Ebből arra következtethetünk, hogy a melegebb éghajlatú helyeken nagyobb arányban nyerhetünk vissza energiát hűtési időszakban. A csak hőátadásra alkalmas hővisszanyerők esetében csupán maximum néhány 100 MJ/év-es a hűtési energiamegtakarítás mértéke, százalékos arányban ez mindössze 1-2%-os értéket ér el. Ennek oka az utófűtési többlet energiaigény a hővisszanyerő nélkül üzemelő klímaberendezéshez képest. 4. Következtetések A kutatási munkában a szellőztető rendszerekben alkalmazott, különböző típusú hővisszanyerőkről készítettem energetikai összehasonlító tanulmányt és vizsgáltam az egyes típusok (csak hőátadásra alkalmas hővisszanyerők közül a lemezes keresztáramú, a közvetítőközeges és a hőcsöves hőviszszanyerő; hő- és nedvesség átadására is alkalmas hővisszanyerők közül a szorpciós és nem szorpciós anyagú töltettel rendelkező forgódobos hővisszanyerő) által megtakarítható éves energiamennyiségeket. Az energetikai összehasonlító vizsgálatot három, különböző éghajlatú városra: Palermóra, mint meleg éghajlatú városra; Krakkóra, mint mérsékelt és Helsinkire, mint hideg éghajlatú európai városokra végeztem el.

A kutatás során kapott eredményekből látható, hogy az energiamegtakarítás mértéke és a szellőző légállapot biztosításához szükséges kiegészítő fűtés/hűtés energiafelhasználása a fűtési időszakban jelentősebb, mint hűtési időszakban, bár ez az arány a melegebb éghajlatú városok felé haladva egyre csökken. A legnagyobb mennyiségű energiamegtakarítás így a leghidegebb klímájú városban, Helsinkiben érhető el, ezt követi Krakkó, míg a legalacsonyabb értékeket Palermóban kapjuk. A hőviszszanyerők közül a nedvességátvitelére is alkalmas hővisszanyerőkkel érhetjük el a nagyobb mértékű energiamegtakarítást. Energetikai szempontból a legkedvezőbb eredményeket a szorpciós anyagú forgódobos hővisszanyerő mutatja: Helsinkiben 70,25%, Krakkóban 69,22%, Palermóban pedig 55,28%, a legalacsonyabb értékeket pedig a hőcsöves hőviszszanyerővel érhetjük el: Helsinkiben 18,22%, Krakkóban 17,6%, Palermóban 7,32%-a takarítható meg a felhasznált energiaszükségletnek.

A vizsgálat eredményei rámutatnak arra, hogy minél hidegebb éghajlatú városban alkalmazunk hővisszanyerős szellőztető berendezést, annál hamarabb térül meg egy beépített hővisszanyerő beruházási költsége. Mindemellett meg kell jegyezni, hogy a kutatási munka során kapott eredmények az adott éghajlatú városok külső légállapotának több év átlagértékei mellett érvényesek. Így egy adott klímaberendezés energetikai vizsgálatakor a fogyasztás során kapott tényleges értékek különböző mértékben eltérhetnek a tanulmányban meghatározott eredményektől, tekintettel arra, hogy a tényleges fogyasztás mértékét erősen befolyásolják az adott év külső légállapot viszonyai, illetve az adott berendezés beépítési körülményei. 14. ábra. Az energiamegtakarítás %-os értéke, csak hőátvitelre alkalmas hővisszanyerő esetén, saját fogyasztásra vonatkoztatva, egész évre vonatkozóan 15. ábra. Az energiamegtakarítás %-os értéke, hő- és nedvességátvitelre alkalmas hővisszanyerő esetén, a teljes évre vonatkozóan

Támogatók

Ez a kutatási munka a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal támogatásával az NKFI Alapból [azonosítószám: NKFIH PD_18 127907] valósult meg, valamint a Magyar Tudományos Akadémia Bolyai János Kutatási Ösztöndíja támogatásával készült, Budapest, Magyarország.

Felhasznált irodalom

[1] Menyhárt József: Légtechnikai rendszerek Tankönyvkiadó, Budapest, 314./317. o. (1990).
[2] Verein Deutscher Ingenieure. Heat recovery in heating, ventilation and air conditioning plants VDI 2071-Richtlinien, Düsseldorf, 1997.
[3] Recknagel, Sprenger, Schramek: Fűtés-és klímatechnika 2000 / II. kötet, Dialóg Campus Kiadó, Budapest-Pécs, 1357./1362-1363. o. (2000).
[4] Kollár Csaba: Légkezelőgépekben alkalmazott hőviszanyerők hatékonysága - Energiamegtakarítási lehetőségek az ingatlangazdálkodásban Rosenberg Hungária Kft., 2012.
[5] EN 13141-7:2010, Ventilation for buildings – Performance testing of components / products for residential ventilation – Part 7: Performance testing of components / products of mechanical supply and exhaust ventilation units (including heat recovery) for mechanical ventilation systems intended for single family dwellings, 2010.
[6] ASHRAE Standard 84-1991, Method of testing air-to-air heat exchangers, American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers Inc., Atlanta, 1991.
[7] Burián Kristóf: Hővisszanyerők energiamegtakarításának vizsgálata TDK, BME Gépészmérnöki Kar, Épületgépészet szekció, (2016)
[8] Kassai Miklós: Klímaközpontok energiafelhasználásának elemzése valószínűségelméleti alapon. Doktori értekezés, Budapest, 2011.
[8] Kajtar L, Kassai M, Banhidi L.: Computerized simulation of the energy consumption of air handling units. Energy and Building, vol. 45, pp. 54–9. (2012)

Forrás: Magyar Épületgépészet, LXXI. évfolyam, 2022/9. szám 3