Energeticky efektivní desikantní chlazení: principy fungování a integrace s absorpčními chladiči

Autor: technické oddělení Mycond

Desikantní chlazení je inovativní technologie klimatizace, která nabízí alternativní přístup k tradičním kompresním systémům. Na rozdíl od konvenční klimatizace, která ochlazuje vzduch pod teplotu rosného bodu za účelem odstranění vlhkosti, desikantní systémy oddělují procesy odvlhčování a chlazení a pro řízení vlhkosti využívají tepelnou energii místo elektrické.

Tradiční systémy klimatizace narážejí na inženýrský problém energetických ztrát. Při typickém přístupu se vzduch ochlazuje pod rosný bod, aby zkondenzovala vlhkost, a poté se přihřívá na komfortní teplotu (reheat). Energetická náročnost takového procesu se počítá z tepelné bilance a významně závisí na výchozích parametrech vzduchu a hloubce odvlhčení.

Základním principem desikantního chlazení je oddělení zpracování zjevného (teplota) a latentního (vlhkost) tepelného zatížení. Toho se dosahuje adsorpcí vlhkosti pomocí speciálních materiálů (desikantů) s následným chlazením suchého vzduchu. Technologie se intenzivně rozvíjí od 80. let díky vzniku kompaktních rotačních kol a ekonomickým předpokladům spojeným s růstem ceny elektrické energie.

Fyzikální základny desikantního chlazení

Adsorpce vlhkosti v desikantních systémech je fyzikálně-chemický proces, který probíhá díky difuzi vodní páry způsobené rozdílem parciálních tlaků mezi vzduchem a povrchem desikantu. Desikantní materiály mají obrovský měrný povrch (od 200 do 800 m²/g v závislosti na typu materiálu a metodě výroby), což zajišťuje efektivní pohlcování vlhkosti.

Proces regenerace desikantu probíhá ohřevem na určitou teplotu, která závisí na typu materiálu a cílovém rosném bodu. Pro silikagel, nejrozšířenější desikant, se teplota regenerace pohybuje v rozmezí 80–120 °C. Pro molekulová síta jsou potřebné vyšší teploty – 200–300 °C. Tato rozmezí jsou orientační a je nutné je upřesnit v technické dokumentaci výrobce.

Klíčovým termodynamickým efektem při adsorpci je uvolnění tepla sorpce, které se skládá ze skrytého tepla kondenzace (přibližně 2500 kJ/kg vody) plus chemického tepla vazby. To vede k ohřívání odvlhčeného vzduchu, což je nutné zohlednit při návrhu chladicího systému.

Na psychrometrickém diagramu lze proces desikantního chlazení ilustrovat následovně. Předpokládejme, že vzduch s parametry 30 °C a relativní vlhkostí 60 % (vlhkostní obsah zhruba 16 g/kg) prochází desikantním kolem. Po odvlhčení na cílový rosný bod 10 °C (vlhkostní obsah zhruba 7 g/kg) se vzduch kvůli teplu sorpce zahřeje na 45–50 °C. Následně se tento vzduch ochlazuje ve výměníku tepla na komfortní teplotu.

Je důležité poznamenat, že koeficient zbytkového tepla (residual heat ratio) je funkcí mnoha proměnných a obvykle činí 0,7–0,9. Konkrétní hodnota závisí na konstrukci kola, rychlosti otáčení a účinnosti rekuperace.

Komponenty desikantního systému

Desikantní rotační kolo je klíčový prvek systému. Jde o voštinovou strukturu z hliníku nebo keramiky, pokrytou desikantem (silikagelem, molekulovými síty nebo chloridem lithným). Podíl pokrytí desikantem závisí na výrobci a určení a činí 60–80 % plochy. Průměr kola se určuje podle průtoku vzduchu z podmínky rychlosti proudění přes průřez (obvykle 2–4 m/s). Hloubka kola je 100–300 mm a rychlost otáčení 5–20 otáček za hodinu.

Regenerační systém zahrnuje ohřívač regeneračního vzduchu, který musí zajistit teplotu 80–120 °C pro silikagel nebo 120–150 °C pro molekulová síta. Průtok regeneračního vzduchu činí 25–40 % procesního proudu. Energetická náročnost na regeneraci je 4000–5000 kJ na kg odstraněné vlhkosti v závislosti na teplotě regenerace a účinnosti rekuperace.

Entalpické tepelné kolo se používá k rekuperaci energie mezi procesním a regeneračním proudem. Účinnost takového výměníku tepla činí 65–85 % v závislosti na konstrukci a rychlosti otáčení.

Absorpční chladiče a jejich integrace s desikantními systémy

Absorpční chladič je tepelný chladicí stroj, který používá vodu jako chladivo a bromid lithný (LiBr) jako absorbent. To umožňuje vytvářet chladicí efekt pomocí tepelné energie místo elektrické.

Princip fungování je založen na čtyřkomponentním cyklu:

• Výparník: voda se vypařuje při nízkém tlaku (0,6–1,2 kPa) a nízké teplotě (4–8 °C), odebírá teplo z chlazené vody.
• Absorber: vodní pára je pohlcována koncentrovaným roztokem LiBr, proces uvolňuje teplo, které vyžaduje chlazení absorberu.
• Generátor: roztok se ohřívá za účelem uvolnění vodní páry. Pro jednostupňové stroje je potřebná teplota 80–95 °C, pro dvoustupňové 120–150 °C.
• Kondenzátor: pára kondenzuje a předává teplo chladicí vodě.

Koeficient výkonu (COP) absorpčních chladičů činí u jednostupňových strojů 0,6–0,8, u dvoustupňových 1,0–1,3. Tyto hodnoty jsou nižší ve srovnání s parokompresními chladiči (COP 3,0–6,0), avšak absorpční chladiče využívají levnou tepelnou energii místo drahé elektrické.

Zdroje tepelné energie pro systémy desikantního chlazení a absorpční chladiče (v pořadí rostoucí ceny):

• Odpadní teplo z průmyslových procesů (teplota 60–150 °C)
• Solární energie přes kolektory (80–120 °C v závislosti na typu)
• Zemní plyn (účinnost hořáků 90–97 %)
• Elektrické ohřívače (nejdražší zdroj)

Existují tři základní schémata integrace desikantního odvlhčování s absorpčními chladiči:

1. Sériové zpracování: vzduch prochází desikantním kolem, kde je odstraněna vlhkost, a poté je ochlazen absorpčním chladičem. Výhoda – nezávislé řízení teploty a vlhkosti.
2. Paralelní zpracování: desikant zpracovává čerstvý venkovní vzduch a odstraňuje vlhkost, zatímco chladič chladí recirkulační vzduch. Výhoda – snížení celkového zatížení chladiče.
3. Kogenerační schéma: jeden zdroj tepelné energie napájí jak regeneraci desikantu, tak generátor absorpčního chladiče. Výhoda – maximální využití primární energie.

Synergické efekty kombinace obou technologií zahrnují:

• Přesun zatížení ze špičkové elektrické sítě na tepelnou energii
• Zvýšení teploty chlazené vody z chladiče (ze 6–8 °C na 10–15 °C) díky předchozímu odvlhčení, což zlepšuje COP absorpčního stroje
• Možnost využití nízkopotenciálního odpadního tepla pro regeneraci nízkoteplotních desikantů

Energetická účinnost a srovnávací analýza

Koeficient účinnosti (COP) pro desikantní chladicí systémy je definován jako poměr užitečného chladicího výkonu k součtu všech energetických vstupů. Typické hodnoty COP v závislosti na konfiguraci systému činí 0,5–1,5. Tyto hodnoty silně závisí na parametrech venkovního vzduchu, režimu provozu a účinnosti komponent.

Pro posouzení účinnosti tepelného cyklu odděleně od elektrické složky se používá metoda výpočtu tzv. thermal COP, která zohledňuje pouze tepelnou energii spotřebovanou na regeneraci desikantu a provoz absorpčního chladiče.

Ve srovnání s tradičními systémy chlazení–odvlhčení mají desikantní systémy výhody při třech podmínkách:

• Vysoký podíl latentního zatížení (sensible heat ratio pod 0,7)
• Požadavek na nízký rosný bod (pod 7–10 °C)
• Dostupnost levné tepelné energie

Pro zvýšení energetické účinnosti se používá dvoustupňová regenerace, kde první stupeň využívá teplo s nižší teplotou (60–80 °C) k odstranění části vlhkosti a druhý stupeň s vyšší teplotou (80–120 °C) k hluboké regeneraci. To umožňuje ušetřit 30–50 % vysokoteplotní energie.

Typické aplikace a projektová řešení

Desikantní systémy s absorpčními chladiči jsou obzvlášť účinné v následujících objektech:

• Supermarkety: otevřené vitríny vytvářejí značné latentní zatížení. Desikantní systém udržuje vlhkost na úrovni 40–50 %, což snižuje kondenzaci na vitrínách.
• Hotely: čerstvý vzduch nese hlavní latentní zatížení. Desikantní systém snižuje vlhkost a umožňuje zmenšit velikost chladiče o 20–40 %.
• Bazény: vypařování vytváří latentní zatížení, kde koeficient sensible heat ratio může být pod 0,5, což je ideální pro desikantní systémy.
• Systémy s sálavým chlazením: vyžadují nízký rosný bod, aby se zabránilo kondenzaci na studených površích.

Při návrhu desikantních systémů je důležité optimalizovat následující parametry:

• Průtok procesního vzduchu, který se stanovuje z vlhkostní bilance jako poměr produkce vlhkosti k rozdílu vlhkostního obsahu.
• Průtok regeneračního vzduchu, který se určuje podle hloubky desorpce. Poměr proces/regenerace obvykle činí 3:1 až 2:1.
• Teplotu regenerace, která závisí na typu desikantu a cílovém rosném bodu.

K rekuperaci energie lze použít rotační kolo (účinnost 70–85 %), deskový rekuperátor (účinnost 50–70 %) nebo teplená čerpadla (COP 3–5).

Kriticky důležité je minimalizovat průsaky vzduchu mezi procesní a regenerační zónou. I malé průsaky (5–10 % procesního proudu) mohou výrazně zhoršit výkon systému.

Ekonomické aspekty a metodika hodnocení

Investiční náklady na desikantní systémy s absorpčními chladiči jsou obvykle vyšší než u tradičních systémů klimatizace. Dodatečné náklady jsou však částečně kompenzovány zmenšením velikosti chladiče a snížením potřeby elektrického příkonu.

Provozní náklady mají odlišnou strukturu: hlavní položky – tepelná energie pro regeneraci desikantu a provoz absorpčního chladiče, plus elektřina pro ventilátory. Při příznivém poměru tarifů na elektřinu a tepelnou energii mohou být provozní náklady nižší než u tradičních systémů.

Faktory určující ekonomickou vhodnost desikantních systémů:

• Poměr tarifů na elektřinu a tepelnou energii
• Klimatické pásmo (ve vlhkém klimatu jsou systémy účinnější)
• Režim provozu (dlouhé období chlazení napomáhá rychlejší návratnosti)
• Dostupnost levné tepelné energie

Metodika výpočtu doby návratnosti je založena na určení rozdílu ročních provozních nákladů mezi tradičním a desikantním systémem, vyděleném dodatečnými kapitálovými investicemi. Metoda zohledňuje strukturu tarifů, provozní hodiny, strukturu zatížení a poměr cen energetických nosičů.

Často kladené otázky (FAQ)

1. Čím se desikantní chlazení zásadně liší od tradiční klimatizace a kdy je vhodné?

Tradiční klimatizace používá jeden proces ke snížení teploty i vlhkosti současně – ochlazení vzduchu pod rosný bod s následným přihřátím (reheat). To vyžaduje značné energetické náklady, jejichž velikost se počítá z tepelné bilance a závisí na parametrech vzduchu a hloubce odvlhčení.

Desikantní chlazení odděluje zpracování vlhkosti a teploty, což umožňuje nezávisle řídit oba parametry. Je vhodné při třech podmínkách:

• Vysoký podíl latentního zatížení (více než 30–40 %)
• Požadavek na nízkou vlhkost (rosný bod pod 7–10 °C)
• Dostupnost levné tepelné energie

Pro určení vhodnosti je nutné provést technicko-ekonomické srovnání s výpočtem ročních provozních nákladů pro obě varianty s ohledem na místní tarify energií.

2. Jak pracuje absorpční chladič a proč se efektivně kombinuje s desikantem?

Absorpční chladič pracuje na termochemickém cyklu, kde se voda používá jako chladivo a roztok bromidu lithného (LiBr) jako absorbent. Ve výparníku se voda vypařuje při nízkém tlaku a teplotě a odebírá teplo z chlazené vody. V absorberu je pára pohlcována roztokem LiBr za uvolnění tepla. V generátoru se roztok ohřívá k uvolnění páry. V kondenzátoru pára kondenzuje.

COP absorpčních chladičů (0,6–1,3) je nižší než u elektrických (3–6), ale spotřebovávají levnou tepelnou energii.

Synergie s desikantem je dosažena díky:

• Využití společného zdroje tepelné energie
• Přesunu zatížení z elektrické sítě
• Zvýšení účinnosti chladiče díky předchozímu odvlhčení, které umožní zvýšit teplotu chlazené vody

Při zvýšení teploty výparníku o 5–7 °C se může COP zlepšit o 10–15 % v závislosti na charakteristikách stroje.

3. Jaké zdroje tepelné energie lze použít a jak to ovlivňuje ekonomiku?

Zdroje tepelné energie v pořadí rostoucí ceny:

• Odpadní teplo – nejlevnější zdroj. Cena závisí na investičních nákladech na rekuperaci. Zahrnuje teplo z kondenzátorů, výrobních procesů, kogenerace.
• Solární energie – cena po odepsání závisí na kapitálových nákladech a ročním oslunění. V Česku může pokrýt 40–60 % potřeby tepla během léta.
• Zemní plyn – tarify se liší podle regionu a objemů spotřeby. Účinnost moderních hořáků 90–97 %.
• Elektrické ohřívače – nejdražší zdroj. Účinnost téměř 100 %, ale vysoká cena energie.

Využití odpadního tepla může snížit provozní náklady o 40–70 % ve srovnání s plynem, čímž se desikantní systémy s absorpčními chladiči stávají ekonomicky atraktivními i při vyšších investičních nákladech.

Závěry

Desikantní chlazení s absorpčními chladiči je technologie, která odděluje zpracování zjevného a latentního zatížení a využívá tepelnou energii místo elektrické. Tento přístup zajišťuje účinnou kontrolu vlhkosti a teploty současně, zejména v podmínkách vysokého latentního zatížení.

Praktická doporučení pro inženýry:

1. Volit schéma integrace podle struktury zatížení: sériové při vysokém latentním zatížení, paralelní při významném objemu čerstvého vzduchu, kogenerační při komplexních energetických potřebách.
2. Maximálně využívat odpadní nebo obnovitelné teplo jako hlavní faktor ekonomické efektivity.
3. Zohlednit zbytkové teplo adsorpce při výpočtu požadovaného chladicího výkonu.

Desikantní systémy jsou optimální při latentním zatížení nad 30–40 %, požadavku na rosný bod pod 7–10 °C a dostupnosti levného zdroje tepelné energie. Doba návratnosti je určena poměrem tarifů energetických nosičů, režimem provozu a možností využití tepla.

Je třeba poznamenat, že desikantní chlazení má omezenou účinnost při nízkém latentním zatížení, nedostupnosti tepelné energie, velmi suchém klimatu a pro malé objekty. Absorpční chladiče mají omezení při nízké teplotě chlazené vody a při absenci spolehlivého zdroje tepla. Integrace obou technologií je opodstatněná pouze při současné potřebě hlubokého odvlhčení a chlazení.