Využití adiabatického chlazení ke snížení spotřeby energie

Abstract

Práce se zabývá využitím nepřímého vypařovacího chlazení v zařízeních pro zpětné získávání tepla. Nepřímé vypařovací chlazení je identifikováno jako výhodná metoda nízkoenergetického chlazení větracího vzduchu vypařováním vody, bez přímého navlhčení větracího vzduchu. Výhodami tohoto způsobu chlazení jsou minimální energetický vklad i fakt, že touto metodou je možné chladit budovy i v době největších tepelných zátěží, které jsou pro nízkoenergetické chlazení často kritické. Práce si klade za cíl připravit základnu poznatků pro snadný transfer této technologie do nejběžnější technické praxe a na trh vzduchotechnických jednotek. V první části práce je celá myšlenka nepřímého vypařovacího chlazení popsána. Je uveden kontext problematiky a vytyčen současný stav poznání. Z rešerše literatury vyplývá, že na světě chybí jednoduchý popis děje ve skrápěném tepelném výměníku vzduch/vzduch, který nepřímé vypařovací chlazení zajišťuje. Tento děj je dosud popisován složitými modely a diferenciálními rovnicemi, chybí ale rychlý inženýrský nástroj pro výpočet parametrů vlhkého vzduchu za takovým výměníkem, na základě měřitelných nebo lehce dosažitelných vstupních údajů. V praktické části pak disertační práce míří k vytvoření takového nástroje. Je popsána cesta od získání experimentálních dat, přes složitý model vytvořený s pomocí teorie podobnosti, metody konečných objemů a mechaniky tekutin, k jednoduchému modelu, který je ověřen proti všem dostupným validačním základnám. Jednoduchý model je omezen na křížoproudé výměníky se svislými deskami, souproudem vody a sekundárního vzduchu a gravitačním pohybem vodního filmu po teplosměnné ploše. V těchto okrajových podmínkách model vykazuje velmi dobrou shodu jak s vlastními experimentálními daty, tak s experimenty a modely jiných autorů. Vyvinutý jednoduchý model je představen jako hledaný inženýrský nástroj, který z jednoduchých vstupních dat přímým výpočtem stanoví teplotu větracího vzduchu za zařízením nepřímého vypařovacího chlazení. V závěrečné části práce jsou shrnuty technické překážky v implementaci nepřímého vypařovacího chlazení do běžné vzduchotechniky a několik doporučení pro konstrukci těchto zařízení. Jsou tak komunikovány zkušenosti získané dlouhodobým experimentem. Potenciál nepřímého vypařovacího chlazení je uveden do kontextu klimatických dat a je i vyjádřena cena získaného chladu započtením spotřeby vody. Nepřímé vypařovací chlazení je shledáno jako výhodné po energetické, ekologické i ekonomické stránce.

The work deals with the use of indirect evaporative cooling in heat recovery devices. Indirect evaporative cooling is identified as an advantageous method of low-energy cooling of the ventilation air by water evaporation, without direct humidifying of the ventilation air. The advantages of this method of cooling are the minimum energy input and the fact that this method can be used to cool buildings even during daytime of high heat loads, which are often critical for low energy cooling. The aim of the thesis is to prepare the basis of knowledge for easy transfer of this technology to the most common technical practice and to the market of air handling units. In the first part of the thesis, the idea of indirect evaporative cooling is described, including the paradox of the widespread name "Adiabatic Cooling", which in conjunction with this technology is not entirely correct. The context of the issue is described and the current state of knowledge is outlined. The literature research suggests that there is no simple description in the world of the process in a sprinkled air / air heat exchanger that provides indirect evaporation cooling. This process is still described by complex models and differential equations, but there is no quick engineering tool for calculating the parameters of moist air in a heat exchanger, based on measurable or easily obtainable input data. In the practical part, the thesis aims to create such an instrument. The way from obtaining experimental data, through a complex model created using the theory of similarity, finite volume method and fluid mechanics, is described to a simple model that is validated against all available validation bases. The simple model is limited to cross-flow heat exchangers with vertical plates, co-current of water and secondary air flow, and gravitational movement of water film over the heat transfer surface. In these boundary conditions, the model shows very good agreement with both experimental data and experiments and models of other authors. Developed simple model is presented as the searched engineering tool that provides a simple computation of supply air temperature after indirect evaporative cooling process, using only basic and obtainable input data. In the final part of the thesis there are summarized technical obstacles in the implementation of indirect evaporative cooling to common ventilation and several recommendations for the construction of these devices. Thus, the experience gained through a long-term experiment is communicated. The potential of indirect evaporative cooling is brought into the context of climatic data and the price of the obtained coolness is also expressed by counting the water consumption. Indirect evaporative cooling is found to be beneficial in energy, environmental and economic terms.