Pomieszczenia charakteryzujące się znacznymi zyskami ciepła pochodzącymi od przebywających w nich osób i wyposażenia technicznego, takiego jak: oświetlenie, sprzęt komputerowy, itp., wymagają zastosowania systemów klimatyzacji i wentylacji w celu zapewnienia odpowiedniej jakości powietrza wewnętrznego i usunięcia właśnie tych nadmiernych zysków ciepła. Eksploatacja systemów klimatyzacyjnych jest energochłonna, nawet, jeżeli są wyposażone w urządzenia do odzysku energii. Między innymi wytwarzanie energii chłodniczej znacząco wpływa na pobór energii elektrycznej. Większość konwencjonalnych systemów chłodniczych stosowanych w klimatyzacji i wentylacji bazuje na układach sprężarkowych zasilanych energią elektryczną. Szczyt zużycia energii chłodniczej przypada przeważnie na godziny użytkowania obiektu, zwiększając łączne zapotrzebowanie mocy elektrycznej. Dlatego też poszukuje się rozwiązań umożliwiających zmniejszenie obciążenia chłodniczego budynku.

Jedną z metod jest ograniczenie zewnętrznych i wewnętrznych zysków ciepła w budynku. Zwiększenie izolacyjności termicznej przegród zewnętrznych prowadzi do zminimalizowania zysków ciepła od promieniowania słonecznego. Dodatkowo zyski ciepła od nasłonecznienia zmniejsza się poprzez zastosowanie okien o niskim współczynniku przepuszczalności promieniowania słonecznego oraz zastosowanie urządzeń przeciwsłonecznych, takich jak: żaluzje, zasłony, rolety, markizy itp. W przypadku wewnętrznych zysków ciepła pochodzących np. od oświetlenia i wyposażenia technicznego pomieszczeń, ogranicza się je poprzez zastosowanie urządzeń charakteryzujących się niskim zużyciem energii.

Inne metody umożliwiające zmniejszenie obciążenia chłodniczego budynku polegają na zastosowaniu rozwiązań pozwalających na magazynowanie chłodu w konstrukcji budynku (w ścianach i stropach) i oddawaniu go w momencie zapotrzebowania na moc chłodniczą. Systemy tego typu często nie są w stanie pokryć szczytowego zapotrzebowania na energię chłodniczą, ale pozwalają na jego zmniejszenie. Akumulacyjność cieplna przegród budowlanych umożliwia magazynowanie zarówno chłodu, jak i ciepła i wykorzystanie w momentach zwiększonego zapotrzebowania. Wymiana ciepła na granicy ośrodków: powietrza i przegrody budowlanej oraz przegrody budowlanej i instalacji chłodniczej, może być pasywna albo wymuszona przez system wentylacyjny lub chłodniczy.

Ilość zmagazynowanego chłodu w przegrodach budowlanych w pomieszczeniu zależy od:

- wielkości strumienia powietrza wentylującego lub wody chłodniczej,

- różnicy temperatury pomiędzy temperaturą czynnika chłodniczego (powietrze lub woda) a temperaturą przegród,

- powierzchni będącej w bezpośrednim kontakcie z powietrzem,

- współczynnika przejmowania ciepła pomiędzy powierzchnią przegrody a przepływającym powietrzem,

- pojemności cieplnej przegród budowlanych,

- grubości przegrody,

- czasu, w jakim zachodzi proces wymiany ciepła.

Poniżej przedstawiono i omówiono techniki umożliwiające magazynowanie chłodu w masie budynku, takie jak:

- chłodzenie nocne,

- stropy wentylowane powietrzem,

- stropy chłodzone wodą,

- materiały wykorzystujące ciepło przemiany fazowej.

Rozwiązanie te pozwalają, bądź na całkowite wyeliminowanie urządzeń klimatyzacyjnych, bądź znaczną redukcję ich wydajności chłodniczej. Dzięki temu zmniejszeniu ulegają zarówno koszty inwestycyjne i eksploatacyjne systemu klimatyzacyjnego. W artykule przedstawiono możliwości wykorzystania rozwiązań wykorzystujących akumulację chłodu w strukturze budynku, omówiono strategie użytkowania wentylacji oraz czynniki wpływające na skuteczność i ograniczenia eksploatacyjne.

Chłodzenie nocne

Polega na nawiewie strumienia powietrza zewnętrznego najczęściej w nocy (naturalnie lub mechanicznie), kiedy temperatura powietrza na zewnątrz jest niższa od temperatury powietrza w pomieszczeniach (rys. 1 i 2). Powietrze zewnętrzne przepływając przez pomieszczenia absorbuje ciepło ze stropów i ochładza je. Dzięki temu w przegrodach budowlanych zostaje zmagazynowany chłód, który pozwala na obniżenie temperatury powietrza w pomieszczeniach w ciągu następnych godzin eksploatacji w dzień.

Chłodzenie przegród budowlanych w pomieszczeniu może odbywać się w różny sposób. Przegrody mogą być bezpośrednio wyeksponowane do pomieszczenia albo zabudowane i wówczas przez przestrzenie podsufitowe lub podpodłogowe przepływa powietrze zewnętrzne. Przegrody budowlane (najczęściej stropy) mogą być gładkie lub o rozbudowanej powierzchni pozwalającej na zwiększenie powierzchni wymiany ciepła z przepływającym powietrzem.

Rys. 1. Wentylacja w ciągu dnia – powietrze zewnętrzne o temperaturze wyższej niż temperatura przegród budowlanych przepływając przez pomieszczenia absorbuje chłód zakumulowany w przegrodach w czasie nocy dzięki czemu obniżeniu ulega temperatura powietrza w pomieszczeniach

Rys. 2. Wentylacja w ciągu nocy – powietrze zewnętrzne o temperaturze niższej niż temperatura przegród budowlanych przepływając przez pomieszczenia oddaje chłód przegrodom i absorbuje z nich ciepło dzięki czemu obniża ich temperaturę

Taki sposób chłodzenia sprawdza się zwłaszcza tam, gdzie elementy konstrukcyjne budynku wykonane są z betonu, który charakteryzuje się znaczną akumulacją ciepła. Efektywność wentylacji nocnej uwarunkowana jest konicznością bezpośredniego kontaktu przepływającego powietrza z powierzchniami przegród. Dlatego nie należy stosować sufitów podwieszanych (przy wentylacji naturalnej i nawiewie powietrza poniżej strefy podstropowej) czy wykładzin na podłogach, które w znacznym stopniu ograniczają wymianę ciepła. W przypadku chłodzenia nocnego ilość zmagazynowanego chłodu w przegrodach budowlanych w pomieszczeniu zależy od:

- wielkości strumienia powietrza wentylującego,

- różnicy temperatury pomiędzy temperaturą powietrza zewnętrznego a temperaturą przegród,

- współczynnika wymiany ciepła pomiędzy ścianami przegrody a przepływającym powietrzem,

- pojemności cieplnej przegród budowlanych.

Strumień powietrza nawiewany jest do pomieszczeń za pomocą wentylacji naturalnej albo mechanicznej. Jeśli pomieszczenia wentylowane są w sposób naturalny nie jest możliwa bezpośrednia kontrola wielkość strumienia powietrza wentylującego. W przypadku wentylacji mechanicznej powietrze zewnętrzne nawiewane może być za pomocą istniejącego systemu wentylacyjnego lub specjalnie zaprojektowanego do wentylacji nocnej. Wielkość strumienia wentylującego może być regulowana, jednak pojawia się problem hałasu generowanego przez wentylatory oraz dodatkowe zużycie energii. Podstawowym kryterium pozwalającym na ocenę poprawności rozwiązania wentylacji mechanicznej nocnej jest zużycie energii elektrycznej do napędu wentylatorów w stosunku do oszczędności energii wykorzystywanej do produkcji i dystrybucji chłodu. W celu zredukowania zużycia energii do napędu wentylatorów system powinien być zaprojektowany tak, aby występowały w nim możliwie małe straty ciśnienia.

Temperatura powietrza zewnętrznego i jej zmienność w ciągu doby uzależniona jest od lokalnego klimatu. Generalnie zakłada się, że wentylacja nocna ma sens, jeżeli różnica temperatury powietrza zewnętrznego w ciągu dnia i nocy jest większa niż 10 K [4].

Współczynnik wymiany ciepła pomiędzy powierzchnią przegrody a przepływającym powietrzem zależy przede wszystkim od burzliwości przepływu powietrza w pobliżu przegród. Bardzo istotne jest rozbudowanie powierzchni przegrody mającej kontakt z przepływającym powietrzem, aby zwiększyć ilość pochłoniętej lub oddanej energii cieplnej. (...)

Stropy i ściany wentylowane powietrzem (...)

Stropy chłodzone wodą (...)

Materiały wykorzystujące ciepło przemiany fazowej (...)

Podsumowanie

Konieczność ochrony środowiska naturalnego pociąga za sobą potrzebę szukania rozwiązań, które z jednej strony zapewnią komfort cieplny, a z drugiej będą zużywały jak najmniej energii. Szczególnie istotne jest to w obiektach, w których konieczne jest chłodzenie pomieszczeń, bowiem zapotrzebowanie energii systemów chłodniczych stanowi znaczącą cześć w całkowitym bilansie zużycia energii cieplnej i elektrycznej przez budynki.