Dotychczasowe publikacje autora były zazwyczaj poświęcone zagadnieniom związanym z efektywną pracą agregatów chłodniczych jako najbardziej energochłonnych elementów systemu klimatyzacyjnego. Inne poruszane przez autora zagadnienia dotyczyły ogólnych informacji dotyczących efektywności energetycznej systemów klimatyzacji. W niniejszej publikacji autor pragnie zwrócić raz jeszcze uwagę na potrzeby nowoczesnych obiektów, ale pod kątem rozwiązań konstrukcyjnych oraz pracy central klimatyzacyjnych.

Każdy system wymaga zwrócenia uwagi nie na jeden, wybrany element systemu klimatyzacji, ale na jego logicznie uzupełniającą się wzajemnie całość. Z uwagi, iż publikacjom autora towarzyszą często duże emocje czytelników, autor raz jeszcze pragnie zwrócić uwagę, że poruszane zagadnienia są tylko i wyłącznie subiektywnymi spostrzeżeniami autora. To projektanci, instalatorzy, inwestorzy podejmują decyzje związane z wyborem systemu i rozwiązaniem systemu klimatyzacyjnego. Celem autora jest tylko i wyłącznie, by poruszan  informacje „poszerzyły horyzonty” zainteresowanych, bądź okazały się dla nich przydatne przy weryfi kacji danego rozwiązania.

Nie ma jednakowych budynków

Można zauważyć, że idealny i uniwersalny system klimatyzacyjny nie istnieje. Dzieje się tak, gdyż większość budynków ma całkiem odmienne cechy i charakterystykę. Autor swego czasu poruszał tego typu zagadnienia oraz wspominał o konieczności dopasowania systemu klimatyzacji do cech charakterystycznych obiektów, w jakich mają się one znajdować.

Wiele budynków posiada zróżnicowane cechy, które należy uwzględnić przy wyborze systemu klimatyzacyjnego. Dostępne na rynku są coraz bardzie zawansowane technologie, które posiadają możliwości dopasowania np. rozwiązania źródła chłodu do kilku, a nie jednej cechy obiektu.

Dla przykładu wymieńmy kilka przykładowych budynków i ich cechy charakterystyczne: 

Budynki mieszkaniowe – stosunkowo nieduże obciążenie cieplne, brak konieczności jednoczesnej produkcji ciepła i chłodu, umiarkowane zapotrzebowanie na powietrze świeże, duże zapotrzebowanie na produkcję c.w.u.

Rys. 1. Charakterystyka budynków mieszkaniowych

Galerie handlowe – bardzo wysokie obciążenia cieplne, długie okresy, kiedy występuje konieczność produkcji ciepła i chłodu w tym samym czasie, umiarkowane zapotrzebowanie na powietrze świeże, małe stosunkowo zapotrzebowanie ciepła na potrzeby c.w.u.

Rys. 2. Charakterystyka galerii handlowych

Kina i teatry – stosunkowo nieduże obciążenia cieplne, umiarkowana konieczność jednoczesnej produkcji ciepła i chłodu, bardzo wysokie zapotrzebowanie na powietrze świeże, nieduże zapotrzebowanie na produkcję c.w.u.

Rys. 3. Charakterystyka kin i teatrów

Biura – zwiększone obciążenie cieplne, wysoka konieczność produkcji ciepła  i chłodu w tym samym czasie, umiarkowane zapotrzebowanie na powietrze świeże, zmniejszone zapotrzebowanie na produkcję c.w.u.

Rys. 4. Charakterystyka biur

Szpitale – nieduże obciążenia cieplne, umiarkowana konieczność jednoczesnej produkcji ciepła i chłodu (symultaniczność), umiarkowane zapotrzebowanie na powietrze świeże, wysokie wymagania na produkcję c.w.u.

Rys. 5. Charakterystyka szpitali

Patrząc na powyższe opisy, można odnieść słuszne wrażenie, że nieodłącznym elementem systemu klimatyzacyjnego jest z pewnością doprowadzenie powietrza świeżego za pomocą central klimatyzacyjnych, któremu towarzyszy dodatkowe zapotrzebowanie budynków na moc chłodniczą, grzewczą, bądź ciepło na potrzeby c.w.u.

Nowe konstrukcje rozwiązań urządzeń klimatyzacyjnych pozwalają na spełnienie kilku tych wymagań jednocześnie. Przykładem takich rozwiązań są np. najnowsze konstrukcje central wentylacyjnych pozwalających jednocześnie na odzysk ciepła, produkcję ciepła i chłodu oraz doprowadzenie powietrza świeżego. Za inny przykład mogą posłużyć również rozwiązania multi-funkcyjne sprężarkowych agregatów chłodniczych.

Zatem źródło chłodu to nie tylko sprężarkowy zewnętrzny agregat chłodniczy. Wysoka efektywność energetyczna źródła chłodu to nie tylko „suchy parametr” EER czy ESEER. Obecnie można zauważyć, że wielu producentów podążą za samą ideologią jak najwyższej wartości wskaźnika ESEER, co jest obecnie aktualnym trendem na rynku. Czy słusznie? O tym w dalszej części tekstu.

Tradycyjne rozwiązania źródła chłodu dla central klimatyzacyjnych

Tradycyjne rozwiązania źródła chłodu zazwyczaj opierają się na zastosowaniu sprężarkowego agregatu chłodniczego (tutaj występuje mnogość rozwiązań: agregaty chłodzone powietrzem do montażu zewnętrznego, agregaty chłodzone powietrzem do montażu wewnętrznego, agregaty chłodzone cieczą, agregaty przeznaczone do współpracy ze zdalnym skraplaczem itp.). Agregaty te połączone z chłodnicą w centrali klimatyzacyjnej instalacją hydrauliczną dostarczają wodę ziębniczą o odpowiednich parametrach.

Za inny typowy układ rozwiązania źródła chłodu mogą posłużyć sprężarkowe agregaty skraplające. Agregaty skraplające dostarczają skroplony czynnik chłodniczy o niskiej temperaturze i ciśnieniu do chłodnicy freonowej. Czynnik chłodniczy odparowuje, pobierając ciepło od schładzanego powietrza. Tym samym powietrze na chłodnicy ulega schłodzeniu i osuszeniu.

Parametry na chłodnicy zarówno wodnej jak i „freonowej” wynikają z pewnych procesów i wymagań systemu klimatyzacyjnego. Wymagane parametry cieczy zasilającej oraz temperatury odparowania czynnika ziębniczego można odczytać przykładowo z wykresu h-x powietrza wilgotnego (Molliera) na podstawie wymaganej temperatury ścianki powierzchni chłodnicy.

Jednak można zauważyć, że im wyższe parametry czynników zostaną przyjęte, tym wyższą efektywnością energetyczną i kosztami eksploatacyjnymi będzie się cechowało źródło chłodu.

Czy zawsze warto stosować agregaty o najwyższych wskaźnikach ESEER?

Wielokrotnie na łamach różnych czasopism autor faworyzował źródło chłodu w postaci sprężarkowych agregatów chłodniczych, cechujące się wysokimi wartościami wskaźników ESEER. Należy jednak wspomnieć, że każdorazowo autor odnosił się do dwóch technologii: najbardziej popularnej konstrukcji agregatów wyposażonych w tradycyjne sprężarki śrubowe regulowane suwakiem oraz te nowoczesne konstrukcje typu multi-scroll (zawierające układy chłodnicze wielosprężarkowe i wieloobiegowe).

Porównanie takie miało sens, gdyż wysokie wartości wskaźników ESEER (i inne cechy np. mniej problematyczna wymiana sprężarki w przypadku awarii, gabaryty itp.) osiągane przez agregaty w technologii multi-scroll szły w parze z porównywalną, bądź niższą, ceną zakupu, w stosunku do agregatów opartych na sprężarkach śrubowych.

Obecnie jak autor zauważył na rynku pojawiły się doskonalsze konstrukcje agregatów pozwalających na osiągnięcie jeszcze wyższych wartości wskaźników ESEER w stosunku do technologii multi-scroll.

Rozwiązanie te są obarczone bardzo dużą wadą: wysokimi kosztami inwestycyjnymi związanymi z ich zakupem.

Do takich rozwiązań mogą należeć agregaty chłodnicze wyposażone w sprężarki śrubowe sterowane inwerterem oraz technologie oparte na sprężarkach typu Turbocor (bezłożyskowe sprężarki odśrodkowe).

Według autora inżynier technolog procesów klimatyzacyjnych w Polsce powinien oprócz weryfi kacji zagadnień czysto technicznych posługiwać się również analizą kosztów inwestycyjnych. W wielu projektach pomijane są zagadnienia kosztów, a mają one niebagatelne znaczenie dla inwestora, który zleca projekt systemu projektantowi.

Pytanie jest zasadnicze: jaki jest sens zastosowania technologii, które nigdy się nie zwrócą w stosunku do tych obecnych dostępnych na rynku?

(...)

Nowe konstrukcje rozwiązań źródła chłodu dla central klimatyzacyjnych 

Jednym z kluczowych priorytetów i wymagań przy projektowaniu nowoczesnych urządzeń klimatyzacyjnych jest „decentralizacja” systemu klimatyzacyjnego.

Tradycyjne systemy klimatyzacyjne są projektowane w oparciu o zasadę np. jednej zbiorczej dużej centrali, która tłoczy powietrze do nawet najbardziej oddalonych pomieszczeń. Wiąże się to z wysokimi kosztami transportu powietrza na znaczne odległości.

Podobnie jest ze scentralizowanymi systemami produkcji chłodu i ciepła. Urządzenia te zapewniają właściwe parametry mediów pośredniczących, ale z uwagi na centralne umieszczenie maszynowni zarówno chłód jak ciepło muszą być transportowane do najbardziej oddalonych odbiorników ciepła i chłodu w budynku.

Rozwiązaniem na wysokie koszty pompowania zarówno powietrza jak i cieczy jest decentralizacja systemów klimatyzacji. Idealne rozwiązania polegają na produkcji ciepła i chłodu, w miejscu, gdzie jest na nie zapotrzebowanie.

Jednymi z takich rozwiązań są najnowsze propozycje w zakresie central klimatyzacyjnych dostarczających powietrze świeże (rys. 9.). Zasadniczym elementem konstrukcyjnym tego typu central jest układ pompy ciepła (przez jednego z producentów zwany również termodynamicznym odzyskiem ciepła). Pompa ciepła realizuje funkcje chłodzenia, grzania, odzysku ciepła.

Rys. 9. Schemat zasady działania nowoczesnej konstrukcji centrali powietrza świeżego. OA – świeże powietrze zewnętrzne, RA – powietrze zasysane z pomieszczenia, SA – powietrze nawiewane, EX – powietrze usuwane na zewnątrz do atmosfery. Konstrukcja oparta kolejno na fi ltrach klasy G4 jako wstępnej metodzie fi ltracji, fi ltrze elektrostatycznym klasy H10 o niskich oporach po stronie przepływu powietrza (30 Pa), wstępnym odzysku ciepła bazującego na sprzężonych glikolowych wymiennikach odzysku ciepła, układzie rewersyjnej pompy ciepła (realizującej odzysk ciepła, chłodzenie i grzanie), nagrzewnicy wtórnej gorącego gazu. Centrala wyposażona w wentylatory typu bezszczotkowego

Rozwiązanie to pozwala zatem na doprowadzenie powietrza świeżego oraz „produkcję chłodu i ciepła” w miejscu, w którym jest na nie zapotrzebowanie. Zastosowanie kilku takich central na obiekcie pozwala na decentralizację systemu i niweluje koszty związane z transportem ciepła i chłodu jak również świeżego powietrza. Patrząc pod kątem rurociągów doprowadzających wodę ziębniczą i grzewczą, to tak naprawdę takie w ogóle nie występują. Zastosowanie nowoczesnej konstrukcji całkowicie eliminuje konieczność stosowania rurociągów. Wszystkie niezbędne elementy są zabudowane w konstrukcji centrali.

Wykorzystanie układu pompy ciepła pozwala wykorzystać pokłady darmowego ciepła usuwane z powietrzem zużytym z pomieszczenia. Warunki pracy obydwu wymienników parowacza i skraplacza zarówno w normalnym jak i rewersyjnym cyklu pracy są bardzo korzystne i pozwalają na uzyskanie bardzo wysokich wskaźników efektywności energetycznej EER i COP. Efektywności EER dla warunków pełnego obciążenia wynoszą od 6,0 do 9,0 w pełnym zakresie występowania temperatury zewnętrznej, a wartości COP dla trybu grzania wynoszą nawet 7,0 do 9,0. Są to wartości nie do osiągnięcia przy zastosowaniu tradycyjnych układów chłodniczych i grzewczych.

Ciekawym energooszczędnym rozwiązaniem wydaje się być zastosowanie tzw. nagrzewnicy wtórnej gorącego gazu. Rozwiązanie to jest bardzo przydatne, gdy zadaniem centrali oprócz regulacji samej temperatury powietrza nawiewanego jest również regulacja wilgotności powietrza. Na chłodnicy bezpośredniego odparowania w okresie letnim jest realizowany proces osuszania powietrza. Powietrze to posiada na wyjściu z chłodnicy wymaganą niską zawartość wilgoci (niska wilgotność bezwzględna w g/kg p.s.), ale również niską temperaturę jako efekt uboczny realizacji procesu osuszania na tymże wymienniku. W celu utrzymania zadanej wilgoci, ale również podgrzania powietrza do zadanej temperatury nawiewu wykorzystywane są tzw. nagrzewnice wtórne. Tutaj zadanie to pełni właśnie nagrzewnica wtórna gorącego gazu. Zasilana jest ona gorącymi parami czynnika chłodniczego odparowanego na chłodnicy bezpośredniego odparowania i podgrzanymi poprzez pracę sprężarki. Ciepło to zamiast być przekazywane na skraplaczu umieszczonym w strumieniu powietrza usuwanego bezpośrednio, przekazuje to ciepło do nagrzewnicy wtórnej. Efektywność takiego układu zwiększa się, bo mówimy teraz o sprawności ogólnej takiego układu. Efektem użytecznym jest sumaryczna moc cieplna i chłodnicza zaś kosztem praca sprężarki, która tak i tak jest wykorzystywana w procesie osuszania/ chłodzenia powietrza. Ciepło to również tutaj jest przekazywane bezpośrednio, bez zastosowania instalacji i pomp pośredniczących, jak to ma miejsce w przypadku zastosowania wymienników częściowego bądź całkowitego odzysku ciepła skraplania w tradycyjnych agregatach wody ziębniczej.

W celu poszerzenia zakresu pracy układu pompy ciepła, jako wstępny odzysk ciepła szczególnie korzystne wydaje się być zastosowanie glikolowych sprzężonych wymienników odzysku ciepła. Pomimo pozornej według wielu publikacji, niskiej sprawności takiego układu, rozwiązanie to cechuje się niskimi oporami po stronie przepływu powietrza. Podobnie niskimi oporami cechują się fi ltry elektrostatyczne, które posiadają stopień fi ltracji klasy H10 przy bardzo niskich oporach po stronie przepływu powietrza rzędu 30 Pa. Tradycyjne rozwiązania takiej klasy fi ltracji cechują się oporami po stronie powietrza rzędu 300 Pa. Niższej klasy popularne fi ltry kieszeniowe F7 to opory rzędu około 200 Pa. Wszystkie elementy nowoczesnej centrali zostały zoptymalizowane pod kątem niskich oporów wewnątrz centrali, co w rezultacie pozwala na osiągnięcie współczynników SFP 0,7 do 0,8, czyli na poziomie około połowy wartości dopuszczenia według rozporządzenia ministra infrastruktury.

Tradycyjne rozwiązania cechują się bardzo wysokimi oporami po stronie przepływu powietrza wewnątrz centrali, co nie pozwala na uzyskanie satysfakcjonujących wartości współczynników SFP. 

Powyższe rozwiązania powoli stają się rozwijane również przez innych producentów. Analizy tego typu układów będą przedmiotem dalszych prac autora.

Rozwiązania multi-funkcyjne agregatów chłodniczych

(...)

Podsumowanie

W artykule przedstawiono zagadnienia związane z produkcją chłodu na potrzeby central klimatyzacyjnych. Omówiono zagadnienia związane z koniecznością weryfi kacji kosztów zakupu nowych konstrukcji agregatów chłodniczych i ich czasu zwrotu jako tradycyjnych źródeł chłodu. Zastosowanie technologii droższych od tradycyjnych dostępnych na rynku rozwiązań wymaga przeprowadzenia takiej analizy. Omówiono nowe konstrukcje central do przygotowania powietrza świeżego zawierające w sobie układ pompy ciepła jako systemu odzysku ciepła i chłodząco- grzewczego wraz z układem wstępnego odzysku ciepła z wykorzystaniem sprzężonych glikolowych wymienników odzysku ciepła. W artykule poruszono również zagadnienia związane z potrzebami nowoczesnych budynków oraz konieczność analizy ogólnej charakterystyki obiektu przy doborze urządzeń w tym nowoczesnych konstrukcji – wielofunkcyjnych agregatów chłodniczych.

Bartłomiej ADAMSKI

PZITS Oddział Kraków

Bartłomiej ADAMSKI

LITERATURA:

[1] B. ADAMSKI: Nowoczesne urządzenia i systemy klimatyzacyjne. Medium.