Rozwój polskiej gospodarki to m.in. zwiększenie inwestycji krajowych i zagranicznych w obszarze sektora handlowego. Rezultatem takich działań jest coraz większa liczba nowych obiektów handlowych, które z uwagi na swoją specyfikę wymagają zastosowania odpowiednich rozwiązań w zakresie systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (ang. Heating, Ventilation, Air Conditioning – HVAC).

W przypadku systemów wentylacji i klimatyzacji zazwyczaj stosowane są dwa rozwiązania: układy bazujące 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 jednostki dachowe typu roof-top. W przypadku jednostek z dwustopniowym uzdatnianiem powietrza do najpopularniejszych rozwiązań należą wentylokonwektory zasilane wodą lodową lub freonem. Ciekawym rozwiązaniem zdecentralizowanym są aparaty grzewczo-wentylacyjne, które pozwalają w prosty sposób zapewnić wentylację i ogrzewanie dużych hal (urządzenia te można wzbogacić o dodatkową możliwość chłodzenia powietrza). Urządzenia do wentylacji i klimatyzacji są dostępne i oferowane przez poszczególnych producentów w różnych konfiguracjach, zależnych od potrzeb danego systemu.

Obiekty handlowe charakteryzują się dużymi strumieniami powietrza nawiewanego, dlatego niezbędne jest zastosowanie skutecznych form odzysku ciepła w centralach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, by zminimalizować zużycie energii. 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 i jest ono dostarczane przeważnie przez centrum handlowe. Powietrze pierwotne będące wynikiem tego procesu jest kierowane do poszczególnych pomieszczeń bądź stref budynku, gdzie ulega dodatkowej obróbce w indywidualnych urządzeniach klimatyzacyjnych. Bardzo istotne do prawidłowego funkcjonowania systemów HVAC w obiektach handlowych jest zminimalizowanie strat ciepła i chłodu w trakcie całorocznej eksploatacji. Jednym z elementów, które w istotnym stopniu przyczyniają się do zmniejszenia strat energii są kurtyny powietrzne.

W niniejszym tekście krótko zostaną scharakteryzowane podstawowe rozwiązania HVAC dla obiektów handlowych z uwzględnieniem możliwości rozwoju części z nich. Rozwiązania opisane w niniejszym artykule (rys. 1.):

• ƒƒcentrale typu rooftop jako przykład rozwiązań centralnych,
• ƒƒodzysk ciepła w systemach centralnych,
• ƒƒwentylokonwektory jako przykład rozwiązań dwustopniowych,
• ƒƒaparaty grzewczo-wentylacyjne,
• ƒƒkurtyny powietrzne.

Rys. 1. System HVAC w obiekcie handlowym z wentylokownektorami freonowymi oraz kurtyną powietrzną [5]

Centrale typu rooftop jako przykład rozwiązań centralnych

Centrale dachowe typu rooftop to tzw. urządzenia „all-in-one” – tzn. rozwiązania, które zawierają w sobie także źródło ciepła/chłodu. W przeciwieństwie do modułowych central klimatyzacyjnych mogą zawierać wszystkie elementy niezbędne do pracy, bez konieczności współpracy z innymi urządzeniami zewnętrznymi (agregatami chłodniczymi, kotłami itd. – rys. 2.). Rozwiązania te ze względu na swoją konstrukcję oraz zastosowane układy regulacji umożliwiają klimatyzowanie pojedynczych pomieszczeń, a także większej ich liczby czy stref obiektu, pod warunkiem, że mają one zbliżoną charakterystykę cieplno-wilgotnościową [1-3]. Rooftopy służą z reguły do klimatyzacji pomieszczeń o dużej kubaturze i stosunkowo równomiernym rozłożeniu obciążeń cieplnych, takich jak hale hipermarketów, czy niewielkie sklepy (np. przy stacjach benzynowych). 

a)

b)

Rys. 2. Urządzenia typu rooftop [5]: a) schemat działania; b) budowa przykładowej jednostki

Zadaniem zarówno central klimatyzacyjnych, jak i jednostek typu rooftop jest przygotowanie powietrza do obsługi wybranych pomieszczeń lub stref budynku. Centrale zwyczajowo przygotowują powietrze pierwotne dla systemów dwustopniowych, natomiast jednostki typu roof-top zazwyczaj odpowiadają samodzielnie za klimatyzację obiektu (choć nie jest to regułą). Urządzenia te wyposażone są w zespół elementów pozwalających na pełną obróbkę powietrza. Do najważniejszych elementów należą: chłodnica, nagrzewnica, komora mieszania, wymiennik do odzysku ciepła oraz układ sprężarkowy pompy ciepła. Opcjonalnie jednostki mogą być wyposażone w nawilżacz powietrza oraz dodatkowe filtry. 

W monoblokowych centralach dachowych typu rooftop, w przeciwieństwie do central modułowych, wszystkie niezbędne elementy konstrukcyjne umieszczone są w jednej zwartej obudowie. Na przykład źródło chłodu centrali klimatyzacyjnej typu modułowego, którym jest najczęściej agregat wody ziębniczej, jest zazwyczaj umieszczone poza jej obrębem, natomiast w monoblokowej centrali dachowej stanowi integralną część urządzenia (rys. 2.).

Jednostki rooftop można podzielić na [1-3]:

• ƒƒurządzenia monoblokowe ze skraplaczem chłodzonym powietrzem, dla pomieszczeń o średniej frekwencji osób (max udział świeżego powietrza w powietrzu nawiewanym: 50%): wersje z obiegiem chłodniczym realizującym proces tylko chłodzenia lub tylko grzania,
• ƒƒurządzenia monoblokowe ze skraplaczem chłodzonym powietrzem dla obiektów o wysokiej frekwencji osób (max udział świeżego powietrza w powietrzu nawiewanym: 80%): zazwyczaj wyposażone w rewersyjne pompy ciepła, 
• ƒƒurządzenia monoblokowe pracujące na powietrzu świeżym (100% powietrza świeżego w strumieniu nawiewanym; w trybie free-cooling urządzenie pracuje ze zmiennym przepływem powietrza świeżego): zazwyczaj wyposażone w rewersyjne pompy ciepła,
• ƒurządzenia monoblokowe ze skraplaczem chłodzonym wodą dla pomieszczeń o średniej frekwencji osób: rewersyjne pompy ciepła typu woda-powietrze.

a)

b)

c)

d)

Rys. 3. Rooftop z wymiennikiem wyparnym: a) wygląd zewnętrzny przykładowej jednostki [4]; b) pośredni wymiennik wyparny z obiegiem Maisotsenki; c) Praca rooftopa w okresie letnim wyłącznie na powietrzu zewnętrznym nawiewanym do klimatyzowanego pomieszczenia; d) Praca urządzenia w okresie letnim z wykorzystaniem częściowej recyrkulacji powietrza wywiewanego z klimatyzowanego pomieszczenia

(...)

Odzysk ciepła w systemach centralnych

(...)

Wentylokonwektory jako przykład rozwiązań dwustopniowych

(...)

Aparaty grzewczo-wentylacyjne

Bardzo przydatnym rozwiązaniem dla obiektów handlowych są aparaty grzewczo-wentylacyjne. Urządzenia te znajdują zastosowanie w procesie związanym z przewietrzaniem i ogrzewaniem magazynów, a także otwartych hal hipermarketów. Pod tym względem mogą stanowić alternatywę dla central typu rooftop. Na tle jednostki rooftop wyróżniają się niższą wagą, co może być istotne przy montażu w halach sprzedaży o lekkich konstrukcjach (rys. 9.). Jest to łatwy i tani inwestycyjnie sposób na ogrzanie obiektów wielkokubaturowych, ponieważ taki system ogrzewania posiada małą bezwładność i pozwala na szybkie ogrzanie danej powierzchni. Charakteryzuje się niskimi kosztami eksploatacyjnymi, a dzięki dobrze dobranej automatyce sterowanie temperaturą jest bardzo proste [8-9]. Możliwy jest łatwy podział obiektu na strefy z różną temperaturą za pomocą odpowiednio ustawionych aparatów, dzięki czemu uzyskuje się znaczne oszczędności energii.

a)

b)

Rys. 9. Zastosowanie aparatów grzewczo-wentylacyjnych: a) montaż w magazynie; b) montaż w hali sklepu

Aparaty wentylacyjne można sklasyfikować, dzieląc je ze względu na zastosowane rozwiązania techniczne, np. ze względu na zmianę temperatury powietrza w pomieszczeniu [8-9]:

• ƒƒz funkcją ogrzewania,
• ƒƒz funkcją ogrzewania i chłodzenia,
• ƒƒwymianę powietrza w pomieszczeniu – aparaty są przystosowane do ogrzewania powietrzem z pomieszczeń lub całkowicie świeżym, napływającym przez kanał czerpny, jak również mieszanego w dowolnym stosunku – w przypadku wyposażenia aparatu w skrzynkę czerpną.

Podstawowym elementem typowego aparatu jest nagrzewnica. Niektórzy producenci oferują także jednostki z chłodnicami (rys. 10.). Aparaty mogą być przeznaczone do montażu podstropowego lub ściennego. W zależności od rozwiązania nagrzewnica może być elektryczna, gazowa lub wodna. Za utrzymywanie czystego powietrza odpowiada filtr. Istotny jest również wentylator, który zapewnia przepływ powietrza przez wymiennik ciepła. Wentylator umieszczony jest w specjalnej dyszy, dzięki czemu strumień powietrza kierowany jest na całą powierzchnię wymiennika. W niektórych modelach przewidziano izolowaną tackę z króćcem odpływu skroplin. Jeżeli urządzenie jest podwieszane do aparatu, dodatkowo montowana jest płyta z uchwytami. Nabyć można wersje nagrzewnic, które współpracują z deflektorami rozpływu strugi do niskich pomieszczeń. Obudowy urządzeń najczęściej wykonane są z blachy ocynkowanej, malowanej proszkowo. 

a)  b) 

Rys. 10. Aparaty grzewczo-wentylacyjne: a) aparat pracujący na powietrzu obiegowym z tacką skroplin; b) aparat pracujący na mieszaninie powietrza zewnętrznego z obiegowym

Dostępne na rynku aparaty grzewczo-wentylacyjne różnią się między sobą mocą i funkcjami. Stąd też nabyć można modele z funkcją grzania lub grzania i chłodzenia. Zasada działania bazuje na wymuszonym przepływie powietrza obiegowego, mieszaniny powietrza świeżego i obiegowego lub tylko na powietrzu świeżym. Tym sposobem zyskuje się możliwość podgrzewania powietrza w szerokim zakresie wydajności cieplnej. Nagrzewnice tego typu charakteryzują się dość dużym zasięgiem, czyli odległością na jaką przenoszone jest ciepłe powietrze wytwarzane w urządzeniu. Największe modele posiadają zasięg ponad 30 m [9]. Po wyposażeniu nagrzewnicy w komorę mieszania, urządzenie w porze letniej jest w stanie pracować jako wentylator z płynną lub stopniową regulacją strumienia powietrza. W przypadku nagrzewnic wodnych regulacja może odbywać się w sposób automatyczny. Do tego celu używany jest najczęściej zawór regulujący na przewodzie, który doprowadza czynnik grzewczy. Obecnie produkowane, nowoczesne aparaty grzewczo-wentylacyjne, cechują się ciekawą stylistyką [10]. Produkowane są jednostki wykonane z tworzywa sztucznego, w niektórych modelach walory estetyczne podkreślają kierownice powietrza, wykonane z anodowanego aluminium. Stąd też mogą być instalowane praktycznie w każdym rodzaju pomieszczeń, dlatego coraz powszechniej stosuje się je w halach hipermarketów.

Instalacja aparatu grzewczo-wentylacyjnego powinna umożliwić łatwy demontaż. Istotne jest zatem zastosowanie zaworów odcinających czynnik grzewczy przy nagrzewnicy. Wodne nagrzewnice nadmuchowe o mocy 20÷50 kW ważą od niecałych 10 kilogramów do ponad 30 kilogramów. Waga urządzenia zależy oczywiście od mocy nagrzewnicy. Należy także pamiętać, że w niektórych przypadkach (przy pracy na powietrzu świeżym) może dojść do zamarznięcia czynnika grzewczego. By uniknąć zamarznięcia wymiennika ciepła można zastosować urządzenia zasilane mieszaniną wody i glikolu lub wyposażyć aparat w automatykę przeciwzamrożeniową. W większości nagrzewnic przewiduje się zasilanie czynnikiem grzewczym z prawej strony, dlatego należy pamiętać o wyspecyfikowaniu zasilania lewostronnego przy zamawianiu urządzenia, w przypadku konieczności zmiany strony podłączenia wody grzewczej.

Kurtyny powietrzne

(...)

Podsumowanie

Systemy HVAC montowane w obiektach handlowych są złożone ze względu na specyfikę obsługiwanych obiektów, składających się z wielu pomieszczeń o różnym przeznaczeniu, wymaganiach cieplno-wilgotnościowych oraz obciążeniach cieplnych i chłodniczych. W większości obiektów handlowych projektowane są wszystkie z wyżej wymienionych systemów i konieczna jest ich efektywna współpraca. Do dużych hal sprzedaży stosuje się centrale typu rooftop, do zaplecza biurowego klimakonwektory i centrale dostarczające powietrze pierwotne, a do magazynów aparaty grzewczo-wentylacyjne. Przy drzwiach natomiast montuje się kurtyny powietrzne. Prawidłowa praca wszystkich urządzeń w dużej mierze zależy od przyjętych na etapie projektowania założeń oraz poprawnego wykonania instalacji i montażu urządzeń. Niezbędne jest dokładne obliczenie strat ciepła i obciążeń chłodniczych a także określenie niezbędnej ilości powietrza świeżego w oparciu o zakładaną liczbę użytkowników obiektu. Dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie do instalacji dostarczającej powietrze zewnętrzne urządzeń o zmiennym przepływie powietrza, sterowanych w funkcji liczby osób lub stężenia CO² w pomieszczeniu. W przypadku galerii handlowych konieczne jest zastosowanie elastycznych systemów z dwustopniowym uzdatnianiem powietrza, które można dostosować do indywidualnych potrzeb najemcy danego lokalu.

Jak widać temat instalacji HVAC w obiektach handlowych jest złożony i z pewnością będzie jeszcze przywoływany przez autorów kolejnych artykułach.

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

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

LITERATURA:
[1] ADAMSKI B.: Monoblokowe centrale dachowe typu rooftop. Zasada działania i nowe konstrukcje (cz. 1). Rynek Instalacyjny. 7/2010.
[2] ADAMSKI B.: Centrale dachowe typu roof-top (cz. 1.). Rynek Instalacyjny. 3/2008.
[3] ADAMSKI B.: Galerie handlowe – wybór efektywnego energetycznie systemu klimatyzacji. www.klimatyzacja.pl 
[4] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Oszczędności energetyczne i ekonomiczne wynikające z zastosowania wymiennika wyparnego w klimatyzacji. Cz. 1 i 2. Chłodnictwo & Klimatyzacja. 3 i 4/2014.
[5] Materiały i pomoce projektowe producentów urządzeń dostępne w Internecie (w tym firm LG, Daikin, Geovent. GEA, Juwent, Carrier oraz innych).
[6] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Odzysk ciepła w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Cz. 1. Chłodnictwo & Klimatyzacja. 7/2013.
[7] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Odzysk ciepła w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Cz. 2. Chłodnictwo & Klimatyzacja. 11/2013.
[8] Żabicki D., Nagrzewnice z funkcją wentylacji, www.ogrzewnictwo.pl  
[9] Zduniak M., Wodne nagrzewnice nadmuchowe - pytania i odpowiedzi, www.klimatyzacja.pl 
[10] Urasiński P., Czynniki wpływające na pracę kurtyn powietrznych (cz. 1) , www.klimatyzacja.pl