Systemy i urządzenia wentylacyjno-klimatyzacyjne mają zapewnić wymagane parametry i czystość powietrza oraz jego wymianę. Pomieszczenia biurowe obarczone są zazwyczaj dużymi zyskami ciepła. W celu ich odebrania stosowane są systemy powietrzne lub powietrzno-wodne lub wykorzystujące powietrze i czynnik chłodniczy. 

Zyski ciepła odbierane są przez chłodne powietrze lub przez zimną wodę/czynnik chłodniczy płynący przez wymiennik ciepła i powietrze. Do takich urządzeń należą powszechnie stosowane klimatyzatory i klimakonwektory, jak również belki i panele chłodzące. Ich praca musi być uzupełniona o doprowadzenie powietrza zewnętrznego w ilości minimalnej, tzw. higienicznej, określonej za pomocą wymagań zamieszczonych w odpowiednich dokumentach prawnych. Z powodu zmienności obciążeń cieplnych pomieszczeń, korzystne jest stosowanie instalacji powietrznych ze zmiennym przepływem powietrza (VAV) lub urządzeń klimatyzacyjnych ze zmiennym przepływem czynnika chłodzącego (VRF). Ze względu na konieczność zapewnienia całorocznego utrzymania wymaganych parametrów powietrza, systemy powinny pracować nie tylko w celu chłodzenia, lecz także ogrzewania powietrza.

Systemy i urządzenia wentylacji i klimatyzacji w biurach

Systemy i urządzenia wentylacji i klimatyzacji obsługujące pomieszczenia biurowe można podzielić ze względu na: 

• sposób działania (scentralizowane lub zdecentralizowane), 
• liczbę i rodzaj czynników odprowadzających ciepło, 
• stały lub zmienny przepływ powietrza, 
• realizację procesu chłodzenia powietrza (bezpośrednie lub pośrednie odparowanie czynnika chłodniczego), 
• stały lub zmienny przepływ czynnika chłodniczego.

Stosowanie zdecentralizowanych (indywidualnych) systemów pozwala m.in. na zmniejszenie powierzchni technicznych wykorzystanych przez systemy wentylacji i klimatyzacji, przez co odzyskuje się bardzo cenne powierzchnie biurowe oraz uzyskuje się lepsze dostosowanie działania urządzeń wentylacyjnych do aktualnych warunków i czasu pracy w różnych strefach biurowca, pełniących odmienne funkcje lub należących do różnych użytkowników. Taki system zapewnia również łatwiejsze rozliczenie z najemcami powierzchni [3].

Urządzenia i systemy doprowadzające powietrze można podzielić na systemy o stałym (CAV) i zmiennym przepływie powietrza (VAV). Wśród systemów VAV można wyróżnić systemy sterowane aktualnym stężeniem CO₂, nazywane Demand Controlled Ventilation − wentylacją zależną od potrzeb lub, potocznie, wentylacją na żądanie.

W załączniku A w normie PN-EN 13779:2012P [7], zatytułowanym „Wytyczne dobrej praktyki”, zwrócono uwagę, że przystosowanie pracy wentylacji do rzeczywistych potrzeb może bardzo znacznie zmniejszyć zużycie energii przez instalacje wentylacyjno-klimatyzacyjne. Przy zmiennym strumieniu powietrza uzyskuje się znaczne oszczędności w poborze mocy przez wentylator oraz w wydajności chłodniczej i grzewczej urządzeń − szczególnie podczas pracy systemu przy jego niepełnym obciążeniu.

Takie rozwiązanie będzie wkrótce wymagane na mocy znowelizowanego rozporządzenia w sprawie warunków technicznych…[ 9]. Zapisano w § 148 ust. 5, że „Instalacja wentylacji hybrydowej, wentylacji mechanicznej wywiewnej oraz nawiewno-wywiewnej powinna mieć regulację wentylatorów zapewniającą dostosowanie ich wydajności powietrznej do potrzeb.^*

Praca systemów VAV w biurach najczęściej jest sterowana czujnikami CO₂. Ilość CO₂ jest bezspornym wskaźnikiem obecności określonej liczby osób w danym pomieszczeniu. W przypadku certyfikacji wielokryterialnej budynku w systemie LEED, monitoring stężenia CO₂ dla liczby osób w pomieszczeniu powyżej 25 osób na 100 m2 jest dodatkowo punktowanym atutem.

Fot. 1. Sufi towa belka chłodząca DISA-300 [fot. Schako]

Innym sposobem klasyfi kacji systemów i urządzeń wentylacyjnych jest ich podział w zależności od liczby i rodzaju czynników odprowadzających ciepło. Zazwyczaj rozróżnia się systemy powietrzne i powietrzno-wodne oraz wykorzystujące powietrze i czynnik chłodniczy (powietrzno – freonowe). W systemach powietrznych za oba zadania – odebranie zysków ciepła i wymianę powietrza odpowiada jeden czynnik, w pozostałych dwóch – ciepło odprowadza przede wszystkim woda lub czynnik chłodniczy, choć też częściowo powietrze, a wymiana powietrza spełnia wymagania związane z tzw. minimum higienicznym.

W przypadku budynków biurowych ze względu na występujące bardzo duże zyski ciepła rozwiązanie dwuczynnikowe jest obecnie często stosowane. Jeżeli zyski ciepła wynoszą ponad 80 W/m2 [11], problemem staje się ich odebranie jedynie za pomocą chłodnego powietrza. W takim przypadku konieczne byłoby dostarczenie do pomieszczenia bardzo dużych strumieni powietrza nawiewanego, o bardzo niskiej temperaturze. Konsekwencją, poza nieprzyjemnym dla użytkowników przeciągiem powodowanym przepływem dużej masy chłodnego powietrza, byłyby wysokie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne wynikające ze zwiększonego zużycia energii na przygotowanie powietrza, dużych urządzeń wentylacyjnych (nawiewniki, wywiewniki, centrala klimatyzacyjna), dużych wymiarów poprzecznych przewodów wentylacyjnych oraz większej powierzchni maszynowni klimatyzacyjnej (przygotowanie powietrza w ilości pozwalającej na odprowadzenie wszystkich zysków ciepła, a nie tylko minimalnego strumienia wynikającego z wymagań higienicznych obsługiwanych pomieszczeń) oraz pozostałych przestrzeni technicznych, przez które prowadzone są instalacje wentylacji. Zastosowanie do odbierania zysków ciepła zarówno płynącej przez wężownice chłodnicy zamontowanej w urządzeniu wody lub czynnika chłodniczego, jak i powietrza nawiewanego prowadzi do zmniejszenia wymiarów instalacji klimatyzacyjnych. W oparciu o obliczenia przedstawione w [9], można zauważyć, że gdy obciążenie chłodnicze pomieszczenia biurowego wynosi 80 W/m2, stosując system powietrzno-wodny uzyska się następujące udziały obu czynników w asymilacji ciepła przez: 

• powietrze o różnicy temperatury powietrza wewnętrznego i nawiewanego 10 K: 18÷26 W/m2,
• obieg wodny: 54÷62 W/m2 (co stanowi, odpowiednio, 68% i 88% obciążenia chłodniczego).

Fot. 2. Sufi towa belka chłodząca DISA-601 [fot. Schako] 

Belki chłodzące

(...)

Klimakonwektory

Fot. 6. Klimakonwektor BRIO [fot. Elektronika SA]

(...)

Klimatyzatory

(...)

Systemy ze zmiennym przepływem czynnika chłodzącego

Energooszczędny system VRF ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego (Variable Refrigeration Flow) to kolejne udoskonalenie klimatyzatorów. Pompa ciepła w sposób ciągły dostosowuje objętość czynnika chłodniczego w układzie tak,  aby ściśle odpowiadała bieżącym wymaganiom ogrzewania lub chłodzenia w każdej przestrzeni, dla zapewnienia optymalnego komfortu oraz maksymalnej efektywności energetycznej. W ramach tego systemu mogą pracować jednostki wentylacyjne z odzyskiem ciepła, co jeszcze bardziej zwiększa energooszczędność układu VRF [2].

Dzięki miedzianej instalacji o niewielkiej średnicy, którą doprowadzany jest czynnik chłodniczy, jest to idealny system do modernizacji już istniejących budynków, które nie miały wcześniej instalacji chłodniczej [11].

Jest to system przeznaczony dla większych obiektów, wymagających stworzenia rozległej instalacji wentylacji, chłodzenia i ogrzewania pomieszczeń (zainstalowanie do kilkudziesięciu jednostek wewnętrznych różnych typów, długość rur łącząca je z jednostkami zewnętrznymi nawet do 1000 metrów), charakteryzujący się dużą elastycznością budowy i użytkowania, umożliwiający indywidualne (w danym pomieszczeniu lub obszarze) lub centralne sterowanie urządzeniami [4]. System może być stosowany w wysokich budynkach (pionowa odległość pomiędzy jednostką zewnętrzną a wewnętrzną − około 80 m [1]), w szerokim zakresie temperatury powietrza zewnętrznego: ogrzewanie od około -20 do +21°C, chłodzenie od -15 do około 43°C [1].

Podstawowe elementy instalacji klimatyzacji typu VRF są takie same jak dla standardowych układów klimatyzacji typu split. W pomieszczeniach znajdują się jednostki wewnętrzne, które u większości producentów są dostępne w takich samych modelach jak dla układów typu split. Ilość przepływającego przez nie czynnika regulują sprężarki inwerterowe.

Fot. 7. VRF ‒ jednostki zewnętrzne [fot. Wikimedia]

W zależności od miejsca montażu można wyróżnić następujące jednostki wewnętrzne: ścienne, ścienno-przysufitowe, kasetonowe, przysufi towe, przypodłogowe i kanałowe.

Właściwe zaprojektowanie systemu VRF wymaga, jak dla wszystkich systemów klimatyzacji, dokładnego obliczenia charakterystyki cieplnej pomieszczeń.

Rozległość instalacji VRF posiada kilka ograniczeń [1]: 

• czynna długość rur czynnika chłodniczego (odległość najdalszej jednostki wewnętrznej od jednostki zewnętrznej) do 150 m; 
• różnica wysokości pomiędzy jednostkami, gdy: – zewnętrzna znajduje się nad wewnętrznymi do 50 m, – wewnętrzna znajduje się nad zewnętrzną do 40 m; 
• różnica poziomów między jednostkami wewnętrznymi do 15 m.

Zalety systemu VRF to m.in. [1]: 

• zwiększony komfort w klimatyzowanych pomieszczeniach (regulacja indywidualna „na życzenie”, precyzyjna kontrola temperatury w pomieszczeniu z uwagi na płynną regulację prędkości obrotowej wirnika sprężarki oraz zastosowanie elektronicznych zaworów rozprężnych, niska głośność jednostek wewnętrznych i zewnętrznych); 
• wysoka niezawodność (zamienna praca sprężarek, płynny rozruch, kontynuacja pracy, nawet w momencie awarii sprężarki lub jednostki wewnętrznej, optymalna kontrola oleju niewymagająca zastosowania syfonów i kontrasyfonów na instalacji czynnika chłodniczego, zdalny monitoring); 
• wyższe wartości współczynników efektywności energetycznej EER z uwagi na płynną regulację prędkości obrotowej sprężarki w jednostce nadrzędnej gwarantującej idealne dopasowanie wydajności chłodniczej systemu do obciążenia cieplnego budynku; 
• wysoka efektywność energetyczna (brak cieczy pośredniczących w systemie, płynna regulacja prędkości obrotowej sprężarki); 
• uproszczone projektowanie i montaż;
• zastosowanie w budynkach modernizowanych.

Wady systemu VRF to m.in. [1]: 

• w przypadku nieszczelności instalacji czynnika chłodniczego wymagają ponownego całkowitego napełnienia czynnikiem chłodniczym z uwagi na fakt zastosowania mieszanin zeotropowych (R407C, R410A) cechujących się innym składem objętościowym poszczególnych składników mieszaniny w określonej temperaturze; 
• prowadzenie instalacji czynnika chłodniczego podlega obostrzeniom prawnym (maksymalna ilość czynnika w pomieszczeniu), dotyczy to w szczególności rozległych instalacji i może w przyszłości takie rozwiązanie wymagać dodatkowych opłat środowiskowych; 
• szerszy zakres wydajności chłodniczych systemów wodnych niż proponowanych przez producentów systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego ograniczających zastosowanie VRF do obiektów o małej i średniej kubaturze; 
• wyższe koszty inwestycyjne związane z zakupem urządzeń

Podsumowanie

W artykule opisano wybrane urządzenia i systemy wentylacji i klimatyzacji stosowane w pomieszczeniach biurowych. W każdym z nich znaleźć można zarówno zalety, jak i wady. Dlatego też każdorazowo decyzja podejmowana przez projektanta systemów wentylacji i klimatyzacji musi być poprzedzona staranną analizą przeznaczenia, sposobu wykorzystania i cech charakteryzujących budynek oraz potrzeb i wymagań użytkowników.

 dr inż. Anna CHARKOWSKA
– Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa,
Wydział Instalacji Budowlanych,
Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska
Politechniki Warszawskiej

LITERATURA:

[1] ADAMSKI B.: Systemy schładzania powietrza ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego. Rynek Instalacyjny. 5/2008.

[2] CHARKOWSKA A.: Energooszczędne rozwiązania w wentylacji i klimatyzacji. Vademecum. Katalog Inżyniera. 2015.

[3] GOŁAWSKA G.: Wentylacja i klimatyzacja w nowoczesnych budynkach biurowych. 2010. http://www.chlodnictwo.biz 

[4] http://klimatyzacjahitachi.pl/

[5] http://www.htk-went.pl/

[6] Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2015 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, DzU 2015. 1422.

[7] PN-EN 13779: 2008P, Wentylacja budynków niemieszkalnych − Wymagania dotyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji.

[8] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z 2016 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (projekt z dn. 6.03.2017 r.).

[9] Systemy powietrzno-wodne w wentylacji i klimatyzacji. Poradnik projektanta. Trox Technic. 2009.

[10] Systemy VRV i VRF. http://www.rir.com.pl/systemy-VRV-i-VRF.html

[11] Wiadomości teoretyczne. Swegon.

[12] WOJTAS K. i in.: Klimakonwektory wentylatorowe − Poradnik projektanta. CIAT Sp. z o.o. Grapus. Szczecin, 2007.

[13] www.clima-comfort.com.pl

[14] www.swegon.com

[15] ZALEWSKI M.: Z doświadczenia praktyka – dobieramy klimatyzator. InstalReporter. sierpień 2011. s.12-14.