Belki chłodząco-grzejne – rozwiązania konstrukcyjne, zasady stosowania i wskazówki projektowe

Belki chłodząco-grzejne

Konkurencja na rynku klimatyzacyjnym spowodowała dużą ekspansję firm promujących rożnego rodzaju systemy i urządzenia klimatyzacyjne. Z teoretycznego punktu widzenia zadaniem każdego systemu klimatyzacji jest stworzenie odpowiednio dobrych parametrów klimatu wewnętrznego, co w pomieszczeniach użytkowych wiąże się najczęściej z koniecznością dostarczenia do pomieszczeń energii cieplnej, chłodniczej i powietrza świeżego (czystego). Mądrość wyboru odpowiedniego systemu klimatyzacyjnego polega na wyborze systemu, który pozwoli zadowolić zarówno inwestora, użytkownika systemu jak i użytkownika pomieszczeń klimatyzowanych.

Czy istnieje idealny system klimatyzacji?

Nie ma systemów idealnych, każdy ma swoje słabe i mocne strony. Wiedza na temat danego systemu klimatyzacyjnego pozwala na jego bardziej świadomy wybór, odpowiednie użytkowanie i w konsekwencji zadowolenie użytkownika i inwestora zarówno z wysokości rachunków za energię jak i z odpowiedniego poziomu komfortu klimatycznego wewnątrz pomieszczeń.

Popularny system klimatyzacji

Jednym z systemów klimatyzacyjnych, który zdobył w ostatnich latach dużą popularność jest system sufitowych belek chłodzących (cooling ceiling beams). Jak każdy system klimatyzacyjny ma on swoje wady i zalety, jednak patrząc jak system ten opanował rynek, zwłaszcza klimatyzacji dużych budynków biurowych, można stwierdzić, że zalety wzięły górę nad wadami. Wysokie wymagania ochrony cieplnej budynków, wentylacja mechaniczna oraz wewnętrzne zyski ciepła w pomieszczeniach użytkowych powodują stosunkowo niewielkie zapotrzebowanie na ciepło do ich ogrzewania (20 - 40 W/m2). Dlatego, systemy pozwalające na doprowadzanie niewielkich ilości ciepła do pomieszczenia są w praktyce wystarczające aby prawidłowo ogrzać pomieszczenia użytkowe.

System aktywnych belek chłodząco-grzewczych

Systemem klimatyzacyjnym pozwalającym zarówno na chłodzenie jak i ogrzewanie pomieszczeń jest system aktywnych belek chłodząco-grzewczych. Początkowo system rozwinął się jako system tylko chłodzący z czasem adaptując się również na potrzeby ogrzewania. Aby system sufitowych belek chłodzących można było wykorzystać również do ogrzewania pomieszczeń zachowując wymagania co do komfortu wewnętrznego, muszą najczęściej być spełnione następujące warunki: stosunkowo małe straty ciepła pomieszczenia, niska temperatura wody zasilającej (35 - 45⁰C), belki typu aktywnego (z nawiewem powietrza świeżego), z dodatkowym układem rur i zaworem regulacyjnym na potrzeby ogrzewania. W szczególnych przypadkach większego poziomu strat ciepłą pomieszczenia (np. szklane fasady) system można połączyć z konwencjonalnym systemem ogrzewania (np. konwektorami posadzkowymi).

Budowa i działanie sufitowych belek chłodząco-grzewczych

Belki aktywne zwane również sufitowymi nawiewnikami indukcyjnymi są urządzeniami klimatyzacyjnymi z przeponowym wymiennikiem ciepła zasilanym z instalacji wody chłodzącej („wody lodowej”), w opcji grzewczej również z instalacji centralnego ogrzewania. Belki chłodząco-grzewcze są elementami klimatyzacji pomieszczeń instalowanymi w zależności od wersji pod stropem konstrukcyjnym (podwieszane lub narożnikowe), na poziomie stropu podwieszanego lub na ścianie w pomieszczeniu . 

Zasada działania belek aktywnych

Polega na wymuszeniu przepływu powietrza przez wymiennik ciepła poprzez indukcyjne podsysanie powietrza obiegowego z pomieszczenia. Podciśnienie w okolicach dysz nawiewnych wywoływane jest przez powietrze pierwotne nawiewane z systemu wentylacji mechanicznej.

Budowa belek aktywnych

Samo urządzenie jest stosunkowo prostym urządzeniem, bez ruchomych części mechanicznych. Poszczególni producenci belek stosują w zasadzie podobne rozwiązania konstrukcyjne, różniące się między sobą jakością i estetyką wykonania, układem wymienników ciepła w obudowie, kształtem obudowy oraz ewentualnymi dodatkowymi zabezpieczeniami przed niepożądanym wykraplaniem się wilgoci na powierzchni wymiennika (dodatkowe rynienki, higroskopijne powierzchnie wymiennika, itp.). Typowa konstrukcja belki składa się z wymiennika ciepła, z jednym (instalacja dwururowa) lub dwoma (instalacja czterorurowa) obiegami rur, przeważnie miedzianych, umieszczonymi najczęściej w ożebrowaniu aluminiowym, z kanału nawiewnego powietrza świeżego, z zamontowanymi małymi dyszami, oraz obudowy spinającej powyższe elementy w całość i zapewniającej odpowiedni przepływ powietrza przez wymiennik. Dodatkowo aby belka mogła pracować w nowoczesnych układach klimatyzacji należy ją wyposażyć w zawory regulacyjne z siłownikami na przewodach wody lodowej i centralnego ogrzewania, sterowane najczęściej poprzez nastawnik pomieszczeniowy lub bezpośrednio przez układ elementu nastawczego z czujnikiem połączonego kapilarą z zaworem (Trox). W celu precyzyjnej regulacji ilości dopływającego powietrza pierwotnego (świeżego), instaluje się na króćcach dolotowych przepustnice regulacyjno-pomiarowe. Stosowane są najczęściej precyzyjne przepustnice irysowe z króćcami pomiarowymi pozwalającymi na pomiar strumienia płynącego powietrza. Opcjonalnie układ można zabezpieczyć przed kondensacją poprzez czujnik punkt rosy, odcinający dopływ wody lodowej w przypadku wzrostu wilgotności powietrza lub okienny wyłącznik kontaktowy odcinający dopływ wody w przypadku otwarcia okna. 

,,Belki serwisowe"

Ilość i konstrukcja dysz nawiewnych jest na ogół zmienna i dopasowana do konkretnych warunków pracy (strumienia nawiewanego powietrza, wydajności chłodniczej lub grzewczej). Dla niektórych zastosowań przydatne są tak zwane „belki serwisowe”. Są to belki wykonywane najczęściej dla konkretnego odbiorcy zintegrowane z innymi instalacjami technicznego wyposażenia budynku, np. oświetleniem, nagłośnieniem, czujkami pożarowymi, a nawet tryskaczami.

Belki chłodząco-grzewcze a hałas. Czy belki rzeczywiście są praktycznie bezobsługowe?

Belki chłodząco-grzewcze ze względu na bardzo prostą budowę i brak elementów ruchomych (z wyjątkiem zaworów regulacyjnych) są urządzeniami o bardzo niskim poziomie emitowanego hałasu (25 - 30 dB) i praktycznie bezobsługowymi. O poziomie emitowanego do otoczenia hałasu decyduje prędkość wypływu powietrza przez dysze nawiewne, zbyt duża prędkość przepływu wody przez urządzenie lub zbyt duże dławienie ciśnienia powietrza na przepustnicy regulacyjnej. Jedyną czynnością eksploatacyjną od strony pomieszczenia jest odkurzenie wymiennika i wymycie obudowy zewnętrznej. Ze względu na brak kondensacji wilgoci na powierzchni wymiennika nie ma groźby rozwoju flory bakteryjnej, tak dokuczliwej w wielu systemach klimatyzacyjnych pracujących przy temperaturach poniżej temperatury punktu rosy w pomieszczeniu.

Praca belki w opcji ogrzewania

Wymiana ciepła pomiędzy belką a pomieszczeniem odbywa się głównie na drodze konwekcji. Tak więc, aby powietrze ogrzane w wymienniku belki mogło dotrzeć z przestrzeni podsufitowej w dolną strefę pomieszczenia należy zapewnić odpowiedni zasięg strugi powietrza i do tego odpowiednie jego mieszanie z powietrzem chłodniejszym z pomieszczenia, tak by zrównoważyć siły wypierające ciepłe powietrze ku górze (wynikające z różnicy gęstości). Z tego powodu do pracy w opcji ogrzewania nadają się tylko belki aktywne połączone z nawiewem powietrza wentylacyjnego z systemu wentylacji mechanicznej.

Jakie jest ograniczenie wydajności pracy belki w opcji ogrzewania?

Ograniczeniem wydajności belki pracującej w opcji ogrzewania jest konieczność zapewnienia dystrybucji ogrzanego powietrza w całym pomieszczeniu – istnieje groźba, że zbyt gorące nawiewane powietrze nawarstwi się pod sufitem i pionowy gradient temperatury powietrza w pomieszczeniu przekroczy wartości dopuszczalne. Z tego powodu belki powinny być zasilane czynnikiem grzewczym o stosunkowo niskich parametrach (35 - 40⁰C). Osiągane wówczas wydajności to ok. 250 - 300 W/m² belki typu zamkniętego o szerokości 60 cm.

Problemy związane ze zwiększeniem wydajności grzewczej belek

Zwiększenie wydajności grzewczej belek jest możliwe poprzez podniesienie temperatury zasilania, zwiększenie strumienia przepływającej wody lub zwiększenia strumienia nawiewanego powietrza pierwotnego. Może to spowodować jednak powstanie problemów akustycznych lub problemów z nawarstwianiem się powietrza pod stropem pomieszczenia.

Ograniczenia i wytyczne użytkowania

Ograniczeniem wydajności belki w pracującej w opcji chłodzenia jest minimalna temperatura nawiewu powietrza wynikająca z konieczności zapewnienia komfortu cieplnego dla użytkowników oraz utrzymania temperatury powietrza i elementów belki powyżej punktu rosy (groźba wykraplania). Najczęściej jest to temperatura 14 - 16⁰C. Wyjątek stanowią belki z wymiennikiem pokrytym powłoką higroskopijną, gdzie według danych producenta można stosować temperatury zasilania niższe od podanych nawet o ok. 4⁰C. Jeżeli system belek chłodzących stosowany jest w pomieszczeniach w których występują zyski wilgoci (pary wodnej), np. od ludzi to powietrze nawiewane do pomieszczenia wymaga osuszania.

Nagrzewnice

Osuszanie najczęściej realizowane jest poprzez przechłodzenie powietrza na chłodnicy centrali klimatyzacyjnej, co w praktyce wymaga stosowania nagrzewnicy II stopnia w układzie konfiguracyjnym centrali. Ze względu na niewielkie moce cieplne nagrzewnic II stopnia i krótki okres wykorzystania w ciągu roku stosuje się zazwyczaj nagrzewnice elektryczne. Jak już wspomniałem wcześniej nie ma systemów idealnych.

Wady belek chłodzących

Niewątpliwie wadą belek chłodzących jest groźba wystąpienia kondensacji na powierzchni wymiennika lub przewodów zasilających przy nadmiernym wzroście wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu lub awaryjnym spadku temperatury wody zasilającej. Efektem jest wówczas kapanie z sufitu i nie ma co liczyć na wyrozumiałość użytkowników pomieszczeń. Najniebezpieczniejsze dla systemu są okresy w roku, w których entalpia powietrza zewnętrznego jest bardzo wysoka (parne i gorące dni). Wówczas możliwości osuszania central klimatyzacyjnych są na ogół niewystarczające i do belek dopływa powietrze o stosunkowo dużej zawartości wilgoci, co w połączeniu z wewnętrznymi zyskami wilgoci może prowadzić do wzrostu temperatury punktu rosy powietrza w pomieszczeniu i kondensację pary wodnej na wymienniku.

Zabezpieczenie belek chłodzących

Dlatego systemy belek chłodzących zabezpiecza się przed kondensacją poprzez instalowanie czujników punktu rosy, odcinających dopływ wody lodowej do belek w przypadku nadmiernego wzrostu wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu, okienny wyłącznik kontaktowy odcinający dopływ wody w przypadku otwarcia okna lub mineralne okładziny higroskopijne odprowadzające wykroploną wodę na końce ożebrowania wymiennika, gdzie może ona odparować do przepływającego powietrza (Lindab Drypac). Przy pionowym układzie wymienników stosowane są również bezodpływowe rynienki, z których skropliny mogą odparować samoistnie (Trox Did300).

Kolejne wady...

Kolejną wadą jest stosunkowo niewielka wydajność chłodnicza i grzewcza belek związana z małą różnicą temperatur pomiędzy powierzchnią wymiennika a przepływającym powietrzem, co prowadzi do stosunkowo dużych gabarytów urządzenia i dużej wrażliwości na właściwy dobór i poprawność wykonanych bilansów obciążeń chłodniczych i zapotrzebowania ciepła. Dlatego na etapie projektowania i doboru elementów systemu ważne jest staranne podejście do problemu i kierowanie się nie tylko wyglądem i wzornictwem, ale również charakterystykami poszczególnych typów belek, ich wydajnością i zasięgiem nawiewanego powietrza, tak by zapewnić odpowiedni komfort cieplny dla użytkowników pomieszczeń. 


Dr inż. Andrzej Odyjas. Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Środowiska.