Zintegrowane urządzenia klimatyzacyjne - Co wybrać?

W niniejszej publikacji przedstawiono analizę zintegrowanych urządzeń i systemów klimatyzacyjnych takich, jak rooftopy oraz centrale klimatyzacyjne wyposażone w chillery. W oparciu o rozwiązania techniczne porównano parametry pracy i ich walory użytkowe. Zwrócono uwagę na celowość przeprowadzenia rachunku techniczno-ekonomicznego uwzględniającego aspekty inwestycyjne i eksploatacyjne, którymi powinien kierować się inwestor podejmujący decyzję o wyborze urządzenia.

Stale wzrastający poziom techniczny i technologiczny społeczeństwa pociąga za sobą dążenie ludzi do podnoszenia komfortu warunków w jakich żyją, pracują, uczą się i wypoczywają. Jednak zdecydowana większość zajęć, jakie człowiek chce, bądź musi wykonywać związana jest z przebywaniem w pomieszczeniach, w większym lub mniejszym stopniu odizolowanych od otoczenia. Istnieje zatem potrzeba ingerencji w parametry fizyczne powietrza w tych pomieszczeniach, aby zapewnić jak najbardziej optymalne i komfortowe, zależnie od potrzeb, warunki dla zdrowego funkcjonowania organizmu człowieka. Warunki te są bezpośrednio związane z komfortem cieplnym - stanem, w którym nie odnosi się wrażenia „zimna" ani „gorąca". Jest to wynikiem tego, iż bilans cieplny ciała jest zrównoważony, a wymiana ciepła odbywa się poprzez promieniowanie, konwekcję, parowanie z dróg oddechowych oraz niewyczuwalne pocenie się. Średnia temperatura powierzchni skóry w tych warunkach mieści się w granicach od 32 do 34°C, jednak zależnie od aktywności, noszonej odzieży, temperatury otoczenia, prędkości przepływającego powietrza i względnej wilgotności może odbiegać od tych wartości [2].

Aby zapewnić optymalne warunki w możliwie zróżnicowanym rodzaju pomieszczeń budowane są różnego rodzaju systemy klimatyzacyjne. Ich działanie polega na ochładzaniu czy ogrzewaniu nawiewanego powietrza - w najprostszych rozwiązaniach, lub kompleksowej kontroli i obróbce parametrów fizycznych, chemicznych i termodynamicznych powietrza, kontroli temperatury ścian, sufitów i podłóg, doborze prędkości i natężenia przepływu, oraz możliwie szybkiemu równoważeniu zmiany bilansu cieplnego - w rozwiązaniach najbardziej zaawansowanych.

Niezależnie od przeznaczenia i poziomu skomplikowania urządzenia, notuje się w ostatnich latach rosnące zapotrzebowanie na relatywnie tanie systemy klimatyzacyjne, które przy możliwie niskich kosztach inwestycyjnych cechować będą minimalne koszty eksploatacyjne. Najczęściej jednak są to warunki wzajemnie wykluczające się, dla których wartości optymalne określa się w zależności od możliwości aplikacji wybranego systemu.

Rodzaje urządzeń klimatyzacyjnych

Urządzenia służące do obróbki powietrza dla celów klimatyzacyjnych ogólnie można podzielić na urządzenia zcentralizowane i indywidualne.

Centrale klimatyzacyjne

Charakteryzują się tym, że wszystkie aparaty i urządzenia niezbędne do przygotowania powietrza umieszczone są w jednym pomieszczeniu - maszynowni. Powietrze trafia do pomieszczeń za pomocą odpowiedniej sieci rurociągów i kanałów.

W zależności od sposobu realizacji i transportu, można rozróżnić urządzenia jednoprze-wodowe, jednostrefowe, w których powietrze jest centralnie poddawane całkowitej obróbce (mieszanie, oczyszczanie, ogrzewanie lub chłodzenie, nawilżanie lub osuszanie), a następnie doprowadzane do pomieszczenia lub jego strefy za pomocą pojedynczej sieci kanałów nawiewnych. Odprowadzanie powietrza odbywa się również pojedynczą siecią kanałów wywiewnych. W skład takiego urządzenia wchodzi czerpnia, przepustnica, filtr oraz komora klimatyzacyjna. Przed filtrem, w tzw. układzie recyrkulacyjnym strumień świeżego powietrza miesza się z częścią powietrza odprowadzanego z klimatyzowanego pomieszczenia. Oczyszczone powietrze wpływa następnie do komory klimatyzacyjnej, gdzie podlega obróbce termodynamicznej, aby na wylocie miało zadane parametry. Następnie sprężane jest za pomocą wentylatora i wprowadzane do pomieszczeń. Tutaj następuje wymiana ciepła i masy między powietrzem nawiewanym a źródłami znajdującymi się w pomieszczeniu, w wyniku czego parametry powietrza ulegają zmianie do wartości utrzymywanych wewnątrz. W końcowej części obiegu, powietrze jest zasysane przez wentylator wywiewny i częściowo przez wyrzutnię usuwane na zewnątrz, częściowo zaś kierowane z powrotem do komory klimatyzacyjnej. Natężenie przepływu obu strumieni jest regulowane za pomocą przepustnic. Schemat takiego systemu przedstawia rysunek 1.

Rys. 1. Schemat jednostrefowej, jednoprzewodowej centrali klimatyzacyjnej

Tego typu urządzenia nadają się szczególnie do klimatyzacji dużych pojedynczych pomieszczeń, jak hale fabryczne, sale widowiskowe itp. Większa ilość pomieszczeń może być klimatyzowana za pomocą tego typu urządzeń tylko w przypadku, gdy w pomieszczeniach tych mają być utrzymane bardzo podobne warunki klimatyczne oraz występują podobne obciążenia cieplne.

Centrale jednoprzewodowe wielostrefowe różnią się od poprzednich tylko tym, że powietrze jest wtłaczane nie do jednego pomieszczenia, lecz do kilku grup (stref). Pomieszczenia jednej strefy mają podobne parametry powietrza, natomiast parametry powietrza poszczególnych stref różnią się między sobą. W układzie takim w komorze klimatyzacyjnej przygotowywane jest powietrze o takich parametrach, jakie potrzebne są dla jednej ze stref, natomiast dla innych odbywa się to za pomocą dodatkowych nagrzewnic lub chłodnic, umieszczanych w kanałach nawiewnych tych stref (rysunek 2).

Rys. 2. Schemat wielostrefowej, jednoprzewodowej centrali klimatyzacyjnej

Systemy takie są stosowane w budownictwie przemysłowym, użyteczności publicznej podczas klimatyzowania niezbyt dużej liczby średnich i dużych pomieszczeń, w których parametry powietrza, mają być takie same.

Centrale dwuprzewodowe umożliwiają indywidualną regulację parametrów powietrza wprowadzanego do poszczególnych pomieszczeń lub stref. W tym celu powietrze przygotowane wstępnie w komorze klimatyzacyjnej jest rozdzielane za wentylatorem do dwóch kanałów, z których jeden jest wyposażony w nagrzewnicę, a drugi w chłodnicę. W efekcie jednym kanałem przepływa strumień powietrza ogrzanego, drugim kanałem ochłodzonego. Następnie strumienie te łączy się w odpowiednich proporcjach w tzw. komorach mieszania przed danym pomieszczeniem lub wewnątrz niego, tak aby uzyskać wymagane parametry powietrza w miejscu klimatyzowanym. Urządzenia dwuprzewodowe są stosowane w budynkach o wielu pomieszczeniach i pozwalają na stosunkowo szybką zmianę parametrów powietrza oraz utrzymywanie ich w dość wąskich graniach tolerancji. Schemat takiej instalacji przedstawia rysunek 3.

Rys. 3. Schemat wieloprzewodowej centrali klimatyzacyjnej

Klimakonwektory

Urządzenia te stosowane są również, wśród systemów jednoprzewodowych. W rozwiązaniu takim, powietrze podlega centralnej obróbce, a następnie z dużą prędkością jest doprowadzane siecią kanałów do klimakonwektorów poszczególnych pomieszczeń lub stref.

Wskutek podsysającego działania miesza się w klimakonwektorach z powietrzem z pomieszczenia. Następnie jest dodatkowo ogrzewane lub chłodzone. Regulacja przebiegu tych procesów, oraz mieszania, umożliwia otrzymanie na wylocie z klimakonwektora powietrza o żądanych parametrach. Klima-konwektor może być dodatkowo wyposażony w wentylator zasysający powietrze zarówno z układu centralnego, jak i z pomieszczenia. Urządzenia takie są często stosowane w budynkach wielokondygnacyjnych o dużej liczbie pomieszczeń, takich jak: szkoły, hotele, biura itp. (rys. 4).

Rys. 4. Schemat wielostrefowej, jednoprzewodowej centrali klimatyzacyjnej z klimakonwektorem

Rooftopy

Coraz częściej stosowaną odmianą centrali klimatyzacyjnej jest urządzenie typu rooftop (rysunek 5), umieszczone na dachu klimatyzowanego budynku, które zawiera wszystkie elementy centrali klimatyzacyjnej w jednej obudowie o gabarytach znacznie mniejszych niż maszynownia. Oszczędność przestrzeni uzyskuje się dzięki kompaktowemu ułożeniu wszystkich niezbędnych aparatów i urządzeń właśnie w jednej obudowie i rezygnacji z niektórych funkcji centrali klimatyzacyjnej (sekcja nawilżania i filtrowania precyzyjnego). Niedostatki te jednak kompensowane są oszczędnościami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi centrali.

Rys.5. Podstawowy schemat instalacji typu rooftop, działającego w trybie chłodzenia powietrza

Urządzenia indywidualne oparte są na klimatyzatorach, które w jednej obudowie zawierają aparaty potrzebne do przygotowania powietrza - agregat chłodniczy, nagrzewnicę (parową, wodną lub elektryczną), nawilżacz, filtr i wentylator. Umieszczone są bezpośrednio w pomieszczeniach lub, w przypadku szczególnie wysokich wymagań co do głośności, obok nich. W tej drugiej opcji strumień powietrza prowadzony jest do pomieszczenia krótkimi kanałami.

Klimatyzatory tego typu podzielić można na klimatyzatory z bezpośrednim odparowaniem czynnika chłodniczego oraz systemy pośrednie, zasilane wodą chłodzoną w jednostce zewnętrznej zwanej chillerem. Systemy bezpośrednie produkowane są w bardzo szerokiej gamie urządzeń: ściennych, podłogowo-sufitowych, sufitowych, kanałowych, kasetonowych itp., z agregatem sprężająco-skraplającym umieszczonym na zewnątrz klimatyzowanego pomieszczenia.

Systemy pośrednie wykorzystywane są wszędzie tam, gdzie normy bezpieczeństwa ograniczają możliwości zastosowania systemów bezpośrednich. Analiza termodynamiczna tych rozwiązań wykazuje zmniejszanie sprawności wraz ze wzrostem ilości przeponowych wymienników ciepła. Jednak warunki klimatyczne, w jakich system jest wykorzystywany mogą niekiedy poprawić ogólny rachunek sprawności całego systemu i przynieść wymierne korzyści ze stosowania systemu pośredniego [1].

Obecny rozwój techniki chłodniczej i elektroniki pozwala na budowanie szerokiej gamy klimatyzatorów, często o bardzo zindywidualizowanym przeznaczeniu, małych gabarytach i cichej pracy. Ich aplikacje jednak napotykają niekiedy na barierę ekonomiczną, gdyż zbyt silna dywersyfikacja urządzeń klimatyzacyjnych w obiektach o zbliżonym zapotrzebo¬waniu cieplno-chłodniczym powoduje spadek efektywności całego układu zwiększając ostatecznie koszty eksploatacyjne.

Możliwości zastosowania wybranych systemów klimatyzacyjnych - rooftopy czy chillery?

Chęć maksymalnego wykorzystania przestrzeni komercyjnych, położonych wokół budynków oraz w ich piwnicach, zachęca projektantów i inwestorów do pojektowania i stosowania urządzeń typu rooftop. Niekwestionowane oszczędności wynikające z wykorzystania wolnego miejsca na dachach oraz obniżania kosztów inwestycyjnych w stosunku do systemów pośrednich, bazujacych na chłodnicach wody, niwelowane są niejednokrotnie przez zmniejszenie ich efektywności, wynikającej z konieczności pracy w trudnych warunkach pogodowych (największe zapotrzebowanie na chłodzenie powietrza zbiega się z największym nasłonecznieniem i spadkiem efektywności wymiany ciepła w skraplaczach) [4].

Parametrem określającym efektywność urządzenia chłodniczego jest współczynnik COP. Umiejętność jego określenia i przewidywania może byc informacją determinującą decyzję odnośnie zastosowania konkretnego systemu. W związku z tym wielu ośrodkach naukowych podejmowane są badania nad możliwościami określenia wartości COP przy minimalnych nakładach na urządzenia monitorujące. Przykładem może być badanie dwóch urządzeń typu rooftop o nominalnej chłodniczej mocy (1) - 20 kW 1 (2) - 26 kW oraz natężeniu przepływu powietrza odpowiednio (1) - 3,0 m3/s oraz (2) - 2,4 m3/s [6]. Zmierzone parametry obu urządzeń przedstawiono w tabeli.

Badane urządzenia cechował 15-letni staż pracy i ich aktualne parametry znacznie różniły się od początkowych. Katalogowe wartości znamionowe nowych urządzeń określały wydajność chłodniczą na poziomie 33,7 kW przy COP równym 2,9. Zaprezentowany w pracy [6] model określania współczynnika efektywności klimatyzatorów pozwolił osiągnąć wymierne korzyści ze zmodyfikowanej metodologii pomiarowej oraz dzięki temu lepszą możliwość dopasowania zapotrzebowania na moc chłodniczą do warunków pogodowych. Pokazał jednak ponadto fakt będący często bagatelizowany podczas projektowania inwestycji, a zna¬cząco wpływający na koszty eksploata¬cyjne. Chodzi mianowicie o warunki pracy rooftopów. Stałe oddziaływanie warunków zewnętrznych na aparaty i urządzenia nie jest czynnikiem pozytywnie wpływającym na ich pracę. Nawet jeśli są one dobrze zabezpieczone, z upływem czasu obniża się ich sprawność działania. Ograniczenia wynikające z kompaktowej budowy często nie pozwalają na znaczące rozbudowywanie obudowy, zabezpieczeń czy izolacji, co w perspektywie wieloletniej eksploatacji może być ważnym czynnikiem powodującym zwiększenie strat termodynamicznych i w konsekwencji ekonomicznych.

Drugą grupą urządzeń stosowanych do klimatyzacji są centrale, pracujące w systemach pośrednich z urządzeniami schładzającymi wodę (chillerami).

W rozważaniach teoretycznych przyjmuje się kilka rodzajów urządzeń tego typu. Na rysunku 6 przedstawiono schematycznie możliwości wykorzystania w chillerach różnych zjawisk fizycznych do realizacji procesu chłodzenia.

Najczęściej wykorzystywanymi systemami są obecnie układy sprężarkowe oraz, w miejscach gdzie istnieje potencjalne źródło łatwej do zagospodarowania energii odpadowej, układy absorpcyjne.

Rys. 6. Różne warianty zastosowania zjawisk fizycznych do chłodzenia wody:

a) układ sprężarkowy,

b) układ absorpcyjny,

c) układ termoelektryczny, 

d) układ termoakustyczny

Klimatyzacja jest przedmiotem zainteresowania branży hotelarskiej. Współczesne standardy obowiązujące w dziedzinie jakości powietrza w pokojach hotelowych prowadzą do coraz powszechniejszego wyposażania ich w autonomiczne jednostki, zasilane wodą chłodzoną w chillerach, które umożliwiają w większym lub mniejszym stopniu sterowanie poziomem temperatury nawiewanego powietrza. W średniej wielkości hotelu klimatyzowane jest około 19 000 m2 powierzchni. W centralnej maszynowni w celu schłodzenia wody wymagane jest zainstalowanie około 1750 kW mocy chłodniczej. Chłodzenie skraplaczy bazuje na powietrznych wymiennikach ciepła wyposażonych w wentylatory. W pracy [5] zaprezentowano system, który wyposażono w zestaw 7 chiller&oacut ;w o mocy 422 kW każdy, schładzających wodę do poziomu 9°C. Nominalna efektywność pracy chillerów została określona za pomocą zależności:

• V — napięcie zasilania chillera [V]; 
• I - prąd płynący w obwodzie zasilania chillera, [kA];
• cos θ - współczynnik mocy; 
• m - strumień masy chłodzonej wody [kg/s];
• c_p - ciepło właściwe chłodzonej wody przy stałym ciśnieniu [kJ/kgK]; 
• ΔT - spadek temperatury chłodzonej wody.
  

Na tej podstawie oszacowano efektywność pracy chillerów w zależności od temperatury otoczenia w funkcji stopnia ich wykorzystania. Przedstawia to rys. 7.

Rys.7. Efektywność pracy chillerów w funkcji ich wykorzystania w zależności od temperatury otoczenia [5]

Analiza pokazuje, że podczas nominalnego obciążenia mocą chłodniczą całego systemu i w średniej temperaturze otoczenia 25°C efektywność chillerów nie przekracza wartości 0,3. W tych warunkach współczynnik COP całego systemu przyjmuje wartość 3,33.

Daje to podstawy do odpowiedniego planowania obciążania systemu ziębniczego, w taki sposób aby optymalnie wykorzystywać poszczególne instalacje i dopasowywać ich moc do aktualnego zapotrzebowania. Dzięki temu możliwa jest oszczędność zużycia energii napędowej i minimalizacja kosztów eksploatacji.

Wnioski

Przedstawiona analiza dwóch odrębnych realizacji procesu klimatyzacji z użyciem systemów wyposażonych w rooftopy oraz chillery nie rozstrzyga jednoznacznie dylematu odnośnie wyboru konkretnego systemu.

W artykule pokazano zalety wynikające z realizacji poszczególnych rozwiązań a także wskazano na potencjalne obszary, w których w jednym i drugim przypadku można poszukiwać oszczędności. Minimalizacja kosztów zarówno w fazie inwestycji, jak i podczas eksploatacji systemu stale pozostaje problemem inwestora. Jak wspomniano na początku minimalizacja obu składników jest najczęściej wzajemnie wykluczająca się. Dlatego o ostatecznym wyborze i ewentualnej przewadze konkretnego rozwiązania powinna decydować wnikliwa analiza warunków w konkretnej sytuacji oraz przewidywany okres użytkowania systemu w pierwotnie zaprojektowanej formie. Nie bez znaczenia pozostaje też potencjalna możliwość rozbudowy lub unowocześniania instalacji. Wykluczenie takiej możliwości w fazie projektowania może przyczynić się do niemożności uzyskania oszczędności w późniejszym okresie.

Autor: Bogusław Białko

Źródło: Chłodnictwo & Klimatyzacja (5/2006)