Jednymi z najczęściej stosowanymi systemami grzewczo-chodzącymi w budynkach są systemy powietrzno-wodne (dwuczynnikowe). Powietrze świeże wraz z powietrzem obiegowym doprowadzane jest do urządzeń kompensujących zyski lub straty ciepła – zwane również końcówkami mocy.

Spośród wodnych systemów klimatyzacyjnych jedynie klimakonwektory dostosowane są do usuwania zysków wilgoci (w sposób niekontrolowany) i nie wymagają osuszania powietrza świeżego (zewnętrznego) dostarczanego do pomieszczenia. Pozostałe systemy wodne wymagają osuszania powietrza świeżego dostarczanego do pomieszczenia, tak by nie dopuścić do wystąpienia skroplenia się pary wodnej na powierzchni systemu. Przykładem systemu wodnego są belki chłodząco-grzewcze. Jest to system wykorzystujący konwekcję naturalną dla spełnienia kalorycznych funkcji systemu HVAC.

Rys. 1. Klasyfikacja ogólna powietrzno-wodnych systemów klimatyzacyjnych

Podział belek grzewczo-chłodzących

Belki chłodzące możemy podzielić na:

• pasywne,
• aktywne.

Różnica między nimi wynika z wykorzystania powietrza świeżego do pracy urządzenia. Pierwotnie stosowany był system belek pasywnych, których konstrukcja jest analogiczna do konwektorów ściennych czy podłogowych. W trakcie rozwoju systemu pojawiły się rozwiązania z doprowadzeniem powietrza świeżego (pierwotnego), które intensyfi kowało wymianę ciepła. 

Belki pasywne

W systemach belek pasywnych przejmowanie ciepła odbywa się na drodze konwekcji. Trzeba tutaj również nadmienić, że system ten nadaje się głównie dla trybu chłodzącego. Grzanie na drodze konwekcji z niewielkim impulsem w górnej strefie pomieszczenia będzie powodować duże gradienty pionowe temperatury, czyli znacznie wyższą temperaturę powietrza pod sufitem.

Rys. 2. Idea działania belki pasywnej

Dlatego też, gdy pasywna belka wykorzystywana jest również do ogrzewania pomieszczenia temperatura medium grzewczego powinna być możliwie niska i nie przekraczać 50°C. W montowanej pod sufi tem belce chłodzącej przepływa medium wodne, które od powietrza przejmuje ciepło. W obszarach klimatyzowanych powietrze ogrzewa się od źródeł ciepła i po zwiększeniu swojej temperatury zmniejsza się jego gęstość (staje się lżejsze) i unosi się. W wyniku przejścia tego powietrza przez wymiennik belki chłodzącej powietrze oddaje ciepło, a stając się przez to cięższe opada ponownie do strefy przebywania ludzi. Głównym czynnikiem wpływającym na funkcjonalność pasywnych belek chłodzących jest różnica temperatury między powietrzem w górnej strefie pomieszczenia (na wysokości zawieszenia belki), a średnią temperaturą czynnika chłodzącego zasilającego belkę. Dodatkowo wpływ mają inne czynniki jak: 

• rozwarstwienie temperatury w pomieszczeniu,
• temperatura powierzchni pokoju,
• prądy powietrza w pomieszczeniu.

W przypadku stosowania belek pasywnych układ wentylacyjny pracuje niezależnie i tworzy odrębny system do układu belek. 

Rys. 3. Oddzielna praca układu wentylacyjnego i chłodniczego z belkami w pomieszczeniu

Belki aktywne

W przypadku, gdy wymagania chłodnicze dla systemu klimatyzacyjnego przekraczają możliwości klimatyzacyjne pasywnych belek chłodzących wówczas zastosowanie znajdują belki aktywne zapewniające większe moce chłodnicze.

W aktywnych belkach doprowadzane jest powietrze świeże (pierwotne), które poprzez zjawisko indukcji zasysa powietrze z pomieszczenia. Zjawisko indukcji jest istotą funkcjonowania belki chłodzącej i podlega dokładnemu projektowaniu. W procesie konstrukcji dobierane są odpowiednie wielkości i ilości dysz, które generują odpowiedni impuls powietrza pierwotnego. Dzięki temu impulsowi pod samą belką powstaje podciśnienie pozwalające na zasysanie powietrza z pomieszczenia do wnętrza belki, gdzie jest dodatkowo schładzane. Stosunek powietrza pierwotnego (indukującego) do wtórnego (indukowanego) może osiągać nawet wartość 5. Dzięki temu zjawisku wydajność belki jest kilkakrotnie zwiększona.

Z belki strumień powietrza wprowadzany jest do pomieszczenia poziomo realizując rozdział powietrza charakteryzującego wentylację mieszającą. Prędkość wypływu ze szczelin nawiewnych jest tak dobrana, aby powietrze nawiewane docierało do strefy przebywania ludzi w celu zapewnienia odpowiedniej jakości powietrza, a jednocześnie nie powodowało przeciągów. W wyniku indukcji powietrza nawiewanego z powietrzem w pomieszczeniu spada prędkość strugi i zmniejsza się różnica temperatur.

Rys. 4. Zależna praca układu wentylacyjnego i chłodniczego z belkami aktywnymi w pomieszczeniu

Regulacja

W przypadku stosowania belek chłodzących występuje niebezpieczeństwo kondensacji. Belki chłodzące najczęściej nie są zaopatrzone w elementy do odprowadzania skroplin i w przypadku wystąpienia kondensacji będzie występowało skapywanie wody na elementy pomieszczenia i jego wyposażenia. Dostępne są jednak na rynku nawet rozwiązania belek pasywnych z tacą skroplin. Jest to jednak rozwiązanie raczej przemysłowe niż biurowe.

W celu uzyskania maksymalnej mocy chłodniczej woda lodowa powinna mieć najniższą możliwą temperaturę zasilania, jednak może to spowodować kondensację. Kondensacja wystąpi jeżeli temperatura powierzchni konwektora belki chłodzącej będzie niższa od temperatury punktu rosy powietrza w pomieszczeniu. Temperaturę tą można łatwo wyznaczyć na podstawie wykresu Molliera. Przy temperaturze powietrza wewnętrznego wynoszącej 26°C i wilgotności względnej 50% temperatura punktu rosy wynosi około 15°C. Dla takich parametrów temperatura wody lodowej nie powinna być niższa jak około 16°C.

Do podstawowych metod zabezpieczania systemów aktywnych belek chłodzących przed kondensacją (oprócz osuszania na chłodnicy centrali) należą m.in. :

• montaż czujników punktu rosy w pomieszczeniach,
• montaż czujników punktu rosy bezpośrednio w belkach sufitowych,
• zmiana temperatury zasilania wody lodowej w funkcji wilgotności powietrza wywiewanego lub entalpii powietrza zewnętrznego.

Regulacja temperatury w pomieszczeniu z belkami chłodzącymi zależna jest od tego czy układ jest dwururowy czy czterorurowy. Sterowanie polega na regulacji 2-punktowej lub płynnej zaworem zamontowanym na przewodzie zasilającym belkę. W przypadku belek aktywnych temperatura powietrza pierwotnego jest zasadniczo utrzymywana na stałym poziomie, gdyż pełni ona funkcje higieniczną, a nie kaloryczną.

Rys. 5. Aktywna belka chłodząca typu DID632 przeznaczona do montażu w stropach podwieszanych (fot: TROX BSH Technik Polska Sp. z o.o.)

Rys. 6. Belki Lindab PREMUM ze zintegrowanym oświetleniem LED – realizacja DSV (na specjalne zamówienie klienta) (fot. Lindab)

Wady i zalety układu belek chłodząco-grzewczych

Belki chłodząco-grzewcze nie należą do popularnych systemów HVAC stosowanych w Polsce. Wynika to głownie z klimatu jaki panuje w Polsce ale i przyzwyczajeń projektowych i estetycznych. Podstawowe zalety stosowania belek wynikają z zastosowania samego układu wodnego. Są to:

• rozwiązanie przyjazne środowisku ze względu na minimalne użycie czynników chłodniczych (freonów).
• woda jest lepszym nośnikiem energii (chłodu) niż powietrze, które wymaga kanałów o większym przekroju dla przeniesienia tej samej jej ilości.
• w dużych budynkach koszty eksploatacyjne wodnych układów chłodzenia są mniejsze niż układów z bezpośrednim odparowaniem.

Fot. Lindab

Najważniejsze zalety belek chłodzących to:

• niska całkowita wysokość zabudowy,
• niski poziom hałasu – w przypadku belek aktywnych możliwe jest jednak wystąpienie głośnej pracy,
• niskie prędkości przepływu powietrza pod belką,
• brak instalacji odprowadzania skroplin,
• brak jakichkolwiek elementów ruchomych oraz wymiennych filtrów.

Układy belek grzewczo-chłodzących mają jednak kilka podstawowych wad. W przypadku belek pasywnych jest to ograniczenie wystąpienia kondensatu. Przy wzroście wilgotności powietrza (np. po deszczu) w budynku wyłącza się zasadniczo na jakiś czas system chłodzenia. W przypadku belek aktywnych podstawową wadą jest zależność mocy chłodniczej od stałego strumienia powietrza pierwotnego, W przypadku braku potrzeb wentylacyjnych w pomieszczeniu, powietrze pierwotne (pracujące nawet na cyrkulacji) jest bezwzględnie potrzebne dla prawidłowej pracy urządzenia. Nie ma zatem rozdziału pomiędzy funkcją higieniczną i kaloryczną.

dr inż. Maciej DANIELAK
Kierownik Działu Sprzedaży,
Kampmann w Polsce