|
Coraz bardziej dynamiczny rozwój gospodarki spowodował, iż inwestorzy zagraniczni coraz chętniej lokują swój kapitał w Polsce. Rezultatem takich działań jest coraz większa liczba nowych obiektów handlowych, które z uwagi na swoją specyfikę wymagają zastosowania specjalnych systemów klimatyzacyjnych. W niniejszym oraz kolejnych publikacjach zostaną poruszone zagadnienia dotyczące najczęściej wykorzystywanych instalacji klimatyzacyjnych, których zadaniem jest usunięcie nadmiernych zysków ciepła z tego typu obiektów wielkokubaturowych. Poniżej dokonano prezentacji oraz przedstawiono podstawowe założenia i wytyczne dotyczące pierwszego z omawianych systemów a mianowicie systemu klimatyzacji o dwustopniowym uzdatnianiu powietrza z indywidualnymi urządzeniami klimatyzacyjnymi w postaci monoblokowych pomp ciepła typu powietrze-woda. W kolejnych publikacjach zostaną poruszone zagadnienia dotyczące innych metod produkcji chłodu na potrzeby klimatyzacji obiektów handlowych.
Z uwagi na specyfikę pomieszczeń hipermarketów i dużych centrów handlowych najczęściej wykorzystywanymi systemami klimatyzacyjnymi są układy bazujace na scentralizowanym uzdatnianiu powietrza wentylacyjnego lub dwustopniowej obróbce powietrza nawiewanego. Do urządzeń centralnych przygotowujących powietrze nawiewane, do określonych w projekcie wymaganych parametrów termodynamicznych powietrza nawiewanego, można zaliczyć modułowe centrale klimatyzacyjne oraz monoblokowe centrale dachowe typu roof-top. Urządzenia te są dostępne i oferowane przez poszczególnych producentów w różnych konfiguracjach, zależnych od potrzeb danego systemu. Z uwagi na duże strumienie objętościowe powietrza nawiewanego prawie zawsze nieodłącznym elementem konstrukcyjnym central klimatyzacyjnych są różnego typu systemy odzysku ciepła z powietrza wywiewanego. Centralne urządzenia klimatyzacyjne przeznaczone są do klimatyzacji pojedynczego pomieszczenia lub wydzielonych stref budynku o zbliżonej charakterystyce cieplno-wilgotnościowej. Z kolei w systemach o dwustopniowym uzdatnianiu powietrza urządzenie centralne (centrala klimatyzacyjna) realizuje proces uzdatniania tylko i wyłącznie powietrza świeżego, wynikającego z kryterium minimum higienicznego. Powietrze pierwotne będące wynikiem tego procesu jest kierowane do poszczególnych pomieszczeń bądź stref budynku, gdzie ulega dodatkowej obróbce w indywidualnych urządzeniach klimatyzacyjnych. Indywidualne urządzenia klimatyzacyjne kształtują parametry powietrza w pomieszczeniu poprzez obróbkę powietrza obiegowego (recyrkulacyjnego) lub mieszaniny powietrza obiegowego i przygotowanego centralnie powietrza pierwotnego. Do najczęściej wykorzystywanych urządzeń indywidualnych można zaliczyć monoblokowe pompy ciepła typu powietrze-woda z wbudowanym sprężarkowym układem chłodniczym oraz urządzenia z wbudowanym(-mi) wymiennikiem(-ami) wodnym(-i) do których należą: klimakonwektory wentylatorowe, klimakonwektory indukcyjne oraz aktywne belki chłodnicze. Poniżej dokonano prezentacji systemu o dwustopniowym uzdatnianiu powietrza z monoblokowymi pompami ciepła jako indywidualnymi urządzeniami klimatyzacyjnymi.
Systemy klimatyzacyjne z centralnym uzdatnianiem powietrza, jak wcześniej wspomniano, nie zawsze są w stanie w sposób efektywny zapewnić rozdział ciepła i chłodu w poszczególnych pomieszczeniach w odniesieniu do ich aktualnego zapotrzebowania. Zastosowanie klimatyzacji scentralizowanej ogranicza się, zatem do pomieszczeń o zbliżonym obciążeniu cieplnowilgotnościowym, znajdujących się w wydzielonej strefie budynku. W przypadku, gdy bilanse ciepła i wilgoci w poszczególnych pomieszczeniach różnią się od siebie, zastosowanie pojedynczego urządzenia centralnego nie spełnia w takim wypadku oczekiwań. Z tego powodu w budynkach wielopomieszczeniowych, cechujących się zróżnicowaniem zapotrzebowania na moc chłodniczą i cieplną, stosuje się systemy o dwustopniowym uzdatnianiu powietrza. Nie ulega, więc wątpliwości, iż w celu ograniczenia zużycia ciepła i energii elektrycznej w dużych kompleksowych budynkach konieczne jest w pewnych przypadkach, odejście od koncepcji centralnej obróbki powietrza i wykorzystanie systemów zdecentralizowanych. Indywidualne urządzenia klimatyzacyjne umożliwiają ogrzewanie lub chłodzenie poszczególnych pomieszczeń lub wydzielonych stref budynku zgodnie z ich chwilowym zapotrzebowaniem na moc cieplną lub chłodniczą, niezależnie od funkcjonowania dużych instalacji centralnych. Szczególnie korzystnym rozwiązaniem jest zastosowanie pomp ciepła ze skraplaczem chłodzonym wodą jako indywidualnych urządzeń klimatyzacyjnych oraz połączenie ich w jeden obieg hydrauliczny za pomocą pierścienia wodnego (oczywiście po przeprowadzeniu starannej analizy weryfikującej występowanie wymaganych warunków), obejmującego w razie potrzeby zbiornik buforowy będący zasobnikiem ciepła i "zimna".
W okresie letnim monoblokowe pompy ciepła schładzają powietrze obiegowe lub mieszaninę powietrza recyrkulacyjnego i pierwotnego oddając ciepło w skraplaczu podłączonym do instalacji hydraulicznej obiegu pierścieniowego. W okresie zimowym, gdy istnieje potrzeba podgrzania powietrza w pomieszczeniu, następuje odwrócenie obiegu chłodniczego (skraplacz pełni funkcję parowacza i odwrotnie) i użyteczne wykorzystanie ciepła odpadowego z układu chłodniczego, które jest wykorzystane do podgrzania powietrza na skraplaczu (parowaczu układu chłodniczego w okresie letnim). Dolnym źródłem ciepła jest woda krążąca w pierścieniowej instalacji hydraulicznej. Należy zaznaczyć, iż tego typu indywidualne urządzenie klimatyzacyjne są obecnie coraz bardziej rozbudowywane i zaawansowane technologicznie. Producenci oferują również innego typu urządzenia nadające się do systemów z "pierścieniem wodnym". Do przykładowych można zaliczyć również centrale dachowe typu roof-top z wbudowanym sprężarkowym układem chłodniczym i zasadzie działania identycznej jak dla monoblokowych pomp ciepła typu powietrzewoda przeznaczonych do instalacji i zabudowy w pomieszczeniach klimatyzowanych.
Elementy wchodzące w skład systemu z pierścieniem wodnym
(...) 
Pompy ciepła z odwracalnym obiegiem chłodniczym i skraplaczem chłodzonym wodą
(...)
Pierścień wodny z niezbędnymi pompami i zasobnikami ciepła
(...)
Instalacja grzewcza i chłodnicza
W przypadku spadku temperatury w pierścieniu wodnym poniżej zadanej dolnej wartości temperatury uruchamiane jest źródło ciepła, które podgrzewa wodę do żądanej wartości. W miesiącach zimowych powinno ono zapewnić utrzymanie temperatury wody zasilającej wymienniki pomp ciepła w zakresie od 15 do 25oC. Przy temperaturze wody zasilającej niższej od 15oC wynikowa temperatura wody byłaby na tyle niska, że na powierzchni nieizolowanych rurociągów prowadzonych w ogrzewanych pomieszczeniach występowałaby kondensacja wilgoci. Przy temperaturze wyższej od 25oC może dojść do przekroczenia maksymalnej, dopuszczalnej przez producentów urządzeń, temperatury odparowania czynnika chłodniczego. Jako źródło ciepła mogą być wykorzystane standardowe źródła grzewcze, jakimi są: kotły gazowe, kotły olejowe, wymiennikownie sieci ciepłowniczej, itp. Jednak, co jest bardzo atrakcyjne z energetycznego punktu widzenia, do podgrzewania wody może być również wykorzystywane w pełni lub częściowo ciepło odpadowe m.in. z rekuperatorów, skraplaczy agregatów chłodniczych, skraplaczy pomp ciepła pracujących w trybie chłodzenia, itp.
Podczas okresu letniego źródło chłodu jest wymiarowane pod względem maksymalnej temperatury wody tj. 29oC z zakresu minimalnych temperatur początkowych na wlocie do parowacza pompy ciepła (zakres ten wynosi: 15÷29oC). Zakładana różnica temperatury wody na wymiennikach pomp ciepła wynosi Δt=6oC. Źródło chłodu stanowić mogą: sprężarkowe agregaty chłodnicze, otwarte wieże chłodnicze, z lub bez wymiennika pośredniego (stosowanie wymiennika pośredniego jest zalecane ze względu na gromadzące się zanieczyszczenia oraz zabezpieczenie instalacji przed zamarznięciem w okresie zimowym), zamknięte wieże chłodnicze (w okresach ekstremalnych załączane są pompy obiegowe wody zraszającej wymiennik, natomiast przy niskiej temperaturze powietrza zewnętrznego pompy wody zraszającej są wyłączane a na wymienniku następuje wymiana ciepła tylko jawnego. Istotny jest również fakt, iż w systemie zamkniętym schładzana woda nie ma kontaktu z powietrzem, nie staje się więc agresywna na wskutek nasycenia tlenem lub solami). Jedną z opcji jest również możliwość wykorzystania wody ze studni w pierwotnym obiegu wymiennika ciepła. Niezbędne jest w takim przypadku sprawdzenie granicznej temperatury wody na skraplaczu gwarantującej poprawność pracy sprężarkowego obiegu chłodniczego.
Szczególnie korzystne warunki wynikają z zastosowania wież chłodniczych. Duża różnica pomiędzy temperaturą wody w obiegu pierścieniowym a temperaturą powietrza mierzoną termometrem mokrym, wymusza mniejszą powierzchnię kontaktu pomiędzy wodą a powietrzem. Wiąże się to ze zmniejszonymi gabarytami urządzenia i związku z tym z niższymi kosztami inwestycyjnymi. We wszystkich jednak wymienionych przypadkach należy zastosować pewne środki ostrożności mające na celu uniknięcie marnotrawstwa energii oraz zamarznięcia instalacji w okresie zimowym.
Oddzielnego opracowania wymagają natomiast urządzenia automatycznej regulacji i oprogramowanie wykorzystywane do regulacji i kontroli całego systemu oraz umożliwiające określenie i utrzymanie temperatury wody, dla której zapewnione będą optymalne warunki termiczne gwarantujące maksymalną sprawność całego systemu.
Instalacja grzewcza i chłodnicza
W przypadku spadku temperatury w pierścieniu wodnym poniżej zadanej dolnej wartości temperatury uruchamiane jest źródło ciepła, które podgrzewa wodę do żądanej wartości. W miesiącach zimowych powinno ono zapewnić utrzymanie temperatury wody zasilającej wymienniki pomp ciepła w zakresie od 15 do 25oC. Przy temperaturze wody zasilającej niższej od 15oC wynikowa temperatura wody byłaby na tyle niska, że na powierzchni nieizolowanych rurociągów prowadzonych w ogrzewanych pomieszczeniach występowałaby kondensacja wilgoci. Przy temperaturze wyższej od 25oC może dojść do przekroczenia maksymalnej, dopuszczalnej przez producentów urządzeń, temperatury odparowania czynnika chłodniczego. Jako źródło ciepła mogą być wykorzystane standardowe źródła grzewcze, jakimi są: kotły gazowe, kotły olejowe, wymiennikownie sieci ciepłowniczej, itp. Jednak, co jest bardzo atrakcyjne z energetycznego punktu widzenia, do podgrzewania wody może być również wykorzystywane w pełni lub częściowo ciepło odpadowe m.in. z rekuperatorów, skraplaczy agregatów chłodniczych, skraplaczy pomp ciepła pracujących w trybie chłodzenia, itp.
Podczas okresu letniego źródło chłodu jest wymiarowane pod względem maksymalnej temperatury wody tj. 29oC z zakresu minimalnych temperatur początkowych na wlocie do parowacza pompy ciepła (zakres ten wynosi: 15÷29oC). Zakładana różnica temperatury wody na wymiennikach pomp ciepła wynosi ?t=6oC. Źródło chłodu stanowić mogą: sprężarkowe agregaty chłodnicze, otwarte wieże chłodnicze, z lub bez wymiennika pośredniego (stosowanie wymiennika pośredniego jest zalecane ze względu na gromadzące się zanieczyszczenia oraz zabezpieczenie instalacji przed zamarznięciem w okresie zimowym), zamknięte wieże chłodnicze (w okresach ekstremalnych załączane są pompy obiegowe wody zraszającej wymiennik, natomiast przy niskiej temperaturze powietrza zewnętrznego pompy wody zraszającej są wyłączane a na wymienniku następuje wymiana ciepła tylko jawnego. Istotny jest również fakt, iż w systemie zamkniętym schładzana woda nie ma kontaktu z powietrzem, nie staje się więc agresywna na wskutek nasycenia tlenem lub solami). Jedną z opcji jest również możliwość wykorzystania wody ze studni w pierwotnym obiegu wymiennika ciepła. Niezbędne jest w takim przypadku sprawdzenie granicznej temperatury wody na skraplaczu gwarantującej poprawność pracy sprężarkowego obiegu chłodniczego.
Szczególnie korzystne warunki wynikają z zastosowania wież chłodniczych. Duża różnica pomiędzy temperaturą wody w obiegu pierścieniowym a temperaturą powietrza mierzoną termometrem mokrym, wymusza mniejszą powierzchnię kontaktu pomiędzy wodą a powietrzem. Wiąże się to ze zmniejszonymi gabarytami urządzenia i związku z tym z niższymi kosztami inwestycyjnymi. We wszystkich jednak wymienionych przypadkach należy zastosować pewne środki ostrożności mające na celu uniknięcie marnotrawstwa energii oraz zamarznięcia instalacji w okresie zimowym.
Oddzielnego opracowania wymagają natomiast urządzenia automatycznej regulacji i oprogramowanie wykorzystywane do regulacji i kontroli całego systemu oraz umożliwiające określenie i utrzymanie temperatury wody, dla której zapewnione będą optymalne warunki termiczne gwarantujące maksymalną sprawność całego systemu.
(...)
 Podsumowanie
Na wykresie słupkowym przedstawiono zbiorcze zestawienie wyników dla trzech porównywanych warunków pracy (rys. 2).
Jak wynika z powyższej uproszczonej analizy system z pierścieniem wodnym jest znacznie bardziej energooszczędny, w szczególności gdy:
● budynek ma pomieszczenia o zróżnicowanych obciążeniach cieplnych, a w szczególności duże strefy wymagające chłodzenia również w zimie (mała powierzchnia przegród zewnętrznych w stosunku do kubatury, duże nasłonecznione przeszklone powierzchnie - duże zyski ciepła przez przegrody przeźroczyste, duże wewnętrzne zyski ciepła od ludzi, oświetlenia i urządzeń elektrycznych);
● w miesiącach zimowych można wykorzystać darmową lub odzyskaną energię cieplną;
● okresy, w których jednoczesne zapotrzebowanie na grzanie i chłód są stosunkowo długie;
● zyski ciepła są wyższe od strat ciepła.
Do takich obiektów z pewnością należą duże centra handlowe z hipermarketami. Ten typ budynków zawsze cechuje się: wysokim zużyciem energii i użytkownikami przywiązującymi dużą wagę do kosztów eksploatacji (koszt energii i utrzymania), ograniczonymi stratami ciepła, wysokimi wewnętrznymi zyskami ciepła od oświetlenia, występowaniem rozbudowanych instalacji chłodniczych dla potrzeb przechowywania żywności, dających możliwość wykorzystania dużej ilości ciepła odpadowego. W zasadzie, w świetle różnych doświadczeń zagranicznych, omawiany system w obiekcie o takim przeznaczeniu gwarantuje, przy równych lub nawet niższych kosztach inwestycyjnych, w porównaniu z klasycznymi stosowanymi systemami klimatyzacyjnymi, lepszą efektywność funkcjonowania i niższe zużycie energii. Zadaniem projektanta jest szczegółowa weryfikacja, czy pod względem energetycznym występują warunki sprzyjające zastosowaniu "pierścienia wodnego" i dodatkowych korzyści, jakie oferuje ten system. Szczegółowej analizie poddane zostać muszą koszty dostaw energii z różnych źródeł (paliwa gazowe i płynne, sieć ciepłownicza, energia elektryczna) oraz wpływ na środowisko naturalne.
W kolejnym artykule zostanie omówiony system klimatyzacyjny o dwustopniowym uzdatnianiu powietrza z klimakonwektorami wentylatorowymi jako indywidualnymi urządzeniami klimatyzacyjnymi. wydanie 9/2007 CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:
TRADYCYJNĄ E-WYDANIE |
