Ogrzewanie powietrzne, w którym czynnikiem grzewczym jest powietrze, jest jednym ze sposobów utrzymywania odpowiedniej temperatury w pomieszczeniach. Sprawdza się doskonale w instalacjach ze względu na bardzo małą pojemność cieplną zapewniając efekt już po kilku minutach.

Rys. 1. Przykładowy schemat systemu klimatyzacji ze strefowymi nagrzewnicami i ogrzewaniem powietrznym
w okresie zimowym: 1 – przepustnica, 2 – filtr, 3 – nagrzewnica wstępna (pierwsza),
4 – adiabatyczna komora zraszania, 5 – nagrzewnica wtórna (druga), 6 – wentylator,
7 – tłumik akustyczny, 8 – centrala nawiewna, 9 – pomieszczenie, 10 – nawiew powietrza,
11 – wylot powietrza, 12 – nagrzewnica strefowa, 13 – centrala wywiewna, 14 – strefa przebywania ludzi.
Punkty stanu powietrza na schemacie systemu klimatyzacji Z, K, O, N1, N2, P1, P2
odpowiadają punktom stanu powietrza na wykresie i-x powietrza wilgotnego (rys. 2.)

Ten nowoczesny sposób ogrzewania, zapewniający wysoką sprawność energetyczną i automatyczną oraz precyzyjną pracę jest coraz częściej stosowanym rozwiązaniem do ogrzewania pomieszczeń. Za pomocą tych samych kanałów jest możliwość ogrzewania pomieszczeń oraz ich wentylacja i klimatyzacja [1]. W instalacji ogrzewania powietrznego niemal cała ilość ciepła idzie bezpośrednio na ogrzewanie budynku, nie ma czynników pośrednich, takich, jak: woda, grzejniki, podłoga [2]. Zaletą systemu jest także brak zamarzania nośnika ciepła. Mała bezwładność cieplna umożliwia błyskawiczne rozgrzanie wyziębionych pomieszczeń. Przy dobrym wykonawstwie i skutecznym nadzorze podczas budowy ogrzewanie powietrzne może skutecznie i efektywnie zagwarantować warunki komfortu cieplnego ogrzewanych pomieszczeń [3].

W niniejszym artykule chcielibyśmy przedstawić analizę procesów uzdatniania powietrza w systemach klimatyzacji ze strefowymi nagrzewnicami i ogrzewaniem powietrznym na wykresach i-x powietrza wilgotnego. W postaci teoretycznej i obliczeniowej przedstawione zostały metody oraz wskazówki projektowania takich systemów klimatyzacji.

Nagrzewnice kanałowe, inaczej zwane nagrzewnice strefowe, pozwalają na uzyskanie wymaganych, różnych parametrów powietrza w wielu pomieszczeniach, strefach dużych pomieszczeń, o innych obciążeniach cieplnych [4]. Czynnikiem grzewczym może być gorąca woda lub para, energia elektryczna lub spaliny ze spalania gazu i oleju. Montuje się je wewnątrz pomieszczenia w kanałach wentylacyjnych.

Zasady teoretyczne projektowania systemu klimatyzacji w okresie zimowym z ogrzewaniem powietrznym
Do analizy przyjęto następujące założenia oraz dane wyjściowe:
1) Parametry powietrza zewnętrznego wg normy PN-76/B-03420 [6]:
• temperatura – tZ, [°C],
• wilgotność względna powietrza – φZ, [%],
• entalpia właściwa powietrza – iZ, [kJ/kg],
• zawartość wilgoci – xZ, [g/kg].
2) Parametry powietrza wewnętrznego wg normy PN-78/B-03421 [7]:
• temperatura w pomieszczeniach P1 i P2 odpowiednio – tP1, tP2, [°C], (różna dla pomieszczeń),
• wilgotność względna powietrza w pomieszczeniach P1 i P2 odpowiednio – φP1, φP2, [%], (różna dla pomieszczeń),
• entalpia właściwa powietrza w pomieszczeniach – iP1, iP2, [kJ/kg],
• zawartość wilgoci – xP1, xP2, [g/kg]
3) Parametry technologiczne:
• zyski ciepła całkowitego dla pomieszczeń P1 i P2 odpowiednio – QC1, QC2, [kW] (określone dla danego obiektu),
• zyski wilgoci dla pomieszczeń P1 i P2 odpowiednio – W1, W2, [kg/s] (określone dla danego obiektu) (W1 xP1.

W takim wypadku trzeba zmienić założone parametry powietrza w pomieszczeniu lub projektować inny system klimatyzacji.

PRZYKŁAD 1
Dane wyjściowe:
1) Parametry powietrza zewnętrznego wg normy PN-76/B-03420 [6]:
• temperatura – tZ = -20°C,
• wilgotność względna powietrza – φZ = 100%,
• entalpia właściwa powietrza – iZ = -18,4 kJ/kg,
• zawartość wilgoci – xZ = 0,8 g/kg.
2) Parametry powietrza wewnętrznego wg normy PN-78/B 03421 [7]:
• temperatura w pomieszczeniach: tP1 = 20°C, tP2 = 22°C,
• wilgotność względna w pomieszczeniach: φP1 = 60 % i φP2 = 55%,
• entalpia właściwa powietrza w pomieszczeniach (odczytano z wykresu i-x powietrza wilgotnego na rys. 6.): iP1 = 42,2 kJ/kg, iP2 = 45,0 kJ/kg,
• zawartość wilgoci w pomieszczeniach (odczytano z wykresu i-x powietrza wilgotnego na rys. 6.): xP1 = 8,7 g/kg, xP2 = 9,2 g/kg.
3) Parametry technologiczne:
• zyski ciepła całkowitego dla pomieszczenia P1 i P2: QCl = 4,80 kW, QC2 = 1,55 kW,
• zyski wilgoci dla pomieszczenia P1 i P2: W1 = 0,7 g/s, W2 = 0,9 g/s,
• strumienie objętościowe powietrza wentylacyjnego (obliczone dla okresu letniego) dla pomieszczeń P1 i P2: G01 = 0,25 m3/s = 900 m3/h, G02 = 0,25 m3/s = 900 m3/h,
• niezbędne strumienie objętościowe powietrza zewnętrznego ze względów higienicznych zalecane dla zapewnienia odczucia komfortu i świeżości [2]: GZ1 = 0,20 m3/s = 720 m3/h, GZ2 = 0,3 m3/s = 1080 m3/h,
• straty ciepła przez ściany dla pomieszczeń P1 i P2: QSTR1 = 3,75 kW, QSTR2 = 2 kW.

Na wykresie i-x powietrza wilgotnego (rys. 6.) obliczenia rozpoczyna się od naniesienia zadanych parametrów powietrza zewnętrznego punktu Z (-20ºC, 100%) oraz powietrza w pomieszczeniu – punkty P1 (20ºC, 60%) i P2 (22ºC, 55%). Następnie określamy współczynniki kierunkowe procesów zmiany stanu powietrza dla każdego pomieszczenia ze wzorów (1) i (2):
• dla pomieszczenia P1:

ε1 = (4,80 – 3,75) kW / 0,7 g/s = 1500 kJ/kg 

• dla pomieszczenia P2:

ε2 = (1,55 – 2) kW / 0,9 g/s = -500 kJ/kg 

Określamy parametry powietrza nawiewanego dla każdego pomieszczenia. Obliczenia zaczynamy, względnie wyżej opisanej metody, od pomieszczenia P1. Dla pomieszczenia P1 obliczamy zawartość wilgoci powietrza nawiewanego według wzoru (3):

xN1 = 8,7 g/kg – 0,7 g/s / (0,25 m3/s · 1,2 kg/m3) = 6,37 g/kg 

Na przecięciu linii xN1 = 6,37 g/kg i linii ε1 = 1500 kJ/kg znajduje się punkt N1 – punkt stanu powietrza nawiewanego do pomieszczenia P1 (iN1 = 38,6 kJ/kg, xN1 = 6,37 g/kg, odczytano z rys. 6.). Odpowiednio z warunkiem xN2 = xN1 określamy punkt N2 – stan powietrza nawiewanego do pomieszczenia P2 – który leży na przecięciu linii ε2 = -500 kJ/kg i linii xN1 = 6,37 g/kg (xN1 = xN2) (iN2 = 45,8 kJ/kg, odczytano z rys. 6.).

Następnie na przecięciu linii xN1 = 6,37 g/kg i linii φ = 90% określamy punkt O, charakteryzujący parametry powietrza nawiewanego po komorze zraszania 4 (iO = 24,0 kJ/kg, odczytano z rys. 6.) oraz na przecięciu linii iO = 24,0 kJ/kg i linii xZ = 0,8 g/ kg określamy punkt K, odpowiadający parametrom powietrza po nagrzewnicy wstępnej.

Ogólną wydajność powietrza GO dla pomieszczeń obliczono za pomocą wzoru (4): GOZ = 0,25 + 0,42 = 0,67 m3/s = 2412 m3/h Przy czym strumień objętościowy powietrza wentylacyjnego dla pomieszczenia P2 określono, korzystając ze wzoru (5):

GO2Z = (1,55 – 2) kW / [(45,0 – 45,9) kJ/kg · 1,2 kg/m3] = 0,42 m3/s = 1512 m3/h

Nagrzewnica wstępna i wtórna ogrzewa dostatecznie powietrze do parametrów nawiewu dla pomieszczenia P1 – punkt N1. W przypadku pomieszczenia P2 powietrze dogrzewane jest za pomocą nagrzewnicy strefowej od poziomu temperatury tN1 = 22,2ºC

. Moc cieplną nagrzewnicy wstępnej 3 (rys. 1.) określono za pomocą wzoru (6):

QZ = 0,67 m3/s · [24,0 – (-18,4)] kJ/kg · 1,2 kg/m3 = 34,09 kW

Moc cieplną nagrzewnic strefowych powietrza 12 określono ze wzorów (7) i (8):
• dla pomieszczenia P1:

Q1 = 0 kW

• dla pomieszczenia P2:

Q2 = 0,42 m3/s · (45,8 – 38,6) kJ/kg · 1,2 kg/m3 = 3,63 kW

Rys. 2. Proces obróbki powietrza dla systemu klimatyzacji ze strefowymi nagrzewnicami
i ogrzewaniem powietrznym na wykresie i-x powietrza wilgotnego w okresie zimowym.
Procesy: ZK – ogrzewanie powietrza nawiewanego w nagrzewnicy wstępnej 3 (rys. 1.),
KO – adiabatyczne nawilżanie powietrza w komorze zraszania 4 (rys. 1.),
ON1 i ON2 – ogrzewanie powietrza wentylacyjnego w nagrzewnicach strefowych 12 (rys. 1.),
N1P1 i N2P2 – zmiany stanu powietrza w pomieszczeniach P1 i P2

PRZYKŁAD 2 (...)

PRZYKŁAD 3 (...)

Podsumowanie
Przedstawione w artykule zasady projektowania systemów klimatyzacji z nagrzewnicami strefowymi i ogrzewaniem powietrznym na wykresach i-x powietrza wilgotnego ukazane zostały w postaci teoretycznej i obliczeniowej. Metody projektowania systemów klimatyzacji opracowano dla trzech wariantów klimatyzacji, gdy temperatura nawiewu dla pomieszczeń:
• jest mniejsza niż 45ºC,
• jest większa niż 45ºC i zostaje zmieniona poniżej tego zakresu, nie zmieniając zawartości wilgoci powietrza nawiewanego
• jest większa niż>45ºC i zostaje zmieniona poniżej tego zakresu, zmieniając zawartość wilgoci powietrza nawiewanego.

Dla przedstawionych systemów klimatyzacji pracujących w okresie zimowym z ogrzewaniem powietrznym opisano szczegółowo zasady teoretyczne projektowania. Ukazano przebieg zmian stanu powietrza klimatyzacyjnego na wykresie i-x powietrza wilgotnego oraz przypadek przebiegu zmian stanu powietrza klimatyzacyjnego w systemie z nagrzewnicami strefowymi ogrzewaniem powietrznym na wykresie i-x powietrza wilgotnego, gdy temperatura nawiewu dla pomieszczenia >45ºC i zostaje zmieniona poniżej tego zakresu. Załączone przykłady obliczeniowe dla opisanych przypadków będą niewątpliwie dodatkową pomocą przy zgłębianiu tego typu rozwiązań.

LITERATURA
[1] DĄBROWSKA K.: Ogrzewanie nadmuchowe i możliwość jego połączenia z odnawialnym źródłem ciepła, Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja Nr 4, 2009.
[2] ADAMCZEWSKI A.: Ogrzewanie powietrzne, Polski Instalator, Nr 2, 2004.
[3] BABIARZ B., SZYMAŃSKI W.: Ogrzewnictwo, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 2010.
[4] PEŁECH A.: Wentylacja i klimatyzacja (podstawy), Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2008,
[5] PISAREV V.: Ochrona środowiska w zakładach przemysłowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2011,
[6] Norma PN – 76/B – 03420 – Wentylacja i klimatyzacja – Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego,
[7] Norma PN – 78/B – 03421 – Wentylacja i klimatyzacja – Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi.