Coraz bardziej powszechne zastosowanie w klimatyzacji biur znajdują systemy decentralne, które wykorzystują urządzenia strefowe.

Sufity chłodzące jako systemy strefowe

Do takich systemów zalicza się układy wykorzystujące jednostki wewnętrzne wentylatorowe (np. jednostki fan coil, systemy VRF lub klimatyzatory split), indukcyjne (klimakonwektory indukcyjne, belki chłodzące) oraz inne (np. nagrzewnice i chłodnice strefowe lub sufity chłodzące). Najbardziej powszechnymi rozwiązaniami są rozwiązania zaprezentowane w dwóch pierwszych grupach (jednostki wewnętrzne wentylatorowe i indukcyjne), jednakże w ostatnich latach obserwuje się wzrost zainteresowania również systemami sufitów chłodzących.

Wiedza na temat bezpośredniej zależności pomiędzy wydajnością człowieka a warunkami, w których pracuje, takimi jak temperatura i wilgotność powietrza, doprowadziła do wzmożonego zastosowania systemów chłodzenia i regulacji wilgotności. W nowocześnie wyposażonych biurach, pomimo zastosowania optymalnych rozwiązań z zakresu techniki klimatyzacyjnej, na skutek zewnętrznych i wewnętrznych zysków ciepła panują często temperatury przekraczające 26°C. Warunki takie występować mogą nawet przez 400 godzin pracy w roku. Z kolei wyniki badań przeprowadzonych w USA i Skandynawii wskazują, że zdolność do wykonywania pracy umysłowej maleje o 75% w temperaturze powyżej 28°C [1]. Wg DIN 1946, w okresie letnim, przy krótkotrwałym wzroście wewnętrznych zysków ciepła dopuszczalny jest wzrost temperatury odczuwalnej w pomieszczeniu. Często na obciążenie cieplne większy wpływ mają zyski wewnętrzne niż zewnętrzne. Jeżeli zyski te są krótkotrwałe to temperatura odczuwalna może wynosić 26°C, jeżeli temperatura zewnętrzna podniesie się powyżej 29°C. Zgodnie z wytycznymi higieny pracy nie można przekroczyć temperatury odczuwalnej 26°C [2].

Sufit chłodzący w połączeniu z odpowiednią wentylacją stwarza komfortowe warunki klimatu wewnętrznego w pomieszczeniu. Ciepło odprowadzane jest za pomocą promieniowania, przy czym podczas tego procesu nie powstają przeciągi i nie występuje hałas. Poziom dźwięku w pomieszczeniu jest często pomijanym, a bardzo istotnym kryterium dobrego samopoczucia użytkowników pomieszczeń. W przypadku rozwiązań wykorzystujących wentylatory, generowany jest szum, który bardziej wrażliwym osobom może przeszkadzać, a zatem w zasadniczy sposób utrudniać pracę.

W tabeli 1. zestawiono cechy charakterystyczne różnych systemów strefowych (na podstawie [3]):

Zasada działania sufitów chłodzących

Komponenty sufitów chłodzących i ich elementy chłodzące odbierają zyski ciepła poprzez swoją powierzchnię i odprowadzają je za pomocą wody chłodzącej. Sufity chłodzące to z reguły zamknięte stropy podwieszone pod właściwym stropem pomieszczenia (rys. 1.).

Sufit chłodzący dostarcza energię chłodniczą do pomieszczenia przez promieniowanie i konwekcję.

Powietrze w pomieszczeniu ochładza się od sufitu i opada z powodu większej gęstości do strefy przebywania ludzi. Od znajdujących się w pomieszczeniu źródeł ciepła ogrzewa się i unosi do góry. W ten sposób powstają cyrkulacje powietrza o niskich prędkościach. Dodatkowo sufit chłodzący przekazuje energię chłodniczą do przegród pomieszczenia przez promieniowanie. Energia przekazana do przegród pomieszczenia przez promieniowanie jest z nich pobierana niezależnie od temperatury powietrza w pomieszczeniu. Energia promieniowania jest przyjemna dla odczucia komfortu, ponieważ temperatura w pomieszczeniu jest odbierana jako niższa niż w rzeczywistości. Dzięki promieniowaniu sufitu, temperatura przegród może zostać obniżona o około 5÷6°C. W zależności od udziału aktywnej powierzchni chłodzącej w całkowitej powierzchni płaszczyzn w pomieszczeniu (wliczając podłogę, ściany, okna, meble itd. ) temperatura jest odbierana jako niższa o 1÷2°C [2].

Sufity chłodzące sprawdzają się w pomieszczeniach, w których przeważają zyski ciepła jawnego i wysokość nie przekracza 6 m [3]. W wyższych pomieszczeniach mogą wystąpić kłopoty związane z niską temperaturą powierzchni stropu, która może powodować kondensację pary wodnej. Sufity chłodzące najlepiej funkcjonują w pomieszczeniach o względnie stałych obciążeniach cieplnych, nie sprawdzają się natomiast w obiektach, gdzie występuje duża zmienność zapotrzebowania na energię chłodniczą (sufity chłodzące cechuje relatywnie duża bezwładność) oraz w pomieszczeniach o dużych zyskach wilgoci (brak możliwości osuszenia powietrza w pomieszczeniu).

Wymiana ciepła miedzy sufitem chłodzącym i strefą przebywania ludzi może odbywać się przez promieniowanie i konwekcję. W zależności od przeważającego udziału jednego z dwóch rodzajów wymiany ciepła sufity można podzielić na:

• promieniujące – 60% udziału promieniowania w strumieniu ciepła odbieranego z pomieszczenia (rys. 1 a i b),
• konwekcyjne – 50% ciepła odbieranego przez konwekcję (rys. 1 c i d).

Rys. 1. Sufity chłodzące – rozwiązania konstrukcyjne: a) promieniujący, natynkowy; b) promieniujący podwieszany; c) konwekcyjny płaski; d) konwekcyjny żebrowy

Zamknięte sufity radiacyjne usuwają większą część (powyżej 50%) obciążeń cieplnych z pomieszczeń na drodze promieniowania. Powierzchnie źródeł ciepła, takich jak: ludzie, urządzenia biurowe, czy oświetlenie promieniują ciepło do powierzchni sufitu chłodzącego. W większej części ciepło to jest przejmowane przez materiał powierzchni sufitu chłodzącego, transferowane i usuwane przez cyrkulującą wodę chłodzącą. Oprócz promieniowania, sufit chłodzący przez swoją dolną powierzchnię schładza stykające się z nim powietrze. Ponieważ proces chłodzenia następuje w sposób stosukowo równomierny na całej powierzchni chłodzącej, generowane są tylko prądy konwekcyjne o niskiej prędkości. Elementy chłodzące i płyta stropowa współdziałając ze sobą, tworzą jednostkę chłodzącą. Optymalne warunki wymiany ciepła uzyskiwane są dzięki bliskiemu kontaktowi elementów chłodzących z płytą stropową. Powierzchnia sufitów promieniujących wykonana jest przeważnie z gładkiego metalu albo płyt k-g [3]. Spotykane są również sytuacje, w których rurki wymiennika ciepła mocowane są bezpośrednio do zaizolowanego stropu konstrukcyjnego, a następnie pokrywane warstwą tynku. W takich przypadkach temperatura wody zasilającej nie powinna być niższa niż 20°C. Działanie konwekcyjnych sufitów chłodzących oparte jest o wykorzystanie procesu przejmowania ciepła zarówno na drodze konwekcji, jak i promieniowania. Na powierzchni sufitu od strony pomieszczenia ciepło jest ab- sorbowane jak w przypadku klasycznego sufitu chłodzącego. Ponieważ w konstrukcji sufitu pomiędzy panelami chłodzącymi pozostawione są wolne przestrzenie, powietrze z pomieszczenia ma kontakt także z górną częścią paneli. Dzięki temu powstaje konwekcyjny strumień przepływu powietrza. W niektórych systemach (np. firmy Trox) strumień konwekcyjny jest dodatkowo wzmacniany przez odpowiednio zakrzywiony kształt profili paneli chłodzących. W przypadku sufitów konwekcyjnych, lokalizacja wymiennika ciepła w pomieszczeniu musi umożliwić omywanie go powietrzem ze wszystkich stron. W takich rozwiązaniach, w celu zwiększenia powierzchni wymiany ciepła, na rurki nakłada się dodatkowe ożebrowanie. Wymienniki z bardzo gęstym ożebrowaniem, nazywane konwektorami chłodzącymi, cechują się wymianą ciepła przez konwekcję na poziomie 95% [3].

Wymienniki ciepła sufitu konwekcyjnego mogą być montowane jako elementy widoczne, podwieszone pod stropem lub zakryte sufitem maskującym. W drugim przypadku niezbędne jest wykonanie odpowiednich otworów zapewniających cyrkulację powietrza i przepływ ciepła. Prawie wszystkie systemy stropów podwieszonych mogą być wykorzystane jako sufity chłodzące. Ich zastosowanie nie ma żadnego wpływu na organizację powierzchni biurowej, zarówno serwery jak i przegrody wewnętrzne mogą być rozmieszczone według potrzeb. Elementy chłodzące mogą być rozmieszczone na całej lub na części powierzchni stropu. W zależności od uwarunkowań projektu architektonicznego sufitowe elementy chłodzące mogą być swobodnie zawieszone, wykonane w dowolnym kształcie, bez konieczności dowiązania do ściany. W system sufitu chłodzącego mogą także być wkomponowane nawiewniki i oprawy oświetleniowe.

Rys. 2. Budowa sufitów chłodzących [2]: a) promieniujący; b) konwekcyjny; c) sufit promieniujący z metalową osłoną maskującą; d) otwory w suficie dla konwekcyjnego sufitu chłodzącego; e) prowadzenie przewodów wodnych w suficie chłodzącym

Współpraca sufitu chłodzącego z wentylacją i ogrzewaniem

(...)

Rozwiązania alternatywne w technologii sufitów chłodzących

W każdym sektorze rynku energetycznego dąży się do wprowadzenia rozwiązań energooszczędnych, opartych na źródłach odnawialnych. Podjęto próby wprowadzenia takich rozwiązań również w systemach sufitów chłodzących. Miyazaki [4] zaproponował wykorzystanie techniki pośredniego chłodzenia wyparnego do systemów sufitów chłodzących (rys. 6.). Energia słoneczna została wykorzystana jako siła napędowa, generująca przepływ powietrza przez sufit.

Zasada działania układu wykorzysującego techniki pośredniego chłodzenia wyparnego do systemów sufitów chłodzących

(...)

Podsumowanie

W artykule przedstawiono systemy sufitów chłodzących, które stanowią alternatywę dla części tradycyjnie stosowanych urządzeń strefowych. Stwierdzono, że:

1. Sufity chłodzące nie wymagają dużej wysokości zabudowy i nie generują hałasu.
2. W pomieszczeniach o mniejszych obciążeniach cieplnych można stosować sufity radiacyjne, w pomieszczeniach o większych zyskach ciepła zalecane jest wykorzystanie sufitów konwekcyjnych.
3. Przewagą sufitów chłodzących nad tradycyjnymi rozwiązaniami jest wysoki komfort użytkowników pomieszczeń, brak odczucia przeciągów i hałasu. Do wad należy dość wysoka cena, brak możliwości kompensowania zysków ciepła utajonego i stosunkowo duża bezwładność.
4. Sufity chłodzące nadają się do pomieszczeń, w których nie występują duże zyski wilgoci oraz nie występuje zbyt duża zmienność obciążeń cieplnych.
5. Do uzyskania maksymalnej efektywności pracy sufitu chłodzącego potrzebne jest skoordynowanie układu automatycznej regulacji systemów chłodniczych i centralnego ogrzewania (w zależności od rodzaju obiektu, czasami niezbędna jest także koordynacja pracy systemu wentylacji).
6. Automatyka sufitu chłodzącego powinna uwzględniać ochronę przed kondensacją wilgoci, poprzez odpowiednie zabezpieczenia.
7. Na świecie prowadzone są badania nad wprowadzeniem rozwiązań wykorzystujących energię odnawialną w systemach sufitów chłodzących.
8. Jedną z atrakcyjnych możliwości jest wykorzystanie układu z kominem słonecznym i pośrednim wymiennikiem wyparnym. Taki układ pozwala na jednoczesne zapewnienie wentylacji pomieszczenia i pokrycie zysków ciepła.

LITERATURA:

[1] DANIELAK M.: Sufity chłodzące. Rynek Instalacyjny. 12/2011.
[2] Materiały firm Schako, Trox, Rehau, Zehnder.
[3] PEŁECH A.: Wentylacja i klimatyzacja podstawy. Wrocław, 2009.
[4] MIYAZAKI T., et all.: The cooling performance of a building integrated evaporative cooling system driven by solar energy. Energy and Buildings. 2011.

mgr inż. Demis PANDELIDIS
Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa,
Wydział Inżynierii Środowiska,
Politechnika Wrocławska

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 12/2013