Avtor: tehnični oddelek Mycond
Integracija razvlaževalnikov zraka z ogrevalnimi sistemi je obetavna smer za povečanje energetske učinkovitosti tehničnih sistemov stavb. Razvlaževalniki hladilnega tipa med delovanjem neizogibno oddajajo znatno količino toplote, ki pogosto ostane neizkoriščena. Pravilna izraba te toplote lahko bistveno poveča skupno energetsko učinkovitost sistema, zniža obratovalne stroške in zmanjša ogljični odtis stavbe. V tem članku podrobno obravnavamo inženirske vidike takšne integracije, posebnosti toplotnega bilanca razvlaževalnikov in praktične sheme njihovega priklopa na ogrevalne sisteme.
Toplotno ravnovesje razvlaževalnika hladilnega tipa – vir odpadne toplote
Razvlaževalnik hladilnega tipa deluje na principu ohlajanja zraka pod rosišče. Najprej se zrak ohladi na uparjalniku, kjer pride do kondenzacije vlage. Nato osušeni zrak preide skozi kondenzator, kjer se segreje. Ta proces lahko obravnavamo kot termodinamični cikel, v katerem se toplota »prečrpava« z uparjalnika na kondenzator.
Toplotni bilanc kondenzatorja razvlaževalnika sestavljajo trije glavni elementi:
1. Latentna toplota kondenzacije vlage – energija, ki se sprosti pri kondenzaciji vodne pare na uparjalniku. Izračuna se kot produkt zmogljivosti razvlaževanja (kg/h) in toplote izparevanja (kJ/kg). Pomembno je razumeti, da toplota izparevanja ni konstanta, temveč je odvisna od temperature kondenzacije in je običajno v razponu 2300–2500 kJ/kg. Natančna vrednost se vzame iz tabel vodne pare za konkretno temperaturo.
2. Delo kompresorja – električna moč, ki jo porabi kompresor razvlaževalnika. Ta parameter je razviden iz tehničnih podatkov opreme ali iz izračuna hladilnega cikla.
3. Čutna toplota zraka – dodatna komponenta, ki odraža segrevanje zraka pri prehodu skozi razvlaževalnik. Ta veličina je odvisna od konkretne zasnove razvlaževalnika in režima njegovega delovanja.
Psihrometrični proces v razvlaževalniku lahko na h-d diagramu opišemo kot trajektorijo gibanja zraka skozi zaporedne faze: ohlajanje do rosišča, nadaljnje ohlajanje s kondenzacijo vlage (razvlaževanje) in končno ogrevanje na kondenzatorju.
Teoretične osnove izrabe toplote: potencial kondenzatorja in temperaturne ravni
Za učinkovito izrabo toplote je treba razumeti razliko med temperaturo kondenzacije hladilnega sredstva in temperaturo medija za prenos toplote. Temperatura kondenzacije hladilnega sredstva je vedno višja od temperature hladilnega medija (zraka ali vode) za velikost temperaturne razlike na toplotnem izmenjevalniku. Na primer, za zračni kondenzator v prostoru s temperaturo 25°C je lahko temperatura kondenzacije 35–45°C. Za vodni kondenzator pri temperaturi vode 30°C je lahko temperatura kondenzacije 40–50°C. Te vrednosti niso univerzalne konstante, temveč rezultat preračunov za konkretne pogoje.
Koeficient učinkovitosti (COP) razvlaževalnika ima dve definiciji:
- Toplotni COP – razmerje med toplotno oddajo na kondenzatorju in delom kompresorja. Pove, koliko toplotne energije se ustvari na vsak kilovat električne energije, porabljene s strani kompresorja.
- Hladilni COP – razmerje med hladilno močjo uparjalnika in delom kompresorja. Pokaže učinkovitost hlajenja.
Pomembno: v katalogih razvlaževalnikov je pogosto naveden SMER (Specific Moisture Extraction Rate) v l/kWh ali kg/kWh, kar je drug kazalnik kot COP in odraža učinkovitost odstranjevanja vlage.
Za poenostavljen pristop pri oceni izrabe toplote določimo toploto na kondenzatorju kot vsoto latentne toplote kondenzacije vlage in dela kompresorja. Delo kompresorja vzamemo iz tehničnih podatkov razvlaževalnika.
Če primerjamo razvlaževalnik s toplotno črpalko zrak–voda, lahko opazimo, da razvlaževalnik jemlje toploto iz notranjega zraka s temperaturo 20–25°C, medtem ko toplotna črpalka uporablja zunanji zrak, katerega temperatura je pozimi lahko od –10°C do +10°C. To razvlaževalniku zagotavlja stabilnejše pogoje delovanja uparjalnika.
Sheme integracije – trije osnovni pristopi
Obstajajo trije glavni koncepti integracije razvlaževalnikov z ogrevalnimi sistemi:
1. Ločen vodni toplotni izmenjevalnik – namesti se na strani kondenzatorja razvlaževalnika. Vroča stran je lahko hladilno sredstvo ali zrak za kondenzatorjem (odvisno od zasnove razvlaževalnika), hladna stran pa voda ogrevalnega sistema ali sanitarne tople vode. Hidravlično se toplotni izmenjevalnik priključi na povratni vod ogrevanja ali na krog sanitarne tople vode. Sistem vključuje obtočno črpalko, ekspanzijsko posodo in uravnotežilne ventile. Prednosti: preprostost in možnost nadgradnje obstoječih sistemov. Slabosti: dodaten hidravlični upor in potreba po ločeni obtočni črpalki.
2. Kaskadna povezava s toplotno črpalko – razvlaževalnik segreje vodo s temperature T1 na T2 (npr. z 20°C na 40°C), toplotna črpalka pa jo dogreje s T2 na T3 (npr. z 40°C na 60°C) za sanitarno toplo vodo. Med njima je vgrajen zalogovnik za glajenje režimov delovanja. Prednosti: razbremenitev toplotne črpalke in zvišanje skupnega COP sistema, saj toplotna črpalka deluje z že predgretim virom toplote. Slabosti: zahtevnejša avtomatizacija in potreba po uskladitvi režimov delovanja obeh naprav.
3. Neposredni nizkotemperaturni porabniki – toplota kondenzatorja se neposredno uporabi za talno ogrevanje (30–40°C), predgrevanje dovodnega zraka prezračevanja (20–30°C) ali ogrevanje bazena (26–30°C). Prednosti: dobro ujemanje temperaturnih ravni, maksimalna izraba brez dodatne opreme. Slabosti: potreba po prisotnosti takih nizkotemperaturnih porabnikov na objektu.
Izbira sheme je odvisna od razpoložljivosti porabnikov toplote, njihovih temperaturnih ravni ter režima delovanja skozi leto.
Izračun izrabljene toplote: podroben primer
Poglejmo konkreten primer izračuna izrabljene toplote za bazen:
Vhodni podatki:
- Zmogljivost razvlaževanja (G): 20 kg/h (iz izračuna emisij vlage v bazenu)
- Temperatura zraka v prostoru: 28°C
- Relativna zračna vlaga v prostoru: 60%
- Električna moč razvlaževalnika (N): 6 kW (iz tehničnih podatkov)
Korak 1: Izračun latentne toplote kondenzacije vlage
Toplota izparevanja pri 28°C (r) ≈ 2435 kJ/kg (iz tabel vodne pare)
Latentna toplota (Q(latentna)) = G × r = 20 kg/h × 2435 kJ/kg = 48700 kJ/h = 13,5 kW
Korak 2: Toplotni bilanc kondenzatorja
Toplota na kondenzatorju (Q(kondenzator)) = Q(latentna) + N(kompresor) = 13,5 kW + 6 kW = 19,5 kW
Korak 3: Izrabljena moč prek vodnega toplotnega izmenjevalnika
Upoštevamo izkoristek toplotnega izmenjevalnika 80% (realna vrednost za ploščni izmenjevalnik pri pravilni izbiri)
Izrabljena toplota (Q(izrabljena)) = Q(kondenzator) × 0,80 = 19,5 kW × 0,80 = 15,6 kW
Korak 4: Segrevanje vode za bazen
- Pretok vode skozi toplotni izmenjevalnik (m): 0,5 kg/s (izbran glede na temperaturno razliko in hidravliko kroga)
- Toplotna kapaciteta vode (c): 4,19 kJ/(kg·K)
- Porast temperature (ΔT) = Q(izrabljena) / (c × m) = 15,6 kW / (4,19 kJ/(kg·K) × 0,5 kg/s) = 7,4 K
Če ima voda na vstopu temperaturo 26°C, se na izstopu segreje na 33,4°C, kar je primerno za ogrevanje bazena.
Korak 5: Učinek za ogrevalni sistem bazena
Brez izrabe bi se celotno ogrevanje bazena izvajalo s plinskim kotlom ali elektro grelnikom. Z izrabo 15,6 kW »brezplačne« toplote se zmanjša obremenitev glavnega grelnika. Letni prihranek je odvisen od ur delovanja razvlaževalnika skozi leto, tarif za plin ali elektriko ter razpoložljivosti alternativnih virov toplote.
Sezonska raba: zima, prehodno obdobje, poletje
Učinkovitost sistema izrabe toplote iz razvlaževalnika bistveno zavisi od sezone:
Zimski režim: Toplota kondenzatorja se v celoti usmerja v ogrevanje ali ogrevanje bazena. Razvlaževalnik deluje po zahtevi vlage, toplota pa se v celoti izrablja brez odvajanja v prostor. Če je porabnik nizkotemperaturno ogrevanje (talno ogrevanje), lahko sistem deluje avtonomno brez dodatnega vira toplote. Če je potrebna višja temperatura (sanitarna topla voda – 60°C), razvlaževalnik zagotovi osnovno ogrevanje do 45–50°C, dodatno dogrevanje pa nudi kotel ali toplotna črpalka.
Prehodno obdobje (pomlad–jesen): Del toplote se izrablja, ko je ogrevanje še potrebno, del pa je lahko odveč, ko je ogrevanje že izključeno, razvlaževanje pa še deluje. Za učinkovito delovanje je potrebna preklopna shema – avtomatski trikraki ventil, ki toploto usmerja bodisi v ogrevanje, bodisi v odvajanje, če ogrevanje ni več potrebno, ali v zalogovnik.
Poletni režim: Če obstaja stalni porabnik (bazen, tehnološko ogrevanje), se toplota tja usmerja celo leto. Če porabnika ni, je potrebna shema odvajanja toplote – dry cooler (suhi hladilnik), hladilni stolp ali preprosto izklop vodnega kroga. V zadnjem primeru razvlaževalnik oddaja toploto v prostor, kar poveča obremenitev klimatske naprave.
Za avtomatizacijo sezonskega delovanja se uporablja shema s trikrakim ventilom in dry coolerjem z logiko: ČE je temperatura zunanjega zraka več kot 20°C ALI je temperatura v prostoru več kot 26°C ALI ni zahteve po ogrevanju s termostata, POTEM se toplota usmeri v dry cooler ali v prostor, V NASPROTNEM PRIMERU gre toplota v ogrevalni krog.
Vpliv integracije na učinkovitost razvlaževanja: temperatura kondenzacije in zmogljivost
Integracija razvlaževalnika z ogrevalnim sistemom vpliva na učinkovitost razvlaževanja zaradi spremembe režima delovanja hladilnega cikla. Ta vpliv ima jasno verigo vzročno-posledičnih povezav:
Povišanje temperature hladilne vode na kondenzatorju → povišanje temperature kondenzacije hladilnega sredstva → rast kondenzacijskega tlaka → znižanje masnega pretoka hladilnega sredstva skozi kompresor → znižanje hladilne moči uparjalnika → znižanje zmogljivosti razvlaževanja.
Kvantitativna ocena tega vpliva je odvisna od tipa kompresorja, hladilnega sredstva in začetnih pogojev. Za tipične svitkovne (scroll) kompresorje na R410A lahko povišanje temperature kondenzacije za 10 K povzroči zmanjšanje masnega pretoka kompresorja za količino, ki je odvisna od konstrukcije kompresorja. Konkretne vrednosti se določijo iz diagramov, ki jih za konkreten model navaja proizvajalec kompresorja.
Kompromisna rešitev – omejitev maksimalne temperature medija na izhodu. Na primer, če je potrebna voda 55°C za sanitarno toplo vodo, razvlaževalnik pa lahko učinkovito deluje le pri temperaturi medija do 45°C brez kritičnega padca zmogljivosti, je smiselna kaskadna shema: razvlaževalnik segreje vodo z 20°C na 45°C, toplotna črpalka pa jo dogreje z 45°C na 60°C.
Kdaj ima integracija inženirski smisel: kriteriji uporabe
Integracija razvlaževalnika z ogrevalnim sistemom je smiselna, če so hkrati izpolnjeni vsi naslednji pogoji:
1. Stabilni izvori vlage – razvlaževalnik ne deluje občasno, temveč vsaj 10–15 ur na dan skozi 6 ali več mesecev na leto. Tipični objekti: bazeni, pralnice, sušilna območja, skladišča zelenjave, farmacevtska proizvodnja.
2. Prisotnost stalnega porabnika nizkotemperaturne toplote (do 50°C): talno ogrevanje, ogrevanje bazena, dovodni zrak, nizkotemperaturni radiatorji, tehnološko ogrevanje.
3. Rešitev za poletno obdobje: celoletni porabnik (bazen) ali sistem odvajanja toplote (dry cooler, hladilni stolp) ali usklajen režim delovanja (razvlaževalnik deluje ponoči, ko toplota ne moti dnevnega hlajenja).
4. Ustrezno razmerje moči – toplotna moč razvlaževalnika predstavlja vsaj 20–30% osnovne toplotne obremenitve objekta. V nasprotnem primeru se kompleksnost integracije ne povrne z investicijskimi stroški.
Integracija nima inženirskega smisla, če:
- Razvlaževalnik deluje občasno (1–2 uri na dan, le poleti).
- Ni nizkotemperaturnih porabnikov (le visokotemperaturno ogrevanje >70°C ali sanitarna topla voda brez možnosti kaskadne sheme).
- Ekonomika je neugodna: strošek integracije (toplotni izmenjevalnik, cevovodi, avtomatika, montaža) presega 8–10-letni prihranek pri energentih po trenutnih tarifah.
Tipične projektantske napake in njihove posledice
Pri integraciji razvlaževalnikov z ogrevalnimi sistemi se pogosto pojavljajo naslednje napake:
1. Ignoriranje toplotnega odvajanja razvlaževalnika pri izračunu obremenitve hlajenja. Posledica: poleti klimatska naprava ne zadošča, temperatura v prostoru je nad dopustno, nelagodje. Primer: bazen, razvlaževalnik s toplotno močjo 25 kW, v projektu hlajenja pa so upoštevane le emisije vlage ljudi in sončno obsevanje, ne pa tudi toplotni izpust razvlaževalnika.
2. Manjko možnosti odvajanja toplote poleti. Posledica: poleti razvlaževalnik ne more delovati (izklop zaradi previsokega kondenzacijskega tlaka) ali pregreva prostor. Rešitev: predvideti dry cooler ali poletnega porabnika toplote že v fazi projektiranja.
3. Napačna izbira temperature medija brez analize vpliva na razvlaževanje. Napaka: naročnik želi 60°C za sanitarno toplo vodo, projektant poveže razvlaževalnik neposredno brez kaskade. Rezultat: temperatura kondenzacije naraste do kritične (55–60°C), zmogljivost razvlaževanja pade, vlažnost v prostoru ni na projektni ravni.
4. Odsotnost zalogovnika v sistemu s spremenljivo porabo toplote. Posledica: razvlaževalnik je voden po vlagi (vklop in izklop po higrostatu), porabnik ogrevanja pa po temperaturi (termostat) – pride do neusklajenosti režimov, pogosti zagoni/zaustavitve kompresorja. Rešitev: zalogovnik 300–500 litrov za glajenje kratkotrajnih razlik v režimih.
5. Velike razdalje med razvlaževalnikom in porabnikom brez izračuna toplotnih izgub. Primer: razvlaževalnik v kleti, porabnik na strehi, razdalja 50 m, cevovodi z nezadostno izolacijo. Rezultat: znatne toplotne izgube v cevovodih.
Pogosta vprašanja (FAQ)
Kakšne so temperaturne meje za medij pri izrabi toplote s kondenzatorja razvlaževalnika?
Minimalna temperatura je omejena z nujno zadostno temperaturno razliko za prenos toplote (običajno 5–7 K), torej ne nižje od 15–20°C, kar v praksi ni omejitev za ogrevalne sisteme. Maksimalna temperatura je odvisna od dopustnega kondenzacijskega tlaka kompresorja – za večino razvlaževalnikov na R410A temperatura medija na izhodu ne sme preseči 50–55°C.
Ali lahko razvlaževalnik v celoti nadomesti ogrevalni sistem?
Za objekte s stabilnimi emisijami vlage in nizkotemperaturnimi porabniki toplote (talno ogrevanje 30–40°C, ogrevanje bazena 28°C) lahko razvlaževalnik služi kot glavni vir toplote v prehodnem obdobju (pomlad–jesen) in delno pozimi, vendar je za vršne mraze potreben rezervni vir. Za običajne prostore brez znatnih emisij vlage – ne, saj je količina toplote omejena z zmogljivostjo razvlaževanja.
Kaj storiti s toploto poleti, ko ogrevanje ni potrebno?
Možnosti: 1) Porabnik toplote celo leto (bazen, tehnološko ogrevanje); 2) Dry cooler ali hladilni stolp za odvajanje toplote v atmosfero; 3) Izklop vodnega kroga – toplota gre v prostor, kar zahteva večjo hladilno moč klimatizacije.
Kako oceniti ekonomski učinek integracije?
Izračun: 1) Določiti izrabljeno toploto v ogrevalni sezoni (kWh); 2) Določiti nadomeščeno energijo iz osnovnega vira; 3) Izračunati letni prihranek; 4) Določiti dobo povračila (investicijski stroški / letni prihranek). Konkretne številke so odvisne od ur delovanja razvlaževalnika, tarif energentov, stroškov opreme in montaže.
Zaključki
Integracija razvlaževalnika z ogrevalnim sistemom ali toplotno črpalko prek izrabe toplote kondenzatorja je učinkovita inženirska rešitev za objekte s stabilnimi emisijami vlage in nizkotemperaturnimi porabniki toplote. To ni univerzalna rešitev, temveč orodje za konkretne pogoje.
Ključni pogoji uspeha:
- Pravilen toplotni bilanc in jasen energetski izračun
- Uskladitev temperaturnih ravni
- Prisotnost rešitve za poletno obdobje
- Realna pričakovanja glede količine toplote, ki je omejena z emisijami vlage
Priporočila za inženirje projektante:
- Možnost izrabe toplote analizirajte že v fazi projektiranja
- Izvedite podrobne izračune s konkretnimi vhodnimi podatki
- Predvidite možnost prihodnjih nadgradenj
- Izogibajte se tipičnim napakam: ignoriranje toplotnega bilanca, odsotnost poletnega odvajanja toplote, previsoka pričakovanja
Izraba toplote iz razvlaževalnika je inženirsko orodje za povečanje energetske učinkovitosti, katerega uspeh je odvisen od kakovosti projektiranja, podrobnega toplotnega bilanca in realnega izračuna ekonomske upravičenosti za konkreten objekt.
