ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΠΑΝΑΡΑ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ - ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΠΑΝΑΡΑ ιπλ. Μηχανολόγου Μηχανικού Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2010

2

3 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ - ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΠΑΝΑΡΑ ιπλ. Μηχανολόγου Μηχανικού Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Υποβλήθηκε στο Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης Εξεταστική Επιτροπή Νικόλαος Κυριάκης, Καθηγητής Μηχ. Μηχ. ΑΠΘ Άγις Παπαδόπουλος, Αναπληρωτής Καθηγητής Μηχ. Μηχ. ΑΠΘ Κωνσταντίνος Παπακώστας, Επίκουρος Καθηγητής Μηχ. Μηχ. ΑΠΘ Νικόλαος Μουσιόπουλος, Καθηγητής Μηχ. Μηχ. ΑΠΘ Γεώργιος Μπεργελές, Καθηγητής Μηχ. Μηχ. ΕΜΠ ηµήτριος Μπούρης, Αναπληρωτής Καθηγητής Μηχ. Μηχ. Π Μ Εµµανουήλ Μαθιουλάκης, Ερευνητής Α, ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ

4 Συµβουλευτική Επιτροπή Νικόλαος Κυριάκης, Kαθηγητής Μηχ. Μηχ. ΑΠΘ Άγις Παπαδόπουλος, Aναπληρωτής Kαθηγητής Μηχ. Μηχ. ΑΠΘ Κωνσταντίνος Παπακώστας, Eπίκουρος Kαθηγητής Μηχ. Μηχ. ΑΠΘ

5 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ

6 ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΠΑΝΑΡΑΣ ΑΠΘ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ ISBN : Η έγκριση της παρούσης ιδακτορικής ιατριβής υπό της Πολυτεχνικής σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλοί αποδοχή των γνωµών του συγγραφέως (Ν. 5343/1932 άρθρο 202, παρ.2)

7 Αφιερώνεται στην αδερφή µου, τη Βάσω

8

9 Πρόλογος Στις σηµερινές συνθήκες έντασης των προβληµάτων ενεργειακής τροφοδοσίας και όξυνσης των περιβαλλοντικών απορυθµίσεων, η εκδοχή του ηλιακού κλιµατισµού παρουσιάζει αναµφίβολα µεγάλο ενδιαφέρον, ιδιαίτερα εάν ληφθεί υπόψη ο αξιοσηµείωτος εποχιακός ταυτοχρονισµός διαθεσιµότητας ηλιακού δυναµικού και ζήτησης ψυκτικών φορτίων. Η λύση του κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα παρουσιάζει πρόσθετο ενδιαφέρον, καθώς συνδυάζει τη ρύθµιση της θερµοκρασίας, τη ρύθµιση της υγρασίας και την ανανέωση του αέρα του χώρου, παρεµβαίνοντας συνεπώς στον πυρήνα των παραµέτρων που ορίζουν την έννοια της άνεσης στο σύγχρονο κτίριο. Η διείσδυση σε ευρεία κλίµακα της συγκεκριµένης τεχνολογίας εξαρτάται σε πολύ µεγάλο βαθµό από τη βελτίωση τόσο της αποδοτικότητας των προτεινόµενων συστηµάτων, όσο και των όρων οικονοµικής εκµετάλλευσής τους σε σχέση µε τα συµβατικά συστήµατα κλιµατισµού. Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται σε τεχνολογικά ζητήµατα και ειδικότερα στη διερεύνηση, σε πειραµατικό και θεωρητικό επίπεδο, της συµπεριφοράς ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα. Η εργασία υλοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ηλιακών και άλλων Ενεργειακών Συστηµάτων του ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ και υποστηρίχτηκε από τη ΓΓΕΤ, στα πλαίσια του Επιχειρησιακού Προγράµµατος για την Ανταγωνιστικότητα (Γ ΚΠΣ), στη ράση: Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας και Εξοικονόµηση Ενέργειας. Η εργασία µού ανατέθηκε από τον Καθηγητή κ. Ν. Κυριάκη της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του ΑΠΘ και εγκρίθηκε από τη Γενική Συνέλευση του Τµήµατος, η οποία όρισε τριµελή Συµβουλευτική Επιτροπή αποτελούµενη από τον Καθηγητή κ. Ν. Κυριάκη, τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Α. Παπαδόπουλο και τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Κ. Παπακώστα. Στο σηµείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τα µέλη της Τριµελούς Συµβουλευτικής Επιτροπής για τις επιστηµονικές συµβουλές και τη βοήθεια που µου παρείχαν κατά την εκπόνηση της εργασίας. Ξεχωριστές ευχαριστίες θα ήθελα να απευθύνω στον επιβλέποντα Καθηγητή κ. Κυριάκη, για τη συνεργασία που είχαµε κατά την εκπόνηση της εργασίας και τη βοήθεια που µου παρείχε καθόλη τη διάρκεια της συγγραφής της παρούσας διατριβής. Σελ.I

10 Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Παπακώστα για τη συµβολή του στη διαµόρφωση του τελικού κειµένου. Ιδιαίτερα σηµαντική σε όλες τις φάσεις εκπόνησης της διατριβής υπήρξε η συµβολή του ρ. Ε. Μαθιουλάκη, Ερευνητή του Εργαστηρίου Ηλιακών & άλλων Ενεργειακών Συστηµάτων του ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ, τον οποίο και ευχαριστώ. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να απευθύνω στον Προϊστάµενο του Εργαστηρίου Ηλιακών & άλλων Ενεργειακών Συστηµάτων του ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ, ρ. Β. Μπελεσιώτη, για την ευκαιρία που µου έδωσε να ασχοληθώ µε ένα ενδιαφέρον ερευνητικό αντικείµενο, για την παροχή της υλικοτεχνικής υποδοµής και εµπειρίας του Εργαστηρίου σε θέµατα τεχνολογιών αξιοποίησης ηλιακής ενέργειας και µετρολογίας, καθώς και για τις χρήσιµες συµβουλές του κατά την εκπόνηση της διατριβής. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω όλο το προσωπικό του Εργαστηρίου Ηλιακών & άλλων Ενεργειακών Συστηµάτων του ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ, για την προθυµία τους να µου παρέχουν οποιαδήποτε βοήθεια τους ζήτησα κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της εργασίας. Σελ.II

11 Περιεχόµενα ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΩΝ ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Hλιακός κλιµατισµός µε στερεά αφυγραντικά µέσα Αντικείµενο και στόχοι της εργασίας οµή της εργασίας Στοιχεία πρωτοτυπίας της εργασίας ηµοσιεύσεις - ανακοινώσεις 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΘΕΩΡΗΤΙΚΕΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΕΙΣ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΗΛΙΑΚΑ ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ 2.1 Εισαγωγή Βασικά χαρακτηριστικά ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ Πειραµατικές προσεγγίσεις της λειτουργίας αφυγραντικού τροχού ή ηλιακά 17 υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ 2.4 Προσεγγίσεις προσοµοίωσης των κύριων υποσυστηµάτων της διάταξης Γενικά Μοντελοποίηση εναλλάκτη αέρα - αέρα Μοντελοποίηση συσκευής ψύξης µε εξάτµιση Μοντελοποίηση τροχού αφύγρανσης Θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενου 36 συστήµατος ΚΣΑΜ 2.6 Αποτίµηση της ικανότητας των ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων 46 ΚΣΑΜ - Προτεραιότητες έρευνας και τεχνολογίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΗΛΙΑΚΑ ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ 3.1 Εισαγωγή Μοντελοποίηση εναλλάκτη αέρα - αέρα Μοντελοποίηση υγραντήρα Μοντελοποίηση τροχού αφύγρανσης Θεωρητική ανάλυση συµπεριφοράς συντελεστών απόδοσης µεταβλητών 52 συνδυασµένου δυναµικού Πρόταση για µια απλοποιηµένη προσέγγιση µοντέλου τροχού αφύγρανσης Ανάπτυξη µοντέλου λειτουργίας συστήµατος ΚΣΑΜ σε σταθερές 56 Σελ.III

12 Περιεχόµενα συνθήκες λειτουργίας Βασικές σχέσεις Μέθοδος επίλυσης Υπολογισµός µεγεθών υγρασίας, θερµοφυσικών ιδιοτήτων Μοντελοποίηση ηλιακού συστήµατος Ηλιακός συλλέκτης εξαµενή αποθήκευσης Ανάπτυξη µοντέλου λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος 64 ΚΣΑΜ σε µεταβαλλόµενες συνθήκες λειτουργίας Μοντελοποίηση σύζευξης συστήµατος µε κτίριο Μοντελοποίηση σύζευξης συστήµατος µε ηλιακό πεδίο Κλιµατολογικά δεδοµένα 69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ 4.1 Εισαγωγή Περιγραφή της πειραµατικής διάταξης Γενική περιγραφή της διάταξης Τροχός αφύγρανσης Υγραντήρας ψύξης µε εξάτµιση Εναλλάκτης αέρα - αέρα Κιβώτιο συγκρότησης υποσυστηµάτων σε ενιαίο σύστηµα Σύστηµα παραγωγής θερµότητας Ανεµιστήρες Σύστηµα ελέγχου και παροχής ηλεκτρικής ισχύος Κτίριο - Αεραγωγοί Μετρητικό σύστηµα Τεχνικά χαρακτηριστικά µετρητικού συστήµατος Χωρική ανοµοιογένεια και επιλογή θέσεων µέτρησης Επεξεργασία µετρήσεων Εκτίµηση αβεβαιοτήτων µετρήσεων Μέτρηση παροχής - Ισοστάθµιση διάταξης ως προς την παροχή Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος Σενάρια διερεύνησης ιερεύνηση λειτουργίας υποσυστηµάτων ιερεύνηση λειτουργίας συνολικού συστήµατος Επιβεβαίωση µοντέλων υποσυστηµάτων και πειραµατικός προσδιορισµός 107 βασικών συντελεστών απόδοσης Τροχός αφύγρανσης Εναλλάκτης αέρα - αέρα και υγραντήρας απαγωγής Σύνοψη αποτελεσµάτων Εναλλακτική προσέγγιση για τη µοντελοποίηση του τροχού αφύγρανσης 117 στη βάση των τεχνικών χαρακτηριστικών 4.7 Επιβεβαίωση µοντέλου πλήρους συστήµατος Επιβεβαίωση υποµοντέλων από ανεξάρτητη σειρά µετρήσεων Τροχός αφύγρανσης Υγραντήρας απαγωγής Εναλλάκτης αέρα - αέρα 125 Σελ.IV

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΗΛΙΑΚΑ ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ 5.1 Εισαγωγή Παραµετρική διερεύνηση ικανότητας συστήµατος ΚΣΑΜ σε σταθερές 128 συνθήκες λειτουργίας Ανάλυση βασικών παραµέτρων ελέγχου συστήµατος ΚΣΑΜ Παραµετρική διερεύνηση ικανότητας συστήµατος ΚΣΑΜ χωρίς την 132 απαίτηση κάλυψης συγκεκριµένου φορτίου ιερεύνηση ικανότητας συστήµατος ΚΣΑΜ υπό την απαίτηση κάλυψης 139 συγκεκριµένου φορτίου Ο ρόλος της περιοχής θερµικής άνεσης ιερεύνηση ικανότητας ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε 146 µεταβαλλόµενες συνθήκες λειτουργίας Ανάπτυξη στρατηγικής ελέγχου Μελέτη περίπτωσης λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ 151 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ 165 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 175 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ I. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΑΦΥΓΡΑΝΣΗΣ ΚΑΙ ΨΥΞΗΣ ΜΕ ΕΞΑΤΜΙΣΗ Ι.1 Συσκευές αφύγρανσης 187 Ι.1.1 Βασικοί τύποι και εξέλιξη της τεχνολογίας 187 Ι.1.2 Τροχοί αφύγρανσης - κατασκευαστικά χαρακτηριστικά 189 Ι.2 Συσκευές ψύξης µε εξάτµιση 191 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ IΙ. ΣΧΕΣΕΙΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΨΥΧΡΟΜΕΤΡΙΚΩΝ ΜΕΓΕΘΩΝ 195 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ IΙΙ. ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑΣ ΤΡΟΧΟΥ ΑΦΥΓΡΑΝΣΗΣ ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ ΤΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΤΟΥ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΗ 197 Σελ.V

14

15 Κατάλογος Πινάκων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΗΛΙΑΚΑ ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ Πίνακας 3.1 Αντιστοιχία παραµέτρων ανάλυσης περίπτωσης εναλλάκτη αέρα - αέρα περιστρεφόµενου τύπου και τροχού αφύγρανσης...53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ Πίνακας 4.1α Μετρούµενη πτώση πίεσης σε εναλλάκτη αέρα - αέρα και υγραντήρα...85 Πίνακας 4.1β Μετρούµενη πτώση πίεσης στον τροχό αφύγρανσης...86 Πίνακας 4.2 Εύρος συνθηκών πειραµατικής διερεύνησης τροχού αφύγρανσης Πίνακας 4.3 Πειραµατικά προσδιοριζόµενες τιµές των δεικτών απόδοσης του εξεταζόµενου µοντέλου του αφυγραντικού τροχού Πίνακας 4.4 Τιµές του δείκτη RMSE ως προς τη θερµοκρασία και την απόλυτη υγρασία για το εξεταζόµενο µοντέλο απόδοσης του τροχού αφύγρανσης Πίνακας 4.5 Πειραµατικά προσδιοριζόµενοι δείκτες απόδοσης εναλλάκτη αέρα - αέρα και υγραντήρα Πίνακας 4.6 Τιµές RMSE ως προς τη θερµοκρασία και την απόλυτη υγρασία για την αποδοτικότητα των εξεταζόµενων µοντέλων των υποσυστηµάτων της διάταξης Πίνακας 4.7 Πειραµατικά προσδιοριζόµενοι δείκτες απόδοσης υποσυστηµάτων Πίνακας 4.8 Τιµές δείκτη RMSE για τη θερµοκρασία και την απόλυτη υγρασία στην έξοδο του συστήµατος Πίνακας 4.9 Τιµές RMSE θερµοκρασίας και απόλυτης υγρασίας ανεξάρτητης σειράς µετρήσεων και τιµών προτεινόµενου µοντέλου αφυγραντικού τροχού Πίνακας 4.10 Τιµές RMSE θερµοκρασίας στο ρεύµα προσαγωγής και απαγωγής ανεξάρτητης σειράς µετρήσεων και προτεινόµενου µοντέλου εναλλάκτη αέρα - αέρα Σελ.VII

16 Κατάλογος Πινάκων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΗΛΙΑΚΑ ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ Πίνακας 5.1 Θερµική ενεργειακή κατανάλωση για την ηµερήσια λειτουργία συστήµατος ΚΣΑΜ σε ήπιες και ακραίες κλιµατικές συνθήκες, για τη βασική και τη βελτιωµένη στρατηγική ελέγχου Πίνακας 5.2 Θερµική ενεργειακή κατανάλωση για την ηµερήσια λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες Πίνακας 5.3 Θερµική ενεργειακή κατανάλωση για την ηµερήσια λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες, για δύο διαφορετικές θερµοκρασίες ρύθµισης του θερµοστάτη της δεξαµενής αποθήκευσης (επιφάνεια ηλιακού πεδίου: 8 m 2 ) ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ I. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΑΦΥΓΡΑΝΣΗΣ ΚΑΙ ΨΥΞΗΣ ΜΕ ΕΞΑΤΜΙΣΗ Πίνακας I.1 Γεωµετρία περασµάτων αέρα τροχών αφύγρανσης Σελ.VIII

17 Κατάλογος Σχηµάτων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΘΕΩΡΗΤΙΚΕΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΕΙΣ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΗΛΙΑΚΑ ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ Σχήµα 2.1 Σχήµα 2.2 Σχήµα 2.3 Σχήµα 2.4 οµή συστήµατος ΚΣΑΜ...10 Κύκλος λειτουργίας συστήµατος ΚΣΑΜ...11 οµή συστήµατος ΚΣΑΜ κύκλου πλήρους ανακυκλοφορίας αέρα...13 Ηλιακά υποβοηθούµενο σύστηµα ΚΣΑΜ...16 Σχήµα 2.5 Λεπτοµέρεια διεπιφάνειας επαφής ρευµάτων αέρα - ρευστού σε εναλλάκτη υγρής επιφανείας...24 Σχήµα 2.6 Σχήµα 2.7 ιεπιφάνεια επαφής νερού - αέρα σε συσκευή ψύξης µε εξάτµιση...26 Τροχός αφύγρανσης και περιγραφή του ρόλου των ρευµάτων αέρα...28 Σχήµα 2.8 Αποτύπωση µεταβλητών συνδυασµένου δυναµικού F 1, F 2 για πυριτική γέλη - αέρα στο ψυχροµετρικό διάγραµµα...31 Σχήµα 2.9 Θέσεις µεγεθών εισερχόµενων στο µοντέλο του τροχού αφύγρανσης...33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΗΛΙΑΚΑ ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ Σχήµα 3.1 Καµπύλες απόδοσης επίπεδου εναλλάκτη αέρα - αέρα...50 Σχήµα 3.2 Καµπύλες απόδοσης εναλλάκτη αέρα - αέρα ηµι-άµεσης µεταφοράς θερµότητας περιστρεφόµενου τύπου...53 Σχήµα 3.3 Εξεταζόµενο σύστηµα ΚΣΑΜ...56 Σχήµα 3.4 ιάγραµµα ροής της πληροφορίας για το µοντέλο σταθερής λειτουργίας συστήµατος ΚΣΑΜ...58 Σχήµα 3.5 Σχήµα 3.6 ιαστρωµατωµένη δεξαµενή αποθήκευσης θερµότητας...62 Σκαρίφηµα ηλιακού συστήµατος εισερχόµενου στο µοντέλο...66 Σελ.IX

18 Κατάλογος Σχηµάτων Σχήµα 3.7 Συνδεσµολογία ηλιακού πεδίου εισερχόµενου στο µοντέλο...67 Σχήµα 3.8 ιάγραµµα ροής της πληροφορίας για το µοντέλο δυναµικής λειτουργίας του ηλιακού συστήµατος σε σύνδεση µε το σύστηµα ΚΣΑΜ Σχήµα 3.9α Σχήµα 3.9β Μετεωρολογικά δεδοµένα προσοµοίωσης, θερµοκρασία...70 Μετεωρολογικά δεδοµένα προσοµοίωσης, απόλυτη υγρασία...70 Σχήµα 3.9γ Μετεωρολογικά δεδοµένα προσοµοίωσης, συνολική ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο...70 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ Σχήµα 4.1 Σχηµατικό διάγραµµα πειραµατικής διάταξης ΚΣΑΜ...73 Σχήµα 4.2 Ο τροχός αφύγρανσης της πειραµατικής διάταξης και λεπτοµέρεια κελύφους επιφάνειας επαφής...73 Σχήµα 4.3 Υγραντήρας ψύξης µε εξάτµιση της πειραµατικής διάταξης και λεπτοµέρεια επιφάνειας πληρωτικού υλικού...74 Σχήµα 4.4 Σχήµα 4.5 Πλακοειδής εναλλάκτης πειραµατικής διάταξης...75 Σκαρίφηµα κιβωτίου συγκρότησης - συστήµατος...76 Σχήµα 4.6 Κατανοµή και ονοµασία αισθητηρίων στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (αριστερόστροφη περιστροφή τροχού)...81 Σχήµα 4.7 Κατανοµή θερµοκρασίας στην επιφάνεια εξόδου του τροχού αφύγρανσης κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας...82 Σχήµα 4.8 Σχήµα 4.9 Θέση ανεµιστήρων στην πειραµατική διάταξη...87 Χρονικό διάγραµµα εφαρµογής σεναρίων πειραµατικής διερεύνησης...91 Σχήµα 4.10 Θερµοκρασία σε διάφορες θέσεις του εναλλάκτη αέρα - αέρα και ενεργειακή απόδοση κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας...92 Σχήµα 4.11 Καµπύλη κατασκευαστή για την απόδοση του εναλλάκτη αέρα - αέρα...93 Σελ.X

19 Σχήµα 4.12α Θερµοκρασία και απόλυτη υγρασία στην είσοδο και έξοδο του υγραντήρα απαγωγής κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας...94 Σχήµα 4.12β Θερµοκρασία υγρού βολβού στην είσοδο και έξοδο του υγραντήρα απαγωγής κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας...95 Σχήµα 4.12γ Απόδοση του υγραντήρα απαγωγής ως προς τη θερµοκρασία και την απόλυτη υγρασία κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας...95 Σχήµα 4.13 Σχήµα 4.14 Σχήµα 4.15 Θέσεις αισθητηρίων µέτρησης υγραντήρα απαγωγής...96 ιάγραµµα κατασκευαστή για την απόδοση του υγραντήρα...97 Μεταβατική συµπεριφορά υγραντήρα κατά τη διακοπή λειτουργίας...98 Σχήµα 4.16α Θερµοκρασία στην είσοδο και έξοδο του τροχού αφύγρανσης κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας...99 Σχήµα 4.16β Απόλυτη υγρασία στην είσοδο και έξοδο του τροχού κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας Σχήµα 4.16γ Απόδοση του τροχού αφύγρανσης κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας Σχήµα 4.17 ιάγραµµα υπολογισµού σταθεράς χρόνου τροχού αφύγρανσης Σχήµα 4.18α Θερµοκρασία σε διάφορες θέσεις του συστήµατος κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας σε σενάριο αφύγρανσης και µέτριας ψύξης Σχήµα 4.18β Απόλυτη υγρασία σε διάφορες θέσεις του συστήµατος κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας σε σενάριο αφύγρανσης και µέτριας ψύξης Σχήµα 4.19α Θερµοκρασία σε διάφορες θέσεις του συστήµατος κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας σε σενάριο ψύξης Σχήµα 4.19β Απόλυτη υγρασία σε διάφορες θέσεις του συστήµατος κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας σε σενάριο ψύξης Σχήµα 4.20 ιάγραµµα περιγραφής διαδικασίας σύγκρισης πειραµατικών και υπολογιζόµενων από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµών για τον τροχό αφύγρανσης Σελ.XI

20 Κατάλογος Σχηµάτων Σχήµα 4.21α Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (ρεύµα προσαγωγής) για παροχή αέρα 600 m 3 /h (συµπεριλαµβάνεται η γραµµή y = x) Σχήµα 4.21β Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (ρεύµα προσαγωγής) για παροχή αέρα 600 m 3 /h Σχήµα 4.22α Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (ρεύµα προσαγωγής) Σχήµα 4.22β Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (ρεύµα προσαγωγής) Σχήµα 4.23α Μετρούµενες και προβλεπόµενες από τον κατασκευαστή τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (ρεύµα προσαγωγής) Σχήµα 4.23β Μετρούµενες και προβλεπόµενες από τον κατασκευαστή τιµές τιµές απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (ρεύµα προσαγωγής) Σχήµα 4.24 Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του εναλλάκτη αέρα - αέρα (ρεύµα προσαγωγής) Σχήµα 4.25α Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του υγραντήρα απαγωγής Σχήµα 4.25β Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του υγραντήρα απαγωγής Σχήµα 4.26α Προβλεπόµενες από τον κατασκευαστή και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο (µε τη χρήση των συντελεστών που προκύπτουν από το λογισµικό του κατασκευαστή) τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης Σχήµα 4.26β Προβλεπόµενες από τον κατασκευαστή και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο (µε τη χρήση των συντελεστών που προκύπτουν από το λογισµικό του κατασκευαστή) τιµές απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης Σχήµα 4.27 ιάγραµµα περιγραφής διαδικασίας σύγκρισης υπολογιζόµενων από το εξεταζόµενο µοντέλο και πειραµατικών τιµών συνολικού συστήµατος Σχήµα 4.28α Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του συστήµατος Σελ.XII

21 Σχήµα 4.28β Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του συστήµατος Σχήµα 4.29α Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το προτεινόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (ρεύµα προσαγωγής) Σχήµα 4.29β Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το προτεινόµενο µοντέλο τιµές απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (ρεύµα προσαγωγής) Σχήµα 4.30α Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το προτεινόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του υγραντήρα απαγωγής Σχήµα 4.30β Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το προτεινόµενο µοντέλο τιµές απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του υγραντήρα απαγωγής Σχήµα 4.31α Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το προτεινόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του εναλλάκτη αέρα - αέρα (ρεύµα προσαγωγής και απαγωγής), για παροχή αέρα 600 m 3 /h Σχήµα 4.31β Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το προτεινόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του εναλλάκτη αέρα - αέρα (ρεύµα προσαγωγής και απαγωγής), για παροχή αέρα 1000 m 3 /h ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΗΛΙΑΚΑ ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ Σχήµα 5.1 ιάγραµµα θερµικής άνεσης Σχήµα 5.2 ιάγραµµα απεικόνισης παραµέτρων εισόδου και εξόδου για την παραµετρική διερεύνηση επιδόσεων συστήµατος ΚΣΑΜ Σχήµα 5.3α Φορτία κλιµατισµού ικανοποιούµενα ικανοποιούµενα από σύστηµα ΚΣΑΜ µε το επίπεδο απόδοσης βέλτιστης διάταξης Σχήµα 5.3β Φορτία κλιµατισµού ικανοποιούµενα από σύστηµα ΚΣΑΜ µε το επίπεδο απόδοσης της πειραµατικής διάταξης Σχήµα 5.4α COP συστήµατος ΚΣΑΜ µε το επίπεδο απόδοσης βέλτιστης διάταξης ΚΣΑΜ Σελ.XIII

22 Κατάλογος Σχηµάτων Σχήµα 5.4β COP συστήµατος ΚΣΑΜ µε το επίπεδο απόδοσης της πειραµατικής διάταξης Σχήµα 5.5 ιάγραµµα απεικόνισης παραµέτρων εισόδου και εξόδου για την παραµετρική διερεύνηση της ικανότητας συστήµατος ΚΣΑΜ να καλύψει συγκεκριµένο φορτίο Σχήµα 5.6 Αποτελέσµατα θεωρητικής διερεύνησης απόδοσης συστήµατος ΚΣΑΜ µε το επίπεδο απόδοσης της πειραµατικής διάταξης Σχήµα 5.7 Αποτελέσµατα θεωρητικής διερεύνησης απόδοσης συστήµατος ΚΣΑΜ µε το επίπεδο απόδοσης βέλτιστης διάταξης Σχήµα 5.8 ιάγραµµα απεικόνισης διαδικασίας για τον προσδιορισµό της περιοχής λειτουργίας συστήµατος ΚΣΑΜ Σχήµα 5.9 Απαιτήσεις θερµικής άνεσης χώρου και αντίστοιχο σηµείο λειτουργίας συστήµατος ΚΣΑΜ - Μελέτη περίπτωσης Σχήµα 5.10 Τιµές του ποσοστού λειτουργίας των υγραντήρων στην περιοχή λειτουργίας συστήµατος ΚΣΑΜ - Μελέτη περίπτωσης Σχήµα 5.11 ιάγραµµα συνθηκών χώρου και τιµών παραµέτρων ελέγχου συστήµατος για τη βασική στρατηγική ελέγχου Σχήµα 5.12 ιάγραµµα συνθηκών χώρου και τιµών παραµέτρων ελέγχου συστήµατος για τη βελτιωµένη στρατηγική ελέγχου Σχήµα 5.13 Θερµοκρασία και απόλυτη υγρασία χώρου κατά την ηµερήσια λειτουργία συστήµατος ΚΣΑΜ σε ήπιες κλιµατικές συνθήκες, για τη βασική και τη βελτιωµένη στρατηγική ελέγχου Σχήµα 5.14 Θερµοκρασία και απόλυτη υγρασία χώρου κατά την ηµερήσια λειτουργία συστήµατος ΚΣΑΜ σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες, για τη βασική και τη βελτιωµένη στρατηγική ελέγχου Σχήµα 5.15 Συνθήκες του κλιµατιζόµενου χώρου σε σχέση µε την περιοχή άνεσης κατά την ηµερήσια λειτουργία συστήµατος ΚΣΑΜ σε ήπιες και ακραίες κλιµατικές συνθήκες, για τη βασική και τη βελτιωµένη στρατηγική ελέγχου Σελ.XIV

23 Σχήµα 5.16 Συνθήκες του κλιµατιζόµενου χώρου σε σχέση µε την περιοχή άνεσης κατά την ηµερήσια λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες (επιφάνεια ηλιακού πεδίου: 8 m 2, 20 m 2 ) Σχήµα 5.17 Θερµική ισχύς ηλιακού πεδίου κατά την ηµερήσια λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες Σχήµα 5.18 Μέση θερµοκρασία δεξαµενής κατά την ηµερήσια λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες (επιφάνεια ηλιακού πεδίου: 8 m 2 ) Σχήµα 5.19 Συνθήκες του κλιµατιζόµενου χώρου σε σχέση µε την περιοχή άνεσης κατά την ηµερήσια λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες, για δύο διαφορετικές θερµοκρασίες ρύθµισης του θερµοστάτη της βοηθητικής πηγής (επιφάνεια ηλιακού πεδίου: 8 m 2 ) Σχήµα 5.20 Συντελεστής απόδοσης ηλιακού πεδίου σε ηµερήσια λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες, για δύο διαφορετικές θερµοκρασίες ρύθµισης του θερµοστάτη της δεξαµενής αποθήκευσης ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΑΦΥΓΡΑΝΣΗΣ ΚΑΙ ΨΥΞΗΣ ΜΕ ΕΞΑΤΜΙΣΗ Σχήµα I.1 Σχήµα Ι.2 Σχήµα Ι.3 Στρωµατοποιηµένη συσκευή αφύγρανσης µε ταυτόχρονη ψύξη Τροχός αφύγρανσης και λεπτοµέρεια κελύφους - περασµάτων αέρα Λεπτοµέρεια µοτέρ περιστροφής τροχού Σχήµα Ι.4 Ελαστικά µονωτικά στοιχεία για την αποφυγή απωλειών ροής ρευµάτων αέρα σε τροχό αφύγρανσης Σχήµα Ι.5 Συσκευές ψύξης µε εξάτµιση απ ευθείας επαφής νερού - αέρα ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ IΙΙ. ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑΣ ΤΡΟΧΟΥ ΑΦΥΓΡΑΝΣΗΣ ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ ΤΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΗ Σχήµα ΙΙI.1 Επίδραση µεταβολής συνθηκών ρεύµατος αναγέννησης στην απόδοση του τροχού σε αφύγρανση Σελ.XV

24 Κατάλογος Σχηµάτων Σχήµα ΙΙI.2 Επίδραση µεταβολής συνθηκών εισόδου στην απόδοση του τροχού σε αφύγρανση Σχήµα IΙΙ.3 Επίδραση µεταβολής παροχής αέρα και ταχύτητας περιστροφής στην απόδοση του τροχού σε αφύγρανσης Σελ.XVI

25 Κατάλογος Φωτογραφιών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΑΦΥΓΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ Φωτογραφία 4.1 Φωτογραφία 4.2 Φωτογραφία 4.3 Κιβώτιο συγκρότησης πειραµατικής διάταξης ΚΣΑΜ...76 Ανεµιστήρες πειραµατικής διάταξης...77 Πρόβληµατική µόνωση ρευµάτων αέρα στον τροχό αφύγρανσης...87 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΑΦΥΓΡΑΝΣΗΣ ΚΑΙ ΨΥΞΗΣ ΜΕ ΕΞΑΤΜΙΣΗ Φωτογραφία Ι.1 Πλήρες σύστηµα πλαισίου - τροχού αφύγρανσης Φωτογραφία Ι.2 Λεπτοµέρεια στρώµατος δηµιουργίας επιφάνειας επαφής από ροκανίδια Φωτογραφία Ι.3 Επιφάνεια επαφής συσκευής ψύξης µε εξάτµιση Σελ.XVII

26

27 Σύµβολα Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται τα σύµβολα των κύριων µεγεθών που χρησιµοποιούνται στην εργασία. Οι µονάδες είναι αυτές που σηµειώνονται, εκτός αν υποδηλώνεται διαφορετικά µέσα στο κείµενο. A επιφάνεια [m 2 ] a s ποσοστό λειτουργίας υγραντήρα προσαγωγής [-] a e ποσοστό λειτουργίας υγραντήρα απαγωγής [-] C θερµοχωρητική παροχή ρευστού [kw/k] C r αδιάστατη ταχύτητα περιστροφής εναλλάκτη αέρα - αέρα ηµι-άµεσης µεταφοράς θερµότητας ή τροχου αφύγρανσης [-] COP συντελεστής απόδοσης συστήµατος κλιµατισµού [-] c p ειδική θερµοχωρητικότητα [kj/(kg K)] Ε ενέργεια [MJ] F 1, F 2 µεταβλητές συνδυασµένου δυναµικού [-] G ένταση ηλιακής ηλιακής ακτινοβολίας [W/m 2 ] h ειδική ενθαλπία [kj/kg] h fg ενθαλπία εξάτµισης υδρατµών [kj/g] N αριθµός µετρήσεων [-] m µάζα [kg] m& παροχή ρευστού [kg/s] η συντελεστής απόδοσης [-] η ο συντελεστής οπτικής απόδοσης ηλιακού συλλέκτη [-] η F 1, F2 η συντελεστής απόδοσης τροχού αφύγρανσης ως προς τις µεταβλητές συνδυασµένου δυναµικού [-] η w συντελεστής απόδοσης τροχού (αφύγρανσης) σε αφύγρανση [-] Q θερµική ισχύς [kw] Q b συνολικό φορτίο κλιµατισµού κτιρίου [kw] Σελ.XIX

28 Σύµβολα Q sys θερµική ισχύς απαγόµενη από το χώρο από το σύστηµα [kw] RH σχετική υγρασία [%] RMSE µέση τετραγωνική απόκλιση (Root Mean Square Error) [µονάδες του µεγέθους στο οποίο αναφέρεται] s τυπική απόκλιση [µονάδες του µεγέθους στο οποίο αναφέρεται] t θερµοκρασία [ o C] t set θερµοκρασία ρύθµισης θερµοστάτη ενεργοποίησης βοηθητικής πηγής ηλιακού θερµικού συστήµατος [ o C] t dp θερµοκρασία σηµείου δρόσου [ o C] t wb θερµοκρασία υγρού βολβού [ o C] w απόλυτη υγρασία [g/kg] U διευρυµένη αβεβαιότητα [µονάδες του µεγέθους στο οποίο αναφέρεται] U col συντελεστής απωλειών συλλέκτη [W/(m 2 K)] (UA) συνολικός συντελεστής µεταφοράς θερµότητας [kw/k] V όγκος [m 3 ] v& air παροχή όγκου αέρα [m 3 /h] Ελληνικά Σύµβολα τ χρονικό βήµα προσοµοίωσης λειτουργίας συστήµατος [s] p πτώση πίεσης [Pa] ρ πυκνότητα [kg/m 3 ] τ χρόνος [s] τ ct σταθερά χρόνου [min] είκτες a air aux b περιβάλλον αέρας βοηθητική πηγή (αναφέρεται στην ενεργειακή συνεισφορά της) κτίριο Σελ.XX

29 c cal ψυχρό ρεύµα ρευστού (στον εναλλάκτη θερµότητας) υπολογιζόµενες από το προς επιβεβαίωση µοντέλο τιµές σε θέσεις όπου έχουν γίνει µετρήσεις col des e h heat hx hum hw i in ip j ηλιακός συλλέκτης τροχός αφύγρανσης ρεύµα αέρα απαγωγής θερµό ρεύµα ρευστού (στον εναλλάκτη θερµότητας) θερµική (ενέργεια) εναλλάκτης θερµότητας υγραντήρας ρευστό θερµικής πηγής ενέργειας πειραµατικής διάταξης i = 1, 2, υποδηλώνει την αντίστοιχη συνάρτηση δυναµικού F i θέση εισόδου σε συσκευή του συστήµατος θέσεις µελέτης στο σύστηµα (ip =1 10) j = 1, 2, ρεύµα προσαγωγής ή απαγωγής αντίστοιχα (εναλλάκτη ή τροχού αφύγρανσης) j lat ld lim j = 1 N, υποδηλώνει την κάθε µέτρηση που εξετάζεται λανθάνον (φορτίο) θέση τελικής προσαγωγής αέρα στο κτίριο όριο (θερµοκρασίας ή υγρασίας του χώρου) ενεργοποίησης σεναρίου λειτουργίας στη βασική ή στη βελτιωµένη στρατηγική ελέγχου low όριο (θερµοκρασίας του χώρου) ενεργοποίησης σεναρίου λειτουργίας στη βασική ή στη βελτιωµένη στρατηγική ελέγχου out reg s sens SF tank θέση εξόδου σε συσκευή του συστήµατος θέση αναγέννησης τροχού (ρεύµα απαγωγής) ρεύµα αέρα προσαγωγής αισθητό (φορτίο) ηλιακό πεδίο ηλιακή δεξαµενή Σελ.XXI

30

31 Περίληψη Αντικείµενο της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η πειραµατική και θεωρητική διερεύνηση της µοντελοποίησης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος Κλιµατισµού µε Στερεά Αφυγραντικά Μέσα (ΚΣΑΜ). Η διάταξη που επιλέχτηκε αντιστοιχεί στην τυπική διαµόρφωση συστήµατος κλιµατισµού που βασίζεται στην εξεταζόµενη τεχνολογία, όπως προκύπτει από την ανάλυση της σχετικής βιβλιογραφίας. Σηµειώνεται πως τα συστήµατα αυτά εµφανίζουν πλήθος εναλλακτικών διατάξεων, ανάλογα µε το ποσοστό ανανέωσης του αέρα του κλιµατιζόµενου χώρου, τη θέση των βασικών υποσυστηµάτων στη διάταξη, τη σύνδεση ή όχι µε συµβατικό σύστηµα ψύξης, την επιλογή της θερµικής πηγής για την αναγέννηση του τροχού αφύγρανσης, κ.λπ. Ο αρθρωτός χαρακτήρας του συστήµατος, επιτρέπει την µετέπειτα αξιοποίηση των ευρηµάτων της έρευνας, ειδικά όσον αφορά στη συµπεριφορά του τροχού αφύγρανσης, και στο σύνολο των εναλλακτικών διατάξεων. Η εισαγωγή στο αντικείµενο της εργασίας γίνεται µε την περιγραφή της αρχής λειτουργίας των συστηµάτων ΚΣΑΜ, καθώς και των τεχνολογικών λύσεων που εφαρµόζονται για την υλοποίηση των συστηµάτων αυτών, και ειδικότερα όταν πρόκειται να αξιοποιηθεί η θερµική ηλιακή ενέργεια κατά τη διεργασία. Η βιβλιογραφική διερεύνηση επεκτείνεται στην κριτική παρουσίαση των θεωρητικών και πειραµατικών προσεγγίσεων που σχετίζονται µε τη συµπεριφορά και την απόδοση των ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ. Στη συνέχεια αναπτύσσεται µοντέλο για τη λειτουργία συστήµατος ΚΣΑΜ σε σταθερές συνθήκες. Η ανάπτυξη του µοντέλου συνίσταται στην επιλογή των κατάλληλων µοντέλων για το κάθε επιµέρους υποσύστηµα (τροχό αφύγρανσης, υγραντήρα, εναλλάκτη αέρα - αέρα) και στην ενσωµάτωση τους στο συνολικό, ανάλογα µε τη θέση του κάθε υποσυστήµατος ως προς το πλήρες σύστηµα. Η θεωρητική ανάλυση της συµπεριφοράς των υποσυστηµάτων οδηγεί στην πρόκριση συγκεκριµένων µοντέλων, τα οποία βασίζονται σε έγκυρες προσεγγίσεις των φαινοµένων µεταφοράς µάζας και θερµότητας και αξιοποιούν τη σταθερή συµπεριφορά καθορισµένων δεικτών απόδοσης σε συγκεκριµένο εύρος συνθηκών λειτουργίας. Ειδικά για την περίπτωση του τροχού αφύγρανσης, και µε δεδοµένο ότι στη βιβλιογραφία συναντάται συνήθως η χρήση αριθµητικών προσεγγίσεων ή αυθαίρετα επιλεγµένων τιµών για τους σχετικούς δείκτες απόδοσης, προτείνεται µια απλή στην υλοποίηση προσέγγιση. Η προσέγγιση αυτή βασίζεται στην αξιοποίηση της πραγµατικής συµπεριφοράς της Σελ.XXIII

32 Περίληψη εξεταζόµενης συσκευής και µπορεί εύκολα να συνδυαστεί µε τα µοντέλα των άλλων υποσυστηµάτων. Η προσαρµογή του µοντέλου σταθερής λειτουργίας και η ενσωµάτωση σε αυτό κατάλληλων σχέσεων για την προσοµοίωση του ηλιακού συστήµατος και των ψυκτικών φορτίων του κτιρίου, οδηγούν στην ανάπτυξη µοντέλου για τη δυναµική λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ. Για την επιβεβαίωση των εργαλείων προσοµοίωσης που αναπτύχθηκαν, σχεδιάστηκε, υλοποιήθηκε και µελετήθηκε εκτενώς πειραµατική διάταξη ΚΣΑΜ, σε πραγµατική κλίµακα και σε διασύνδεση µε κτίριο που διασφάλιζε ρεαλιστικές συνθήκες λειτουργίας. Στους στόχους της πειραµατικής διερεύνησης περιλαµβάνεται επίσης η αποτύπωση των σηµαντικότερων στοιχείων της εµπειρίας που αποκτήθηκε κατά το σχεδιασµό, την ανάπτυξη και τη λειτουργία της διάταξης, εστιάζοντας σε ζητήµατα επιλογής της τεχνολογίας των υποσυστηµάτων καθώς και αντιµετώπισης πιθανών λειτουργικών προβληµάτων. Με δεδοµένο τον πολυπαραµετρικό χαρακτήρα αυτού του τύπου των συστηµάτων, και επιδιώκοντας να µην επιβαρυνθεί η ανάλυση από το πλήθος των παραµέτρων που θα εισήγαγε η παρουσία του ηλιακού παράγοντα, κυρίως ως προς τη σταθερότητα στο χρόνο της θερµοκρασίας αναγέννησης του τροχού αφύγρανσης, για τις ανάγκες της πειραµατικής διερεύνησης προκρίθηκε η χρήση ελεγχόµενης βοηθητικής πηγής θερµότητας, αντί για τη σύνδεση µε θερµικό ηλιακό σύστηµα. Η βοηθητική πηγή παρείχε ωστόσο τη δυνατότητα αξιοποίησης θερµοκρασιών αναγέννησης σε εύρος αντίστοιχο µε αυτό από τη χρήση επίπεδων ηλιακών συλλεκτών. Η εκτενής πειραµατική διερεύνηση που πραγµατοποιήθηκε είχε ως αποτέλεσµα τη συλλογή πλήθους δεδοµένων σε µεγάλο εύρος συνθηκών λειτουργίας, η επεξεργασία των οποίων οδήγησε σε σειρά συµπεράσµατων ως προς τα ποιοτικά και ποσοτικά λειτουργικά χαρακτηριστικά της συγκεκριµένης τεχνολογίας. Επίσης, επιβεβαιώθηκε πειραµατικά η καταλληλότητα των επιλογών µοντελοποίησης που προκρίθηκαν για τα υποσυστήµατα, µε βάση τη δυνατότητα τους να περιγράψουν τα φαινόµενα σε σταθερές συνθήκες λειτουργίας, και προσδιορίστηκαν οι τιµές των αντίστοιχων δεικτών απόδοσης. Το µοντέλο αξιοποιήθηκε για τη διερεύνηση της συµπεριφοράς του συστήµατος και της ικανότητάς του σε κάλυψη φορτίων κλιµατισµού για σενάρια λειτουργίας τα οποία θα ήταν εξαιρετικά δύσκολο να υλοποιηθούν στην πειραµατική διάταξη, δεδοµένου ότι αυτή υπόκειται τόσο στις τυχαίες µεταβολές των κλιµατικών συνθηκών όσο και σε κατασκευαστικούς περιορισµούς. Σελ.XXIV

33 Τα συµπεράσµατα από τη διερεύνηση στη βάση του µοντέλου σταθερής λειτουργίας αξιοποιήθηκαν στην ανάπτυξη στρατηγικής ελέγχου των διαφόρων υποσυστηµάτων, η οποία είναι απαραίτητη όχι µόνο για τη λειτουργία στην πράξη µια τέτοιας διάταξης, αλλά και για τη δυναµική προσοµοίωση της συµπεριφοράς της σε αλληλεπίδραση µε το κτίριο, αποτελώντας βασικό στοιχείο του µοντέλου δυναµικής λειτουργίας. Γενικότερα, το µοντέλο που αναπτύχθηκε µπορεί να αποτελέσει βασικό στοιχείο ενός εργαλείου σχεδιασµού, στο βαθµό που παρέχει τη δυνατότητα παραµετρικής διερεύνησης των δυνατοτήτων απόδοσης του συστήµατος και µελέτης της επίδρασης παραγόντων όπως οι κλιµατικές συνθήκες, το φορτίο κλιµατισµού, λειτουργικών παραµέτρων της διάταξης ή ακόµα και ενδεχόµενης µετατροπής στην αρχιτεκτονική της διάταξης. Από τη συνολική αποτίµηση των αποτελεσµάτων της έρευνας που πραγµατοποιήθηκε στα πλαίσια της εργασίας, συνάγεται ότι τα ηλιακά υποβοηθούµενα συστήµατα ΚΣΑΜ µπορούν να αποτελέσουν, συγκρινόµενα µε τα συµβατικά συστήµατα κλιµατισµού, µια αξιόπιστη εναλλακτική τεχνολογική επιλογή που συνδυάζει ικανοποιητικά επίπεδα απόδοσης µε φιλική προς το περιβάλλον λειτουργία. Αναγκαία όµως συνθήκη για την ευρύτερη διάδοσή τους είναι η βελτίωση των τεχνικο-οικονοµικών όρων εκµετάλλευσής τους, µέσω της χρήσης αποδοτικότερων τεχνολογικών λύσεων και, κυρίως, αποτελεσµατικών µεθοδολογιών σχεδιασµού και στρατηγικών ελέγχου, κατεύθυνση προς την οποία επιχείρησε να συµβάλει και η παρούσα έρευνα. Σελ.XXV

34

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. Εισαγωγή 1.1 Ηλιακός κλιµατισµός µε στερεά αφυγραντικά µέσα Ο θερινός κλιµατισµός αφορά στην ικανοποίηση των απαιτήσεων αερισµού καθώς και στην κάλυψη του αισθητού και του λανθάνοντος ψυκτικού φορτίου του χώρου. Οι απαιτήσεις σε αερισµό συνήθως καλύπτονται µε την απλή διαδικασία εισαγωγής ποσοστού φρέσκου αέρα στο σύστηµα κλιµατισµού και µέσω αυτού στο χώρο. Η κάλυψη του αισθητού φορτίου απαιτεί την εφαρµογή ψύξης, η οποία επιτυγχάνεται µέσω της εξάτµισης κατάλληλα επιλεγµένου εργαζόµενου µέσου. Η ρύθµιση της υγρασίας του χώρου µπορεί να επιτευχθεί µε άµεσο ή έµµεσο τρόπο. Ο άµεσος τρόπος περιλαµβάνει τη χρήση κάποιου αφυγραντικού µέσου, όπως θα αναλυθεί εκτενώς στη συνέχεια της εργασίας, το οποίο θα αφαιρέσει την υγρασία του αέρα που προσάγεται στο χώρο. Ο έµµεσος τρόπος αναφέρεται στην ψύξη του αέρα σε θερµοκρασίες χαµηλότερες του σηµείου δρόσου, προκαλώντας τη συµπύκνωση των υδρατµών, πρακτική η οποία εφαρµόζεται στην περίπτωση χρήσης των συµβατικών συστηµάτων κλιµατισµού. Σηµειώνεται ότι στη βιβλιογραφία χρησιµοποιείται συχνά ο όρος ψύξη, αν και στην πράξη τα χρησιµοποιούµενα συστήµατα λειτουργούν στην κατεύθυνση κλιµατισµού του χώρου. Ο ηλιακός κλιµατισµός αφορά στην εκµετάλλευση ηλιακής ενέργειας για τον κλιµατισµό ενός χώρου [Henning, 2007; Florides et al, 2002; Grossman, 2002]. Στην πράξη ο όρος χρησιµοποιείται για να περιγράψει τεχνολογίες οι οποίες εκµεταλλεύονται τη θερµική ηλιακή ενέργεια για την παραγωγή ψύχους, κυρίως µέσω διεργασιών απορρόφησης ή προσρόφησης του ψυκτικού µέσου. Ουσιαστικά, πρόκειται για συστήµατα θερµικά υποβοηθούµενης ψύξης, κατάλληλα προσαρµοσµένα στις απαιτήσεις που θέτει η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας. Η διεργασία της ρόφησης επιτυγχάνεται µε τη χρήση κατάλληλων µέσων, τα οποία έχουν την ικανότητα να προσελκύουν και να κατακρατούν άλλα αέρια ή υγρά. Στην περίπτωση που η ρόφηση λαµβάνει χώρα στο σύνολο της µάζας του υλικού ρόφησης, της αποδίδεται ο όρος απορρόφηση (ab-sorption) και γίνεται λόγος για απορροφητή και απορροφώµενο µέσο. Στην περίπτωση που η ρόφηση συνοδεύεται από απλή κατακράτηση του ροφούµενου µέσου στην επιφάνεια του υλικού ρόφησης, της αποδίδεται ο όρος προσρόφηση (adsorption) και αντίστοιχα αναφέρονται τα προσροφητικά και προσροφώµενα µέσα. Μια κατηγορία υλικών ρόφησης είναι τα αφυγραντικά µέσα (desiccants), τα οποία είναι στερεά ή υγρά υδρόφιλα υλικά. Σελ. 1

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Τα συστήµατα κλιµατισµού µε αφυγραντικά µέσα βασίζουν τη λειτουργία τους στην ικανότητα των αφυγραντικών µέσων να απορροφήσουν την υγρασία του προσαγόµενου στο σύστηµα προς επεξεργασία αέρα. Ο αέρας αυτός µπορεί να ψυχθεί στη συνέχεια µέσω διεργασίας ψύξης µε εξάτµιση, επιτυγχάνοντας έτσι την ταυτόχρονη κάλυψη του αισθητού και λανθάνοντος φορτίου του κλιµατιζόµενου χώρου [Mei et al, 1992; Pesaran et al, 1992], αν και ενδέχεται να εµφανιστούν περιορισµοί στην αποτελεσµατικότητα της διεργασίας αυτής, ειδικά σε θερµά και υγρά κλίµατα, όπως θα συζητηθεί και στη συνέχεια της εργασίας. Τα συστήµατα καταναλώνουν θερµική ενέργεια για την αναγέννηση του αφυγραντικού µέσου, την αφαίρεση δηλαδή της υγρασίας που έχει κατακρατήσει το µέσο, ώστε να είναι δυνατή η επαναχρησιµοποίηση του. Η διατριβή ασχολείται µε τα συστήµατα Κλιµατισµού µε Στερεά Αφυγραντικά Μέσα (ΚΣΑΜ), τα οποία εµφανίζουν µεγαλύτερη τεχνολογική ωριµότητα σε σχέση µε τα συστήµατα υγρών αφυγραντικών µέσων [Daou et al, 2006 (a); Grossman, 2002; AGCC, 1999]. Τα βασικά υποσυστήµατα διάταξης ΚΣΑΜ είναι: - Ο τροχός αφύγρανσης, ο οποίος αποτελεί τον πυρήνα του συστήµατος. - Οι υγραντήρες, οι οποίοι αποτελούν συσκευές ψύξης µε εξάτµιση και είναι υπεύθυνοι για την ψύξη µέσω ύγρανσης του µέσου που χρησιµοποιείται για τη µεταφορά της ενέργειας προς το χώρο, δηλαδή του αέρα. Σηµειώνεται ότι συνήθως χρησιµοποιούνται δύο υγραντήρες. - Ο εναλλάκτης αέρα - αέρα, η χρήση του οποίου βελτιώνει ενεργειακά την απόδοση του συστήµατος. Αναλυτικότερες πληροφορίες σχετικά µε τη λειτουργία και τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των τροχών αφύγρανσης και των υγραντήρων δίνονται στα επόµενα κεφάλαια και στο Παράρτηµα Ι. Τα συστήµατα κλιµατισµού µε αφυγραντικά µέσα δεν χρησιµοποιούν επιβλαβή για το περιβάλλον ψυκτικά µέσα καθώς ως εργαζόµενο µέσο θεωρείται ο υδρατµός, και δεν καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια στην καθαυτή διεργασία της ψύξης. Υποστηρίζονται ενεργειακά από θερµική ενέργεια, σε επίπεδα θερµοκρασίας που ευνοούν τη χρήση ηλιακής ενέργειας ή απορριπτόµενης θερµότητας. Αυτό αποτελεί ένα από τα σηµαντικότερα πλεονεκτήµατά τους. To ενδιαφέρον για την εφαρµογή των αφυγραντικών µέσων στον κλιµατισµό είχε αρχίσει να διαφαίνεται σε εµπορικό επίπεδο από το 1910, αναφέροντας την περίπτωση συστήµατος υγρού µέσου [Mei et al, 1992], ενώ τα πρώτα συστήµατα κλιµατισµού ανοικτού κύκλου Σελ.2

37 Εισαγωγή αναφέρονται σε διατάξεις ψύξης µε εξάτµιση οι οποίες βρήκαν εφαρµογή από τη δεκαετία του 30 [Pesaran et al, 1992]. Κατά τη δεκαετία του 70 διατάξεις αφυγραντικών µέσων χρησιµοποιούνταν σε βιοµηχανικές διεργασίες ή εφαρµογές αποθήκευσης υλικών. Η ενεργειακή κρίση, στο τέλος της δεκαετίας του 70, έδωσε ώθηση στην έρευνα για την εφαρµογή της τεχνολογίας αυτής στον τοµέα του κλιµατισµού [Slayzak et al, 1996]. Στις ΗΠΑ αναφέρεται σηµαντική εµπορική δραστηριότητα (κυρίως για συστήµατα τροφοδοτούµενα από συµβατική θερµική ενέργεια) µε αφετηρία τη δεκαετία του 80 [Wurm et al, 2002; Grossman, 2002; Harriman, 1999], η οποία όµως µετά το 2000 εµφάνισε ύφεση οφειλόµενη σε οικονοµικούς λόγους [Henning, 2007]. Σήµερα η τεχνολογία των συστηµάτων ΚΣΑΜ εµφανίζει θετικές προοπτικές όσον αφορά στη διείσδυση στην αγορά [Henning, 2007; Wurm et al, 2002; Waugaman, 1993]. Χαρακτηριστικά αναφέρονται σηµαντικός αριθµός εγκατεστηµένων συστηµάτων αυτού του τύπου στην Ευρώπη, τα οποία είναι συνδεδεµένα µε θερµική ηλιακή πηγή (ερευνητικά ή επιδεικτικά έργα) [Henning, 2007]. 1.2 Αντικείµενο και στόχοι της εργασίας Αντικείµενο της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η θεωρητική και πειραµατική διερεύνηση των παραµέτρων που υπεισέρχονται στη µοντελοποίηση ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ. Βασικό στόχο της εργασίας αποτελεί η ανάπτυξη και επιβεβαίωση ενός εύχρηστου µοντέλου, το οποίο να µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη συστηµατική παραµετρική διερεύνηση της συµπεριφοράς παρόµοιων συστηµάτων, καθώς και για το σχεδιασµό στην πράξη συναφών εγκαταστάσεων ΚΣΑΜ. Στους ειδικότερους στόχους της έρευνας που έγινε στα πλαίσια της διατριβής περιλαµβάνονται: - Η ανάπτυξη σε πραγµατική κλίµακα πειραµατικής διάταξης συστήµατος ΚΣΑΜ. - H διερεύνηση της συµπεριφοράς του πειραµατικού συστήµατος και της ικανότητάς του στην κάλυψη φορτίων κλιµατισµού για σηµαντικό εύρος συνθηκών λειτουργίας, µε σκοπό την αξιολόγηση των διαθέσιµων τεχνολογικών επιλογών και τον εντοπισµό κρίσιµων ζητηµάτων σχεδιασµού. - Η θεωρητική διερεύνηση της λειτουργίας των βασικών υποσυστηµάτων της διάταξης, µε σκοπό την επιλογή συγκεκριµένων µοντέλων για καθένα από αυτά, έχοντας ως κριτήριο το βέλτιστο συµβιβασµό µεταξύ ακρίβειας στην πρόβλεψη και αποτελεσµατικότητας στη χρήση. Ιδιαίτερη έµφαση δόθηκε στην επεξεργασία ενός απλού εργαλείου προσοµοίωσης του τροχού αφύγρανσης. Σελ.3

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - Η ανάπτυξη µοντέλου για το πλήρες σύστηµα για σταθερές συνθήκες λειτουργίας, το οποίο βασίζεται στα µοντέλα των επιµέρους υποσυστηµάτων, συνυπολογίζοντας και τη θέση τους στο πλήρες σύστηµα. - Η πειραµατική επιβεβαίωση των µοντέλων των υποσυστηµάτων καθώς και του µοντέλου του πλήρους συστήµατος για τυπικό εύρος συνθηκών λειτουργίας αντίστοιχων εφαρµογών. - Η ανάπτυξη µοντέλου για µεταβαλλόµενες συνθήκες λειτουργίας, βασιζόµενου στην κατάλληλη προσαρµογή του µοντέλου σταθερής λειτουργίας και στη σύνδεσή του µε δυναµικό µοντέλο του ηλιακού συστήµατος και µε κατάλληλο µοντέλο για τα φορτία κλιµατισµού του κτιρίου. - Η επεξεργασία στρατηγικής ελέγχου της διάταξης σε συνθήκες συνεχούς λειτουργίας, η εφαρµογή της οποίας είναι απαραίτητη για τη λειτουργία των εγκαταστάσεων στην πράξη. Η στρατηγική ελέγχου αποτελεί επίσης αναγκαίο στοιχείο του µοντέλου δυναµικής λειτουργίας, στο βαθµό που απαιτείται για την προσοµοίωση της αλληλεπίδρασης του συστήµατος µε το κτίριο. - Η αξιοποίηση του µοντέλου για την παραµετρική διερεύνηση της συµπεριφοράς της διάταξης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ που επιλέχτηκε να µελετηθεί, και η οποία χαρακτηρίζεται ως τυπική για τη συγκεκριµένη τεχνολογία. Η διερεύνηση περιλαµβάνει τη µελέτη της επίδρασης παραγόντων όπως οι κλιµατικές συνθήκες, το φορτίο κλιµατισµού και λειτουργικές παράµετροι της διάταξης. - Η ανάδειξη του µοντέλου ως βασικού στοιχείου ενός εργαλείου σχεδιασµού. 1.3 οµή της εργασίας Στο παρόν Κεφάλαιο 1, που αποτελεί το εισαγωγικό κεφάλαιο, αναφέρονται κάποιες βασικές έννοιες για τον ηλιακό κλιµατισµό µε στερεά αφυγραντικά µέσα, καθορίζεται το αντικείµενο της εργασίας, αναλύονται οι στόχοι αυτής και εντοπίζονται τα σηµεία πρωτοτυπίας και συνεισφοράς σε ερευνητικό επίπεδο. Επίσης παρουσιάζονται οι σχετικές, µε τα ζητήµατα που διερευνήθηκαν και τα συµπεράσµατα που εξήχθησαν, δηµοσιεύσεις σε επιστηµονικά περιοδικά και ανακοινώσεις σε επιστηµονικά συνέδρια. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η ιδέα του κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα και τα χαρακτηριστικά της τεχνολογίας που χρησιµοποιείται για την υλοποίηση των συστηµάτων, σύµφωνα µε τη σχετική βιβλιογραφία. Παρουσιάζονται οι θεωρητικές και πειραµατικές προσεγγίσεις για την ανάλυση της συµπεριφοράς και της απόδοσης των ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ. Έµφαση δίνεται στη µοντελοποίηση των υποσυστηµάτων, ειδικά για την περίπτωση του τροχού αφύγρανσης. Η ανάλυση καταλήγει Σελ.4

39 Εισαγωγή σε µια συνολική αποτίµηση της ικανότητας των συστηµάτων και των προτεραιότητων έρευνας και τεχνολογίας. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται η ανάπτυξη µοντέλου για ηλιακά υποβοηθούµενο σύστηµα ΚΣΑΜ. Η ανάπτυξή του συνίσταται στην επιλογή των κατάλληλων για το κάθε υποσύστηµα υποµοντέλων και στην ενσωµάτωση τους στο συνολικό, ανάλογα µε τη θέση του κάθε υποσυστήµατος στο πλήρες σύστηµα. Η ανάλυση οδηγεί στην πρόκριση συγκεκριµένων υποµοντέλων για τη λειτουργία των βασικών υποσυστηµάτων (τροχού αφύγρανσης, υγραντήρων, εναλλάκτη αέρα - αέρα) σε σταθερές συνθήκες, η εγκυρότητα των οποίων, όπως και αυτή του πλήρους, διερευνάται πειραµατικά. Στη συνέχεια παρουσιάζεται προσοµοίωση της δυναµικής λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ, στον πυρήνα της οποίας βρίσκεται το µοντέλο σταθερής κατάστασης λειτουργίας. Η προσοµοίωση είναι προσαρµοσµένη ώστε να συνυπολογίζεται η µεταβατική συµπεριφορά του συστήµατος ΚΣΑΜ και να συµπεριλαµβάνονται κατάλληλες σχέσεις για την προσοµοίωση του ηλιακού συστήµατος και των ψυκτικών φορτίων του κτιρίου. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η πειραµατική διερεύνηση της λειτουργίας συστήµατος ΚΣΑΜ, το οποίο αναπτύχθηκε για το σκοπό αυτό στις εγκαταστάσεις του Εργαστηρίου Ηλιακών & άλλων Ενεργειακών Συστηµάτων του ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ. Η ενότητα περιλαµβάνει την παρουσίαση της πειραµατικής διάταξης και του µετρητικού συστήµατος, το οποίο αναπτύχθηκε µε γνώµονα τις ιδιαιτερότητες που εµφανίζουν οι διεργασίες στα υποσυστήµατα της διάταξης. Επιχειρείται να αποτυπωθούν βασικά στοιχεία της εµπειρίας που αποκτήθηκε από το σχεδιασµό, την ανάπτυξη και λειτουργία της διάταξης. Παρουσιάζονται τα βασικά σενάρια λειτουργίας που εφαρµόστηκαν για την πειραµατική διερεύνηση. Μελετάται η συµπεριφορά των υποσυστηµάτων σε σταθερή κατάσταση λειτουργίας και η µεταβατική συµπεριφορά αυτών, εστιάζοντας σε βασικούς δείκτες απόδοσης που υποδεικνύονται από τα µοντέλα που επιλέχθηκαν. Παράλληλα, µελετάται η συµπεριφορά του πλήρους συστήµατος, για τα βασικά σενάρια λειτουργίας. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η επιβεβαίωση των µοντέλων των υποσυστηµάτων και ο πειραµατικός προσδιορισµός των τιµών των σχετικών δεικτών απόδοσης, καθώς και η επιβεβαίωση του µοντέλου του πλήρους συστήµατος. Στο Κεφάλαιο 5 διερευνάται η απόδοση ενός ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ, στη βάση του µοντέλου που αναπτύχθηκε στην εργασία. Μέσω της ανάλυσης σε σταθερές συνθήκες λειτουργίας προσδιορίζονται οι παράµετροι ελέγχου και τα σενάρια λειτουργίας του συστήµατος και αναδεικνύονται τα πλεονεκτήµατα από την υιοθέτηση της περιοχής θερµικής άνεσης, σε σχέση µε συγκεκριµένο σηµείο στόχο, αναφορικά µε τις απαιτούµενες συνθήκες του χώρου κλιµατισµού. Τα αποτελέσµατα αξιοποιούνται για την ανάπτυξη στρατηγικής ελέγχου των διαφόρων υποσυστηµάτων σε συνθήκες συνεχούς Σελ.5

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 λειτουργίας συστήµατος ΚΣΑΜ, η οποία επιτρέπει τη δυναµική προσοµοίωση της λειτουργίας του συστήµατος, όταν αυτό υπόκειται σε πραγµατικά φορτία. Η αποτελεσµατικότητα της στρατηγικής ελέγχου και η λειτουργία του συστήµατος διερευνώνται σε συγκεκριµένη µελέτη περίπτωσης, η οποία αναφέρεται σε διάταξη και κτίριο αντίστοιχα µε αυτά της πειραµατικής διάταξης. Μέσα από τη διερεύνηση της µελέτης περίπτωσης αναδεικνύεται ο ρόλος του µοντέλου προσοµοίωσης ως βασικού στοιχείου µιας µεθοδολογίας σχεδιασµού. Στο Κεφάλαιο 6 συνοψίζονται τα κύρια συµπεράσµατα της εργασίας και προτείνονται ζητήµατα για µελλοντική έρευνα. Στο Παράρτηµα Ι παρουσιάζονται τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά των συσκευών αφύγρανσης και ψύξης µε εξάτµιση. Στο Παράρτηµα ΙΙ παρουσιάζονται οι βασικές σχέσεις που χρησιµοποιήθηκαν για τον υπολογισµό των µεγεθών υγρασίας, τα οποία υπεισέρχονται στη θεωρητική και πειραµατική ανάλυση. Στο Παράρτηµα ΙΙΙ παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα διερεύνησης της επίδρασης διαφόρων παραµέτρων στην απόδοση του τροχού αφύγρανσης σύµφωνα µε τα τεχνικά στοιχεία που παρέχει ο κατασκευαστής, υπό µορφή υπολογιστικού προγράµµατος, για την πρόβλεψη της απόδοσης του προϊόντος του. 1.4 Στοιχεία πρωτοτυπίας της εργασίας Από τη µελέτη της σχετικής βιβλιογραφίας διαπιστώνεται ότι οι υφιστάµενες πειραµατικές διερευνήσεις συστηµάτων ΚΣΑΜ είναι σχετικά περιορισµένες. Ειδικότερα, δεν παρουσιάζονται εργασίες οι οποίες να αναφέρονται σε συστηµατική επιβεβαίωση µοντέλου σε πειραµατική εγκατάσταση πραγµατικής κλίµακας σε ρεαλιστικές συνθήκες λειτουργίας, κενό που φιλοδοξεί να καλύψει η παρούσα ερευνητική προσπάθεια. Η ερευνητική προσέγγιση που υιοθετήθηκε στα πλαίσια της παρούσας έρευνας δεν εστιάζεται στην ανάπτυξη νέων, ακριβέστερων, επιµέρους στοιχείων µοντελοποίησης, αλλά αποσκοπεί στην επεξεργασία ενός εύχρηστου και αξιόπιστου εργαλείου για τη µελέτη αντίστοιχων συστηµάτων στην πράξη. Για την περίπτωση του τροχού αφύγρανσης, η προτεινόµενη προσέγγιση µοντελοποίησης βασίζεται στην αξιοποίηση πληροφοριών που σχετίζονται µε την πραγµατική συµπεριφορά της εξεταζόµενης συσκευής, καθώς οι βασικοί δείκτες απόδοσης που χρησιµοποιούνται είναι δυνατόν να προσδιοριστούν στη βάση περιορισµένου αριθµού µετρήσεων ή απλούστερα αξιοποιώντας την τεχνική πληροφορία που παρέχεται συχνά από τους Σελ.6

41 Εισαγωγή κατασκευαστές των τροχών, συνήθως υπό τη µορφή λογισµικού. Η προσέγγιση αυτή έρχεται σε αντιδιαστολή µε τη συνήθη πρακτική χρήσης καθαρά υπολογιστικών προσεγγίσεων για τον υπολογισµό των δεικτών απόδοσης ή την υιοθέτηση αυθαίρετων τιµών που χαρακτηρίζουν ποιοτικά το κάθε προϊόν. Παράλληλα αποφεύγεται η εφαρµογή αριθµητικών προσεγγίσεων πεπερασµένων διαφορών/όγκων, οι οποίες είναι πρακτικά δύσκολο να συνεργαστούν µε τα µοντέλα των άλλων υποσυστηµάτων (εναλλάκτης αέρα - αέρα, υγραντήρας, ηλιακό σύστηµα). Το µοντέλο σταθερών συνθηκών λειτουργίας που αναπτύχθηκε, αξιοποιείται για την αποσαφήνιση του ρόλου των παραµέτρων που επιδρούν στη λειτουργία των συστηµάτων και ειδικότερα των παραµέτρων που µπορούν να θεωρηθούν ως παράµετροι ελέγχου, ζήτηµα το οποίο ελάχιστες µόνο εργασίες επιχειρούν να αντιµετωπίσουν διεξοδικά. Η διερεύνηση που πραγµατοποιείται στη βάση του µοντέλου επιτρέπει την ποιοτική κατανόηση της λειτουργίας των εξεταζόµενων συστηµάτων και θεωρείται ιδιαίτερα σηµαντική αν συνυπολογιστεί ο πολυπαραµετρικός χαρακτήρας των συστηµάτων, ο οποίος γίνεται πιο πολύπλοκος µε τη σύνδεση µε ηλιακή πηγή ενέργειας. Η λειτουργία συστήµατος κλιµατισµού απαιτεί την ύπαρξη αποτελεσµατικού αλγορίθµου ρύθµισης των παραµέτρων ελέγχου, µε στόχο την κάλυψη των φορτίων µε τον αποδοτικότερο τρόπο. Αν και η βιβλιογραφία για τα συµβατικά συστήµατα είναι εκτενής, ελάχιστες εργασίες θίγουν το ζήτηµα των στρατηγικών ελέγχου για τα συστήµατα ΚΣΑΜ. Η σηµασία της επεξεργασίας µιας αποτελεσµατικής στρατηγικής ελέγχου για τέτοιου είδους συστήµατα γίνεται εµφανέστερη εάν συνυπολογιστεί η ιδιαιτερότητα της ανάγκης ταυτόχρονης ρύθµισης τόσο της θερµοκρασίας όσο και της υγρασίας του κλιµατιζόµενου χώρου. Η εργασία, στη βάση της εµπειρίας που αποκτήθηκε για το ρόλο των παραµέτρων ελέγχου, τόσο από την πειραµατική διερεύνηση όσο και από την εφαρµογή του µοντέλου σταθερών συνθηκών λειτουργίας, επεξεργάζεται και προτείνει µια ολοκληρωµένη στρατηγική ελέγχου για το σύστηµα. Η στρατηγική ελέγχου αξιοποιείται στην προσοµοίωση συνεχούς λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ. Σηµαντικό και ταυτόχρονα καινοτόµο στοιχείο του µοντέλου συνεχούς λειτουργίας αποτελεί η ενσωµάτωση της µεταβατικής συµπεριφοράς που εµφανίζουν οι υγραντήρες και ο τροχός αφύγρανσης, σύµφωνα µε την εµπειρία από την πειραµατική διερεύνηση. Το µοντέλο συνεχούς λειτουργίας µπορεί να αποτελέσει βασικό στοιχείο µιας µεθοδολογίας σχεδιασµού, παρέχοντας τη δυνατότητα αξιολόγησης διαφόρων εναλλακτικών σεναρίων και επιλογής της βέλτιστης λύσης. Σελ.7

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - Εισαγωγή 1.5 ηµοσιεύσεις - ανακοινώσεις Τα σηµεία που διερευνήθηκαν και τα συµπεράσµατα που εξήχθησαν κατά την εκπόνηση της εργασίας υποστηρίζονται κατά το µεγαλύτερο µέρος τους από τις ακόλουθες δηµοσιεύσεις σε έγκυρα περιοδικά του επιστηµονικού πεδίου της ενέργειας και από παρουσιάσεις σε σχετικά συνέδρια: - Panaras G., Mathioulakis E., Belessiotis V., Methodology for the estimation of achievable working range for solid all-desiccant air-conditioning systems, under specific space requirements. Energy and Buildings 39(9), Πανάρας Γ., Μαθιουλάκης Ε., Μπελεσιώτης Β., Μοντέλα µέτρησης υγρασίας και διάχυση σφαλµάτων σε ψυχροµετρικές εφαρµογές, 2ο Τακτικό Εθνικό Συνέδριο Μετρολογίας, Ελληνική Ένωση Εργαστηρίων, Θεσσαλονίκη - Πανάρας Γ., Μαθιουλάκης Ε., Μπελεσιώτης Β., Κυριάκης Ν., ιερεύνηση απόδοσης συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα. Ινστιτούτο Ηλιακής Τεχνικής, 9ο Εθνικό Συνέδριο για τις Ήπιες Μορφές Ενέργειας, Γεροσκήπου, Πάφος- Κύπρος - Panaras G., Mathioulakis E., Belessiotis V., Kyriakis N., Experimental and theoretical investigation of a desiccant air-conditioning system. Renewable Energy, in press Σελ. 8

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα 2.1 Εισαγωγή Στη βιβλιογραφία εµφανίζονται τόσο θεωρητικές όσο και πειραµατικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ. Οι προσεγγίσεις αυτές διερευνούν τη συµπεριφορά και απόδοση του αφυγραντικού τροχού ή του πλήρους συστήµατος για διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Στο επίπεδο των θεωρητικών προσεγγίσεων, σηµαντικό τµήµα της σχετικής µε την εξεταζόµενη τεχνολογία βιβλιογραφίας ασχολείται µε τη µοντελοποίηση των βασικών υποσυστηµάτων, και ειδικότερα του τροχού αφύγρανσης. Το ζήτηµα αυτό παρουσιάζει ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον. Παράλληλα εµφανίζεται σηµαντικός αριθµός εργασιών, οι οποίες επιχειρούν να αποτιµήσουν τις δυνατές επιδόσεις των συστηµάτων ΚΣΑΜ και, συχνά, τη δυνατότητά τους για σύνδεση µε ηλιακό σύστηµα. Στη γενική τους µορφή, οι εργασίες αυτές εστιάζουν σε ζητήµατα όπως τα χρησιµοποιούµενα υλικά αφύγρανσης και οι ιδιότητες αυτών, η αρχή λειτουργίας και οι βασικές διατάξεις των συστηµάτων, ο υπολογισµός ή η παρουσίαση τιµών βασικών δεικτών απόδοσης για τα συστήµατα, οι προοπτικές διείσδυσης των συστηµάτων στην αγορά και σηµαντικά ζητήµατα έρευνας και τεχνολογίας. Οι εργασίες συχνά περιλαµβάνουν το σύνολο των τεχνολογιών θερµικής ψύξης ή κλιµατισµού τόσο µε στερεά όσο και υγρά αφυγραντικά µέσα [La et al, 2010; Wang et al, 2009; Ziegler et al, 2009; Kim and Fereira, 2008; Henning, 2007; Balaras et al, 2007; Daou et al, 2006a; Wang and Oliveira 2006; Mazzei et al, 2005; Mazzei et al, 2002; Wurm et al, 2002; Grossman et al, 2002; Lamp and Ziegler, 1998, Waugaman et al, 1993]. Ιδιαίτερη αναφορά µπορεί να γίνει στις εκτενείς εργασίες των Mei et al (1992) και Pesaran et al (1992), οι οποίες χαρακτηρίζουν µια περίοδο αρκετά έντονης δραστηριότητας σχετικά µε τη συγκεκριµένη τεχνολογία και τις ήπιες µορφές ενέργειας γενικότερα, στις ΗΠΑ. Οι εργασίες παρέχουν συστηµατική και αναλυτική πληροφορία για τις δυνατότητες, την απόδοση, τα ζητήµατα έρευνας και ανάπτυξης και τις προοπτικές των ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ. Επίσης το εγχειρίδιο της AGCC (1999) παρέχει σηµαντική πληροφορία σχετικά µε τις δυνατότητες των συστηµάτων και το πεδίο εφαρµογής τους, ενώ παράλληλα υπεισέρχεται σε τεχνολογικά ζητήµατα καθώς και παραδείγµατα σχεδιασµού και εφαρµογών. Σελ.9

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Στην ενότητα αυτή επιχειρείται να παρουσιαστεί η βιβλιογραφική δραστηριότητα όσον αφορά στις θεωρητικές και πειραµατικές προσεγγίσεις, και παράλληλα να διατυπωθούν τα βασικά χαρακτηριστικά των εξεταζόµενων συστηµάτων σε επίπεδο συµπεριφοράς και απόδοσης, εντοπίζοντας τα κύρια ζητήµατα έρευνας και τεχνολογίας που χρειάζονται περαιτέρω διερεύνηση. Η ανάλυση ξεκινά µε την παρουσίαση των βασικών χαρακτηριστικών της διερευνώµενης τεχνολογίας, εστιάζοντας στην παρουσίαση του κύκλου λειτουργίας, στα χρησιµοποιούµενα υλικά αφύγρανσης και στις δυνατότητες που εµφανίζονται σχετικά µε την αρχιτεκτονική των διατάξεων. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι η βιβλιογραφική επισκόπιση της ενότητας αυτής δεν συµπεριλαµβάνει περιπτώσεις υβριδικών συστηµάτων, συστηµάτων δηλαδή υποβοηθούµενων από συµβατικό σύστηµα ψύξης για την κάλυψη του αισθητού φορτίου. 2.2 Βασικά χαρακτηριστικά ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Στο σχ. 2.1 παρουσιάζεται σχηµατικά η δοµή ενός συστήµατος ΚΣΑΜ και σηµειώνονται τα ρεύµατα προσαγωγής αέρα προς και απαγωγής αέρα από το κτίριο, καθώς και τα κύρια υποσυστήµατα µιας τέτοιας εγκατάστασης, τα οποία είναι ο τροχός αφύγρανσης, οι υγραντήρες και ο εναλλάκτης αέρα - αέρα. Με αύξοντα αριθµό (1-9) υποδηλώνονται στο σχήµα οι βασικές θέσεις µελέτης για το σύστηµα. Αφυγραντικός τροχός Υγραντήρας Προσαγωγή Κτίριο Περιβάλλον Απαγωγή Υγραντήρας Εναλλάκτης αέρα - αέρα Θερµική πηγή Σχήµα οµή συστήµατος ΚΣΑΜ Σύµφωνα µε την αρχή λειτουργίας των συστηµάτων ΚΣΑΜ, διακρίνονται οι παρακάτω διεργασίες, οι οποίες παρουσιάζονται και στο σχετικό ψυχροµετρικό διάγραµµα (η αρίθµηση στις αγκύλες παραπέµπει σε αντίστοιχες θέσεις στο σχ. 2.2): Σελ.10

45 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ Ρεύµα προσαγωγής αέρα (προς το κτίριο) [1-2(3)] Αφύγρανση του προσαγόµενου αέρα από το περιβάλλον στον τροχό αφύγρανσης και θέρµανσή του λόγω της ενθαλπίας συµπύκνωσης των υδρατµών και της µετάδοσης θερµότητας από το θερµό ρεύµα αναγέννησης του τροχού. [3-4] Ψύξη του αέρα προσαγωγής µέσω του εναλλάκτη αέρα - αέρα, αξιοποιώντας τη χαµηλότερη θερµοκρασία του κλιµατιζόµενου αέρα επιστροφής από το κτίριο (ρεύµα απαγωγής). [4-5] Ψύξη του αέρα προσαγωγής στον υγραντήρα µε εξάτµιση νερού και διοχέτευσή του στον κλιµατιζόµενο χώρο. Ο βαθµός της ύγρανσης καθορίζει την ικανότητα του αέρα στην ικανοποίηση αισθητού και λανθάνοντος φορτίου, καθώς υψηλός βαθµός συνεπάγεται την αύξηση της περιεκτικότητας του αέρα σε υγρασία µε ταυτόχρονη µείωση της θερµοκρασίας του. Η διεργασία που παρουσιάζεται στο διάγραµµα µπορεί να θεωρηθεί ισενθαλπική, όπως θα αναλυθεί στη συνέχεια της εργασίας (βλέπε 2.4.3) w [g/kg] , t [ o C] Σχήµα Κύκλος λειτουργίας συστήµατος ΚΣΑΜ Ρεύµα απαγωγής αέρα (από το κτίριο) [6-7] Ψύξη του επιστρεφόµενου αέρα από το κτίριο µε εξάτµιση νερού στον υγραντήρα. Και στην περίπτωση αυτή η διεργασία µπορεί να θεωρηθεί ισενθαλπική. Σελ.11

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 [7-8] Προθέρµανση του ρεύµατος αέρα απαγωγής (ρεύµα αναγέννησης), από το θερµό ρεύµα του αφυγραµµένου αέρα στον τροχό, στον εναλλάκτη αέρα - αέρα.. Για το λόγο αυτό, ο εναλλάκτης αέρα - αέρα αναφέρεται στη βιβλιογραφία και ως εναλλάκτης ανάκτησης θερµότητας. [8-9] Θέρµανση ρεύµατος αναγέννησης από τη θερµική πηγή. [9-10] Αναγέννηση τροχού αφύγρανσης. Ο αέρας του ρεύµατος απαγωγής απορρίπτεται στο περιβάλλον, αρκετά υγρός καθώς έχει συλλέξει την υγρασία από το αφυγραντικό υλικό του τροχού. Τα πλέον κατάλληλα και συνηθέστερα χρησιµοποιούµενα αφυγραντικά µέσα είναι η πυριτική γέλη (silica gel), η οποία παρασκευάζεται συνθετικά από πυριτικό νάτριο και αποτελεί το πλέον χρησιµοποιούµενο υλικό σε εµπορικό επίπεδο εφαρµογών των αφυγραντικών µέσων στον κλιµατισµό, το άλας LiCl και οι συνθετικοί ζεόλιθοι, οι οποίοι αποτελούν αργιλοπυριτικά µέσα. Για την αναγέννηση της πυριτικής γέλης αναφέρεται στη βιβλιογραφία απαίτηση σε θερµοκρασίες της τάξης των 60 ο C και άνω, οι οποίες µπορούν να φτάσουν τους 150 ο C. Το LiCl εµφανίζει υψηλότερη ικανότητα σε αφύγρανση και αναγεννάται σε σχετικά χαµηλότερες θερµοκρασίες από την πυριτική γέλη. Από την άλλη, για το LiCl επισηµαίνεται η εµφάνιση προβληµάτων σε περιβάλλον υψηλής σχετικής υγρασίας, καθώς είναι σχετικά ασταθές και όπως αναφέρεται χαρακτηριστικά το υλικό δακρύζει. Στα θετικά της χρήσης του LiCl θα πρέπει να προσµετρηθεί η αντι-βακτηριδιακή δράση του, ενώ ένα από τα προβλήµατα της πυριτικής γέλης σχετίζεται µε την αναφορά περιπτώσεων ανεπιθύµητων οσµών στον κλιµατιζόµενο χώρο. Οι συνθετικοί ζεόλιθοι, οι οποίοι αναφέρονται και ως µοριακά κόσκινα βρίσκουν εφαρµογή σε περιπτώσεις εξαιρετικά ξηρού περιβάλλοντος και χρησιµοποιούνται σε εφαρµογές που απαιτούν βαθεία αφύγρανση του αέρα, ενώ απαιτούν υψηλές θερµοκρασίες αναγένννησης της τάξης των ο C [La et al, 2010; Wang et al, 2009; Slayzak et al, 1996; Pesaran et al, 1992; Mei et al, 1992; Parsons et al, 1987; Dini and Worek, 1986]. Η εταιρεία Μunters προτείνει έναν τύπο αφυγραντικού µέσου (titanium silicate), στο οποίο αναφορά κάνουν και οι Jia et al (2007). Στο παρελθόν αναφέρεται και η εφαρµογή της ενεργοποιηµένης αλουµίνας, πριν αυτή αντικατασταθεί από τους συνθετικούς ζεόλιθoυς που θεωρήθηκαν ικανότεροι για τις συνήθεις συνθήκες των πρακτικών εφαρµογών [Ruthven, 1984]. Στα πλαίσια πιο πρόσφατων ερευνητικών δραστηριοτήτων διερευνάται επίσης η δυνατότητα ανάπτυξης σύνθετων υλικών, σε µια προσπάθεια να συνδυαστούν τα πλεονεκτήµατα των επιµέρους συστατικών τους. Έχουν, για παράδειγµα, αναφερθεί η ανάπτυξη υλικού πυριτικής γέλης - LiCl [Jia et al, 2006], ή πυριτικής γέλης - διαλύµατος Σελ.12

47 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ χλωριούχου ασβεστίου (calcium chloride) σε νερό, για την παρασκευή του οποίου η πυριτική γέλη βυθίζεται σε υδρόφιλα διαλύµατα χλωριούχου ασβεστίου ώστε οι πόροι της να γεµίσουν από το υλικό αυτό [Daou et al, 2006b]. Τέλος στη βιβλιογραφία αναφέρεται η δυνατότητα χρήσης υγρών αφυγραντικών µέσων σε διατάξεις που έχουν σχεδιαστεί για στερεά αφυγραντικά µέσα µε την εφαρµογή εµβαπτισµού του πλαισίου του τροχού αφύγρανσης στο υγρό αφυγραντικό µέσο [Hamed et al, 2005]. Ο Pennington (1955) παρουσίασε τον πρώτο κύκλο ψύξης µε αφυγραντικά µέσα, εµβαπτίζοντας εναλλάκτη ηµι-άµεσης µεταφοράς θερµότητας περιστρεφόµενου τύπου, σε διάλυµµα υγρού αφυγραντικού µέσου, ώστε να κατασκευάσει αδιαβατικό αφυγραντή (Pennington cycle). Συµπλήρωσε δε τη διάταξη µε θερµική πηγή αναγέννησης και υγραντήρα ψύξης µε εξάτµιση [Davanagere et al, 1999; Mei et al, 1992; Pesaran et al, 1992], (σχ. 2.1). Στη βάση του κύκλου του Pennington εργάστηκε ο Munters, ο οποίος εισήγαγε τον τροχό µε δοµή κερήθρας για τo κέλυφος της επιφάνειας επαφής (honeycombed rotor), αναπτύσσοντας έτσι τη βασική διάταξη ΚΣΑΜ, η οποία και έχει καθιερωθεί στη βιβλιογραφία ως κύκλος πλήρους ανανέωσης αέρα (ventilation cycle). Μια άλλη διάταξη, η οποία αναφέρεται επίσης σχετικά συχνά στη βιβλιογραφία, είναι η διάταξη κύκλου πλήρους ανακυκλοφορίας αέρα (recirculation cycle), που παρουσιάζεται στο σχ. 2.3 [Davanagere et al, 1999; Jurinak et al, 1984; Nelson et al, 1978]. Απαγωγή Υγραντήρας Αφυγραντικός τροχός Κτίριο Προσαγωγή Υγραντήρας Εναλλάκτης αέρα - αέρα Θερµική πηγή Περιβάλλον Περιβάλλον Σχήµα οµή συστήµατος ΚΣΑΜ κύκλου ανακυκλοφορίας Σελ.13

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 H διαφορά των δύο κύκλων βρίσκεται στην επιλογή απόρριψης µέσω του συστήµατος του απαγόµενου αέρα από το κτίριο προς το περιβάλλον (κύκλος πλήρους ανανέωσης αέρα) ή διαχείρισής του µέσω του συστήµατος και επανεισαγωγής του στο χώρο (κύκλος πλήρους ανακυκλοφορίας αέρα). Πρόκειται δηλαδή για συστήµατα που εξασφαλίζουν 100% και 0% ανανέωση του αέρα του κτιρίου αντίστοιχα. Στις εφαρµογές κλιµατισµού συνήθως απαιτείται η ανανέωση ενός ποσοστού του αέρα του κλιµατιζόµενου χώρου. Στο πλαίσιο αυτό είναι δυνατή η εφαρµογή κύκλων που αποτελούν σύνθεση των δύο βασικών κύκλων πλήρους ανανέωσης και πλήρους ανακυκλοφορίας αέρα, εξασφαλίζοντας κατάλληλο ποσοστό ανανέωσης του αέρα του κτιρίου [AGCC, 1999]. Όπως θα συζητηθεί και στη συνέχεια της εργασίας, στα πλαίσια της βιβλιογραφικής ανάλυσης (βλέπε Κεφ. 2), ο κύκλος πλήρους ανανέωσης αέρα αποτελεί διάταξη αναφοράς για τα συστήµατα ΚΣΑΜ. Από εκεί και πέρα, είναι δυνατό να αναπτυχθεί πλήθος παραλλαγών, ανάλογα µε τα υποσυστήµατα που χρησιµοποιούνται και την αρχιτεκτονική της διάταξης. Χαρακτηριστικά αναφέρεται η περίπτωση του κύκλου Dunkle, ο οποίος χρησιµοποιεί έναν επιπλέον εναλλάκτη, ώστε να επιτύχει βελτιωµένες συνθήκες ανάκτησης για το ρεύµα προσαγωγής, και να βελτιώσει µε τον τρόπο αυτό τη θερµοκρασία του πριν την εισαγωγή του στον υγραντήρα προσαγωγής και στο κτίριο [Jain and Dhar, 1985]. Επίσης αναφέρεται η χρήση εναλλάκτη υγρών επιφανειών (wet surface heat exchanger) στην είσοδο του τροχού αφύγρανσης, σε διάταξη κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα, η οποία είναι δυνατό να µειώσει τη θερµοκρασία του αέρα στην είσοδο προς τον τροχό, βελτιώνοντας έτσι τη διεργασία της αφύγρανσης. Η επίδραση της θερµοκρασίας εισόδου στην απόδοση του τροχού σε αφύγρανση θα συζητηθεί στη συνέχεια της εργασίας (βλέπε Παράρτηµα ΙΙΙ). Η χρήση εναλλακτών υγρής επιφανείας προτείνεται και γενικότερα έναντι των υγραντήρων και για το υπόλοιπο σύστηµα [Jain and Dhar, 1985]. Μια άλλη παράµετρος η οποία διαφοροποιεί τις διατάξεις είναι η επιλογή ψύξης ή όχι του προσαγόµενου στο κτίριο αέρα, µε τη χρήση του υγραντήρα προσαγωγής [AGCC, 1999]. O υγραντήρας προσαγωγής αυξάνει την ικανότητα του συστήµατος σε αισθητό φορτίο, µειώνει όµως ταυτόχρονα, λόγω της ύγρανσης του αέρα προσαγωγής, την ικανότητα σε λανθάνον φορτίο. Για την αύξηση της ικανότητας των συστηµάτων σε αισθητό φορτίο, είναι δυνατή η χρήση συµβατικού συστήµατος για τη µείωση της θερµοκρασίας του αέρα, ώστε να µην επηρεάζεται η ικανότητα σε λανθάνον φορτίο. Στην περίπτωση αυτή πρόκειται για υβριδικά συστήµατα, τα οποία παρουσιάζουν τεχνολογικό ενδιαφέρον, λόγω του συνδυασµού του συστήµατος µε στερεά αφυγραντικά µέσα µε το συµβατικό σύστηµα, ενώ παράλληλα επιτρέπουν την κάλυψη µεγαλύτερου εύρους φορτίων, σε σχέση µε τα αµιγή συστήµατα από τα οποία αποτελούνται [Dhar and Singh, 2001; AGCC, 1999]. Η Σελ.14

49 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ υποβοήθηση στην κάλυψη του αισθητού φορτίου µπορεί να πραγµατοποιηθεί και µε την αξιοποίηση διάταξης αβαθούς γεωθερµίας [Gasparella et al, 2005; Casas and Schmidt, 2002]. Σε πολλές εγκαταστάσεις εµφανίζεται η επιλογή παράκαµψης ποσοστού ροής της τάξης του 20-40% του ρεύµατος αναγέννησης πριν τον τροχό αφύγρανσης. H επιλογή αυτή θεωρείται ότι εξοικονοµεί θερµότητα, χωρίς να επηρεάζεται η απόδοση του συστήµατος [Jurinak et al, 1984]. Σχετική µε τη διαχείριση του ρεύµατος αναγέννησης είναι και η πρακτική της βαθµωτής αναγέννησης (staged regeneration), κατά την οποία η αναγέννηση γίνεται σε δύο στάδια. Αρχικά, σηµαντικό ποσοστό του ρεύµατος αναγέννησης, το οποίο εξέρχεται από τον εναλλάκτη αέρα - αέρα (ρεύµα απαγωγής), διέρχεται, χωρίς να προστεθεί θερµότητα σε αυτό, από τον τροχό. Στη συνέχεια, το υπόλοιπο (µικρότερο) ποσοστό, θερµαίνεται σε σχετικά υψηλή θερµοκρασία και διέρχεται επίσης από τον τροχό για την ολοκλήρωση της αναγέννησης. Η πρακτική αυτή, αντίστοιχα µε την πρακτική της παράκαµψης ποσοστού του ρεύµατος αναγέννησης, θεωρείται ότι µειώνει την κατανάλωση θερµικής ενέργειας, χωρίς να επηρεάζει την ανάκτηση θερµότητας στον εναλλάκτη αέρα - αέρα και την αντίστοιχη βελτίωση της θερµοκρασίας του αέρα προσαγωγής πριν την είσοδό του στον υγραντήρα προσαγωγής [Pesaran et al, 1992]. Στη βιβλιογραφία εµφανίζονται και διβάθµια συστήµατα ως προς την αφύγρανση του αέρα (two-stage), µε έναν [Ge et al, 2008a] ή δύο τροχούς αφύγρανσης [Jain and Dhar, 1995]. Μια χαρακτηριστική λειτουργία των συστηµάτων είναι η έµµεση ψύξη µε εξάτµιση, κατά την οποία δεν λειτουργεί ο τροχός αφύγρανσης αλλά ο υγραντήρας απαγωγής, και επιτυγχάνεται, µέσω του εναλλάκτη, η ψύξη, χωρίς µεταβολή της υγρασίας, του αέρα προσαγωγής. Σχετικά µε τη θερµική πηγή αναγέννησης, αν και εµπορικά έχουν αξιοποιηθεί συστήµατα µε θερµική προέλευση συµβατικής πηγής (πετρέλαιο, φυσικό αέριο) και σε θερµοκρασίες της τάξης των ο C, η τεχνολογική εξέλιξη των τροχών αφύγρανσης επιτρέπει την εκµετάλλευση θερµοκρασιών χαµηλότερης στάθµης, της τάξης των ο C, στρέφοντας το ενδιαφέρον στην αξιοποίηση ηλιακής θερµικής ενέργειας. Η εκµετάλλευση της ηλιακής ενέργειας απαιτεί την παρουσία ενός συστήµατος για τη συλλογή και αποθήκευση αυτής, τα βασικά µέρη του οποίου είναι ο ηλιακός συλλέκτης και η δεξαµενή αποθήκευσης, ενώ συνήθως χρησιµοποιείται εναλλάκτης νερού - νερού ή αέρα - νερού (ανάλογα µε τον τύπο του ηλιακού συλλέκτη) για τη µετάδοση θερµότητας από το Σελ.15

50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ηλιακό πεδίο στη δεξαµενή, καθώς και εναλλάκτης νερού - αέρα για τη µετάδοση της θερµότητας από τη δεξαµενή προς το ζητούµενο φορτίο. Στη βιβλιογραφία εµφανίζονται διάφοροι τύποι ηλιακών συλλεκτών, ανάλογα µε τη φύση του χρησιµοποιούµενου ρευστού (υγρό, συνηθέστερα νερό µε πιθανή πρόσµιξη κάποιου αντιπηκτικού µέσου, ή αέρας) και τη θερµοκρασία λειτουργίας. Για τις εφαρµογές κλιµατισµού και ειδικότερα τις τεχνολογίες που εξετάζονται στην εργασία, όπου η θερµοκρασία λειτουργίας του ρευστού µετάδοσης θερµότητας δεν ξεπερνάει τους o C, προτείνονται συχνότερα οι λύσεις του επίπεδου συλλέκτη και του συλλέκτη κενού [Μπελεσιώτης κα., 2004; Goswami et al, 2000; De Winter, 1990; Kreider et al, 1989]. Η χρήση δεξαµενής αποθήκευσης σε ένα ηλιακό σύστηµα επιβάλλεται λόγω του ετεροχρονισµού µεταξύ προσφοράς ηλιακής ενέργειας και ζήτησης θερµότητας, τόσο κατά τη διάρκεια του ηµερήσιου κύκλου, όσο και σε µεγαλύτερες περιόδους, φτάνοντας στη διεποχιακή αποθήκευση και παροχή ενέργειας. Παράλληλα, η αποθήκευση ενέργειας επιτρέπει την παροχή θερµότητας σε σχετικά σταθερή θερµοκρασία και στην επιθυµητή τιµή παροχής, συµβατή µε τις ανάγκες της κάθε εφαρµογής. Σε χαµηλές θερµοκρασίες αποθήκευσης, χρησιµοποιείται κυρίως η αποθήκευση αισθητής θερµότητας, µε τη χρήση νερού ως µέσου αποθήκευσης. Το συνηθέστερα αναφερόµενο στη βιβλιογραφία ηλιακά υποβοηθούµενο σύστηµα ΚΣΑΜ χρησιµοποιεί επίπεδους συλλέκτες νερού µε δεξαµενή αποθήκευσης αισθητής θερµότητας και συµβατική υποβοήθηση για τη διασφάλιση διατήρησης της θερµοκρασίας του νερού σε συγκεκριµένα επίπεδα, σχ. 2.4 [Enteria et al, 2009; Henning et al, 2001; Nelson et al, 1978, κ.α.]. Σχήµα Ηλιακά υποβοηθούµενο σύστηµα ΚΣΑΜ Στα συστήµατα µε συλλέκτες αέρα, η αξιοποίηση του θερµαινόµενου αέρα που διέρχεται από το συλλέκτη είναι άµεση, καθώς αποτελεί το ρεύµα αναγέννησης αυτό καθαυτό. Η Σελ.16

51 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ διάταξη αυτή είναι δυνατό να εµφανίσει περιορισµούς ως προς την ικανότητά της σε κλιµατισµό, καθώς για κάποιες βασικές παραµέτρους, όπως η παροχή αέρα, ενδέχεται να υπάρχουν αποκλίσεις µεταξύ των βέλτιστων τιµών που εµφανίζουν αυτές όσον αφορά στη συλλογή ενέργειας στο ηλιακό σύστηµα και στην αναγέννηση στον τροχό αφύγρανσης. Αξίζει να σηµειωθεί ότι βασικός στόχος της παρούσας εργασίας δεν είναι να αξιολογήσει και να συγκρίνει µεταξύ τους τις διάφορες δυνατές διαµορφώσεις για τα συστήµατα ΚΣΑΜ, αλλά να διερευνήσει σε βάθος και σε πραγµατικές συνθήκες λειτουργίας τη συµπεριφορά ενός συστήµατος συνδεδεµένου µε ηλιακή θερµική πηγή, για την περίπτωση που το σύστηµα δεν λαµβάνει υποβοήθηση από συµβατικό ή άλλο σύστηµα παραγωγής ψύξης. 2.3 Πειραµατικές προσεγγίσεις της λειτουργίας αφυγραντικού τροχού ή συστήµατος ΚΣΑΜ Oι Joudi and Madhi (1987) διερευνούν την απόδοση ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ, το οποίο είναι εγκατεστηµένο σε εργαστηριακό χώρο στην περιοχή της Basrah (Ιράκ), αλλά δεν είναι συνδεδεµένο µε συγκεκριµένο κτίριο. Το σύστηµα αποτελεί παραλλαγή του τυπικού συστήµατος κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα και χρησιµοποιεί συλλέκτη αέρα, τροχό αφύγρανσης, εναλλάκτη νερού - αέρα, για την ψύξη του εξερχόµενου από τον τροχό αφυγραµµένου αέρα, και υγραντήρα προσαγωγής. Οι δοκιµές πραγµατοποιήθηκαν κατά τους τους καλοκαιρινούς µήνες, η λειτουργία του συστήµατος µελετήθηκε για τρία επίπεδα παροχής αέρα, ενώ χρησιµοποιήθηκε και βοηθητική πηγή θέρµανσης, ώστε κάποιες δοκιµές να γίνουν σε σταθερή θερµοκρασία αναγέννησης 70 C. Οι ερευνητές δηλώνουν ικανοποιηµένοι από την απόδοση και τις προοπτικές του συστήµατος, αν και θεωρούν ότι το σύστηµα είναι µεγάλο σε µέγεθος και λιγότερο ικανό σε απόδοση από αντίστοιχο σύστηµα συµπίεσης ατµών. Παράλληλα τονίζουν τη σηµασία κατασκευής τροχών αφύγρανσης αποδοτικότερων σε χαµηλότερες θερµοκρασίες αναγέννησης, καθώς και το γεγονός ότι το σύστηµα εµφάνισε ιδιαίτερα υψηλή κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας λόγω χαµηλής απόδοσης των ανεµιστήρων που χρησιµοποιήθηκαν. Οι Lof et al (1988), διερευνούν τη λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα, εγκατεστηµένου σε χώρο γραφείων εργαστήριου στο Colorado (ΗΠΑ). Το ηλιακό πεδίο αποτελείται από συλλέκτες κενού και δεξαµενή αποθήκευσης συνδεδεµένη µε ηλεκτρική βοηθητική πηγή ενέργειας. Η στρατηγική λειτουργίας στοχεύει στη ρύθµιση της θερµοκρασίας του χώρου. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα το σύστηµα ικανοποίησε τις απαιτήσεις κλιµατισµού του χώρου για το 90% Σελ.17

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 του χρόνου λειτουργίας κατά την καλοκαιρινή περίοδο Ιουνίου - Ιουλίου, ενώ ο COP του συστήµατος ξεπέρασε τη µονάδα σε πολλές ηµέρες λειτουργίας, για θερµοκρασίες αναγέννησης της τάξης των ο C. Οι Pesaran and Bingham (1989) διερευνούν πειραµατικά την απόδοση τεσσάρων διαφορετικών τροχών, όσον αφορά στη γεωµετρία του κελύφους της επιφάνειας επαφής και στο αφυγραντικό υλικό. Οι εξεταζόµενες γεωµετρίες αναφέρονται τόσο σε γεωµετρία παράλληλων όσο και ηµιτονοειδών περασµάτων. Οι µετρήσεις πραγµατοποιούνται στην εγκατάσταση δοκιµών του Solar Energy Research Institute και τα αποτελέσµατα προκρίνουν τη χρήση µικρόπορης πυριτικής γέλης σε γεωµετρία ηµιτονοειδών περασµάτων για το κέλυφος της επιφάνειας επαφής. Οι Murali Krishna et al (1989) διερευνούν πειραµατικά την απόδοση αφυγραντικού τροχού σε σχέση µε τη µεταβολή παραµέτρων όπως οι συνθήκες του αέρα προσαγωγής, η ταχύτητα περιστροφής, η θερµοκρασία αναγέννησης, η παροχή και ο λόγος παροχών των δύο ρευµάτων. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα, όλες οι παράµετροι επηρεάζουν την ποσότητα της υγρασίας που αφαιρείται από το προσαγόµενο ρεύµα. Ειδικά για το λόγο παροχών, την ταχύτητα περιστροφής και τον αριθµό Reynolds διαπιστώθηκαν τιµές βέλτιστης λειτουργίας, εκατέρωθεν των οποίων η απόδοση του τροχού µειωνόταν. O Pesaran (1993, 1990) και οι Pesaran and Penney (1991) µελετούν σε πειραµατικό και θεωρητικό επίπεδο, στη βάση του αριθµητικού µοντέλου των Maclaine-Cross (1974), την επίπτωση στην απόδοση των αφυγραντικών τροχών πυριτικής γέλης των θερµικών κύκλων λειτουργίας και της ρύπανσης του αφυγραντικού υλικού από ρύπους του προσαγόµενου αέρα. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι η επίπτωση στον COP µπορεί να κυµανθεί µεταξύ 10-35% ύστερα από χρόνο έκθεσης 4 µηνών. Στο εν λόγω αντικείµενο αναφέρεται και η εργασία των Belding et al (1996) στην οποία εξετάζεται, σε πειραµατικό επίπεδο, η συµπεριφορά διαφόρων αφυγραντικών υλικών. Τα αποτελέσµατα όσον αφορά στην πυριτική γέλη είναι αντίστοιχα µε τις προαναφερθείσες εργασίες. H εργασία των Dupont et al (1994) αναφέρεται σε σύστηµα στρωµατοποιηµένης διάταξης, το οποίο αναπτύχθηκε µε γνώµονα το χαµηλό κόστος και την ευκολία στην κατασκευή, για χρήση σε τροπικά κλίµατα όπως της Γουαδελούπης, στην οποία γίνεται και η πειραµατική διερεύνηση. Οι συγγραφείς δηλώνουν ότι είναι δυνατή η χρήση συστήµατος δεξαµενής αποθήκευσης νερού - ηλιακών συλλεκτών για την αναγέννηση του αφυγραντικού µέσου, δεν είναι όµως ικανοποιηµένοι από το βαθµό που η στρωµατοποιηµένη διάταξη προσεγγίζει την αδιαβατική διεργασία καθώς το σύστηµα εµφανίζει αυξηµένες απώλειες. Οι Neti and Wolfe (2000) διερευνούν στη βάση µετρήσεων την ικανότητα συγκεκριµένων προσεγγίσεων να περιγράψουν τη λειτουργία του τροχού. Αντίστοιχες είναι οι εργασίες Σελ.18

53 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ των Bharathan et al (1987) και του Pesaran (1986). Τα αποτελέσµατα των εργασιών θα συζητηθούν σε επόµενη ενότητα. Οι Henning et al (2001) µελετούν πειραµατικά τη συµπεριφορά ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα, σε σύνδεση µε χώρο γραφείων στην περιοχή της Rieza (Γερµανία). Το ηλιακό σύστηµα αποτελείται από συλλέκτες υγρού και δεξαµενή αποθήκευσης, µε παρουσία θερµικής συµβατικής πηγής υποβοήθησης. Τα αποτελέσµατα δίνουν αρκετά ικανοποιητική κάλυψη της ζήτησης σε θερµότητα από το ηλιακό πεδίο, ενώ ο µετρούµενος COP του συστήµατος κλιµατισµού είναι της τάξης του 0.6. Η εργασία συνοδεύεται και από θεωρητική ανάλυση στη βάση µοντέλου, τα αποτελέσµατα της οποίας θα συζητηθούν σε επόµενη ενότητα. Οι τρεις επόµενες εργασίες αναφέρονται σε πειραµατική διερεύνηση συστήµατος εγκατεστηµένου σε πανεπιστηµιακό χώρο στην πόλη Gaziantep (Τουρκία). Το σύστηµα αποτελεί τυπική διάταξη κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα και χρησιµοποιεί φυσικό ζεόλιθο ως αφυγραντικό µέσο. Οι συγγραφείς σηµειώνουν ότι αποτελεί την πρώτη διάταξη µε τη χρήση αυτού του αφυγραντικού υλικού. Οι Kanoglu et al (2004) διερευνούν πειραµατικά την απόδοση του συστήµατος, ενώ η ανάλυση επεκτείνεται και στο δεύτερο θερµοδυναµικό νόµο. Οι συγγραφείς υπολογίζουν τον COP του συστήµατος (COP=0.345) σε συνθήκες σύµφωνα µε το πρότυπο ARI [ΑRΙ 1998], αποδίδοντας τη χαµηλή τιµή του κυρίως στη χαµηλή απόδοση του τροχού αφύγρανσης. Οι Carpinlioglu and Yildirim (2005) διερευνούν την επίδραση πλήθους παραµέτρων, όπως η θερµοκρασία αναγέννησης, η παροχή, η ταχύτητα περιστροφής του εναλλάκτη αέρα - αέρα και του τροχού αφύγρανσης στην απόδοση συστήµατος ΚΣΑΜ κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα. Τα αποτελέσµατα δείχνουν εξάρτηση του COP και της ψυκτικής ικανότητας από την παροχή αέρα, ενώ η εξάρτηση από την ταχύτητα περιστροφής του εναλλάκτη ανάκτησης ή του τροχού αφύγρανσης, καθώς και από τη θερµοκρασία αναγέννησης, µπορεί να θεωρηθεί αµελητέα. Οι συγγραφείς προτείνουν συγκεκριµένες σχέσεις συσχέτισης για τα µεγέθη απόδοσης που µελετούν. Οι Kanoglu et al (2007) διερευνούν την επίδραση της θερµοκρασίας και της σχετικής υγρασίας του περιβάλλοντος στον COP του συστήµατος. Η εγκατάσταση λειτούργησε τόσο σε κύκλο πλήρους ανανέωσης όσο και πλήρους ανακυκλοφορίας αέρα. Η ανάλυση περιλαµβάνει και την επίδραση σε αντίστοιχους δείκτες βασισµένους στο δεύτερο νόµο της θερµοδυναµικής. Τα αποτελέσµατα δείχνουν, για τον κύκλο πλήρους ανανέωσης αέρα, µείωση των τιµών του COP, µε την αύξηση της θερµοκρασίας του περιβάλλοντος και της σχετικής υγρασίας, και αύξηση της ψυκτικής ικανότητας. Για τον κύκλο ανακυκλοφορίας Σελ.19

54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 τα αποτελέσµατα είναι αντίστοιχα για τον COP, ενώ για την ψυκτική ικανότητα η τάση είναι αντίστροφη, δηλαδή παρατηρείται µείωση της ψυκτικής ικανότητας µε την αύξηση της θερµοκρασίας του περιβάλλοντος και της σχετικής υγρασίας. Οι Ahmed et al (2005) διερευνούν παραµετρικά την απόδοση αφυγραντικού τροχού. Στην εργασία αυτή πραγµατοποιείται και παράλληλη πειραµατική επιβεβαίωση αριθµητικού µοντέλου, το οποίο και χρησιµοποιείται στη συνέχεια για τη συστηµατική παραµετρική διερεύνηση λειτουργίας του τροχού. Οι παράµετροι που µεταβάλλονται κατά την πειραµατική διερεύνηση είναι η παροχή, η ταχύτητα περιστροφής και η θερµοκρασία αναγέννησης. Κάποιες άλλες µελέτες που εντοπίστηκαν και αφορούν επίσης την πειραµατική επιβεβαίωση προτεινόµενων µοντέλων, όπως η εργασία των Zhang et al (2003), παρουσιάζουν εξαιρετικά σύντοµες µετρήσεις, καθώς στόχος τους δεν είναι η πειραµατική διερεύνηση της λειτουργίας του τροχού. Οι Khalid et al (2009) διερευνούν την απόδοση συστήµατος ΚΣΑΜ. Το σύστηµα αποτελεί τυπική διάταξη κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα, µε δυνατότητα εφαρµογής συµβατικής υποβοήθησης για την ψύξη του αέρα πριν την είσοδο στον κλιµατιζόµενο χώρο και τροφοδοτείται θερµικά από θερµαντήρα φυσικού αερίου, ο οποίος διασφαλίζει σχετικά υψηλή θερµοκρασία αναγέννησης (115 ο C). Το σύστηµα κλιµατίζει εργαστηριακό χώρο στο Karachi (Πακιστάν). Αξίζει να σηµειωθεί ότι το κλίµα είναι θερµό και ιδιαίτερα υγρό στην περιοχή µελέτης. Για την αξιολόγηση της επίδοσης του συστήµατος οι συγγραφείς παρουσιάζουν τον COP για διαφορετικές θερµοκρασίες περιβάλλοντος. Η παρουσίαση και συζήτηση των πειραµατικών αποτελεσµάτων είναι ιδιαίτερα συνοπτική, καθώς στη συνέχεια της εργασίας γίνεται, µε τη βοήθεια µοντέλου, αναλυτική διερεύνηση της απόδοσης διάφορων διατάξεων βασισµένων στην πειραµατική. Η διερεύνηση αυτή θα παρουσιαστεί σε επόµενη ενότητα (βλέπε 2.5). Στην εργασία των Enteria et al (2009), το σύστηµα που διερευνάται αναφέρεται στον κύκλο πλήρους ανανέωσης αέρα, τονίζοντας ωστόσο ότι αποτελεί παραλλαγή της βασικής διάταξης, καθώς δεν χρησιµοποιεί υγραντήρα προσαγωγής ή απαγωγής, αλλά διάταξη έµµεσης ψύξης µε εξάτµιση, εγκατεστηµένης στο ρεύµα προσαγωγής. Η συνολική διάταξη είναι συνδεδεµένη µε ηλιακό σύστηµα αποτελούµενο από πεδίο ηλιακών συλλεκτών υγρού και δεξαµενή αποθήκευσης. Η δεξαµενή αποθήκευσης είναι συνδεδεµένη µε εξωτερικό ηλεκτρικό θερµαντήρα. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η πρόταση των ερευνητών για χρήση του συµβατικού θερµαντήρα κατά τη διάρκεια της νύχτας ώστε να αποθηκεύεται θερµότητα η οποία να χρησιµοποιείται κατά τις πρώτες πρωινές ώρες, οπότε και η ηλιακή ακτινοβολία είναι χαµηλή. Οι µετρήσεις που παρουσιάζονται αναφέρονται στη λειτουργία του ηλιακού συστήµατος. Σελ.20

55 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ Σε νεότερη εργασία τους, οι ίδιοι ερευνητές παρουσιάζουν αποτελέσµατα και για τη λειτουργία του συστήµατος κλιµατισµού [Enteria et al, 2010]. Αξιοσηµείωτο είναι το γεγονός πως το σύστηµα είναι συνδεδεµένο µε θαλάµους ελεγχόµενων συνθηκών θερµοκρασίας - υγρασίας, ώστε να είναι δυνατή η παραµετρική διερεύνηση της συµπεριφοράς του. Στην εργασία αυτή, τα αποτελέσµατα αναφέρονται σε σύστηµα συνδεδεµένο µε συµβατική πηγή θέρµανσης, η οποία εξασφαλίζει θερµοκρασία αναγέννησης στο διάστηµα ο C, ανάλογα µε τις απαιτήσεις του πειράµατος. Ο µετρούµενος COP εµφανίζει τιµές στο διάστηµα , και η τιµή του µειώνεται σε σχέση µε την αύξηση της θερµοκρασίας αναγέννησης. Το σύστηµα που µελετάται στην εργασία των Bourdoukan et al (2009a) είναι επίσης συνδεδεµένο µε χώρους ελεγχόµενων συνθηκών. Το σύστηµα χρησιµοποιεί υγραντήρες τύπου περιστρεφόµενου δίσκου (rotating evaporative coolers, βλ. Παράρτηµα Ι). Το ηλιακό πεδίο αποτελείται από συλλέκτες κενού, οι οποίοι είναι συνδεδεµένοι µε δεξαµενή αποθήκευσης. Η λειτουργία του ηλιακού συστήµατος µελετάται και στην εργασία των Bourdoukan et al (2008), όπου και σηµειώνεται η προτίµηση χρήσης συλλεκτών κενού έναντι επίπεδων συλλεκτών, καθώς οι πρώτοι εξασφαλίζουν ικανοποιητικότερη κάλυψη των αναγκών του συστήµατος κλιµατισµού. Η στρατηγική ελέγχου του συστήµατος προβλέπει την εκκίνηση του συστήµατος σε λειτουργία έµµεσης ψύξης µε εξάτµιση και εκκίνηση του τροχού αφύγρανσης όταν η θερµοκρασία του ρεύµατος προσαγωγής στον κλιµατιζόµενο χώρο ξεπεράσει τους 21 ο C. Οι µετεωρολογικές συνθήκες που προσοµοιώνονται είναι της περιοχής La Rochelle (Γαλλία). Οι τιµές του COP που παρουσιάζονται για µια τυπική ηµέρα λειτουργίας κυµαίνονται στο εύρος Οι συγγραφείς µελετούν την επίδραση στη συµπεριφορά και αποδοτικότητα του συστήµατος των εξωτερικών συνθηκών και των συνθηκών του ρεύµατος αναγέννησης. Για το χαρακτηρισµό της απόδοσης χρησιµοποιούν διάφορους δείκτες, επιχειρώντας να αποτιµήσουν τη χρήση ηλεκτρικής και ηλιακής ενέργειας. Χαρακτηριστικό για την αποδοτικότητα του συστήµατος είναι το συµπέρασµα πως, όταν η υγρασία του περιβάλλοντος ξεπεράσει τα 15 g/kg, το δυναµικό του συστήµατος σε κάλυψη φορτίων κρίνεται ανεπαρκές, ειδικά αν χρησιµοποιείται ηλιακό σύστηµα για την κάλυψη των θερµικών αναγκών αναγέννησης. Το σύστηµα κλιµατισµού των Kabeel (2007) παρουσιάζει τροχό, το πληρωτικό υλικό του οποίου είναι εµβαπτισµένο σε διάλυµα χλωριούχου ασβεστίου, γίνεται δηλαδή χρήση υγρού µέσου σε γεωµετρία τροχού αφύγρανσης [Hamed et al, 2005]. H αναγέννηση γίνεται µε συλλέκτη αέρα. Η διερεύνηση εστιάζει στην επίδραση της παροχής και της θερµοκρασίας αναγέννησης στην απόδοση του τροχού και του συστήµατος, προτείνοντας παράλληλα µοντέλο για την απόδοση της διεργασίας αφύγρανσης. Σελ.21

56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Οι Mandegari and Pahlavanzadeh (2009) διερευνούν πειραµατικά τη συµπεριφορά τροχού αφύγρανσης για εύρος συνθηκών θερµοκρασίας αναγέννησης, παροχής και ταχύτητας περιστροφής του τροχού. Για την αξιολόγηση των επιδόσεων χρησιµοποιούνται γνωστοί δείκτες απόδοσης από τη βιβλιογραφία οι οποίοι περιγράφουν τη θερµική απόδοση του τροχού, την απόδοση της αναγέννησης καθώς και της αφύγρανσης, ενώ παράλληλα προτείνεται από τους συγγραφείς ο δείκτης αδιαβατικής απόδοσης, ο οποίος εκφράζει το ποσοστό προσέγγισης της ισενθαλπικής διεργασίας. Οι συγγραφείς µελετούν τη συµπεριφορά των παραπάνω δεικτών σε πειραµατικό επίπεδο και σηµειώνουν πιθανή συσχέτιση του COP ενός συστήµατος µε το δείκτη αδιαβατικής απόδοσης. Στις σχετικές µε τον τροχό αφύγρανσης εργασίες µπορούν να ενταχθούν και εργασίες σχετιζόµενες µε τη µέτρηση της επίδοσης συγκεκριµένων εµπορικών τροχών σε κατάλληλες µετρητικές διατάξεις. Το National Renewable Energy Laboratory (NREL) έχει προχωρήσει στην ανάπτυξη σχετικής εγκατάστασης και αποτελέσµατα από την αξιολόγηση των τροχών παρoυσιάζονται στην εργασία των Slayzak et al (1996). Η µέθοδος που χρησιµοποιείται προβλέπει τον υπολογισµό συγκεκριµένων δεικτών σε αυστηρά καθορισµένες συνθήκες, σύµφωνα µε πρότυπα [ANSI/ASHRAE 2007, ARI 1998]. Βασικό µέγεθος για την ποσοτικοποίηση της ικανότητας του τροχού σε αφύγρανση αποτελεί η ικανότητα αφαίρεσης υγρασίας (MRC), που εκφράζει την ποσότητα αφαίρεσης υγρασίας από το ρεύµα αέρα προσαγωγής στη µονάδα του χρόνου (kg/h) ή (lb/h). Επίσης υπολογίζεται και το µέγεθος της ειδικής θερµότητας αναγέννησης (RSHI), το οποίο και εκφράζει την απαιτούµενη θερµική ισχύ αναγέννησης ανά µονάδα µάζας αφαιρούµενης υγρασίας (Btu/kg ή Btu/lb) [Slayzak and Pesaran, 2000]. Τέλος αξίζει να αναφερθεί η εργασία των Yao et al (2009), οι οποίοι διερευνούν πειραµατικά τη δυνατότητα εφαρµογής υπερήχων για την αναγέννηση του τροχού αφύγρανσης, τονίζοντας ότι η ακουστική ενέργεια είναι δυνατό να υποκαταστήσει τµήµα της θερµικής ενέργειας αναγέννησης. Τα αποτελέσµατα είναι καταρχήν θετικά. 2.4 Προσεγγίσεις προσοµοίωσης των κύριων υποσυστηµάτων της διάταξης ΓΕΝΙΚΑ Αν και ο τροχός αφύγρανσης αποτελεί το σηµαντικότερο στοιχείο των συστηµάτων ΚΣΑΜ, στην ανάλυση που ακολουθεί παρουσιάζεται µετά από τον εναλλάκτη αέρα - αέρα και τον υγραντήρα. Η σειρά παρουσίασης σχετίζεται µε τη φύση των φαινοµένων µεταφοράς στα µελετώµενα υποσυστήµατα, µε την ανάλυση των υποσυστηµάτων να Σελ.22

57 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ γίνεται σταδιακά από την απλούστερη περίπτωση στην πιο σύνθετη, σηµειώνοντας ότι οι διεργασίες εµφανίζουν σηµαντικές αναλογίες ΜΟΝΤΕΛΟΠΟIΗΣΗ ΕΝΑΛΛAΚΤΗ ΑΕΡΑ - ΑΕΡΑ Ο προσδιορισµός των θερµοκρασιών των ρευµάτων ρευστού στην έξοδο του εναλλάκτη, για γνωστές παροχές αυτών, αποτελεί το βασικό πρόβληµα προς επίλυση, αν και ανάλογα µε την περίπτωση µπορεί να διαφοροποιούνται τα µεγέθη προς προσδιορισµό. Οι µέθοδοι της µέσης λογαριθµικής θερµοκρασιακής διαφοράς (LMTD: Log Mean Temperature Difference) και αποδοτικότητας - NTU, όπου το NTU συµβολίζει το µέγεθος του αριθµού µονάδων µεταφοράς (Νumber of Τransfer Units), έχουν καθιερωθεί στη βιβλιογραφία ως οι πλέον απλές και αξιόπιστες [Kuehn et al, 2001; Incropera and DeWitt, 1996; Kays 1984]. Θα πρέπει να τονιστεί ότι οι δύο µέθοδοι οδηγούν στα ίδια ακριβώς αποτελέσµατα, είναι δηλαδή πλήρως εναλλάξιµες. Η διαφορά τους έγκειται στα µεγέθη τα οποία χρησιµοποιούν και στη διαδικασία υπολογισµού. Υπό την υπόθεση αµελητέων θερµικών απωλειών των ρευµάτων του εναλλάκτη προς το περιβάλλον, ο συντελεστής ενεργειακής απόδοσης (η hx ) δίνεται από τις σχέσεις: ή Ch( th, in th, out ) η hx = (2.1α) C ( t t ) min h, in c, in Cc ( tc, out tc, in ) η hx = (2.1β) C ( t t ) min h, in c, in όπου: - t h,in : η θερµοκρασία εισόδου του θερµού ρεύµατος ρευστού [ ο C] - t c,in : η θερµοκρασία εισόδου του ψυχρού ρεύµατος ρευστού [ ο C] - t h,out : η θερµοκρασία εξόδου του θερµού ρεύµατος ρευστού [ ο C] - t c,out : η θερµοκρασία εξόδου του ψυχρού ρεύµατος ρευστού [ ο C] - C : η θερµοχωρητική παροχή ρευστού [kw/k] - C min =min(c c, C h ) Η θερµοχωρητική παροχή του ρευστού δίνεται από τη σχέση: C = mc & p (2.2) όπου: Σελ.23

58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - m& η παροχή του ρευστού [kg/s] - c p η ειδική θερµοχωρητικότητα του ρευστού [kj/(kg K)] H προσέγγιση της σταθερής απόδοσης εναλλάκτη (µε τιµές της τάξης του 80-85%) είναι η κυρίαρχη σε αντίστοιχες µελέτες λειτουργίας συστηµάτων ΚΣΑΜ [Jurinak, 1984; Nelson et al, 1978] ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΚΕΥΗΣ ΨYΞΗΣ ΜΕ ΕΞΑΤΜΙΣΗ Η διεργασία της ψύξης µε εξάτµιση αξιοποιείται σε διάφορες διατάξεις, στις οποίες λαµβάνει χώρα ταυτόχρονη µεταφορά θερµότητας και υγρασίας. Χαρακτηριστικά αναφέρονται οι air-washers, οι εναλλάκτες υγρής επιφανείας και ορισµένες κατηγορίες υγραντήρων [Kuehn et al, 2001; ASHRAE, 2000]. Λόγω της συγγένειας των συγκεκριµένων διατάξεων, ως προς τα φαινόµενα µεταφοράς που λαµβάνουν χώρα, η µοντελοποίηση τους εµφανίζει αρκετά κοινά στοιχεία. Παρουσιάζει ενδιαφέρον µια σύντοµη αναφορά στην προσέγγιση που εφαρµόζεται για την ανάλυση των φαινοµένων στους εναλλάκτες υγρής επιφανείας. Στις διατάξεις των εναλλακτών υγρής επιφανείας και ειδικότερα σε εφαρµογές κλιµατισµού, η µία πλευρά της διεπιφάνειας επαφής διαβρέχεται από νερό, ενώ η άλλη πλευρά της είναι στεγνή. Από την υγρή πλευρά διέρχεται αέρας, ενώ από τη στεγνή πλευρά ρευστό το οποίο µπορεί να είναι νερό, κάποιο ψυκτικό µέσο ή αέρας, ανάλογα µε την εφαρµογή (σχ. 2.5) [Maclaine-Cross and Banks, 1981]. Ρεύµα αέρα Φιλµ υγρού Τοίχωµα Ρεύµα ρευστού Σχήµα Λεπτοµέρεια διεπιφάνειας επαφής ρευµάτων αέρα - ρευστού σε εναλλάκτη υγρής επιφανείας Σηµαντική θεωρείται η προσέγγιση των Maclaine-Cross and Banks (1981) οι οποίοι, στη βάση θεωρίας αναλογίας µεταξύ των φαινοµένων µεταφοράς στις περιπτώσεις του εναλλάκτη στεγνής και υγρής επιφανείας, προτείνουν την αξιοποίηση των λύσεων των Kays and London (1984), σύµφωνα µε την προσέγγιση αποδοτικότητας - NTU. Σελ.24

59 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι η θερµοκρασία ξηρού βολβού αντικαθίστανται από τη θερµοκρασία υγρού βολβού, και ο συντελεστής συναγωγής για στεγνή επιφάνεια από το λεγόµενο συντελεστή µεταφοράς υγρού βολβού. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι τίθεται πλήθος ζητηµάτων σχετικά µε τις παραδοχές που συνοδεύουν τη διατύπωση της αναλογίας αυτής. Με δεδοµένο ότι η ανάλυση των ζητηµάτων αυτών ξεφεύγει από τους στόχους της παρούσας εργασίας, αναφέρεται απλώς ότι οι συγγραφείς υιοθετούν την παραδοχή αδιαβατικής λειτουργίας, η οποία υποδηλώνει ότι κατά τη διεργασία δεν υπάρχουν ενεργειακές απώλειες προς το περιβάλλον, και την ικανοποίηση της συνθήκης του Lewis, η οποία θεωρεί ίσες τιµές για τους συντελεστές µεταφοράς µάζας και θερµότητας. Οι παραδοχές αυτές θα συζητηθούν ευθύς αµέσως, στην ανάλυση της λειτουργίας του υγραντήρα. Οι συγγραφείς εφαρµόζουν το προτεινόµενο µοντέλο για την περίπτωση έµµεσης ψύξης µε εξάτµιση (regenerative evaporative cooling) µε τη χρήση κατάλληλα διαµορφωµένου εναλλάκτη υγρής επιφανείας µε πολύ ικανοποιητικά αποτελέσµατα. Οι Kuehn et al (2001) αναλύουν θερµοδυναµικά το πρόβληµα των air - washers, οι οποίοι αποτελούν κατηγορία των συσκευών ψύξης µε εξάτµιση (Παράρτηµα ΙΙ), και διατυπώνουν την άποψη ότι όταν αυτοί εργάζονται σε αδιαβατικές συνθήκες µε ανακυκλοφορούµενη ροή νερού, χωρίς δηλαδή την ύπαρξη ανταλλαγής ενέργειας του συστήµατος αέρα-νερού µε το περιβάλλον (ισενθαλπική διεργασία), τότε: - ικανοποιείται η συνθήκη του Lewis, - η θερµοκρασία στη διεπιφάνεια επαφής νερού - αέρα είναι ίση µε τη θερµοκρασία υγρού βολβού του εισερχόµενου αέρα, - η θερµοκρασία υγρού βολβού του αέρα διατηρείται σταθερή µεταξύ εισόδου και εξόδου της συσκευής. Κατά τη διεργασία που µόλις περιγράφηκε, η ενθαλπία εξάτµισης του νερού που καταναλίσκεται ψύχει αποκλειστικά το ρεύµα αέρα. Στην περίπτωση που ο αέρας περιέλθει σε κατάσταση κορεσµού, η θερµοκρασία του θα είναι ίση µε τη θερµοκρασία του νερού και ίση µε τη θερµοκρασία υγρού βολβού. Πρόκειται δηλαδή για διάταξη υλοποίησης της θερµοκρασίας υγρού βολβού. Ο συνηθέστερος τύπος συσκευής ψύξης µε εξάτµιση αναφέρεται στη διαβροχή πορώδους υλικού, όπως η κυτταρίνη, και εξάτµισης του νερού στο ρεύµα του διερχόµενου αέρα. Το νερό δηµιουργεί ένα φιλµ πάνω στο πληρωτικό υλικό, όπως φαίνεται στο σχ Σελ.25

60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Τοίχωµα Φιλµ νερού Κανάλι αέρα Σχήµα ιεπιφάνεια επαφής νερού - αέρα σε συσκευή ψύξης µε εξάτµιση [Dai and Sumathy, 2002] Για την περίπτωση των υγραντήρων που απασχολούν την εργασία, των υγραντήρων δηλαδή διαβρεχόµενης επιφάνειας επαφής, οι Camargo et al (2005) προτείνουν το εξής µοντέλο, το οποίο προσδιορίζει το δείκτη απόδοσης ως προς τη θερµοκρασία (η hum,t ): thum, in thum, out η hum, t = (2.3α) t t hum, in s hc A ( ) maircp,air hum, t = 1 e & η (2.3β) όπου: - t hum, in : η θερµοκρασία του εισερχόµενου ρεύµατος αέρα στον υγραντήρα [ ο C] - t hum, out : η θερµοκρασία του εξερχόµενου ρεύµατος αέρα από τον υγραντήρα [ ο C] - t s : η θερµοκρασία της επιφάνειας του νερού [ o C] - h c : ο συντελεστής συναγωγής θερµότητας µεταξύ της υγρής επιφάνειας και του αέρα [W/(m 2 K)] - Α : το εµβαδόν της επιφάνειας επαφής [m 2 ] - m& air : η παροχή του ρεύµατος αέρα [kg/s] - c p,air : η ειδική θερµοχωρητικότητα του αέρα [J/(kg K)] Σύµφωνα µε τους συγγραφείς και την ανάλυση των Kuehn et al (2001), η θερµοκρασία της επιφάνειας του νερού t s ισούται µε τη θερµοκρασία υγρού βολβού, η οποία παραµένει σταθερή µεταξύ εισόδου και εξόδου της διάταξης. Ο συντελεστής απόδοσης της εξ. 2.3α αντιπροσωπεύει µια ποσοτική εκτίµηση του βαθµού κατά τον οποίο ο εξερχόµενος αέρας προσεγγίζει τη θερµοκρασία υγρού βολβού. Αξίζει να σηµειωθεί ότι δεδοµένης της διατήρησης της θερµοκρασίας υγρού βολβού, είναι Σελ.26

61 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ δυνατός ο υπολογισµός των µεγεθών υγρασίας στη συσκευή από τις βασικές ψυχροµετρικές σχέσεις. Η χρήση του µεγέθους της απόδοσης ως προς τη θερµοκρασία υγρού βολβού για τη λειτουργία του υγραντήρα χρησιµοποιείται και από την ASHRAE (2001). Στην εργασία των Camargo et al (2005) προτείνεται η επίλυση των Dowdy and Karabash (1993) για τον υπολογισµό του συντελεστή συναγωγής, στη βάση των γεωµετρικών χαρακτηριστικών του υγραντήρα και των συνθηκών της ροής, και κατ επέκταση για τον υπολογισµό του συντελεστή απόδοσης. Η προτεινόµενη σχέση είναι: le Nu = 0.10 l 0.12 Re 0.8 Pr 1/ 3 (2.4) όπου l το πάχος του στρώµατος επαφής και l e χαρακτηριστικό µήκος για το στρώµα επαφής, το οποίο εξαρτάται από τον όγκο του και τη διαθέσιµη επιφάνεια διαβροχής. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι η εφαρµογή της σχέσης αυτής είναι σχετικά δύσκολη, καθώς η πληροφορία για τον υπολογισµό του l e δεν είναι συνήθως διαθέσιµη. Στην ίδια εργασία επιχειρείται η πειραµατική διερεύνηση της αξιοπιστίας του προτεινόµενου µοντέλου. Η διαφορά µεταξύ της µετρούµενης απόδοσης (σύµφωνα µε την εξ. 2.3α) και της απόδοσης που προκύπτει από τις εξ. 2.3β, 2.4 κυµαίνεται σε ένα εύρος 5-15%, χωρίς να προτείνεται αιτιολόγηση των αποκλίσεων αυτών. Oι Dai and Sumathy (2002) προχωρούν σε αναλυτικότερη διερεύνηση της ροής και του προβλήµατος, εξετάζοντας πιο αυστηρά τις διάφορες παραδοχές για τα φαινόµενα µεταφοράς στη διεπιφάνεια επαφής νερού - αέρα, και προτείνουν µέθοδο επίλυσης για τον προσδιορισµό της θερµοκρασίας της επιφάνειας του νερού συναρτήσει της θερµοκρασίας του ρεύµατος αέρα, της µάζας του νερού και των συνθηκών ροής (πάχος οριακού στρώµατος αέρα, ταχύτητα αέρα, πάχος φιλµ νερού, κ.λπ.). Στη σχετική µε τις εφαρµογές των υγραντήρων βιβλιογραφία και ειδικά σε µελέτες συστηµάτων ΚΣΑΜ, επιλέγεται συνήθως η προσέγγιση σταθερής τιµής για την απόδοση του υγραντήρα, ανεξάρτητα από τις συνθήκες λειτουργίας, καθώς και διατήρησης της θερµοκρασίας υγρού βολβού [Davanagere et al, 1999; Nelson et al, 1978]. Εναλλακτικά, στη βιβλιογραφία [Kuehn et al, 1991], και σε τεχνικές περιγραφές προϊόντων (κατασκευαστής Munters) εµφανίζεται και η απόδοση µε όρους απόλυτης υγρασίας (η hum,w ): Σελ.27

62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 n hum w whum, in whum, out, = (2.5) w w hum, in s όπου: - w hum, in : η απόλυτη υγρασία του εισερχόµενου ρεύµατος αέρα στον υγραντήρα [g/kg] - w hum, out : η απόλυτη υγρασία του εξερχόµενου ρεύµατος αέρα από τον υγραντήρα [g/kg] - w s : η απόλυτη υγρασία κορεσµού του ρεύµατος αέρα [g/kg] Αξίζει να σηµειωθεί ότι σε επίπεδο ψυχροµετρικής ανάλυσης, αν ισχύει η προτεινόµενη από τη θεωρία συνθήκη διατήρησης της θερµοκρασίας υγρού βολβού, οι τιµές των συντελεστών απόδοσης των εξ. 2.3α και 2.5 ταυτίζονται, οπότε µπορεί να διατυπωθεί: n = hum, w = nhum, t nhum (2.6) Σύµφωνα δηλαδή µε την εξ. 2.6, δεν είναι απαραίτητο να υποδηλώνεται αν ο συντελεστής απόδοσης αναφέρεται στη θερµοκρασία ή την υγρασία. Ισοδύναµα, µπορεί να υπολογίζεται τόσο από την εξ. 2.3α όσο και από την εξ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΡΟΧΟΥ ΑΦΥΓΡΑΝΣΗΣ Γενικά Κατά τη λειτουργία του τροχού αφύγρανσης (σχ. 2.7), λαµβάνει χώρα µεταφορά µάζας και θερµότητας µεταξύ των ρευµάτων αέρα προσαγωγής και απαγωγής διαµέσου του στερεού κελύφους του τροχού. Σχήµα Τροχός αφύγρανσης και περιγραφή του ρόλου των ρευµάτων αέρα [AGCC, 1999] Σελ.28

63 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ Η µεταφορά θερµότητας αναφέρεται στη µεταφορά λόγω συναγωγής από το ρεύµα αναγέννησης στο υλικό του τροχού, και στη συνέχεια, µετάδοσης της θερµότητας πάλι λόγω συναγωγής από το θερµαινόµενο υλικό στο ρεύµα προσαγωγής. Το φαινόµενο έχει µελετηθεί αναλυτικά για την περίπτωση των εναλλακτών ηµι-άµεσης µεταφοράς θερµότητας [Kays and London, 1984]. Η µεταφορά µάζας αναφέρεται στο επιφανειακό φαινόµενο της προσρόφησης και στη διάχυση των µορίων του υδρατµού διαµέσου των πόρων του αφυγραντικού υλικού. Η σχετική µε τη µοντελοποίηση των τροχών αφύγρανσης βιβλιογραφία είναι αρκετά εκτεταµένη, περιλαµβάνοντας µοντέλα τα οποία αναπτύσσονται εναλλακτικά σε µια από τις ακόλουθες κατευθύνσεις ή σε συνδυασµό αυτών: - στην προσοµοίωση των φυσικών διεργασιών, οπότε και επικεντρώνονται στην επίλυση των εξισώσεων µεταφοράς θερµότητας και µάζας στον τροχό αφύγρανσης, - στην απευθείας συσχέτιση πειραµατικών δεδοµένων και στην ανάπτυξη εµπειρικών σχέσεων. Χαρακτηριστική περίπτωση µοντέλου το οποίο δεν επιχειρεί να προσεγγίσει τα φυσικά φαινόµενα, αλλά συσχετίζει πλήθος πειραµατικών δεδοµένων είναι το µοντέλο των Becalli et al (2003a). Η πλήρης µορφή του µοντέλου αναφέρεται στον υπολογισµό 54 παραµέτρων οι οποίες υπεισέρχονται στον υπολογισµό του κάθενός εκ των µεγεθών της θερµοκρασίας και υγρασίας εξόδου στο ρεύµα προσαγωγής του τροχού, και για το λόγο αυτό το µοντέλο αναφέρεται ως µοντέλο 54. Στη βάση του µοντέλου 54 οι συγγραφείς προτείνουν και µια σαφώς απλούστερη εκδοχή, η οποία εµπλέκει 4 παραµέτρους για τα ζητούµενα µεγέθη θερµοκρασίας και υγρασίας. Η επιβεβαίωση των δύο προσεγγίσεων βασίστηκε σε πειραµατικά δεδοµένα και αναφέρεται ως αρκετά ικανοποιητική, για τη χρήση πυριτικής γέλης ή LiCl ως αφυγραντικού υλικού [Becalli et al, 2003a]. Η εργασία προϋποθέτει ίση παροχή για τα ρεύµατα προσαγωγής και απαγωγής. Για την περίπτωση διαφορετικών ρευµάτων οι συγγραφείς προχώρησαν, για την περίπτωση του απλοποιηµένου µοντέλου, στην πρόταση και εφαρµογή διορθωτικών συντελεστών [Becalli et al, 2003b]. Εµπειρικές σχέσεις µπορούν επίσης να διατυπωθούν και στη βάση αποτελεσµάτων αριθµητικών προσεγγίσεων [Nia et al, 2006], ή στη βάση των τεχνικών στοιχείων που παρέχουν οι κατασκευαστές για την πρόβλεψη της συµπεριφοράς του προϊόντος τους [Jain and Dhar, 1995]. Στην κατηγορία των µοντέλων τα οποία δεν προσεγγίζουν το φυσικό πρόβληµα θα µπορούσαν να συµπεριληφθούν και προσεγγίσεις που προτείνονται από τους κατασκευαστές για τον υπολογισµό της απόδοσης των προϊόντων τους από το χρήστη. Το βασικό µειονέκτηµα των προσεγγίσεων αυτών εντοπίζεται στο γεγονός ότι, δεδοµένου ότι Σελ.29

64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 παρέχονται συνήθως µε τη µορφή υπολογιστικού προγράµµατος, είναι αδύνατο να εισαχθούν και να συνεργαστούν µε το υπολογιστικό µοντέλο του συνολικού συστήµατος. Βέβαια, στην περίπτωση του λογισµικού από κατασκευαστή, θα πρέπει να σηµειωθεί ότι λόγω του ότι πρόκειται για κλειδωµένο λογισµικό, δεν είναι απολύτως ξεκάθαρο αν η προσέγγιση δεν συµπεριλαµβάνει στοιχεία από την ανάλυση των φυσικών διεργασιών. Χαρακτηριστικές περιπτώσεις τέτοιου λογισµικού αναφέρονται για τα προϊόντα των εταιρειών Klingenburg, ProFlute, NovelAire. Τα µοντέλα που προσοµοιώνουν τις φυσικές διεργασίες αναφέρονται συνήθως σε αριθµητικές προσεγγίσεις και η σχετική βιβλιογραφία είναι αρκετά εκτενής. Τα αριθµητικά µοντέλα µπορούν να διακριθούν σε δύο µεγάλες κατηγορίες, όσον αφορά στην ανάλυση των φαινοµένων µεταφοράς µάζας και θερµότητας [Ge et al, 2008b]: - µοντέλα τα οποία επικεντρώνονται στα φαινόµενα µεταφοράς στο ρεύµα του αέρα καθώς και µεταξύ του ρεύµατος του αέρα και της επιφάνειας του αφυγραντικού υλικού, - µοντέλα τα οποία συµπεριλαµβάνουν στην ανάλυση τη διάχυση θερµότητας και µάζας διαµέσου του υλικού του τροχού. Τα µοντέλα αυτά είναι πιο πρόσφατα, καθώς έχουν ενσωµατώσει τα αποτελέσµατα της σχετικής έρευνας µε τη διάχυση µάζας σε στερεά αφυγραντικά µέσα. Οι σχετικές εργασίες προτείνουν κάποιο µοντέλο, σύµφωνα µε τις προσεγγίσεις που µόλις αναφέρθηκαν, και στη συνέχεια το επιβεβαιώνουν στη βάση πειραµατικών µετρήσεων οι οποίες είτε είναι διαθέσιµες από άλλους ερευνητές, είτε προκύπτουν από το πειραµατικό σκέλος της εργασίας [Sphaier and Worek, 2004; Zhang et al, 2003; Al-Sharqawi and Lior, 2002; Dai et al, 2001; Zheng and Worek, Majumdar, 1998, Maclaine-Cross, 1974, κοκ.]. Με δεδοµένο το πλήθος των εργασιών στο συγκεκριµένο αντικείµενο, επισηµαίνεται η συνεισφορά της εργασίας των Ge et al (2008b), η οποία επιχειρεί να συγκεντρώσει και να αξιολογήσει κριτικά τις σχετικές προσεγγίσεις. Στην περίπτωση των αριθµητικών µοντέλων προκύπτει ένα ζήτηµα συνεργασίας µε τα µοντέλα των άλλων υποσυστηµάτων. Εντούτοις, στη βιβλιογραφία έχουν εµφανιστεί προσεγγίσεις οι οποίες εφαρµόζουν κατά την επίλυση συνδυασµό αριθµητικών και εµπειρικών σχηµάτων, µε στόχο τη διατύπωση απλούστερων και πιο εύχρηστων εργαλείων. Χαρακτηριστική είναι η περίπτωση της µεθόδου αναλογίας (analogy method), η οποία και θα συζητηθεί ευθύς αµέσως [Maclaine-Cross, 1974; Maclaine-Cross and Banks, 1972] Μέθοδος αναλογίας µε τη διεργασία µεταφοράς θερµότητας Η µέθοδος ή θεωρία αναλογίας (analogy method or theory), όπως αναφέρεται στη σχετική βιβλιογραφία, υλοποιεί τη µοντελοποίηση της διεργασίας αφύγρανσης στον τροχό, η οποία Σελ.30

65 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ αποτελεί συνδυασµένη µεταφορά θερµότητας και υγρασίας, σε αναλογία µε τη διεργασία της απλής µεταφοράς θερµότητας. Η αναλογία αυτή εκφράζεται µέσω της χρήσης των µεταβλητών συνδυασµένου δυναµικού F i, i= 1,2 (characteristic or combined potential variables) [Maclaine-Cross, 1974; Maclaine-Cross and Banks, 1972; Banks, 1972]. Η δυνατότητα χρησιµοποίησης των µεταβλητών συνδυασµένου δυναµικού προέκυψε από την ανάλυση των εξισώσεων µεταφοράς θερµότητας και µάζας σε στοιχειώδες τµήµα του τροχού καθώς διαπιστώθηκε ότι η χρήση τους απλοποιούσε σηµαντικά τη µορφή των εξισώσεων. Η συζήτηση για τη φύση και το ρόλο τους είναι αρκετά εκτενής και ξεφεύγει από τους σκοπούς της παρούσας εργασίας. Σε κάθε περίπτωση αναφέρεται ότι οι Close and Banks (1972) υπολόγισαν τις τιµές των µεταβλητών αυτών για χρήση αφυγραντικού µέσου πυριτικής γέλης και προσρόφηση υδρατµού από τον ατµοσφαιρικό αέρα. Χαρακτηριστικό διάγραµµα παρουσιάζεται στο σχ. 2.8, σύµφωνα µε το οποίο οι γραµµές σταθερής τιµής για το F 1 συγκλίνουν προς τις γραµµές σταθερής θερµοκρασίας υγρού βολβού (και ενθαλπίας) ενώ οι γραµµές σταθερής τιµής για το F 2 στις γραµµές σταθερής σχετικής υγρασίας [Jurinak, 1982; Close and Banks, 1972; Banks, 1972]. w [kg/kg] t [ o F] Σχήµα Αποτύπωση µεταβλητών συνδυασµένου δυναµικού F 1, F 2 για πυριτική γέλη - αέρα στο ψυχροµετρικό διάγραµµα [Jurinak, 1982] Οι µεταβλητές συνδυασµένου δυναµικού εµφανίζουν εξάρτηση από τη θερµοκρασία και την υγρασία του αέρα, καθώς και από τις θερµοφυσικές ιδιότητες του πλαισίου του τροχού (συµπεριλαµβανοµένου σε αυτό του αφυγραντικού µέσου) και του αέρα [Banks, 1985a; Banks, 1972]. Σύµφωνα µε τη θεωρία αναλογίας, η εισαγωγή των µεταβλητών συνδυασµένου δυναµικού F i µετασχηµατίζει τις εξισώσεις µεταφοράς µάζας και θερµότητας στο στοιχειώδες τµήµα του τροχού σε δύο σειρές εξισώσεων, µία για κάθε συνάρτηση συνδυασµένου δυναµικού, η Σελ.31

66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 µορφή των οποίων είναι ανάλογη µε τη µορφή των εξισώσεων µεταφοράς θερµότητας, αντιστοιχώντας τις µεταβλητές F i µε τη θερµοκρασία. Από την παρατήρηση αυτή προέκυψε η δυνατότητα χρησιµοποίησής τους για την περιγραφή της µακροσκοπικής συµπεριφοράς του τροχού. Στην αρχική της µορφή, η µέθοδος βασιζόταν στην υπόθεση γραµµικής εξάρτησης των µεταβλητών F i από τη θερµοκρασία και την υγρασία (γραµµική µέθοδος). Οι Neti and Wolfe (2000) διερεύνησαν πειραµατικά την ισχύ της γραµµικής µεθόδου, την οποία και επιβεβαίωσαν, για περιορισµένο όµως εύρος συνθηκών λειτουργίας. Η παρατηρούµενη απόκλιση αποδόθηκε στην ανεπάρκεια της υπόθεσης της γραµµικότητας. Στη συνέχεια η µέθοδος βελτιώθηκε, περιλαµβάνοντας την υπόθεση µη γραµµικής εξάρτησης των µεταβλητών από τη θερµοκρασία και την υγρασία (non-linear analogy method) [Banks, 1985b]. Οι Bharathan et al (1986) διερεύνησαν πειραµατικά την ισχύ της µη γραµµικής προσέγγισης και τα αποτελέσµατα ήταν ικανοποιητικά, επισηµαίνοντας όµως ότι η συµπεριφορά του µοντέλου πεπερασµένων διαφορών του Μaclaine-Cross (1974) είναι καλύτερη. Αξίζει να σηµειωθεί ότι στο µοντέλο πεπερασµένων διαφορών του Maclaine-Cross (1974) βασίστηκε η επιβεβαίωση των προσεγγίσεων του συνόλου των, σχετικών µε την ανάπτυξη τόσο της γραµµικής όσο και της µη γραµµικής µεθόδου αναλογίας, εργασιών που αναφέρθηκαν στην ενότητα αυτή. Η επίλυση του προβλήµατος του τροχού αφύγρανσης σύµφωνα µε τη θεωρία αναλογίας, βασίζεται στον ορισµό των συντελεστών απόδοσης του τροχού η F, η 1 F ως προς τις 2 µεταβλητές F 1, F 2, σε αναλογία µε το συντελεστή απόδοσης εναλλάκτη ηµι-άµεσης µεταφοράς θερµότητας περιστρεφόµενου τύπου (η hx ). Αν θεωρηθεί για τις θερµοχωρητικές παροχές στον εναλλάκτη θερµότητας ότι C c =C min, σύµφωνα µε τη συγκεκριµένη διατύπωση αναλογίας, ισχύει: t t 2 1 η hx = (2.7α) t9 t1 F F i,2 i,1 η F = (2.7β) i Fi,9 Fi,1 όπου: - οι δείκτες θέσης 1,2,9 αντιστοιχούν στο χαρακτηρισµό των θέσεων που έχει υιοθετηθεί στην εργασία για τον τροχό αφύγρανσης (ισχύουν και για εναλλάκτη ηµι-άµεσης µεταφοράς θερµότητας περιστρεφόµενου τύπου), σχ t : η θερµοκρασία του αέρα για την περίπτωση του εναλλάκτη, στις εν λόγω θέσεις - F i : οι τιµές των µεταβλητών συνδυασµένου δυναµικού, i = 1,2, στις εν λόγω θέσεις Σελ.32

67 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ Έξοδος, 2 Είσοδος, 1 Αναγέννηση, 9 Σχήµα Θέσεις µεγεθών εισερχόµενων στο µοντέλο του τροχού αφύγρανσης Η τιµή των συντελεστών απόδοσης του τροχού η F ως προς τα µεγέθη F i i είναι ταυτόσηµη µε την απόδοση η hx αντίστοιχου υποθετικού εναλλάκτη θερµότητας. Το ζητούµενο βέβαια για την αξιοποίηση στην πράξη της συγκεκριµένης αναλογίας και την επίλυση του προβλήµατος του τροχού αφύγρανσης είναι ο υπολογισµός των µεγεθών που χαρακτηρίζουν το πρόβληµα της συνδυασµένης µετάδοσης θερµότητας και µάζας και παράλληλα η αντιστοίχισή τους µε τα µεγέθη του προβλήµατος µετάδοσης θερµότητας. Αν και οι σχέσεις για τον υπολογισµό των απαιτούµενων µεγεθών είναι γνωστές, η διαδικασία για τον υπολογισµό τους και κατ επέκταση για τον υπολογισµό των αποδόσεων η είναι σχετικά πολύπλοκη. Επιπρόσθετα, µε δεδοµένα τα η F, για τον υπολογισµό των συνθηκών i στην έξοδο του τροχού (θερµοκρασία, υγρασία), είναι απαραίτητες και οι εκφράσεις των µεταβλητών συνδυασµένου δυναµικού ως προς τη θερµοκρασία και απόλυτη υγρασία. Τα ζητήµατα αυτά, όπως και η εξέταση των δυνατοτήτων εφαρµογής απλοποιητικών σχηµάτων θα συζητηθούν στη συνέχεια της ανάλυσης, µε αφορµή τη θεωρητική διερεύνηση της συµπεριφοράς των συντελεστών απόδοσης η (βλέπε 3.4.1). Αξίζει να σηµειωθεί ότι παρά τη δυσκολία στην εφαρµογή της, η µέθοδος της αναλογίας έχει χρησιµοποιηθεί σε σχετικές µελέτες συστηµάτων ΚΣΑΜ [Jurinak et al, 1984; Nelson et al, 1978]. Παράλληλα, στη βάση της θεωρίας της αναλογίας, έχει διατυπωθεί στη βιβλιογραφία, µέθοδος τύπου απoδοτικότητας-ntu, στην οποία υπεισέρχονται τα εν λόγω µεγέθη οριζόµενα τόσο ως προς τη θερµοκρασία (η t - NTU t ), όσο και ως προς την υγρασία (η w - NTU w ) [Van den Bulck et al, 1985]. Η µέθοδος είναι σχετικά εύχρηστη και βρίσκει εφαρµογή σε αντίστοιχες µελέτες συστηµάτων ΚΣΑΜ [Mavroudaki et al, 2002; Halliday et al, 2002; Joudi and Dhaidan, 2001; Davanagere et al, 1999]. Εντούτοις η µέθοδος αυτή είναι διαθέσιµη σε µορφή διαγραµµάτων και όχι σε µορφή σχέσεων, µε αποτέλεσµα να δυσχεραίνεται η αξιοποίηση και εφαρµογή της σε µοντέλο µε τα χαρακτηριστικά που ζητούνται στην παρούσα εργασία. Fi F i Σελ.33

68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Στη βιβλιογραφία, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, χρησιµοποιούνται διάφοροι δείκτες για την ποσοτικοποίηση της απόδοσης του τροχού. Ένας δείκτης που θα χρησιµοποιηθεί στην ανάλυση της συµπεριφοράς του τροχού στην εργασία είναι η απόδοση του τροχού σε αφύγρανση (η w ), όπως προτάθηκε από τους Van den Bulck et al (1985): w1 w2 η w = (2.8α) w w 1 2 _ ideal όπου: - w 1 : η απόλυτη υγρασία του εισερχόµενου στον τροχό αφύγρανσης αέρα, στο ρεύµα προσαγωγής [g/kg] - w 2 : η απόλυτη υγρασία του εξερχόµενου από τον τροχό αφύγρανσης αέρα, στο ρεύµα προσαγωγής [g/kg] - w 2_ideal : η απόλυτη υγρασία του εξερχόµενου από τον τροχό αφύγρανσης αέρα, στο ρεύµα προσαγωγής, για την περίπτωση της ιδανικής διεργασίας [g/kg] Αν θεωρηθεί ότι ο αέρας αφυγραίνεται πλήρως κατά την ιδανική περίπτωση, w 2_ideal = 0 [Daou et al, 2006a], και σύµφωνα µε τη (2.7α): w w 1 2 η w = (2.8β) w Μοντελοποίηση βασισµένη στις σχέσεις του Jurinak Όπως διατυπώθηκε, οι συνθήκες θερµοκρασίας και απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του τροχού µπορούν να υπολογιστούν αν είναι γνωστές οι τιµές των συντελεστών απόδοσης η F 1, η F, καθώς και οι εκφράσεις των µεταβλητών συνδυασµένου δυναµικού F 2 i ως προς τη θερµοκρασία και απόλυτη υγρασία. Ο Jurinak πρότεινε συγκεκριµένες καµπύλες συσχέτισης για τις µεταβλητές Fi για αφυγραντικό µέσο πυριτική γέλη και αέρα - υδρατµό ως εργαζόµενο µέσο [Jurinak, 1982]. Σύµφωνα µε τη µοντελοποίηση του Jurinak για τις µεταβλητές F 1, F 2, διαµορφώνεται το παρακάτω µοντέλο των εξ. 2.9, 2.10: wip F 1, = ( ) 1000 ip (2.9α) tip ( t ) w ip ip F 2, = ip (2.9β) Σελ.34

69 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ F F 1,2 1,1 η F = (2.10α) 1 F1,9 F1,1 F F 2,2 2,1 η F = (2.10β) 2 F2,9 F2,1 όπου: - F 1,ip : η τιµή της µεταβλητής συνδυασµένου δυναµικού F 1 στις θέσεις ip = 1,2,9 (σχ. 2.5) [-] - F 2,ip : η τιµή της µεταβλητής συνδυασµένου δυναµικού F 2 στις αντίστοιχες θέσεις ip [-] - t ip : η θερµοκρασία του ρεύµατος αέρα στις αντίστοιχες θέσεις ip [ o C] - w ip : η απόλυτη υγρασία του ρεύµατος αέρα στις αντίστοιχες θέσεις ip [g/kg] - η F : ο συντελεστής απόδοσης του τροχού αφύγρανσης ως προς τη µεταβλητή 1 συνδυασµένου δυναµικού F 1 [-] - η F 2 : ο συντελεστής απόδοσης του τροχού αφύγρανσης ως προς τη µεταβλητή συνδυασµένου δυναµικού F 2 [-] Από τις εξ. 2.9, 2.10, είναι δυνατό να υπολογιστεί η θερµοκρασία και η απόλυτη υγρασία στην έξοδο του τροχού στο ρεύµα προσαγωγής, δεδοµένων των τιµών θερµοκρασίας, απόλυτης υγρασίας στην είσοδο του τροχού στο ρεύµα προσαγωγής και στην είσοδο του ρεύµατος αναγέννησης, καθώς και των συντελεστών απόδοσης η F, η 1 F. 2 O Jurinak επιβεβαίωσε το προτεινόµενο µοντέλο συγκρίνοντας τα αποτελέσµατά του µε αυτά από το µοντέλο πεπερασµένων διαφορών του Maclaine-Cross (1974). Το µοντέλο του τροχού αφύγρανσης, όπως διατυπώθηκε από το Jurinak (εξ. 2.9, 2.10), έχει χρησιµοποιηθεί εκτενώς σε µελέτες συστηµάτων κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα [Zhang, 2006; Niu et al, 2002; Joudi και Dhaidan, 2001; Sheridan, Mitchell, 1985] και έχει ενταχθεί σε λογισµικά προσοµοίωσης όπως το TRNSYS [Howe, 1983]. Η προσέγγιση που υιοθετήθηκε στα πλαίσια του TRNSYS χρησιµοποιεί τις σχέσεις του Jurinak για τις µεταβλητές F i. Χωρίς να προτείνει µια σαφή µεθοδολογία υπολογισµού των συντελεστών απόδοσης, εισηγείται τη χρήση τιµών οι οποίες θα όφειλαν να χαρακτηρίζουν ποιοτικά τον τροχό. Οι τιµές αυτές όµως τίθενται αυθαίρετα, χωρίς άµεση συσχέτιση µε τα χαρακτηριστικά του συγκεκριµένου τροχού, ενώ φυσικά δεν µπορούν να εντοπιστούν σε τεχνικό εγχειρίδιο σχετικό µε το προϊόν. Τυπικά παραδείγµατα προκαθορισµένων τιµών παρουσιάζονται στη συνέχεια [Joudi και Dhaidan, 2001; Sheridan, Mitchell, 1985]: ( η F, η 1 F ) = (0.05, 0.95) : υψηλή απόδοση 2 Σελ.35

70 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ( η F, η 1 F2 ( η F, η 1 F2 ) = (0.08, 0.8) : µέτρια απόδοση ) = (0.1, 0.7) : χαµηλή απόδοση Παράλληλα µε τη µεθοδολογία του TRNSYS, στη βιβλιογραφία συναντάται και η περίπτωση εκτέλεσης κάποιου αριθµητικού κώδικα προσοµοίωσης των φυσικών διεργασιών στον τροχό, ο οποίος υπολογίζει τις τιµές θερµοκρασίας και υγρασίας στην έξοδο του τροχού. Στη συνέχεια από τις εξ. 2.9, 2.10 υπολογίζονται τα η [Zhang, 2006]. Φυσικά µια τέτοια προσέγγιση παρουσιάζει το µειονέκτηµα ότι απαιτεί τη χρήση διακριτού υπολογιστικού κώδικα. Αντίστοιχες σχέσεις µε αυτές του Jurinak προτείνουν και οι Stabat and Marchio (2008) για τροχό αφύγρανσης µε LiCl ως αφυγραντικό µέσο. Οι συγγραφείς δεν προτείνουν αναλυτικό υπολογισµό των η F, αλλά εφαρµόζουν κάποιες απλοποιητικές παραδοχές, i σύµφωνα µε τις οποίες µπορούν να υπολογιστούν οι τιµές των η F από ένα πειραµατικό i σηµείο λειτουργίας. Η µέθοδος, όπως θα συζητηθεί και στη συνέχεια (βλέπε 2.5), έχει χρησιµοποιηθεί σε ορισµένες εργασίες. Fi 2.5 Θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας συστήµατος ΚΣΑΜ Οι Nelson et al (1978) διερευνούν θεωρητικά τη λειτουργία και απόδοση ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε σύνδεση µε κατοικία. Το µοντέλο προσοµοίωσης του τροχού βασίζεται στη θεωρία αναλογίας. Οι συγγραφείς διερευνούν, υποθέτoντας λειτουργία σε σταθερές συνθήκες, για τις κλιµατικές συνθήκες του Miami (ΗΠΑ) και για τους δύο βασικούς κύκλους - πλήρους ανανέωσης και πλήρους ανακυκλοφορίας αέρα - την επίδραση παραµέτρων όπως η απόδοση των επιµέρους υποσυστηµάτων (εναλλάκτης αέρα - αέρα, υγραντήρες, τροχός αφύγρανσης) και η θερµοκρασία αναγέννησης (σε εύρος ο C). Στη συνέχεια προχωρούν σε προσοµοίωση της λειτουργίας του συστήµατος σε ηµερήσια βάση, για διάστηµα έξη µηνών. Για την προσοµοίωση προτείνεται κατάλληλη στρατηγική ελέγχου η οποία στοχεύει στη ρύθµιση της θερµοκρασίας και υγρασίας του χώρου. Η στρατηγική περιλαµβάνει διαφορετικά σενάρια λειτουργίας όπως αυτά καθορίζονται από τη λειτουργία ή µη του τροχού και των υγραντήρων. Για την επίτευξη του στόχου µεταβάλλεται κατάλληλα η θερµοκρασία αναγέννησης. Στα αποτελέσµατα, µεταξύ άλλων, περιλαµβάνεται και η συνεισφορά της συµβατικής βοηθητικής πηγής ανάλογα µε το µέγεθος του ηλιακού πεδίου που υιοθετείται. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα, ο κύκλος πλήρους ανανέωσης αέρα εµφανίζει εν γένει υψηλότερο COP σε σχέση µε τον κύκλο ανακυκλοφορίας, αν και η συσχέτιση είναι δυνατόν να µεταβληθεί αν η θερµοκρασία υγρού βολβού του περιβάλλοντος είναι χαµηλότερη από την αντίστοιχη του Σελ.36

71 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ χώρου. Η αύξηση της θερµοκρασίας επιδρά αρνητικά στον COP του συστήµατος, και η επίδραση είναι σηµαντικότερη για τον κύκλο πλήρους ανανέωσης αέρα. Οι τιµές που προτείνονται για τον COP είναι της τάξης του 2.0 για τον κύκλο αυτό, σε θερµοκρασία 80 o C και για υποσυστήµατα µε τη µέγιστη δυνατή θεωρητική απόδοση. Η λειτουργία σε σύνδεση µε ηλιακό πεδίο κρίνεται αρκετά ικανοποιητική και οι συγγραφείς προτείνουν την περαιτέρω διερεύνηση της τεχνολογίας για εναλλακτικές διατάξεις και στρατηγικές ελέγχου καθώς και για διαφορετικές κλιµατικές συνθήκες. Οι Jurinak et al (1984) διερευνούν τη συµπεριφορά ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε σύνδεση µε κατοικία, σε τρεις περιοχές των ΗΠΑ (Miami, Washington, Texas). Το µοντέλο προσοµοίωσης του τροχού βασίζεται στη θεωρία αναλογίας. Εξετάζεται η συµπεριφορά των δύο βασικών κύκλων (πλήρους ανανέωσης και πλήρους ανακυκλοφορίας αέρα) ανάλογα µε την απόδοση των υποσυστηµάτων, την πηγή της θερµότητας αναγέννησης και ειδικότερα αν αυτή προέρχεται α) αποκλειστικά από τον ήλιο β) αποκλειστικά από φυσικό αέριο γ) από τον ήλιο µε υποβοήθηση από φυσικό αέριο, καθώς και ανάλογα µε τη ρυθµιζόµενη τιµή του λόγου παροχών των ρευµάτων αέρα. Η προσοµοίωση γίνεται για συνεχή λειτουργία του συστήµατος. Για τις ανάγκες της προσοµοίωσης προτείνεται στρατηγική ελέγχου, η οποία στοχεύει στη ρύθµιση της θερµοκρασίας και υγρασίας του χώρου. Τα σενάρια λειτουργίας περιλαµβάνουν τη βαθµιαία εισαγωγή του συστήµατος από µερική σε πλήρη λειτουργία. Η πλήρης λειτουργία προβλέπει τη λειτουργία του τροχού αφύγρανσης και των υγραντήρων προσαγωγής και απαγωγής, και τα σενάρια λειτουργίας περιλαµβάνουν την εκκίνηση λειτουργίας του συστήµατος σε έµµεση ψύξη µε εξάτµιση, την πλήρη λειτουργία του συστήµατος µε την ενέργεια αναγέννησης να προέρχεται από τον ήλιο, από τον ήλιο µε υποβοήθηση συµβατικής πηγής και τέλος από συµβατική πηγή αποκλειστικά, οπότε και η θερµοκρασία αναγέννησης παίρνει τις µέγιστες τιµές, σύµφωνα µε την επιλογή των συγγραφέων για τη διερεύνηση. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα η λειτουργία σε λόγο παροχών διαφορετικό της µονάδας έχει ευεργετικά αποτελέσµατα στην αποδοτικότητα, σηµειώνοντας αύξηση της τάξης του 10-15% για τον COP. Η λειτουργία σε λόγο παροχών διαφορετικό της µονάδας υποδηλώνει ότι τµήµα της ροής του ρεύµατος απαγωγής (της τάξης του 20-40%) µετά τον εναλλάκτη ανάκτησης θερµότητας απορρίπτεται απευθείας προς το περιβάλλον, ώστε να µειωθεί η θερµότητα αναγέννησης. Οι συγγραφείς τονίζουν τη σηµασία αύξησης της απόδοσης των υποσυστηµάτων, ώστε τα συστήµατα ΚΣΑΜ να είναι ανταγωνιστικά σε επίπεδο απόδοσης µε τα συµβατικά συστήµατα. Παράλληλα οι συγγραφείς προχωρούν και σε οικονοµική αποτίµηση των εξεταζόµενων διατάξεων, µελετώντας την επίδραση του κόστους του ηλεκτρικού ρεύµατος και της θερµικής ενέργειας. Οι Parsons et al (1987), αξιολογούν τρεις τροχούς, µε την ίδια γεωµετρία και διαφορετικό υλικό αφύγρανσης (πυριτική γέλη, LiCl, συνθετικός ζεόλιθος). Τα υλικά αυτά επιλέχτηκαν Σελ.37

72 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 µετά από διερεύνηση των σχετικών µε τη διεργασία ιδιοτήτων διαφόρων αφυγραντικών υλικών, όπως αυτές έχουν αξιολογηθεί στη βιβλιογραφία, καθώς και σύµφωνα µε την εµπειρία του φορέα έρευνας (Solar Energy Research Institute). Η πυριτική γέλη αναδεικνύεται ως το καταλληλότερο, για θερµοκρασίες αναγέννησης της τάξης των 85 o C. Στη συνέχεια της εργασίας, στη βάση θεωρητικού µοντέλου, διερευνάται η επίδραση παραµέτρων όπως η ταχύτητα περιστροφής, η παροχή και ο διαφορετικός λόγος παροχών µεταξύ των δύο ρευµάτων στην απόδοση του τροχού αφύγρανσης. Επίσης αξιολογείται η απόδοση συστήµατος αφύγρανσης σε σύνδεση µε συµβατικό σύστηµα ψύξης. Το µοντέλο για τον τροχό αφύγρανσης βασίζεται στη θεωρία της αναλογίας. Οι Pesaran and Wipke (1994) διερευνούν θεωρητικά τη δυνατότητα χρήσης, σε διατάξεις ΚΣΑΜ, ηλιακών συλλεκτών χωρίς κάλυµµα, οι οποίοι είναι φθηνότεροι από τους συλλέκτες µε κάλυµµα. Τα αποτελέσµατα δεν αποκλείουν µια τέτοια προοπτική, αν και στη µελέτη υιοθετήθηκαν αρκετά ευνοϊκές παραδοχές που στην πράξη είναι δύσκολο να υλοποιηθούν. Οι Smith et al (1994) διατυπώνουν µοντέλο για τη λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα. Για τη µοντελοποίηση του τροχού χρησιµοποιείται η προσέγγιση αποδοτικότητας - NTU των Van den Bulck et al (1985). Το µοντέλο του συνολικού συστήµατος αξιοποιείται για το σχεδιασµό του συστήµατος, και ειδικότερα για τη διαστασιολόγηση των βασικών υποσυστηµάτων, συµπεριλαµβάνοντας και το ηλιακό (συλλέκτες, δεξαµενή αποθήκευσης). Το σύστηµα θεωρείται ότι είναι συνδεδεµένο µε κατοικία, και µε τη βοήθεια του µοντέλου εξετάζεται και αξιολογείται η συµπεριφορά του σε τρεις πόλεις των ΗΠΑ (Pittsburgh, Macon, Albuquerque). Η ανάλυση της λειτουργίας του γίνεται για τυπική ηµέρα, η απόφαση για τη λειτουργία ή όχι του συστήµατος υποδεικνύεται από τη στρατηγική ελέγχου ανάλογα µε την εσωτερική θερµοκρασία του χώρου και η θερµοκρασία αναγέννησης είναι σταθερή στους 80 ο C. Τα αποτελέσµατα λειτουργίας κρίνονται ιδιαίτερα ικανοποιητικά και στις τρεις περιοχές. Οι συγγραφείς διαβλέπουν περιθώρια βελτίωσης στη στρατηγική ελέγχου και ειδικότερα στην εφαρµογή πρακτικών όπως ο έλεγχος της ταχύτητας περιστροφής του τροχού αφύγρανσης και της παροχής θερµού νερού στον εναλλάκτη θερµικού φορτίου. Παράλληλα προτείνουν τη διερεύνηση της δυνατότητας σύνδεσης υφιστάµενων ηλιακών συστηµάτων ζεστού νερού µε συστήµατα ΚΣΑΜ. Αντίστοιχη διερεύνηση µε την προαναφερθείσα πραγµατοποιούν και οι Davanagere et al (1999). Η αξιολόγηση της λειτουργίας του συστήµατος γίνεται για τέσσερις πόλεις των ΗΠΑ (Jacksonville, New York, Houston, Albuquerque) µε διαφορετικές κλιµατικές συνθήκες. Ο COP εµφανίζει τιµές της τάξης του ανάλογα µε την περιοχή. Η εργασία, στο δεύτερο µέρος της, προχωρεί και σε οικονοµική αποτίµηση του συστήµατος Σελ.38

73 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ [Davanagere et al, 1999b]. Ο χρόνος αποπληρωµής που προκύπτει ξεπερνάει τα 15 χρόνια και κρίνεται από τους συγγραφείς ως ιδιαίτερα υψηλός. Παράλληλα οι συγγραφείς τονίζουν την επίδραση στην οικονοµική ανάλυση του κόστους της αρχικής επένδυσης, του κόστους της συµβατικής ενέργειας ενώ προτείνουν και τη διερεύνηση µε συγκεντρωτικούς συλλέκτες, αν και αυτό θα αυξήσει το αρχικό κόστος. Οι Henning et al (2001), παράλληλα µε την πειραµατική διερεύνηση η οποία και παρουσιάστηκε σε προηγούµενη ενότητα, διερευνούν σε θεωρητικό επίπεδο την απόδοση συστήµατος ΚΣΑΜ (κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα) και προτείνουν στρατηγική ελέγχου για τη λειτουργία του. Για τη µοντελοποίηση του συστήµατος χρησιµοποιήθηκε το λογισµικό TRNSYS, το οποίο για τον τροχό αφύγρανσης, όπως ήδη αναφέρθηκε, υιοθετεί προσέγγιση σταθερών, προκαθορισµένων τιµών για τους συντελεστές απόδοσης η F, η 1 F. 2 Οι συγγραφείς µελετούν την επίπτωση στην απόδοση του συστήµατος της παροχής αέρα και της θερµοκρασίας αναγέννησης, σε σχέση και µε την αξιοποίηση του ηλιακού πεδίου, προτείνοντας τη λειτουργία στη χαµηλότερη δυνατή θερµοκρασία αναγέννησης. Στην εργασία διερευνάται, µέσω προσοµοίωσης συνεχούς λειτουργίας, η καταλληλότητα διάταξης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ για δύο βασικές διαµορφώσεις όσον αφορά στο ηλιακό σύστηµα. Ειδικότερα µελετάται η περίπτωση σύνδεσης µε συλλέκτες αέρα (χωρίς αποθήκευση θερµότητας) οπότε και το σύστηµα λειτουργεί ανάλογα µε τη στιγµιαία διαθεσιµότητα ηλιακής ενέργειας, καθώς και η περίπτωση σύνδεσης µε συλλέκτες υγρού και δεξαµενής αποθήκευσης θερµότητας µε ενσωµατωµένη βοηθητική πηγή θερµότητας, οπότε και τίθενται συγκεκριµένες απαιτήσεις ως προς τη θερµοκρασία του χώρου, µε δεδοµένη την ικανότητα του συστήµατος να λειτουργήσει ανά πάσα στιγµή. Για τη δεύτερη περίπτωση, προτείνεται στρατηγική ελέγχου, η οποία στοχεύει στη ρύθµιση της θερµοκρασίας του χώρου και τα δυνατά σενάρια για το σύστηµα περιλαµβάνουν τη λειτουργία σε αερισµό, σε έµµεση ψύξη µε εξάτµιση, καθώς και την πλήρη λειτουργία του συστήµατος. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι οι συγγραφείς συµπεριλαµβάνουν και σενάριο λειτουργίας θέρµανσης. Η περίπτωση µη αποθήκευσης θερµότητας µελετήθηκε για την περιοχή του Freiburg ενώ η περίπτωση µε αποθήκευση θερµότητας για τρεις πόλεις: Copenhagen ( ανία), Freiburg (Γερµανία), Trapani (Iταλία), οι οποίες χαρακτηρίζονται από διαφορετικές κλιµατικές συνθήκες. Για την Ιταλική πόλη διερευνήθηκε η εφαρµογή συστήµατος µε συµβατική υποβοήθηση ως προς την κάλυψη του αισθητού φορτίου, καθώς το κλίµα είναι ιδιαίτερα θερµό και υγρό και τα φορτία κλιµατισµού αρκετά υψηλά. H εργασία προχωρεί και σε οικονοµική αποτίµηση των προτεινόµενων λύσεων. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα, για την περίπτωση χρήσης συλλεκτών αέρα και µη αποθήκευσης θερµότητας, η κάλυψη του φορτίου κρίνεται ικανοποιητική και η λύση αυτή θα µπορούσε να εφαρµοστεί σε χώρες της Κεντρικής Ευρώπης χαρακτηριζόµενες από ηπίως θερµά κλίµατα. Η χρήση συλλεκτών υγρού βελτιώνει την αποδοτικότητα του συστήµατος, καθώς οι συλλέκτες αυτοί αποδίδουν καλύτερα στις θερµοκρασίες λειτουργίας που µελετήθηκαν Σελ.39

74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 για το σύστηµα, σε σχέση µε τους συλλέκτες αέρα. Η χρήση ηλιακού πεδίου και δεξαµενής αποθήκευσης θερµότητας επιβαρύνει το ανηγµένο κόστος της ψύξης, που στην περίπτωση αυτή ξεπερνάει το κόστος της συµβατικής λύσης. Στην περίπτωση που το περιβάλλον εµφανίζει αυξανόµενη υγρασία, το σύστηµα χρειάζεται την υποβοήθηση συµβατικού συστήµατος ψύξης. Τα συστήµατα µε συµβατική υποβοήθηση µπορούν να οδηγήσουν σε εξοικονόµηση ενέργειας που µπορεί να φτάσει το 50%, ενώ η αύξηση του κόστους εγκατάστασης δεν είναι ιδιαίτερα µεγάλη, γι αυτό και οι συγγραφείς προτείνουν την περαιτέρω διερεύνηση τους. Οι Jοudi and Dhaidan (2001) πραγµατοποιούν διερεύνηση για σύστηµα κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα, το οποίο είναι συνδεδεµένο µε ηλιακό πεδίο συλλεκτών αέρα και δεξαµενή αποθήκευσης µε χρήση πετρωµάτων. Το σύστηµα είναι εγκατεστηµένο σε κατοικία στη Bagdad (Ιράκ). Το µοντέλο του αφυγραντικού τροχού βασίζεται στην προσέγγιση του Jurinak για τις µεταβλητές συνδυασµένου δυναµικού F 1, F 2, µε την παράλληλη υιοθέτηση προκαθορισµένων τιµών για τους συντελεστές απόδοσης η F, η 1 F. 2 Οι συγγραφείς διερευνούν σε ηµερήσια βάση τη λειτουργία του ηλιακού συστήµατος και του συστήµατος κλιµατισµού, υπό την επίδραση παραµέτρων όπως η θερµοκρασία και παροχή του ρεύµατος αναγέννησης, το επίπεδο απόδοσης των υποσυστηµάτων και οι δυνατότητες διαστασιολόγησης του ηλιακού πεδίου. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα, το επίπεδο απόδοσης του εναλλάκτη αέρα - αέρα και του υγραντήρα επιδρούν σηµαντικά στην απόδοση του συστήµατος, όπως και το επίπεδο της θερµοκρασίας αναγέννησης, ενώ η επίδραση της αποδοτικότητας του τροχού αφύγρανσης είναι σχετικά ασθενής. H αύξηση της παροχής αέρα δεν επιδρά στην κάλυψη από το ηλιακό πεδίο των απαιτήσεων σε θερµότητα, ενώ και η επίδραση της ποσότητας του χρησιµοποιούµενου πετρώµατος στην κάλυψη αυτή είναι ιδιαίτερα ασθενής. Το σύστηµα εξασφαλίζει ικανοποιητικό επίπεδο άνεσης για την µελετούµενη περιοχή, η οποία χαρακτηρίζεται από θερµό και υγρό κλίµα. Οι ιδιαίτερα υψηλές τιµές του COP που παρουσιάζονται στην εργασία, σε σχέση µε αντίστοιχες προσεγγίσεις, οφείλονται στο γεγονός ότι στον υπολογισµό του COP δεν συµπεριλαµβάνεται η θερµική ενέργεια του ηλιακού πεδίου. Οι Ginestet et al (2002) διερευνούν την απόδοση συστήµατος κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα, θερµικά τροφοδοτούµενου από φυσικό αέριο ή απορριπτόµενη θερµότητα, και συνδεδεµένου µε κτίριο γραφείων. Το µοντέλο για τον τροχό αφύγρανσης βασίζεται στη θεωρία αναλογίας. Η έρευνα εστιάζει στην πρόταση αποτελεσµατικής στρατηγικής ελέγχου. Η προτεινόµενη στρατηγική στοχεύει στη ρύθµιση της θερµοκρασίας του χώρου, και τα σενάρια λειτουργίας του συστήµατος περιλαµβάνουν τον απλό αερισµό, την έµµεση ψύξη µε εξάτµιση καθώς και την πλήρη λειτουργία. Ανάλογα µε το αν χρησιµοποιείται φυσικό αέριο ή απορριπτόµενη θερµότητα η στρατηγική είναι διαφορετική, καθώς στην περίπτωση της απορριπτόµενης θερµότητας θεωρείται ότι η θερµική ενέργεια είναι Σελ.40

75 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ µηδενικού κόστους, συνεπώς η στρατηγική δίνει προτεραιότητα στη λειτουργία του συστήµατος αφύγρανσης. Επίσης οι συγγραφείς προτείνουν τη λειτουργία του συστήµατος σε χαµηλές παροχές και σε αερισµό ή έµµεση ψύξη µε εξάτµιση, η οποία µειώνει τα φορτία κλιµατισµού της ηµέρας. Η προσοµοίωση έγινε για δύο διαφορετικές περιοχές της Γαλλίας (Trappes, Nice) και µελετάται η λειτουργία σε διαφορετικές τιµές παροχών και θερµοκρασίας αναγέννησης. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα, προτείνεται η λειτουργία σε όσο το δυνατόν χαµηλότερη θερµοκρασία αναγέννησης, καθώς η παροχή αποδεικνύεται καθοριστικός παράγοντας ως προς την ψυκτική ικανότητα του συστήµατος. Για ήπια κλίµατα η συµπεριφορά του συστήµατος είναι ικανοποητική, για υγρά όµως κλίµατα εµφανίζονται δυσκολίες στην κάλυψη φορτίων. Οι συγγραφείς προτείνουν για περαιτέρω διερεύνηση το θέµα της στρατηγικής ελέγχου για την περίπτωση σύνδεσης µε ηλιακό πεδίο. Οι Maalouf et al (2005) διερευνούν την απόδοση ηλιακού συστήµατος µε στερεά αφυγραντικά µέσα κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα, σε εργασιακό χώρο. Το ηλιακό σύστηµα αποτελείται από ηλιακό πεδίο και δεξαµενή αποθήκευσης, χωρίς την παρουσία βοηθητικής πηγής. Το σύστηµα χρησιµοποιεί τροχό αφύγρανσης LiCl. To µοντέλο του τροχού αφύγρανσης βασίζεται στην προσέγγιση της θεωρίας αναλογίας, όπως αυτή προσαρµόσθηκε από τους Stabat and Marchio (2008). Για την προσοµοίωση, χρησιµοποιείται στρατηγική ελέγχου, η οποία στοχεύει στη ρύθµιση της θερµοκρασίας του χώρου και συνυπολογίζει στην επιλογή του σεναρίου λειτουργίας το επίπεδο της διαθέσιµης θερµοκρασίας αναγέννησης. Η εργασία αναδεικνύει τη σηµασία λειτουργίας του συστήµατος σε αερισµό ή έµµεση ψύξη µε εξάτµιση και σχετικά χαµηλές παροχές κατά τις ώρες µη λειτουργίας του χώρου. Οι Mei et al (2006) διερευνούν την απόδοση ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα. Το σύστηµα χρησιµοποιεί συλλέκτες αέρα, ενώ είναι συνδεδεµένο µε φωτοβολταϊκό πεδίο. Το φωτοβολταϊκό πεδίο καλύπτει τµήµα της οροφής και µειώνει τα ψυκτικά φορτία που οφείλονται στην ηλιακή ακτινοβολία, ενώ παράλληλα το ρεύµα του αέρα αναγέννησης του τροχού προθερµαίνεται µέσω της διέλευσης από κατάλληλα κανάλια προσαρµοσµένα στη φωτοβολταϊκή συστοιχία, συµβάλλοντας µε τον τρόπο αυτό στην επίτευξη ευνοϊκότερων θερµικά συνθηκών λειτουργίας για τα φωτοβολταϊκά πανέλα. Ο προθερµαινόµενος αέρας διέρχεται µέσω του πεδίου των συλλεκτών αέρα ώστε να θερµανθεί σε ικανοποιητικά επίπεδα για την αναγέννηση του τροχού. Το µοντέλο του αφυγραντικού τροχού βασίζεται στην υιοθέτηση σταθερού συντελεστή απόδοσης σε αφύγρανση. Στην προσοµοίωση χρησιµοποιήθηκε κατάλληλη στρατηγική ελέγχου, η οποία ενεργοποιεί το σύστηµα σε πλήρη λειτουργία όταν η θερµοκρασία του χώρου ξεπεράσει κάποιο όριο. Η παροχή του αέρα αυξάνεται βαθµιαία, ανάλογα µε την τιµή της θερµοκρασίας του χώρου. Σε περίπτωση που η θερµοκρασία του Σελ.41

76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 χώρου ξεπεράσει κάποιο ανώτατο όριο τίθεται σε λειτουργία και το βοηθητικό σύστηµα ψύξης. Τα αποτελέσµατα θεωρούνται αρκετά ικανοποιητικά ως προς την κάλυψη του φορτίου κλιµατισµού, την αποδοτικότητα του συστήµατος (COP~0.5) και τη συνεισφορά του ηλιακού παράγοντα. Οι Vitte et al (2008) διερευνούν τη λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ συνδεδεµένου µε κτίριο γραφείων. Το µοντέλο του τροχού αφύγρανσης βασίζεται στη θεωρία της αναλογίας και υιοθετεί τις σχέσεις των Stabat and Marchio (2008) για τις µεταβλητές συνδυασµένου δυναµικού. Το ηλιακό σύστηµα περιλαµβάνει συλλέκτες υγρού, δεξαµενή αποθήκευσης και βοηθητική πηγή ενέργειας. Οι συγγραφείς αναπτύσσουν στρατηγική ελέγχου, η οποία στοχεύει στη ρύθµιση της θερµοκρασίας και υγρασίας του χώρου και η οποία επιλέγει το σενάριο λειτουργίας σύµφωνα µε τη διαφορά ενθαλπίας του κλιµατιζόµενου χώρου και του περιβάλλοντος καθώς και την τιµή της θερµοκρασίας του εσωτερικού χώρου. Οι δυνατές λειτουργίες περιλαµβάνουν τον απλό αερισµό, την έµµεση ψύξη µε εξάτµιση, την άµεση ψύξη µε εξάτµιση και τη λειτουργία του πλήρους συστήµατος. Η θερµοκρασία αναγέννησης και η παροχή ρυθµίζονται ανάλογα µε την επίτευξη των επιθυµητών συνθηκών µε τη χρήση κατάλληλων ρυθµιστών (P και PID αντίστοιχα). Τα αποτελέσµατα κρίνονται ικανοποιητικά τόσο ως προς την κάλυψη των φορτίων όσο και ως προς και την αποδοτικότητα του συστήµατος, σε σύγκριση και µε συµβατικό σύστηµα αναφοράς. Οι συγγραφείς προτείνουν ως αντικείµενο µελλοντικής έρευνας τη βελτιστοποίηση της στρατηγικής ελέγχου ως προς την εξοικονόµηση ενέργειας και την εφαρµογή της σε διαφορετικές κλιµατικές συνθήκες και τύπους κτιρίων. Οι Bourdoukan et al (2008) διερευνούν τη δυνατότητα χρήσης συλλεκτών τύπου θερµοσωλήνων σε σύστηµα ΚΣΑΜ. Το ηλιακό σύστηµα περιλαµβάνει ηλιακό πεδίο και δεξαµενή αποθήκευσης. Το µοντέλο του αφυγραντικού τροχού βασίζεται στη θεωρία αναλογίας, υιοθετώντας τις σχέσεις των Stabat and Marchio (2008) για τις µεταβλητές συνδυασµένου δυναµικού. Το ηλιακό σύστηµα µοντελοποιείται στη βάση δυναµικών προσεγγίσεων για τους συλλέκτες και τη δεξαµενή. Στην εργασία γίνεται πειραµατική επιβεβαίωση του µοντέλου του ηλιακού συστήµατος. Για την προσοµοίωση της λειτουργίας του συνολικού συστήµατος χρησιµοποιείται στρατηγική ελέγχου, η οποία περιλαµβάνει την εκκίνηση του συστήµατος κατά τις πρωινές ώρες σε λειτουργία έµµεσης ψύξης µε εξάτµιση και µετάβαση σε πλήρη λειτουργία του συστήµατος όταν η θερµοκρασία ή η υγρασία του χώρου ξεπεράσουν κάποιο όριο. Οι υπολογισµοί γίνονται σε τρεις διαφορετικές τοποθεσίες (La Rochelle - Γαλλία, Berlin - Γερµανία, Bolzano - Ιταλία). Τα αποτελέσµατα δείχνουν ικανοποιητική συµπεριφορά για το σύστηµα όσον αφορά στην κάλυψη των φορτίων. Η χρήση επίπεδων συλλεκτών αντί θερµοσωλήνων, αν και απαιτεί 20-25% µεγαλύτερη επιφάνεια πεδίου, οικονοµικά αποτελεί πιο συµφέρουσα λύση. Σελ.42

77 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ Οι White et al (2009) διερευνούν την απόδοση ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε κτίριο γραφείων. Το σύστηµα εργάζεται σύµφωνα µε τον κύκλο πλήρους ανανέωσης αέρα, µε τη διαφορά ότι ο υγραντήρας του ρεύµατος απαγωγής είναι τοποθετηµένος και αυτός στο ρεύµα προσαγωγής, αποτελώντας διάταξη έµµεσης ψύξης µε εξάτµιση. Η µοντελοποίηση του αφυγραντικού τροχού βασίστηκε στην εµπειρική προσέγγιση των Becalli et al (2003). Η προσοµοίωση εφαρµόζεται για συνεχή λειτουργία και διερευνάται η επίδραση παραµέτρων όπως η θερµοκρασία αναγέννησης, η παροχή, το µέγεθος του ηλιακού πεδίου και η απόδοση της διεργασίας έµµεσης ψύξης µε εξάτµιση. Οι συγγραφείς δεν χρησιµοποιούν κάποια συγκεκριµένη στρατηγική ελέγχου στην ανάλυση τους και το σύστηµα µπαίνει σε λειτουργία στις 8 π.µ. και σταµατάει τη λειτουργία του στις 5 µ.µ.. Η προσοµοίωση εφαρµόστηκε για τρεις διαφορετικές πόλεις της Αυστραλίας (Melbourne, Sydney, Darwin). Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα, σηµαντική για την ενεργειακή αποδοτικότητα του συστήµατος προκύπτει η απόδοση της διεργασίας ψύξης µε εξάτµιση, ενώ η λειτουργία του τροχού σε χαµηλότερες θερµοκρασίες αναγέννησης αν και βελτιώνει την ενεργειακή αποδοτικότητα, οδηγεί στην απαίτηση υψηλότερων παροχών για την επίτευξη των συνθηκών άνεσης. Η αξιοποίηση της έµµεσης ψύξης µε εξάτµιση βρίσκει µεγάλη εφαρµογή στα ήπια εξεταζόµενα κλίµατα, ενώ σε τροπικό κλίµα το σύστηµα εµφανίζει δυσκολία στην κάλυψη των φορτίων. Οι Bourdoukan et al (2009b) αξιολογoύν την απόδοση των κύκλων πλήρους ανανέωσης και πλήρους ανακυκλοφορίας αέρα, µελετώντας παραµετρικά τη µεταβολή των εξωτερικών συνθηκών καθώς και το επίπεδο απόδοσης των εµπλεκόµενων υποσυστηµάτων. Το µοντέλο του αφυγραντικού τροχού βασίζεται στη θεωρία αναλογίας, χρησιµοποιώντας τις διατυπώσεις των Jurinak (1982) και Stabat (2003) για τις µεταβλητές συνδυασµένου δυναµικού F 1, F 2. H προσοµοίωση γίνεται για σταθερές συνθήκες λειτουργίας. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η διαπίστωση ότι όταν η υγρασία του περιβάλλοντος ξεπεράσει τα 11 g/kg, o κύκλος ανακυκλοφορίας γίνεται αποδοτικότερος του κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα. Στις εργασίες που ακολουθούν, αξιολογείται το δυναµικό των συστηµάτων στερεού αφυγραντικού µέσου µε δυνατότητα σύνδεσης µε ηλιακό σύστηµα, σε εύρος γεωγραφικών περιοχών, εστιάζοντας στην αποτίµηση της επίδρασης των διαφορετικών κλιµατικών συνθηκών στην απόδοση του συστήµατος. Οι Jain and Dhar (1995), πραγµατοποιούν διερεύνηση της δυνατότητας εφαρµογής συστηµάτων µε στερεά αφυγραντικά µέσα για δεκαέξι πόλεις της Ινδίας, οι οποίες αποτελούν αντιπροσωπευτικό δείγµα για το εύρος κλιµατικών συνθηκών της χώρας. To µοντέλο του τροχού βασίζεται σε γραµµική παρεµβολή σε στοιχεία απόδοσης του κατασκευαστή. Στην εργασία µελετάται η αποτελεσµατικότητα διαφόρων διατάξεων, Σελ.43

78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 συµπεριλαµβάνοντας τους τυπικούς κύκλους πλήρους ανανέωσης και πλήρους ανακυκλοφορίας αέρα, ενώ σε κάποιες από αυτές χρησιµοποιούνται εναλλάκτες υγρής επιφανείας. Τα αποτελέσµατα κρίνονται ικανοποιητικά, δεδοµένου του ιδιαίτερα υψηλού λανθάνοντος φορτίου των εξεταζόµενων περιοχών. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι η µελέτη υιοθετεί υψηλές θερµοκρασίες αναγέννησης, της τάξης των 130 o C. Οι Mavroudaki et al (2002) διερευνούν τη δυνατότητα εφαρµογής συστηµάτων ηλιακής ψύξης µε στερεά αφυγραντικά µέσα στη Νότια Ευρώπη. Για τη µοντελοποίηση του τροχού αφύγρανσης χρησιµοποιείται η προσέγγιση αποδοτικότητας - NTU [Van de Bulck et al, 1985]. Η µελέτη διερευνά τη δυνατότητα εξοικονόµησης ενέργειας λόγω της χρήσης ηλιακής ενέργειας για την αναγέννηση του τροχού, σε σχέση µε τη χρήση θερµικής ενέργειας προερχόµενης από την αξιοποίηση φυσικού αερίου. Τα αποτελέσµατα είναι ενθαρρυντικά, τονίζοντας τα υψηλά ενεργειακά κέρδη, κυρίως σε χώρες της Κεντρικής Ευρώπης λόγω των χαµηλών απαιτήσεων σε λανθάνον φορτίο. Από την άλλη, σε παραθαλάσσιες περιοχές της Νότιας Ευρώπης, η ύπαρξη υψηλού λανθάνοντος φορτίου ή αρκετά υγρού ατµοσφαιρικού αέρα οδηγεί στην απαίτηση για ιδιαίτερα υψηλή παροχή του αέριου ρεύµατος και αυξηµένη θερµοκρασία αναγέννησης. Οι Haliday et al (2002), πραγµατοποιούν ανάλογη µελέτη για τη Μεγ. Βρετανία, αναφέροντας αποτελέσµατα εξοικονόµησης συµβατικής ενέργειας, λόγω της χρήσης ηλιακής, της τάξης του 70% σε ετήσια βάση. Οι Gupta et al (2008), επιχειρούν να συγκρίνουν την αποδοτικότητα των τεχνολογιών ρόφησης ανοικτού και κλειστού κύκλου. Για τον αφυγραντικό τροχό χρησιµοποιούν µοντέλο αποδοτικότητας-ntu [Van de Bulck et al, 1985]. Όπως αναφέρουν και οι συγγραφείς µια τέτοια σύγκριση είναι αρκετά δύσκολη καθώς οι διεργασίες διαφέρουν ως προς τη φύση τους, και αυτός είναι από τους βασικούς λόγους για τον οποίο ο αριθµός αντίστοιχων εργασιών είναι αρκετά περιορισµένος. Οι Khalid et al (2009), παράλληλα µε την πειραµατική διερεύνηση, που αναφέρθηκε στη συγκεκριµένη ενότητα, προχωρούν και σε παραµετρική διερεύνηση του µελετώµενου συστήµατος ΚΣΑΜ, χρησιµοποιώντας το TRNSYS. Μελετώνται τέσσερεις εναλλακτικές διατάξεις, σε δύο διαφορετικές τοποθεσίες. Οι διατάξεις διαφέρουν ως προς την εφαρµογή µόνο άµεσης ή έµµεσης ψύξης µε εξάτµιση ή και των δύο, καθώς και εφαρµογή έµµεσης ψύξης µε εξάτµιση στην είσοδο του αέρα, ενώ προτείνεται και η δυνατότητα εφαρµογής συµβατικής υποβοήθησης ψύξης στην τελική θέση προσαγωγής του αέρα προς το κτίριο. Τα µελετώµενα συστήµατα είναι συνδεδεµένα µε πεδίο συλλεκτών αέρα. Οι συγγραφείς προχωρούν σε ανάλυση κύκλου ζωής για το συλλέκτη αέρα. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα της εργασίας, επειδή το κλίµα στη µία περιοχή η οποία µελετάται είναι θερµό και υγρό, είναι απαραίτητη η χρήση της συµβατικής υποβοήθησης ψύξης, ενώ στο ξηρότερο κλίµα Σελ.44

79 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ της άλλης περιοχής το σύστηµα ικανοποιεί για σηµαντικό χρονικό διάστηµα το φορτίο χωρίς υποβοήθηση. Οι εργασίες των Pesaran and Hoo (1993), Colier and Cohen (1991), Ko et al (1989), Colier et al (1990), Colier (1989), Charoensupaya and Worek (1988) διερευνούν στη βάση θεωρητικών, κυρίως αριθµητικών, µοντέλων την εφαρµογή πρακτικών για την αύξηση της ψυκτικής απόδοσης και του COP των συστηµάτων ΚΣΑΜ. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα η εφαρµογή βαθµωτής αναγέννησης έχει θετικά αποτελέσµατα σε υψηλές θερµοκρασίες, οι οποίες ξεπερνούν τους 95 ο C, ενώ δεν προκύπτει το ίδιο σε χαµηλότερες θερµοκρασίες, της τάξης των 80 ο C. Άλλες πρακτικές αναφέρονται στη µείωση της θερµικής αδράνειας του κελύφους του τροχού αφύγρανσης ή στην αύξηση της αντίστασης του κελύφους στη µεταφορά µάζας και θερµότητας και στην αύξηση του ποσοστού µάζας του αφυγραντικού υλικού στον τροχό, σε σχέση µε το υπόλοιπο υλικό του κελύφους, το οποίο δεν συνεισφέρει στην αφύγρανση. Επίσης διερευνάται και η επίδραση της µορφής της ισόθερµης καµπύλης του αφυγραντικού υλικού στην απόδοση των συστηµάτων. Αξίζει να αναφερθεί σχετικά ότι η ισόθερµη καµπύλη παρέχει ποσοτική πληροφορία για την ικανότητα σε αφύγρανση των µελετώµενων υλικών [Ruthven, 1994]. Περαιτέρω ανάλυση σχετικά µε το ζήτηµα αυτό ξεφεύγει από τους στόχους της εργασίας. Στη βιβλιογραφία εµφανίζονται αρκετές εργασίες οι οποίες επιχειρούν να αποτιµήσουν την απόδοση αφυγραντικού τροχού ή συστήµατος ΚΣΑΜ στο επίπεδο του δεύτερου θερµοδυναµικού νόµου. Οι εργασίες ασχολούνται µε τη θεωρητική θεµελίωση της διερεύνησης για συστήµατα ανοικτού κύκλου και την αξιολόγηση της αποδοτικότητας των συστηµάτων στη βάση θεωρητικών µοντέλων ή πειραµατικών µετρήσεων [Kanoglu et al, 2007; Lior and Al-Sharqawi, 2005; Kanoglu et al, 2004; Camargo et al, 2003; Pons and Kodama, 2000; Kodama et al, 2000; Shen et al, 1996; Van den Bulck et al, 1988; Maclaine- Cross, 1985; Lavan et al, 1982]. Τέλος ενδιαφέρον παρουσιάζει η µελέτη των Pesaran and Heiden (1994), η οποία διερευνά την επίδραση του υψοµέτρου εγκατάστασης στη συµπεριφορά ενός συστήµατος ΚΣΑΜ, λόγω της σύνδεσης των θερµοφυσικών ιδιοτήτων του αέρα µε τη µεταβαλλόµενη πίεση περιβάλλοντος. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι η µείωση της ατµοσφαιρικής πίεσης από 1 atm σε 0.8 atm, η αύξηση δηλαδή του υψοµέτρου ης εγκατάστασης από την επιφάνεια της θάλασσας στα 1800 m, συνεπάγεται αύξηση του COP του συστήµατος κατά 8%. Σελ.45

80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Αποτίµηση της ικανότητας των συστηµάτων - Προτεραιότητες έρευνας και τεχνολογίας Σε µια γενική αποτίµηση των δυνατοτήτων των συστηµάτων ΚΣΑΜ, όπως αυτή αποτυπώνεται στη σχετική βιβλιογραφία, µπορεί να διατυπωθεί ότι τα συστήµατα εµφανίζουν ικανοποιητική απόδοση και δυνατότητα κάλυψης φορτίων, για εύρος θερµοκρασιών συµβατό µε επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες. Η µοναδική περίπτωση που τα συστήµατα εµφανίζουν δυσκολία ως προς την κάλυψη φορτίων είναι σε θερµά και ταυτόχρονα υγρά κλίµατα, όπως τα τροπικά. Στις περιπτώσεις αυτές, εµφανίζονται στη βιβλιογραφία και δυνατότητες συνδυασµού µε συµβατικά συστήµατα, για την υποβοήθηση στην κάλυψη του αισθητού φορτίου, οι οποίες και παρουσιάζουν ικανοποιητικά επίπεδα απόδοσης. Η εξέταση των διατάξεων αυτών ξεφεύγει από τους σκοπούς της παρούσας εργασίας. Όπως προκύπτει και από τις σχετικές εργασίες, υπάρχουν σηµαντικά περιθώρια βελτίωσης της απόδοσης των εµπλεκόµενων συστηµάτων [Henning, 2007; Shelpuk, 1993; Waugaman et al, 1993]. Ειδικά για τον τροχό σηµειώνεται η ερευνητική δραστηριότητα σχετικά µε την ανάπτυξη και χρήση υλικών και διατάξεων βελτιωµένης απόδοσης, όπως η προσπάθεια κατασκευής τροχού µε δυνατότητα ταυτόχρονης ψύξης του προσαγόµενου αέρα, ώστε να εξαλείφεται η ανεπιθύµητη, σε εφαρµογές κλιµατισµού, επίδραση της θέρµανσης αυτού [Henning 2007, Shelpuk 1993]. Η συχνότερα µελετώµενη διάταξη, τόσο σε θεωρητικό όσο και πειραµατικό επίπεδο, είναι του κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα, και αυτή θα µελετηθεί στην εργασία. Γενικά µπορεί να διατυπωθεί ότι ο κύκλος πλήρους ανανέωσης αέρα εµφανίζει σχετικά καλύτερη απόδοση και ψυκτική ικανότητα, αν και ανάλογα µε το επίπεδο απόδοσης των υποσυστηµάτων και τις συνθήκες του περιβάλλοντος είναι δυνατόν να συµβεί το αντίθετο και να εµφανίσει καλύτερη απόδοση ο κύκλος ανακυκλοφορίας. Όσον αφορά στο ηλιακό σύστηµα, η συχνότερα µελετώµενη διάταξη αποτελείται από πεδίο επίπεδων συλλεκτών υγρού µε δεξαµενή αποθήκευσης θερµότητας και βοηθητική πηγή ενέργειας. H παρουσία της διάταξης αποθήκευσης θερµότητας θεωρείται ότι συνεισφέρει σηµαντικά στην κάλυψη των απαιτούµενων φορτίων, καθώς τις πρωινές και απογευµατινές ώρες, κατά τις οποίες η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι περιορισµένη, υπάρχει απαίτηση για λειτουργία του συστήµατος. Επίσης εµφανίζονται προσεγγίσεις µε συλλέκτες κενού, οι οποίες θα δώσουν τη δυνατότητα αξιοποίησης υψηλότερων θερµοκρασιών, αν και οι σχετικές µελέτες έδειξαν ότι για το επίπεδο θερµοκρασίας ο C τα συστήµατα εµφανίζουν ιδιαίτερα ικανοποιητική απόδοση. Η αξιολόγηση της απόδοσης των συστηµάτων γίνεται κυρίως στη βάση του COP (Coefficient Of Performance). Το σύνολο των ερευνητών τονίζουν την ανάγκη βελτίωσης Σελ.46

81 Πειραµατικές και θεωρητικές προσεγγίσεις της λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ των τιµών του δείκτη αυτού για τα συστήµατα, ώστε να γίνουν ανταγωνιστικά ως προς τα συµβατικά. Αξίζει να σηµειωθεί ότι ο δείκτης αυτός εµφανίζει µεγάλο εύρος στις σχετικές εργασίες και αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι επηρεάζεται από τις εξωτερικές συνθήκες και τις συνθήκες λειτουργίας του συστήµατος γενικότερα, δηλαδή το επίπεδο απόδοσης των εµπλεκόµενων υποσυστηµάτων. Βασικό ζήτηµα αποτελεί επίσης ο τρόπος υπολογισµού του καθώς κάποιοι ερευνητές δεν συµπεριλαµβάνουν την ηλιακή θερµική ενέργεια ή τη θερµική ενέργεια γενικά, ανεξάρτητα της πηγής προέλευσής της, στον υπολογισµό του. Στη βιβλιογραφία γίνεται συζήτηση για την καταλληλότητα του δείκτη αυτού να αποτιµήσει την ικανότητα των συστηµάτων, ειδικά στο επίπεδο σύγκρισης µε τα συµβατικά, καθώς η πληροφορία που δίνει ο COP δεν διαχωρίζει τη θερµική από την ηλεκτρική ενέργεια, συνεπώς δεν αναδεικνύει ένα από τα σηµαντικότερα πλεονεκτήµατα των συστηµάτων µε αφυγραντικά µέσα, το οποίο είναι η µειωµένη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Για το λόγο αυτό προτείνεται από ορισµένους συγγραφείς η χρήση του δείκτη ενεργειακής αποδοτικότητας (EER, Energy Efficiency Ratio), o οποίος δεν συµπεριλαµβάνει τη θερµική ενέργεια στον υπολογισµό της καταναλισκόµενης ενέργειας από το σύστηµα [Lof, 1993; Leef and Teeters, 1978]. Το κόστος του εξοπλισµού αναφέρεται ως ένας από τους σηµαντικότερους παράγοντες που δυσχεραίνουν την ευρεία διάδοση των συστηµάτων [Ziegler, 2009; Henning, 2007; Grossman 2002; Wurm et al, 2002; Shelpuk, 1993]. Ο Grossman (2002) υποδεικνύει ως σηµαντικότερο το κόστος του ηλιακού συστήµατος σε µια γενικότερη ανάλυση για τα συστήµατα ηλιακής ψύξης και τις δυνατότητες τους. Το κόστος της συµβατικής ενέργειας επηρεάζει σηµαντικά τη σχετική ανάλυση κόστους - οφέλους για την αποτίµηση των οφελών από την εγκατάσταση σχετικών συστηµάτων [Jurinak, 1984]. Ως βασικό ερευνητικό ζήτηµα για την εξεταζόµενη τεχνολογία, και µε δεδοµένη την απουσία έτοιµων ολοκληρωµένων εµπορικών λύσεων, αναφέρεται η έλλειψη τεχνογνωσίας στο επίπεδο του σχεδιασµού και της υλοποίησης αντίστοιχων συστηµάτων [La et al, 2010; Henning 2007; Wurm et al, 2002; Waugaman et al, 1993]. Στο επίπεδο της υλοποίησης, αναφέρεται η επιδίωξη ανάπτυξης εργονοµικά σχεδιασµένων συστηµάτων, µε το µικρότερο δυνατό όγκο, τονίζοντας ότι η ενσωµάτωση των υποσυστηµάτων πρέπει να πραγµατοποιείται µε στόχο την ανάπτυξη λειτουργικού συνόλου το οποίο να αξιοποιεί στο µέγιστο τις δυνατότητες των επιµέρους στοιχείων. Όσον αφορά στο σχεδιασµό, απαραίτητη προϋπόθεση αποτελεί η ύπαρξη ενός αξιόπιστου και εύχρηστου εργαλείου µοντελοποίησης. Κυρίαρχο ζητούµενο στη µοντελοποίηση αποτελεί ο τροχός αφύγρανσης. Η χρήση των συντελεστών απόδοσης ως προς τις µεταβλητές συνδυασµένου δυναµικού F i µπορεί να οδηγήσει σε µια εύχρηστη και αξιόπιστη προσέγγιση, τονίζοντας ωστόσο ότι οι τιµές των δεικτών αυτών δεν παρέχονται Σελ.47

82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 από τον κατασκευαστή και είναι εξαιρετικά δύσκολο να υπολογιστούν από διαθέσιµα κατασκευαστικά και λειτουργικά στοιχεία. Οι πειραµατικές προσεγγίσεις σχετικά µε τη λειτουργία και την απόδοση συστηµάτων ΚΣΑΜ είναι περιορισµένες, και δεν εντοπίστηκαν εργασίες οι οποίες να αναφέρονται σε συστηµατική επιβεβαίωση αναλυτικού µοντέλου για πλήρες σύστηµα σε πειραµατική εγκατάσταση πραγµατικής κλίµακας. Στις εργασίες που παρουσιάστηκαν περιλαµβάνεται σηµαντικός αριθµός προσεγγίσεων στη βάση µοντέλου, οι οποίες εξετάζουν τη συµπεριφορά και την απόδοση συστηµάτων ΚΣΑΜ, και οι οποίες στην πλειοψηφία τους αναφέρονται σε σύνδεση µε ηλιακό σύστηµα. Η ανάλυση των παραµέτρων που επηρεάζουν την απόδοση των συστηµάτων εστιάζει στις συνθήκες περιβάλλοντος και στο επίπεδο απόδοσης των υποσυστηµάτων. Ενδιαφέρον θα παρουσίαζε προσέγγιση η οποία θα µελετούσε την επίπτωση από τη λειτουργία ή όχι των υγραντήρων, για διαφορετικές τιµές της θερµοκρασίας αναγέννησης, δεδοµένου ότι η χρήση των υγραντήρων επιδρά σηµαντικά στην ψυκτική ικανότητα των συστηµάτων. Ως βασικό ερευνητικό ζήτηµα για την ανάπτυξη αποτελεσµατικών και αποδοτικών συστηµάτων αναφέρεται αυτό της στρατηγικής ελέγχου [La et al, 2010; Henning 2007; Waugaman et al, 1993]. Ειδικότερα, αν και ζητούµενο του κλιµατισµού είναι η ρύθµιση τόσο της θερµοκρασίας όσο και της υγρασίας του χώρου, και η ρύθµιση αυτή αποτελεί δυνατότητα των εξεταζόµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ, είναι εξαιρετικά περιορισµένες οι προσεγγίσεις που προβλέπουν τη λήψη αποφάσεων µέσω της στρατηγικής ελέγχου όχι µόνο στη βάση της θερµοκρασίας αλλά και της υγρασίας του χώρου. Το γεγονός ότι τα εξεταζόµενα συστήµατα είναι πολυπαραµετρικά αυξάνει την πολυπλοκότητα του προβλήµατος. Επίσης παρουσιάζει ενδιαφέρον η διερεύνηση και αποτύπωση της επίδρασης στην προτεινόµενη στρατηγική και στη λειτουργία ενός συστήµατος ΚΣΑΜ της µεταβατικής συµπεριφοράς που εµφανίζουν οι υγραντήρες και ο τροχός, δεδοµένου ότι σε πραγµατική λειτουργία οι παράµετροι λειτουργίας αλλάζουν συνεχώς τιµές. Οι αναφορές στη βιβλιογραφία είναι επίσης εξαιρετικά περιορισµένες. Η δυνατότητα σύνδεσης των συστηµάτων µε ηλιακό πεδίο αυξάνει τις παραµέτρους λειτουργίας του συστήµατος και αποτελεί παράγοντα που θα πρέπει να ληφθεί υπόψη τόσο στο σχεδιασµό όσο και στην ανάπτυξη αποτελεσµατικών στρατηγικών ελέγχου, οι οποίες να επιτυγχάνουν τη βέλτιστη αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας σε συνδυασµό µε την κάλυψη των απαιτούµενων φορτίων. Σελ.48

83 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ανάπτυξη µοντέλου ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα 3.1 Εισαγωγή Το παρόν κεφάλαιο αφορά στην ανάπτυξη µοντέλου ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ, τόσο σε σταθερές όσο και σε µεταβαλλόµενες συνθήκες λειτουργίας. Η ανάπτυξη του συνολικού µοντέλου συνίσταται ουσιαστικά στην επιλογή και επικύρωση των κατάλληλων υφιστάµενων µοντέλων για το κάθε υποσύστηµα, καθώς και στην ενσωµάτωση τους στο συνολικό, ανάλογα µε τη θέση του κάθε υποσυστήµατος ως προς το πλήρες σύστηµα. Τα µοντέλα, τα οποία προκρίνονται για την πρόβλεψη της συµπεριφοράς των βασικών υποσυστηµάτων (τροχού αφύγρανσης, υγραντήρων, εναλλάκτη αέρα - αέρα) σε σταθερές συνθήκες λειτουργίας, βασίζονται σε υφιστάµενες προσεγγίσεις των φαινοµένων µεταφοράς µάζας και θερµότητας και αξιοποιούν τη σταθερή συµπεριφορά καθορισµένων δεικτών απόδοσης, σε συγκεκριµένο εύρος συνθηκών λειτουργίας. Η ικανότητα των µοντέλων να περιγράψουν τη λειτουργία των υποσυστηµάτων θα διερευνηθεί πειραµατικά σε επόµενο κεφάλαιο. Το µοντέλο δυναµικής λειτουργίας βασίζεται στο µοντέλο σταθερών συνθηκών, το οποίο προσαρµόζεται για την περίπτωση µεταβαλλόµενων συνθηκών σύµφωνα µε την εµπειρία από την πειραµατική διερεύνηση. Παράλληλα ενσωµατώνει κατάλληλες σχέσεις για την προσοµοίωση της λειτουργίας του ηλιακού συστήµατος και τον υπολογισµό των φορτίων κλιµατισµού του κτιρίου. 3.2 Μοντελοποίηση εναλλάκτη αέρα - αέρα Για τη µοντελοποίηση του εναλλάκτη αέρα - αέρα επιλέγεται η µέθοδος αποδοτικότητας - NTU. Ο βασικός λόγος είναι ότι η µέθοδος αυτή επιτρέπει την παραµετροποίηση των µεγεθών που υπεισέρχονται στην ανάλυση της λειτουργίας του εναλλάκτη σύµφωνα µε σχέσεις αντίστοιχες της εξ. 3.1α. Cmin η hx = f (NTU, ) C max (3.1α) όπου: Σελ.49

84 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - NTU : ο αριθµός των µονάδων µεταφοράς ( UA) NTU = (3.1β) C min - (UA) : ο συνολικός συντελεστής µεταφοράς θερµότητας - C min = min(c c, C h ), C max = max(c c, C h ) - C c : η θερµοχωρητική παροχή του ψυχρού ρεύµατος, εξ C h : η θερµοχωρητική παροχή του θερµού ρεύµατος, εξ. 2.2 Για την περίπτωση εναλλάκτη αντιρροής και για ίσες θερµοχωρητικές παροχές η εξ. 3.1α παίρνει τη µορφή: NTU η hx = (3.1γ) 1+ NTU Η αντίστοιχη καµπύλη παρουσιάζεται στο σχ ηhx Σχήµα Καµπύλες απόδοσης επίπεδου εναλλάκτη αέρα - αέρα [Kays and London, 1984] Παράλληλα, τέτοιου τύπου καµπύλες απόδοσης δίνονται και από τους κατασκευαστές, µε αποτέλεσµα να είναι ευκολότερη η σύγκριση και η διατύπωση συµπερασµάτων για τη λειτουργία του εναλλάκτη, όπως θα επιχειρηθεί και κατά την πειραµατική διερεύνηση. Από τις καµπύλες απόδοσης του εναλλάκτη συνάγεται ότι η απόδοσή του παρουσιάζεται εν γένει µεταβαλλόµενη σε σχέση µε τις παροχές του ρευστού, αν και η µεταβολή της σε συγκεκριµένο εύρος παροχής ενδέχεται να είναι ιδιαίτερα χαµηλή. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι ο συντελεστής απόδοσης δεν εµφανίζει εξάρτηση από τη θερµοκρασιακή περιοχή λειτουργίας του εναλλάκτη, ως αποτέλεσµα της µη εξάρτησης του συνολικού συντελεστή µεταφοράς θερµότητας (UA) από τη θερµοκρασία. Στις διάφορες εφαρµογές, είναι επιθυµητό ο εναλλάκτης αέρα - αέρα να λειτουργεί σε αντίστοιχη περιοχή όπου ο βαθµός απόδοσης παρουσιάζει όσο το δυνατόν σταθερή συµπεριφορά. Σελ.50

85 Ανάπτυξη µοντέλου ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Κατά την πειραµατική διερεύνηση θα εξεταστεί η ισχύς της υπόθεσης σταθερής τιµής του συντελεστή απόδοσης σε ικανοποιητικό εύρος συνθηκών ροής σε σχέση µε τις εφαρµογές κλιµατισµού και θα προσδιοριστεί πειραµατικά η τιµή του. Παράλληλα, θα πραγµατοποιηθεί σύγκριση της πειραµατικά προσδιοριζόµενης τιµής µε τιµές που προκύπτουν από την καµπύλη απόδοσης που προτείνει ο κατασκευαστής. Ο συντελεστής απόδοσης θα υπολογιστεί σύµφωνα µε τις εξ. 2.1α και 2.1β. Ειδικότερα για την περίπτωση που θα µελετηθεί, η οποία προβλέπει ίδια παροχή και στα δύο ρεύµατα του εναλλάκτη, οι εξ. 2.1α, 2.1β απλοποιούνται ως εξής: ή th, in th, out η hx = (3.2α) t t t h, in t c, in c, out c, in η hx = (3.2β) th, in tc, in όπου: - t h,in : η θερµοκρασία εισόδου του θερµού ρεύµατος ρευστού [ ο C] - t c,in : η θερµοκρασία εισόδου του ψυχρού ρεύµατος ρευστού [ ο C] - t h,out : η θερµοκρασία εξόδου του θερµού ρεύµατος ρευστού [ ο C] - t c,out : η θερµοκρασία εξόδου του ψυχρού ρεύµατος ρευστού [ ο C] Οι σχέσεις αυτές ισχύουν υπό την παραδοχή ότι οι θερµοχωρητικότητες των δύο ρευµάτων είναι ίσες. Με δεδοµένο ότι οι τιµές της µέσης θερµοκρασίας κατά µήκος του εναλλάκτη για τα δύο ρεύµατα είναι αρκετά κοντά, µπορεί να υιοθετηθεί η παραδοχή αυτή. Κατά την πειραµατική ανάλυση θα διερευνηθεί κατά πόσο οι τιµές του συντελεστή απόδοσης που προκύπτουν από τις εξ. 3.2α και 3.2β είναι ίσες. Όπως σηµειώθηκε και στην 2.4.2, η ισότητα αυτή συνδέεται µε την ισχύ της υπόθεσης αµελητέων θερµικών απωλειών προς το περιβάλλον. Αξίζει να σηµειωθεί ότι κατά τη λειτουργία ενός εναλλάκτη, η ισότητα των τιµών που προκύπτουν από τις εξ. 3.2α, 3.2β είναι δυνατό να υποδηλώνει και την περίπτωση ίσων απωλειών θερµότητας των δύο ρευµάτων προς το περιβάλλον. 3.3 Μοντελοποίηση υγραντήρα Σύµφωνα µε την προσέγγιση των Camargo et al (2005) που συζητήθηκε στο προηγούµενο κεφάλαιο, ο συντελεστής απόδοσης του υγραντήρα ως προς τη θερµοκρασία (εξ. 2.3α) εµφανίζει εξάρτηση από το συντελεστή µεταφοράς θερµότητας, και ειδικότερα από την Σελ.51

86 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 παροχή του αέρα η οποία επιδρά στις συνθήκες συναγωγής, ενώ είναι ανεξάρτητος από τις συνθήκες θερµοκρασίας και υγρασίας (εξ. 2.3β). Η σχέση που περιγράφει την εξάρτηση αυτή είναι εκθετικού τύπου, ανάλογη αυτής που ισχύει και για τους συµβατικούς εναλλάκτες θερµότητας. Συνεπώς, και στην περίπτωση του υγραντήρα, είναι δυνατό, σε συγκεκριµένη περιοχή λειτουργίας, ο συντελεστής απόδοσης ως προς τη θερµοκρασία να παρουσιάζει σταθερή τιµή. Όπως αναλύθηκε στο προηγούµενο κεφάλαιο, ο αναλυτικός προσδιορισµός του συντελεστή απόδοσης ως προς τη θερµοκρασία είναι σχετικά δύσκολος, καθώς δεν είναι διαθέσιµα τα απαιτούµενα τεχνικά χαρακτηριστικά της διάταξης [Camargo et al, 2005]. Για τις ανάγκες της παρούσας έρευνας, ο προσδιορισµός της απόδοσης του υγραντήρα ως προς τη θερµοκρασία (εξ. 2.3α) και την υγρασία (εξ. 2.5) θα γίνει πειραµατικά, σε ικανοποιητικό εύρος συνθηκών ροής σε σχέση µε τις εφαρµογές κλιµατισµού, οι οποίες (συνθήκες) περιλαµβάνουν την παροχή, τη θερµοκρασία και την απόλυτη υγρασία του ρεύµατος αέρα. Η διερεύνηση της υπόθεσης σταθερής τιµής του συντελεστή απόδοσης θα απλοποιήσει σηµαντικά την προσέγγιση για τον υγραντήρα. Παράλληλα θα διερευνηθεί η ακρίβεια της παραδοχή διατήρησης σταθερής τιµής για τη θερµοκρασία υγρού βολβού διαµέσου του υγραντήρα. Τα αποτελέσµατα της πειραµατικής έρευνας για το συντελεστή απόδοσης θα συγκριθούν µε τις αντίστοιχες τιµές που δίνει ο κατασκευαστής. 3.4 Μοντελοποίηση τροχού αφύγρανσης ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΩΝ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΥΝ ΥΑΣΜΕΝΟΥ ΥΝΑΜΙΚΟΥ Σύµφωνα µε τη φυσική σηµασία που δόθηκε στις γραµµές σταθερών τιµών F i (σχ. 2.8), µπορεί να διατυπωθεί ότι ο συντελεστής απόδοσης η F δίνει ποιοτική πληροφορία για το 1 βαθµό κατά τον οποίο η διεργασία προσεγγίζει την αδιαβατική µεταβολή, ενώ ο συντελεστής απόδοσης η F σχετίζεται µε το βαθµό αφύγρανσης. Οι οριακές τιµές ( η 2 F, 1 ) = (0, 1) αντιστοιχούν στην ιδανική διεργασία για τη δεδοµένη διάταξη, τη γεωµετρία η F 2 και τις συνθήκες λειτουργίας, η οποία είναι αδιαβατική µε επίτευξη του µέγιστου θεωρητικού επίπεδου αφύγρανσης. Τονίζεται όµως ότι η πληροφορία που δίνεται από τους συντελεστές απόδοσης δεν µπορεί να αξιοποιηθεί απ ευθείας για να χαρακτηρίσει το βαθµό κατά τον οποίο η διεργασία προσεγγίζει την αδιαβατική µεταβολή ή να χαρακτηρίσει το βαθµό αφύγρανσης. Για το σκοπό αυτό είναι απαραίτητη η ύπαρξη σχέσεων για τα F i, όπως αυτές του Jurinak (εξ. 2.9α, 2.9β). Στο σχ. 3.2, παρουσιάζεται η απόδοση εναλλάκτη ηµι-άµεσης µεταφοράς θερµότητας περιστρεφόµενου τύπου, συναρτήσει της αδιάστατης ταχύτητας περιστροφής C r,j. Σελ.52

87 Ανάπτυξη µοντέλου ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα ηhx C r,min / C r,max Αδιάστατη ταχύτητα περιστροφής, C r,j Σχήµα Καµπύλες απόδοσης εναλλάκτη αέρα - αέρα ηµι-άµεσης µεταφοράς θερµότητας περιστρεφόµενου τύπου [Bharathan et al, 1987; Maclaine-Cross, 1974] Στον πιν. 3.1 παρουσιάζεται η αντιστοιχία παραµέτρων που υπάρχει, σύµφωνα µε τη θεωρία αναλογίας, µεταξύ εναλλάκτη περιστρεφόµενου τύπου και τροχού αφύγρανσης [Banks, 1985a; Jurinak, 1984]: Περίπτωση εναλλάκτη θερµότητας περιστρεφόµενου τύπου t F i, i = 1,2 η, i = 1,2 η hx NTU σ C m σ jτ Περίπτωση τροχού αφύγρανσης d d r, j = r, ij = γ ij m& air, m& air, jτ Fi NTU t =NTU w =NTU (ισχύει η συνθήκη του Lewis) γ ij C m C r,min /C r,max C r,i,min /C r,i,max Πίνακας Αντιστοιχία παραµέτρων ανάλυσης προβλήµατος εναλλάκτη αέρα - αέρα περιστρεφόµενου τύπου και τροχού αφύγρανσης [Banks, 1985a; Jurinak, 1984] όπου: - t : θερµοκρασία [ ο C] - F i : µεταβλητές συνδυασµένου δυναµικού, i = 1,2 [-] - η hx : συντελεστής απόδοσης εναλλάκτη θερµότητας [-] - η F : ο συντελεστής απόδοσης του τροχού αφύγρανσης ως προς τις µεταβλητές i συνδυασµένου δυναµικού F i [-] Σελ.53

88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - NTU : ο αριθµός των µονάδων µεταφοράς [-] - NTU t : ο αριθµός των µονάδων µεταφοράς θερµότητας στον αφυγραντικό τροχό [-] - NTU w : ο αριθµός των µονάδων µεταφοράς µάζας στον αφυγραντικό τροχό [-] - σ : o λόγος της ειδικής θερµοχωρητικότητας του πλαισίου του εναλλάκτη προς την ειδική θερµοχωρητικότητα αέριου ρεύµατος [-] - γ ij : specific capacity ratio, το ανάλογο µέγεθος για την περίπτωση συνδυασµένης µεταφοράς µάζας και θερµότητας στον αφυγραντικό τροχό µε το µέγεθος της θερµοχωρητικότητας σ για την περίπτωση της µεταφοράς θερµότητας [-] - C r,j : αδιάστατη ταχύτητα περιστροφής εναλλάκτη θερµότητας ηµι-άµεσης µεταφοράς θερµότητας για το ρεύµα προσαγωγής (j = 1) ή απαγωγής (j = 2) [-] - C r,ij : αδιάστατη ταχύτητα περιστροφής τροχού αφύγρανσης αναφορικά µε τη µεταβλητή δυναµικού F i για το ρεύµα προσαγωγής (j = 1) ή απαγωγής (j = 2) [-] - m d : η θερµική µάζα του εναλλάκτη ή του αφυγραντικού υλικού του τροχού αφύγρανσης αντίστοιχα [kg] - m air, j & : η παροχή του αέριου ρεύµατος προσαγωγής ή απαγωγής [kg/s] - τ : περίοδος περιστροφής εναλλάκτη ή τροχού αφύγρανσης [s] - C r,min, C r,max : ελάχιστη και µέγιστη τιµή µεταξύ των C r,j - C r,i,min, C r,i,,max : ελάχιστη και µέγιστη τιµή µεταξύ των C r,ij Η εφαρµογή της θεωρίας αναλογίας απαιτεί τον υπολογισµό του µεγέθους γ ij. Το µέγεθος γ ij αποτελεί συνάρτηση των θερµικών και προσροφητικών ιδιοτήτων του ρευστού και του πλαισίου του τροχού, και στη γενική περίπτωση η τιµή του παρουσιάζει εξάρτηση από τη θερµοκρασία και υγρασία του αέρα [Banks, 1972]. Ο υπολογισµός του γ ij εµφανίζει δυσχέρειες, καθώς απαιτεί ολοκλήρωση των µεταβλητών συνδυασµένου δυναµικού F i σε όλο το εύρος των συνθηκών της διεργασίας της αφύγρανσης. Στη βιβλιογραφία προτείνονται προσεγγίσεις αριθµητικής ολοκλήρωσης [Banks, 1985b; Jurinak, 1982; Maclaine-Cross, Βanks, 1972]. Επιχειρώντας να διερευνηθεί η συµπεριφορά των συντελεστών απόδοσης η F, σύµφωνα µε i την αναλογία µεγεθών του πιν. 3.1, για συγκεκριµένο τροχό και δεδοµένη τιµή για την παροχή και την ταχύτητα περιστροφής, ο όρος γ ij αποτελεί τη µοναδική µεταβαλλόµενη παράµετρο η οποία επιδρά στην αδιάστατη ταχύτητα περιστροφής. Για συγκεκριµένο εύρος συνθηκών λειτουργίας, θα µπορούσε να θεωρηθεί ότι οι τιµές των γ ij δεν µεταβάλλονται σηµαντικά. Σχετική προσέγγιση [Stabat and Marchio, 2008] προτείνει τη χρήση µιας µέσης τιµής για τους όρους γ ij, όπως αυτή προκύπτει από το εύρος των τιµών που είναι δυνατό να παρουσιασθεί για τις συνθήκες λειτουργίας. Οι συγγραφείς δικαιολογούν την προσέγγιση αυτή δεδοµένου ότι το µοντέλο που προτείνουν δεν εµφανίζει ισχυρή εξάρτηση από τις τιµές της παραµέτρου αυτής. Στην περίπτωση λοιπόν όπου ο όρος γ ij παρουσιάζει σταθερή τιµή, η αδιάστατη ταχύτητα περιστροφής C r,ij και κατ επέκταση, σύµφωνα µε το σχ. 3.2, οι Σελ.54

89 Ανάπτυξη µοντέλου ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα τιµές απόδοσης ως προς τις µεταβλητές συνδυασµένου δυναµικού µπορούν να θεωρηθούν σταθερές, και ο υπολογισµός τους απλοποιείται σηµαντικά. Αν µεταβληθεί η παροχή (ή η ταχύτητα περιστροφής), τότε για τις συνήθεις τιµές των C 11 και C 21 που εµφανίζονται στη βιβλιογραφία [Neti and Wolfe, 2000; Jurinak, 1982], η απόδοση η F φαίνεται να βρίσκεται στη γραµµική περιoχή λειτουργίας (σχ. 3.2), 1 παρουσιάζοντας συνεπώς γραµµική εξάρτηση από την παροχή. Σηµειώνεται ότι οι τιµές του η F που εµφανίζονται στις σχετικές εφαρµογές είναι µικρότερες του 0.3. Αντίστοιχη 1 ανάλυση για το συντελεστή η F επιτρέπει την υιοθέτηση της παραδοχής σταθερής τιµής 2 για αυτόν. Σύµφωνα µε την ανάλυση που µόλις παρουσιάστηκε, ο αναλυτικός υπολογισµός των η F, 1 η F 2 δείχνει να απαιτεί µια σχετικά πολύπλοκη διαδικασία. Το πρόβληµα θα απλοποιούνταν σηµαντικά, αν ίσχυε η υπόθεση σταθερών τιµών για τους συντελεστές αυτούς, ανεξάρτητα από τις συνθήκες λειτουργίας. Αν και µια τέτοια υπόθεση δεν επιβεβαιώνεται ευθέως από τη θεωρητική ανάλυση που πραγµατοποιήθηκε, διαφάνηκε ότι για συγκεκριµένο εύρος των συνθηκών λειτουργίας ενδέχεται οι συντελεστές να µη µεταβάλλονται σηµαντικά, ή αντίστροφα είναι δυνατό να εντοπιστεί περιοχή λειτουργίας για την οποία οι συντελεστές να µη µεταβάλλονται σηµαντικά ΠΡΟΤΑΣΗ ΓΙΑ ΜΙΑ ΑΠΛΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΤΡΟΧΟΥ ΑΦΥΓΡΑΝΣΗΣ Στη συνέχεια της εργασίας (βλέπε 4.5.1), θα διερευνηθεί πειραµατικά η ισχύς της υπόθεσης σταθερής συµπεριφοράς των συντελεστών απόδοσης ως προς τις µεταβλητές συνδυασµένου δυναµικού, για ένα εύρος συνθηκών λειτουργίας που να καλύπτει τις συνήθεις εφαρµογές κλιµατισµού, αξιοποιώντας τις συναρτήσεις συνδυασµένου δυναµικού που προτάθηκαν αρχικά από τον Jurinak (1982). Οι συνθήκες λειτουργίας περιλαµβάνουν τη θερµοκρασία, υγρασία και παροχή αέρα, και αναφέρονται σε ίσες παροχές των δύο ρευµάτων και σταθερή ταχύτητα περιστροφής. Η επιβεβαίωση ότι η υπόθεση αυτή ισχύει, θα καταστήσει δυνατή τη χρήση ενός απλού µοντέλου για τον τροχό αφύγρανσης (εξ. 2.9, 2.10), επιτρέποντας τον υπολογισµό των αποδόσεων ως προς τις µεταβλητές συνδυασµένου δυναµικού µέσω περιορισµένου αριθµού µετρήσεων. Ταυτόχρονα θα βελτιώσει τα βασικά δεδοµένα που χρησιµοποιούνται από το TRNSYS για τις τιµές των παραµέτρων απόδοσης. Σελ.55

90 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ανάπτυξη µοντέλου λειτουργίας συστήµατος ΚΣΑΜ σε σταθερές συνθήκες λειτουργίας ΒΑΣΙΚΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ Το µοντέλο του πλήρους συστήµατος αποτελείται από τα επιµέρους µοντέλα των κύριων υποσυστηµάτων και πιο συγκεκριµένα του τροχού αφύγρανσης, του εναλλάκτη αέρα - αέρα και του ή των υγραντήρων. Η ενσωµάτωση των επιµέρους µοντέλων γίνεται ανάλογα µε τη θέση των αντίστοιχων υποσυστηµάτων στη συνολική διάταξη. Στο σχ. 3.3 παρατίθεται σκαρίφηµα του συστήµατος στο οποίο αναφέρεται το µοντέλο. Σηµειώνονται οι θέσεις εισόδου και εξόδου των υποσυστηµάτων, οι οποίες αποτελούν ταυτόχρονα και θέσεις υπολογισµού των µεγεθών που υπεισέρχονται στο µοντέλο. Η αρίθµηση των θέσεων υποδηλώνεται ως δείκτης ip στις εξισώσεις που παρατίθενται στη συνέχεια. Πρέπει να σηµειωθεί ότι αν και οι θέσεις 2 και 3 λειτουργικά ταυτίζονται, χρησιµοποιήθηκε διαφορετικός συµβολισµός λόγω της ιδιαίτερης σηµασίας που έχει ο τροχός για το συνολικό σύστηµα. Υγραντήρας Αφυγραντικός τροχός 2 1 Προσαγωγή Κτίριο Απαγωγή Περιβάλλον Υγραντήρας Εναλλάκτης αέρα - αέρα Θερµική πηγή Σχήµα Εξεταζόµενο σύστηµα ΚΣΑΜ Το σύστηµα λειτουργεί σε κύκλο πλήρους ανανέωσης αέρα και θεωρείται ισοσταθµισµένο από πλευράς παροχής. Οι βασικές σχέσεις, σύµφωνα και µε τα επιλεγόµενα µοντέλα των υποσυστηµάτων, είναι οι εξής: Τροχός αφύγρανσης: wip F 1, = ( ) 1000 ip (3.3α) tip ( t ) w ip ip F 2, = ip (3.3β) Σελ.56

91 Ανάπτυξη µοντέλου ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα - - F F η = (3.4α) 1,2 1,1 F1 F1,9 F1,1 F F η = (3.4β) 2,2 2,1 F2 F2,9 F2,1 - t1 t2 = t10 t9 (3.5α) - w1 w2 = w10 w9 (3.5β) όπου: - F 1,ip : η τιµή της µεταβλητής συνδυασµένου δυναµικού F 1 στις θέσεις ip = 1,2,9 (σχ. 3.3) [-] - F 2,ip : η τιµή της µεταβλητής συνδυασµένου δυναµικού F 2 στις αντίστοιχες θέσεις ip [-] - t ip : η θερµοκρασία του ρεύµατος αέρα στις αντίστοιχες θέσεις ip [ o C] - w ip : η απόλυτη υγρασία του ρεύµατος αέρα στις αντίστοιχες θέσεις ip [g/kg] - η F : ο συντελεστής απόδοσης του τροχού ως προς τη µεταβλητή συνδυασµένου 1 δυναµικού F 1 [-] - η F 2 : ο συντελεστής απόδοσης του τροχού ως προς τη µεταβλητή συνδυασµένου δυναµικού F 2 [-] Οι σχέσεις 3.5α και 3.5β βασίζονται στην υπόθεση µηδενικών απωλειών θερµότητας και υγρασίας από τον ισοσταθµισµένο τροχό αφύγρανσης προς το περιβάλλον. εδοµένου ότι τα σηµεία 2 και 3 λειτουργικά ταυτίζονται: - t 2 = t3 (3.6α) - w 2 = w3 (3.6β) Εναλλάκτης αέρα - αέρα: - t t = nhx t ) (3.7α) 3 4 ( 3 t7 - t3 t4 = t8 t7 (3.7β) όπου η hx ο συντελεστής ενεργειακής απόδοσης του εναλλάκτη. H σχέση (3.6β) βασίζεται στην υπόθεση µηδενικών απωλειών θερµότητας του ισοσταθµισµένου εναλλάκτη προς το περιβάλλον. Υγραντήρας: ip 1 ip hum( ip wb, ip - t t + = a n t t ) (3.8α) ip - wb, ip = twb, ip+ 1 t (3.8β) Σελ.57

92 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 όπου: - ip = 4 για τον υγραντήρα προσαγωγής, ip = 6 για τον υγραντήρα απαγωγής - η hum : ο συντελεστής απόδοσης του υγραντήρα [-] - t wb,ip : η θερµοκρασία υγρού βολβού του ρεύµατος αέρα στις αντίστοιχες θέσεις ip [ o C] - a ip : το ποσοστό λειτουργίας του υγραντήρα. Θεωρητικά ο συντελεστής a ip µπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιµή µεταξύ 0 (µη λειτουργία) και 1 (πλήρης λειτουργία), αν και στην πράξη, τουλάχιστον για την τεχνολογία υγραντήρων που χρησιµοποιήθηκε, παίρνει µόνο τις ακραίες τιµές 0 ή 1. Θερµική ενεργειακή πηγή αναγέννησης - t 9 = ct. (3.9α) - w 8 = w9 (3.9β) Η θερµοκρασία του ρεύµατος αναγέννησης µπορεί να πάρει οποιαδήποτε σταθερή τιµή στο διάστηµα ο C, τιµή που θεωρείται γνωστή για τις ανάγκες της προσοµοίωσης, δεδοµένου ότι ο έλεγχος της παρεχόµενης θερµότητας γίνεται µε κριτήριο την επίτευξη µιας δεδοµένης τιµής της θερµοκρασίας αυτής. Οι τιµές του διαστήµατος αυτού, χωρίς να είναι περιοριστικές για την προσοµοίωση, θεωρούνται ρεαλιστικές για σύνδεση µε θερµικό ηλιακό σύστηµα στο οποίο χρησιµοποιούνται οι ευρέως διαδεδοµένοι επίπεδοι συλλέκτες και είναι συµβατές µε τις συνιστώµενες θερµοκρασίες αναγέννησης του υλικού αφύγρανσης. Η σύνδεση του συστήµατος µε ηλιακή πηγή ενέργειας και η λειτουργία του συστήµατος παραγωγής και παροχής θερµότητας, θα αντιµετωπιστεί σε επίπεδο µοντέλου στα πλαίσια της δυναµικής προσοµοίωσης. Στο σχ. 3.4, παρουσιάζεται το διάγραµµα ροής της πληροφορίας για το µοντέλο σταθερής λειτουργίας, µε αναφορά στις χρησιµοποιούµενες εξισώσεις και στις εµπλεκόµενες µεταβλητές. Κτίριο t 5, w 5 t 6, w 6 Υγραντήρας Εξ. 3.8α, 3.8β Υγραντήρας Εξ. 3.8α, 3.8β t 4, w 4 Εναλλάκτης αέρα αέρα t 3, w 3 Ταύτιση θέσεων 2,3 Εξ. 3.6α, 3.6β t 7, w 7 Εξ. 3.7α, 3.7β t 8, w 8 Θερµική πηγή Εξ. 3.9α, 3.9β t 2, w 2 Αφυγραντικός t 1, w 1 Τροχός Εξ. 3.3α, 3,3β t 9, w 9 Εξ. 3.4α, 3.4β Εξ.3.5α, 3.5β t 10, w 10 Περιβάλλον Σχήµα ιάγραµµα ροής της πληροφορίας για το µοντέλο σταθερής λειτουργίας συστήµατος ΚΣΑΜ Σελ.58

93 Ανάπτυξη µοντέλου ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Οι τιµές των συντελεστών απόδοσης των υποσυστηµάτων ( η F, η 1 F2, η hum, η hx ) oι οποίοι υπεισέρχονται στις εξ. 3.4α, 3.4β, 3.7α και 3.8α µπορούν να προσδιοριστούν είτε πειραµατικά, είτε από τα τεχνικά χαρακτηριστικά που παρέχονται από τους κατασκευαστές. Για τις ανάγκες της παρούσας ανάλυσης χρησιµοποιούνται δύο σειρές τιµών, οι οποίες αποτελούνται από τιµές που προσδιορίζονται πειραµατικά (βλέπε Κεφ. 4), καθώς και από τιµές που θεωρείται ότι αντιστοιχούν σε απόδοση η οποία προσεγγίζει την ιδανική και αναφέρεται στη συνέχεια της ανάλυσης ως βέλτιστη (βλέπε Κεφ. 5) ΜΕΘΟ ΟΣ ΕΠΙΛΥΣΗΣ Για τον προσδιορισµό των τιµών t ip της θερµοκρασίας και w ip της απόλυτης υγρασίας στις διάφορες θέσεις ip του συστήµατος, ip=1 10 (βλ. σχ. 3.3), θα πρέπει να καταστρωθεί αντίστοιχο σύστηµα εξισώσεων. Το σύστηµα εξισώσεων είναι 20x20, αποτελείται από τις εξ , και συµπληρώνεται από τις σχέσεις που αναφέρονται στις γνωστές συνθήκες του περιβάλλοντος (t 1, w 1 ) και του αέρα επιστροφής από το κτίριο (t 6, w 6 ). Το σύστηµα δεν είναι γραµµικό, λόγω της µη γραµµικότητας του µοντέλου του τροχού, µε αποτέλεσµα να µην είναι δυνατή η απευθείας επίλυση του. Για το λόγο αυτό, εξαιρούνται οι σχέσεις του τροχού από το σύστηµα εξισώσεων. Η αναπλήρωση των σχέσεων του τροχού στο σύστηµα γίνεται µε την εισαγωγή υπόθεσης γνωστής τιµής για δύο εκ των αγνώστων θερµοκρασιών του συστήµατος (t iter,a, t iter,b ). Το νέο σύστηµα είναι γραµµικό και λύνεται εύκολα µε τη χρήση πινάκων. Από την επίλυση του γραµµικού συστήµατος προκύπτουν οι τιµές των µεγεθών θερµοκρασίας (t 2,lin ) και απόλυτης υγρασίας (w 2,lin ) στην έξοδο του τροχού στο ρεύµα προσαγωγής. Οι τιµές αυτές συγκρίνονται µε τις τιµές των αντίστοιχων µεγεθών (t 2,des, w 2, des ) στην ίδια θέση που προκύπτουν από την παράλληλη, ανεξάρτητη επίλυση του µοντέλου του τροχού (εξ. 3.3, 3.4). Κατά την εφαρµογή τoυ µοντέλου του τροχού, οι απαιτούµενες συνθήκες περιβάλλοντος είναι φυσικά γνωστές, όπως και η θερµοκρασία αναγέννησης, ενώ η υγρασία αναγέννησης προκύπτει από την επίλυση του γραµµικού συστήµατος. Αν οι τιµές των µεγεθών t 2,des - t 2,lin και w 2,des - w 2,lin διαφέρουν, τότε µεταβάλλεται επαναληπτικά η υιοθετούµενη τιµή των t iter,a, t iter,b µέχρις ότου επέλθει σύγκλιση. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι η επιλογή των µεγεθών t iter,a, t iter,b εξαρτάται από την µορφή του προβλήµατος και ειδικότερα από το αν είναι γνωστό ή όχι το ποσοστό λειτουργίας των υγραντήρων. Στην περίπτωση που αυτό είναι γνωστό (βλέπε 5.2.2) θεωρείται t iter,a = t 4, t iter,b = t 5, ενώ αν δεν είναι γνωστό (βλέπε 5.2.3) θεωρείται t iter,a = t 4, t iter,b = t 7. Σελ.59

94 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Για την επίλυση του συστήµατος των εξ χρησιµοποιείται το λογισµικό Matlab ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΜΕΓΕΘΩΝ ΥΓΡΑΣΙΑΣ, ΘΕΡΜΟΦΥΣΙΚΩΝ Ι ΙΟΤΗΤΩΝ Οι σχέσεις για τον υπολογισµό των µεγεθών υγρασίας, αναφέρονται στο Παράρτηµα ΙΙ. Οι θερµοφυσικές ιδιότητες των ρευστών, και ειδικότερα η πυκνότητα, η ειδική θερµοχωρητικότητα καθώς και η ενθαλπία εξάτµισης του νερού, οι οποίες υπεισέρχονται στην ανάλυση των διεργασιών του αέρα στα ρεύµατα προσαγωγής και απαγωγής, καθώς και στην ανάλυση των διεργασιών των ρευµάτων νερού και αέρα στο ηλιακό σύστηµα, υπολογίστηκαν σύµφωνα µε γνωστές σχέσεις στατιστικής προσαρµογής των πινακοποιηµένων τιµών των θερµοφυσικών ιδιοτήτων [ASHRAE, 2001; Ασσαέλ κα. 1997]. Για τον υγρό αέρα υιοθετήθηκαν οι θερµοφυσικές ιδιότητες του ξηρού αέρα. Σχετική ανάλυση του πιθανού σφάλµατος έδειξε ότι αυτό είναι µικρότερο του 1%. 3.6 Μοντελοποίηση ηλιακού συστήµατος ΗΛΙΑΚΟΣ ΣΥΛΛΕΚΤΗΣ Η ωφέλιµη ισχύς του συλλέκτη, σε σταθερή κατάσταση λειτουργίας, είναι δυνατό να εκφραστεί ως εξής [Μπελεσιώτης κ.α., 2004; Duffie and Beckmann, 1991]: Q u = A F S U ( t t )] (3.10α) c R[ L i a ή Q A F G( ) U ( t t )] u c R[ ef L i a = τα (3.10β) όπου: - Q u : η ωφέλιµη ισχύς του συλλέκτη [W] - A c : η επιφάνεια καλύµµατος [m 2 ] - F R : ο συντελεστής θερµικής απολαβής [-] - S : η ωφέλιµη ακτινοβολία στο συλλέκτη [W/m 2 ] - G : η προσπίπτουσα ακτινοβολία στο συλλέκτη [W/m 2 ] - (τα) ef : ο συντελεστής οπτικής απόδοσης [-] - U L : ο συντελεστής θερµικών απωλειών [W/(m 2 K)] - t i : η θερµοκρασία εισόδου του ρευστού µεταφοράς θερµότητας στο συλλέκτη [ o C] - t α : η θερµοκρασία περιβάλλοντος [ o C] Σελ.60

95 Ανάπτυξη µοντέλου ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Το πλέον χαρακτηριστικό µέγεθος που καθορίζει τη θερµοϋδραυλική συµπεριφορά του συλλέκτη είναι ο συντελεστής απόδοσης η col, ο οποίος ορίζεται ως ο λόγος της ωφέλιµης ισχύος του συλλέκτη προς την προσπίπτουσα ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνειά του: Qu n col= (3.11) A G c Σύµφωνα λοιπόν µε τις εξ. 3.10, 3.11, προκύπτει για την απόδοση ενός επίπεδου ηλιακού συλλέκτη: n όπου: col t i ta ) = no U col ( ) (3.12) G n = (τα) (3.13α) o F R col R L ef U = F U (3.13β) Ο όρος F R (τα) ef περιγράφει την ικανότητα απορρόφησης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, για αυτό και ο όρος η o αναφέρεται και ως οπτική απόδοση, και εκφράζει τη µέγιστη δυνατή απόδοση του συλλέκτη για τις συγκεκριµένες συνθήκες. Ο όρος F R U L εκφράζει τις θερµικές απώλειες ανά µονάδα επιφάνειας του συλλέκτη. H εξίσωση της απόδοσης µπορεί να αναπτυχθεί και βάσει της µέσης θερµοκρασίας του συλλέκτη t m, οπότε και οι αντίστοιχοι όροι των εξ. 3.13α, 3.13β είναι F'(τα) ef και F'U L. Οι παραπάνω όροι συνθέτουν το απλούστερο µοντέλο συλλέκτη (διπαραµετρικό), το οποίο ισχύει για κάθετη πρόσπτωση. Στην περίπτωση αλλαγής γωνίας πρόσπτωσης, προστίθεται άλλη µία παράµετρος, αυτή του συντελεστή γωνίας πρόσπτωσης [Duffie and Beckmann, 1991]. Συνεπώς σε ένα συλλέκτη, οι βασικοί συντελεστές που προσδιορίζουν τη λειτουργία του είναι: - το ενεργό γινόµενο διαπερατότητας - απορροφητικότητας (τα) ef, - ο συντελεστής θερµικών απωλειών U L, - ο συντελεστής απόδοσης συλλέκτη F' ή θερµικής απολαβής F R. Οι συντελεστές της εξ µπορούν να υπολογιστούν είτε αναλυτικά είτε πειραµατικά. Για τις ανάγκες της συγκεκριµένης εργασίας, χρησιµοποιήθηκαν συντελεστές που Σελ.61

96 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 χαρακτηρίζουν έναν επίπεδο ηλιακό συλλέκτη (βλέπε ), όπως έχουν προκύψει από την εµπειρία από την εγκατάσταση δοκιµών του ΕΗ-ΕΣ, ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ ΕΞΑΜΕΝH ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ Η εργασία υιοθετεί την µονοδιάστατη προσέγγιση του Close (1966), η οποία είναι σχετικά απλή στην εφαρµογή της, ενώ παράλληλα δίνει τη δυνατότητα αποτύπωσης µιας ρεαλιστικής απεικόνισης του διαστρωµατωµένου θερµοκρασιακού πεδίου της δεξαµενής. Το µοντέλο αυτό υιοθετείται και από το λογισµικό TRNSYS [Duffie and Beckmann, 1991; Klein, 1980]. Στην προσέγγιση αυτή, θεωρείται ότι στο ρευστό της δεξαµενής δηµιουργούνται Ν διακριτά οριζόντια τµήµατα, ο αριθµός των οποίων ουσιαστικά υποδηλώνει το βαθµό διαστρωµάτωσης. Για την οριακή περίπτωση, όπου Ν = 1, η δεξαµενή θεωρείται πλήρως αναµεµιγµένη. Σχήµα ιαστρωµατωµένη δεξαµενή αποθήκευσης θερµότητας [TRNSYS, 2004] Οι βασικές εξισώσεις του µοντέλου, σύµφωνα µε τη διάταξη που περιγράφεται στο σχ. 3.5 και προβλέπει τη χρήση εξωτερικού εναλλάκτη τόσο φορτίου όσο και θερµικής πηγής, είναι οι ακόλουθες: m c i p dt dτ ( th ti ) + βim& Lc p ( tl ti ) + UAi ( t ti ) + δ auxqaux α & (3.14α) i = imhc p a ( t i t i ) c p γ αν γ i >0 (3.14β) + i 1 i ( i t i ) c p + γ αν γ i <0 (3.14γ) t + 1 Σελ.62

97 Ανάπτυξη µοντέλου ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα όπου: - m i : η µάζα του µέσου αποθήκευσης θερµότητας εµπεριεχοµένου στο τµήµα i [kg] - c p : η ειδική θερµοχωρητικότητα µέσου αποθήκευσης θερµότητας [J kg -1 K -1 ] - i : δείκτης, υποδηλώνει το οριζόντιο τµήµα δεξαµενής, i = 1 N - τ : ο χρόνος [s] - t i : η θερµοκρασία του ρευστού του τµήµατος i [ o C] - m& h : η παροχή του ρευστού εισόδου από την πηγή θερµότητας [kg/s] - m& L : η παροχή του ρευστού εισόδου από το φορτίο [kg/s] - t h : η θερµοκρασία του προερχόµενου από τη θερµική πηγή (ηλιακό πεδίο) ρευστού [ o C] - t L : η θερµοκρασία του προερχόµενου από το φορτίο ρευστού [ o C] - α i, i = 1 N : συνάρτηση ελέγχου ρευστού σχετιζόµενη µε τη ροή από το ηλιακό πεδίο προς τo τµήµα i - β i, i = 1 N : συνάρτηση ελέγχου ρευστού σχετιζόµενη µε τη ροή από το φορτίο προς το τµήµα i - γ i, i = 1 N : συνάρτηση ελέγχου ρευστού σχετιζόµενη µε την µίξη ροής από/προς το τµήµα i - δ aux : συνάρτηση ελέγχου σχετιζόµενη µε την ενεργοποίηση ή όχι της βοηθητικής πηγής ενέργειας - Q aux : η ισχύς της βοηθητικής πηγής ενέργειας [W] Το µοντέλο δεν επιλύει την εξίσωση ορµής, προσέγγιση η οποία θα αύξανε την πολυπλοκότητα του, αλλά εισάγει κάποιες βασικές παραδοχές µέσω των συναρτήσεων ελέγχου. Οι συναρτήσεις ελέγχου είναι υπεύθυνες για το ισοζύγιο µάζας της ροής από και προς τα τµήµατα ρευστού i. Στη µορφή που χρησιµοποιούνται οι συναρτήσεις ελέγχου στην παρούσα εργασία, υποδηλώνουν πλήρη ανάµιξη της ροής πριν την εισαγωγή της σε κάθε τµήµα i [Klein, 1980]. H παραδοχή αυτή οδηγεί σε υψηλότερο βαθµό διαστρωµάτωσης, σε αντίθεση µε την παραδοχή του Close (1966), ο οποίος δεν υιοθετεί την εσωτερική ανάµιξη της ροής. Σχετικά µε την εισερχόµενη ροή από το φορτίο και τη θερµική πηγή, τρεις βασικές παραδοχές αναφέρονται στη βιβλιογραφία: α) Το ρευστό βρίσκει µόνο του το τµήµα το οποίο παρουσιάζει την κοντινότερη τιµή πυκνότητας (λόγω θερµοκρασίας), ανεξάρτητα από την αρχική θέση εισόδου, β) το ρευστό αναµιγνύεται µε όλα τα τµήµατα µεταξύ του τµήµατος εισόδου και αυτού µε την κοντινότερη τιµή πυκνότητας, προσέγγιση που θεωρείται πιο ρεαλιστική [Klein, 1976] γ) το ρευστό δεν αναµιγνύεται µε κανένα άλλο τµήµα εκτός του τµήµατος φυσικής εισόδου, παραδοχή που θεωρείται αρκετά απλουστευτική [TRNSYS]. Σελ.63

98 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Το µοντέλο που επιλέχτηκε στην εργασία χρησιµοποιεί την παραδοχή (β) για την ανάµιξη, η οποία αναφέρεται να εµφανίζει ικανοποιητική συµφωνία µε πειραµατικά δεδοµένα [Duffie and Beckmann, 1991; Klein, 1976]. Σύµφωνα µε τα παραπάνω, στο µοντέλο που υιοθετείται στην παρούσα εργασία εισάγονται οι εξής εξισώσεις συναρτήσεων ελέγχου: α i = 1 αν i = h αλλιώς α i = 0 β i = 1 αν i = L αλλιώς β i = 0 (3.15α) (3.15β) i 1 h a j j= 1 N γ = m& m& β (3.15γ) i L j= i+ 1 j Αν και το µοντέλο δεν συµπεριλαµβάνει την επίδραση φαινοµένων όπως η αγωγή µέσω των τοιχωµάτων ή η θερµική διάχυση διαµέσου των στρωµάτων του ρευστού, θεωρείται αρκετά αποτελεσµατικό για τους στόχους της ανάλυσης της παρούσας εργασίας, παρέχοντας ικανοποιητική προσέγγιση της λειτoυργίας διαστρωµατοποιηµένης δεξαµενής. Όσον αφορά στη βοηθητική πηγή ενέργειας, η λειτουργία της ελέγχεται µε τη βοήθεια θερµοστάτη. Το τµήµα της δεξαµενής στο οποίο αναφέρεται το αισθητήριο ελέγχου καθώς και την επιθυµητή τιµή της θερµοκρασίας την ορίζει ο χρήστης. Συνεπώς για τη συνάρτηση ελέγχου µπορεί να διατυπωθεί: δ = 1 ενεργοποίηση βοηθητικής πηγής (3.15δ) aux δ = 0 απενεργοποίηση (µη λειτουργία) βοηθητικής πηγής (3.15ε) aux 3.7 Ανάπτυξη µοντέλου λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα σε µεταβαλλόµενες συνθήκες λειτουργίας ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΖΕΥΞΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΚΤΙΡΙΟ Η µοντελοποίηση του αισθητού φορτίου του κτιρίου επιλέχθηκε να βασισθεί στην εξίσωση: Q = ( UA)( t t ) (3.16α) sens, b a b όπου: - Q sens,b : το αισθητό φορτίο του κτιρίου [kw] Σελ.64

99 Ανάπτυξη µοντέλου ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα - (UA) : ο συνολικός συντελεστής µετάδοσης θερµότητας διαµέσου του κελύφους του κτιρίου [kw/k] - t a : η θερµοκρασία του περιβάλλοντος [ ο C] - t b : η θερµοκρασία του εσωτερικού αέρα του κτιρίου [ ο C] Με δεδοµένο τον κύριο στόχο της εργασίας, δηλαδή τη µελέτη της συµπεριφοράς του συστήµατος και όχι της ενεργειακής συµπεριφοράς του κτιρίου, η συγκεκριµένη προσέγγιση, αν και δεν συµπεριλαµβάνει το σύνολο των παραµέτρων που επιδρούν στο αισθητό φορτίο του κτιρίου, µπορεί να θεωρηθεί ότι παρέχει ικανοποιητική ακρίβεια για τις ανάγκες της παρούσας διερεύνησης. Για το λανθάνον φορτίο, επιλέχτηκε η προσέγγιση θεώρησής του ως ποσοστό του αισθητού φορτίου, πρακτική που συναντάται σε αντίστοιχες µελέτες προσοµοίωσης συστηµάτων κλιµατισµού. O λόγος λανθάνοντος (Q lat,b ) προς αισθητού φορτίου τέθηκε στο 0.25 [ASHRAE, 2001; Davanagere et al, 1999]., = (3.16β) Q lat b Qsens, b Για τις ανάγκες της προσοµοίωσης υιοθετήθηκε σύνδεση του συστήµατος µε κτίριο αντίστοιχο µε αυτό της πειραµατικής διάταξης, επιφάνειας 50m 2 (ή όγκου 150m 3 ). Για το συνολικό συντελεστή µεταφοράς θερµότητας (UΑ) επιλέχθηκε η τιµή (UΑ) = 0.35 kw/k. Τα φορτία του κτιρίου που υιοθετείται στην ανάλυση είναι συµβατά και µε αντίστοιχα φορτία µελετών προσοµοίωσης λειτουργίας παρόµοιων συστηµάτων κλιµατισµού [Davanagere et al, 1999; Jurinak et al 1984; Nelson et al, 1978]. Κατά τη λειτουργία του συστήµατος, για τον υπολογισµό των συνθηκών του κτιρίου υπό την επίδραση του συστήµατος κλιµατισµού, απαιτείται η εφαρµογή ενεργειακού ισοζυγίου µεταξύ του προσαγόµενου αέρα από το σύστηµα προς το κτίριο και του αέρα επιστροφής από το κτίριο. Το ισοζύγιο δίνεται από τις σχέσεις: Q sens τ = V ρ c ( t ' t ) (3.17α) b air p, air b ld Q sens Qsens, b Qsens, sys = (3.17β) Q = m& C ( t t ) (3.17γ) sens, sys air p b ld όπου: - V b : ο όγκος του κτιρίου [m 3 ] - ρ air : η πυκνότητα του αέρα [kg/m 3 ] - t b : η υπολογιζόµενη θερµοκρασία του εσωτερικού αέρα του κτιρίου στο πέρας του χρονικού βήµατος τ [ ο C] Σελ.65

100 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - t ld : η θερµοκρασία του προσαγώµενου αέρα από το σύστηµα στο κτίριο [ ο C] - τ : το χρονικό βήµα [s] - Q sens,b : το αισθητό φορτίο του κτιρίου [kw], εξ. 3.16α - Q sens,sys : το αισθητό φορτίο το οποίο απάγει το σύστηµα από το χώρο [kw] - t b : η θερµοκρασία του εσωτερικού αέρα του κτιρίου [ ο C] Q lat ' τ = V ρ h ( w w ) (3.18α) b air fg Q lat Qlat, b Qlat, sys b ld = (3.18β) όπου: Q = m& h ( w w ) (3.18γ) lat. sys air fg b ld - h fg : η ενθαλπία εξάτµισης των υδρατµών [kj/g] - w b : η υπολογιζόµενη απόλυτη υγρασία του κτιρίου στο πέρας του χρονικού βήµατος τ [g/kg] - w ld : η απόλυτη υγρασία του προσαγώµενου αέρα από το σύστηµα στο κτίριο [g/kg] - Q lat,b : το λανθάνον φορτίο του κτιρίου [kw], εξ. 3.16β - Q lat,sys : το λανθάνον φορτίο που απάγει το σύστηµα από το χώρο [kw] - w b : η απόλυτη υγρασία του εσωτερικού αέρα του κτιρίου [g/kg] ΜOΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΖΕΥΞΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΗΛΙΑΚΟ ΠΕ ΙΟ Η σύνδεση µε την ηλιακή θερµική πηγή δεν µελετήθηκε σε πειραµατικό επίπεδο. Για τις ανάγκες της διερεύνησης αναπτύχθηκε κατάλληλο µοντέλο, σύµφωνα µε τις σχέσεις που περιγράφηκαν στην 3.6, το οποίο χρησιµοποιείται για την προσοµοίωση του συστήµατος κλιµατισµού σε συνεχή λειτουργία. Στο σχ. 3.6 παρουσιάζεται η διάταξη του ηλιακού συστήµατος που εισήχθηκε στο µοντέλο. Σύµφωνα µε τη διάταξη, ο ηλιακός συλλέκτης φορτίζει θερµικά τη δεξαµενή µέσω του εναλλάκτη (του ηλιακού συστήµατος), και παράλληλα η δεξαµενή παρέχει θερµική ενέργεια προς το σύστηµα κλιµατισµού (µέσω του εναλλάκτη φορτίου του θερµικού συστήµατος). Σελ.66

101 Ανάπτυξη µοντέλου ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Πεδίο ηλιακών συλλεκτών Εναλλάκτης θερµότητας νερού - νερού εξαµενή Προς σύστηµα ΚΣΑΜ (εναλλάκτη φορτίου θερµικού συστήµατος) αποθήκευσης θερµότητας Από σύστηµα ΚΣΑΜ Σχήµα Σκαρίφηµα ηλιακού συστήµατος εισερχόµενου στο µοντέλο Το ηλιακό πεδίο που επιλέχθηκε αποτελείται από παράλληλες συστοιχίες δύο συλλεκτών σε σειρά, σχ Το µοντέλο συνυπολογίζει για κάθε χρονική στιγµή, και για τα δεδοµένα της συγκεκριµένης τοποθεσίας, η οποία στην περίπτωση που µελετήθηκε στην εργασία είναι η Αθήνα, την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στο επίπεδο του συλλέκτη, καθώς και τη γωνία πρόσπτωσης... Σχήµα Συνδεσµολογία ηλιακού πεδίου εισερχόµενου στο µοντέλο Για τον εναλλάκτη του ηλιακού συστήµατος έγινε η υπόθεση ίσων τιµών θερµοχωρητικών παροχών στα δύο ρεύµατα, και υιοθετήθηκε η προσέγγιση σταθερής ενεργειακής απόδοσης (η hx,sf ): t SF, in t SF, out η hx, SF = (3.19α) t t t SF, in h SF, in tsf, out = t N th (3.19β) όπου: Σελ.67

102 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - t SF, in : η θερµοκρασία εισόδου του θερµικού φορέα στο ηλιακό πεδίο [ ο C] - t SF, out : η θερµοκρασία εξόδου του θερµικού φορέα από το ηλιακό πεδίο [ ο C] - t h : η θερµοκρασία του θερµαινόµενου από το ηλιακό πεδίο, µέσω του εναλλάκτη, νερού, το οποίο εισέρχεται στη δεξαµενή [ ο C], σχ t Ν : η θερµοκρασία του νερού το οποίο εισέρχεται στον εναλλάκτη από την πλευρά τη δεξαµενής, [ ο C], σχ. 3.5 Σύµφωνα µε το µοντέλο που υιοθετήθηκε για τη δεξαµενή (σχ. 3.5), και το οποίο προβλέπει την ύπαρξη διαστρωµατωµένου θερµοκρασιακού πεδίου, το θερµό νερό που προέρχεται από την έξοδο του εναλλάκτη του ηλιακού συστήµατος εισάγεται στο υψηλότερο σηµείο της δεξαµενής ( m& h, t h ), ενώ στη βάση της δεξαµενής εισάγεται το σχετικά ψυχρό νερό ( m& L, t L ) που προέρχεται από την έξοδο του εναλλάκτη φορτίου του θερµικού συστήµατος. Το µοντέλο υπολογίζει την κατακόρυφη κατανοµή θερµοκρασίας της δεξαµενής. Για τη µεταφορά θερµότητας από το θερµικό ηλιακό σύστηµα στο σύστηµα ΚΣΑΜ, χρησιµοποιείται εναλλάκτης νερού - αέρα, αναφερόµενος ως εναλλάκτης φορτίου θερµικού συστήµατος, για τη µοντελοποίηση του οποίου χρησιµοποιείται επίσης η προσέγγιση σταθερής ενεργειακής απόδοσης (η hx,ld ): όπου: min ( treg t8 ) * ( t t ) Cair η hx, ld = (3.20α) C C air 1 * ( t t ) = C ( t t ) reg 8 8 hw 1 L (3.20β) - t reg : η θερµοκρασία του αέρα αναγέννησης του τροχού αφύγρανσης [ ο C] - t 8 : η θερµοκρασία του αέρα στην είσοδο του εναλλάκτη φορτίου του θερµικού συστήµατος [ ο C], σχ. 3.3 * - t 1 : η θερµοκρασία του νερού στην είσοδο του εναλλάκτη φορτίου του θερµικού συστήµατος - t L : η θερµοκρασία του νερού το οποίο επιστρέφει στη δεξαµενή (σχ. 3.5) - C air : η θερµοχωρητική παροχή του ρεύµατος αέρα [KW/K] - C hw : η θερµοχωρητική παροχή του ρεύµατος του θερµού νερού [KW/K] - C min =min(c air, C hw ) Σύµφωνα µε την προσέγγιση που υιοθετήθηκε στην εργασία, ανάλογα µε την απαιτούµενη τιµή της θερµοκρασίας αναγέννησης του τροχού αφύγρανσης υπολογίζεται η αντίστοιχη απαιτούµενη τιµή της θερµοκρασίας στην είσοδο του εναλλάκτη φορτίου του θερµικού συστήµατος από την πλευρά της δεξαµενής ( t * 1 ). Στην περίπτωση που η διαθέσιµη Σελ.68

103 Ανάπτυξη µοντέλου ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα θερµοκρασία του θερµού νερού της δεξαµενής (t 1, σχ. 3.5) είναι µεγαλύτερη από την τιµή αυτή, θεωρείται ότι παρεµβαίνει ρυθµιστικά βάνα ανάµιξης, µεταξύ του νερού που παρέχει η δεξαµενή προς το σύστηµα ΚΣΑΜ και του νερού επιστροφής προς τη δεξαµενή από το σύστηµα ΚΣΑΜ, µε στόχο την επίτευξη της επιθυµητής τιµής. Στην περίπτωση που η διαθέσιµη θερµοκρασία του θερµού νερού της δεξαµενής είναι µικρότερη από την απαιτούµενη τιµή, υπολογίζεται η τιµή της θερµοκρασίας αναγέννησης η οποία είναι δυνατό να επιτευχθεί. Στο σχ. 3.8 παρουσιάζεται το διάγραµµα ροής της πληροφορίας για το µοντέλο δυναµικής λειτουργίας του ηλιακού συστήµατος σε σύνδεση µε το σύστηµα ΚΣΑΜ, µε αναφορά στις χρησιµοποιούµενες εξισώσεις και στις εµπλεκόµενες µεταβλητές. Ρυθµιστική βάνα ανάµιξης Περιβάλλον G, t a Ηλιακό πεδίο Εξ m& SF, t SF,out m& SF, t SF,in Εναλλάκτης ηλιακού συστήµατος Εξ. 3.19α, β m& h, t h m& h, t N εξαµενή αποθήκευσης θερµότητας Εξ. 3.14, 3.15 m& L, t 1 * t 1 m& L, t L Εναλλάκτης φορτίου θερµικού συστήµατος Εξ. 3.20α, β m& air, t reg m& air, t 8 Σύστηµα ΚΣΑΜ Σχήµα ιάγραµµα ροής της πληροφορίας για το µοντέλο δυναµικής λειτουργίας του ηλιακού συστήµατος σε σύνδεση µε το σύστηµα ΚΣΑΜ Για την επίλυση των αριθµητικών σχέσεων του µοντέλου δυναµικής λειτουργίας του ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ χρησιµοποιείται το λογισµικό Matlab ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΚΑ Ε ΟΜΕΝΑ Για την προσοµοίωση χρησιµοποιήθηκαν τα ωριαία µετεωρολογικά δεδοµένα από το τυπικό Μετεωρολογικό έτος Αθηνών, µήνα Ιουλίου [Μπαλαράς κ.α., 2006]. Ειδικότερα χρησιµοποιήθηκαν τόσο οι ωριαίες τιµές που αντιστοιχούν στο µέσο όρο των τιµών όλων των ηµερών του µήνα (σειρά ήπιων συνθηκών), όσο και τιµές που αντιστοιχούν στην ηµέρα µε τις υψηλότερες θερµοκρασίες (σειρά ακραίων συνθηκών). Τα δεδοµένα για τη θερµοκρασία, απόλυτη υγρασία και ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο παρουσιάζονται στα σχ. 3.8α, 3.8β και 3.8γ αντίστοιχα. Σελ.69

104 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ta [ o C] κλιµατικές συνθήκες, θερµοκρασία ακραίες συνθήκες ήπιες συνθήκες ώρα [ω] Σχήµα 3.9α - Μετεωρολογικά δεδοµένα προσοµοίωσης, θερµοκρασία [Μπαλαράς κ.α., 2006] wa[g/kg] κλιµατικές συνθήκες, απόλυτη υγρασία ακραίες συνθήκες ήπιες συνθήκες ώρα [ω] Σχήµα 3.9β - Μετεωρολογικά δεδοµένα προσοµοίωσης, απόλυτη υγρασία [Μπαλαράς κ.α., 2006] G [W/m 2 ] συνολική ηλιακή ακτινοβολία (οριζόντιο επίπεδο) ακραίες συνθήκες ήπιες συνθήκες ώρα [ω] Σχήµα 3.9γ - Μετεωρολογικά δεδοµένα προσοµοίωσης, συνολική ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο [Μπαλαράς κ.α., 2006] Σελ.70

105 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα 4.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται η πειραµατική διάταξη η οποία αναπτύχθηκε για τις ανάγκες της παρούσας έρευνας και συζητούνται τα αποτελέσµατα της διερεύνησης που πραγµατοποιήθηκε µε τη βοήθεια της διάταξης αυτής. Προκειµένου να εστιασθεί η βασική διερεύνηση στο σύστηµα κλιµατισµού αυτό καθαυτό και για να µην επιβαρυνθεί η ανάλυση από το πλήθος των παραµέτρων που θα εισήγαγε η παρουσία του ηλιακού παράγοντα, κυρίως ως προς τη σταθερότητα της θερµοκρασίας αναγέννησης του τροχού στο χρόνο, επιλέχτηκε η πειραµατική διάταξη να µην περιλαµβάνει ηλιακό πεδίο. Για την πρόσδοση της απαιτούµενης θερµότητας για την αναγέννηση του τροχού αφύγρανσης χρησιµοποιήθηκε βοηθητική πηγή, η οποία παρείχε τη δυνατότητα αξιοποίησης θερµοκρασιών αναγέννησης σε εύρος αντίστοιχο µε αυτό από τη χρήση επίπεδων ηλιακών συλλεκτών, ώστε να διατηρηθεί ο χαρακτήρας της διάταξης ως ηλιακής. Οι στόχοι της πειραµατικής διερεύνησης συνοψίζονται ως εξής: - Απόκτηση εµπειρίας από το σχεδιασµό, την ανάπτυξη και τη λειτουργία της πειραµατικής διάταξης. - ιερεύνηση της συµπεριφοράς των διαφόρων υποσυστηµάτων, τόσο ως αυτόνοµων στοιχείων, όσο και υπό την επίδραση φαινοµένων που σχετίζονται µε την ένταξη τους στο συνολικό σύστηµα, επικεντρώνοντας στις παραµέτρους που επηρεάζουν τη λειτουργία τους. - ιερεύνηση της καταλληλότητας των προτεινόµενων από τη θεωρητική ανάλυση µοντέλων για τα επιµέρους υποσυστήµατα, στη βάση της µελέτης της συµπεριφοράς των υποσυστηµάτων σε τυπικό εύρος συνθηκών λειτουργίας για αντίστοιχες εφαρµογές. - Επικύρωση των µοντέλων τα οποία τελικά επιλέχθηκαν και τα οποία αφορούν τόσο στα επιµέρους υποσυστήµατα όσο και στο συνολικό. - ιερεύνηση της συµπεριφοράς του πλήρους συστήµατος και της ικανότητάς του να καλύψει αισθητά και λανθάνοντα φορτία ενός πραγµατικού χώρου για σηµαντικό εύρος συνθηκών λειτουργίας. Σελ.71

106 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Το βασικότερο τµήµα της πειραµατικής διερεύνησης πραγµατοποιήθηκε σε δύο περιόδους, µεταξύ Απριλίου και Οκτωβρίου των ετών 2006 και Η πρώτη περίοδος (περίοδος Ι) χρησιµοποιήθηκε κυρίως για την κατανόηση των διεργασιών στα βασικά υποσυστήµατα της διάταξης και στο πλήρες σύστηµα, δίνοντας ιδιαίτερη έµφαση στην ανάπτυξη του κατάλληλου µετρητικού συστήµατος και στην οριστικοποίηση των θέσεων µέτρησης. Κατά τη δεύτερη περίοδο (περίοδος ΙΙ) οι µετρήσεις είχαν ως βασικό στόχο την επιβεβαίωση των µοντέλων που περιγράφουν τα υποσυστήµατα, καθώς και του µοντέλου του πλήρους συστήµατος και τον προσδιορισµό των σχετικών δεικτών απόδοσης. Παράλληλα µελετήθηκαν και φαινόµενα σχετιζόµενα µε τη µεταβατική συµπεριφορά των υποσυστηµάτων. 4.2 Περιγραφή της πειραµατικής διάταξης ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΙΑΤΑΞΗΣ Όπως αναφέρθηκε, για τις ανάγκες της έρευνας αναπτύχθηκε στις εγκαταστάσεις του Εργαστηρίου Ηλιακών & άλλων Ενεργειακών Συστηµάτων του ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ σύστηµα ΚΣΑΜ. Bασική επιλογή για την υλοποίηση της πειραµατικής διάταξης αποτέλεσε ο εξαρχής σχεδιασµός της και η ανάπτυξή της στη βάση ενσωµάτωσης των διαφόρων υποσυστηµάτων που την απαρτίζουν. Με δεδοµένη την απουσία έτοιµων ολοκληρωµένων εµπορικών λύσεων, η επιλογή αυτή θέλησε να συµβάλλει στην µεγιστοποίηση της εµπειρίας από το σχεδιασµό, την ανάπτυξη και τη λειτουργία ενός αντίστοιχου συστήµατος. Ως παράλληλη συνέπεια αναφέρεται η δραστική µείωση του κόστους της εγκατάστασης. H πειραµατική διάταξη περιγράφεται στο σχ. 4.1, και αποτελεί σύστηµα ΚΣΑΜ, κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα. Τα βασικά υποσυστήµατα της διάταξης είναι ο τροχός αφύγρανσης, ο πλακοειδής εναλλάκτης αέρα - αέρα (ανάκτησης θερµότητας), οι υγραντήρες, το κιβώτιο συγκρότησης του πλήρους συστήµατος, το σύστηµα παραγωγής θερµότητας και οι ανεµιστήρες. Το σύστηµα είναι συνδεδεµένο µε υφιστάµενο κτίριο, µέσω αεραγωγών προσαγωγής και απαγωγής. Σελ.72

107 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Απαγωγή Κτίριο Υγραντήρας Αφυγραντικός τροχός Προσαγωγή Περιβάλλον 5 Υγραντήρας 4 Εναλλάκτης αέρα - αέρα Θερµική πηγή Σχήµα Σχηµατικό διάγραµµα πειραµατικής διάταξης ΚΣΑΜ ΤΡΟΧΟΣ ΑΦΥΓΡΑΝΣΗΣ Ο τροχός αφύγρανσης είναι Σουηδικής κατασκευής, της εταιρείας Proflute. Το αφυγραντικό υλικό είναι πυριτική γέλη (82% πυριτική γέλη, 16% ίνες γυαλιού, 2% επιφανειακή ακρυλική επίστρωση), το οποίο είναι το πλέον διαδεδοµένο αφυγραντικό υλικό σε αντίστοιχες εφαρµογές. Το πλαίσιο έχει διάµετρο 700 mm ενώ η διάµετρος του τροχού είναι 630 mm και το πάχος 200 mm. Το εύρος λειτουργίας ως προς την παροχή αέρα είναι m 3 /h. Η κίνηση του τροχού επιτυγχάνεται µε τη χρήση διάταξης κινητήρα - ιµάντα. Σχήµα Ο τροχός αφύγρανσης της πειραµατικής διάταξης και λεπτοµέρεια κελύφους επιφάνειας επαφής (κατασκευαστής Proflute) Σελ.73

108 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΥΓΡΑΝΤΗΡΑΣ ΨΥΞΗΣ ΜΕ ΕΞΑΤΜΙΣΗ Η τεχνολογία του υγραντήρα που επιλέχτηκε βασίζεται στη διαβροχή επιφάνειας πληρωτικού υλικού, και είναι η απλούστερη και η πλέον διαδεδοµένη. Για εφαρµογές υψηλότερων παροχών αέρα υπάρχουν συστήµατα µε σχετικά καλύτερη απόκριση σε µεταβατική λειτουργία και πιθανή δυνατότητα ρύθµισης του ποσοστού ύγρανσης, τα οποία όµως παρουσιάζουν αυξηµένο κόστος. Ο υγραντήρας που επιλέχτηκε λειτουργεί σύµφωνα µε τη βασική αρχή της ψύξης µε εξάτµιση και είναι Σουηδικής προέλευσης, της εταιρείας Munters (σχ. 4.3). Ως πληρωτικό υλικό χρησιµοποιούνται ίνες γυαλιού. Η ωφέλιµη επιφάνεια του πληρωτικού υλικού, κάθετη στη ροή, είναι 60x60cm ενώ η διαδροµή του αέρα διαµέσου του πληρωτικού υλικού είναι 30cm. Το εύρος παροχής λειτουργίας αέρα είναι m 3 /h. Σχήµα Υγραντήρας ψύξης µε εξάτµιση της πειραµατικής διάταξης και λεπτοµέρεια επιφάνειας πληρωτικού υλικού (κατασκευαστής Munters) Το νερό ανακυκλοφορεί µεταξύ του δοχείου συλλογής στη βάση του υγραντήρα και της θέσης διοχέτευσης του, στην κορυφή του υγραντήρα, για τη διαβροχή του πληρωτικού υλικού. Όταν η στάθµη του δοχείου συλλογής πέσει κάτω από κάποιο όριο, πραγµατοποιείται αυτόµατη πλήρωση νερού από το δίκτυο. Σελ.74

109 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΣ ΑΕΡΑ - ΑΕΡΑ Ο εναλλάκτης αέρα - αέρα που επιλέχτηκε για τη συγκεκριµένη διάταξη είναι πλακοειδής (cross-flow). Σηµειώνεται ότι σε αντίστοιχες εφαρµογές είναι δυνατό να γίνει χρήση εναλλάκτη ηµι-άµεσης µεταφοράς θερµότητας περιστρεφόµενου τύπου, ο οποίος εµφανίζει σχετικά πλεονεκτήµατα σε επίπεδο απόδοσης και µεγέθους λόγω της µεγαλύτερης επιφάνειας επαφής στη µονάδα του όγκου, παρουσιάζει όµως το µειονέκτηµα διαρροής αέρα µεταξύ των δύο ρευµάτων. Για τη συγκεκριµένη εφαρµογή και διάταξη, η επιλογή βασίστηκε στην απλότητα και στο συγκριτικά χαµηλότερο κόστος, δεδοµένου ότι τα επίπεδα απόδοσης για τους δύο τύπους θα ήταν αντίστοιχα. Εντούτοις σε εφαρµογές υψηλότερων παροχών αέρα ενδέχεται να είναι προτιµότερη η επιλογή εναλλάκτη περιστρεφόµενου τύπου. Ο εναλλάκτης που επιλέχτηκε είναι Γερµανικής προέλευσης, της εταιρείας Klingenburg. Ο εναλλάκτης παρουσιάζεται στο σχ. 4.4, µε διαστάσεις a = 758 mm, b = 700 mm. Το εύρος λειτουργίας ως προς την παροχή αέρα είναι m 3 /h. b a Σχήµα Πλακοειδής εναλλάκτης πειραµατικής διάταξης ΚΙΒΩΤΙΟ ΣΥΓΚΡΟΤΗΣΗΣ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΕΝΙΑΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Για τη συγκρότηση των υποσυστηµάτων σε ενιαίο σύστηµα, χρησιµοποιήθηκε κατάλληλα διαµορφωµένο µεταλλικό κιβώτιο (φωτ. 4.1, σχ. 4.5), το οποίο κατασκευάστηκε ειδικά για τους σκοπούς της πειραµατικής διάταξης. Τα τοιχώµατα του κιβωτίου παρέχουν στο σύστηµα θερµική µόνωση και προστασία από το περιβάλλον. Παράλληλα, εξασφαλίζεται η αποµόνωση των εµπλεκόµενων ρευµάτων, και το κιβώτιο είναι επισκέψιµο σε πολλές θέσεις. Το κιβώτιο εδράζεται σε µεταλλική βάση και οι διαστάσεις του είναι HxWxL: 1.350x850x3.685 mm 3. Σελ.75

110 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Φωτογραφία Κιβώτιο συγκρότησης πειραµατικής διάταξης ΚΣΑΜ Υγραντήρας Αφυγραντικός τροχός Ανεµιστήρας 6 7 Εναλλάκτης Κτίριο 5 Υγραντήρας Περιβάλλον Σχήµα Σκαρίφηµα πειραµατικής διάταξης (σηµειώνονται οι θέσεις µελέτης, σχ. 4.1) ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Για την αναγέννηση του τροχού απαιτείται παροχή θερµού αέρα. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε σύστηµα παραγωγής θερµού νερού, το οποίο θερµαίνει τον αέρα µέσω εναλλάκτη αέρα-νερού. Το υδραυλικό σύστηµα προετοιµασίας ζεστού νερού αποτελείται από τρία ηλεκτρικά θερµοσιφωνικά δοχεία χωρητικότητας 80 lt και θερµικής ισχύος 4 kw το καθένα καθώς και ηλεκτρικό ταχυθερµοσίφωνο ιδιοκατασκευής, συνδεδεµένα σε σειρά. Για την κυκλοφορία του νερού χρησιµοποιούνται δύο κυκλοφορητές. Σελ.76

111 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Παράλληλα χρησιµοποιείται εναλλάκτης νερού - αέρα, για τη θέρµανση του ρεύµατος αέρα αναγέννησης του τροχού ΑΝΕΜΙΣΤΗΡΕΣ Για την προσαγωγή και απαγωγή του αέρα χρησιµοποιήθηκαν φυγοκεντρικοί ανεµιστήρες (φωτ. 4.2). Ειδικότερα χρησιµοποιήθηκαν: - φυγοκεντρικός ανεµιστήρας διπλής αναρρόφησης αέρα, µετάδοσης κίνησης µε ιµάντα από τον κινητήρα στον άξονα, µέγιστης ταχύτητας περιστροφής 6800 rpm και ισχύος 2.2 kw, στο ρεύµα προσαγωγής - φυγοκεντρικός ανεµιστήρας απλής αναρρόφησης, απευθείας µετάδοσης κίνησης από τον κινητήρα στον άξονα, µέγιστης ταχύτητας περιστροφής 3100 rpm και ισχύος 0.55 kw, στο ρεύµα απαγωγής. Φωτογραφία Ανεµιστήρες πειραµατικής διάταξης ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ & ΠΑΡΟΧΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Το σύστηµα ελέγχου του συστήµατος αποτελείται από το σύστηµα παροχής ηλεκτρικής ισχύος και τις αντίστοιχες ηλεκτρικές διατάξεις για τον έλεγχο των υποσυστηµάτων. Ο πίνακας δίνει τη δυνατότητα παροχής ηλεκτρικής ισχύος του συστήµατος και υλοποίησης των εντολών ελέγχου µέσω επιλογικών διακοπτών για αυτόµατη ή χειροκίνητη λειτουργία. Οι παράµετροι ελέγχου είναι: Σελ.77

112 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Θέση σε λειτουργία ανεµιστήρων (µόνο χειροκίνητη δυνατότητα). - Στροφές λειτουργίας ανεµιστήρων (η ρύθµιση γίνεται µε χρήση inverter). - Θέση σε λειτουργία τροχού και ρύθµιση ταχύτητας περιστροφής (η ταχύτητα ρυθµίζεται χειροκίνητα µέσω χρονικού ρελέ). - Θέση σε λειτουργία ηλεκτρικών αντιστάσεων συστήµατος παραγωγής θερµότητας. - Θέση σε λειτουργία κυκλοφορητών παροχής θερµού νερού στον εναλλάκτη αέρανερού (λειτουργία on/off) - Ρύθµιση στροφών (χειροκίνητη). - Θέση σε λειτουργία υγραντήρων: Λειτουργία αντλίας & ανεξάρτητη λειτουργία βαλβίδας διέλευσης νερού. Ο έλεγχος των παραµέτρων που ρυθµίζονται αυτόµατα γίνεται µέσω Η/Υ. Για το λόγο αυτό χρησιµοποιήθηκε διάταξη λήψης δεδοµένων (data logger) Agilent (34970) και κατάλληλη κάρτα ελέγχου (34903Α) από την οποία διέρχονται τα ηλεκτρικά κυκλώµατα που αντιστοιχούν σε κάθε παράµετρο ελέγχου. Για την ενεργοποίηση της εντολής αναπτύχθηκε πρόγραµµα σε περιβάλλον λογισµικού VEE. Η διάταξη αυτή επιτρέπει επιπλέον την υλοποίηση συστήµατος αυτοµάτου ελέγχου για το σύστηµα, επιφορτισµένου µε την υλοποίηση των στρατηγικών ελέγχου που διατυπώνονται σε επόµενη ενότητας (βλέπε 5.3) ΚΤΙΡΙΟ - ΑΕΡΑΓΩΓΟΙ Το σύστηµα είναι συνδεδεµένο µε κλιµατιζόµενο χώρο (test cell) συνολικής επιφάνειας 48 m 2 και συνολικού όγκου 150 m 3. Πρόκειται για συνήθη εργαστηριακό χώρο πολλαπλών χρήσεων, αποτελούµενο από τρία διακριτά δωµάτια, ο οποίος δεσµεύτηκε για τις ανάγκες της πειραµατικής διερεύνησης. Η επιλογή του διαιρούµενου χώρου έγινε για να υπάρχει η δυνατότητα µεταβολής των βασικών παραµέτρων κλιµατισµού - αερισµού σε ένα µεγαλύτερο εύρος τιµών. Το µεγαλύτερο τµήµα του κελύφους είναι κατασκευασµένο από πάνελ πολυουρεθάνης πάχους 5 cm. Το σύστηµα εγκαταστάθηκε εξωτερικά από τους κλιµατιζόµενους χώρους και συνδέθηκε µε δίκτυο αεραγωγών για την προσαγωγή και απαγωγή του αέρα προς και από το κτίριο. Σελ.78

113 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα 4.3 Μετρητικό σύστηµα ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΤΡΗΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Για τις ανάγκες των µετρήσεων σχεδιάστηκε και εγκαταστάθηκε µετρητικό σύστηµα αποτελούµενο από τα απαραίτητα όργανα και αισθητήρες, διάταξη λήψης δεδοµένων και ηλεκτρονικό υπολογιστή. Για τις µετρήσεις χρησιµοποιήθηκαν σε διάφορα σηµεία του συστήµατος τα παρακάτω αισθητήρια: - Τριανταπέντε (35) θερµοστοιχεία (Τύπου Κ), για τη µέτρηση της θερµοκρασίας (κατασκευαστής: Omega engineering) µε ορθότητα (accuracy): ±1 o C. - Τρία (3) αισθητήρια ταυτόχρονης µέτρησης θερµοκρασίας-σχετικής υγρασίας αέρα (κατασκευαστής: Rotronics) µε ορθότητα ως προς τη θερµοκρασία: ±0.3 o C και ως προς την υγρασία: ±1.5%. - Τρία (3) όργανα µέτρησης σηµείου δρόσου αέρα (dew point) υψηλής µετρολογικής ποιότητας (τεχνολογίας ανάκλασης σε καθρέφτη της εταιρείας MBW) µε ορθότητα ως προς τη θερµοκρασία δρόσου: ±0.1 o C. - Ροόµετρο για την παροχή θερµού νερού από το υποσύστηµα παραγωγής θερµότητας προς το σύστηµα (κατασκευαστής: Acqua) µε ορθότητα: ±1%. - Ανεµόµετρο για την µέτρηση της ταχύτητας του αέρα σε διάφορες θέσεις των αεραγωγών (κατασκευαστής: TSI-ALNOR), µε σκοπό την εκτίµηση της παροχής, µε ορθότητα: ±2%. - Μεταδότης διαφορικής πίεσης (κατασκευαστής: JUMO), εύρους Pa µε ορθότητα: ±1%. Οι µετρολογικές επιδόσεις, που αναφέρονται παραπάνω, αντιστοιχούν στα χαρακτηριστικά των αντίστοιχων αισθητηρίων, και επιβεβαιώθηκαν µέσω διακρίβωσης. Η µετρολογική ποιότητα των θερµοστοιχείων τύπου Κ που χρησιµοποιήθηκαν θεωρείται επαρκής σε σχέση µε τη σκοπιµότητα των µετρήσεων και την απαιτούµενη ακρίβεια στα πλαίσια της ανάλυσης που πραγµατοποιείται στην εργασία, ενώ παράλληλα τα χρησιµοποιούµενα θερµοστοιχεία είναι εύχρηστα για εγκατάσταση σε δυσπρόσιτα σηµεία του συστήµατος και ανθεκτικά στις συνθήκες τοποθέτησης. Όλα τα θερµοστοιχεία κατασκευάστηκαν στο Εργαστήριο από τον ίδιο διµεταλλικό αγωγό (chromel - alumel), διασφαλίζοντας πολύ µικρές αβεβαιότητες της τάξης των 0.2 Κ στις διαφορές θερµοκρασίας, οι οποίες κυρίως ενδιαφέρουν προκειµένου περί θερµικών ροών. Τα θερµοστοιχεία χρησιµοποιήθηκαν για µέτρηση θερµοκρασιών αέρα σε διάφορα σηµεία του Σελ.79

114 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 συστήµατος ψύξης, για τη µέτρηση θερµοκρασιών στο υδραυλικό κύκλωµα θερµικής τροφοδοσίας, καθώς και σε διάφορα σηµεία των αεραγωγών και του κλιµατιζόµενου χώρου. Ιδιαίτερη έµφαση δόθηκε στη µέτρηση της υγρασίας, όπως φαίνεται και από τη χρήση υγροµέτρων µέτρησης σηµείου δρόσου, η οποία συνιστά µέθοδο αναφοράς για τη συγκεκριµένη µέτρηση. Το υψηλό όµως κόστος των συσκευών αυτών σε συνδυασµό µε το µεγάλο αριθµό των σηµείων µέτρησης της υγρασίας, επέβαλε τη χρήση και υγροµέτρων µε αισθητήρα µεταβλητής χωρητικότητας. Η αξιοπιστία των υγροµέτρων αυτών διερευνήθηκε συγκριτικά ως προς τα υγρόµετρα σηµείου δρόσου. Από τη διερεύνηση προέκυψε ότι η υπολογιζόµενη τιµή της απόλυτης υγρασίας από το ζεύγος των ενδείξεων t και RH των χωρητικών υγροµέτρων συµφωνεί µε την τιµή που προκύπτει από τις ενδείξεις των υγροµέτρων σηµείου δρόσου, αν και αποκλίνουν οι αντίστοιχες τιµές της σχετικής υγρασίας. Αποφασίστηκε συνεπώς οι αισθητήρες µεταβλητής χωρητικότητας να χρησιµοποιηθούν για µέτρηση µόνο της απόλυτης υγρασίας. Ο µεταδότης διαφορικής πίεσης χρησιµοποιήθηκε για τη µέτρηση της πτώσης πίεσης σε διάφορα σηµεία του κυκλώµατος αέρα, µε σκοπό την εκτίµηση της παροχής του διερχόµενου ρεύµατος αέρα. Για τη σύνδεση των οργάνων στη διάταξη λήψης δεδοµένων χρησιµοποιήθηκαν 2 κάρτες Agilent 34901A 20 καναλιών (συµπεριλαµβανοµένων 2 καναλιών για µέτρηση ρευµάτων DC ή AC) και µία κάρτα 40 καναλιών, 34908A ΧΩΡΙΚΗ ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΕΙΑ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΘΕΣΕΩΝ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Η τοποθέτηση των αισθητηρίων είχε ως βασικό κριτήριο την καλύτερη αποτύπωση των φαινοµένων, δεδοµένων φυσικά των ορίων του χρησιµοποιούµενου µετρητικού εξοπλισµού. Αισθητήρια θερµοκρασίας τοποθετήθηκαν σε όλες τις θέσεις µελέτης, ενώ αισθητήρια υγρασίας τοποθετήθηκαν στις θέσεις 1,5,6,7 (σχ. 4.1). Η αξιόπιστη µέτρηση των µεγεθών που υπεισέρχονται στη λειτουργία του τροχού αφύγρανσης, έχει απασχολήσει τη βιβλιογραφία, κυρίως σε εργασίες σχετικές µε εγκαταστάσεις δοκιµών. Ειδικότερα, αναφέρεται η εργασία των Slayzak and Ryan (2000), όπου συζητείται εκτενώς η θέση των αισθητηρίων σε σχέση µε την ανοµοιόµορφη κατανοµή θερµοκρασίας και υγρασίας στην έξοδο του τροχού. Το φαινόµενο της ανοµοιοµορφίας µελετάται και στις εργασίες των Bourdoukan et al (2009a) και Golubovic et al (2007). Από προκαταρκτική διερεύνηση στην πειραµατική διάταξη, προέκυψε η ύπαρξη σηµαντικής ανοµοιογένειας των µετρούµενων τιµών σε διατοµές κάθετες στη Σελ.80

115 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα κύρια κατεύθυνση ροής, ειδικότερα αµέσως µετά τον τροχό, οφειλόµενη κυρίως στο ότι η περιστροφή του τροχού δηµιουργεί χωρική ανοµοιογένεια της θερµοκρασίας και υγρασίας σε επίπεδο κάθετο στο µέτωπο προσβολής. Για τις ανάγκες της παρούσας έρευνας, για τον προσδιορισµό της θερµοκρασίας τοποθετήθηκαν τέσσερα αισθητήρια στη διατοµή µετά την έξοδο του τροχού στο ρεύµα προσαγωγής (σχ. 4.6). Η διάταξη τοποθέτησης των αισθητηρίων έγινε µε τρόπο που να ανήκουν ανά ζεύγη σε περίµετρο µικρής και µεγάλης ακτίνας, (t 2_3, t 2_4 ) και (t 2_1, t 2_2 ) αντίστοιχα. Σχήµα Κατανοµή και ονοµασία αισθητηρίων στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (αριστερόστροφη περιστροφή τροχού) Για τον ίδιο λόγο, η απόλυτη υγρασία µετράται στη θέση προσαγωγής του αέρα προς το κτίριο, σε θέση δηλαδή όπου επιβεβαιώθηκε η οµοιογένεια του πεδίου. Φυσικά, όπως θα αναλυθεί και στη συνέχεια (βλέπε 4.4.1), στην περίπτωση πραγµατοποίησης µετρήσεων για τη διαπίστωση της ικανότητας αφύγρανσης του τροχού, ο υγραντήρας του ρεύµατος προσαγωγής πρέπει να είναι σε κατάσταση µη λειτουργίας, ώστε να µην υπάρχει προσθήκη υγρασίας στη διαδροµή του αέρα από την έξοδο του τροχού µέχρι το σηµείο µέτρησης. Η παρουσία χωρικής ανοµοιοµορφίας στην κατανοµή της θερµοκρασίας στην έξοδο του ρεύµατος προσαγωγής του τροχού αφύγρανσης επιβεβαιώθηκε και πειραµατικά. Χαρακτηριστικά στο σχ. 4.7 απεικονίζεται κατανοµή της θερµοκρασίας σε εγκάρσια διατοµή, αρκετά κοντά στην επιφάνεια του τροχού, για τις θέσεις τοποθέτησης των αισθητηρίων που παρουσιάζονται στο σχ Οι διαφορές θερµοκρασίας είναι της τάξης των 10 ο C και θεωρούνται σηµαντικές. Είναι συνεπώς αναγκαία η µέτρηση της θερµοκρασίας σε διάφορα σηµεία και ο υπολογισµός του µέσου όρου των τιµών για την εκτίµηση της τιµής της θερµοκρασίας στην έξοδο του τροχού. Αντίστοιχα είναι και τα αποτελέσµατα για την υγρασία, αν και στην περίπτωση αυτή, δεδοµένου ότι η υγρασία είναι δυνατό να υπολογιστεί και σε άλλη θέση όπου η ροή έχει Σελ.81

116 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 οµογενοποιηθεί, συνεκτιµώντας παράλληλα τη δυσκολία τοποθέτησης αισθητηρίων για την υγρασία σε κατάλληλη θέση για τη διερεύνηση του φαινοµένου, δεν έγινε συστηµατική µελέτη της κατανοµής της. t [ o C] t2_1 t2_2 t2_3 t2_4 ηw 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18: η [-] ώρα [ω:λλ] Σχήµα Κατανοµή θερµοκρασίας στην επιφάνεια εξόδου του τροχού αφύγρανσης κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας Ένα άλλο ζήτηµα σχετικό µε την αξιόπιστη µέτρηση των µεγεθών κυρίως στον τροχό αφύγρανσης αποτελεί η πιθανή επίδραση στις µετρήσεις των θερµοστοιχείων της, οφειλόµενης στην παρουσία υψηλών θερµοκρασιών, µεταδιδόµενης θερµότητας µε ακτινονοβολία από γειτονικές επιφάνειες, όπως αναφέρεται και στην εργασία των Slayzak and Ryan (2000). Για την αντιµετώπιση του φαινοµένου αυτού, τα χρησιµοποιούµενα θερµοστοιχεία σε θέσεις υψηλής θερµοκρασίας, όπως στη θέση αναγέννησης του τροχού, προστατεύτηκαν µε τοποθέτηση φύλλου αλουµινίου, η αποτελεσµατικότητα της οποίας αποδείχθηκε µέσω σχετικής διερεύνησης. Η ανοµοιοµορφία του ρεύµατος προσαγωγής στην έξοδο του τροχού, µεταφέρεται µέσω του εναλλάκτη αέρα - αέρα τόσο στην υπόλοιπη διαδροµή του ρεύµατος προσαγωγής προς το κτίριο (θέση εξόδου εναλλάκτη, εισόδου υγραντήρα προσαγωγής, εξόδου υγραντήρα προσαγωγής), καθώς και στο ρεύµα απαγωγής, θέση εξόδου εναλλάκτη. Για το λόγο αυτό σε κάποιες σηµαντικές διατοµές του κυκλώµατος αέρα τοποθετήθηκαν τέσσερα θερµοστοιχεία µε στόχο την ικανοποιητική αποτύπωση του θερµοκρασιακού πεδίου στις συγκεκριµένες διατοµές. Αντίστοιχα, για την υγρασία επιλέχτηκε η απλούστερη λύση να µετράται σε σηµεία που είναι σχετικά οµοιογενές το πεδίο. Σελ.82

117 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Επειδή κατασκευαστικά ο εναλλάκτης θερµικής ενεργειακής πηγής δεν καλύπτει το συνολικό εύρος του τροχού αναγέννησης, ο τροχός δεν θερµαίνεται οµοιόµορφα και για το λόγο αυτό, τοποθετήθηκαν τέσσερα θερµοστοιχεία για τον πειραµατικό προσδιορισµό της θερµοκρασίας αναγένννησης. Οι µετρήσεις υγρασίας στα κύρια σηµεία της διάταξης πραγµατοποιήθηκαν όπως αναφέρθηκε µε τις συσκευές µέτρησης σηµείου δρόσου, οι οποίες τοποθετήθηκαν σε προστατευµένο χώρο. Η µεταφορά του υγρού αέρα προς τις συσκευές πραγµατοποιείται µε τη βοήθεια ενσωµατωµένης αντλίας και εύκαµπτων αγωγών µικρής διαµέτρου οι οποίοι παραλάµβαναν τον αέρα από διάφορα σηµεία της εγκατάστασης, ενώ διερευνήθηκε και η πιθανή - αλλά προφανώς ανεπιθύµητη - δηµιουργία συµπυκνώσεων κατά τη διαδροµή του αγωγού. Η επιλογή του κατάλληλου κάθε φορά σηµείου λήψης εξαρτάται από τις ανάγκες του σεναρίου µέτρησης ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Η επεξεργασία των µετρήσεων παρουσιάζει ιδιαιτερότητα, σχετική µε τη διαχείριση του µεγέθους της υγρασίας. Η πληροφορία που σχετίζεται µε την υγρασία του αέρα µπορεί να δοθεί µέσω διαφόρων µεγεθών, όπως απόλυτη υγρασία, σχετική υγρασία, θερµοκρασία σηµείου δρόσου ή θερµοκρασία υγρού βολβού. Ανάλογα µε τον τύπο της µετρητικής διάταξης ποικίλλει το άµεσα µετρούµενο µέγεθος (πρωτογενές µέγεθος). Στην παρούσα εργασία τα άµεσα µετρούµενα µεγέθη είναι το σηµείο δρόσου και η σχετική υγρασία. Φυσικά, ανεξάρτητα από την αξία της πληροφορίας του πρωτογενούς µεγέθους, αυτό που ενδιαφέρει είναι η δυνατότητα υπολογισµού και των υπόλοιπων (δευτερογενών) µεγεθών, τόσο γιατί εµπλέκονται στις διεργασίες όσο και γιατί είναι απαραίτητο να υπάρχει πληροφορία σε κοινό µέγεθος αναφοράς. Στην περίπτωση της διάταξης που µελετάται, επιλέχθηκε ως µέγεθος αναφοράς η απόλυτη υγρασία. Για τον υπολογισµό των δευτερογενών µεγεθών, χρησιµοποιήθηκαν οι βασικές σχέσεις ψυχροµετρίας για ιδανικά αέρια και ιδανικά µίγµατα, όσον αφορά στο µίγµα ξηρού αέρα - υδρατµού [ASHRAE, 1996]. Σύµφωνα µε την ASHRAE, το σφάλµα από τη χρήση των σχέσεων αυτών είναι ιδιαίτερα χαµηλό, ειδικά για πιέσεις κοντά στην ατµοσφαιρική. Οι σχέσεις παρατίθενται στο παράρτηµα ΙΙ. Σελ.83

118 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΑΒΕΒΑΙΟΤΗΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Η αβεβαιότητα των µετρήσεων εκτιµήθηκε µε βάση τις µετρολογικές επιδόσεις των αισθητηρίων και διατάξεων µέτρησης που χρησιµοποιήθηκαν, όπως αυτές προκύπτουν από τις τιµές ορθότητας που αναφέρονται στην Οι αβεβαιότητες του συστήµατος λήψης δεδοµένων µπορούν να θεωρηθούν αµελητέες. Για πρακτικούς λόγους παρατίθεται η εκτίµηση της αβεβαιότητας των µετρήσεων µε όρους διευρυµένης αβεβαιότητας και για επίπεδο εµπιστοσύνης 95%: - Θερµοκρασία: U t = 1 o C - Απόλυτη υγρασία: U w = 0.2 g/kg - Παροχή αέρα: U v& air = 100 m 3 /h - Παροχή ρευστού θερµικής πηγής ενέργειας: U m& hw = 10 lt/h - ιαφορά πίεσης: U p = 10 Pa Ειδικά για την περίπτωση της παροχής αέρα, έχει συνυπολογιστεί και η αβεβαιότητα που σχετίζεται µε την ακρίβεια της µεθόδου, σύµφωνα µε τη συζήτηση που ακολουθεί (βλέπε ) ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΑΕΡΑ - ΙΣΟΣΤΑΘΜΙΣΗ ΙΑΤΑΞΗΣ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΗΝ ΠΑΡΟΧΗ Μέτρηση παροχής αέρα Η µέτρηση της παροχής αέρα αποτελεί βασική προϋπόθεση για την ανάλυση των φαινοµένων και τον υπολογισµό των ενεργειακών µεγεθών στο σύστηµα. Η παροχή υπολογίστηκε έµµεσα βάσει µετρήσεων ταχύτητας σε µεγάλο αριθµό κατάλληλα επιλεγµένων σηµείων, σε διάφορες διατοµές των αεραγωγών, τόσο για το ρεύµα προσαγωγής όσο και για το ρεύµα απαγωγής. Για την περίπτωση που µελετάται, η οποία αναφέρεται σε τυρβώδη ροή, υπολογίζεται µήκος ανάπτυξης ροής της τάξης των 10 υδραυλικών διαµέτρων για οµοιόµορφο προφίλ εισόδου. Η κατάσταση όµως επιβαρύνεται από την ύπαρξη γωνιών στους αεραγωγούς, καθώς η ροή αλλάζει κατεύθυνση και το προφίλ εισόδου είναι ανοµοιόµορφο. Παράλληλα, στο απαιτούµενο συνολικό µήκος πρέπει να προστεθεί τµήµα της τάξης των 3-4 διαµέτρων κατάντι, ειδικά για την περίπτωση που ακολουθεί αλλαγή κατεύθυνσης της ροής και κατάντι του αγωγού µέτρησης [Blevins, 2003]. Μήκη αυτής της τάξης µεγέθους δεν είναι διαθέσιµα σε καµία θέση της πειραµατικής διάταξης που χρησιµοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας µελέτης. Για το λόγο αυτό, οι διατοµές µέτρησης παροχής Σελ.84

119 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα επιλέχτηκαν σε θέσεις των αεραγωγών στις οποίες τα µήκη ανάπτυξης, αν και µικρότερα των τυπικά απαιτούµενων, θεωρούνται επαρκή. Για την επιβεβαίωση των µετρούµενων τιµών της παροχής, έγιναν µετρήσεις πτώσης πίεσης στον εναλλάκτη στο ρεύµα προσαγωγής και απαγωγής και σύγκριση µε τις αντίστοιχες τιµές που προκύπτουν από το διάγραµµα του κατασκευαστή, το οποίο παρουσιάζεται στη συνέχεια του κεφαλαίου (σχ. 4.11). Η σύγκριση των µετρούµενων τιµών πτώσης πίεσης µε τις αντίστοιχες τιµές που προβλέπει ο κατασκευαστής, για τη συγκεκριµένη παροχή, είναι ικανοποιητική και επιβεβαιώνει έµµεσα την ακρίβεια µέτρησης της παροχής που προαναφέρθηκε (βλέπε 4.3.4). Αντίστοιχη µέτρηση και σύγκριση µε τις τιµές που προβλέπει ο κατασκευαστής για τον υγραντήρα δεν είναι δυνατή, καθώς, όπως θα αναλυθεί στη συνέχεια (βλέπε ), ο κατασκευαστής παρέχει πληροφορία µόνο για σηµαντικά υψηλότερη παροχή λειτουργίας από αυτή που διαπιστώθηκε πειραµατικά. (σχ. 4.14). Για την περίπτωση του τροχού, όπως θα αναλυθεί στην επόµενη ενότητα ( ), οι τιµές της πτώσης πίεσης µεταξύ των δύο ρευµάτων δεν είναι αξιόπιστες για την εκτίµηση της παροχής, λόγω της ανάµιξης των δύο ρευµάτων. Αξίζει να σηµειωθεί ότι ο προσδιορισµός της παροχής σε αντίστοιχες εφαρµογές είναι θεωρητικά δυνατό να πραγµατοποιηθεί από την καµπύλη λειτουργίας του ανεµιστήρα, µέσω της µέτρησης της αύξησης της στατικής πίεσης της ροής διαµέσου του ανεµιστήρα. Ωστόσο, στην περίπτωση της πειραµατικής διερεύνησης της εργασίας δεν ήταν δυνατή η εφαρµογή της µεθόδου αυτής καθώς δεν ήταν διαθέσιµα από τον κατασκευαστή τα σηµεία στα οποία έχουν βαθµονοµηθεί οι ανεµιστήρες Έλεγχος ισότητας παροχών αέρα στα ρεύµατα προσαγωγής και απαγωγής Για τη διαπίστωση της ισότητας µεταξύ των ρευµάτων προσαγωγής και απαγωγής, ώστε η διάταξη να θεωρείται ισοσταθµισµένη, µετρήθηκε η πτώση πίεσης στα ρεύµατα προσαγωγής και απαγωγής στον τροχό αφύγρανσης και στη διάταξη υγραντήρα - εναλλάκτη αέρα - αέρα. Τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται στον πίν Παροχή αέρα [m 3 /h] p [Pa], Ρεύµα προσαγωγής p [Pa], Ρεύµα απαγωγής Πίνακας 4.1α - Μετρούµενη πτώση πίεσης σε εναλλάκτη αέρα - αέρα και υγραντήρα Σελ.85

120 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Παροχή αέρα [m 3 /h] p [Pa], Ρεύµα προσαγωγής p [Pa], Ρεύµα απαγωγής Πίνακας 4.1β - Μετρούµενη πτώση πίεσης στον τροχό αφύγρανσης Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα (πιν. 4.1α), η διαφορά της πτώσης πίεσης µεταξύ των δύο ρευµάτων για τη διάταξη εναλλάκτη - υγραντήρα κυµαίνεται στα όρια της αβεβαιότητας της µέτρησης (βλέπε 4.3.4). Με δεδοµένο ότι δεν συντρέχει ιδιαίτερος λόγος για την ανάµιξη µεταξύ των δύο ρευµάτων της διάταξης αυτής, οι διαφορές στις τιµές της πτώσης πίεσης µπορούν να αποδοθούν σε ενδεχόµενες µικρές διαφορές στη µορφολογία των συσκευών. Συνεπώς µπορεί να θεωρηθεί ότι η διάταξη είναι ισοσταθµισµένη σε ικανοποιητικό βαθµό, όσον αφορά στην παροχή που διέρχεται από τη διάταξη εναλλάκτη αέρα - υγραντήρα, στα δύο ρεύµατα. Οσον αφορά στον τροχό αφύγρανσης, οι διαρροές αέρα από το ρεύµα προσαγωγής στο ρεύµα απαγωγής ή το αντίστροφο, αποτελούν ένα από τα βασικά προβλήµατα της λειτουργίας συστηµάτων µε τροχό αφύγρανσης [Bharathan et al, 1987]. Όπως ήδη αναφέρθηκε, η ανάµιξη των δύο ρευµάτων διαµέσου του τροχού δεν επιτρέπει την αξιόπιστη µέτρηση της παροχής µε τη βοήθεια της πτώσης πίεσης. Η ύπαρξη των διαρροών µπορεί, εξάλλου, να εξηγήσει τις διαφορές που παρουσιάζονται στον πιν. 4.1β για τον τροχό. Για την αποφυγή των διαρροών αέρα στον τροχό αφύγρανσης, θα πρέπει να ληφθεί από τον εγκαταστάτη, παράλληλα µε τον κατασκευαστή, µέριµνα στη µόνωση µεταξύ των δύο ρευµάτων. Στην περίπτωση της πειραµατικής διάταξης της εργασίας, τοποθετήθηκε πρόσθετη µόνωση στο χώρο µεταξύ των δύο ρευµάτων, καθώς αρχικά ο τροχός παρουσίαζε την εικόνα της φωτ Σηµαντική για τη µείωση της διαρροής αέρα µεταξύ των δύο ρευµάτων είναι και η επιλογή της θέσης των ανεµιστήρων. Στο σχ. 4.8 παρουσιάζεται η θέση των ανεµιστήρων της πειραµατικής διάταξης, τονίζοντας ότι η τοποθέτησή τους εκατέρωθεν του τροχού αφύγρανσης λειτουργεί στην κατεύθυνση εξισορρόπησης της πίεσης που ασκούν, και εποµένως στην αποφυγή δηµιουργίας διαρροής αέρα µεταξύ των περιοχών προσαγωγής και αναγέννησης του τροχού. Όσον αφορά στη θέση των ανεµιστήρων, συστήνεται αποφυγή της τοποθέτησης του κινητήρα του ανεµιστήρα προσαγωγής στη θέση εξόδου του αέρα προς το χώρο. Με τον τρόπο αυτό εξαλείφεται η περίπτωση διοχέτευσής της θερµότητας του κινητήρα του Σελ.86

121 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα ανεµιστήρα (όταν αυτός βρίσκεται εντός του ρεύµατος του αέρα) στον παρεχόµενο στο χώρο αέρα. Αν και η µέριµνα αυτή δεν λήφθηκε στην πειραµατική διάταξη, σχετική διερεύνηση έδειξε ότι η επίδραση του φαινοµένου αυτού στη συγκεκριµένη εγκατάσταση είναι αµελητέα, διαπίστωση που συνδέεται µε το µικρό µέγεθος της εγκατάστασης και τη συνεπαγώµενη µικρή ισχύ ψύξης του κινητήρα. ιαρροή αέρα ιαρροή αέρα Φωτογραφία Προβληµατική µόνωση ρευµάτων αέρα στον τροχό αφύγρανσης Υγραντήρας Αφυγραντικός τροχός Απαγωγή Κτίριο Προσαγωγή Περιβάλλον Υγραντήρας Εναλλάκτης αέρα - αέρα Θερµική πηγή Σχήµα Θέση ανεµιστήρων στην πειραµατική διάταξη Σελ.87

122 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος ΣΕΝΑΡΙΑ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗΣ Οι παράγοντες που επιδρούν στη λειτουργία του συστήµατος είναι (για τoυς δείκτες υποσηµείωσης των επιλεγµένων θέσεων µελέτης στο σύστηµα βλ. σχ. 4.1): - η θερµοκρασία και η απόλυτη υγρασία του περιβάλλοντος (t 1, w 1 ), - η θερµοκρασία και η απόλυτη υγρασία του εσωτερικού αέρα του κτιρίου (t 6, w 6 ), - η θερµοκρασία και η απόλυτη υγρασία του ρεύµατος αναγέννησης του τροχού (t 9, w 9 ), - η λειτουργία ή όχι υγραντήρων (προσαγωγής/απαγωγής), - η παροχή των ρευµάτων αέρα (το σύστηµα είναι ισοσταθµισµένο), - η ταχύτητα περιστροφής του τροχού. Ανάλογα µε τις τιµές των παραπάνω παραµέτρων, καθορίζεται η τιµή της θερµοκρασίας και της απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του συστήµατος προς το κτίριο (t 5, w 5 ). Στην περίπτωση της παρούσας διερεύνησης, από το σύνολο των παραµέτρων που µόλις αναφέρθηκαν, αυτές που επιδέχονται ρύθµιση, και ως εκ τούτου καθορίζουν τα σενάρια λειτουργίας, είναι η παροχή αέρα, η θερµοκρασία αναγέννησης και η λειτουργία ή όχι των υγραντήρων. Ειδικότερα, στα πλαίσια της παρούσας πειραµατικής διερεύνησης: - πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις σε τρεις παροχές αέρα: 600 m 3 /h, 1000 m 3 /h και 1200 m 3 /h, - υιοθετήθηκε η προεπιλεγµένη από τον κατασκευαστή ταχύτητα περιστροφής του τροχού αφύγρανσης (6 rph), ενώ πραγµατοποιήθηκαν και περιορισµένες µετρήσεις σε ταχύτητα περιστροφής 3 rph, - η θερµοκρασία αναγέννησης κυµάνθηκε µεταξύ o C, διάστηµα συµβατό µε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του τροχού αφύγρανσης και µε τις θερµοκρασιακές επιδόσεις ενός τυπικού θερµικού ηλιακού συστήµατος, - µελετήθηκε η λειτουργία του συστήµατος µε τον υγραντήρα απαγωγής σε λειτουργία ή απενεργοποιηµένο, - µελετήθηκε η λειτουργία του συστήµατος µε τον υγραντήρα προσαγωγής σε λειτουργία ή απενεργοποιηµένο. Θα πρέπει να σηµειωθεί, όπως αναλύθηκε και στην περιγραφή του µετρητικού συστήµατος (βλέπε 4.3.2), ότι σε περίπτωση που λειτουργεί ο υγραντήρας προσαγωγής δεν είναι Σελ.88

123 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα δυνατή η µέτρηση της απόδοσης του τροχού σε αφύγρανση. Από την άλλη, η εκτέλεση του σεναρίου αυτού είναι αναγκαία για τη µελέτη της συµπεριφοράς του συνολικού συστήµατος ως προς την κάλυψη του αισθητού φορτίου. Συνοψίζοντας, τα βασικά σενάρια λειτουργίας της πειραµατικής διερεύνησης, όπως αυτά διαµορφώνονται από την επιλογή λειτουργίας ή όχι των υγραντήρων, είναι τα εξής: - σενάριο αφύγρανσης: υγραντήρες σε µη λειτουργία, - σενάριο µερικής ψύξης: υγραντήρας απαγωγής σε λειτουργία, υγραντήρας προσαγωγής σε µη λειτουργία, - σενάριο ψύξης: υγραντήρες σε λειτουργία. Κατά την εκτέλεση των σεναρίων αυτών πραγµατοποιείται ρύθµιση της κατάλληλης τιµής παροχής αέρα και θερµοκρασίας αναγέννησης, ώστε να επιτευχθεί η µελέτη του συστήµατος στο µέγιστο δυνατό εύρος συνθηκών λειτουργίας. Στο σηµείο αυτό είναι ενδιαφέρον να συζητηθούν ορισµένα ποιοτικά στοιχεία για την επίδραση των παραµέτρων που προαναφέρθηκαν στην ικανότητα του συστήµατος για κάλυψη αισθητού και λανθάνοντος φορτίου, αποσκοπώντας κυρίως στην κατανόηση και ερµηνεία των πειραµατικών αποτελεσµάτων. Ειδικά για τον τροχό αφύγρανσης, χρησιµοποιήθηκαν στοιχεία από ανάλυση ευαισθησίας που πραγµατοποιήθηκε µε το λογισµικό του κατασκευαστή και η οποία παρατίθεται στο παράρτηµα ΙΙΙ. Τα στοιχεία αυτά µπορούν να συνοψιστούν ως ακολούθως: - Η αύξηση της θερµοκρασίας αναγέννησης επιδρά θετικά στην ικανότητα του τροχού σε αφύγρανση, µε αποτέλεσµα η λειτουργία σε υψηλά επίπεδα, ακόµα και σε θερµοκρασίες µεγαλύτερες των 80 ο C, να αυξάνει την ικανότητα του συστήµατος σε κάλυψη λανθάνοντος φορτίου. - Ο υγραντήρας απαγωγής επιδρά θετικά στην ψυκτική ικανότητα του συστήµατος, µέσω της ψύξης του αέρα επιστροφής από το κτίριο. Από την άλλη όµως, η λειτουργία του αυξάνει την υγρασία του ρεύµατος αναγέννησης του τροχού, µε αποτέλεσµα να επέρχεται σχετική µείωση της ικανότητας αφύγρανσης του τροχού και, κατ επέκταση, της ψυκτικής ικανότητας του συστήµατος. - Ο υγραντήρας προσαγωγής επιδρά θετικά στην ψυκτική ικανότητα του συστήµατος, καθώς ψύχει τον αέρα προσαγωγής, παράλληλα όµως αυξάνει την υγρασία του, µε αποτέλεσµα να µειώνει την ικανότητα του συστήµατος σε κάλυψη λανθάνοντος φορτίου. - Η αύξηση της παροχής αέρα µειώνει την ικανότητα του τροχού σε αφύγρανση, σύµφωνα µε τα τεχνικά χαρακτηριστικά αυτού. Από την άλλη, υψηλότερη παροχή Σελ.89

124 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 συνεπάγεται µεγαλύτερη ποσότητα εισαγόµενου αέρα στο κτίριο και κατά συνέπεια δυνατότητα κάλυψης υψηλότερου φορτίου. Σε κάθε περίπτωση, όπως προκύπτει και από τα παραπάνω, η κατεύθυνση προς την οποία επιδρά η µεταβολή της µιας ή της άλλης παραµέτρου δεν είναι προφανής, καθώς εµφανίζονται αλληλοσυγκρουόµενες επιδράσεις µεταξύ διαφορετικών παραµέτρων ή ακόµα και όσον αφορά στην επίδραση µιας παραµέτρου. Η παρατήρηση αυτή ενισχύει τη χρησιµότητα ανάπτυξης ενός µοντέλου, το οποίο και θα βοηθήσει στη συστηµατική διερεύνηση της επίδρασης των παραµέτρων λειτουργίας για συνθήκες ή ακόµα και για διαµορφώσεις συστηµάτων οι οποίες δεν είναι δυνατόν να καλυφθούν στο σύνολο τους από την πειραµατική διερεύνηση. Σχετικά µε το εύρος των συνθηκών της πειραµατικής διερεύνησης, οι οποίες περιλαµβάνουν τις ρυθµιζόµενες παραµέτρους που αναφέρθηκαν αµέσως παραπάνω, αλλά κυρίως τις µη ελεγχόµενες κλιµατικές συνθήκες, η πειραµατική έρευνα είχε ως στόχο τη διερεύνηση της λειτουργίας ενός πραγµατικού συστήµατος, υποκείµενου σε πραγµατικές συνθήκες λειτουργίας. Φυσικά το εύρος τους θα είναι σχετικά περιορισµένο, ειδικά συγκρινόµενο µε αντίστοιχη προσέγγιση σε ελεγχόµενο εργαστηριακό περιβάλλον. Σε κάθε περίπτωση, για την πληρότητα και ισχύ του µοντέλου επιχειρήθηκε να καλυφθεί το µέγιστο δυνατό εύρος συνθηκών που να αντιστοιχεί στις πλέον συνήθεις συνθήκες κλιµατισµού. Κατά το µεγαλύτερο µέρος της πειραµατικής διερεύνησης, τα σενάρια εφαρµόστηκαν για χρονικό διάστηµα ικανό να φθάσει το σύστηµα σε σταθερή κατάσταση λειτουργίας, ώστε να µπορούν να εξαχθούν ασφαλή συµπεράσµατα για τις δυνατότητές του σε κάλυψη φορτίων. Ειδικότερα επιλέχτηκε η πρακτική εφαρµογής δύο σεναρίων λειτουργίας κατά τη διάρκεια της ηµέρας: αρχικά και µέχρι το µέσο της ηµέρας εφαρµογή του σεναρίου αφύγρανσης (οι υγραντήρες σε κατάσταση µη λειτουργίας) και στη συνέχεια του σεναρίου µερικής ψύξης (θέση σε λειτουργία του υγραντήρα απαγωγής), (σχ. 4.9). Με τον τρόπο αυτό επιτεύχθηκε: - η µελέτη της συµπεριφοράς του τροχού αφύγρανσης σε χαµηλή και υψηλή υγρασία αναγέννησης, καθώς το επίπεδο της υγρασίας αναγέννησης επηρεάζεται σηµαντικά από τη λειτουργία του υγραντήρα απαγωγής, σε καθηµερινή βάση, - η µελέτη της συµπεριφοράς του υγραντήρα απαγωγής σε καθηµερινή βάση, ο οποίος επιλέχτηκε να αποτελέσει τη συσκευή υγραντήρων προς µελέτη λόγω της θέσης του στη διάταξη. Σελ.90

125 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Σενάριο αφύγρανσης Σενάριο µερικής ψύξης Πρωί (έναρξη λειτουργίας) Μεσηµέρι Απόγευµα (λήξη λειτουργίας) Σχήµα Χρονικό διάγραµµα εφαρµογής σεναρίων πειραµατικής διερεύνησης Σε περίπτωση που ενδιέφερε τη διερεύνηση της συγκεκριµένης ηµέρας και η µελέτη της λειτουργίας του συστήµατος στο σενάριο ψύξης (λειτουργία και του υγραντήρα προσαγωγής), επιλέχτηκε η εφαρµογή του συγκεκριµένου σεναρίου συνήθως µετά το σενάριο µερικής ψύξης, µε σχετική σύντµηση της χρονικής διάρκειας των δύο προηγούµενων σεναρίων. Παράλληλα, στη διάταξη πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις µε στόχο τη διερεύνηση της συµπεριφοράς του συστήµατος σε µεταβατική κατάσταση, εστιάζοντας τόσο στα υποσυστήµατα όσο και στο πλήρες σύστηµα ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Η ανάλυση της λειτουργίας των υποσυστηµάτων που παρουσιάζεται στην ενότητα αυτή, αναφέρεται σε τυπική ηµέρα λειτουργίας. Η χρήση του όρου τυπική υποδηλώνει ότι η µέρα αυτή αντιπροσωπεύει το σύνολο των διαθέσιµων µετρήσεων, και τα συµπεράσµατα της διερεύνησης δεν θα άλλαζαν αν επιλεγόταν µια διαφορετική ηµέρα. Η επιλεγόµενη ηµέρα περιλαµβάνει τη διαδοχική εφαρµογή των σεναρίων αφύγρανσης και µερικής ψύξης, για παροχή των ρευµάτων αέρα 600 m 3 /h Εναλλάκτης αέρα - αέρα Για τη διερεύνηση της λειτουργίας του εναλλάκτη αέρα - αέρα, και µε δεδοµένο ότι το σύστηµα µπορεί να θεωρηθεί ισοσταθµισµένο ως προς την παροχή αέρα (βλέπε 4.3.5), είναι δυνατό να χρησιµοποιηθούν οι εξ. 3.2α, 3.2β. Τα εµπλεκόµενα µεγέθη είναι οι θερµοκρασίες στις θέσεις εισόδου και εξόδου, στο ρεύµα προσαγωγής και απαγωγής. Στο σχ. 4.10, παρουσιάζονται τα µεγέθη της θερµοκρασίας για τον εναλλάκτη, καθώς και ο συντελεστής ενεργειακής απόδοσης (υπολογιζόµενος στη βάση του ρεύµατος προσαγωγής, εξ. 3.2α) κατά τη διάρκεια τυπικής ηµέρας λειτουργίας. Σελ.91

126 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Κατά τη λειτουργία διακρίνονται τρεις φάσεις. Οι φάσεις αυτές είναι: - Φάση Α: µεταβατική συµπεριφορά εναλλάκτη - Φάσεις Β, Γ: σταθερή κατάσταση λειτουργίας εναλλάκτη Η φάση Α είναι αρκετά σύντοµη και σχετίζεται µε το χρόνο που χρειάζεται ο εναλλάκτης να υπερκεράσει τα φαινόµενα θερµικής αδράνειας και να αποκτήσει την ανάλογη µε τις συνθήκες ενεργειακή απόδοση. Μετά το πέρας της φάσης Α, αν και συνεχίζουν να µεταβάλλονται τα µεγέθη της θερµοκρασίας, ο συντελεστής ενεργειακής απόδοσης εµφανίζει αρκετά σταθερή συµπεριφορά. t [ o C] Α Β Γ t7 t8 t3 t4 ηhx ηhx [-] 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 ώρα [ω:λλ] Σχήµα Θερµοκρασία σε διάφορες θέσεις του εναλλάκτη αέρα - αέρα και ενεργειακή απόδοση κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας Οι φάσεις Β και Γ διαχωρίζονται στη χρονική θέση έναρξης λειτουργίας του υγραντήρα απαγωγής, όπως αυτή σηµατοδοτείται και από τη µείωση της θερµοκρασίας εισόδου του ρεύµατος απαγωγής (t 3 ). Αντίστοιχα, µεταβάλλεται ελαφρά και η ενεργειακή απόδοση, όπως φαίνεται στο σχ Στο σχ παρατίθεται η καµπύλη απόδοσης του κατασκευαστή (ο εναλλάκτης που χρησιµοποιήθηκε είναι ο GS62, πλάτους 350 mm). Για τη συγκεκριµένη εφαρµογή έχουν χρησιµοποιηθεί δύο εναλλάκτες παράλληλα συνδεδεµένοι, µε το συνολικό πλάτος να είναι 700 mm και, κατά συνέπεια, η πραγµατική παροχή αέρα είναι διπλάσια αυτής που παρουσιάζεται στο εν λόγω γράφηµα. Επιπρόσθετα αξίζει να σηµειωθεί ότι αν και ο κατασκευαστής δίνει εύρος λειτουργίας του εναλλάκτη m 3 /h, στοιχεία για την απόδοσή του δίνει στην περιοχή m 3 /h. Σελ.92

127 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Η µορφή της καµπύλης του κατασκευαστή παραπέµπει σε περιοχή λειτουργίας (όσον αφορά στην εξάρτηση από την παροχή) όπου η τιµή του η hx είναι σχετικά σταθερή, σε συµφωνία µε τη θεωρητικά προβλεπόµενη συµπεριφορά του εναλλάκτη (βλέπε 3.2). Σε επίπεδο τιµών, η τιµή της απόδοσης που προτείνει ο κατασκευαστής (σχ. 4.11) κυµαίνεται στο διάστηµα 80-85%, συµφωνεί δηλαδή καταρχήν µε την τιµή που προκύπτει για τη συγκεκριµένη ηµέρα µέτρησης που παρουσιάζεται στην ενότητα αυτή. Παροχή αέρα Πλάτος εναλλάκτη [mm] Απόδοση [%] Πτώση πίεσης Σχήµα Καµπύλη κατασκευαστή για την απόδοση του εναλλάκτη αέρα - αέρα Σύµφωνα µε την πειραµατική ανάλυση που µόλις παρουσιάστηκε για τον εναλλάκτη, µπορεί να διατυπωθεί ότι τα µεταβατικά φαινόµενα λειτουργίας δεν είναι σηµαντικά, καθώς σε πολύ σύντοµο χρονικό διάστηµα η απόδοση σταθεροποιείται. Μέσω της στατιστικής επεξεργασίας του συνόλου των µετρήσεων που παρουσιάζεται στη συνέχεια τoυ κεφαλαίου (βλέπε 4.5.2), θα διερευνηθεί η συµπεριφορά της απόδοσης του εναλλάκτη σε σταθερή κατάσταση λειτουργίας, και ειδικότερα θα εξεταστεί αν ισχύει η υπόθεση Σελ.93

128 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 σταθερής τιµής για την απόδοση του εναλλάκτη στο εύρος συνθηκών λειτουργίας της πειραµατικής διερεύνησης. Παράλληλα θα δοθεί η δυνατότητα για σύγκριση των πειραµατικών αποτελεσµάτων µε την καµπύλη απόδοσης του κατασκευαστή Υγραντήρας απαγωγής Τα µεγέθη που υπεισέρχονται στη λειτουργία του υγραντήρα (βλέπε και 3.3) είναι η θερµοκρασία και η απόλυτη υγρασία στην είσοδο και έξοδό του, καθώς και η παροχή του ρεύµατος αέρα. Βεβαίως, στην ανάλυση λειτουργίας που παρατέθηκε στις σχετικές ενότητες, υπεισέρχονται και µεγέθη όπως η θερµοκρασία υγρού βολβού και η υγρασία κορεσµένου αέρα, οι τιµές των οποίων υπολογίζονται από τη θερµοκρασία και την απόλυτη υγρασία σύµφωνα µε τις σχέσεις που παρουσιάζονται στο Παράρτηµα ΙΙ. Στο σχ. 4.12α παρουσιάζεται η θερµοκρασία και η απόλυτη υγρασία κατά τη διάρκεια µιας τυπικής ηµέρας λειτουργίας, στο σχ. 4.12β η θερµοκρασία υγρού βολβού, ενώ αντίστοιχα στο σχ. 4.12γ παρουσιάζονται οι συντελεστές απόδοσης, ως προς τη θερµοκρασία και την υγρασία, όπως ορίστηκαν στην t6 t [ o C] t7 w6 w w [g/kg] Α Β 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18: ώρα [ω:λλ] Σχήµα 4.12α - Θερµοκρασία και απόλυτη υγρασία στην είσοδο και έξοδο του υγραντήρα απαγωγής κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας Σελ.94

129 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα twb6 t [ o C] twb7 twb t [ o C] Α Β 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18: ώρα [ω:λλ] Σχήµα 4.12β - Θερµοκρασία υγρού βολβού στην είσοδο και έξοδο του υγραντήρα απαγωγής κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας η [-] ηhum,t ηhum,w Α Β 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 ώρα [ω:λλ] Σχήµα 4.12γ - Απόδοση του υγραντήρα απαγωγής ως προς τη θερµοκρασία και την απόλυτη υγρασία κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας Στα διαγράµµατα διακρίνονται δύο περίοδοι λειτουργίας, που αντιστοιχούν σε µη λειτουργία (φάση Α) και λειτουργία του υγραντήρα (φάση Β). Αναλύοντας τη συµπεριφορά του υγραντήρα στη διάρκεια των φάσεων αυτών, µπορούν να διατυπωθούν τα παρακάτω: - Κατά τη µη λειτουργία του υγραντήρα (φάση Α), αν και η µεταβολή της θερµοκρασίας στην είσοδο και έξοδο είναι µηδενική, δεν ισχύει το ίδιο για την απόλυτη υγρασία (σχ. 4.12α). Ειδικότερα, εµφανίζεται πρόσδοση υγρασίας στο αέριο ρεύµα, η οποία Σελ.95

130 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 συνεπάγεται χαµηλή τιµή του δείκτη απόδοσης ως προς την υγρασία (της τάξης του ). Λεπτοµερέστερη µελέτη του φαινοµένου οδήγησε στο συµπέρασµα ότι η αύξηση της απόλυτης υγρασίας του αέρα δεν οφείλεται σε ύγρανση κατά τη διέλευσή του διαµέσου του υλικού του υγραντήρα, αλλά σε εξάτµιση του νερού στην ελεύθερη επιφάνεια της λεκάνης τροφοδοσίας. εδοµένου ότι το αισθητήριο υγρασίας είναι µετά τη λεκάνη, αντιλαµβάνεται το φαινόµενο αυτό, ενώ δεν συµβαίνει το ίδιο µε το αισθητήριο της θερµοκρασίας, το οποίο βρίσκεται σε θέση πριν τη λεκάνη και αρκετά κοντά στη θέση εξόδου από το πληρωτικό υλικό του υγραντήρα (σχ. 4.13). - Κατά τη λειτουργία του υγραντήρα (φάση Β), η απόδοση ως προς τη θερµοκρασία και υγρασία εµφανίζουν σταθερές τιµές (σχ. 4.12γ). Οι τιµές αυτές δεν είναι ίσες, και αυτό σηµαίνει ότι δεν ισχύει η υπόθεση διατήρησης της θερµοκρασίας υγρού βολβού διαµέσου του υγραντήρα (σχ. 4.12β). Η απόκλιση αποδίδεται σε πιθανές θερµοκρασιακές απώλειες διαµέσου του αµόνωτου µεταλλικού κελύφους του υγραντήρα, ενώ παράλληλα και η θερµοκρασία του νερού δεν ελέγχεται, είτε γιατί αυτό ανανεώνεται, είτε γιατί λαµβάνουν χώρα απώλειες από τη λεκάνη προς το περιβάλλον. Το φαινόµενο των θερµικών απωλειών εξηγεί και τη χαµηλότερη τιµή της απόδοσης ως προς τη θερµοκρασία σε σχέση µε την αναµενόµενη, όπως θα συζητηθεί αµέσως παρακάτω. - Κατά την εκκίνηση του υγραντήρα, δεν εµφανίζεται αξιοσηµείωτη µεταβατική συµπεριφορά και ο υγραντήρας φθάνει άµεσα στην ανάλογη µε τις συνθήκες απόδοση σταθερής κατάστασης λειτουργίας. Σύµφωνα µε τον κατασκευαστή, η θερµοκρασία υγρού βολβού διατηρείται σταθερή διαµέσου του υγραντήρα. Στην καµπύλη απόδοσης του κατασκευαστή (σχ. 4.14) παρουσιάζεται η απόδοση σε όρους απόλυτης υγρασίας ως συνάρτηση της παροχής αέρα. t 6 t 7 w 7 Σχήµα Θέσεις αισθητηρίων µέτρησης υγραντήρα απαγωγής Σελ.96

131 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Ο υγραντήρας της διάταξης είναι ο FA6-95 ( ) και το διάγραµµα ουσιαστικά αποτελείται από τρία επιµέρους: στον οριζόντιο άξονα απεικονίζεται η ταχύτητα του αέρα και στους κατακόρυφους άξονες η αντίστοιχη παροχή, η πτώση πίεσης και η απόδοση του υγραντήρα. Σύµφωνα µε το διάγραµµα ο συντελεστής απόδοσης εµφανίζει αρκετά σταθερή συµπεριφορά και κυµαίνεται µεταξύ 91-94%, ενώ η προτεινόµενη παροχή λειτουργίας κυµαίνεται µεταξύ m 3 /h. p [Pa] Απόδοση υγραντήρα [%] Υγραντήρας πειραµ. διάταξης Υγραντήρας πειραµ. διάταξης Παροχή αέρα [m 3 /s] Υγραντήρας πειραµ. διάταξης Ταχύτητα αέρα [m/s] Σχήµα ιάγραµµα κατασκευαστή για την απόδοση του υγραντήρα Σελ.97

132 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο συντελεστής απόδοσης ως προς την υγρασία κατά τον κατασκευαστή εµφανίζεται υψηλότερος από αυτόν που µετρήθηκε στη διάταξη τη συγκεκριµένη ηµέρα µέτρησης (90-95% έναντι 85%). Η τιµή που µετρήθηκε θεωρείται αρκετά ικανοποιητική για αντίστοιχες διατάξεις, ενώ η απόκλιση µπορεί, εν µέρει τουλάχιστον, να αποδοθεί στη σηµαντικά χαµηλότερη από την προβλεπόµενη από τον κατασκευαστή παροχή του αέρα κατά τη µέτρηση. Μέσω της στατιστικής επεξεργασίας του συνόλου των µετρήσεων, η οποία θα παρουσιαστεί στη συνέχεια του κεφαλαίου (βλέπε 4.5.2), θα διερευνηθεί η συµπεριφορά της απόδοσης του υγραντήρα ως προς τη θερµοκρασία και την απόλυτη υγρασία και ειδικότερα η ισχύς της υπόθεσης σταθερής τιµής των συγκεκριµένων δεικτών απόδοσης, στο εύρος συνθηκών λειτουργίας της πειραµατικής διερεύνησης. Παράλληλα στη βάση της ισότητας των δύο δεικτών απόδοσης θα διερευνηθεί η ισχύς της υπόθεσης σταθερής θερµοκρασίας υγρού βολβού. Οι πειραµατικές τιµές για τους δείκτες απόδοσης θα συγκριθούν µε την καµπύλη απόδοσης του κατασκευαστή. Αν και κατά την εκκίνηση του υγραντήρα τα φαινόµενα µεταβατικής συµπεριφοράς µπορούν να θεωρηθούν αµελητέα, η διαπίστωση αυτή δεν ισχύει κατά τη διακοπή της λειτουργίας του. Όπως παρουσιάζεται και στο σχ για τυπική ηµέρα µέτρησης (παροχή αέρα: 1000 m 3 /h), από τη στιγµή της διακοπής, όπως την αντιλαµβάνεται η θερµοκρασία εξόδου ή η απόδοση ως προς τη θερµοκρασία, απαιτείται χρόνος της τάξης των 30 min προκειµένου να σταµατήσει εντελώς η διεργασία της ψύξης µε εξάτµιση. Στη διάρκεια του µεταβατικού αυτού φαινοµένου η υγρασία του πληρωτικού υλικού µειώνεται σταδιακά, µέχρις ότου αυτό στεγνώσει πλήρως, οπότε και αποκαθίσταται λειτουργία της διάταξης σε σταθερή κατάσταση. t6 t [ o C] t7 ηhum,t ηhum,t [-] :00 11:00 12:00 13:00 14:00 15: ώρα [ω:λλ] Σχήµα Μεταβατική συµπεριφορά υγραντήρα κατά τη διακοπή λειτουργίας Σελ.98

133 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Η εµπειρία από τη λειτουργία του υγραντήρα σε όλο το εύρος συνθηκών των µετρήσεων έδειξε εξάρτηση της διάρκειας της µεταβατικής συµπεριφοράς από την παροχή αέρα. Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι για τη µικρότερη παροχή λειτουργίας των µετρήσεων (600 m 3 /h) η διάρκεια της µεταβατικής λειτουργίας έφθασε τα 45 min, γεγονός που είναι συµβατό µε τα προαναφερθέντα περί µείωσης της υγρασίας του πληρωτικού υλικού Τροχός Αφύγρανσης Τα µεγέθη που υπεισέρχονται στη λειτουργία του τροχού (βλέπε 3.4) είναι η θερµοκρασία και η απόλυτη υγρασία στην είσοδο και έξοδο του ρεύµατος προσαγωγής, τα αντίστοιχα µεγέθη στην είσοδο του ρεύµατος αναγέννησης (απαγωγής) καθώς και η παροχή των ρευµάτων αέρα. Στα σχ. 4.16α γ παρουσιάζονται τα µεγέθη αυτά για µια τυπική ηµέρα λειτουργίας, καθώς και η απόδοση του τροχού σε αφύγρανση και η απόδοση του ως προς τις µεταβλητές συνδυασµένου δυναµικού. t [ o C] t1 t2 t Α Β Γ 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 ώρα [ω:λλ] Σχήµα 4.16α - Θερµοκρασία στην είσοδο και έξοδο του τροχού αφύγρανσης κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας Σελ.99

134 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 w [g/kg] w1 w2 w9 2 0 Α Β Γ 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 ώρα [ω:λλ] Σχήµα 4.16β - Απόλυτη υγρασία στην είσοδο και έξοδο του τροχού κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας n [-] 1.0 ηf1 0.9 ηf2 0.8 ηw ` Α Β Γ 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 ώρα [ω:λλ] Σχήµα 4.16γ - Απόδοση του τροχού αφύγρανσης κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας Σύµφωνα µε το σχ. 4.16γ, διακρίνονται τρεις φάσεις λειτουργίας: η φάση Α κατά την οποία η απόδοση σε αφύγρανση εµφανίζει βαθµιαία µεταβολή, και οι φάσεις Β και Γ κατά τις οποίες η εν λόγω απόδοση εµφανίζει ουσιαστικά σταθερή αλλά διαφορετική συµπεριφορά. Ειδικότερα: Σελ.100

135 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα - Κατά τη φάση Α, όπως προκύπτει από τα διαγράµµατα 4.16α, 4.16β, οι συνθήκες είναι αρκετά σταθερές, µε εξαίρεση την υγρασία στο ρεύµα αναγέννησης (w 9 ), η οποία όµως δεν έχει τόσο σηµαντική επίδραση στην απόδοση όπως θα συζητηθεί αµέσως παρακάτω. Συνεπώς, µπορεί να διατυπωθεί ότι η φάση Α αντιστοιχεί σε µεταβατική λειτουργία. - Κατά τη φάση µεταβατικής λειτουργίας, η συµπεριφορά της απόδοσης ως προς τη συνάρτηση δυναµικού F 2 είναι αντίστοιχη της συµπεριφοράς της απόδοσης σε αφύγρανση η w, ενώ η απόδοση όσον αφορά στη συνάρτηση δυναµικού F 1 παρουσιάζει σταθερή συµπεριφορά. Η παρατήρηση αυτή θα µπορούσε να συνδεθεί και µε τη φυσική ερµηνεία των δύο παραµέτρων, όπως δόθηκε στην 3.4, δεδοµένου ότι η απόδοση ως προς τη συνάρτηση δυναµικού F 2 είναι αντίστοιχη της απόδοσης σε αφύγρανση, ενώ η απόδοση ως προς τη συνάρτηση δυναµικού F 1 συνδέεται µε τον ισενθαλπικό χαρακτήρα της διεργασίας, ο οποίος και δεν επηρεάζεται από τη µεταβατική λειτουργία του τροχού. - Σύµφωνα µε τη συµπεριφορά της απόδοσης σε αφύγρανση, µπορεί να διατυπωθεί ότι οι φάσεις Β και Γ αντιστοιχούν σε σταθερή κατάσταση λειτουργίας. Κατά τη διάρκεια των φάσεων αυτών, οι δείκτες απόδοσης η F, η 1 F εµφανίζουν σχετικά σταθερή 2 συµπεριφορά. Ειδικά η συµπεριφορά του δείκτη η F είναι ανάλογη της συµπεριφοράς 2 της απόδοσης σε αφύγρανση. - Η φάση Β αντιστοιχεί στο σενάριο αφύγρανσης (µη λειτουργία του υγραντήρα απαγωγής), ενώ κατά τη φάση Γ, η οποία αντιστοιχεί στο σενάριο µερικής ψύξης, ο υγραντήρας µπαίνει σε λειτουργία µε αποτέλεσµα να αυξάνεται η υγρασία του ρεύµατος αναγέννησης, επιφέροντας σχετική µείωση στην απόδοση σε αφύγρανση του τροχού. Για τις επιδόσεις του τροχού, δεν υπάρχουν στοιχεία από τον κατασκευαστή. Εντούτοις ο κατασκευαστής παρέχει τεχνική πληροφορία υπό µορφή λογισµικού, βάσει του οποίου είναι δυνατό να γίνει υπολογισµός των τιµών θερµοκρασίας και υγρασίας στην έξοδο του τροχού (ρεύµα προσαγωγής), επιτρέποντας έτσι τη σύγκριση µεταξύ των πειραµατικών και των προβλεπόµενων από τον κατασκευαστή τιµών. Στη συνέχεια (βλέπε 4.5.1) θα διερευνηθεί για σταθερή κατάσταση λειτουργίας του τροχού, µε τη βοήθεια στατιστικής επεξεργασίας των µετρήσεων, εάν ισχύει η υπόθεση σταθερών τιµών για τους συντελεστές απόδοσης η F, η 1 F ανεξάρτητα από τις συνθήκες 2 λειτουργίας (θερµοκρασία, απόλυτη υγρασία και παροχή αέρα), για ίσες παροχές των δύο ρευµάτων και σταθερή ταχύτητα περιστροφής. Σελ.101

136 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Παράλληλα θα συγκριθεί η πειραµατικά εκτιµώµενη συµπεριφορά του τροχού σε σχέση µε την αντίστοιχη συµπεριφορά που προτείνει ο κατασκευαστής, στο επίπεδο των συντελεστών απόδοσης η F, η 1 F, αλλά και των µεγεθών θερµοκρασίας και απόλυτης 2 υγρασίας για το ρεύµα προσαγωγής στην έξοδο του τροχού. Όσον αφορά στη µεταβατική λειτουργία του τροχού, όπως αυτή αντιστοιχεί στη φάση Α, µπορεί να διατυπωθεί ότι κατά την εκκίνηση της λειτουργίας του τροχού µεσολαβεί κάποιο χρονικό διάστηµα µέχρις ότου αυτός υπερκεράσει φαινόµενα θερµικής αδράνειας καθώς και αδράνειας ως προς τη διεργασία της προσρόφησης, και αποκτήσει την αντίστοιχη µε τις συνθήκες λειτουργίας απόδοση (σχ. 4.16γ). Η µορφή των καµπυλών των συντελεστών απόδοσης η w και η F ως προς το χρόνο είναι εκθετική (σχ. 4.16γ) και από τη µελέτη τους 2 µπορούν να εξαχθούν χρήσιµα συµπεράσµατα για τη σταθερά χρόνου του τροχού. Ειδικότερα, στο σχ παρουσιάζεται η εξέλιξη της απόδοσης σε αφύγρανση του τροχού και η αντίστοιχη προσαρµοσµένη εκθετική συνάρτηση για µία τυπική ηµέρα. Από την προσαρµογή της εκθετικής συνάρτησης προκύπτει µια τιµή για τη σταθερά χρόνου ίση µε τ ct = 20 min. η [-] 0.4 εκθετική καµπύλη κανονικοποιηµένη nf2 nw ` :00 12:10 12:20 12:30 12:40 12:50 13:00 13:10 13:20 13:30 13:40 13:50 ώρα [ω:λλ] Σχήµα ιάγραµµα υπολογισµού χρονικής σταθεράς τροχού αφύγρανσης Επιπρόσθετα, στο σχ έχει αναπαρασταθεί και ο συντελεστής απόδοσης ως προς τη συνάρτηση δυναµικού η F, ο οποίος έχει κανονικοποιηθεί και στη συνέχεια 2 πολλαπλασιαστεί µε τη µέγιστη τιµή του συντελεστή απόδοσης σε αφύγρανση ώστε να είναι άµεσα συγκρίσιµες οι τιµές των συντελεστών η F2, n w. Η συµφωνία των καµπυλών των συντελεστών η F και n 2 w είναι πολύ καλή και επιτρέπει την µοντελοποίηση της Σελ.102

137 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα µεταβατικής συµπεριφοράς του τροχού, αξιοποιώντας το προτεινόµενο µοντέλο λειτουργίας σε σταθερή κατάσταση. Ειδικότερα, η εκθετική µεταβολή του η F περιγράφει 2 τη µεταβατική λειτουργία, ενώ όπως σηµειώθηκε από τη µελέτη του τροχού κατά τη φάση Α, ο συντελεστής απόδοσης η F παραµένει σταθερός. 1 Από την επεξεργασία µετρήσεων που πραγµατοποιήθηκε και σε άλλες συνθήκες λειτουργίας, η υπολογιζόµενη τιµή της σταθεράς χρόνου για τον τροχό ουσιαστικά παραµένει σταθερή, επιβεβαιώνοντας την αποκλειστική εξάρτησή της από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του. Στο αντίστροφο πρόβληµα, στην περίπτωση δηλαδή διακοπής της λειτουργίας του τροχού, η φύση του φαινοµένου, η οποία συνδέεται µε την αδράνεια σε θερµικό επίπεδο και επίπεδο διεργασίας προσρόφησης, οδηγεί σε αντίστοιχη συµπεριφορά, όπως επιβεβαιώθηκε και πειραµατικά ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Σενάριο λειτουργίας σε αφύγρανση και µέτρια ψυξη Στα σχ. 4.18α, 4.18β παρουσιάζεται η λειτουργία του συστήµατος σε ηµερήσια βάση. Η επιλεγόµενη ηµέρα λειτουργίας µπορεί να χαρακτηριστεί ως τυπική και περιλαµβάνει την εφαρµογή των σεναρίων αφύγρανσης και µερικής ψύξης, σε παροχή αέρα 1000 m 3 /h. Σύµφωνα µε το σχ. 4.18α: - η θερµοκρασία του περιβάλλοντος παρουσιάζει αύξηση µέχρι τις µεσηµεριανές ώρες (µέγιστη τιµή της τάξης των ο C) και στη συνέχεια µειώνεται µε περίπου αντίστοιχο ρυθµό, - η θερµοκρασία του κτιρίου εµφανίζει αντίστοιχη συµπεριφορά µε τη θερµοκρασία περιβάλλοντος, - η θερµοκρασία αναγέννησης του τροχού έχει ρυθµιστεί στους 70 ο C, - η θερµοκρασία του αέρα που διοχετεύει το σύστηµα στο κτίριο, εµφανίζει σχετικά σταθερή συµπεριφορά µετά την πάροδο περίπου 1 ώρας από την έναρξη λειτουργίας του συστήµατος. Η αρχική περίοδος λειτουργίας σηµειώνεται ως φάση Α, και αντιστοιχεί στη µεταβατική συµπεριφορά του συστήµατος. Συγκρίνοντας τα φαινόµενα µεταβατικής συµπεριφοράς των υποσυστηµάτων, όπως αναλύθηκαν στο κεφάλαιο αυτό, είναι προφανές ότι η χρονική αδράνεια του τροχού αφύγρανσης είναι κυρίαρχη και αναµένεται να καθορίζει και τη συµπεριφορά του συνολικού συστήµατος. Η Σελ.103

138 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 επόµενη φάση, που σηµειώνεται στο διάγραµµα ως φάση Β, αντιστοιχεί σε λειτουργία σταθερής συµπεριφοράς. Μετά τις 15:00 η λειτουργία του συστήµατος, ενώ έχει τεθεί σε λειτουργία ο υγραντήρας απαγωγής, σηµειώνεται ως φάση Γ. t [ o C] Α Β Γ 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 t1 t6 t5 t t9 [ o C] ώρα [ω:λλ] Σχήµα 4.18α - Θερµοκρασία σε διάφορες θέσεις του συστήµατος κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας σε σενάριο αφύγρανσης και µέτριας ψύξης w [g/kg] w1 w6 w5 w9 6 4 I 2 0 Α Β Γ 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 ώρα [ω:λλ] Σχήµα 4.18β - Απόλυτη υγρασία σε διάφορες θέσεις του συστήµατος κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας σε σενάριο αφύγρανσης και µέτριας ψύξης Σελ.104

139 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Αντίστοιχα, στο σχ. 4.18β µπορούν να παρατηρηθούν τα εξής: - η απόλυτη υγρασία του περιβάλλοντος είναι σχετικά σταθερή, - η υγρασία του ρεύµατος αναγέννησης εµφανίζει σε κάποια χρονική στιγµή µια απότοµη αυξητική µεταβολή, η οποία οριοθετεί την έναρξη λειτουργίας του υγραντήρα απαγωγής (φάση Γ), - η διάκριση και διάρκεια των φάσεων λειτουργίας είναι ταυτόσηµη µε αυτή που παρατηρήθηκε και στο διάγραµµα της θερµοκρασίας (σχ. 4.18α) Λειτουργία σε ψύξη Στα διαγράµµατα που ακολουθούν (σχ. 4.19α, 4.19β) παρουσιάζεται η λειτουργία του συστήµατος για ηµέρα η οποία περιλαµβάνει την εφαρµογή του σεναρίου ψύξης για παροχή αέρα 1000 m 3 /h. Η επιλεγόµενη ηµέρα παρουσιάζει ιδιαίτερα υψηλή θερµοκρασία περιβάλλοντος, χαρακτηριστικό το οποίο αξιοποιείται στην ανάλυση για τη διερεύνηση της ικανότητας του συστήµατος σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι κατά τη διάρκεια της µέτρησης, οι περιβαλλοντικές συνθήκες εµφανίζουν ιδιαίτερα ικανοποιητική σταθερότητα. t [ o C] Α Β 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 t1 t6 t5 t9 ώρα [ω:λλ] Σχήµα 4.19α - Θερµοκρασία σε διάφορες θέσεις του συστήµατος κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας σε σενάριο ψύξης Σελ.105

140 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 w [g/kg] w1 w6 w5 w Α Β 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 ώρα [ω:λλ] Σχήµα 4.19β - Απόλυτη υγρασία σε διάφορες θέσεις του συστήµατος κατά τη διάρκεια ηµερήσιας λειτουργίας σε σενάριο ψύξης Κατά τη λειτουργία του συστήµατος διακρίνεται η συνήθης φάση µεταβατικής λειτουργίας (φάση Α) και στη συνέχεια ακολουθεί περίοδος σταθερής συµπεριφοράς, κατά την οποία εφαρµόζεται το σενάριο ψύξης (φάση Β). Tα όρια µεταξύ των φάσεων Α και Β είναι δυσδιάκριτα, και σε αυτό πιθανόν να επιδρά και η βαθµιαία αύξηση της θερµοκρασίας αναγέννησης. Σε κάθε περίπτωση, µετά την έναρξη λειτουργίας του υγραντήρα προσαγωγής, το σύστηµα εµφανίζει σταθερή συµπεριφορά, και εκεί τέθηκε το όριο µεταξύ των δύο φάσεων λειτουργίας. Θα πρέπει να σηµειωθεί, ότι ο υγραντήρας απαγωγής είναι σε λειτουργία καθ όλη τη διάρκεια της µέτρησης, αν και αυτό δεν γίνεται άµεσα αντιληπτό από τα διαγράµµατα. Σε λειτουργία πλήρους ψύξης, η ικανότητα του συστήµατος σε κάλυψη ψυκτικού φορτίου µπορεί να χαρακτηριστεί ως ικανοποιητική (t 5 ~20 o C), δεδοµένων των κλιµατολογικών συνθηκών της συγκεκριµένης ηµέρας, όπου η θερµοκρασία περιβάλλοντος ξεπερνάει τους 40 o C (σχ. 4.19α). Σχετικά µε την ικανότητα σε αφύγρανση του συστήµατος, είναι προφανές ότι η λειτουργία του υγραντήρα προσαγωγής αυξάνει σηµαντικά την υγρασία του προσδιδόµενου στο χώρο ρεύµατος αέρα, µε αποτέλεσµα τελικά το σύστηµα να προσθέτει υγρασία στο χώρο, να λειτουργεί δηλαδή ως σύστηµα ύγρανσης (σχ. 4.19β). Ένα άλλο ζήτηµα που θα απασχολήσει την ανάλυση λειτουργίας του συστήµατος στη βάση του θεωρητικού µοντέλου, είναι η επίδραση της θερµοκρασίας αναγέννησης όταν Σελ.106

141 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα λειτουργεί ο υγραντήρας προσαγωγής, καθώς, όπως φαίνεται στο σχ. 4.19α, η µείωσή της δεν επιφέρει σηµαντική µεταβολή στη συµπεριφορά του συστήµατος κατά τη λειτουργία σε σενάριο ψύξης. Στις περιπτώσεις που παρουσιάστηκαν, η θερµοκρασία του κτιρίου διατηρείται σε υψηλά επίπεδα παρά τη λειτουργία του συστήµατος. Ειδικά για την περίπτωση εφαρµογής σεναρίου ψύξης, αυτή διατηρείται σε υψηλά επίπεδα (ξεπερνάει τους 30 o C), αν και ο προσαγόµενος αέρας είναι σχετικά ψυχρός και η παροχή υψηλή. Θα πρέπει βεβαίως να σηµειωθεί ότι το σύστηµα δεν διαστασιολογήθηκε για να καλύπτει τις ανάγκες κλιµατισµού του συγκεκριµένου κτιρίου, αλλά, αντίστροφα, το κτίριο χρησιµοποιήθηκε για τη φόρτιση του συστήµατος και την παρατήρηση και ανάλυση των φαινοµένων που σχετίζονται µε τη λειτουργία του συστήµατος σε πραγµατικές συνθήκες. Η παρουσία υψηλών φορτίων από πλευράς του κτιρίου θεωρείται συµβατή µε τους στόχους της πειραµατικής διερεύνησης, καθώς παρέχει πληροφορία για τα όρια του συστήµατος ως προς την ικανότητά του σε κάλυψη φορτίων. 4.5 Επιβεβαίωση µοντέλων υποσυστηµάτων και πειραµατικός προσδιορισµός βασικών συντελεστών απόδοσης ΤΡΟΧΟΣ ΑΦΥΓΡΑΝΣΗΣ Η ανάλυση που παρουσιάζεται ευθύς αµέσως αποσκοπεί στο να διερευνήσει την αποτελεσµατικότητα της προτεινόµενης προσέγγισης µοντελοποίησης της λειτουργίας του τροχού αφύγρανσης σε σταθερή κατάσταση. Η συγκεκριµένη προσέγγιση συνίσταται στην υιοθέτηση σταθερών τιµών για τους συντελεστές απόδοσης η F, η 1 F, ανεξάρτητα από τις 2 συνθήκες λειτουργίας. Οι πειραµατικές µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν µε στόχο να εξασφαλιστεί ικανοποιητικό εύρος συνθηκών λειτουργίας, ανάλογο των συνθηκών που χαρακτηρίζουν τις συνήθεις εφαρµογές κλιµατισµού. Οι ακραίες τιµές των συνθηκών λειτουργίας των µετρήσεων παρουσιάζονται στον πιν t 1 [ o C] w 1 [g/kg] t 9 [ o C] w 9 [g/kg] MIN MAX Παροχή αέρα [m 3 /h] Πίνακας Εύρος συνθηκών πειραµατικής διερεύνησης τροχού αφύγρανσης Σελ.107

142 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Από την επεξεργασία των µετρήσεων προκύπτουν, για κάθε παροχή λειτουργίας, οι µέσες τιµές και τυπικές αποκλίσεις των δεικτών απόδοσης του εξεταζόµενου µοντέλου για τον τροχό, οι οποίες και παρουσιάζονται στον πιν Με Ν συµβολίζεται ο αριθµός των µετρήσεων. παροχή αέρα [m 3 /h] N n F1 s(n F1 ) n F2 s(n F2 ) Πίνακας Πειραµατικά προσδιοριζόµενες τιµές των δεικτών απόδοσης του εξεταζόµενου µοντέλου του αφυγραντικού τροχού Οι τυπικές αποκλίσεις είναι σχετικά χαµηλές, και δείχνουν ότι η βασική υπόθεση σταθερών τιµών των συντελεστών απόδοσης είναι καταρχήν αποδεκτή. Η επιβεβαίωση του εξεταζόµενου µοντέλου για τον τροχό είναι δυνατόν να πραγµατοποιηθεί σύµφωνα µε την ακόλουθη διαδικασία (σχ. 4.20): για τις τιµές των µετρούµενων µεγεθών θερµοκρασίας και απόλυτης υγρασίας στην είσοδο του τροχού, τόσο στο ρεύµα προσαγωγής όσο και στο ρεύµα αναγέννησης, και για το ζεύγος προτεινόµενων τιµών των συντελεστών απόδοσης που προέκυψε από την πειραµατική διερεύνηση (πιν. 4.3), υπολογίζονται οι αντίστοιχες τιµές θερµοκρασίας και απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του τροχού στο ρεύµα προσαγωγής. Με τη διαδικασία αυτή, σε κάθε µέτρηση θερµοκρασίας και απόλυτης υγρασίας στις θέσεις εισόδου του τροχού (θέσεις 1,9 στο σχ. 4.1) αντιστοιχεί µια τιµή θερµοκρασίας και απόλυτης υγρασίας στη θέση 2, υπολογιζόµενη µε τη βοήθεια του εξεταζόµενου µοντέλου (σχ. 4.20). t 1j, w 1j t 9j, w 9j Mοντέλο τροχού αφύγρανσης t 2j,cal, w 2j,cal RMSE t t 2j, w 2j RMSE w Σχήµα ιάγραµµα περιγραφής διαδικασίας σύγκρισης πειραµατικών και υπολογιζόµενων από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµών για τον τροχό αφύγρανσης (j =1 Ν) Μια ποσοτική εικόνα της διαφοράς µεταξύ υπολογιζόµενων και πειραµατικών τιµών, για τη θερµοκρασία και απόλυτη υγρασία, µπορεί να αποδοθεί µέσω του δείκτη RMSE (Root Mean Square Error), ο οποίος υπολογίζεται σύµφωνα µε τις εξ. 4.1α, 4.1β [Press et al; 1996]: Σελ.108

143 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα RMSE t = N ( t2 j' t2 j', cal ) j' = 1 N 2 (4.1α) RMSE w = N ( w2 j' w2 j', cal ) j' = 1 N 2 (4.1β) Οι τιµές του δείκτη RMSE, όπως προκύπτουν για τις προτεινόµενες τιµές των συντελεστών απόδοσης του πιν. 4.3, παρουσιάζονται στον πιν παροχή αέρα [m 3 /h] N RMSE t [ o C] RMSE w [g/kg] Πίνακας Τιµές του δείκτη RMSE ως προς τη θερµοκρασία και την απόλυτη υγρασία για το εξεταζόµενο µοντέλο απόδοσης του τροχού αφύγρανσης εδοµένης της ακρίβειας των αισθητήρων που χρησιµοποιούνται στο πείραµα και των συνεπαγόµενων αβεβαιοτήτων για τις συνθήκες των συγκεκριµένων µετρήσεων (βλέπε 4.3.4), οι προκύπτουσες τιµές RMSE µπορούν να θεωρηθούν αρκετά ικανοποιητικές και για τις τρεις τιµές παροχών αέρα. Στα σχ. 4.21α και 4.21β παρουσιάζονται οι πειραµατικά προσδιοριζόµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας και απόλυτης υγρασίας για την παροχή των 600 m 3 /h. Οι τιµές βρίσκονται αρκετά κοντά στην καµπύλη y = x, υποδηλώνοντας την αποτελεσµατική λειτουργία του µοντέλου. Σελ.109

144 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 υπολογιζόµενη θερµοκρασία [ o C] m3/h µετρούµενη θερµοκρασία [ o C] Σχήµα 4.21α - Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (ρεύµα προσαγωγής) για παροχή αέρα 600 m 3 /h (συµπεριλαµβάνεται η γραµµή y = x) υπολογιζόµ. απόλυτη υγρασία [g/kg] m3/h µετρούµενη απόλυτη υγρασία [g/kg] Σχήµα 4.21β - Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (ρεύµα προσαγωγής) για παροχή αέρα 600 m 3 /h Ενδιαφέρον, όµως, παρουσιάζει και η διερεύνηση της επίδρασης της παροχής στο εξεταζόµενο µοντέλο, και πιο συγκεκριµένα, της δυνατότητας υιοθέτησης ενιαίων συντελεστών απόδοσης, ανεξάρτητα από την τιµή της παροχής. Σελ.110

145 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Στη βάση λοιπόν του συνόλου των µετρήσεων (Ν = 107 µετρήσεις), προκύπτουν οι τιµές η = και η = Στα σχ. 4.22α, 4.22β παρουσιάζονται οι F ± 1 F ± 2 πειραµατικές τιµές, συγκρινόµενες µε τις υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές, χρησιµοποιώντας διαφορετικό σύµβολο ανάλογα µε την τιµή της παροχής του εξεταζόµενου σηµείου. Στο σχ. 4.22α, παρατηρείται συστηµατική υποεκτίµηση της θερµοκρασίας από το µοντέλο, της τάξης του 1 o C, για παροχή αέρα της τάξης των 600 m 3 /h. Ακριβώς αντίθετη συµπεριφορά, δηλαδή υπερεκτίµηση της θερµοκρασίας, εµφανίζεται για τιµές παροχής 1000 m 3 /h, ενώ η καλύτερη συµφωνία εµφανίζεται για υψηλές τιµές παροχής (1200 m 3 /h), αν και ο αριθµός των µετρήσεων του δείγµατος της υψηλής παροχής είναι σηµαντικά µικρότερος σε σχέση µε τον αριθµό των µετρήσεων στις δύο άλλες παροχές. Στο επίπεδο της απόλυτης υγρασίας, όπως προκύπτει από το σχ. 4.22β, η συµπεριφορά είναι αρκετά οµοιογενής και ικανοποιητική και για τις τρεις τιµές παροχών. Τα παραπάνω αντανακλώνται στις τιµές του δείκτη RMSE, οι οποίες και είναι για τη θερµοκρασία RMSE t = 1.24 o C και για την υγρασία RMSE w = g/kg. υπολογιζόµενη θερµοκρασία [ o C] m3/h m3/h 1200m3/h µετρούµενη θερµοκρασία [ o C] Σχήµα 4.22α - Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (ρεύµα προσαγωγής) Σελ.111

146 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 υπολογιζόµ. απόλυτη υγρασία [g/kg] m3/h 1000m3/h 1200m3/h µετρούµενη απόλυτη υγρασία [g/kg] Σχήµα 4.22β - Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (ρεύµα προσαγωγής) Με βάση την ανάλυση που µόλις προηγήθηκε, συνυπολογίζοντας τη σχετική µε τις µετρήσεις αβεβαιότητα, όπως εκτιµήθηκε στην 4.3.4, το γεγονός ότι σε αντίστοιχες εφαρµογές ιδιαίτερη βαρύτητα έχει ο παράγοντας της υγρασίας, καθώς και την επιδιωκόµενη ακρίβεια πρόβλεψης του µοντέλου ως εργαλείου σχεδιασµού, εκτιµάται ότι η προσέγγιση των ενιαίων συντελεστών απόδοσης αφύγρανσης περιγράφει ικανοποιητικά τη συµπεριφορά του τροχού, για µεγάλο εύρος τυπικών συνθηκών χρήσης τέτοιων συστηµάτων στην πράξη. Για τον τροχό που µελετήθηκε στη διάταξη, οι προτεινόµενες τιµές των συντελεστών απόδοσης του µοντέλου, όπως προκύπτουν από την πειραµατική ανάλυση είναι η F 1 = και η F 2 = H µελέτη διαφορετικού τροχού αναµένεται να παρουσιάσει ανάλογη συµπεριφορά των συντελεστών απόδοσης, τη δυνατότητα δηλαδή θεώρησης σταθερών τιµών για ένα συγκεκριµένο εύρος συνθηκών λειτουργίας, αν και οι τελικές τιµές θα είναι πιθανότερα διαφορετικές, συγκρινόµενες µε τις τιµές του συγκεκριµένου τροχού της εργασίας. Οι πειραµατικές µετρήσεις µπορούν να συγκριθούν µε τις τιµές που προκύπτουν από τη χρήση του λογισµικού που παρέχει ο κατασκευαστής για την πρόβλεψη των επιδόσεων του τροχού αφύγρανσης. Σύµφωνα µε το σχ. 4.23α, οι τιµές της θερµοκρασίας εµφανίζουν καλή συµφωνία. Αντίστοιχα, σύµφωνα µε το σχ. 4.23β, οι µετρούµενες τιµές απόλυτης υγρασίας Σελ.112

147 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα εµφανίζονται σχετικά υψηλότερες σε σχέση µε τις υπολογιζόµενες από το λογισµικό του κατασκευαστή. υπολογιζόµενη θερµοκρασία [ o C] µετρούµενη θερµοκρασία [ o C] Σχήµα 4.23α - Μετρούµενες και προβλεπόµενες από τον κατασκευαστή τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (ρεύµα προσαγωγής) υπολογιζόµενη απ. υγρασία [g/kg] µετρούµενη απόλυτη υγρασία [g/kg] Σχήµα 4.23β - Μετρούµενες και προβλεπόµενες από τον κατασκευαστή τιµές απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (ρεύµα προσαγωγής) Σελ.113

148 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ως προς την παρατηρούµενη απόκλιση, θα µπορούσε να τονιστεί το γεγονός ότι τα πειράµατα έγιναν σε πραγµατικό σύστηµα, σε µη ελεγχόµενες συνθήκες περιβάλλοντος. Συνεπώς είναι αναµενόµενο να παρατηρηθούν κάποιες διαφορές, σε σχέση µε τις εργαστηριακές συνθήκες που εξασφαλίζει ο κατασκευαστής. Παράλληλα, αν και λήφθηκε σηµαντική µέριµνα, είναι δύσκολο να εξαλειφθεί εντελώς, στο πραγµατικό σύστηµα, το φαινόµενο των διαρροών αέρα µέσω του τροχού [Bharathan et al, 1987], φαινόµενο που επιδρά κυρίως στα υγροµετρικά µεγέθη ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΣ ΑΕΡΑ - ΑΕΡΑ ΚΑΙ ΥΓΡΑΝΤΗΡΑΣ ΑΠΑΓΩΓΗΣ Ανάλογα µε τον τροχό αφύγρανσης πραγµατοποιείται και η ανάλυση για τον εναλλάκτη αέρα - αέρα και τον υγραντήρα απαγωγής. Στην περίπτωση των υποσυστηµάτων αυτών, η διερεύνηση δεν εξετάζει καταρχήν την επίδραση της παροχής αέρα και ως εκ τούτου δεν γίνεται διαχωρισµός των µετρήσεων ανάλογα µε την παροχή µέτρησης. Η υπόθεση αυτή στηρίζεται τόσο στη θεωρητική ανάλυση (βλέπε 3.2 και 3.3), όσο και στη µελέτη των καµπυλών που δίδονται από τους κατασκευαστές (σχ. 4.11, 4.14), καθώς δεν προκύπτει αξιοσηµείωτη εξάρτηση των συντελεστών απόδοσης από την παροχή. Για τις περιόδους λειτουργίας σε σταθερή κατάσταση, υπολογίστηκαν οι µέσες τιµές και τυπικές αποκλίσεις των σχετικών συντελεστών απόδοσης για κάθε υποσύστηµα και παρουσιάζονται στον πιν N η hx s( η hx ) η hum,t s( η hum,t ) η hum,w s( η hum,w ) Εναλλάκτης Υγραντήρας Πίνακας Πειραµατικά προσδιοριζόµενοι δείκτες απόδοσης εναλλάκτη αέρα - αέρα και υγραντήρα Στην ανάλυση του εναλλάκτη, υπεισέρχονται στη διαδικασία επιβεβαίωσης του µοντέλου ως γνωστά µεγέθη, η θερµοκρασία στην είσοδο των ρευµάτων προσαγωγής και απαγωγής, t 3 και t 7 αντίστοιχα. Υπολογίζεται από το εξεταζόµενο µοντέλο η θερµοκρασία t 4 στην έξοδο του ρεύµατος προσαγωγής, µε βάση τον πειραµατικά προσδιοριζόµενο δείκτη απόδοσης, και συγκρίνεται µε την αντίστοιχη τιµή που µετρήθηκε. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι στον εναλλάκτη υπολογίστηκε η απόδοση και ως προς το ρεύµα απαγωγής (εξ. 3.2β). Η διαφορά της µε την τιµή της απόδοσης ως προς το ρεύµα προσαγωγής είναι της τάξης του 1%, µπορεί δηλαδή να µη θεωρηθεί σηµαντική και ως εκ τούτου επιβεβαιώνεται η υπόθεση µηδενικών ή ίσων θερµικών απωλειών για τα δύο Σελ.114

149 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα ρεύµατα προς το περιβάλλον. Παράλληλα επιτρέπει την υιοθέτηση της σχέσης 3.7β για το µοντέλο του εναλλάκτη (βλέπε 3.5.1). Στον υγραντήρα, υπεισέρχονται στο µοντέλο ως γνωστά µεγέθη, η θερµοκρασία και η απόλυτη υγρασία στην είσοδο του (t 6, w 6 ) και µετράται, καθώς και υπολογίζεται από το εξεταζόµενο µοντέλο για τους πειραµατικά προσδιοριζόµενους δείκτες απόδοσης η hum,w και η hum,t, η θερµοκρασία και η απόλυτη υγρασία στην έξοδό του (t 7, w 7 ). Στα σχ και 4.25α, 4.25β παρουσιάζονται τα ζεύγη πειραµατικών και υπολογιζόµενων τιµών θερµοκρασίας στην έξοδο του εναλλάκτη καθώς και θερµοκρασίας και απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του υγραντήρα. Και στην περίπτωση αυτή η σύγκλιση κρίνεται ως ικανοποιητική. Στον πιν. 4.6 παρουσιάζονται οι αντίστοιχες τιµές του δείκτη RMSE, οι οποίες και επιβεβαιώνουν την αποδοτικότητα του εξεταζόµενου µοντέλου για κάθε υποσύστηµα. RMSE t [ o C] RMSE w [g/kg] Εναλλάκτης Υγραντήρας Πίνακας Τιµές RMSE ως προς τη θερµοκρασία και την απόλυτη υγρασία για την αποδοτικότητα των εξεταζόµενων µοντέλων των υποσυστηµάτων της διάταξης υπολογιζόµενη θερµοκρασία [ o C] µετρούµενη θερµοκρασία [ o C] Σχήµα Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του εναλλάκτη αέρα - αέρα (ρεύµα προσαγωγής) Σελ.115

150 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 υπολογιζόµενη θερµοκρασία [ o C] µετρούµενη θερµοκρασία [ o C] Σχήµα 4.25α - Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του υγραντήρα απαγωγής υπολογιζόµενη απ. υγρασία [g/kg] µετρούµενη απόλυτη υγρασία [g/kg] Σχήµα 4.25β - Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του υγραντήρα απαγωγής Σχετικά µε τις προτεινόµενες τιµές από τους κατασκευαστές, στην περίπτωση του εναλλάκτη η συµφωνία είναι πολύ καλή, δεδοµένου ότι η τιµή που προτείνεται περιέχεται στο διάστηµα 80-85%. Στην περίπτωση του υγραντήρα, σε επίπεδο απόδοσης υγρασίας, η απόκλιση από την προτεινόµενη τιµή από τον κατασκευαστή, της τάξης των 90-95%, είναι σχετικά Σελ.116

151 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα µεγαλύτερη. Επισηµαίνεται ωστόσο η αισθητά χαµηλότερη παροχή λειτουργίας στην πειραµατική διάταξη κατά την πραγµατοποίηση των µετρήσεων, σε σχέση µε την προβλεπόµενη από τον κατασκευαστή ονοµαστική τιµή της. Σηµειώνεται επίσης ότι η απόκλιση του συντελεστή απόδοσης θερµοκρασίας, σχετίζεται µε την απόκλιση από τη διεργασία σταθερής θερµοκρασίας υγρού βολβού, κυρίως λόγω θερµικών ανταλλαγών µε το περιβάλλον, όπως συζητήθηκε και στη σχετική ανάλυση για την εµπειρία από τη λειτουργία του συστήµατος (βλέπε ). Το πρόβληµα αυτό µπορεί να αντιµετωπιστεί στην πράξη µε την επαρκή θερµοµόνωση του υγραντήρα. Τελικά για τη µοντελοποίηση του υγραντήρα υιοθετείται η προσέγγιση σταθερής θερµοκρασίας υγρού βολβού, µε απόδοση η = hum ΣΥΝΟΨΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα της πειραµατικής διερεύνησης, προτείνεται η διατύπωση σταθερών τιµών για τους δείκτες απόδοσης των βασικών υποσυστηµάτων της διάταξης, οι τιµές των οποίων παρουσιάζονται στον πιν η hx η hum η F1 η F2 Εναλλάκτης Υγραντήρας Αφυγραντ. Τροχός Πίνακας Πειραµατικά προσδιοριζόµενοι δείκτες απόδοσης υποσυστηµάτων 4.6 Εναλλακτική προσέγγιση για τη µοντελοποίηση του τροχού αφύγρανσηςστη βάση των τεχνικών χαρακτηριστικών Σύµφωνα µε τη θεωρία (βλέπε 3.4) και την µεθοδολογία που ακολουθήθηκε στη συγκεκριµένη ενότητα, οι τιµές των χαρακτηριστικών συντελεστών απόδοσης ενός τροχού θα µπορούσαν να προσδιοριστούν µε βάση ένα περιορισµένο αριθµό πειραµατικών µετρήσεων σε τυπικές συνθήκες λειτουργίας. Στο επίπεδο όµως των πρακτικών εφαρµογών, θα ήταν προφανώς προτιµότερο αυτές οι τιµές να είναι διαθέσιµες στη φάση του σχεδιασµού και να δίνονται από τον κατασκευαστή. υστυχώς οι κατασκευαστές δεν συµπεριλαµβάνουν την πληροφορία αυτή στις τεχνικές προδιαγραφές των προϊόντων τους. ιαθέτουν όµως συχνά λογισµικό υπολογισµού των συνθηκών στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης, ανάλογα µε τις συνθήκες λειτουργίας που εισάγει ο χρήστης. Το λογισµικό αυτό αντλεί συνήθως δεδοµένα από Σελ.117

152 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 συσχέτιση πειραµατικών µετρήσεων σε εργαστηριακή κλίµακα και µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την πραγµατοποίηση σχετικά απλών αριθµητικών πειραµάτων για τον προσδιορισµό των συντελεστών απόδοσης η F, η 1 F. 2 Η υλοποίηση της προσέγγισης αυτής περιγράφεται ευθύς αµέσως για τον τροχό της πειραµατικής διάταξης και για τις συνθήκες λειτουργίας που επικρατούσαν κατά τη διάρκεια των µετρήσεων. Ειδικότερα, για κάθε σειρά των συνθηκών µέτρησης υπολογίζεται το ζεύγος θερµοκρασίας και απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του τροχού σύµφωνα µε το λογισµικό του κατασκευαστή και, στη συνέχεια, υπολογίζονται οι αντίστοιχες τιµές των δεικτών απόδοσης σύµφωνα µε τις εξ. 3.2 και 3.3. Τα αποτελέσµατα είναι η F 1 = και η F 2 = µε τυπικές αποκλίσεις s( η F 1 ) = και s( η F 2 ) = αντίστοιχα. Ανάλογα µε την ανάλυση που πραγµατοποιήθηκε για τη σταθερότητα των συντελεστών απόδοσης η F, η 1 F στη βάση των πειραµατικών µετρήσεων, εξετάζεται η σταθερότητα των 2 συντελεστών που προκύπτουν από τη χρήση του λογισµικού του κατασκευαστή. Τα σχ. 4.26α, 4.26β παρουσιάζουν τις υπολογιζόµενες από το µοντέλο τιµές θερµοκρασίας και απόλυτης υγρασίας στη έξοδο του τροχού, και τις αντίστοιχες τιµές που προβλέπει ο κατασκευαστής. υπολογιζόµενη θερµοκρασία [ o C] m3/h m3/h m3/h προβλεπόµενη από τον κατασκευαστή θερµοκρασία [ o C] Σχήµα 4.26α - Προβλεπόµενες από τον κατασκευαστή και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο (µε τη χρήση των συντελεστών που προκύπτουν από το λογισµικό του κατασκευαστή) τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης Σελ.118

153 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα υπολογιζόµενη απ. υγρασία [g/kg] m3/h 1000m3/h 1200m3/h προβλεπόµενη από τον κατασκευαστή απ. υγρασία [g/kg] Σχήµα 4.26β - Προβλεπόµενες από τον κατασκευαστή και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο (µε τη χρήση των συντελεστών που προκύπτουν από το λογισµικό του κατασκευαστή) τιµές απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης Τα αποτελέσµατα είναι ουσιαστικά όµοια µε τα αποτελέσµατα της αντίστοιχης ανάλυσης στη βάση των πειραµατικών δεδοµένων (σχ. 4.22α, 4.22β). Για το σύνολο των µετρήσεων ο δείκτης RMSE παρουσιάζει τις τιµές: RMSE t = o C και RMSE w = g/kg. Επιβεβαιώνεται συνεπώς η ισχύς της βασικής υπόθεσης του µοντέλου περί σταθερών τιµών για τους συντελεστές απόδοσης οι οποίοι προκύπτουν στη βάση των τιµών που προτείνει ο κατασκευαστής, στο συγκεκριµένο εύρος συνθηκών λειτουργίας που εξετάστηκε. Με δεδοµένη την ισχύ του µοντέλου, τόσο στο επίπεδο των πειραµατικών στοιχείων όσο και στο επίπεδο των τεχνικών χαρακτηριστικών του κατασκευαστή, µπορεί να προταθεί, ως εναλλακτική µέθοδος για τον προσδιορισµό των συντελεστών απόδοσης η F και η 1 F2 του τροχού, η χρήση του λογισµικού του κατασκευαστή. Στην περίπτωση αυτή, ο υπολογισµός µπορεί να γίνει µέσω µιας σχετικά απλής διαδικασίας αριθµητικών πειραµάτων, σε περιορισµένο αριθµό τυπικών σηµείων λειτουργίας του τροχού. Σελ.119

154 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Επιβεβαίωση µοντέλου πλήρους συστήµατος Η επιβεβαίωση του µοντέλου για το πλήρες σύστηµα, το οποίο αναπτύχθηκε σύµφωνα µε την 3.5, πραγµατοποιήθηκε συγκρίνοντας τις πειραµατικές τιµές για τη λειτουργία του συνολικού συστήµατος, σε περιόδους λειτουργίας σταθερής κατάστασης, µε τις αντίστοιχες υπολογιζόµενες τιµές από το µοντέλο. Ειδικότερα, όπως απεικονίζεται στο σχ. 4.27, στο µοντέλο εισάγονται οι τιµές των µετρούµενων µεγεθών τα οποία αφορούν στις συνθήκες περιβάλλοντος, και ειδικότερα στη θερµοκρασία (t 1 ) και στην απόλυτη υγρασία (w 1 ), στη θερµοκρασία αναγέννησης (t 9 ), στις συνθήκες στο εσωτερικό του κτιρίου όσον αφορά στη θερµοκρασία (t 6 ) και στην απόλυτη υγρασία (w 6 ), στην κατάσταση λειτουργίας του κάθε υγραντήρα (ανενεργός όταν a = 0 ή a = 0, ενεργός όταν a = 1 ή a = 1), s καθώς και στη θερµοκρασία αναγέννησης του τροχού αφύγρανσης. Βάσει αυτών υπολογίζονται οι τιµές t 5,cal της θερµοκρασίας και w 5,cal της υγρασίας στο ρεύµα αέρα προσαγωγής, στην είσοδο του κτιρίου, για να συγκριθούν στη συνέχεια µε τις αντίστοιχες πειραµατικές τιµές t 5 και w 5. e s e t 1j /w 1j t 6j /w 6j t 9j a s a e Μοντέλο Συστήµατος t 5j,cal w 5j,cal RMSE t RMSE w t 5j, w 5j Σχήµα ιάγραµµα περιγραφής διαδικασίας σύγκρισης υπολογιζόµενων από το εξεταζόµενο µοντέλο και πειραµατικών τιµών συνολικού συστήµατος (j =1 N) Στα σχ. 4.28α, 4.28β παρουσιάζονται οι τιµές των πειραµατικών και υπολογιζόµενων από το προτεινόµενο µοντέλο τιµών για τη θερµοκρασία και απόλυτη υγρασία αντίστοιχα. εδοµένου ότι η ενεργοποίηση των υγραντήρων επηρεάζει τη συνολική δοµή του µοντέλου, κρίθηκε σκόπιµη η χρήση διακριτών συµβόλων για τα διάφορα σηµεία λειτουργίας του συστήµατος, ανάλογα µε την κατάσταση λειτουργίας του καθενός από αυτούς. Από τα διαγράµµατα προκύπτει ότι η σύγκλιση είναι πολύ ικανοποιητική για το µέγεθος της απόλυτης υγρασίας. Για τη θερµοκρασία παρατηρείται µια σχετική υποεκτίµηση από το µοντέλο, παραπέµποντας σε µια ελαφρά υπερτιµηµένη ψυκτική ικανότητα, της τάξης των 1-2 o C. Τα παραπάνω επιβεβαιώνονται και από τις τιµές του δείκτη RMSE (πιν. 4.8). Σελ.120

155 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα υπολογιζόµενη θερµοκρασία [ o C] υγραντήρες : OFF υγραντήρας απαγωγής : ON υγραντήρες : ΟΝ µετρούµενη θερµοκρασία [ o C] Σχήµα 4.28α - Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του συστήµατος υπολογιζόµ. απόλυτη υγρασία [g/kg] υγραντήρες: OFF υγραντήρας απαγωγής: ON υγραντήρες: ON µετρούµενη απόλυτη υγρασία [g/kg] Σχήµα 4.28β - Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το εξεταζόµενο µοντέλο τιµές απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του συστήµατος εδοµένων των αβεβαιοτήτων που υπεισέρχονται στις µετρήσεις σε ένα πραγµατικό σύστηµα όπως το συγκεκριµένο, καθώς και της επιδιωκόµενης ακρίβειας από αυτού του είδους τα µοντέλα, η σύγκλιση του µοντέλου µπορεί να θεωρηθεί ικανοποιητική. Σελ.121

156 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 N RMSE t [ o C] RMSE w [g/kg] Υγραντήρες: OFF Υγραντ. Απαγωγής: ON Υγραντήρες: ON Όλες οι περιπτώσεις Πίνακας Τιµές δείκτη RMSE για τη θερµοκρασία και την απόλυτη υγρασία στην έξοδο του συστήµατος 4.8 Επιβεβαίωση υποµοντέλων από ανεξάρτητη σειρά µετρήσεων Όπως σηµειώθηκε, η πειραµατική επιβεβαίωση του µοντέλου του συστήµατος και ο πειραµατικός προσδιορισµός των αντίστοιχων συντελεστών απόδοσης βασίστηκε στις µετρήσεις της περιόδου ΙΙ (δεύτερο έτος λειτουργίας). Η διαθεσιµότητα αξιοποιήσιµων µετρήσεων από την περίοδο Ι (πρώτο έτος λειτουργίας), παρέχει τη δυνατότητα επιβεβαίωσης των υποµοντέλων στη βάση ανεξάρτητης σειράς µετρήσεων. Ο όρος ανεξάρτητη χρησιµοποιείται καθώς η σειρά αυτή µετρήσεων δεν συµπεριλήφθηκε στον πειραµατικό προσδιορισµό των συντελεστών απόδοσης. Η επιβεβαίωση γίνεται σε επίπεδο υποµοντέλων καθώς στην περίοδο αυτή οι µετρήσεις εστιάστηκαν στη µελέτη των υποσυστηµάτων ΤΡΟΧΟΣ ΑΦΥΓΡΑΝΣΗΣ Οι µετρήσεις της περιόδου Ι για τον τροχό αφύγρανσης, περιλαµβάνουν µετρήσεις σε δύο παροχές αέρα. Η υψηλή παροχή είναι ουσιαστικά η ίδια ( m 3 /h), στη χαµηλή παροχή όµως υπάρχει ένα πρόβληµα συγκρισιµότητας λόγω της µη ισοσταθµισµένης λειτουργίας του τροχού. Πιο συγκεκριµένα, εµφανίζεται απόκλιση της τάξης του 10%, λόγω υψηλότερης ταχύτητας στο ρεύµα απαγωγής σε σύγκριση µε τις µετρήσεις ταχύτητας για το ρεύµα απαγωγής της περιόδου ΙΙ. Για το λόγο αυτό η χαµηλή παροχή αναφέρεται στην ενότητα αυτή ως 600 * m 3 /h. Το ερώτηµα, που καλείται να απαντήσει η διερεύνηση, αφορά στην καταλληλότητα των ήδη προσδιορισµένων συντελεστών η F 1 = και η F 2 = από τα δεδοµένα της περιόδου ΙΙ, ως προς την ικανότητά τους να περιγράψουν ικανοποιητικά τις µετρήσεις της περιόδου Ι. Η διερεύνηση γίνεται ακολουθώντας όσα εκτέθηκαν στις προηγούµενες παραγράφους. Σελ.122

157 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Τα αποτελέσµατα, όπως αποτυπώνονται στα σχ. 4.29α, 4.29β και στον πιν. 4.9, υποδηλώνουν καλή συµφωνία για την υψηλή παροχή των 1000 m 3 /h, και οδηγούν στο συµπέρασµα πως οι συντελεστές που προσδιορίστηκαν από την πειραµατική ανάλυση περιγράφουν ικανοποιητικά τη συµπεριφορά του τροχού, όπως αυτή παρουσιάζεται από ανεξάρτητο δείγµα µετρήσεων. Στην παροχή των 600 * m 3 /h η απόλυτη υγρασία εµφανίζει επίσης καλή συµφωνία, η θερµοκρασία όµως δείχνει να επηρεάζεται από το γεγονός ότι ο τροχός εµφανίζεται να µην είναι ικανοποιητικά ισοσταθµισµένος όσον αφορά στην παροχή. υπολογιζόµενη θερµοκρασία [ o C] * m3/h m3/h µετρούµενη θερµοκρασία [ o C] Σχήµα 4.29α - Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το προτεινόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του τροχού αφύγρανσης (ρεύµα προσαγωγής) υπολογιζόµενη απ. υγρασία [g/kg] * m3/h 1000m3/h µετρούµενη απόλυτη υγρασία [g/kg] Σχήµα 4.29β - Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το προτεινόµενο µοντέλο τιµές απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του τροχού (ρεύµα προσαγωγής) Σελ.123

158 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 παροχή αέρα [m 3 /h] N RMSE t [ o C] RMSE w [g/kg ] 600 * Πίνακας Τιµές RMSE θερµοκρασίας και απόλυτης υγρασίας ανεξάρτητης σειράς µετρήσεων και τιµών προτεινόµενου µοντέλου αφυγραντικού τροχού ΥΓΡΑΝΤΗΡΑΣ ΑΠΑΓΩΓΗΣ Για την περίπτωση του υγραντήρα απαγωγής χρησιµοποιήθηκαν N = 27 µετρήσεις της περιόδου Ι, εκ των οποίων N = 21 σε υψηλή παροχή αέρα (1000 m 3 /h) και N = 6 σε χαµηλή παροχή (600 m 3 /h). Και στην περίπτωση αυτή το ερώτηµα που τίθεται αφορά στην ικανότητα του προτεινόµενου µοντέλου, όπως αυτό συγκεκριµενοποιείται χρησιµοποιώντας τους ήδη υπολογισµένους συντελεστές απόδοσης η hum, w = και η hum, t = 0. 65, να προβλέψει τις µετρήσεις της περιόδου Ι. Οι τιµές των τυπικών αποκλίσεων είναι RMSE t = o C και RMSE w = g/kg, δείχνοντας πολύ καλή συµφωνία, όπως άλλωστε επιβεβαιώνεται και από τα σχ. 4.30α, 4.30β. υπολογιζόµενη θερµοκρασία [ o C] µετρούµενη θερµοκρασία [ o C] Σχήµα 4.30α - Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το προτεινόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του υγραντήρα απαγωγής Σελ.124

159 Πειραµατική διερεύνηση λειτουργίας συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα υπολογιζόµενη απ. υγρασία [g/kg] µετρούµενη απόλυτη υγρασία [g/kg] Σχήµα 4.30β - Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το προτεινόµενο µοντέλο τιµές απόλυτης υγρασίας στην έξοδο του υγραντήρα απαγωγής ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΣ ΑΕΡΑ - ΑΕΡΑ Στον εναλλάκτη αέρα - αέρα εµφανίζεται το ίδιο ζήτηµα που συναντάται και στον τροχό αφύγρανσης σχετικά µε την ισοστάθµισή του, στη χαµηλή παροχή αέρα των 600 * m 3 /h. Η σύγκριση γίνεται στο επίπεδο της θερµοκρασίας εξόδου και για τα δύο ρεύµατα, καθώς µε τον τρόπο αυτό θα ελεγχθεί η υπόθεση του µοντέλου µε κοινό δείκτη απόδοσης και για τα δύο ρεύµατα. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα που παρουσιάζονται στον πιν και στα σχ. 4.31α, 4.31β, η σύγκλιση είναι πολύ ικανοποιητική και για τις δύο περιπτώσεις παροχών. παροχή αέρα [m 3 /h] N RMSE t_sup [ o C] RMSE t_exh [ o C] 600 * Πίνακας Τιµές RMSE θερµοκρασίας στο ρεύµα προσαγωγής και απαγωγής ανεξάρτητης σειράς µετρήσεων και προτεινόµενου µοντέλου εναλλάκτη αέρα - αέρα Σελ.125

160 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 υπολογιζ. θερµοκρασία [ o C] παροχή 600*m3/h ρεύµα προσαγωγής 25 ρεύµα απαγωγής µετρούµενη θερµοκρασία [ o C] Σχήµα 4.31α - Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το προτεινόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του εναλλάκτη αέρα - αέρα (ρεύµα προσαγωγής και απαγωγής), για παροχή 600 m 3 /h υπολογιζ. θερµοκρασία [ o C] παροχή 1000m 3 /h ρεύµα προσαγωγής ρεύµα απαγωγής µετρούµενη θερµοκρασία [ o C] Σχήµα 4.31β - Μετρούµενες και υπολογιζόµενες από το προτεινόµενο µοντέλο τιµές θερµοκρασίας στην έξοδο του εναλλάκτη αέρα - αέρα (ρεύµα προσαγωγής και απαγωγής), για παροχή 1000 m 3 /h Σελ.126

161 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα 5.1 Εισαγωγή Στην ενότητα αυτή διερευνάται η απόδοση ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα, χρησιµοποιώντας το µοντέλο συµπεριφοράς που αναπτύχθηκε και επικυρώθηκε στα προηγούµενα κεφάλαια. Η αξιοποίηση του µοντέλου δίνει τη δυνατότητα διερεύνησης της συµπεριφοράς του συστήµατος σε σενάρια λειτουργίας τα οποία είναι σχετικά δύσκολο να υλοποιηθούν µε την πειραµατική διάταξη, αναφέροντας χαρακτηριστικά την επίδραση της τυχαίας µεταβολής των κλιµατικών συνθηκών καθώς και κατασκευαστικών περιορισµών της διάταξης. H ανάλυση περιλαµβάνει τη διερεύνηση τόσο σε σταθερές όσο και σε µεταβαλλόµενες συνθήκες λειτουργίας. Μέσω της διερεύνησης σε σταθερές συνθήκες λειτουργίας προσδιορίζονται οι παράµετροι ελέγχου του συστήµατος και διατυπώνονται τα πιθανά σενάρια λειτουργίας για το σύστηµα. Αναδεικνύεται επίσης η σηµασία της υιοθέτησης της έννοιας της περιοχής θερµικής άνεσης για το χώρο, έννοια που επιτρέπει τη διεύρυνση της περιοχής λειτουργίας του συστήµατος και, κατά συνέπεια, βελτιώνει την ικανότητά του να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις του χώρου. Τα συµπεράσµατα αυτά αξιοποιούνται για την ανάπτυξη στρατηγικής ελέγχου των διαφόρων υποσυστηµάτων. Η στρατηγική ελέγχου είναι απαραίτητη για τη λειτουργία του συστήµατος, ενώ παράλληλα αποτελεί αναπόσπαστο στοιχείο του µοντέλου µεταβαλλόµενων συνθηκών λειτουργίας. Τόσο η αποτελεσµατικότητα της στρατηγικής ελέγχου, όσο και η µεθοδολογία προσοµοίωσης της συνολικής διεργασίας, διερευνώνται για σύστηµα κλιµατισµού µε αφύγρανση, ανάλογο, ως προς την αρχιτεκτονική του, µε αυτό που µελετήθηκε πειραµατικά, και κτίριο αντίστοιχο µε αυτό της πειραµατικής διάταξης. Παράλληλα µελετάται η συµπεριφορά του συστήµατος σε σύνδεση µε ηλιακό θερµικό σύστηµα. Στόχος δεν είναι ο λεπτοµερής και ολοκληρωµένος σχεδιασµός του συγκεκριµένου συστήµατος, αλλά η αξιολόγηση των δυνατοτήτων του µοντέλου στην παραµετρική διερεύνηση των επιδόσεων και στο σχεδιασµό παρόµοιων συστηµάτων. Υπό την έννοια αυτή, αυτό που έχει µεγαλύτερη σηµασία στη συζήτηση που αναπτύσσεται στη συνέχεια του κεφαλαίου αυτού δεν είναι τόσο τα συγκεκριµένα αποτελέσµατα αυτά καθαυτά, στο Σελ.127

162 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 βαθµό που αποτελούν συνάρτηση συγκεκριµένων υποθέσεων εργασίας, αλλά η µεθοδολογική προσέγγιση που εφαρµόζεται και τα γενικότερα συµπεράσµατα όσον αφορά στις δυνατότητες παρόµοιων συστηµάτων. 5.2 Παραµετρική διερεύνηση ικανότητας συστήµατος ΚΣΑΜ σε σταθερές συνθήκες λειτουργίας ΑΝΑΛΥΣΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΣΑΜ Τα συστήµατα ΚΣΑΜ αποτελούνται από υποσυστήµατα, η λειτουργία κάθε ενός από τα οποία καθορίζεται από συγκεκριµένες παραµέτρους, µε αποτέλεσµα τα συνολικά συστήµατα να χαρακτηρίζονται πολυπαραµετρικά ως προς τη λειτουργία τους. O αριθµός των παραµέτρων αυξάνει αν τα συστήµατα συνδυαστούν µε ηλιακή θερµική πηγή ενέργειας. Παράλληλα, στον αριθµό των παραµέτρων που επιδρούν στη λειτουργία του συστήµατος, θα πρέπει να προστεθούν οι απαιτούµενες συνθήκες του χώρου και οι περιβαλλοντικές συνθήκες. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι παράµετροι που επιδρούν στην απόδοση του συστήµατος, και αναλύεται ο ρόλος τους στη βάση της θεωρίας, της πληροφορίας που παρέχει η σχετική βιβλιογραφία καθώς και της πειραµατικής διερεύνησης που έχει πραγµατοποιηθεί στην εργασία. Σηµειώνεται ότι για τις ανάγκες της ανάλυσης της ενότητας αυτής, κρίθηκε προτιµότερο η επιλογή των συµβόλων να συνδέεται περισσότερο µε το ρόλο των παραµέτρων, ώστε να είναι ευχερέστερη η ανάγνωση των σχετικών διαγραµµάτων. Ειδικότερα, οι παράµετροι είναι: - η θερµοκρασία αναγέννησης (t reg ), - η ταχύτητα περιστροφής του τροχού αφύγρανσης, - η ταχύτητα περιστροφής του εναλλάκτη αέρα - αέρα (αν είναι περιστρεφόµενου τύπου), - το ποσοστό λειτουργίας των υγραντήρων (a s, a e ), - η παροχή του ρεύµατος αέρα προσαγωγής και απαγωγής, - οι απαιτήσεις για τον κλιµατιζόµενο χώρο (t b, RH b ), - οι περιβαλλοντικές συνθήκες (t a, RH a ). Σελ.128

163 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Σχετικά µε τη σηµασία και τον ρόλο των παραµέτρων αυτών, µπορούν να γίνουν οι ακόλουθες παρατηρήσεις: - Η επίδραση της θερµοκρασίας αναγέννησης στην αποτελεσµατικότητα της διεργασίας της αφύγρανσης είναι ιδιαίτερα σηµαντική. - Η επίδραση της ταχύτητας περιστροφής στην απόδοση του τροχού αφύγρανσης, όπως προκύπτει τόσο από τη θεωρία για τους εναλλάκτες ηµι-άµεσης µεταφοράς θερµότητας περιστρεφόµενου τύπου, όσο και από σχετική ανάλυση που έγινε µε τη βοήθεια του λογισµικού του κατασκευαστή (παράρτηµα Ι), µπορεί να θεωρηθεί ως µη σηµαντική για ένα συγκεκριµένο εύρος λειτουργίας. Αντίστοιχη διαπίστωση ισχύει φυσικά και για τον εναλλάκτη αέρα - αέρα, αν αυτός είναι περιστρεφόµενου τύπου [Kays and London, 1984]. - Το ποσοστό λειτουργίας των υγραντήρων θεωρητικά µπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιµή στο διάστηµα (0,1) (0: µη λειτουργία, 1: πλήρης λειτουργία). Εντούτοις, η τεχνολογία διαβροχής πληρωτικού υλικού, η οποία είναι η συνηθέστερα χρησιµοποιούµενη επιτρέπει τη ρύθµιση του ποσοστού λειτουργίας µόνο στις ακραίες τιµές: 0 ή 1. - Όπως καταδείχθηκε και στην πειραµατική ανάλυση, µπορεί να θεωρηθεί ότι οι παροχές των ρευµάτων αέρα δεν επηρεάζουν ιδιαίτερα την απόδοση των υποσυστηµάτων και κατ επέκταση τη συµπεριφορά του συνολικού συστήµατος, τουλάχιστον για συγκεκριµένο εύρος τιµών. Αντίθετα, ο λόγος των παροχών αέρα µεταξύ των ρευµάτων προσαγωγής και απαγωγής επιδρά στη λειτουργία του συνολικού συστήµατος. Ειδικότερα, στην περίπτωση του εναλλάκτη αέρα - αέρα και του τροχού αφύγρανσης ο λόγος παροχών επηρεάζει τη θερµοκρασία και την υγρασία στις εξόδους των συσκευών, όπως προκύπτει από τα αντίστοιχα ισοζύγια ενέργειας και µάζας. Κατά την πειραµατική διερεύνηση ο εναλλάκτης και ο τροχός αφύγρανσης µελετήθηκαν για λειτουργία σε λόγο παροχών αέρα ίσο µε τη µονάδα, επιλογή που συνιστά γενική πρακτική για τα συστήµατα αυτά, αν και αναφέρονται και περιπτώσεις όπου, για λόγους εξοικονόµησης ενέργειας, επιλέγεται µειωµένη παροχή για το ρεύµα αναγέννησης του τροχού αφύγρανσης της τάξης του 20-40%. - Αν και η παροχή των ρευµάτων αέρα δεν επιδρά στη συµπεριφορά του συστήµατος, εντούτοις επιδρά στη συνεισφορά του συστήµατος στο ενεργειακό ισοζύγιο και στο ισοζύγιο υγρασίας του χώρου. Ως εκ τούτου, η επιλογή της παροχής λειτουργίας του συστήµατος σχετίζεται µε την ικανότητα του συστήµατος να καλύψει τις απαιτήσεις του χώρου τόσο σε αερισµό, όσο και σε επίπεδο αισθητού και λανθάνοντος φορτίου. Στη γενική περίπτωση, οι απαιτήσεις σε αερισµό µπορεί να θεωρηθεί ότι υπερκαλύπτονται από την παροχή που επιλέγεται για την κάλυψη του φορτίου κλιµατισµού, ειδικά για συστήµατα κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα. Σελ.129

164 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Σύµφωνα µε την ASHRAE, για συνήθεις περιπτώσεις λανθάνοντος φορτίου, όπου το ποσοστό του επί του αισθητού δεν ξεπερνάει το 0.25, προτείνεται η επιλογή της παροχής για ένα σύστηµα κλιµατισµού να πραγµατοποιείται στη βάση του αισθητού φορτίου που καλείται να καλύψει το σύστηµα, και ειδικότερα σύµφωνα µε τη σχέση [ASHRAE, 2001]: όπου: 1000 Qsens, b v& air = (5.1) 0.985( t t ) b ld - v& air : η παροχή όγκου του αέρα που εισέρχεται στο κτίριο [m 3 /h] - Q sens,b : το αισθητό φορτίο του κτιρίου [kw] - t b : η θερµοκρασία του εσωτερικού αέρα του κτιρίου [ o C] - t ld : η θερµοκρασία του προσαγώµενου αέρα από το σύστηµα στο κτίριο [ o C] Για συµβατικά συστήµατα κλιµατισµού, η ASHRAE προτείνει παροχή αέρα 75 (m 3 /h)/kw. Η τιµή αυτή αντιστοιχεί, σύµφωνα µε την εξ. 5.1, σε θερµοκρασιακές διαφορές της τάξης των ο C, οι οποίες δεν είναι δυνατόν να επιτευχθούν µε τα συστήµατα ΚΣΑΜ. Για το λόγο αυτό, η πλειοψηφία των εργασιών οι οποίες ασχολούνται µε την εφαρµογή των συστηµάτων ΚΣΑΜ υιοθετεί υψηλότερες τιµές για την παροχή. Ένας δείκτης που συχνά χρησιµοποιείται στις εργασίες αυτές για να εκφράσει την παροχή του αέρα είναι ο λόγος του όγκου του αέρα που εισάγεται στο χώρο σε ωριαία βάση προς τον όγκο του κλιµατιζόµενου χώρου. Συνήθεις τιµές από τη βιβλιογραφία αναφέρουν τιµές του δείκτη αυτού: (3-8) x όγκο κτιρίου [White et al, 2009; Vitte, 2008; Ginestet et al, 2002; Henning, 2001]. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι αν και οι υψηλές τιµές παροχής θεωρούνται ευνοϊκές για την ικανοποίηση των φορτίων του χώρου από το σύστηµα, εντούτοις συνδέονται µε ανεπιθύµητα φαινόµενα θορύβου στους αεραγωγούς και έλλειψη θερµικής άνεσης [ASHRAE, 2001]. Σηµειώνεται ότι στο σύνολο των περιπτώσεων που παρουσιάζονται στη συνέχεια, η παροχή αέρα διατηρείται σταθερή και ίση µε 1200 m 3 /h, εξαιρουµένης φυσικά της περίπτωσης παραµετρικής διερεύνησης ως προς την παροχή (βλέπε 5.2.3). Με δεδοµένα τα χαρακτηριστικά του κτιρίου που υιοθετήθηκε (βλέπε 3.7.1), και το οποίο παρουσιάζει την ίδια επιφάνεια (50 m 2 ) και όγκο (150 m 3 ) µε το κτίριο της πειραµατικής διάταξης, η παροχή των 1200 m 3 /h θεωρείται συµβατή µε τις τιµές που αναφέρονται στη βιβλιογραφία για συστήµατα ΚΣΑΜ (ποσότητα αέρα που εισάγεται στο χώρο σε ωριαία βάση: 8 x όγκο κτιρίου). Παρά το ότι η επιλεγόµενη τιµή της παροχής δεν προκύπτει µέσω της εφαρµογής µιας διαδικασίας σχεδιασµού και διαστασιολόγησης του συγκεκριµένου συστήµατος σε σχέση µε τα φορτία του επιλεγόµενου κτιρίου (εξ. 3.16α, εξ. 3.16β), επιτρέπει την Σελ.130

165 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα προσοµοίωση του συστήµατος σε ρεαλιστικές συνθήκες λειτουργίας, και τη διερεύνηση των χαρακτηριστικών των συστηµάτων ΚΣΑΜ. - Αν και η παροχή αέρα είναι δυνατό να αντιµετωπιστεί ως παράµετρος ελέγχου, η προσέγγιση αυτή υιοθετείται σε περιορισµένο αριθµό εργασιών [Vitte et al, 2008; Mei et al, 2006; Ginestet et al, 2002], σηµειώνοντας ότι η ρύθµιση της παροχής αυξάνει την πολυπλοκότητα του συστήµατος ελέγχου. - Τα συστήµατα ΚΣΑΜ επιχειρούν να ρυθµίσουν τις συνθήκες του χώρου σε επιθυµητό επίπεδο τιµών, το οποίο εξαρτάται από την κάθε εφαρµογή. Για τον άνθρωπο έχουν προταθεί διαγράµµατα θερµικής άνεσης του εσωτερικού περιβάλλοντος, τα οποία αντιστοιχούν σε συγκεκριµένες περιοχές στο διάγραµµα θερµοκρασίας - σχετικής υγρασίας, και έχουν υπολογιστεί για συγκεκριµένες συνθήκες ρουχισµού, δραστηριότητας και ταχύτητας αέρα. Στο σχ. 5.1, παρουσιάζεται το διάγραµµα που προτείνει η ASHRAE [ASHRAE, 2001; 1993; Kuehn et al, 2001]. Θεωρητικά, οι συνθήκες του χώρου µπορούν να παίρνουν οποιαδήποτε τιµή εντός της γραµµοσκιασµένης περιοχής, ώστε να θεωρούνται αποδεκτές ως προς την αίσθηση άνεσης που παρέχουν. Στη σχετική, µε τις εφαρµογές των συστηµάτων ΚΣΑΜ, βιβλιογραφία αναφέρεται επίσης και το διάγραµµα κατά DIN [DIN, 1994]. Θερµοκρασία σηµείου δρόσου [ ο C] Καλοκαιρινή περίοδος Απόλυτη υγρασία [g/kg] Θερµοκρασία ξηρού βολβού [ ο C] Σχήµα ιάγραµµα θερµικής άνεσης [ASHRAE, 1993] Σύµφωνα µε όσα προαναφέρθηκαν, ως βασικές παράµετροι ελέγχου της απόδοσης του συστήµατος µπορούν να θεωρηθούν η θερµοκρασία αναγέννησης και το ποσοστό λειτουργίας των υγραντήρων, το οποίο συνήθως αντιστοιχεί στις ακραίες καταστάσεις µη Σελ.131

166 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 λειτουργίας ή πλήρους λειτουργίας. Παράλληλα σηµαντικός ως προς το επίπεδο αλληλεπίδρασης του συστήµατος µε το χώρο εµφανίζεται ο ρόλος της παροχής του αέρα. Η σύνδεση µε ηλιακό σύστηµα είναι πιθανό να αυξήσει τις παραµέτρους που επιδρούν στη λειτουργία του συστήµατος, καθώς προστίθενται οι παράµετροι του ηλιακού συστήµατος. Η σύνδεση όµως µε σύστηµα ηλιακών συλλεκτών νερού και δεξαµενής αποθήκευσης µε ενσωµατωµένη βοηθητική πηγή και ρύθµιση της θερµοκρασίας µέσω θερµοστάτη, δεν προσθέτει κάποια επιπλέον παράµετρο ρύθµισης ΠΑΡΑΜΕΤΡΙΚΗ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΣΑΜ ΧΩΡΙΣ ΤΗΝ ΑΠΑΙΤΗΣΗ ΚΑΛΥΨΗΣ ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Στην ενότητα αυτή διερευνάται η επίδραση των παραµέτρων ελέγχου στις επιδόσεις του συστήµατος, µε σκοπό την εξαγωγή συµπερασµάτων ως προς τις δυνατότητες του συστήµατος. Ειδικότερα, για διαφορετικές τιµών των παραµέτρων αυτών, υπολογίζονται τα φορτία που είναι δυνατόν να ικανοποιηθούν από το σύστηµα, µε σκοπό την διατύπωση ορισµένων ποιοτικών σχέσεων µεταξύ συνθηκών λειτουργίας και επιδόσεων. Κατά τη λειτουργία συστήµατος, σε συγκεκριµένες απαιτήσεις θερµικής άνεσης, καθώς και σε δεδοµένες περιβαλλοντικές συνθήκες, παροχή λειτουργίας, θερµοκρασία αναγέννησης του τροχού και κατάσταση λειτουργίας των υγραντήρων, αντιστοιχεί µοναδικό ζεύγος θερµοκρασίας και απόλυτης υγρασίας του αέρα εξόδου από το σύστηµα, στο ρεύµα προσαγωγής (t ld, w ld ), (σχ. 5.1). a s, a e m& air,treg t a /RH a t b /RH b Μοντέλο συστήµατος t ld (Q sens,sys) w ld (Q lat,sys ) Σχήµα ιάγραµµα απεικόνισης παραµέτρων εισόδου και εξόδου για την παραµετρική διερεύνηση επιδόσεων συστήµατος ΚΣΑΜ Κατά τη συγκεκριµένη διερεύνηση, µε τη βοήθεια του µοντέλου που αναπτύχθηκε, υπολογίζεται η θερµοκρασία και απόλυτη υγρασία του αέρα εξόδου από το σύστηµα, (σχ. 5.1), για τα ακόλουθα πιθανά οριακά ζεύγη του ποσοστού λειτουργίας των υγραντήρων: - a e = 0, a s = 0 - a e = 1, a s = 0 Σελ.132

167 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα - a e = 0, a s = 1 - a e = 1, a s = 1 Για τη θερµοκρασία αναγέννησης επιλέγεται το διάστηµα των o C το οποίο µπορεί να θεωρηθεί συµβατό µε το θερµοκρασιακό επίπεδο λειτουργίας για τυπικό ηλιακό σύστηµα επίπεδων συλλεκτών. Η παροχή αέρα διατηρείται σταθερή και ίση µε 1200 m 3 /h (βλέπε 5.2.1). Σηµειώνεται ότι στόχο της διερεύνησης δεν αποτελεί η εξαγωγή συµπερασµάτων σχετικών µε το µέγεθος των φορτίων που είναι δυνατό να ικανοποιήσει το σύστηµα, και τα οποία είναι άµεσα εξαρτώµενα από την παροχή, αλλά η αποτύπωση του χαρακτήρα που έχει η επίδραση του συστήµατος στο χώρο ανάλογα µε τις τιµές των παραµέτρων ελέγχου. Κατά συνέπεια, η τιµή που επιλέγεται µπορεί να θεωρηθεί περισσότερο ως ενδεικτική. Αποσκοπώντας στη διαµόρφωση µιας κατά το δυνατόν πληρέστερης εικόνας για τις δυνατότητες της συγκεκριµένης τεχνολογίας κλιµατισµού, ο υπολογισµός γίνεται για δύο διατάξεις, οι οποίες διαφέρουν ως προς το επίπεδο απόδοσης των υποσυστηµάτων. Ειδικότερα εξετάζεται διάταξη αντίστοιχη της πειραµατικής, στην οποία ο συντελεστής απόδοσης των υποσυστηµάτων είναι ο πειραµατικά προσδιορισµένος, καθώς και βέλτιστη διάταξη, στην οποία ο συντελεστής απόδοσης των υποσυστηµάτων αναφέρεται σε τιµές οι οποίες προσεγγίζουν την ιδανική λειτουργία, παραµένοντας όµως ρεαλιστικές. Αναλυτικά επιλέγονται οι παρακάτω χαρακτηριστικές τιµές για τους δείκτες απόδοσης: - Πειραµατική διάταξη: η F 1 = 0. 15, η F 2 = 0. 69, η hx = 0. 85, η hum = (πιν. 4.7) - Βέλτιστη διάταξη: η F 1 = 0. 05, η F 2 = 0. 95, η hx = 0. 95, η hum = Όσον αφορά στις συνθήκες του χώρου, επιλέχθηκαν οι τιµές των 24 ο C για τη θερµοκρασία και 50% για την υγρασία. Οι υιοθετούµενες κλιµατικές συνθήκες προβλέπουν θερµοκρασία περιβάλλοντος 32 ο C και υγρασία περιβάλλοντος 30%, οι οποίες µπορούν να θεωρηθούν αντιπροσωπευτικές για την περιοχή των Αθηνών µε βάση τη θερµοκρασία και την υγρασία κατά τις µεσηµεριανές ώρες για τη σειρά ήπιων συνθηκών που παρουσιάστηκε στην Το αισθητό (Q sens,sys ) και λανθάνον φορτίο (Q lat,sys ) που απάγει το σύστηµα από το χώρο υπολογίζεται από τις σχέσεις 3.17γ και 3.18γ αντίστοιχα. Στην ανάλυση που ακολουθεί χρησιµοποιείται, για την ποσοτική διατύπωση των επιδόσεων του συστήµατος, ο συντελεστής απόδοσης COP. Είναι όµως σηµαντικό να τονιστεί ότι, όπως προκύπτει και από τη σχετική συζήτηση που παρατέθηκε στην 2.6, στη βιβλιογραφία εµφανίζονται διαφορετικές προσεγγίσεις τόσο ως προς τον τρόπο υπολογισµού του συγκεκριµένου δείκτη, όσο και ως προς την καταλληλότητά του στο να Σελ.133

168 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 περιγράψει τις επιδόσεις συναφών διατάξεων. Σηµειώνεται χαρακτηριστικά ότι το σχετικό µε την αξιολόγηση των επιδόσεων κλιµατιστικών συσκευών πρότυπο ISO 5151 [ISO, 1994], προτείνει τη χρήση του δείκτη EER (Energy Efficiency Ratio) για την ποσοτικοποίηση της αποδοτικότητας σε ψύξη. Ο δείκτης αυτός ορίζεται ως ο λόγος της ψυκτικής ικανότητας της συσκευής προς την απαιτούµενη ισχύ για τη λειτουργία της. Αντίθετα, στο συγκεκριµένο πρότυπο, η χρήση του δείκτη COP προτείνεται για την αξιολόγηση της ικανότητας των συσκευών κλιµατισµού σε θέρµανση. Ο δείκτης αυτός ορίζεται, σε αντιστοιχία µε το δείκτη EER, ως ο λόγος της ικανότητας της συσκευής σε θέρµανση προς την απαιτούµενη ισχύ για τη λειτουργία της. Με δεδοµένο όµως ότι η πλειοψηφία των εργασιών που σχετίζονται µε τα συστήµατα ΚΣΑΜ χρησιµοποιούν το δείκτη COP, επιλέχτηκε, για λόγους συγκρισιµότητας, η χρήση του δείκτη αυτού στην εργασία. Ειδικότερα, για το σύστηµα προς µελέτη, ο COP υπολογίζεται ως ο λόγος του φορτίου που καλύπτει το σύστηµα προς τη θερµότητα που είναι αναγκαία για την αναγέννηση του τροχού, προσέγγιση η οποία βρίσκεται σε συµφωνία ως προς την ουσία µε τη θεώρηση του προτύπου ISO 5151, αλλά και µε την πλειοψηφία των σχετικών εργασιών [Balaras et al, 2007; Nelson et al, 1978]: Qsys COP = (5.2α) Q reg Q Q sys reg = m& h h ) (5.2β) air ( b ld = m& C ( t 8 ) (5.2γ) air p, air reg t όπου: - h b : η ειδική ενθαλπία του αέρα του κτιρίου [kj/kg] - h ld : η ειδική ενθαλπία του προσαγώµενου από το σύστηµα στο κτίριο αέρα [kj/kg] - t reg : η θερµοκρασία αναγέννησης του τροχού αφύγρανσης [ ο C] - t 8 : η θερµοκρασία εισόδου του αέρα απαγωγής στον εναλλάκτη νερού - αέρα της θερµικής ενεργειακής πηγής, σύµφωνα µε την υποδήλωση των θέσεων µελέτης στο σύστηµα που υποδεικνύεται στο σχ. 4.1, [ ο C] Η ειδική ενθαλπία του (υγρού) αέρα στις θέσεις εξόδου από το σύστηµα (ld) και επιστροφής από το κτίριο (b) υπολογίζεται σύµφωνα µε τις εξισώσεις (ΙΙ.3), του παραρτήµατος ΙΙ. Στο σχ. 5.3α παρουσιάζεται το αισθητό και λανθάνον φορτίο που µπορεί να ικανοποιήσει το σύστηµα, για τη βέλτιστη διάταξη, για διάφορες τιµές των ποσοστών λειτουργίας των υγραντήρων και της θερµοκρασίας αναγέννησης. Αντίστοιχα στα σχ. 5.3β παρουσιάζονται τα µεγέθη αυτά για την πειραµατική διάταξη. Σελ.134

169 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα βέλτιστη διάταξη Qsens,sys [kw] A' a e = 1, a s = 1 Γ' B' C 70 ' a e = 0, a s = 1 Β a e = 1, a s = 0 Γ Α a e = 0, a s = C Q lat,sys [kw] Σχήµα 5.3α - Φορτία κλιµατισµού ικανοποιούµενα από σύστηµα ΚΣΑΜ µε το επίπεδο απόδοσης βέλτιστης διάταξης πειραµατική διάταξη Qsens,sys [kw] A' a e = 1, a s = 1 Γ' B' ' 80 0 C a e = 0, a s = 1 Β a e = 1, a s = Α a e = 0, a s = 0 Γ 80 0 C Q lat,sys [kw] Σχήµα 5.3β - Φορτία κλιµατισµού ικανοποιούµενα από σύστηµα ΚΣΑΜ µε το επίπεδο απόδοσης της πειραµατικής διάταξης Στα σχ. 5.3α και 5.3β έχει σηµειωθεί µε ΑΒΓ η περιοχή λειτουργίας για την περίπτωση που περικλείεται από τις ακραίες τιµές του ποσοστού λειτουργίας των υγραντήρων: (a e = 0, a s = 0), (a e = 1, a s = 0) και όπως αυτή µετασχηµατίζεται σε Α Β Γ για την περίπτωση των ακραίων τιµών (a e = 0, a s = 1), (a e = 1, a s = 1), για διάφορες τιµές της θερµοκρασίας αναγέννησης t reg, από 50 o C έως 80 o C. Ουσιαστικά µπορούν να αναγνωσθούν όλες οι Σελ.135

170 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ενδιάµεσες περιπτώσεις κάλυψης φορτίου, για οποιαδήποτε τιµή του ποσοστού λειτουργίας των υγραντήρων, µέσω διαδικασίας παρεµβολής ανάµεσα στα διαγράµµατα ΑΒΓ και Α Β Γ. Η γραφική αναπαράσταση της παρεµβολής δεν αποτυπώθηκε στο διάγραµµα για λόγους ευκρινέστερης παρουσίασης. Από την εξέταση των διαγραµµάτων των σχ. 5.3α και 5.3β, µπορούν να εξαχθούν τα ακόλουθα συµπεράσµατα: - Σε περίπτωση µη λειτουργίας των υγραντήρων (ευθεία Α ), το σύστηµα εµφανίζει ιδιαίτερα υψηλή ικανότητα σε κάλυψη λανθάνοντος φορτίου. Το αισθητό φορτίο που µπορεί να ικανοποιήσει το σύστηµα παρουσιάζει τιµές που είναι οριακά αρνητικές. Το σύστηµα συνεπώς εµφανίζεται να λειτουργεί ως διάταξη αφύγρανσης, ενώ ταυτόχρονα θερµαίνει ελαφρά το χώρο. - Στην περίπτωση που ο υγραντήρας προσαγωγής τεθεί σε λειτουργία (Α ), το σύστηµα εµφανίζει σηµαντική ικανότητα σε κάλυψη αισθητού φορτίου. Παράλληλα, η λειτουργία του συγκεκριµένου υγραντήρα επιδρά αρνητικά στην ικανότητα του συστήµατος για κάλυψη λανθάνοντος φορτίου. - Η θέση σε λειτουργία του υγραντήρα απαγωγής (ευθεία ΒΓ και Β Γ ), βελτιώνει σαφώς την ικανότητα του συστήµατος ως προς το αισθητό φορτίο. Παράλληλα η επίδραση της λειτουργίας του υγραντήρα απαγωγής στην ικανότητα του συστήµατος σε κάλυψη λανθάνοντος φορτίου εξαρτάται από τη λειτουργία ή όχι του υγραντήρα προσαγωγής. - Όσον αφορά στην επίδραση της θερµοκρασίας αναγέννησης, στην περίπτωση που ο υγραντήρας προσαγωγής είναι σε λειτουργία (Α Β Γ ), η αύξηση της θερµοκρασίας αναγέννησης επιδρά θετικά στην αύξηση της ικανότητας του συστήµατος σε αισθητό φορτίο. Στην περίπτωση µη λειτουργίας του υγραντήρα προσαγωγής (ΑΒΓ ), η αύξηση της θερµοκρασίας αναγέννησης επιδρά θετικά στην αύξηση της ικανότητας του συστήµατος σε λανθάνον φορτίο. - Η συµπεριφορά της πειραµατικής διάταξης εµφανίζει σηµαντικές οµοιότητες µε αυτή της βέλτιστης διάταξης, τονίζοντας όµως τη σαφώς υποδεέστερη ικανότητα της πρώτης σε κάλυψη φορτίων, οφειλόµενη στο χαµηλότερο επίπεδο απόδοσης των υποσυστηµάτων. Παράλληλα, αλλάζει λίγο η κλίση των καµπυλών σταθερών τιµών του ποσοστού λειτουργίας των υγραντήρων στα διαγράµµατα φορτίων (Α, Β Γ, Α, ΒΓ), καθώς ο χαµηλότερος βαθµός απόδοσης του εναλλάκτη αέρα - αέρα έχει ως αποτέλεσµα τη µείωση της ικανότητας του συστήµατος να αντισταθµίσει την επίδραση της αύξησης της θερµοκρασίας αναγέννησης στη θερµοκρασία του αέρα εξόδου, στο ρεύµα προσαγωγής. Σελ.136

171 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Στα ακόλουθα σχ. 5.4α και 5.4β, παρουσιάζεται ο COP του συστήµατος, για τις περιπτώσεις που µελετήθηκαν και η ικανότητα του συστήµατος για κάλυψη αισθητού και λανθάνοντος φορτίου. COP [-] βέλτιστη διάταξη Β' 1.4 a e = 1, a s = Β a e = 1, a s = 0 Γ' Γ 0.6 Α,Α' a e =0, a s =0 / a e = 0, a s = 1, ' t reg [ 0 C] Σχήµα 5.4α - COP συστήµατος ΚΣΑΜ µε το επίπεδο απόδοσης βέλτιστης διάταξης πειραµατική διάταξη COP [-] Β' Β Α Α' a e = 1, a s = 0 a e = 1, a s = 1 a e =0, a s =0 / a e = 0 a s = 1 ae = 0, as = 1 Γ' Γ, ' t reg [ 0 C] Σχήµα 5.4β - COP συστήµατος ΚΣΑΜ µε το επίπεδο απόδοσης της πειραµατικής διάταξης Σύµφωνα µε τα σχ. 5.4α και 5.4β, µπορούν να διατυπωθούν τα ακόλουθα για τον COP του συστήµατος: Σελ.137

172 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 - O COP του συστήµατος εµφανίζει ταύτιση για τις περιπτώσεις (a e = 0, a s = 0) και (a e = 0, a s = 1), όπως φαίνεται από τις καµπύλες Α, Α. Ουσιαστικά στην περίπτωση της καµπύλης Α, η λειτουργία του υγραντήρα προσαγωγής αυξάνει το αισθητό φορτίο, αντίστοιχα όµως λόγω της αύξησης της υγρασίας στο ρεύµα του προσαγόµενου αέρα, µειώνεται η ικανότητα του συστήµατος σε λανθάνον φορτίο. Συνεπώς το συνολικό φορτίο του συστήµατος και ο COP παραµένουν σταθερά, είναι όµως διαφορετική η σχέση αισθητού προς λανθάνον φορτίο που µπορεί να ικανοποιήσει το σύστηµα. - Η αύξηση της θερµοκρασίας αναγέννησης επιδρά αρνητικά στην τιµή του COP, καθώς από την ανάλυση προκύπτει ότι το κέρδος σε επίπεδο συνολικού φορτίου του συστήµατος είναι µικρότερο από την αντίστοιχη αύξηση της θερµικής ενέργειας αναγέννησης. Από την άλλη αξίζει να σηµειωθεί ότι η αύξηση της παροχής επιδρά ανάλογα στην ικανότητα του συστήµατος σε κάλυψη φορτίου και στην καταναλισκόµενη θερµική ενέργεια, δεν µεταβάλλει δηλαδή τον COP του συστήµατος. Συνεπώς, η αύξηση της ικανότητας του συστήµατος σε κάλυψη φορτίου είναι προτιµότερο, από πλευράς εξοικονόµησης θερµικής ενέργειας, να επιτυγχάνεται µέσω της επιλογής υψηλότερης τιµής για την παροχή. Βέβαια, η επιλογή υψηλότερης τιµής για την παροχή αυξάνει την ηλεκτρική κατανάλωση του συστήµατος, συνεπώς η επιλογή των κατάλληλων τιµών εξαρτάται από το κριτήριο που θα τεθεί, αναφέροντας χαρακτηριστικά την εξοικονόµηση θερµικής ενέργειας, την εξοικονόµηση συµβατικής ενέργειας ή ακόµη και τη δυνατότητα σύνδεσης µε θερµικό ηλιακό σύστηµα οπότε οι χαµηλότερες θερµοκρασίες λειτουργίας αυξάνουν την αποδοτικότητα του. Συµπερασµατικά, από την ανάλυση της ενότητας αυτής, µπορούν να διατυπωθούν τα ακόλουθα για τις βασικές λειτουργίες του συστήµατος και το ρόλο των παραµέτρων ελέγχου στην υλοποίηση των λειτουργιών αυτών: - Μη λειτουργία υγραντήρων: κατάλληλη για λειτουργία αφύγρανσης (συνοδευόµενη από ελαφρά θέρµανση). - Λειτουργία υγραντήρα απαγωγής: κατάλληλη για λειτουργία µέτριας αφύγρανσης και µέτριας ψύξης. - Λειτουργία υγραντήρα προσαγωγής: κατάλληλη για λειτουργία ψύξης. - Θερµοκρασία αναγέννησης: η αύξησή της οδηγεί σε βελτίωση της ικανότητας του συστήµατος στην κάλυψη λανθάνοντος φορτίου και πιθανή βελτίωση στην κάλυψη αισθητού. Ο όρος πιθανή σχετίζεται µε το ποσοστό λειτουργίας του υγραντήρα προσαγωγής. Σε λειτουργία µε αυξηµένο ποσοστό, η αύξηση της θερµοκρασίας αναγέννησης βελτιώνει και την ικανότητα του συστήµατος σε αισθητό φορτίο. Από την άλλη, η επίπτωσή της στον COP του συστήµατος είναι αρνητική. Συνεπώς, στην περίπτωση που απαιτείται η βελτίωση της ικανότητας του συστήµατος σε κάλυψη Σελ.138

173 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα φορτίου, αποδεικνύεται πλέον συµφέρουσα, σε επίπεδο κατανάλωσης θερµικής ενέργειας, η επιλογή υψηλότερης τιµής για την παροχή αέρα σε σχέση µε την αύξηση της θερµοκρασίας αναγέννησης. Η ανάλυση της ενότητας αυτής πραγµατοποιήθηκε για συγκεκριµένες τιµές των κλιµατικών συνθηκών και των συνθηκών άνεσης του χώρου. Με δεδοµένο όµως ότι η συµπεριφορά του συστήµατος υπόκειται στις µεταβολές των παραµέτρων αυτών, η ικανότητα του συστήµατος για κάλυψη φορτίων αναµένεται να διαφοροποιηθεί ποσοτικά για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας, διατηρώντας όµως τα ίδια ποιοτικά χαρακτηριστικά. Το συµπέρασµα αυτό επιβεβαιώθηκε άλλωστε από πλήθος υπολογισµών σε διαφορετικές συνθήκες, η παρουσίαση των οποίων θα επιβάρυνε άσκοπα την παρούσα ανάλυση ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΣΑΜ YΠΟ ΤΗΝ ΑΠΑΙΤΗΣΗ ΚΑΛΥΨΗΣ ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Στην ενότητα αυτή παρουσιάζεται η διερεύνηση της λειτουργίας του συστήµατος, σε αλληλεπίδραση µε συγκεκριµένο κτίριο και για δεδοµένες συνθήκες περιβάλλοντος, όπου, αντίθετα µε ότι εξετάστηκε στην προηγούµενη ενότητα, συζητούνται οι προϋποθέσεις κάλυψης συγκεκριµένου φορτίου από δεδοµένο σύστηµα. Ειδικότερα, οι υποθέσεις εργασίας που υιοθετούνται για τη διερεύνηση αυτή συνοψίζονται στα ακόλουθα σηµεία: - Για τις κλιµατικές συνθήκες, υιοθετείται ζεύγος συνθηκών θερµοκρασίας 32 o C - σχετικής υγρασίας 30%, το οποίο υποδηλώνεται ως ζεύγος ήπιων συνθηκών, και ζεύγος θερµοκρασίας 36 o C - σχετικής υγρασίας 40%, το οποίο υποδηλώνεται ως ζεύγος ακραίων συνθηκών. Οι συνθήκες µπορούν να θεωρηθούν αντιπροσωπευτικές για την περιοχή των Αθηνών, µε βάση τη θερµοκρασία και την υγρασία κατά τις µεσηµεριανές ώρες για τις αντίστοιχες σειρές µετεωρολογικών δεδοµένων που παρουσιάστηκαν στην Υιοθετούνται συνθήκες άνεσης, t b = 24 o C και RH b = 50%. - Θεωρείται κτίριο αντίστοιχο αυτού της πειραµατικής διάταξης. Σύµφωνα µε τις εξ. 3.16α και 3.16β που διατυπώθηκαν στην 3.7.1, για τις κλιµατικές συνθήκες που υιοθετήθηκαν στην ανάλυση προκύπτουν δύο επίπεδα φορτίου, χαµηλό µε Q sens,b = 2.8 kw, Q lat,b = 0.7 kw και υψηλό µε Q sens,b = 4.2 kw, Q lat,b = 1.05 kw, για τις ήπιες και ακραίες συνθήκες αντίστοιχα. Σελ.139

174 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 - Η παροχή αέρα θεωρείται ότι παίρνει τιµές στο εύρος m 3 /h. Οι τιµές αυτές αντιστοιχούν σε (3-10) x όγκο κτιρίου και θεωρούνται συµβατές µε την ανάλυση της Η θερµοκρασία αναγέννησης θεωρείται ότι παίρνει τιµές στο διάστηµα ο C, υπόθεση ρεαλιστική για σύνδεση µε θερµικό ηλιακό σύστηµα. Οι συντελεστές απόδοσης των µοντέλων των υποσυστηµάτων που υπεισέρχονται στην ανάλυση που ακολουθεί θεωρείται ότι αναφέρονται στα δύο επίπεδα απόδοσης, και ειδικότερα αυτό που αντιστοιχεί στις µετρηθείσες τιµές της πειραµατικής διάταξης και αυτό που χαρακτηρίζει τη βέλτιστη διάταξη (βλέπε 5.2.2). Η διερεύνηση πραγµατοποιείται σύµφωνα µε το σχ. 5.5, υποθέτοντας σταθερές συνθήκες λειτουργίας. Εισάγονται στο µοντέλο οι συνθήκες περιβάλλοντος (θερµοκρασία, απόλυτη υγρασία), οι συνθήκες του κτιρίου (θεωρείται ότι το κτίριο βρίσκεται σε κατάσταση συνθηκών άνεσης), η επιλεγόµενη τιµή παροχής αέρα και θερµοκρασίας αναγέννησης, το δεδοµένο αισθητό και λανθάνον φορτίο του κτιρίου και υπολογίζεται ζεύγος τιµών (a s, a e ) για τους υγραντήρες. Σε περίπτωση που οι τιµές των a s και a e περιέχονται στο διάστηµα (0, 1), το σύστηµα θεωρείται ικανό να κλιµατίσει το χώρο για τις συνθήκες της διερεύνησης. t a /RH a t b /RH b m& air,treg Q sens,b Q lat,b Μοντέλο συστήµατος a s a e Σχήµα ιάγραµµα απεικόνισης παραµέτρων εισόδου και εξόδου για την παραµετρική διερεύνηση της ικανότητας συστήµατος ΚΣΑΜ να καλύψει συγκεκριµένο φορτίο Τα αποτελέσµατα για σύστηµα µε το επίπεδο απόδοσης της πειραµατικής διάταξης παρουσιάζονται στο σχ Από την ανάλυση των αποτελεσµάτων προκύπτουν τα ακόλουθα συµπεράσµατα για σύστηµα αντίστοιχο της πειραµατικής διάταξης: - Το σύστηµα καλύπτει τις ανάγκες του κτιρίου για ήπιες κλιµατικές συνθήκες, σε τιµές παροχών αέρα στο εύρος m 3 /h. - Για την ίδια τιµή της θερµοκρασίας αναγέννησης, το σύστηµα είναι δυνατό να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις του κτιρίου για διαφορετικές τιµές παροχής αέρα. - Η αύξηση της παροχής αέρα δίνει τη δυνατότητα για µείωση της θερµοκρασίας αναγέννησης και, κατά συνέπεια, αποδοτικότερη λειτουργία του ηλιακού συστήµατος. Σελ.140

175 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα πειραµατική διάταξη - ήπιες κλιµατικές συνθήκες COP [ -] 0.6 Treg : 50 oc Treg : 60 oc Treg : 70 oc παροχή αέρα [m 3 /h] Σχήµα Αποτελέσµατα θεωρητικής διερεύνησης απόδοσης συστήµατος ΚΣΑΜ µε το επίπεδο απόδοσης της πειραµατικής διάταξης - Η αύξηση της παροχής αέρα, για την ίδια τιµή θερµοκρασίας αναγέννησης, επιδρά αρνητικά στον COP του συστήµατος. - Η αύξηση της θερµοκρασίας αναγέννησης, για την ίδια τιµή παροχής αέρα, επιδρά αρνητικά στον COP του συστήµατος. - Το σύστηµα δεν είναι δυνατό να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις του συγκεκριµένου κτιρίου για οποιαδήποτε τιµή επιλεγεί για τη θερµοκρασία αναγέννησης. Αυτό µπορεί να χαρακτηριστεί ως αναµενόµενο για χαµηλές θερµοκρασίες, καθώς στην περίπτωση αυτή το σύστηµα παρουσιάζει χαµηλή ψυκτική ικανότητα. Αδυναµία όµως στην εξεύρεση λύσης, αποδεκτών δηλαδή τιµών για το ποσοστό λειτουργίας των υγραντήρων, εµφανίζεται και σε υψηλές θερµοκρασίες (στην παρούσα περίπτωση µεγαλύτερες των 75 ο C). Η διαπίστωση αυτή µπορεί να αποδοθεί στο γεγονός ότι σε υψηλές θερµοκρασίες αναγέννησης η ψυκτική ικανότητα του συστήµατος κινείται σε υψηλότερα επίπεδα από αυτά των απαιτήσεων του κτιρίου. Φυσικά, στα πλαίσια µιας ορθότερης διαστασιολόγησης του συστήµατος, που για την περίπτωση αυτή συνδέεται µε την επιλογή συστήµατος χαµηλότερης ψυκτικής ικανότητας, το σύστηµα θα µπορούσε να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις του κτιρίου για υψηλές θερµοκρασίες αναγέννησης. - Στην περίπτωση των ακραίων κλιµατικών συνθηκών, δεν παρατίθεται διάγραµµα αποτελεσµάτων, καθώς η συγκεκριµένη διάταξη δεν κατορθώνει να ικανοποιήσει το φορτίο του κτιρίου. Πιο συγκεκριµένα, οι υπολογισµοί οδηγούν σε αποδεκτές τιµές για το ποσοστό λειτουργίας των υγραντήρων αν υιοθετηθούν τιµές παροχών αέρα µεγαλύτερες των 1500 m 3 /h. Επίσης στα πλαίσια µιας ορθότερης διαστασιολόγησης Σελ.141

176 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 του συστήµατος, και ειδικότερα επιλογής ενός συστήµατος µε υψηλότερη ψυκτική ικανότητα, το σύστηµα θα ικανοποιούσε τις απαιτήσεις του κτιρίου. Αυτό επιβεβαιώνεται και από τα αποτελέσµατα τα οποία ακολουθούν και αναφέρονται στην περίπτωση της βέλτιστης διάταξης, η οποία εµφανίζει υψηλότερη ψυκτική ικανότητα. - Οι τιµές του COP που χαρακτηρίζουν την πειραµατική διάταξη είναι συµβατές µε αυτές άλλων πειραµατικών εγκαταστάσεων που αναφέρονται στη σχετική βιβλιογραφία [Entepia et al, 2010; Bourdoukan et al, 2009; Balaras, 2007; Henning et al, 2001]. βέλτιστη διάταξη - ήπιες κλιµατικές συνθήκες COP [-] Treg : 50 oc Treg : 60 oc Treg : 70 oc παροχή αέρα [m 3 /h] βέλτιστη διάταξη - ακραίες κλιµατικές συνθήκες COP [-] 1.0 Treg : 70 oc Treg : 80 oc παροχή αέρα [m 3 /h] Σχήµα Αποτελέσµατα θεωρητικής διερεύνησης απόδοσης συστήµατος ΚΣΑΜ µε το επίπεδο απόδοσης βέλτιστης διάταξης Αντίστοιχα, τα αποτελέσµατα για τη βέλτιστη διάταξη όσον αφορά στο επίπεδο απόδοσης παρουσιάζονται στο σχ Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα αυτά: Σελ.142

177 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα - Τόσο σε ήπιες όσο και σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες, το σύστηµα ικανοποιεί τις απαιτήσεις του κτιρίου, για τιµές παροχής αέρα και θερµοκρασίας αναγέννησης οι οποίες βρίσκονται εντός των ορίων που τέθηκαν στην ανάλυση. - Οι τιµές της παροχής αέρα είναι χαµηλότερες για τη βέλτιστη διάταξη, σε σχέση µε τις τιµές που προκύπτουν για την πειραµατική διάταξη, όπως ήταν αναµενόµενο. O υπολογιζόµενος COP για τη βέλτιστη διάταξη είναι υψηλότερος του αντίστοιχου COP για την πειραµατική διάταξη και συµφωνεί µε τις τιµές που συναντώνται στη βιβλιογραφία για αντίστοιχα συστήµατα [Jurinak et al, 1984]. Στο βαθµό που η κάλυψη των απαιτήσεων του κτιρίου είναι εφικτή µε περισσότερους του ενός συνδυασµούς τιµών της παροχής αέρα και της θερµοκρασίας του θερµικού φορέα αναγέννησης, οι βέλτιστες τιµές των παραµέτρων αυτών µπορούν να επιλεγούν µε κριτήριο την ελαχιστοποίηση της καταναλισκόµενης θερµικής ενέργειας ή της µεγιστοποίησης του συντελεστή COP. Από την ανάλυση που προηγήθηκε, προκύπτει ότι οι τιµές αυτές αντιστοιχούν στη χαµηλότερη δυνατή θερµοκρασία αναγέννησης και στη χαµηλότερη δυνατή παροχή που είναι αποδεκτή για τη θερµοκρασία αυτή. Στην περίπτωση όµως που το κριτήριο ενεργειακής αποδοτικότητας συµπεριλάβει και την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, στην επιλογή των παραµέτρων αυτών πρέπει να συνυπολογιστεί και η κατανάλωση των ανεµιστήρων. Από τη σύγκριση των επιδόσεων των δύο τυπικών διατάξεων που εξετάστηκαν επιβεβαιώνεται η σηµασία της χρησιµοποίησης υποσυστηµάτων υψηλής απόδοσης, µε την τελική επιλογή να προκύπτει από συγκεκριµένη τεχνικο-οικονοµική ανάλυση του όλου συστήµατος Ο ΡΟΛΟΣ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΝΕΣΗΣ Στα πλαίσια του προβλήµατος που τέθηκε στην ενότητα αυτή και της διερεύνησης που πραγµατοποιήθηκε, είναι πολύ πιθανόν για ένα συγκεκριµένο ζεύγος παροχήςθερµοκρασίας αναγέννησης, οι συνθήκες που επιβάλλονται στο σύστηµα να οδηγούν σε µη υλοποιήσιµες τιµές για τις παραµέτρους ελέγχου και ειδικότερα οι απαιτούµενες τιµές για το ποσοστό λειτουργίας των υγραντήρων να είναι εκτός του διαστήµατος (0,1). Στην περίπτωση αυτή, το σύστηµα δεν είναι δυνατό να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις του κτιρίου, και είτε πρέπει να διερευνηθεί η δυνατότητα του συστήµατος σε άλλο ζεύγος παροχής αέρα - θερµοκρασίας αναγέννησης, ή θα πρέπει να επαναδιαστασιολογηθούν τα στοιχεία του συστήµατος. Σελ.143

178 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Εναλλακτικά, είναι δυνατόν να αναζητηθεί σηµείο λειτουργίας για το σύστηµα στη βάση υιοθέτησης διαφορετικού σηµείου απαιτήσεων όσον αφορά τις συνθήκες του κλιµατιζόµενου χώρου, αρκεί το σηµείο αυτό να περιέχεται στην αποδεκτή περιοχή θερµικής άνεσης. Η υιοθέτηση δηλαδή της προσέγγισης της περιοχής θερµικής άνεσης, σε αντίθεση µε την υιοθέτηση µοναδικού σηµείου στόχου όσον αφορά στις εσωτερικές συνθήκες, επιτρέπει τον προσδιορισµό µιας περιοχής λειτουργίας του συστήµατος, προσθέτοντας ευελιξία στο σχεδιασµό αλλά και στη στρατηγική ελέγχου, όπως θα αναλυθεί και στη συνέχεια (βλέπε 5.3). Η µεθοδολογία προσδιορισµού της περιοχής λειτουργίας του συστήµατος, για σταθερές συνθήκες λειτουργίας, και η σχέση των εµπλεκόµενων παραµέτρων περιγράφεται στο σχ Αν υιοθετηθεί συγκεκριµένο ζεύγος συνθηκών όσον αφορά στις κλιµατικές συνθήκες, για συγκεκριµένη περιοχή θερµικής άνεσης και για δεδοµένες τιµές των συντελεστών απόδοσης των υποσυστηµάτων, είναι δυνατόν να υπολογιστεί η περιοχή λειτουργίας του συστήµατος. Απαιτήσεις Χώρου Κλιµατικές συνθήκες t b /RH b t a /RH a m& air, t reg Q sens,b Q lat,b Μοντέλο Συστήµατος a s (0,1) a e (0,1) Περιοχή Λειτουργίας Σχήµα ιάγραµµα απεικόνισης διαδικασίας για τον προσδιορισµό της περιοχής λειτουργίας συστήµατος ΚΣΑΜ Στη συνέχεια παρουσιάζεται ο υπολογισµός αυτός για τη µελετώµενη διάταξη κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα. Η ανάλυση βασίστηκε στις εξής υποθέσεις εργασίας: - Θεώρηση κτιρίου αναφοράς αντίστοιχου αυτού της πειραµατικής διάταξης (βλέπε 3.7.1). - Κλιµατικές συνθήκες: t a = 32 o C, RH a = 30%, οι οποίες µπορούν να θεωρηθούν αντιπροσωπευτικές για την περιοχή των Αθηνών (βλέπε 5.2.2). - Συνθήκες χώρου οι οποίες καλύπτουν το σύνολο της περιοχής άνεσης που παρουσιάστηκε στο σχ Για τις ανάγκες του υπολογισµού, επιλέχτηκαν σηµεία µε βήµα 0.1 o C ως προς τη θερµοκρασία και 0.5% ως προς τη σχετική υγρασία. Σελ.144

179 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα - Συντελεστές απόδοσης υποσυστηµάτων: η F 1 = 0. 05, η F 2 = 0. 95, η hx = 0. 95, η = hum - Θερµοκρασία αναγέννησης: 70 o C. - Παροχή αέρα 1200 m 3 /h (βλέπε 5.2.1). - Ο υπολογισµός του φορτίου κλιµατισµού του κτιρίου σε κάθε σηµείο των συνθηκών άνεσης του χώρου έγινε σύµφωνα µε τα όσα αναφέρθηκαν στην Στο σχ. 5.9, παρουσιάζεται η υπολογιζόµενη περιοχή λειτουργίας του συστήµατος, η οποία καλύπτει το 20% της περιοχής θερµικής άνεσης. RHb [% ] Σηµεία λειτουργίας συστήµατος Περιοχή θερµικής άνεσης t b [ o C] Σχήµα Απαιτήσεις θερµικής άνεσης χώρου και αντίστοιχο σηµείο λειτουργίας συστήµατος ΚΣΑΜ - Μελέτη περίπτωσης Αντίστοιχα παρουσιάζονται (σχ. 5.10) τα ζεύγη τιµών a s,a e. ae [ - ] a s [ - ] Σχήµα Τιµές του ποσοστού λειτουργίας των υγραντήρων στην περιοχή λειτουργίας συστήµατος ΚΣΑΜ - Μελέτη περίπτωσης Σελ.145

180 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι η συγκεκριµένη µορφή της περιοχής λειτουργίας εξαρτάται τόσο από το µοντέλο που υιοθετείται για το κτίριο, όσο και από τις υποθέσεις εργασίας που υιοθετήθηκαν. Από την άποψη αυτή, τα παραπάνω αποτελέσµατα είναι ενδεικτικά και σκοπό έχουν να επιστήσουν την προσοχή στο ενδιαφέρον που παρουσιάζει η υιοθέτηση της προσέγγισης της περιοχής λειτουργίας, σε αντιστοιχία µε την περιοχή θερµικής άνεσης, στο βαθµό που επιτρέπει µια πιο ελαστική ρύθµιση των παραµέτρων ελέγχου. 5.3 ιερεύνηση ικανότητας ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε µεταβαλλόµενες συνθήκες λειτουργίας ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΗΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Κατά τη λειτουργία ενός συστήµατος κλιµατισµού, υπάρχει απαίτηση για έναν αλγόριθµο ο οποίος να αποφασίζει για το κατάλληλο σενάριο λειτουργίας του συστήµατος σε σχέση µε την επίτευξη του στόχου, δηλαδή προκαθορισµένων συνθηκών άνεσης στον κλιµατιζόµενο χώρο. Ο αλγόριθµος αυτός µπορεί να είναι από πολύ απλός, π.χ. ρύθµιση ON/OFF του συστήµατος αν η θερµοκρασία ξεπεράσει κάποια τιµή, ή σύνθετος ανάλογα µε τα χαρακτηριστικά λειτουργίας, τις δυνατότητες του συστήµατος και τον επιθυµητό βαθµό αποτελεσµατικότητας. Οι συνθήκες άνεσης είναι δυνατόν να αναφέρονται στο στόχο ρύθµισης µόνο της θερµοκρασίας, ή της θερµοκρασίας και της υγρασίας, ενώ ταυτόχρονα µπορεί να υιοθετηθεί η λογική επίτευξης κάποιου συγκεκριµένου σηµείου στόχου ή κάποιου εύρους αποδεκτών τιµών (περιοχή θερµικής άνεσης). Με δεδοµένη τη δυνατότητα των συστηµάτων ΚΣΑΜ τόσο σε λειτουργία ψύξης όσο και σε λειτουργία αφύγρανσης, η απαίτηση ικανοποίησης των συνθηκών που προκύπτουν από την περιοχή θερµικής άνεσης, προσδίδει ευελιξία στη λειτουργία του συστήµατος, ταυτόχρονα όµως αυξάνει την πολυπλοκότητα του αλγόριθµου ρύθµισης, εισάγοντας έτσι την αναγκαιότητα επεξεργασίας µιας στρατηγικής ελέγχου του συστήµατος. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα βασικά στοιχεία µιας τέτοιας στρατηγικής ελέγχου για τα συστήµατα ΚΣΑΜ, θέτοντας ως στόχο την επίτευξη συνθηκών συµβατών µε την περιοχή θερµικής άνεσης του σχ Σε κάθε χρονική στιγµή, το σηµείο που αντιστοιχεί στις συνθήκες του χώρου µπορεί να βρίσκεται είτε έξω, είτε µέσα στην περιοχή άνεσης. Στην πρώτη περίπτωση είναι προφανές ότι θα πρέπει να επιλεχθεί το κατάλληλο σενάριο λειτουργίας ώστε οι συνθήκες του χώρου να κινηθούν σε κατεύθυνση που θα τις φέρει εντός των ορίων της περιοχής θερµικής άνεσης. Στην περίπτωση που οι συνθήκες του χώρου βρίσκονται εντός της περιοχής θερµικής άνεσης θα πρέπει να προβλεφθεί λειτουργία του συστήµατος, ώστε να Σελ.146

181 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα αποφευχθεί η περίπτωση οι συνθήκες να βρεθούν εκτός του διαγράµµατος σε επόµενο χρονικό βήµα. Μια ρεαλιστική στρατηγική ελέγχου µπορεί να περιλαµβάνει την υιοθέτηση συγκεκριµένων τιµών αναφοράς για τη θερµοκρασία και υγρασία του χώρου (t lim, w lim ), οι οποίες να βρίσκονται εντός της περιοχής θερµικής άνεσης. Σύµφωνα µε την προσέγγιση αυτή, καθορίζονται τέσσερις διακριτές περιοχές στο διάγραµµα θερµοκρασίας - απόλυτης υγρασίας του χώρου. Ανάλογα µε τη θέση των συνθηκών του χώρου (t b, w b ) σε σχέση µε τις εν λόγω περιοχές, καθορίζονται τα εξής σενάρια λειτουργίας για το σύστηµα: - t b < t lim και w b < w lim περιοχή µη λειτουργίας (λειτουργία αερισµού) (5.3α) - t b < t lim και w b > w lim λειτουργία αφύγρανσης (5.3β) - t b > t lim και w b < w lim λειτουργία ψύξης (5.3γ) - t b > t lim και w b > w lim λειτουργία ψύξης & αφύγρανσης (5.3δ) Τα σενάρια λειτουργίας που περιγράφονται στις εξ. 5.3 θα πρέπει να υλοποιηθούν µέσω της επιλογής κατάλληλων τιµών για τις παραµέτρους ελέγχου του συστήµατος, οι οποίες σύµφωνα µε την ανάλυση της είναι το ποσοστό λειτουργίας των υγραντήρων και η θερµοκρασία αναγέννησης. Ειδικότερα, σε κάθε µια από τις περιοχές λειτουργίας, θεωρείται ότι το ποσοστό λειτουργίας των υγραντήρων παρουσιάζει σταθερή, προκαθορισµένη τιµή. Η τιµή αυτή προσδιορίζεται σύµφωνα µε την εµπειρία από τη λειτουργία του συστήµατος καθώς και από την παραµετρική διερεύνηση ικανότητας του συστήµατος (βλέπε 5.2.2), στη βάση του µοντέλου που αναπτύχθηκε. Οι περιοχές λειτουργίας της προτεινόµενης στρατηγικής, καθώς και η τιµή του ποσοστού λειτουργίας των υγραντήρων που αντιστοιχεί στις περιοχές αυτές παρουσιάζονται στο σχ w Περιοχή άνεσης Αφύγρανση (a e = 0, a s = 0) Ψύξη & αφύγρανση (a e = 1, a s = 1) Αερισµός w lim t lim Ψύξη (a e =1, a s =1) t Σχήµα ιάγραµµα συνθηκών χώρου και τιµών παραµέτρων ελέγχου συστήµατος για τη βασική στρατηγική ελέγχου Σελ.147

182 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Η ρύθµιση της θερµοκρασίας αναγέννησης δίνει τη δυνατότητα στο σύστηµα να προσαρµόσει το µέγεθος του αισθητού ή λανθάνοντος φορτίου που µπορεί να ικανοποιήσει ανάλογα µε την απόστασή του από τα όρια της περιοχής θερµικής άνεσης, επιδιώκοντας δηλαδή την αποµάκρυνση από τα άκρα και τη µετακίνηση προς το κέντρο της εν λόγω περιοχής. Η ρύθµιση γίνεται, σε κάθε χρονικό βήµα τ, µε την προσθήκη στην υφιστάµενη τιµή t reg της θερµοκρασίας αναγέννησης κατάλληλης διορθωτικής τιµής c treg, η οποία υπολογίζεται σύµφωνα µε τις σχέσεις: t ( τ + τ ) = t ( τ ) + c (5.4α) reg reg treg c treg 2 2 tlim ) ( wb wlim ) + b 2 2 ( tb = k a (5.4β) t w t = t lim t max (5.4γ) w = w lim w max (5.4δ) όπου: - k : συντελεστής ευαισθησίας - t max : το ανώτατο όριο θερµοκρασίας της περιοχής θερµικής άνεσης [ o C] - w max : το ανώτατο όριο απόλυτης υγρασίας της περιοχής θερµικής άνεσης [g kg -1 ] Ανάλογα µε την περιοχή που βρίσκεται το σηµείο των συνθηκών του χώρου, οι τιµές των συντελεστών α και β επιλέγονται ως ακολούθως: α = 1 και β = 0 για λειτουργία ψύξης, α = 0 και β = 1 για λειτουργία αφύγρανσης, α = 1 και β = 1 για λειτουργία αφύγρανσης και ψύξης. Οι προτεινόµενες τιµές για τους συντελεστές α, β έχουν καθοριστεί έτσι ώστε η πιθανή απόκλιση των συνθηκών του χώρου από τις τιµές αναφοράς να µην οδηγεί σε µεταβολή της τιµής για τη θερµοκρασία αναγέννησης, όταν δεν απαιτείται ρύθµιση των συνθηκών αυτών. Σχετικά µε την επίδραση του συντελεστή k στη συµπεριφορά της στρατηγικής, υψηλές τιµές του συντελεστή θα οδηγήσουν σε λειτουργία µε χαρακτήρα ON/OFF, η οποία, µε δεδοµένη την αδράνεια που εµφανίζουν ο τροχός αφύγρανσης και ο υγραντήρας, το χρονικό διάστηµα δηλαδή που απαιτούν µέχρι να τεθούν σε πλήρη λειτουργία, δεν είναι επιθυµητή. Αντίθετα χαµηλότερες τιµές του συντελεστή θα οδηγήσουν στη συνεχή λειτουργία του συστήµατος και του τροχού αφύγρανσης. Θα πρέπει βέβαια να ληφθεί υπόψη ότι για ιδιαίτερα χαµηλές τιµές του συντελεστή είναι πιθανόν το σύστηµα να Σελ.148

183 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα εµφανίσει αδράνεια στην αντιµετώπιση των φορτίων, η οποία µπορεί να οδηγήσει τις συνθήκες του κτιρίου εκτός της περιοχής θερµικής άνεσης. Είναι προφανές ότι η τιµή του συντελεστή ευαισθησίας k πρέπει να επιλέγεται µε τρόπο που να διασφαλίζεται η συµβατότητα της ταχύτητας µεταβολής της θερµοκρασίας αναγέννησης µε τους χαρακτηριστικούς χρόνους ανάδρασης της εγκατάστασης και του κτιρίου, παίρνοντας υπόψη και το χρονικό βήµα βάσει του οποίου το σύστηµα ελέγχου παρεµβαίνει στη λειτουργία του συστήµατος. Όσον αφορά στην επιλογή των τιµών αναφοράς t lim και w lim, οποιοσδήποτε συνδυασµός εντός της περιοχής θερµικής άνεσης µπορεί να θεωρηθεί ως καταρχήν αποδεκτός. Είναι βέβαια προφανές ότι χαµηλότερα όρια οδηγούν σε αυξηµένες ενεργειακές απαιτήσεις για το σύστηµα, καθώς αυξάνουν τα φορτία του κτιρίου. Αντίθετα, όσο τα όρια πλησιάζουν προς τις ανώτατες επιτρεπτές τιµές οι απαιτήσεις είναι µειωµένες, καθώς υψηλότερη θερµοκρασία και υγρασία για το χώρο οδηγούν σε χαµηλότερα αισθητά και λανθάνοντα φορτία. Μια εύλογη επιλογή θα µπορούσε να είναι καταρχήν το κέντρο βάρους της επιφάνειας της περιοχής άνεσης. Σε πρακτικό επίπεδο, οι τιµές των παραµέτρων που συζητήθηκαν αµέσως παραπάνω είναι δυνατόν να επιλεγούν παίρνοντας υπόψη και τα συµπεράσµατα µιας παραµετρικής διερεύνησης µε τη βοήθεια του µοντέλου προσοµοίωσης, η οποία θα κάλυπτε το σύνολο της περιοχής θερµικής άνεσης. Η λύση αυτή προκρίθηκε και στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, όπου, µε κριτήριο την ελαχιστοποίηση της ενεργειακής κατανάλωσης, επιλέχθηκαν συγκεκριµένες τιµές κοντά στο κέντρο του διαγράµµατος. Είναι προφανές από το σχ. 5.11, πως η επιλογή της λειτουργίας σύµφωνα µε την προτεινόµενη στρατηγική πραγµατοποιείται στο επίπεδο θερµοκρασίας - απόλυτης υγρασίας, αν και τα πρωτογενή µεγέθη του διαγράµµατος άνεσης είναι η θερµοκρασία και η σχετική υγρασία. Ο λόγος είναι ότι η σχετική υγρασία εµπεριέχει και το µέγεθος της θερµοκρασίας, µε αποτέλεσµα η ρύθµιση της να εξαρτάται από την αποτελεσµατικότητα δύο λειτουργιών του συστήµατος, αυξάνοντας έτσι την πολυπλοκότητα του αλγόριθµου λήψης αποφάσεων. Αντίθετα η ρύθµιση της απόλυτης υγρασίας συνδέεται άµεσα µε τη λειτουργία της αφύγρανσης, οδηγώντας σε απλούστερο σχήµα ελέγχου. Η προτεινόµενη στρατηγική δεν περιλαµβάνει κάποια πρόβλεψη για την περίπτωση που η θερµοκρασία ή η υγρασία του χώρου αποκτήσουν τιµή χαµηλότερη της αποδεκτής από την περιοχή θερµικής άνεσης. Πράγµατι, κατά τη διάρκεια της θερινής περιόδου, τόσο ο αερισµός όσο και η αφύγρανση συνιστούν λειτουργίες που συµβάλλουν στην αύξηση της θερµοκρασίας του χώρου, άρα και στην ευστάθεια του συστήµατος. Αντίστοιχα, στην περίπτωση της υγρασίας, το κατώτατο όριο υγρασίας της περιοχής θερµικής άνεσης είναι Σελ.149

184 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 αρκετά χαµηλό, ώστε η υγρασία του περιβάλλοντος να βρίσκεται σε υψηλότερο επίπεδο και κατ επέκταση η λειτουργία αερισµού του συστήµατος να συµβάλλει στην αύξηση της υγρασίας του χώρου. Στην περίπτωση της λειτουργίας σε ψύξη, η ρύθµιση των υγραντήρων που επιλέχτηκε οδηγεί υπό συνθήκες σε ταυτόχρονη (ήπιας έντασης) αφύγρανση, σύµφωνα και µε την ανάλυση της 5.2. Αν το κλίµα είναι ιδιαίτερα ξηρό και θερµό, η απαίτηση σε ψύξη µπορεί συνεπώς να οδηγήσει σε µείωση της υγρασίας του χώρου, σε τιµές χαµηλότερες του επιτρεπτού ορίου. Στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να προβλεφθεί λειτουργία ύγρανσης. Σε σχέση µε τη στρατηγική ελέγχου που συζητήθηκε προηγουµένως προτείνεται και µια βελτιωµένη εκδοχή, η οποία προβλέπει την υιοθέτηση ενός επιπλέον χαµηλότερου ορίου, t low, για τη θερµοκρασία. Με βάση το όριο αυτό, καθορίζονται δύο νέες περιοχές λειτουργίας ως εξής: - t low < t b < t lim και w b > w lim λειτουργία µέτριας ψύξης & αφύγρανσης (5.5α) - t low < t b < t lim και w b < w lim λειτουργία έµµεσης ψύξης µε εξάτµιση (5.5β) Η στρατηγική περιγράφεται στο σχ. 5.12: w Περιοχή άνεσης Αφύγρανση (a e = 0, a s = 0) Μέτρια ψύξη & αφύγρανση (a e = 0, a s = 1) Ψύξη & αφύγρανση (a e = 1, a s = 1) w lim w lim Αερισµός t low Έµµεση ψύξη µε εξάτµιση t lim Ψύξη (a e = 1, a s =1) t Σχήµα ιάγραµµα συνθηκών χώρου και τιµών παραµέτρων ελέγχου συστήµατος για τη βελτιωµένη στρατηγική ελέγχου Το βασικό πλεονέκτηµα του βελτιωµένου σχήµατος είναι ότι παρέχει τη δυνατότητα λειτουργίας σε έµµεση ψύξη µε εξάτµιση, λειτουργία η οποία ψύχει χωρίς να καταναλώνει θερµική ενέργεια. Παράλληλα, ενσωµατώνει και λειτουργία ηπιότερης ψύξης, µε ενεργοποίηση και του τροχού αφύγρανσης, ώστε να αναµένεται συνολικά πιο οµαλή λειτουργία του συστήµατος και µεγαλύτερη εξοικονόµηση θερµικής ενέργειας. Η τιµή του ορίου t low δεν είναι κρίσιµη και η επιλογή της µπορεί να γίνει είτε εµπειρικά, είτε πάλι ως αποτέλεσµα µιας διερεύνησης µε τη βοήθεια του µοντέλου προσοµοίωσης, έχοντας ως κριτήριο την ενεργειακή βελτιστοποίηση. Σελ.150

185 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα ΜΕΛΕΤΗ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΗΛΙΑΚΑ ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΣΑΜ Καθορισµός των παραµέτρων της ανάλυσης Από την ανάλυση που προηγήθηκε, είναι προφανές ότι η λειτουργία ενός συστήµατος ΚΣΑΜ εξαρτάται από πλήθος παραµέτρων, οι τιµές πολλών εκ των οποίων µεταβάλλονται συνεχώς κατά τη λειτουργία του. Ειδικότερα, η µεταβολή των κλιµατολογικών δεδοµένων σε εποχιακή και ηµερήσια βάση, οι µεταβαλλόµενες εσωτερικές συνθήκες του κτιρίου όπως προκύπτουν από την αλληλεπίδραση συστήµατος κλιµατισµού - κτιρίου, το επίπεδο απόδοσης των υποσυστηµάτων, η παροχή αέρα λειτουργίας αλλά και η αρχιτεκτονική της διάταξης επιδρούν σηµαντικά στο τελικό αποτέλεσµα. Επιπλέον, η σύνδεση µε ηλιακό θερµικό σύστηµα αυξάνει ακόµη περισσότερο την πολυπλοκότητα του προβλήµατος. Αναδεικνύεται συνεπώς ο ιδιαίτερος ρόλος ενός µοντέλου δυναµικής προσοµοίωσης της λειτουργίας του συστήµατος, αντίστοιχου µε αυτό που αναπτύχθηκε στην εργασία, το οποίο θα επιτρέψει τη ρεαλιστική αξιολόγηση των πολλαπλών εναλλακτικών σεναρίων διαµόρφωσης του συστήµατος κλιµατισµού και τη βελτιστοποίηση της τελικής επιλογής. Στη µελέτη περίπτωσης που ακολουθεί, εξετάζεται η αποτελεσµατικότητα των προτεινόµενων στρατηγικών ελέγχου και διερευνάται η συµπεριφορά ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε σύνδεση µε κτίριο αντίστοιχο του κτιρίου της πειραµατικής διάταξης. Βασικό στόχο της ανάλυσης αποτελεί η αξιολόγηση των δυνατοτήτων που παρέχει η προτεινόµενη προσέγγιση µοντελοποίησης, στα πλαίσια µιας διαδικασίας σχεδιασµού εγκαταστάσεων ΚΣΑΜ, συµπεριλαµβάνοντας τη δυνατότητα διασύνδεσης µε θερµικό ηλιακό σύστηµα. Το εξεταζόµενο σύστηµα λειτουργεί σε κύκλο πλήρους ανανέωσης αέρα. Για το επίπεδο απόδοσης των υποσυστηµάτων υιοθετήθηκαν οι τιµές που αναφέρονται στη βέλτιστη διάταξη και ειδικότερα: η F 1 = 0. 05, η F 2 = 0. 95, η hx = 0. 95, η hum = Οι κλιµατικές συνθήκες που υιοθετήθηκαν αναφέρονται σε δύο σειρές κλιµατικών συνθηκών: ήπιων και ακραίων, όπως αυτές παρουσιάστηκαν στην Η τιµή της παροχής αέρα τίθεται ίση µε 1200 m 3 /h (βλέπε 5.2.1). Για τη στρατηγική ελέγχου επιλέχθηκαν, σύµφωνα µε όσα εκτέθηκαν στην προηγούµενη ενότητα, οι τιµές t lim = 25 o C και w lim = 10 g/kg για το βασικό σχήµα, καθώς και η τιµή t low = 24 o C που απαιτείται επιπρόσθετα για την εφαρµογή του βελτιωµένου σχήµατος. Όσον αφορά στη µεταβατική λειτουργία των υποσυστηµάτων, σύµφωνα µε την ανάλυση που παρουσιάστηκε σε προηγούµενο κεφάλαιο (βλέπε ), οι υγραντήρες παρουσιάζουν άµεση απόκριση κατά τη θέση σε λειτουργία, ενώ κατά τη µετάβαση από Σελ.151

186 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 κατάσταση λειτουργίας σε κατάσταση µη λειτουργίας, ο συντελεστής απόδοσης ως προς τη θερµοκρασία (και την υγρασία) µειώνεται σταδιακά σε συνάρτηση µε το ποσό υγρασίας του πληρωτικού υλικού. Μετά το πέρας επαρκούς χρονικού διαστήµατος για το πλήρες στέγνωµα του πληρωτικού υλικού, ο υγραντήρας περνάει σε κατάσταση µη λειτουργίας. Η ενσωµάτωση της µεταβατικής λειτουργίας του υγραντήρα στο µοντέλο γίνεται µέσω της υπόθεσης γραµµικής µεταβολής της τιµής του ποσοστού λειτουργίας του υγραντήρα, ενώ το σχετικό χρονικό διάστηµα τίθεται στα 30 min (βλέπε ), προσέγγιση η οποία µπορεί να θεωρηθεί ικανοποιητική για την ανάλυση που ακολουθεί. Αντίστοιχα, ο τροχός αφύγρανσης χαρακτηρίζεται από σταθερά χρόνου της τάξης των 20 min, η οποία πρέπει να ληφθεί υπόψη τόσο κατά την έναρξη λειτουργίας όσο και κατά τη διακοπή αυτής. Η ενσωµάτωση στο µοντέλο της µεταβατικής λειτουργίας του τροχού γίνεται µέσω της χρονικής µεταβολής της τιµής του συντελεστή απόδοσης η F του τροχού, 2 καθώς σύµφωνα µε την πειραµατική διερεύνηση (βλέπε ), ο συντελεστής αυτός ακολουθεί τη µεταβατική συµπεριφορά της απόδοσης σε αφύγρανση, ενώ ο συντελεστής απόδοσης n F1 παραµένει σταθερός ιερεύνηση αποτελεσµατικότητας των προτεινόµενων στρατηγικών ελέγχου Κατά τη διερεύνηση της αποτελεσµατικότητας των στρατηγικών ελέγχου θεωρήθηκε ότι η θερµοκρασία αναγέννησης µπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιµή υπαγορεύει η στρατηγική ελέγχου στο εύρος ο C. Στο σχ. 5.13, παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα της ρύθµισης όσον αφορά στη θερµοκρασία και απόλυτη υγρασία του χώρου, κατά τη διάρκεια µιας ηµέρας µε ήπιες κλιµατικές συνθήκες, για τη βασική και τη βελτιωµένη στρατηγική ελέγχου. Αντίστοιχα στο σχ παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα κατά τη διάρκεια µιας ηµέρας µε ακραίες κλιµατικές συνθήκες. Σελ.152

187 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα tb [ o C] Ήπιες κλιµατικές συνθήκες βασική στρατηγική βελτιωµένη στρατηγική :00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 ώρα [ω:λλ] wb [g/kg] 12 Ήπιες κλιµατικές συνθήκες βασική στρατηγική βελτιωµένη στρατηγική :00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 ώρα [ω:λλ] Σχήµα Θερµοκρασία και απόλυτη υγρασία χώρου κατά την ηµερήσια λειτουργία συστήµατος ΚΣΑΜ σε ήπιες κλιµατικές συνθήκες, για τη βασική και τη βελτιωµένη στρατηγική ελέγχου Σελ.153

188 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 tb [ o C] Ακραίες κλιµατικές συνθήκες βασική στρατηγική βελτιωµένη στρατηγική :00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 ώρα [ω:λλ] wb [g/kg] 12 Ακραίες κλιµατικές συνθήκες βασική στρατηγική βελτιωµένη στρατηγική :00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 ώρα [ω:λλ] Σχήµα Θερµοκρασία και απόλυτη υγρασία χώρου κατά την ηµερήσια λειτουργία συστήµατος ΚΣΑΜ σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες, για τη βασική και τη βελτιωµένη στρατηγική ελέγχου Σελ.154

189 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Από ενεργειακή άποψη, στον πίνακα 5.1 παρουσιάζονται τα απαιτούµενα ποσά θερµικής ενέργειας του συστήµατος, ανάλογα µε τη στρατηγική και τις κλιµατικές συνθήκες που υιοθετήθηκαν. E heat [MJ] Βασικό σχήµα στρατηγικής ελέγχου Βελτιωµένο σχήµα στρατηγικής ελέγχου ήπιες κλιµατικές συνθήκες ακραίες κλιµατικές συνθήκες Πίνακας Θερµική ενεργειακή κατανάλωση για την ηµερήσια λειτουργία συστήµατος ΚΣΑΜ σε ήπιες και ακραίες κλιµατικές συνθήκες, για τη βασική και τη βελτιωµένη στρατηγική ελέγχου Συγκρίνοντας τα δύο σχήµατα, τo βελτιωµένο σχήµα εµφανίζει καλύτερη συµπεριφορά όσον αφορά στο εύρος διακύµανσης της θερµοκρασίας και απόλυτης υγρασίας, για ήπιες κλιµατικές συνθήκες. Παράλληλα, και η ενεργειακή κατανάλωση είναι σηµαντικά χαµηλότερη στην περίπτωση του βελτιωµένου σχήµατος, γεγονός που µπορεί να αποδοθεί στη σηµαντική µείωση του χρόνου λειτουργίας του τροχού αφύγρανσης, η οποία οφείλεται στην αξιοποίηση της δυνατότητας λειτουργίας σε έµµεση ψύξη µε εξάτµιση, που παρέχει το βελτιωµένο σχήµα. Αντίθετα, στην περίπτωση του σεναρίου των ακραίων συνθηκών, η συµπεριφορά και των δύο σχηµάτων είναι παρόµοια, τόσο σε επίπεδο ρύθµισης συνθηκών όσο και στο επίπεδο της ενεργειακής κατανάλωσης. Αυτό συµβαίνει διότι στις ακραίες κλιµατικές συνθήκες, το σύστηµα λειτουργεί συνεχώς κοντά στα όριά του µε αποτέλεσµα να µην έχει τόσο µεγάλη σηµασία η επιλεγόµενη στρατηγική. Παραµένει βέβαια το γεγονός ότι στην περίπτωση ενός ορθολογικά διαστασιολογηµένου συστήµατος, η βελτιωµένη στρατηγική ελέγχου αναµένεται να παρουσιάσει καλύτερες επιδόσεις σε όλο το εύρος των συνθηκών λειτουργίας. Στο σχ παρουσιάζονται οι συνθήκες του χώρου σε σχέση µε την περιοχή θερµικής άνεσης, οι οποίες επιτυγχάνονται µε το σύστηµα σε λειτουργία, για τις περιπτώσεις που µελετήθηκαν. Σελ.155

190 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 wb [g/kg] Ήπιες κλιµατικές συνθήκες βασική στρατηγική βελτιωµένη στρατηγική t b [ 0 C] wb [g/kg] Ακραίες κλιµατικές συνθήκες βασική στρατηγική βελτιωµένη στρατηγική t b [ 0 C] Σχήµα Συνθήκες του κλιµατιζόµενου χώρου σε σχέση µε την περιοχή άνεσης κατά την ηµερήσια λειτουργία συστήµατος ΚΣΑΜ σε ήπιες και ακραίες κλιµατικές συνθήκες, για τη βασική και τη βελτιωµένη στρατηγική ελέγχου Η αποτελεσµατικότητα του βασικού σχήµατος επηρεάζεται σηµαντικά από την ταλάντωση των συνθηκών του χώρου, φαινόµενο που επισηµάνθηκε και παραπάνω, µε αποτέλεσµα η µέση τιµή της θερµοκρασίας του χώρου να είναι αποδεκτή, να εµφανίζονται όµως σηµεία λειτουργίας εκτός της περιοχής θερµικής άνεσης. Το βελτιωµένο σχήµα παρουσιάζει σαφώς καλύτερη συµπεριφορά. Τα σηµεία εκτός της περιοχής άνεσης είναι µεµονωµένα για το σενάριο των ήπιων κλιµατικών συνθηκών, ενώ Σελ.156

191 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα κατά τη λειτουργία µε το σενάριο των ακραίων κλιµατικών συνθηκών, η κάλυψη των συνθηκών άνεσης είναι πλήρης. Από τα σχ και 5.14, συνάγεται πως η παρουσία σηµείων εκτός της περιοχής άνεσης για το βελτιωµένο σχήµα οφείλεται στην αδράνεια του συστήµατος, καθώς αδυνατεί να προσαρµόσει τη λειτουργία του σε µια περίοδο χαµηλού αισθητού φορτίου, όπως είναι η περίοδος των πρωινών ωρών. Η αδράνεια αυτή οφείλεται, κατά τη συγκεκριµένη χρονική περίοδο λειτουργίας του συστήµατος, στην αδράνεια του υγραντήρα προσαγωγής κατά τη διακοπή της λειτουργίας του. Η παρουσία των εν λόγω σηµείων δεν θεωρείται ιδιαίτερα κρίσιµη για την αξιολόγηση της προτεινόµενης στρατηγικής, σηµειώνοντας την περιορισµένη εµφάνιση καθώς και τη δυνατότητα εφαρµογής κάποιου απλού τρόπου θέρµανσης για την αντιµετώπισή του, π.χ. παροχή φρέσκου αέρα στο χώρο. Συνεπώς µπορεί να θεωρηθεί ως ικανοποιητική η συµπεριφορά του βελτιωµένου σχήµατος, για τις υποθέσεις εργασίας της συγκεκριµένης µελέτης περίπτωσης. Η εξέταση της αποτελεσµατικότητάς του σε διαφορετικές συνθήκες, κατέδειξε ότι η συµπεριφορά του σχήµατος παραµένει σταθερή, τα ποσοτικά όµως αποτελέσµατα επηρεάζονται από τη διαστασιολόγηση του συστήµατος και τις επιδόσεις των υποσυστηµάτων Αποτελέσµατα σύνδεσης συστήµατος µε ηλιακό πεδίο Για τις ανάγκες της προσοµοίωσης του θερµικού ηλιακού συστήµατος επιλέχθηκε ως υπόθεση εργασίας τυπικό ηλιακό σύστηµα µε τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: - Χρήση επιλεκτικού συλλέκτη µε συντελεστές της χαρακτηριστικής του καµπύλης απόδοσης n col = 0.75 και U col = 4 W/(m 2 K) και επιφάνεια παραθύρου A col = 2 m 2. Οι συλλέκτες είναι συνδεδεµένοι εν σειρά και σε κλίση 45 ο ως προς το οριζόντιο επίπεδο. - Παροχή συστοιχίας συλλεκτών: m& col = 0. 02Acol [kg/s] - Όγκος δεξαµενής αποθήκευσης: Vtan k = ASF [m 3 ] - Απόδοση του εναλλάκτη φορτίου του θερµικού συστήµατος και του εναλλάκτη του ηλιακού συστήµατος (βλέπε 3.7.2): n hx,ld = n hx,sf = Βοηθητική συµβατική πηγή ισχύος Q aux = 10 kw µε θερµοστατική ρύθµιση για επίτευξη θερµοκρασίας 80 o C (t set = 80 o C). Σηµειώνεται ότι η θερµοκρασία στην οποία ρυθµίζεται ο θερµοστάτης θεωρείται στην ανάλυση ότι αποτελεί και την αρχική θερµοκρασία της δεξαµενής. - Εξετάζονται ενδεικτικά δύο περιπτώσεις όσον αφορά τη συνολική επιφάνεια του ηλιακού πεδίου, και πιο συγκεκριµένα A SF = 8 m 2 και A SF = 20 m 2. Σελ.157

192 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Η διερεύνηση χρησιµοποιεί τη βελτιωµένη στρατηγική ελέγχου. Παράλληλα επικεντρώνεται στην περίπτωση των ακραίων κλιµατικών συνθηκών, καθώς στην περίπτωση αυτή το σύστηµα εµφανίζει λειτουργία στο σύνολο του καθοριζόµενου εύρους θερµοκρασίας αναγέννησης και οι απαιτήσεις σε θερµικό φορτίο είναι σηµαντικές (πιν. 5.1), µε αποτέλεσµα να παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον η συµπεριφορά του θερµικού ηλιακού συστήµατος και η αξιολόγηση συγκεκριµένων σχεδιαστικών επιλογών. Tα αποτελέσµατα της λειτουργίας του συστήµατος όσον αφορά στις συνθήκες που επιτυγχάνονται στον κλιµατιζόµενο χώρο, όταν το σύστηµα υποστηρίζεται ενεργειακά από ηλιακό θερµικό σύστηµα, εµφανίζονται παρόµοια µε τα αποτελέσµατα που παρουσιάστηκαν στην προηγούµενη ενότητα, µε την κάλυψη των απαιτήσεων του χώρου να φθάνει το 100% (σχ. 5.16). Σηµειώνεται ότι, όπως προκύπτει από το εν λόγω διάγραµµα, δεν παρατηρείται διαφορά στις συνθήκες του χώρου σε σχέση µε τη συλλεκτική επιφάνεια που υιοθετείται, των 8 m 2 ή 20 m 2. Για λόγους που σχετίζονται µε την ευκρινέστερη ανάγνωση των σηµείων του διαγράµµατος, παρουσιάζεται η µέση τιµή των συνθηκών του χώρου για µεγαλύτερο χρονικό διάστηµα από το χρονικό βήµα της ανάλυσης. Η πολύ καλή λειτουργία του συστήµατος σε σύνδεση µε ηλιακό θερµικό σύστηµα οφείλεται στο γεγονός ότι η ρύθµιση του θερµοστάτη της δεξαµενής αποθήκευσης θερµότητας στη θερµοκρασία των 80 o C διασφαλίζει τη διαθεσιµότητα θερµικής ενέργειας στο επιθυµητό εύρος θερµοκρασίας αναγέννησης του τροχού αφύγρανσης (50-70 ο C) καθόλη τη διάρκεια λειτουργίας του συστήµατος. wb [g/kg] ASF = 8 m2 ASF = 20 m t b [ 0 C] Σχήµα Συνθήκες του κλιµατιζόµενου χώρου σε σχέση µε την περιοχή άνεσης κατά την ηµερήσια λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες (επιφάνεια ηλιακού πεδίου: 8 m 2, 20 m 2 ) Σελ.158

193 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Στον πίν. 5.2, παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα της ενεργειακής κατανάλωσης του συστήµατος, για συλλεκτική επιφάνεια 8 m 2 και 20 m 2 αντίστοιχα. A SF [m 2 ] E heat [MJ] E SF [MJ] E aux [MJ] Πίνακας Θερµική ενεργειακή κατανάλωση για την ηµερήσια λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες Από τα αποτελέσµατα του πιν. 5.2, προκύπτει ότι η ενεργειακή συνεισφορά του ηλιακού πεδίου ως προς την απαίτηση του συστήµατος κλιµατισµού σε θερµική ενέργεια κυµαίνεται από 51% έως 83%, ανάλογα µε τη συνολική συλλεκτική επιφάνεια. Η επιλογή ηλιακού πεδίου µε µικρότερη επιφάνεια συνδέεται, όπως είναι αναµενόµενο, µε µειωµένη ενεργειακή συνεισφορά του ηλιακού συστήµατος (σχ. 5.17). Παράλληλα, αυξάνεται η συνεισφορά της βοηθητικής πηγής. Σύµφωνα µε τον ενεργειακό ισολογισµό που προκύπτει από τα στοιχεία του πιν. 5.2, το ενεργειακό κέρδος της δεξαµενής από το ηλιακό πεδίο και τη βοηθητική πηγή εµφανίζεται µικρότερο από την απαίτηση σε θερµική ενέργεια του συστήµατος. Πιο συγκεκριµένα, για την περίπτωση των 8 m 2 το ενεργειακό κέρδος είναι MJ και για την περίπτωση των 20 m 2 είναι MJ, ενώ η απαίτηση σε θερµική ενέργεια του συστήµατος ΚΣΑΜ είναι MJ. Το σύστηµα ΚΣΑΜ εξασφαλίζει το επιπλέον αυτό ποσό ενέργειας µέσω της αξιοποίησης τµήµατος της θερµότητας που βρίσκεται αποθηκευµένη στη δεξαµενή πριν την έναρξη λειτουργίας του. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα, και στις δύο περιπτώσεις συλλεκτικής επιφάνειας, η τελική µέση θερµοκρασία της δεξαµενής να είναι σχετικά χαµηλότερη από την αρχική θερµοκρασία της. Η θερµική ισχύς του ηλιακού πεδίου που παρουσιάζεται στο σχ υπολογίζεται σύµφωνα µε τη σχέση: Q SF = m& c t t ) (5.6) SF p, SF ( SF, out SF, in όπου: - m& SF : η παροχή του θερµικού φορέα του ηλιακού πεδίου [kg/s] - c p,sf : η ειδική θερµοχωρητικότητα του θερµικού φορέα του ηλιακού πεδίου [kj/(kg K)] - t SF,out : η θερµοκρασία εξόδου του θερµικού φορέα από το ηλιακό πεδίο [ ο C] - t SF,in : η θερµοκρασία εισόδου του θερµικού φορέα στο ηλιακό πεδίο [ ο C] Σελ.159

194 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 QSF [kw] m2 20 m :00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 ώρα [ω:λλ] Σχήµα Θερµική ισχύς ηλιακού πεδίου κατά την ηµερήσια λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες Με δεδοµένο ότι το σύστηµα κλιµατισµού συνδέεται µε θερµικό ηλιακό σύστηµα, ενδιαφέρον παρουσιάζει και η αξιολόγηση, τόσο ως προς την κάλυψη των φορτίων κλιµατισµού όσο και ως προς τη συνεισφορά της θερµικής ηλιακής πηγής, της επιλογής λειτουργίας του συστήµατος σε χαµηλότερο θερµοκρασιακό επίπεδο. Η υλοποίηση λειτουργίας του συστήµατος σε χαµηλότερο θερµοκρασιακό επίπεδο επιτυγχάνεται µε τη ρύθµιση του θερµοστάτη της δεξαµενής αποθήκευσης σε χαµηλότερη θερµοκρασία. Επιλέγεται η θερµοκρασία των 60 ο C για το θερµοστάτη, η οποία διασφαλίζει για το ρεύµα αναγέννησης του τροχού αφύγρανσης την ελάχιστη απαιτούµενη θερµοκρασία των 50 ο C. Στο σχ παρουσιάζεται, για επιφάνεια ηλιακού πεδίου 8 m 2, η µέση θερµοκρασία της δεξαµενής αποθήκευσης θερµότητας για την περίπτωση ρύθµισης του θερµοστάτη στους 80 ο C και στους 60 ο C αντίστοιχα. Με δεδοµένο ότι η ενεργειακή συνεισφορά του ηλιακού πεδίου είναι περιορισµένη, η θερµοκρασία της δεξαµενής ταλαντώνεται σύµφωνα µε τη λειτουργία του θερµοστάτη. Σελ.160

195 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Eπιφάνεια ηλιακού πεδίου : 8 m 2 ttank [ ο C] tset = 60 oc tset = 80 oc :00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 ώρα [ω:λλ] Σχήµα Μέση θερµοκρασία δεξαµενής κατά την ηµερήσια λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες (επιφάνεια ηλιακού πεδίου: 8 m 2 ) Σύµφωνα µε το σχ. 5.19, η λειτουργία σε χαµηλότερο θερµοκρασιακό επίπεδο δεν επηρέασε τη λειτουργία του χώρου, και η κάλυψη των απαιτήσεων θερµικής άνεσης είναι πλήρης. wb [g/kg] Επιφάνεια ηλιακού πεδίου: 8 m 2 tset = 60 oc tset = 80 oc t b [ 0 C] Σχήµα Συνθήκες του κλιµατιζόµενου χώρου σε σχέση µε την περιοχή άνεσης κατά την ηµερήσια λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες, για δύο διαφορετικές θερµοκρασίες ρύθµισης του θερµοστάτη της βοηθητικής πηγής (επιφάνεια ηλιακού πεδίου: 8 m 2 ) Σελ.161

196 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Η απαίτηση σε θερµική ενέργεια του συστήµατος παρουσιάζεται, συγκριτικά για τις δύο περιπτώσεις στον πιν Η διαφορά δεν είναι ιδιαίτερα σηµαντική, και αυτό οφείλεται στο γεγονός πως κατά τη λειτουργία του συστήµατος σε χαµηλότερο θερµοκρασιακό επίπεδο η στρατηγική ελέγχου υπαγορεύει τη λειτουργία του τροχού αφύγρανσης για µεγαλύτερο χρονικό διάστηµα, σε σχέση µε την περίπτωση του υψηλότερου θερµοκρασιακού επιπέδου. t set [ o C] E heat [MJ] E SF [MJ] E aux [MJ] Πίνακας Θερµική ενεργειακή κατανάλωση για την ηµερήσια λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες, για δύο διαφορετικές θερµοκρασίες ρύθµισης του θερµοστάτη της δεξαµενής αποθήκευσης (επιφάνεια ηλιακού πεδίου: 8 m 2 ) Όσον αφορά στη συµπεριφορά του ηλιακού πεδίου, ο συντελεστής απόδοσής του είναι υψηλότερος στην περίπτωση λειτουργίας µε χαµηλότερη τιµή για τη θερµοκρασία του θερµοστάτη, όπως είναι άλλωστε αναµενόµενο (σχ. 5.20). ηsf [-] Eπιφάνεια ηλιακού πεδίου : 8 m 2 tset = 60 oc tset = 80 oc 0 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 ώρα [ω:λλ] Σχήµα Συντελεστής απόδοσης ηλιακού πεδίου σε ηµερήσια λειτουργία ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ σε ακραίες κλιµατικές συνθήκες, για δύο διαφορετικές θερµοκρασίες ρύθµισης του θερµοστάτη της δεξαµενής αποθήκευσης Σελ.162

197 ιερεύνηση απόδοσης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα Ο συντελεστής απόδοσης του ηλιακού πεδίου υπολογίζεται από τη σχέση: όπου: 1000QSF η SF = (5.7) A G SF - Q SF : η θερµική ισχύς του ηλιακού πεδίου [kw] (υπολογίζεται από την εξ. 5.6) - Α SF : η επιφάνεια του ηλιακού πεδίου [m 2 ] - G : η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια των συλλεκτών του ηλιακού πεδίου [kw] Πρέπει να τονιστεί ότι τα παραπάνω αποτελέσµατα αφορούν µόνο σύστηµα που εργάζεται στις συνθήκες λειτουργίας και για τα χαρακτηριστικά των υποσυστηµάτων που επιλέχθηκαν ως υποθέσεις εργασίας. Από την άποψη αυτή µπορούν να θεωρηθούν µόνο ως ενδεικτικά των αποτελεσµάτων που θα αξιολογούνταν στα πλαίσια µιας ολοκληρωµένης µελέτης σχεδιασµού, όπου οι κλιµατολογικές συνθήκες και τα χαρακτηριστικά του συστήµατος (αποδόσεις και µέγεθος ή δυναµικότητα υποσυστηµάτων) θα αποτελούσαν δεδοµένα εισόδου σε µια πλήρη παραµετρική διερεύνηση µε σκοπό την βελτιστοποίηση των τελικών επιλογών. Τα συµπεράσµατα από µια τέτοια παραµετρική διερεύνηση συνιστούν κρίσιµη πληροφορία στο βαθµό που επιδρούν καθοριστικά στους τεχνικο-οικονοµικούς όρους εκµετάλλευσης της εγκατάστασης, ειδικότερα στο επίπεδο στάθµισης του λειτουργικού κόστους της εξοικονοµούµενης συµβατικής ενέργειας σε σύγκριση µε το αρχικό κόστος εγκατάστασης του ηλιακού συστήµατος. Σελ.163

198

199 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. Συµπεράσµατα και προτάσεις για µελλοντική έρευνα Αντικείµενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η πειραµατική και θεωρητική διερεύνηση της µοντελοποίησης ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ηλιακού κλιµατισµού µε στερεά αφυγραντικά µέσα. Η διερεύνηση οργανώθηκε εξ αρχής σε τρεις διακριτές αλλά και αλληλοτροφοδοτούµενες κατευθύνσεις: - Σε τεχνολογικό επίπεδο στόχος ήταν η συσσώρευση γνώσης και εµπειρίας σχετικά µε την ανάπτυξη παρόµοιων διατάξεων σε πραγµατική κλίµακα, µε έµφαση στην αξιολόγηση των εµπορικά διαθέσιµων τεχνολογικών λύσεων και στον εντοπισµό κρίσιµων ζητηµάτων σχεδιασµού. - Σε πειραµατικό επίπεδο επιδιώχθηκε η ποσοτική ανάλυση των ροών µάζας και ενέργειας που χαρακτηρίζουν ένα τυπικό σύστηµα ΚΣΑΜ σε ρεαλιστικές συνθήκες λειτουργίας. Κύριο στόχο της πειραµατικής διερεύνησης αποτέλεσε η επικύρωση αξιόπιστων και αποτελεσµατικών επιλογών µοντελοποίησης, όπως αυτές διατυπώθηκαν στη βάση της θεωρητικής ανάλυσης. - Σε θεωρητικό επίπεδο, η έρευνα εστιάστηκε στην ανάπτυξη ενός αποτελεσµατικού και εύχρηστου µοντέλου για τα συστήµατα αυτά, στη βάση της ανάλυσης των σχέσεων που διέπουν τη λειτουργία των διαφόρων υποσυστηµάτων και της ενσωµάτωσης των αποτελεσµάτων της πειραµατικής διερεύνησης. Στη συνέχεια επιχειρείται µια σύνοψη των συµπερασµάτων που προκύπτουν από το σύνολο των δραστηριοτήτων και αποτελεσµάτων που περιγράφονται αναλυτικά στα προηγούµενα κεφάλαια. Παρά το προφανές ενδιαφέρον που παρουσιάζουν οι λύσεις του ηλιακού κλιµατισµού, η διάδοση τους παραµένει περιορισµένη. Από τη διερεύνηση που επιχειρήθηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας συνάγεται ότι ένα από τα σηµαντικότερα εµπόδια για την ευρύτερη διείσδυση του ηλιακού κλιµατισµού γενικά, και των ηλιακά υποβοηθούµενων συστηµάτων ΚΣΑΜ ειδικότερα, είναι η απουσία τεχνογνωσίας στο επίπεδο του σχεδιασµού και της υλοποίησης τέτοιων συστηµάτων. Παράλληλα, από την ανάλυση της σχετικής βιβλιογραφίας προκύπτει ότι και οι διαθέσιµες πειραµατικές προσεγγίσεις είναι περιορισµένες, ειδικά όσον αφορά σε πλήρη συστήµατα σε πραγµατική κλίµακα. Η απουσία έτοιµων ολοκληρωµένων εµπορικών λύσεων, καθιστά ιδιαίτερα σηµαντική την επιλογή των απαιτούµενων υποσυστηµάτων και, κυρίως, τον τρόπο ενσωµάτωσής τους σε Σελ.165

200 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ένα ενιαίο λειτουργικό σύνολο. Αξίζει να τονιστεί ότι δεν υπάρχουν σηµαντικά προβλήµατα εµπορικής διαθεσιµότητας όσον αφορά στα απαιτούµενα τυπικά υποσυστήµατα, όπως για παράδειγµα οι συσκευές ψύξης µε εξάτµιση ή οι εναλλάκτες, εξαιρούµενου ίσως του τροχού αφύγρανσης για τον οποίο τα διαθέσιµα προϊόντα είναι περιορισµένα. Πρόσθετη παράµετρο που πρέπει να ληφθεί υπόψη, συνιστά η ανάγκη χρησιµοποίησης υποσυστηµάτων τα οποία είναι τεχνολογικά ώριµα και διαθέσιµα σε λογικό κόστος προµήθειας και υποστήριξης, έχοντας υπόψη τόσο τη βιωσιµότητα όσο και την οικονοµική ανταποδοτικότητα που οφείλουν να χαρακτηρίζουν κάθε εφαρµογή αξιοποίησης των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας. Η πειραµατική διερεύνηση µιας διάταξης ΚΣΑΜ πραγµατικής κλίµακας δεν είναι δυνατή χωρίς τη σύζευξή της µε κατάλληλα διαµορφωµένο χώρο, χαρακτηριζόµενο, στο µέτρο του δυνατού, από ελεγχόµενα αισθητά και λαθάνοντα φορτία. Το πρόβληµα των συνθηκών αξιολόγησης ενός ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος κλιµατισµού είναι εξάλλου γενικότερο, στο βαθµό που οι συνθήκες περιβάλλοντος αποτελούν ανεξάρτητη και µη ελεγχόµενη µεταβλητή, επηρεάζοντας ταυτόχρονα καθοριστικά τη λειτουργία του. Στην προσπάθεια εποµένως διαµόρφωσης σεναρίων παραµετρικής αξιολόγησης του συστήµατος τα οποία θα αναδεικνύουν ευδιάκριτα το ρόλο κάθε παραµέτρου, είναι επιθυµητή η σταθεροποίηση ορισµένων από αυτές. Μια τέτοια επιλογή οδήγησε, για την περίπτωση της πειραµατικής διάταξης που µελετήθηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, στη χρησιµοποίηση, αντί του θερµικού ηλιακού συστήµατος, ελεγχόµενης βοηθητικής πηγής θερµότητας µε παρόµοια θερµοκρασιακά χαρακτηριστικά, επιδιώκοντας να µην επιβαρυνθεί η ανάλυση από το πλήθος των παραµέτρων που θα εισήγαγε η παρουσία του ηλιακού παράγοντα, κυρίως ως προς τη σταθερότητα στο χρόνο της θερµοκρασίας αναγέννησης του τροχού αφύγρανσης. Στη βιβλιογραφία εµφανίζεται πλήθος εναλλακτικών διαµορφώσεων διατάξεων ΚΣΑΜ, ανάλογα µε το ποσοστό ανανέωσης του αέρα του κλιµατιζόµενου χώρου, τη σύνδεση ή όχι µε συµβατικό σύστηµα ψύξης και την επιλογή της θερµικής πηγής για την αναγέννηση του τροχού. Για τις ανάγκες της έρευνας επιλέχτηκε η µελέτη τυπικής διάταξης για τη µελετώµενη τεχνολογία, όπως προκύπτει από τη σχετική βιβλιογραφία. Ο αρθρωτός χαρακτήρας του συστήµατος, επιτρέπει την µετέπειτα αξιοποίηση των ευρηµάτων της έρευνας, ειδικά όσον αφορά στη συµπεριφορά του τροχού αφύγρανσης, και στο σύνολο των εναλλακτικών διαµορφώσεων. Η λειτουργία της πειραµατικής διάταξης για µια συνολική περίοδο δύο ετών, κατά την οποία διήρκεσε το βασικό µέρος της πειραµατικής διερεύνησης, υπήρξε ιδιαίτερα ικανοποιητική, τόσο σε επίπεδο απόδοσης όσο και αξιοπιστίας. Από τη διερεύνηση αυτή αναδείχθηκαν συγκεκριµένα προβλήµατα, τα οποία µπορούν να επηρεάσουν την οµαλή Σελ.166

201 Συµπεράσµατα και προτάσεις για µελλοντική έρευνα λειτουργία, και τα οποία θα πρέπει να λαµβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασµό και την ανάπτυξη αντίστοιχων συστηµάτων. Ειδική αναφορά πρέπει να γίνει στις διαρροές αέρα µεταξύ των ρευµάτων προσαγωγής και απαγωγής, διαµέσου του τροχού. Το πρόβληµα αυτό θεωρείται τυπικό για την τεχνολογία αυτή και απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή, δεδοµένης της αδυναµίας πλήρους στεγάνωσης µεταξύ των δύο ρευµάτων. Η θέση των ανεµιστήρων είναι πιθανό να επιβαρύνει τις διαρροές αέρα µεταξύ των δύο ρευµάτων, όπως αποδείχθηκε και στην πειραµατική διάταξη. Στα πλαίσια της πειραµατικής διερεύνησης δοκιµάστηκε µε επιτυχία η τοποθέτησή τους εκατέρωθεν του τροχού, έτσι ώστε η εξισορρόπηση της πίεσης να δηµιουργεί ένα είδος δυναµικής αποµόνωσης µεταξύ των δύο ρευµάτων, ελαχιστοποιώντας τις διαρροές. Η θεωρητική διερεύνηση της λειτουργίας των υποσυστηµάτων κατέληξε στο να προκριθούν συγκεκριµένα µοντέλα για την προσοµοίωση της συµπεριφοράς τους. Τα προτεινόµενα µοντέλα βασίζονται στη χρήση κατάλληλα επιλεγµένων δεικτών απόδοσης, οι τιµές των οποίων παραµένουν σταθερές σε συγκεκριµένο εύρος συνθηκών λειτουργίας. Οι τιµές αυτές των δεικτών απόδοσης προσδιορίστηκαν πειραµατικά µέσω µιας διαδικασίας προσαρµογής των σχετικών εξισώσεων στα πειραµατικά δεδοµένα, µε την ποιότητα της προσαρµογής αυτής να κρίνεται ως ικανοποιητική. Παράλληλα µε τη διερεύνηση της καταλληλότητας των µοντέλων αυτών σε σταθερές συνθήκες λειτουργίας, διερευνήθηκε και η δυνατότητα αξιοποίησης τους σε µεταβατικές συνθήκες. Ειδικότερα, από την πειραµατική µελέτη του εναλλάκτη αέρα - αέρα επιβεβαιώθηκε η σταθερή συµπεριφορά του συντελεστή ενεργειακής απόδοσης για το τυπικό εύρος συνθηκών λειτουργίας που επιλέχθηκε. Η πειραµατικά προσδιοριζόµενη τιµή εµφανίζει πολύ καλή συµφωνία µε την τιµή που προτείνεται από τον κατασκευαστή. Τα φαινόµενα µεταβατικής συµπεριφοράς αποδείχθηκαν αµελητέα, µε την αντίστοιχη σταθερά χρόνου να είναι σηµαντικά µικρότερη αυτής των άλλων υποσυστηµάτων της διάταξης. Στον υγραντήρα παρατηρήθηκε απόκλιση µεταξύ του συντελεστή απόδοσης ως προς τη θερµοκρασία σε σχέση µε το συντελεστή απόδοσης ως προς την απόλυτη υγρασία. Η απόκλιση συνδέεται µε τη µη διατήρηση της θερµοκρασίας υγρού βολβού διαµέσου του υγραντήρα, κυρίως λόγω απωλειών θερµότητας από τις εξωτερικές επιφάνειες προς το περιβάλλον και πιθανής ανταλλαγής θερµότητας µε το νερό τροφοδοσίας. Η απόδοση ως προς την υγρασία µπορεί να θεωρηθεί ικανοποιητική και συµβατή µε την αναφερόµενη από τον κατασκευαστή. Ο υγραντήρας εµφανίζει αξιοσηµείωτη σταθερά χρόνου κατά τη διακοπή της λειτουργίας του, λόγω του χρόνου που απαιτείται για να στεγνώσει η επιφάνεια επαφής του πορώδους υλικού. Σύµφωνα µε την πειραµατική διερεύνηση, η Σελ.167

202 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 µεταβατική συµπεριφορά του υγραντήρα µπορεί να µοντελοποιηθεί προσεγγιστικά µε γραµµική µεταβολή της απόδοσης του ως προς τη θερµοκρασία (και την υγρασία). Ο τροχός αφύγρανσης αποτελεί το σηµαντικότερο υποσύστηµα της διάταξης. Βασικό χαρακτηριστικό των θερµοκρασιακών πεδίων και των πεδίων ροής στην έξοδο του τροχού συνιστά η ανοµοιόµορφη κατανοµή θερµοκρασίας και υγρασίας, ως αποτέλεσµα της περιστροφής του. Προκύπτει, κατά συνέπεια, ένα ζήτηµα αξιόπιστης µέτρησης των µεγεθών που υπεισέρχονται στη λειτουργία του τροχού αφύγρανσης, µε συνέπειες στην επιλογή της θέσης των αισθητηρίων. Η λύση που δόθηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, βασισµένη στην εκτίµηση µια µέσης θερµοκρασίας µε τη βοήθεια µετρήσεων σε πολλά σηµεία, αποδείχθηκε αρκούντως αποτελεσµατική, θέτει όµως το πρόβληµα της τυποποίησής της, ως αναγκαία προϋπόθεση για τη συγκρισιµότητα των αποτελεσµάτων από µελέτη σε µελέτη. Πολύ περισσότερο αν συνεκτιµηθεί το ότι η παρατηρούµενη ανοµοιογενής κατανοµή στην έξοδο του τροχού διαχέεται στο σύνολο σχεδόν του συστήµατος, καθώς µεταφέρεται µέσω του εναλλάκτη αέρα - αέρα και σε άλλες θέσεις. Η µοντελοποίηση του τροχού αφύγρανσης αποτελεί ένα από τα βασικά ζητήµατα που απασχόλησαν την εργασία, και συνδέεται µε την πρόταση ενός αξιόπιστου και εύχρηστου µοντέλου το οποίο να µπορεί να συνδυαστεί µε αυτά των υπόλοιπων υποσυστηµάτων της διάταξης. Η προσέγγιση προσοµοίωσης που επιλέχθηκε τελικά για τον τροχό αφύγρανσης βασίστηκε στη µέθοδο της αναλογίας, όπως αυτή αναφέρεται στη σχετική βιβλιογραφία, εµπλουτίζοντάς την µε ορισµένα πρόσθετα στοιχεία. Η µέθοδος της αναλογίας αποδείχθηκε ότι περιγράφει ικανοποιητικά τη θερµο-υδραυλική συµπεριφορά του τροχού, παραµένοντας σχετικά απλή στην εφαρµογή και εύχρηστη στην ενσωµάτωσή της σε ένα µοντέλο πλήρους διάταξης ΚΣΑΜ. Πιο συγκεκριµένα, από τα πειραµατικά αποτελέσµατα προέκυψε ότι οι αποδόσεις η F, η 1 F ως προς τις µεταβλητές συνδυασµένου δυναµικού F 2 1, F 2 παραµένουν σταθερές για ένα συγκεκριµένο τροχό, κατ αναλογία µε το συντελεστή απόδοσης µιας συνήθους διάταξης µετάδοσης θερµότητας. εδοµένης της πολυπλοκότητας του αναλυτικού υπολογισµού των συντελεστών η F και η 1 F, η επιβεβαίωση της υπόθεσης 2 σταθερών τιµών για συγκεκριµένο εύρος συνθηκών λειτουργίας, επιτρέπει τον πειραµατικό προσδιορισµό των τιµών αυτών, διευκολύνοντας σηµαντικά το έργο της προσοµοίωσης. Παράλληλα αναπτύχθηκε και εναλλακτική προσέγγιση για τον προσδιορισµό των συντελεστών η F και η 1 F, µε αξιοποίηση της τεχνικής πληροφορίας που παρέχει ο 2 κατασκευαστής, συνήθως υπό τη µορφή λογισµικού παραµετρικής ανάλυσης επιδόσεων. Και οι δύο προσεγγίσεις οδηγούν σε αποτελέσµατα απολύτως συµβατά µεταξύ τους, συνηγορώντας υπέρ της ισοδυναµίας τους, περιορίζοντας τελικά την ανάγκη πειραµατικού προσδιορισµού. Σελ.168

203 Συµπεράσµατα και προτάσεις για µελλοντική έρευνα Ο τροχός αφύγρανσης εµφανίζει µεταβατική συµπεριφορά, τόσο κατά την έναρξη όσο και κατά τη διακοπή της λειτουργίας του. Σύµφωνα µε την πειραµατική διερεύνηση, η συµπεριφορά αυτή µπορεί να µοντελοποιηθεί µέσω της εκθετικής µεταβολής του συντελεστή απόδοσης η F, διατηρώντας παράλληλα σταθερή την τιµή του η 2 F. 1 Η ανάπτυξη µοντέλου προσοµοίωσης συστήµατος ΚΣΑΜ για σταθερές συνθήκες λειτουργίας, το οποίο βασίστηκε στην ενσωµάτωση των µοντέλων των υποσυστηµάτων σύµφωνα µε τη θέση τους στη διάταξη, αποτέλεσε κεντρικό στόχο της έρευνας, δεδοµένου ότι δίνει τη δυνατότητα διερεύνησης της λειτουργίας παρόµοιων συστηµάτων σε εύρος συνθηκών που είναι αδύνατον να καλυφθεί σε πειραµατικό επίπεδο. Η πειραµατική επιβεβαίωση του µοντέλου της πλήρους διάταξης υπήρξε πολύ ικανοποιητική, συνηγορώντας υπέρ της χρησιµοποίησής του ως βάση για την ανάπτυξη ενός µοντέλου δυναµικής λειτουργίας ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος ΚΣΑΜ. Η αξιολόγηση της γνώσης που παρέχεται από τη σχετική βιβλιογραφία, σε συνδυασµό µε την εµπειρία που αποκτήθηκε από την πειραµατική διερεύνηση, επέτρεψε τον προσδιορισµό των παραµέτρων που επιδρούν στη λειτουργία των συστηµάτων ΚΣΑΜ, δίνοντας έµφαση σ εκείνες που µπορούν να θεωρηθούν ως παράµετροι ελέγχου. Αυτές είναι η θερµοκρασία αναγέννησης και το ποσοστό λειτουργίας των υγραντήρων. Η παροχή των ρευµάτων αέρα δεν αντιµετωπίζεται από την εργασία ως παράµετρος ελέγχου, έχει όµως σηµαντική επίδραση στην ικανότητα του συστήµατος σε κάλυψη αισθητού και λανθάνοντος φορτίου. Η σύνδεση µε ηλιακό θερµικό σύστηµα, αποτελούµενο από ηλιακό πεδίο και κατάλληλα διαστασιολογηµένη δεξαµενή αποθήκευσης µε βοηθητική πηγή θερµότητας, δεν θεωρείται ότι προσθέτει κάποια επιπλέον παράµετρο ρύθµισης στο σύστηµα. Η παραµετρική διερεύνηση συστήµατος ΚΣΑΜ κύκλου πλήρους ανανέωσης αέρα σε σταθερές συνθήκες λειτουργίας, µε χρήση του µοντέλου που προαναφέρθηκε, επέτρεψε να επιβεβαιωθεί η ικανότητα της διάταξης να χειριστεί σηµαντικά φορτία, τόσο αισθητά όσο και λανθάνοντα. Επιβεβαίωσε επίσης ότι καθοριστικό παράγοντα επίδρασης στην αποδοτικότητα του συστήµατος αποτελεί το επίπεδο απόδοσης των υποσυστηµάτων, όπως ήταν άλλωστε αναµενόµενο. Η διερεύνηση επέτρεψε τη διαµόρφωση βασικών σεναρίων λειτουργίας για το σύστηµα, µε σηµαντικότερα τη µη λειτουργία υγραντήρων µε σκοπό την αφύγρανση, τη λειτουργία του υγραντήρα απαγωγής στην περίπτωση µέτριας αφύγρανσης και µέτριας ψύξης και τη λειτουργία του υγραντήρα προσαγωγής στην περίπτωση της ψύξης. Σηµαντικό εύρηµα αποτελεί το ότι η αύξηση της θερµοκρασίας αναγέννησης φαίνεται να οδηγεί στη βελτίωση της ικανότητας του συστήµατος σε κάλυψη λανθάνοντος φορτίου και σε πιθανή βελτίωση σε κάλυψη αισθητού. Ο όρος πιθανή σχετίζεται εδώ µε το ποσοστό λειτουργίας του Σελ.169

204 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 υγραντήρα προσαγωγής. Σε λειτουργία µε αυξηµένο ποσοστό, η αύξηση της θερµοκρασίας αναγέννησης βελτιώνει και την ικανότητα του συστήµατος σε αισθητό φορτίο. Όσον αφορά στην ενεργειακή αποδοτικότητα του συστήµατος, σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα της διερεύνησης, η αύξηση της θερµοκρασίας αναγέννησης επιδρά αρνητικά στον COP του συστήµατος. Για την περίπτωση όπου το σύστηµα είναι συνδεδεµένο µε κτίριο, αρνητική επίδραση στον COP έχει και η επιλογή λειτουργίας σε µεγαλύτερη παροχή αέρα. Με δεδοµένο ότι το σύστηµα είναι δυνατό να καλύψει τις απαιτήσεις του κτιρίου για περισσότερους από έναν συνδυασµούς τιµών της παροχής αέρα και της θερµοκρασίας αναγέννησης, η επιλογή του κατάλληλου συνδυασµού µπορεί να συνδεθεί µε ένα κριτήριο ενεργειακής βελτιστοποίησης του συστήµατος. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα της περίπτωσης που µελετήθηκε, η επιλογή λειτουργίας στη χαµηλότερη δυνατή θερµοκρασία αναγέννησης και στη χαµηλότερη δυνατή παροχή που είναι αποδεκτή για τη θερµοκρασία αυτή φαίνεται να είναι η ενεργειακά αποδοτικότερη. Η ύπαρξη κατάλληλης στρατηγικής ελέγχου συνιστά βασικό παράγοντα για την αποτελεσµατική και αποδοτική συµπεριφορά των συστηµάτων ΚΣΑΜ και αναπόσπαστο στοιχείο ενός µοντέλου δυναµικής λειτουργίας. Αντίθετα µε τα συµβατικά συστήµατα, για τα οποία υπάρχει εκτενής εµπειρία στον τοµέα αυτό, τα συστήµατα ΚΣΑΜ παρουσιάζουν ιδιαιτερότητες που σχετίζονται κυρίως µε το γεγονός ότι επιδιώκεται ταυτόχρονη ρύθµιση της θερµοκρασίας και της υγρασίας. Η στρατηγική ελέγχου που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας έρευνας, βασίστηκε στην εφαρµογή συγκεκριµένων απλών κανόνων παρέµβασης στις παραµέτρους ελέγχου, εισάγοντας ιδιαίτερα καινοτόµα στοιχεία, όπως η αξιοποίηση της έννοιας της περιοχής θερµικής άνεσης. Η εισαγωγή µαθηµατικών σχέσεων για το ηλιακό σύστηµα και για το φορτίο του κτιρίου ολοκληρώνει το µοντέλο, µε την έννοια ότι επιτρέπει το συνυπολογισµό των αλληλεπιδράσεων µεταξύ κτιρίου, περιβάλλοντος και διάταξης κλιµατισµού, καθώς και µεταξύ διάταξης κλιµατισµού και θερµικού ηλιακού συστήµατος. Παρά το ότι επιλέχθηκε µια ιδιαίτερα απλή προσέγγιση για τον υπολογισµό του φορτίου του κτιρίου, και έγιναν συγκεκριµένες υποθέσεις εργασίας για τα χαρακτηριστικά των υποσυστηµάτων και τις κλιµατικές συνθήκες, η εφαρµογή του πλήρους, δυναµικού µοντέλου για τυπικό κτίριο αντίστοιχο µε αυτό της πειραµατικής διάταξης, επέτρεψε τη ρεαλιστική αξιολόγηση των επιδόσεων τόσο της στρατηγικής ελέγχου όσο και του συστήµατος αυτού καθαυτού. Τα αποτελέσµατα της εφαρµογής αυτής επιβεβαίωσαν την αποτελεσµατικότητα της στρατηγικής ελέγχου όσον αφορά στην ικανότητα του συστήµατος να διασφαλίζει συνθήκες εσωτερικού χώρου συµβατές µε την περιοχή θερµικής άνεσης. Επίσης επιβεβαίωσαν την ικανότητα του συστήµατος να ανταποκριθεί ικανοποιητικά στα επιβαλλόµενα φορτία, σε συνθήκες λειτουργίας οι οποίες ευνοούν τη σύνδεση µε ηλιακό θερµικό σύστηµα. Παρατηρήθηκε ότι η αύξηση της θερµοκρασίας αναγέννησης δεν οδηγεί Σελ.170

205 Συµπεράσµατα και προτάσεις για µελλοντική έρευνα κατ ανάγκη σε υψηλότερη ενεργειακή κατανάλωση, καθώς το σύστηµα µπορεί να είναι λιγότερο αποδοτικό στιγµιαία αλλά λειτουργεί για µικρότερο χρονικό διάστηµα. Η διαπίστωση αυτή είναι ιδιαίτερα σηµαντική για την περίπτωση ενός ηλιακά υποβοηθούµενου συστήµατος, καθώς η δυνατότητα επιλογής χαµηλότερης θερµοκρασίας για την ηλιακή δεξαµενή επιτρέπει την επίτευξη υψηλότερων αποδόσεων για το ηλιακό σύστηµα. Tο πλήθος και ο δυναµικός χαρακτήρας των παραµέτρων που επιδρούν στην απόδοση του συστήµατος καθιστούν ιδιαίτερα σηµαντικό το ρόλο ενός µοντέλου για το σχεδιασµό αντίστοιχων συστηµάτων. Πιο συγκεκριµένα, το µοντέλο µπορεί να αποτελέσει σηµαντικό στοιχείο στα πλαίσια µιας διαδικασίας σχεδιασµού, επιτρέποντας την παραµετρική ανάλυση των επιδόσεων του συστήµατος για διάφορα σενάρια που σχετίζονται µε τη δυναµικότητα των υποσυστηµάτων, τη θερµοκρασία αναγέννησης, την παροχή του ρεύµατος αέρα, το µέγεθος και την αποδοτικότητα ηλιακού συστήµατος ή ακόµα και την αρχιτεκτονική της διάταξης. Τα αποτελέσµατα της παραµετρικής διερεύνησης µπορούν να αποτελέσουν τη βάση στην οποία θα στηριχθεί η ρεαλιστική αξιολόγηση των διαφόρων σεναρίων και η βελτιστοποίηση της τελικής επιλογής. Επιχειρώντας µια συνολική αποτίµηση των αποτελεσµάτων της έρευνας που πραγµατοποιήθηκε στα πλαίσια της εργασίας, µπορεί να διατυπωθεί ότι τα ηλιακά υποβοηθούµενα συστήµατα ΚΣΑΜ αποτελούν τεχνολογία η οποία µπορεί να αποτελέσει µια αξιόπιστη και φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση σε σχέση µε τα συµβατικά συστήµατα κλιµατισµού. Η γνώση που αποκτήθηκε από την ανάλυση των προβληµάτων που διερευνώνται στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, καθώς και οι λύσεις που προτείνονται στο επίπεδο των εργαλείων προσοµοίωσης των συναφών εγκαταστάσεων, φιλοδοξούν να συµβάλουν στην ευρύτερη διάδοση των συστηµάτων. Από τη σχετική διερεύνηση εντοπίστηκαν επίσης αρκετά ζητήµατα που παραµένουν ανοικτά, παραπέµποντας σε µελλοντικές κατευθύνσεις ερευνητικής παρέµβασης: - Η υλοποίηση εργονοµικά σχεδιασµένων συστηµάτων, µε το µικρότερο δυνατό µέγεθος, αποτελεί ένα ζήτηµα το οποίο συνδέεται µε αυτό του σχεδιασµού, παρουσιάζει όµως και συγκεκριµένες τεχνολογικές - κατασκευαστικές πτυχές. Η εµπειρία έδειξε ότι υπάρχουν σηµαντικά περιθώρια για τη µείωση του µεγέθους της εγκατάστασης, αναφέροντας χαρακτηριστικά την περίπτωση του υγραντήρα και την πιθανή εγκατάσταση σε εξωτερικό τµήµα της διάταξης του δοχείου συλλογής και ανακυκλοφορίας του νερού ύγρανσης. Το ζήτηµα του µεγέθους πρέπει βέβαια να εξεταστεί συνολικά, σε συνάρτηση µε την ανάγκη αποφυγής ανεπιθύµητων φαινοµένων παρασιτικής θέρµανσης του αέρα και ελαχιστοποίησης των φαινόµενων θερµογέφυρας. Σελ.171

206 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 - Εµφανίζονται σηµαντικά περιθώρια βελτίωσης της απόδοσης των υποσυστηµάτων, όπως καταδεικνύεται και από τα αποτελέσµατα της πειραµατικής διερεύνησης. Ειδικότερα: Στην περίπτωση του υγραντήρα, η βελτίωση της απόδοσης συνδέεται τόσο µε την ελαχιστοποίηση των παρασιτικών θερµικών απωλειών όσο και µε την ένταξη αποτελεσµατικότερων τεχνολογικών λύσεων. Επιπλέον, οι χρησιµοποιούµενες συσκευές ψύξης µε εξάτµιση, µε χρήση πορώδους επιφάνειας επαφής, εµφανίζουν σηµαντική καθυστέρηση κατά τη διακοπή της λειτουργίας τους, η οποία επηρεάζει την αποτελεσµατικότητα των στρατηγικών ελέγχου. Η χρήση εναλλακτικών τεχνολογικών λύσεων ύγρανσης, µε καλύτερη δυναµική συµπεριφορά, πρέπει εποµένως να εξεταστεί διεξοδικότερα. Οι ερευνητικές προκλήσεις σχετικά µε τη βελτίωση του τροχού αφύγρανσης εστιάζονται κυρίως στην ανεύρεση υλικών µε βελτιωµένη συµπεριφορά ως προς την αφύγρανση. Επιπλέον, η ανάπτυξη τεχνολογικών λύσεων που θα απέτρεπαν ή θα ελαχιστοποιούσαν τη θέρµανση του προς αφύγρανση ρεύµατος αέρα, θα βελτίωνε σηµαντικά τόσο την απόδοση της διεργασίας αφύγρανσης όσο και την απόδοση του συστήµατος κλιµατισµού. Η βελτίωση της µεταβατικής συµπεριφοράς του τροχού και η ελαχιστοποίηση των διαρροών αέρα, συνιστούν επίσης ζητήµατα προτεραιότητας στον τοµέα αυτό. - Η ανάπτυξη τυποποιηµένων µεθοδολογιών αποτύπωσης των επιδόσεων των συστηµάτων θα προσφέρει µια κοινή βάση αναφοράς για την αξιολόγησή τους, όπως καταδεικνύεται από το σηµαντικό εύρος τιµών για τις επιδόσεις των συστηµάτων που εντοπίζεται στη βιβλιογραφία. Από την άποψη αυτή, κεντρικό ζήτηµα αποτελεί ο τρόπος υπολογισµού του συντελεστή απόδοσης COP, καθώς αναφέρονται διαφορετικές εκδοχές ως προς τον ορισµό του στη σχετική βιβλιογραφία. - Η εµπειρία από την ανάλυση της συµπεριφοράς των αφυγραντικών υλικών σε εφαρµογές κλιµατισµού, µπορεί να συνδυαστεί µε τη διερεύνηση της δυνατότητας αξιοποίησής τους και σε άλλες εφαρµογές όπως η ξήρανση και η αφαλάτωση. Η δυνατότητα που προσφέρουν για το διαχωρισµό των υδρατµών από τον υγρό αέρα, καθώς και η συµβατότητα µε τα θερµοκρασιακά επίπεδα λειτουργίας των συστηµάτων αξιοποίησης της θερµικής ηλιακής ενέργειας, ενθαρρύνει τη διερεύνηση προς την κατεύθυνση αυτή. - Η πλέον σηµαντική όµως ερευνητική πρόκληση εντοπίζεται στην δυνατότητα συνδυασµού συστηµάτων ΚΣΑΜ µε συµβατικά συστήµατα κλιµατισµού. Η σύζευξη των δύο αυτών τεχνολογιών είναι δυνατόν να βελτιώσει αποφασιστικά την απόδοση και την αποτελεσµατικότητα της εγκατάστασης και, κατά συνέπεια, τους οικονοµικούς όρους εκµετάλλευσης της απαιτούµενης επένδυσης. Επιπλέον εναλλακτική δυνατότητα Σελ.172

207 Συµπεράσµατα και προτάσεις για µελλοντική έρευνα αποτελεί η αξιοποίηση της θερµικής ενέργειας του συµπυκνωτή του συµβατικού συστήµατος για την αναγέννηση του τροχού του συστήµατος ΚΣΑΜ. Η έρευνα προς µια τέτοια κατεύθυνση, τόσο σε θεωρητικό όσο και πειραµατικό επίπεδο, εµφανίζει ιδιαίτερα θετικές προοπτικές. Σελ.173

208

209 Βιβλιογραφία - Ahmed M.H., Kattab N.M., Fouad M., Evaluation and optimization of solar desiccant wheel performance. Renewable Energy 30, Aly S.E., Fathalah K., Study of a waste heat driven modified packaged desiccant bed humidifier. Energy Conversion Management 37 (4), Aly S.E., Fathalah K., Gain H.A., Analysis of an integrated vapour compression and a waste heat dehumidifier A/C system. Heat Recovery Systems & CHP 8(6), AGCC, Application Engineering Manual for Desiccant Systems. Washington: American Gas Cooling Center (AGCC) - ANSI/ASHRAE Method of Testing for Rating Desiccant Dehumidifiers Utilizing Heat for the Regeneration Process - ARI Desiccant Dehumidification Components. American Air-Conditioning and Refrigeration Institute, Arlington, VA, ASHRAE 2001 Handbook: Fundamentals. Atlanta - ASHRAE 2000 Handbook: HVAC Systems and Equipment. Atlanta - ASHRAE, 1996, Psychrometrics: Theory and Practice. Atlanta - ASHRAE 1993 Handbook: Fundamentals. Atlanta - Ασσαέλ, Μ., Trusler J.P.M., Τσολάκης Θ.Φ., Θερµοφυσικές ιδιότητες ρευστών. Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη - Balaras C.A., Grossman G., Henning H.-M., Infante Ferreira C.A., Podesser E., Wang L., Wiemken E., Solar air-conditioning in Europe - Αn overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews 11, Banks P.J., 1985a. Prediction of Heat and Mass Regenerator performance using nonlinear analogy method: Part 1 - Basis. Transactions of the ASME, Journal of Heat Transfer 107, Banks P.J., 1985b. Prediction of Heat and Mass Regenerator performance using nonlinear analogy method: Part 2 - Comparison of Methods. Transactions of the ASME - Journal of Heat Transfer 107, Banks P.J., Coupled equilibrium heat and single adsorbate transfer in fluid flow through porous medium - I. Characteristic potentials and specific capacity ratios. Chemical Engineeering Science 27, Σελ.175

210 Βιβλιογραφία - Beccali M., F. Butera, R. Guanella, R.S. Adhikari, Simplified models for the performance evaluation of desiccant wheel dehumidification. International Journal of Energy Research 27, Belding W.A., Delmas M.P.F., Holeman W.D., Desiccant aging and its effects on desiccant cooling system performance. Applied Thermal Engineering 16(5) p Bharathan D., Parsons J.M.. Maclaine-Cross I.L., Experimental Studies of Heat and Mass exchange in parallel-passage rotary desiccant dehumidifiers for solar cooling applications. SERI, Colorado - Blevins, R.D., Applied Fluid Dynamics Handbook. Krieger Publishing Company, Florida - Bourdoukan P., Wurtz E., Joubert P., 2009a. Experimental investigation of a solar desiccant cooling installation. Solar Energy 83(11), Bourdoukan P., Wurtz E., Joubert P., 2009b. Comparison between the conventional and recirculation modes in desiccant cooling cycles and deriving critical efficiencies of components. Energy, In Press - Bourdoukan P., Wurtz E., Joubert P., Sperandio M., Potential of solar heat pipe vacuum collectors in the desiccant cooling process: Modelling and experimental results. Solar Energy 82, Camargo J.R., Ebinuma C.D., Silveira J.L., Experimental performance of a direct evaporative cooler operating during summer in a Brazilian city. International Journal of Refrigeration 28, Camargo J.R., Ebinuma C.D., Silveira J.L., Thermoeconomic analysis of an evaporative desiccant air-conditioning system. Applied Thermal Engineering 23, Carpinlioglu M.Ο., Yildirim M., A methodology for the performance evaluation of an experimental desiccant cooling system. International Communications in Heat and Mass Transfer 32, Casas W., Schmitz G., Experiences with a gas driven, desiccant assisted air conditioning system with geothermal energy for an office building. Energy and Buildings 37, Charoensupaya D., Worek M., Parametric Study of an open-cycle adiabatic, solid, desiccant cooling system. Energy 13(9), Close D.J., A Design Approach for Solar Processes. Solar Energy 11(2), Σελ.176

211 - Collier R.K., Desiccant properties and their effect on cooling system performance. ASHRAE Transactions 96, Collier R.K., Cohen B.M., An analytical examination of methods for improving the performance of desiccant cooling systems. Journal of Solar Engineering 113, Collier R.K., Novosel D., Worek W.M., Performance analysis of open-cycle desiccant cooling systems. ASHRAE Transactions 96, Dai, Y.J., Sumathy K., Theoretical study on a cross-flow direct evaporative cooler using honeycomb paper as packing material. Applied Thermal Engineering 22, Daou K., Wang R.Z., Xia Z.Z., 2006a. Desiccant Cooling air-conditioning: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 10, Daou K., Wang R.Z., Xia Z.Z., 2006b. Development of a new synthesized adsorbent for refrigeration and air-conditioning applications. Applied Thermal Engineering 26, Davanagere B.S., Sherif S.A., Goswami D.Y., 1999a. A feasibility study of a solar desiccant air-conditioning system - Part I. Int. Journal of Energy Research 23, Davanagere B.S., Sherif S.A., Goswami D.Y, 1999b. A feasibility study of a solar desiccant air-conditioning system - Part II. Int. Journal of Energy Research 23, DIN, Deutsches Institut für Normung, DIN 1946 Teil 2, Raumlufttechnik, Gesundheitstechnische Anforderungen (VDI Lüftungsregeln) - Dini S., Worek W.M., Sorption equilibrium of a solid desiccant felt and the effect of sorption properties on a cooled-bed desiccant cooling system. Heat Recovery Systems 6(2), Dowdy A., Karabash N.S., Experimental determination of heat and mass transfer coefficients in rigid impregnated cellulose evaporative media. ASHRAE Transactions 93 (Part 2), Duffie J.A, Beckmann W.A., Solar Engineering of Thermal Processes (3 rd edition). Wiley-Interscience, New York - Dupont M., Celestine B., Nguyen P.H., Mericoux J., Brandon B., Desiccant solar air-conditioning in tropical climates: I - Dynamic experimental and numerical studies of silica gel and activated alumina. Solar Energy 52(6), Dupont M., Celestine B., Nguyen P.H., Mericoux J., Brandon B., Desiccant solar air-conditioning in tropical climates: II - Field testing in Guadelupe. Solar Energy 52(6), Σελ.177

212 Βιβλιογραφία - Enteria N., Yoshino H., Satake A., Mochida A., Takaki R., Satake A., Yoshie R., Baba S., Development and construction of the novel solar thermal desiccant cooling system incorporating hot water production. Applied Energy 87(2), Enteria N., Yoshino H., Mochida A., Takaki R., Satake A., Yoshie R., Mitamura T., Baba S., Construction and initial operation of the combined solar thermal and electric desiccant cooling system. Solar Energy 83(8), Florides G.A., Tassou S.A., Kalogirou S.A., Wrobel L.C., Review of solar and low energy cooling technologies for buildings. Renewable and Sustainable Energy Reviews 6, Ge T.S., Dai Y.J., Wang R.Z., Li Y., 2008a. Experimental investigation on a one-rotor two-stage rotary desiccant cooling system. Energy 33, Ge T.S., Li Y., Wang R.Z., Dai Y.J., 2008b. A review of the mathematical models for predicting rotary desiccant wheel. Renewable and Sustainable Energy Reviews 12, Ginestet S., P. Stabat, D. Marchio, Control Strategies of open cycle desiccant cooling systems minimising energy consumption, in: The Canadian Conference on Building Energy Simulation (esim 2002) - Golubovic M.N., Madhawa Hettiarachchi H.D., Worek W.M., Evaluation of rotary dehumidifier performance with and without heated purge. International Communications in Heat and Mass Transfer 34, Goswami, D.Y., Kreith, F., Kreider, J.F., Principles of Solar Engineering (2 nd edition). Taylor & Francis, Philadelphia. - Grossman G., Solar-powered systems for cooling, dehumidification and airconditioning. Solar Energy 72(1), Gupta Y., Metchop L., Frantzis A., Phelan P.E., Comparative analysis of thermally activated, environmentally friendly cooling systems. Energy Conversion and Management 49, Halliday S.P., Beggs C.B., Sleigh P.A., The use of solar desiccant cooling in the UK: a feasibility study. Applied Thermal Engineering, 22, Hamed A.M., Experimental investigation on the adsorption/desorption processes using solid desiccant in an inclined-fluidized bed. Renewable Energy 30, Hamed A.M., Khalil A., Kabeel A.E., Bassuoni M.M., Elzahaby A.M., Performance analysis of dehumidification rotating wheel using liquid desiccant. Renewable Energy 30, Σελ.178

213 - Harriman L. et al., Evaluating Active Desiccant Systems for Ventilating Commercial Buildings. ASHRAE Journal, October Henning, H.-M., Solar assisted air conditioning of buildings - An overview. Applied Thermal Engineering 27, Henning, H.-M., Solar assisted air-conditioning in buildings. Springer-Verlag, Wien - Henning H., Erpenbeck T., Hindenburg C., Santamaria I.S., The potential of solar energy use in desiccant cooling cycles. International Journal of Refrigeration 24, Howe R., Rotary desiccant dehumidifier, TRNLIB - Libraries of User-Written TRNSYS Components, Solar Energy Laboratory, - Incropera F.P., DeWitt D.P., Fundamentals of Heat and Mass Transfer (4th ed.), John Wiley&Sons, New York - ISO 5151, Non-ducted air conditioners and heat pumps - Testing and rating for performance - Jain S., Dhar P.L., Evaluation of solid-desiccant-based evaporative cooling cycles for typical hot and humid climates. International Journal of Refrigeration 18, Jia C.X., Dai Y.J., Wu J.Y., Wang R.Z., Use of compound desiccant to develop high performance desiccant cooling system. International Journal of Refrigeration 30, Jia C.X., Dai Y.J., Wu J.Y., Wang R.Z., Experimental comparison of two honeycombed desiccant wheels fabricated with silica gel and composite desiccant material. Energy Conversion and Management 47, Joudi K.A., Dhaidan N.S., Application of assisted heating and desiccant cooling systems for a domestic building. Energy Conversion and Management 42, Jurinak J.J., Mitchell J.W., Beckmann W.A., Open-cycle desiccant air conditioning as an alternative to vapor compression cooling in residential applications. Transactions of the ASME 106, Jurinak J.J., Open cycle solid desiccant cooling - component models and system simulations. Ph. D. Thesis, Univ. of Wisconsin, Madison - Kabeel A.E., Solar powered air conditioning system using rotary honeycomb desiccant wheel. Renewable Energy 32, Σελ.179

214 Βιβλιογραφία - Kanoglu M., Bolatturk A., Altuntop N., Effect of ambient conditions on the first and second law performance of an open desiccant cooling process. Renewable Energy 32, Kanoglu M., Carpinlioglu M.O., Yildirim M., Energy and exergy analyses of an experimental open-cycle desiccant cooling system. Applied Thermal Engineering 24, Kays W.M., London A.L., Compact Heat Exchangers (3rd ed.). Mc-Graw Hill, London - Kim D.S., Infante Ferreira C.A., Solar refrigeration options - A state-of-the-art review. International Journal of Refrigeration 32, Klein S.A., A Design Procedure for Solar Heating Systems. PhD Thesis, Univ. of Wisconsin, Madison - Klingenburg, Air humidification systems, Requirements and solutions. Technical Brochure, - Κο Υ.J., Charoensupaya D., Lavan Z., Advanced open-cycle desiccant cooling system. Proceedings of the 6 th Symposium on improving building systems in hot and humid climates, Dallas - Kodama A., Jin W., Goto M., Hirose T., Pons M., Entropic analysis of adsorption open cycles for air-conditioning. Part 2: Interpretation of experimental data. International Journal of Energy Research 24, Kreider J.F., Hoogendoorn C.J., Kreith F., Solar design, components, systems, economics. Hemisphere Publishing Corporation, New York - Kuehn T.H., Ramsey J.W., Threlkeld J.L., Thermal Environmental Engineering. Prentice Hall, New Jersey - La D., Dai Y.J., Li Y., Wang R.Z., Ge T.S., Technical development of rotary desiccant dehumidification and air-conditioning: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14, Lamp P., Ziegler F., European research on solar-assisted air-conditioning. International Journal of Refrigeration 21(2), Lavan Z., Monnier J-B., Worek W.M., Second law analysis of desiccant cooling systems. Journal of Solar Energy Engineering 104, Leef H., Teeters W., EER, COP, and the second law efficiency for airconditioners. American Journal of Physics 46(1), Σελ.180

215 - Lior N., Al-Sharqawi H.S., Exergy analysis of flow dehumidification by solid desiccants. Energy 30, Lof G.O.G. (ed.), Active Solar Systems. MIT Press, Cambridge - Maalouf C., Wurtz E., Mora L., Allard F., Optimization and study of an autonomous solar desiccant cooling system. International Conference Passive and Low Energy Cooling for the Built Environment, Santorini, Greece - Maclaine-Cross I.L., High-Performance adiabatic desiccant open-cooling cycles. Journal of Solar Energy Engineering 107, Maclaine-cross, I.L., Banks, P.J., A general theory of wet surface heat exchangers and its application to regenerative evaporative cooling. Journal of Heat Transfer 103, Maclaine-Cross I.L., A theory of combined heat and mass transfer in regenerators. Ph.D. Thesis, Monash University, Melbourne - Maclaine-Cross I.L., Banks P.J., Coupled heat and mass transfer in regenerators - prediction using an analogy with heat transfer. International Journal of Heat and Mass Transfer 15, Mandegari M.A., Pahlavanzadeh H., Introduction of a new definition for effectiveness of desiccant wheels. Energy 34(6), Mavros P., Belessiotis V., Haralambopoulos D., Stratified Energy Storage Vessels: Characterization of Performance and Modelling of Mixing Behavior. Solar Energy, 52(4), Mavroudaki P., Beggs C.B., Sleigh P.A., Halliday S.P., The potential for solar powered single-stage desiccant cooling in southern Europe. Applied Thermal Engineering 22, Mazzei P., Minichiello F., Palma D., HVAC dehumidification systems for thermal comfort: A critical review. Applied Thermal Engineering 25, Mazzei P., Minichiello F., Palma D., Desiccant HVAC systems for commercial buildings. Applied Thermal Engineering 22, Mei V.C., Chen F.C., Lavan Z., Collier Jr R.J., Meckler G., An Assessment of desiccant cooling and dehumidification technology. ORNL, Oak Ridge - Murali Krishna S., Srinivasa Murthy S., Experiments on silica gel rotary dehumidifier. Heat Recovery Systems & CHP 9(5), Μπαλαράς, Κ.Α., Κοντογιαννίδης Σ., Λυκούδης Σ., Τυπικό Μετεωρολoγικό Έτος Αθηνών. Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών Σελ.181

216 Βιβλιογραφία - Μπελεσιώτης Β., Πανάρας Γ., Μαθιουλάκης Ε., Παπανικολάου Η., "Τεχνολογίες Ηλιακών Συλλεκτών", Παραδοτέο Έργου: "Ένταξη θερµικών ηλιακών σε κτίρια - Νέοι ηλιακοί συλλέκτες υψηλής απόδοσης, ηλιακός κλιµατισµός, εποχιακή αποθήκευση θερµότητας, βέλτιστος ενεργειακός σχεδιασµός και ολοκληρωµένη ενεργειακή διαχείριση". Γ ΚΠΣ-ΕΠΑΝ - Nelson J.S., Beckman W.A., Mitchell J.W., Close D.J., Simulations of the performance of open cycle desiccant systems using solar energy. Solar Energy 21, Neti S., Wolfe E.I., Measurements of effectiveness in a silica gel rotary exchanger. Applied Thermal Engineering 20, Newton B.J., Modelling of Solar Storage Tanks. MS Thesis, Univ. of Wisconsin, Madison - Niu J.L., Zhang L.Z., Zuo H.G., Energy savings potential of chilled-ceiling combined with desiccant cooling in hot and humid climates. Energy and Buildings 34, Papanicolaou E, Belessiotis V., Transient Natural Convection in a Cylindrical Enclosure at High Rayleigh Numbers. International Journal of Heat and Mass Transfer 45, Parsons B.K., Pesaran A.A., Bharathan D., Shelpuk B., Evaluation of Thermally Activated Heat Pump/Desiccant Air Conditioning Systems and Components. SERI, Colorado - Pennington, N.A., Humidity Changer for Air Conditioning. U.S. Patent # Pesaran Α.Α., Desiccant degradation in desiccant cooling systems: an experimental study. Journal of Solar Energy Engineering 115 (4), Pesaran A.A., Desiccant contamination in desiccant cooling systems. SERI, Colorado - Pesaran A.A., Heat and mass transfer analysis of a desiccant dehumidifier matrix. SERI, Colorado - Pesaran A.A., Wipke K.B., Use of unglazed transpired solar collectors for desiccant cooling. Solar Energy 52(5), Pesaran Α.Α. and Heiden Ρ., The influence of altitude on the performance of desiccant cooling systems. Energy 19 (11), 1165-l 179 Σελ.182

217 - Pesaran A.A., Hoo E.A., Study of parameters affecting the performance of solar desiccant cooling systems. NREL, Prepared for Solar 93, the 1993 ASME/ASES Joint Solar Energy Conference, Washington D.C. - Pesaran A.A., Penney T.R., Czanderna Al.W., Desiccant Cooling: State-of-the- Art Assessment. NREL - Pesaran A.A., Penney T. R., Impact of desiccant degradation on desiccant cooling system performance. Prepared for the 1991 ASHRAE Winter Meeting, New York. ASHRAE Transactions 97(1), Pesaran A.A., Bingham C.E., Testing of novel desiccant materials and dehumidifier matrices for desiccant cooling applications. Prepared for the 1989 ASHRAE Summer Annual Meeting, Vancouver. ASHRAE Transactions 95(1) Pons M., Kodama A., Entropic analysis of adsorption open cycles for airconditioning. Part 1: First and second law analyses. International Journal of Energy Research 24, Press W., Teukolsky S.A., Vetterling W.T., Flannery B.P., Numerical recipes (2nd ed.). Cambridge University Press, Oxford - Ruthven D.M., Principles of adsorption and adsorption processes. Wiley- Interscience Publication, New York - San J.-Y., Jiang G.-D., Modelling and testing of a silica gel packed-bed system. International Journal of Heat and Mass Transfer 37(8), Sand J.R., Fischer J.C., Active desiccant integration with packaged rooftop HVAC equipment. Applied Thermal Engineering 25, Schulz, K.J., SERI Desiccant Cooling Test Facility: Test Report, Preliminary Data on the Performance of a rotary parallel-passage silica gel dehumidifier. SERI, Colorado - Sheridan, J.C., Mitchell, J.W., A hybrid solar desiccant cooling system. Solar Energy 34 (2), Shelpuk B., The technical challenges for solid desiccant cooling. Heat Recovery Systems & CHP 13(4) Shen C.M., Worek W.M., The second-law analysis of a recirculation cycle desiccant cooling system: cosorption of water vapor and carbon dioxide. Atmospheric environment 30(9), Slayzak, S.J., Ryan J.P., Desiccant dehumidification Wheel Test Guide. NREL Σελ.183

218 Βιβλιογραφία - Slayzak S., Pesaran A.A., Hancock P.E., Experimental Evaluation of Commercial Desiccant Dehumidifier Wheels. NREL, Advanced Desiccant Cooling & Dehumidification Program. SERI, Colorado - Smith R.R., Hwang C.C., Dougall R.S., Modelling of a solar-assisted desiccant air conditioner for a residential building. Energy 19(6), Stabat P., Marchio D., Heat-and-mass transfer modelling in rotary desiccant dehumidifiers. Applied Energy 85, Stabat P., Modélisation de composants de systèmes de climatisation mettrant en ceuvre l adsorption et l évaporation d eau. Ph.D. Thesis, Ecole des Mines, Paris - TRNSYS 16, Operation Manual - Van den Bulck E., Klein S.A., Mitchell J.W., Second law analysis of solid desiccant rotary dehumidifiers. Journal of Solar Energy Engineering 110, Van den Bulk E., Mitchell J.W., Klein S.A., Design theory for rotary heat and mass exchangers - II. Effectiveness-number-of-transfer-units method for rotary heat and mass exchangers. International Journal of Heat and Mass Transfer 28, Van den Bulk Ε., Mitchell J.W., Klein S.A., Design theory for rotary heat and mass exchangers - I. Wave analysis of rotary heat and mass exchangers with infinite transfer coefficients. International Journal of Heat and Mass Transfer 28, Vitte T., Brau J., Chatagnon N., Woloszyn M., Proposal for a new hybrid control strategy of a solar desiccant evaporative cooling air handling unit. Energy and Buildings 40, Wang R.Z., Ge T.S., Chen C.J., Ma Q., Xiong Z.Q., Solar sorption cooling systems for residential applications. International Journal of Refrigeration 32, Wang R.Z., Oliveira R.G., Adsorption refrigeration - an efficient way to make good use of waste heat and solar energy. Progress in Energy and Combustion Science 32, Watt J.R., Brown P.E., Evaporation air-conditioning Handbook. Prentice Hall, New Jersey - Waugaman D.G., Kini A., Kettleborough C.F., A review of desiccant cooling systems. Journal of Energy Resources Technology 115, Weixing Y., Yi Z., Xiaoru L., Xiugan Y., Study of a new modified cross-cooled compact solid desiccant dehumidifier. Applied Thermal Engineering 28 (17-18), Σελ.184

219 - White S.D., Kohlenbach P., Bongs C., Indoor temperature variations resulting from solar desiccant cooling in a building without thermal backup. International Journal of Refrigeration 32(4), Wurm J., Kosar D., Clemens T., Solid Desiccant Technology Review. Bulletin of the IIR, 2002 (3) - Yao Y., Zhang W., Liu S., Feasibility study on power ultrasound for regeneration of silica gel - A potential desiccant used in air-conditioning system. Applied Energy 86(11), Yoo H., Kim C.J., Kim C.W., Approximate Analytical Solutions for Stratified Thermal Storage under Variable Inlet Temperature. Solar Energy 66(1), Zhang L.Z., Energy performance of independent air dehumidification systems with energy recovery measures. Energy 31, Zhang L.Z., Niu J.L., A pre-cooling Munters environmental control desiccant cooling cycle in combination with chilled-ceiling panels. Energy 28, Ziegler F., Sorption heat pumping technologies: Comparisons and challenges. International Journal of Refrigeration 32, Σελ.185

220

221 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ I. Τεχνολογία συσκευών αφύγρανσης και ψύξης µε εξάτµιση I.1 Συσκευές Αφύγρανσης ΒΑΣΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Οι συσκευές αφύγρανσης αποτελούν το σηµαντικότερο στοιχείο, τον πυρήνα, των συστηµάτων ΚΣΑΜ. Η εφαρµογή των στερεών αφυγραντικών µέσων απαιτεί την ενσωµάτωσή τους σε κατάλληλες διατάξεις, οι οποίες να ευνοούν τη µεταφορά µάζας και θερµότητας κατά τη διεργασία τόσο της αφύγρανσης του αέρα όσο και της αναγέννησης του αφυγραντικού µέσου. Πέραν δηλαδή των ιδιοτήτων του αφυγραντικού µέσου, και όπως αυτές συνθέτουν την ικανότητά του σε αφύγρανση, ιδιαίτερη σηµασία έχει η ενσωµάτωσή του και η ανάπτυξη κατάλληλου συστήµατος κελύφους-αφυγραντικού υλικού, ώστε να αναδειχθεί η ικανότητα του µέσου [Collier, 1989]. Κατά την εφαρµογή της τεχνολογίας των αφυγραντικών µέσων χρησιµοποιήθηκαν αρχικά απλές στρωµατοποιηµένες συσκευές (packed beds), στις οποίες εµπεριέχονταν σε στήλη το αφυγραντικό υλικό. Κατά τη δεκαετία του 70 αναφέρονται εµπορικά προϊόντα στρωµατοποιηµένων διατάξεων µε πυριτική γέλη ή σωµατιδίων άλλου στερεού αφυγραντικού µέσου. Σε παραλλαγές τους, εµφανίζονται µε τη µορφή πλακοειδούς εναλλάκτη παράλληλων περασµάτων, όπου το υλικό αφύγρανσης µπορεί να είναι κατάλληλα επιστρωµένο ή κολληµένο [Weixing et al, 2008; Aly and Fathalah, 1996]. Κατά την αφύγρανση λαµβάνει χώρα έκλυση θερµότητας, η οποία είναι ανεπιθύµητη τόσο γιατί επιδρά ανασταλτικά στην ικανότητα του µέσου σε αφύγρανση [La et al, 2010; ASHRAE, 2001], όσο και επειδή είναι προφανές ότι η θέρµανση του προσαγόµενου αέρα είναι ανεπιθύµητη, ειδικά στις εφαρµογές κλιµατισµού. Για την αντιµετώπιση του φαινοµένου της θέρµανσης έχουν εµφανιστεί διατάξεις οι οποίες επιχειρούν την ταυτόχρονη ψύξη του µέσου [Weixing et al, 2008; Aly and Fathalah, 1996], (σχ. Ι.1). Το βασικό µειονέκτηµα των στρωµατοποιηµένων συσκευών είναι η διακοπτόµενη λειτουργία και η υψηλή πτώση πίεσης, αν και σε επίπεδο πτώσης πίεσης η βελτίωση της τεχνολογίας των επίπεδων εναλλακτών λειτούργησε ευεργετικά. Για την αντιµετώπιση της διακοπτόµενης λειτουργίας, η πρακτική αντιµετώπισης αναφέρεται στη χρήση δύο διατάξεων, εκ των οποίων η µία χρησιµοποιείται για προσρόφηση και η άλλη αναγεννάται. Στο πέρας του κύκλου γίνεται αντιµετάθεση των λειτουργιών [San and Jiang, 1994]. Σελ. 187

222 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι Περάσµατα µε αφυγραντικό υλικό Υγρό ρεύµα αέρα ή ρεύµα αναγέννησης Ρεύµα αέρα ψύξης διάταξης Σχήµα Ι.1 - Στρωµατοποιηµένη συσκευή αφύγρανσης µε ταυτόχρονη ψύξη [Aly and Fathalah, 1996] H εξέλιξη της έρευνας έστρεψε το ενδιαφέρον σε πιο αποδοτικές εγκαταστάσεις, οι οποίες να µπορούν να προσφέρουν µεγάλη επιφάνεια επαφής, χαµηλή πτώση πίεσης και συνεχή λειτουργία. H τεχνολογία που θεωρείται ότι άλλαξε τα δεδοµένα είναι αυτή των τροχών αφύγρανσης, η εισαγωγή των οποίων αναφέρεται στη βιβλιογραφία ότι ξεκίνησε από τη δεκαετία του 60 [Slayzak and Pesaran, 1996; Mei et al, 1992]. Οι τροχοί αφύγρανσης (σχ. Ι.2) αποτελούνται από το βασικό κέλυφος (matrix) το οποίο δηµιουργεί ένα στερεό πλέγµα για την ενσωµάτωση του αφυγραντικού υλικού (δοµή κερήθρας), καθώς και κατάλληλα περάσµατα για τη ροή (σχ. Ι.2), τα οποία χαρακτηρίζονται από µεγάλες επιφάνειες επαφής. Σχήµα Ι.2 - Τροχός αφύγρανσης [AGCC, 1999] και λεπτοµέρεια ηµιτονοειδών περασµάτων αέρα [Jia et al, 2007] Σελ.188

223 Τεχνολογία συσκευών αφύγρανσης και ψύξης µε εξάτµιση Τα περάσµατα εµφανίζουν διάφορες γεωµετρίες, όπως παρουσιάζεται και στον πίν. Ι.1, µε πιο πρόσφατη την ηµιτονοειδή (σχ. Ι.2) [Slayzak and Pesaran, 1996]. Τµηµατικά περάσµατα παράλληλα Παράλληλα περάσµατα Κυκλικά περάσµατα Τετραγωνικά περάσµατα Τριγωνικά περάσµατα Στρωµατοποιηµένη διάταξη Πίνακας Ι.1 - Γεωµετρία περασµάτων αέρα τροχών αφύγρανσης [Slayzak and Ryan, 2000] Στα περάσµατα του αέρα επιλέγεται στρωτή ροή. Η στρωτή ροή διασφαλίζει χαµηλή πτώση πίεσης ενώ παράλληλα διατηρεί τις επιφάνειες των τοιχωµάτων των περασµάτων σχετικά καθαρές, λόγω της παράλληλης ροής του αέρα η οποία συνεπάγεται την εφαπτοµενική κίνησή του ως προς το υλικό. Η τυρβώδης ροή εµφανίζει υψηλότερους συντελεστές µεταφοράς, συνδέεται όµως µε υψηλότερη πτώση πίεσης καθώς και µε ανεπιθύµητα φαινόµενα απωλειών ροής προς το περιβάλλον και ανάµιξης των ρευµάτων αέρα του τροχού, ως αποτέλεσµα της τυρβώδους κίνησης [Slayzak and Ryan, 2000; Pesaran et al, 1992]. ΤΡΟΧΟΙ ΑΦΥΓΡΑΝΣΗΣ - ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Τα βασικά στοιχεία της συσκευής τροχού αφύγρανσης είναι το κέλυφος (matrix), το οποίο αποτελεί τον πυρήνα του τροχού αφύγρανσης και περιέχει το πλαίσιο στήριξης του αφυγραντικού υλικού καθώς και το αφυγραντικό υλικό αυτό καθαυτό, το σύστηµα ιµάντα - κινητήρα για την περιστροφή του τροχού, κατάλληλα στεγανωτικά στοιχεία για την αποµόνωση των ρευµάτων προσαγωγής και απαγωγής και το πλαίσιο που εµπεριέχει όλα τα παραπάνω στοιχεία, (φωτ. Ι.1). Σελ.189

224 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι Φωτογραφία Ι.1 - Πλήρες σύστηµα πλαισίου - τροχού αφύγρανσης (κατασκευαστής: Klingenburg) Το υλικό αφύγρανσης ενσωµατώνεται ή επιστρώνεται µε διάφορες µεθόδους στο κέλυφος του τροχού [AGCC, 1999; Pesaran and Bingham, 1989; Bharathan et al, 1987; Schulz, 1986] το οποίο αποτελείται από µίγµα ινών γυαλιού, κεραµικών και πλαστικών αντοχής σε υψηλή θερµοκρασία. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι η διαδικασία αφύγρανσης έχει ιδιαίτερες απαιτήσεις όσον αφορά στην αντοχή των υλικών, καθώς οι πολλαπλοί κύκλοι επιβολής υψηλών θερµοκρασιών αναγέννησης επιβαρύνουν τα υλικά [AGCC, 1999]. Η περιστροφή των τροχών είναι ιδιαίτερα αργή και αναφέρονται ταχύτητες της τάξης των 6-20rph. Για την περιστροφή, χρησιµοποιείται ηλεκτροκινητήρας χαµηλής ισχύος ως αποτέλεσµα των χαµηλών ταχυτήτων περιστροφής. Το µικρό φορτίο επιτρέπει τη χρήση ιµάντα, η οποία προτιµάται µε δεδοµένη τη µεγάλη σχέση µετάδοσης. Η επιλογή αυτή απλοποιεί σηµαντικά το µηχανικό µέρος της συσκευής ενώ είναι και συµφέρουσα από πλευράς κόστους (σχ. Ι.3). Σχήµα Ι.3 - Λεπτοµέρεια µοτέρ περιστροφής τροχού [AGCC, 1999] Σελ.190

225 Τεχνολογία συσκευών αφύγρανσης και ψύξης µε εξάτµιση Ένα από τα βασικότερα προβλήµατα στη λειτουργία των τροχών αποτελεί η ανάµιξη των δύο ρευµάτων [AGCC, 1999; Bharathan et al, 1987]. Για το λόγο αυτό χρησιµοποιούνται ελαστικά µονωτικά στοιχεία, εφαρµοζόµενα τόσο στην επιφάνεια µεταξύ των δύο ρευµάτων όσο και στην περίµετρο του τροχού (σχ. Ι.4). Σχήµα Ι.4 - Ελαστικά µονωτικά στοιχεία για την αποφυγή απωλειών ροής ρευµάτων αέρα σε τροχό αφύγρανσης Το πλαίσιο του τροχού έχει ιδιαίτερη σηµασία για τη λειτουργικότητα της συσκευής, καθώς προσδίδει στιβαρότητα στη διάταξη, προστατεύει από τη διαρροή αερίων ρευµάτων, ενώ παράλληλα διασφαλίζει την οµαλή περιστροφή του τροχού. I.2 Συσκευές ψύξης µε εξάτµιση Στη βιβλιογραφία εµφανίζονται διάφορες συσκευές ταυτόχρονης µεταφοράς θερµότητας και υγρασίας, οι οποίες εκµεταλλεύονται την ενθαλπία εξάτµισης. Ειδικότερα εµφανίζονται συσκευές που έχουν στόχο την ψύξη του ρεύµατος αέρα, ενώ ανάλογα µε τη διαµόρφωση είναι δυνατόν να συµβαίνει και ταυτόχρονη αύξηση της υγρασίας του αέρα. Χαρακτηριστικά αναφέρονται οι air-washers, οι εναλλάκτες υγρής επιφανείας και ορισµένες κατηγορίες υγραντήρων [Kuehn et al, 2001; ASHRAE, 2000]. Η παθητική λειτουργία των συστηµάτων αυτών, υπό την έννοια ότι δεν καταναλώνουν ενέργεια για την παραγωγή ψύχους, τα καθιστά ελκυστικά σε εφαρµογές κλιµατισµού. Ιδιαίτερη κατηγορία αποτελούν οι συσκευές ψύξης µε εξάτµιση, στις οποίες επιτυγχάνεται ψύξη του διερχόµενου αέρα ενώ ταυτόχρονα αυξάνεται και η υγρασία του. Ειδικότερα στις συσκευές αυτές πραγµατοποιείται απευθείας εξάτµιση του νερού το οποίο έρχεται σε επαφή µε το ρεύµα αέρα. Το ρεύµα αέρα είναι δυνατόν να χρησιµοποιηθεί ως έχει, κάνοντας λόγο εν προκειµένω για διατάξεις άµεσης ψύξης (direct), ή να ψύξει µέσω Σελ.191

226 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι εναλλάκτη κάποιο άλλο ρεύµα, ώστε να αποφευχθεί η, πιθανά, ανεπιθύµητη αύξηση της υγρασίας του. Οι συσκευές αυτές αναφέρονται ως διατάξεις έµµεσης ψύξης (indirect). Στις εγκαταστάσεις ΚΣΑΜ έχει επικρατήσει η χρήση των συσκευών άµεσης ψύξης µε εξάτµιση (direct evaporative coolers). Οι συσκευές άµεσης ψύξης µε εξάτµιση βρίσκουν εφαρµογή από τις αρχές του 20 ου αιώνα στις ΗΠΑ [Watt and Brown, 1997], χρησιµοποιώντας κυρίως στρώµατα (pads) αποτελούµενα από τη συσσωµάτωση ροκανιδίων λεύκας ή άλλου ξύλου (πληρωτικό υλικό), καθώς και κοµµατιών υφάσµατος, θραυσµάτων υαλοβάµβακα, χαλκού (ή άλλου µετάλλου), ή ορυκτών της κατηγορίας του περλίτη και πλαστικών (φωτ. Ι.2). Φωτογραφία Ι.2 - Λεπτοµέρεια στρώµατος δηµιουργίας επιφάνειας επαφής (pad) από ροκανίδια Αν και οι συσκευές αυτές βρήκαν ευρεία εφαρµογή, εµφάνισαν διάφορα λειτουργικά προβλήµατα τα οποία σχετίζονται µε το φράξιµο τους, είτε από άλλα υλικά είτε λόγω της µετακίνησης ή χαλάρωσης του ίδιου του πληρωτικού υλικού, καθώς και µε την εναπόθεση αλάτων, η οποία επιβαρύνεται από την ποιότητα του νερού διαβροχής. Παράλληλα εµφανίστηκαν και φαινόµενα όπως η ανάπτυξη µούχλας, οφειλόµενη στην ανοµοιογενή εξάτµιση και στη δηµιουργία σηµείων υψηλής υγρασίας στο υλικό. Σε επίπεδο απόδοσης, τα συστήµατα πληρωτικού υλικού εµφάνισαν αδυναµία να ανταποκριθούν σε πιο απαιτητικές συνθήκες, ειδικότερα όσον αφορά στην αύξηση της παροχής αέρα, καθώς η βελτίωση της αποδοτικότητας ήταν δυσανάλογη της ιδιαίτερα αυξηµένης πτώσης πίεσης. Η συνεισφορά του Munters κρίνεται ιδιαίτερα σηµαντική, καθώς πρότεινε την κατασκευή περισσότερο συµπαγών και ταυτόχρονα πορωδών επιφανειών, αποτελούµενων από τη συσσωµάτωση κατάλληλα διαµορφωµένων φύλλων κυτταρίνης ή υαλοβάµβακα [Watt and Brown, 1997], (φωτ. Ι.3). Η γεωµετρία τους επιτρέπει τη ροή του αέρα διαµέσου περασµάτων 60 ο (φωτ. Ι.3), ενώ ταυτόχρονα η διαµόρφωση είναι τέτοια που αναγκάζει τον Σελ.192

227 Τεχνολογία συσκευών αφύγρανσης και ψύξης µε εξάτµιση αέρα να κάνει διακλαδιζόµενες διαδροµές αυξηµένου µήκους, εσωτερικά στο πληρωτικό υλικό. εδοµένου ότι ο αέρας κινείται εφαπτοµενικά στο υλικό, δηµιουργεί ευνοϊκές συνθήκες αυτοκαθαρισµού από διάφορες επικαθίσεις, οι οποίες παρασύρονται από το ρεύµα του νερού. Με τις διατάξεις αυτές είναι δυνατό να επιτευχθούν παροχές 3-4 φορές υψηλότερες των παραδοσιακών συστηµάτων πληρωτικού υλικού. Φωτογραφία Ι.3 - Επιφάνεια επαφής συσκευής ψύξης µε εξάτµιση Κατά τη λειτουργία των συστηµάτων µπορεί να γίνεται απόρριψη του µη εξατµιζόµενου νερού ή επαναχρησιµοποίησή του. Στην περίπτωση επαναχρησιµοποίησης, πέραν από το προφανές πλεονέκτηµα της εξοικονόµησης, δίνεται η δυνατότητα για λειτουργία σε υψηλότερη παροχή νερού, καθώς είναι ευκολότερη η ρύθµιση αυτής, οδηγώντας µε τον τρόπο αυτό σε βελτιωµένες συνθήκες µεταφοράς µάζας. Το µειονέκτηµα των συστηµάτων ανακυκλοφορίας είναι η συσσώρευση αλάτων, µετάλλων και άλλων ουσιών στο επαναχρησιµοποιούµενο νερό, καθώς οι ουσίες αυτές δεν εξατµίζονται. Για το λόγο αυτό χρειάζεται η µερική ανανέωση του νερού, όπως προτείνεται και στα σχετικά τεχνικά εγχειρίδια που δίνονται από κατασκευαστές, π.χ. της εταιρείας Munters. Πέραν των συστηµάτων επαφής διαµέσου κάποιου στερεού µέσου, στη βιβλιογραφία αναφέρονται και διατάξεις απ ευθείας επαφής του νερού, προτιµότερα σε σταγονίδια ώστε να ευνοείται το φαινόµενο της εξάτµισης, µε τον αέρα. Οι διατάξεις αυτές διαφοροποιούνται ανάλογα µε τον τρόπο ψεκασµού, αναφέροντας την περίπτωση περιστρεφόµενου δίσκου, απλού ψεκασµού ή χρήσης υπερήχων (παλλόµενο διάφραγµα) [Klingenburg 2005; Henning 2004; Kuehn et al, 2001; ASHRAE, 2000], (σχ. Ι.5). Σελ.193

228 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι - Τεχνολογία συσκευών αφύγρανσης και ψύξης µε εξάτµιση Σχήµα Ι.5 - Συσκευές ψύξης µε εξάτµιση απ ευθείας επαφής νερού - αέρα [Klingenburg] Τα βασικά µειονεκτήµατα των συσκευών απ ευθείας επαφής είναι η ανοµοιογενής εξάτµιση στη ροή του αέρα, τα προβλήµατα µε την πίεση του νερού στη διάρκεια του χρόνου, η δηµιουργία επικαθίσεων στα ακροφύσια και το ανοµοιογενές προφίλ ταχύτητας του αέριου ρεύµατος. Επιπλέον δεν επιτρέπουν τη δυνατότητα χρήσης κατάλληλων χηµικών διαµέσου της επιφάνειας του στερεού υλικού, τα οποία καταπολεµούν την ανάπτυξη ανεπιθύµητων βακτηριδίων. Σελ. 194