Systemy belek chłodzących
Ocena użytkowników: / 7
SłabyŚwietny 
Data dodania: 07.09.2014

W niniejszym artykule zaprezentowano belki chłodzące aktywne i pasywne. Omówiono zasadę działania urządzeń oraz przedstawiono ich przykładowe rozwiązania. Przedstawione zostały wybrane wytyczne projektowe dotyczące montażu belek w pomieszczeniach oraz regulacji hydraulicznej systemów wody lodowej. Przedstawiono wybrane, dostępne na rynku urządzenia.

 

Układy klimatyzacyjne z niezależnymi urządzeniami strefowymi obsługują od kilkunastu do kilkuset pomieszczeń, których charakterystyki cieplne oraz dynamika zmian obciążeń cieplnych jest różna i zmienna w czasie. Utrzymanie wymaganej, często różnej temperatury powietrza w poszczególnych pomieszczeniach wymaga indywidualnej dostawy energii grzewczej bądź chłodniczej. Za utrzymywanie temperatury na zadanym poziomie odpowiada uzdatniane powietrze obiegowe.

W okresie zimowym i przejściowym często niezbędne jest podgrzewanie powietrza obiegowego w części pomieszczeń i ochładzanie w innych. Ponadto powszechna jest konieczność zmiany sposobu jego uzdatniania w ciągu jednego dnia z trybu grzewczego na chłodzący bądź odwrotnie.

 

2014-08-46-1

Rys. 1. System z dwustopniowym uzdatnianiem powietrza wykorzystujący belki chłodzące

 

Bilanse cieplne poszczególnych pomieszczeń zmienią się zarówno w ciągu doby, jak i w całorocznym cyklu eksploatacji urządzeń klimatyzacyjnych. Maksymalne bądź zbliżone do maksymalnych bilanse cieplne występują zwykle od kilku do kilkudziesięciu procent całkowitego czasu pracy urządzeń klimatyzacyjnych. Zapewnienie wymaganej – zakładanej temperatury powietrza w poszczególnych pomieszczeniach, przy wyżej podanych uwarunkowaniach, wymaga od urządzeń klimatyzacyjnych dużej elastyczności pracy. Oznacza to zdolność do szybkiego, różnego w poszczególnych pomieszczeniach, dostosowania uzdatniania powietrza obiegowego do rzeczywistych, chwilowych potrzeb. Dlatego do kształtowania parametrów powietrza w obiektach o dużej liczbie pomieszczeń (biurowce, hotele, budynki administracyjne) stosuje się systemy klimatyzacyjne o dwustopniowym uzdatnianiu powietrza (rys. 1.). Wśród systemów tego typu, coraz większą popularność zyskują rozwiązania wykorzystujące aktywne i pasywne belki chłodzące. W takich systemach klimatyzacyjnych można wyróżnić urządzenia centralne, przygotowujące powietrze dla całego budynku lub wydzielonej jego strefy oraz urządzenia indywidualne, obsługujące poszczególne pomieszczenia.

 

W urządzeniach centralnych przygotowywane jest powietrze zewnętrzne zwane pierwotnym, którego zadaniami podstawowymi są:

  • zapewnienie wymaganych warunków higienicznych (utrzymanie świeżości powietrza w pomieszczeniach);
  • zapewnienie wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniach w zakresie komfortu cieplnego i asymilacja zysków wilgoci;
  • wywołanie przepływu powietrza obiegowego przez wymienniki w aktywnych belkach chłodzących

 

System belek chłodzących minimalizuje nawiew powietrza zewnętrznego pod kątem higieny. Wydajniejsza instalacja wentylacyjna powoduje zmniejszenie zapotrzebowania mocy wentylatorów, wymiarów central wentylacyjnych i kanałów, w porównaniu do tradycyjnych systemów powietrznych. Zapewnia to wysoką wydajność budynku przy obniżeniu kosztów instalacji. Zaletą belek chłodzących jest fakt, że system zawiera komponenty niewymagające wymiany [1-3], system jest bardzo wydajny energetycznie, łatwy w utrzymaniu i adaptowalny. Prosta istniejąjest nawet sama zasada jego działania – bez wentylatorów, filtrów, czy systemu odprowadzenia skroplin. Skutkuje to niewielkim zapotrzebowaniem na konserwację.

 

2014-08-47-1

Rys. 2. Budowa aktywnych belek chłodząco-grzewczych [5]: a) typu otwartego; b) typu zamkniętego z wymiennikiem poziomym; c) typu zamkniętego z wymiennikami pionowymi (1 – obudowa, 2 – wymiennik ciepła, 3 – kanał powietrza świeżego, 4 – dysze nawiewne)

 

System wykorzystujący belki chłodzące funkcjonuje na zasadzie dystrybucji chłodzenia przy wykorzystaniu zimnej wody doprowadzanej do wymienników w belkach oraz dostarczanego kanałem z centrali powietrza, którego ilość musi być wystarczająca dla uzyskania dobrej jakości mikroklimatu wewnętrznego pod kątem higienicznym. Belki nazywane aktywnymi pracują z indukcją powietrza obiegowego (rys. 2.). Powietrze pierwotne z instalacji wentylacyjnej doprowadzane jest do dysz, w taki sposób, aby przy wypływie zassać powietrze z pomieszczenia. Strumień obiegowy przepływa przez wężownicę belki, gdzie obniża swoją temperaturę. Całkowity strumień nawiewany, będący sumą przepływu powietrza pierwotnego oraz przepływu powietrza obiegowego jest dostarczany do pomieszczenia przez szczelinę wyjściową belki. Przepływ powietrza obiegowego jest około 3÷4 razy większy od przepływu powietrza pierwotnego.

Innym rozwiązaniem pozwalającym na dobrą asymilację zysków ciepła są systemy pasywne (rys. 3.). Rozwiązania takie mogą wykorzystywać zarówno belki chłodzące jak i całe systemy sufitów chłodzących.

 

2014-08-47-2

Rys. 3. Różne rozwiązania pasywnych belek chłodzących [2]

 

Sufit chłodzący i pasywna belka w systemie pasywnego chłodzenia odbiera ciepło z pomieszczenia i przekazuje je do wody, która spełnia rolę medium odbierającego. W przypadku belki pasywnej ciepło w większości jest odbierane w procesie konwekcji, w przypadku sufitu chłodzącego-promieniowania. W zależności od zastosowanego rozwiązania technicznego, w procesie tym występują różne proporcje przejmowania ciepła na drodze promieniowania i konwekcji.

 

Przejmowanie ciepła na drodze promieniowania

(...)

 

Przejmowanie ciepła na drodze konwekcji

(...)

 

Rozmieszczenie belek chłodzących w pomieszczeniu

(...)

 

Rozmieszczenie równoległe do fasady

(...)

 

Prostopadłe rozmieszczenie aktywnych belek chłodzących

(...)

 

2014-08-48-1

Rys. 8. Sterowanie systemem klimatyzacji z aktywną belką chłodzącą i centralnym uzdatnianiem powietrza pierwotnego: S – siłownik, P – przepustnica, F – filtr powietrza, CH – Chłodnica, WO – wymiennik obrotowy, N – nagrzewnica, WN – wentylator nawiewny, R – regulator, Rt – regulator temperatury, D – przekaźnik, Rjp – regulator wilgotności, Ct – czujnik temperatury, p – pomieszczenie, Cj – czujnik wilgotności, TA – tłumik akustyczny, NP – nawilżacz parowy, Z – powietrze zewnętrzne, Z’ – powietrze zewnętrzne za wymiennikiem obrotowym, Oz – powietrze zewnętrzne za chłodnicą, ZN – powietrze zewnętrzne doprowadzane do belki chłodzącej, O, W – parametry powietrza obiegowego (wywiewanego), N, Gn – powietrze nawiewane do pomieszczenia

 

Regulacja hydrauliczna instalacji wody lodowej

Skuteczne działanie systemów klimatyzacji wykorzystujących belki chłodzące jest możliwe tylko przy prawidłowej współpracy układów powietrznych (centralnego i strefowych) i wodnych (grzewczego i chłodniczego) zasilających wymienniki w urządzeniach indywidualnych. W związku z tym niezbędne staje się opracowanie algorytmów sterowania dla układów automatycznej regulacji systemów powietrzno-wodnych, które pozwolą na optymalną współpracę części centralnej i indywidualnej systemu oraz ograniczą do minimum koszty eksploatacyjne (rys. 8.). Do najbardziej istotnych elementów systemu należy instalacja wody lodowej, która zasila belki chłodzące w czynnik chłodniczy. Prawidłowa regulacja hydrauliczna omawianego sytemu pozwoli na uzyskanie dużych oszczędności energetycznych oraz na zwiększenie komfortu użytkowników pomieszczeń. Dwa najbardziej zalecane rozwiązania [4] regulacji układu wody lodowej współpracującej z belkami chłodniczymi (lub innymi urządzeniami indywidualnymi) zostały przedstawione na rysunku 9.

 

2014-08-48-2

Rys. 9. Zalecane rozwiązania regulacji hydraulicznej systemu wody lodowej: a) system z zaworami regulacyjno-równoważącymi; b) system z regulatorami różnicy ciśnień na odgałęzieniach do grup urządzeń oraz z zaworami regulacyjnymi przed poszczególnymi odbiornikami [4]

 

System przedstawiony na rysunku 9a [4] wykorzystuje zawory regulacyjno-równoważące (w tym przypadku zawory AB-QM firmy Danfoss) zainstalowane przed poszczególnymi urządzeniami indywidualnymi oraz przed chłodnicą centrali wentylacyjnej. Rozwiązanie wykorzystuje pompę z modulowaną elektronicznie prędkością obrotową. Producent zaworów zestawił charakterystyczne cechy zalecanego rozwiązania w podgrupach [4]:

Projektowanie / Dobór

  • prosta metoda obliczeniowa i dobór: nie trzeba znać wartości kv, nie są konieczne obliczenia autorytetu, dobór jedynie na podstawie znajomości wymaganego przepływu
  • autorytet zaworów zbliżony do 1 – dokładność regulacji nie jest zależna od zmian ciśnienia w systemie oraz od nastawy na zaworze
  • proste obliczenia nastaw zgodnie z wymaganym zapotrzebowaniem na ciepło / chłód
  • wysokość podnoszenia pompy obliczana na podstawie minimalnego Δp na zaworze i spadku ciśnienia w systemie przy przepływie nominalnym

Koszty operacyjne

  • niskie koszty pompowania (nie występuje zjawisko nadprzepływu)
  • straty ciepła i zyski ciepła na rurociągach są minimalne
  • niższa wartość wysokości podnoszenia pompy
  • wysoka sprawność systemu (autorytet zaworów regulacyjnych zbliżony do 1): minimalne odchyłki założonej temperatury w pomieszczeniach (oscylacja)
  • ponowne równoważenie systemu (np. po zmianie ilości urządzeń) nie jest wymagane

Koszty inwestycyjne

  • koszty inwestycyjne – relatywnie wysokie (zawory regulacyjno– równoważące wciąż są rozwiązaniem dość drogim)
  • żadne dodatkowe elementy hydrauliczne nie są wymagane
  • równoważenie systemu nie jest wymagane
  • zalecana pompa elektroniczna z charakterystyką proporcjonalną

Inne

  • regulacja hydrauliczna tylko na odbiorniku
  • zrównoważenie systemu przy pełnym i częściowym obciążeniu – bardzo dobre
  • zastosowanie pompy elektronicznej gwarantuje wysokie oszczędności energii

 

System widoczny na rysunku 9b wykorzystuje regulatory różnicy ciśnień na odgałęzieniach (pionach) do poszczególnych grup odbiorników oraz indywidualne zawory regulacyjne przed każdą belką chłodniczą. Takie rozwiązanie jest tańsze, niż wariant przedstawiony na rysunku 9a, jednakże cechuje się minimalnie gorszymi własnościami regulacyjnymi. Producent scharakteryzował pracę systemu w poniższych podgrupach [4]:

Projektowanie / Dobór

  • tradycyjne obliczenia są konieczne: kv zaworu, autorytet zaworu 2-drogowego
  • możliwość podziału systemu na pętle niezależne, wydzielone regulatorem różnicy ciśnienia
  • obliczenia nastaw zaworów równoważących dla każdej pętli
  • dobór pompy w zależności od przepływu nominalnego

Koszty operacyjne

  • niskie koszty pompowania (jednakże zbyt rozległe pętle mogą być powodem wystąpienia zjawiska nadprzepływu)
  • straty ciepła i zyski ciepła na rurociągach są małe
  • konieczny dobór pompy o większej wysokości podnoszenia ze względu na dodatkowe spadki ciśnienia na regulatorach różnicy ciśnienia
  • wysoka sprawność systemu – niewielka oscylacja temperatury w pomieszczeniu ze względu na możliwy dobry autorytet zaworów regulacyjnych
  • ponowne równoważenie zaworów regulacyjnych systemu nie jest konieczne (wskazane jest tylko w przypadku rozległych pętli)

Koszty inwestycyjne

  • koszty inwestycyjne – średnie (relatywnie tanie zawory regulacyjne regulatory różnicy ciśnienia na pętlach)
  • dość kosztowne duże średnice automatycznych regulatorów różnicy ciśnienia (asv)
  • niższe koszty instalacji niż w przypadku systemów z zaworami regulacyjno-równoważącymi
  • rekomendowane są pompy ze zmienną prędkością obrotową (charakterystyka stałociśnieniowa)

Inne

  • regulacja hydrauliczna tylko na odbiornikach końcowych – różnica ciśnień na zaworze regulacyjnym jest zbliżona do wartości stałej
  • dobre właściwości regulacyjne systemu przy pełnym i częściowym obciążeniu
  • pompa ze zmienną prędkością obrotową zapewnia oszczędność energii
  • zazwyczaj przewymiarowana pompa obiegowa w stosunku do autorytetu zaworu 2-drogowego

 

Przegląd rozwiązań dostępnych na rynku

(...)

 

prof. dr hab. inż. Sergey ANISIMOV
mgr inż. Demis PANDELIDIS
Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa
Wydział Inżynierii Środowiska
Politechnika Wrocławska

 

LITERATURA:
[1] Systemy powietrzno-wodne w wentylacji i klimatyzacji. Poradnik projektanta. Trox Technik. 2014.
[2] Belki chłodzące. Zalecenia projektowe. Fläkt Woods. 2014.
[3] Sufitowe moduły chłodzące i chłodząco-grzewcze Pacific. Swegon. 2014.
[4] Poradnik Projektanta. Regulacja wodnych systemów klimatyzacji i ogrzewania. Danfoss. 2011.
[5] ODYJAS A., SZCZECHOWIAK E.: Charakterystyka i właściwości aktywnych belek chłodząco-grzewczych. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja. 5/2004.

 

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 08/2014

 

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Pompy ciepła 2023-2024

  • Pompy ciepła 2021-2022

  • Pompy ciepła 2022-2023

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2022

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2023

  • Pompy ciepła 2020-2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2020

  • Pompy ciepła 2019-2020

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.