W poprzednich artykułach przedstawiono najczęściej wykorzystywane systemy klimatyzacyjne w obiektach handlowych (systemy typu WLHP – Water Loop Heat Pump oraz systemy bazujące wodzie lodowej i o dwustopniowym uzdatnianiu powietrza z klimakonwektorami wentylatorowymi jako indywidualnymi urządzeniami klimatyzacyjnymi). W niniejszej, ostatniej z tej serii części dokonano prezentacji scentralizowanego systemu klimatyzacyjnego, w którym proces uzdatniania powietrza dokonywany jest w centralach dachowych typu „roof-top”. Jest to jeden, z najczęściej wykorzystywanych systemów – źródeł chłodu (obok uprzednio wymienionych) dla obiektów o przeznaczeniu handlowym (hipermarkety, galerie handlowe, itp.). Podobnie jak w poprzednich publikacjach, w artykule nie poruszono zagadnień związanych z charakterystyką cieplno-wilgotnościową tego typu obiektów, lecz skupiono się na sposobie uzdatniania powietrza i konstrukcjach urządzeń realizujących ten proces. Z uwagi na mnogość różnorodnych rozwiązań oferowanych przez producentów, w artykule zaprezentowano konstrukcję i najnowsze rozwiązania stosowane w urządzeniach oferowanych przez jednego z producentów urządzeń chłodniczych i klimatyzacyjnych. 

     Z uwagi na specyfikę pomieszczeń hipermarketów i dużych centrów handlowych najczęściej wykorzystywanymi systemami klimatyzacyjnymi są układy bazujące na scentralizowanym uzdatnianiu powietrza wentylacyjnego lub dwustopniowej obróbce powietrza nawiewanego. 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 jest kierowane do poszczególnych pomieszczeń bądź stref budynku, gdzie ulega dodatkowej obróbce w indywidualnych urządzeniach klimatyzacyjnych. Urządzenia te kształtują parametry powietrza w pomieszczeniu poprzez obróbkę powietrza obiegowego (recyrkulacyjnego) lub mieszaniny powietrza obiegowego i przygotowanego centralnie 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.

    Do urządzeń centralnie przygotowujących powietrze nawiewane, do określonych w projekcie wymaganych parametrów termodynamicznych, 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. Centralne urządzenia klimatyzacyjne typu CAV (Constant Air Volume) są przeznaczone do klimatyzacji pojedynczego pomieszczenia lub wydzielonych stref budynku o zbliżonej charakterystyce cieplno-wilgotnościowej.
     Nie ulega więc wątpliwości, iż zastosowanie pojedynczego urządzenia centralnego do uzdatniania powietrza obsługującego dużą przestrzeń handlową jest nieodzowne. Z uwagi na duże zapotrzebowanie powierzchni użytkowej w obiektach handlowych najczęściej wykorzystywanymi urządzeniami przygotowującymi centralnie powietrze zewnętrzne są właśnie monoblokowe centrale dachowe typu „roof-top”.
     W przypadku zastosowania cent ral i klimatyzacyjnej, o stałym wydatku, przeznaczonej do systemu klimatyzacji scentralizowanej, do obsługi ki lku pomieszczeń o różnych zyskach ciepła i wilgoci, z uwagi na stałą temperaturę powietrza nawiewanego zakładane (docelowe) parametry powietrza w niektórych pomieszczeniach nie zostaną zachowane. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie central typu VAV (Variable Air Volume), pracujących ze zmiennym przepływem powietrza, lecz systemy te wymagają odrębnego opracowania i z uwagi na stosunkowo rzadkie zastosowanie w omawianych obiektach, zostaną one pominięte. (...)

Główne cechy konstrukcyjne urządzeń typu „roof-top”
     Urządzenia typu „roof-top” cechują się „kompaktowością”, tzn. w ich konstrukcji przewidziane są wszystkie elementy niezbędne do pełnego procesu uzdatniania powietrza takie jak:
● wbudowany układ chłodniczy pozwala na wytworzenie „zimna” w miejscu jego wykorzystania bez konieczności zastosowania dodatkowych oziębiaczy powietrza i źródeł chłodu w postaci agregatów chłodniczych. Często wkład sprężarkowy jest wyposażony w czterodrogowy zawór umożliwiający zmianę kierunku przepływu czynnika chłodniczego („odwrócenie” obiegu chłodniczego) i pracę urządzenia w trybie pompy ciepła;
● wbudowany system grzewczy; jako dodatkowe źródło grzania wspomagające pracę układu pompy ciepła lub w pełni pokrywające zapotrzebowanie na moc grzewczą.

     Pozostałe, dodatkowe elementy są identyczne jak dla typowych modułowych central klimatyzacyjnych. Nieodłączne wyposażenie stanowi, zatem:
● system odzysku ciepła z powietrza usuwanego,
● komora mieszania powietrza świeżego z powietrzem recyrkulacyjnym z pomieszczenia,
● wentylatory: nawiewny, wywiewny (oraz sekcji wymiennika skraplacza),
● nawilżacze parowe,
● system filtracji powietrza,
● itp.

     Wszystkie wymienione elementy stanowią niezmiernie istotny punkt optymalizacyjny podczas projektowania tego typu urządzeń, który związany jest z kryterium całkowitego zużycia energii elektrycznej. Szczególnie dużą uwagę należy zwrócić na jak najwyższą sprawność wszystkich podzespołów pracujących w urządzeniu. Poniżej opisano w jaki sposób analizowany producent rozwiązał problem z energochłonnością poszczególnych komponentów central dachowych typu „roof-top”.

Wentylatory
     Nakłady kosztów związanych z wentylacją stanowią 50% całkowitych kosztów eksploatacyjnych urządzeń typu „roof-top”. Z tego względu do określonego wydatku central dachowych (18 000 m3/h) producent stosuje wentylatory o napędzie bezpośrednim z „bezszczotkowymi” silnikami prądu stałego. Silniki te pozwalają na niższe zużycie energii elektrycznej (od 20÷50%) w stosunku do tradycyjnych silników wentylatorów oraz kontrolowanie stałego wydatku powietrza wentylacyjnego. Dla wyższych wydajności stosowane są wentylatory promieniowe o wysokiej sprawności zasilane z silnika prądu zmiennego o napędzie pośrednim (pasek klinowy).
     Również wentylatory zasilane z „bezszczotkowych” silników prądu stałego wymuszają przepływ powietrza chłodzącego skraplacz. Technologia ta polega na wykorzystaniu wirnika z trwałymi magnesami w połączeniu z zabudowaną w silniku, zaawansowaną elektroniczną regulacją przełączania pola magnetycznego w stojanie. Najistotniejszym elementem jest elektroniczny sterownik, który zapewnia precyzyjną i efektywną regulację prędkości obrotowej wentylatora, a tym samym jego wydajności. Urządzenie to jest sterowane bezpośrednio poprzez automatykę agregatu, co zapewnia jego pełną integrację z innymi elementami obiegu chłodniczego. Daje to również możliwość osiągnięcia wyjątkowo wysokiej efektywności całkowitej. Ponadto, dzięki zintegrowaniu sterowania bezpośrednio w wentylatorze zagwarantowane jest doskonałe dopasowanie regulatora z wentylatorem, co nie zawsze ma miejsce w tradycyjnych układach. Wreszcie, w szczególnych warunkach lub sytuacji awaryjnej – przykładowo, gdy temperatura otoczenia osiągnie wartość wyższą od przewidywanej, sterownik przed odcięciem zasilania i zainicjowaniem alarmu rozpozna, że sytuacja jest wyjątkowa i wymusi zwiększenie obrotów powyżej wartości nominalnej. Zapewnia to dodatkową wydajność wynoszącą około 115% wartości znamionowej. Daje to możliwość zagwarantowania ciągłości pracy w warunkach, przy których tradycyjne układy chłodnicze przechodzą w tryb awaryjny.

     Ograniczenie skoków prądu podczas rozruchu osiągnięto przez zastosowanie algorytmu regulacji oraz brak szczotek przekazujących napięcie na wirnik, co znacząco redukuje naprężenia elementów, które mają szkodliwy wpływ na ich żywotność. Można przyjąć, że żywotność wentylatorów z silnikiem „bezszczotkowym” wynosi ok. 80 000 h pracy.
     Rezultat potwierdza, że w porównaniu z tradycyjnymi trójfazowymi silnikami indukcyjnymi, również z regulacją napięciową i / lub częstotliwościową, wewnętrzne straty w żelazie obniżone są o 60%, natomiast w miedzi o 40%, przy czym zużycie własne jest o około połowę niższe niż w przypadku tradycyjnej regulacji (np. falownikiem). Redukcja zużycia energii i związane z tym oszczędności kosztów, w każdych warunkach pracy są znaczące, a zwrot poniesionych nakładów następuje po niewielu miesiącach. Od momentu zwrotu nakładów osiągane oszczędności stają się czystą korzyścią ekonomiczną dla użytkownika.
     Oprócz korzyści wynikających z oszczędności energetycznych, zastosowanie wentylatorów napędzanych silnikami „bezszczotkowymi” pozwala na ogólne obniżenie poziomu dźwięku emitowanego przez urządzenie. Jest to osiągane zarówno dzięki płynnej regulacji prędkości obrotowej (prędkość wirowania wirnika jest dobierana w sposób optymalny), ale również technologii sterowania polegającej na „wycinaniu” określonych częstotliwości z zakresu regulacji i unikaniu tym samym dodatkowych wibracji i hałasów w trakcie pracy wentylatorów.

     Jednak biorąc pod uwagę koszty eksploatacyjne, największe oszczędności w zużyciu energii nie daje zastosowanie urządzeń o bardzo wysokiej sprawności, ale całkowite wyeliminowanie zbędnych odbiorników energii elektrycznej. Z tego względu producent oferuje, zależnie od potrzeb danego obiektu oraz „wizji” projektanta,

centrale dachowe w trzech podstawowych wersjach konfiguracyjnych o różnej ilości pracujących wentylatorów:
● wersja konfiguracyjna typu „A” – z jednym wentylatorem nawiewnym, pełniącym funkcję również wentylatora wyciągowego. Urządzenie nie jest wyposażone w komorę mieszania i jest przeznaczone do pracy tylko na powietrzu recyrkulacyjnym;
● wersja konfiguracyjna typu „B” (z wyrzutem powietrza usuwanego) – z jednym wentylatorem nawiewnym. Różnicę w porównaniu z wersją „A” stanowi komora mieszania. Z uwagi na stały wydatek wentylatora nawiewnego w zależności od stopnia położenia przepustnic powietrza recyrkulacyjnego i świeżego, objętość powietrza świeżego w powiet rzu nawiewanym zmienia się. Powoduje to zmianę ciśnienia w klimatyzowanym pomieszczeniu. Zakładając 100% otwarcie przepustnicy powietrza recyrkulacyjnego (0% stopień otwarcia przepustnicy powietrza świeżego) w pomieszczeniu nie panuje ani nad- jak i podciśnienie. W miarę stopniowego otwierania przepustnicy powietrza

świeżego, ilość powietrza recyrkulacyjnego zmniejsza się (przy stałym wydatku powietrza nawiewanego), co powoduje przejście ze stanu neutralnego w stan nadciśnienia panującego w pomieszczeniu. Ilość powietrza świeżego może być regulowana w funkcji temperatury („free-cooling”), stężenia CO₂ lub jakości powietrza VOC;
● wersja konfiguracyjna typu „C” (z wyrzutem powietrza usuwanego) – rozwiązanie to cechuje się dwoma wentylatorami (nawiewnym i wywiewnym) oraz komorą mieszania. Zmiana położenia przepustnicy powietrza świeżego i recyrkulacyjnego nie ma wpływu na nad- lub podciśnienie w pomieszczeniu. Jeśl i przepustnica powietrza świeżego będzie w 100% otwarta to ilość powietrza nawiewanego będzie odpowiadała strumieniowi objętościowemu powietrza zewnętrznego. Taki sam wydatek będzie odprowadzony z pomieszczenia i wyrzucony do powietrza atmosferycznego. Całkowite przymknięcie przepustnicy powietrza zewnętrznego skutkuje zmianą położenia przepustnicy powietrza wyrzucanego (0% otwarcia). Układ w takiej konfiguracji może pracować dokonując obróbki tylko powietrza recyrkulacyjnego. Każde inne położenie przepustnicy pomiędzy tymi dwiema

skrajnymi wartościami spowoduje, iż takiemu samemu położeniu przepustnicy, niezależnie czy to powietrza świeżego czy też powietrza wyrzucanego, będzie odpowiadał taki sam stopień otwarcia pozostałych przepustnic. Przyjmując, że wymagana ilość powietrza higienicznego w powietrzu nawiewanym, dla przykładu równym 10 000 m³/h, wynosi 30% (3000 m3/h), wówczas wydatek wentylatora wywiewnego wynosi również 10 000 m³/h, zaś strumień objętościowy powietrza recyrkulacyjnego i wyrzucanego do atmosfery wynosi odpowiednio: 7000 i 3000 m³/h.

     W zależności od przepływu powietrza wentylacyjnego centrali dachowej możliwe są dwie wersje konfiguracyjne, które spełniają taką samą funkcję jak opisano powyżej jednak z małą różnicą. Dla central klimatyzacyjnych dachowych cechujących się wydajnością wentylatorów do 18 000 m³/h zasadę działania przedstawiono na rysunku 7, zaś dla wydatku powyżej 18 000 m³/h na rysunku 8.

Odzysk ciepła
     Producent zrezygnował z najczęściej wykorzystywanych przez innych wytwórców wymienników ciepła typu krzyżowo-płytowego. Jak wykazały doświadczenia przeprowadzone na wielu obiektach rozwiązanie to jest bardziej energochłonne niż zastosowanie pompy ciepła typu powietrze-powietrze jako systemu odzysku ciepła z powietrza usuwanego. Dla takiego rozwiązania (pompa ciepła) wentylator wywiewny jest sterowany w funkcji temperatury skraplania. Dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskano korzystniejszą średnią temperaturę na skraplaczu, wyższą efektywność, szerszy zakres dopuszczalnych warunków pracy oraz brak dodatkowych strat ciśnienia po stronie powietrza wynikających z zastosowania krzyżowo-płytowych wymienników ciepła (tym samym znacząco redukując zużycie energii elektrycznej na potrzeby wentylacyjne). Rocznie przy zastosowaniu pompy ciepła jako systemu odzysku ciepła uzyskano 27% oszczędności energii elektrycznej w odniesieniu do krzyżowo-płytowych wymienników ciepła. Mniejsze zużycie energii elektrycznej to również większe korzyści dla środowiska naturalnego. Emisja CO2 została zmniejszona o 28% w odniesieniu do rozwiązania z wymiennikami płytowymi. Przytoczone powyżej dane dotyczą pomiarów z jednego sezonu dokonanych w centrum handlowym w Mediolanie (Włochy).
     W urządzeniach, w których ciepło jest uzyskiwane z nagrzewnicy wodnej, zasilanej gazem (LPG lub ziemnym) lub nagrzewnicy elektrycznej tylko jedna sprężarka pracuje jako pompa ciepła. W momencie załączenia pierwszego stopnia wydajności grzewczej urządzenia zostaje uruchomiony układ pompy ciepła, cechujący się wysoką efektywnością energetyczną (COP>6) a w miarę dalszego wzrostu zapotrzebowania na moc grzewczą zostaje uruchomione dodatkowe źródło grzewcze. W takim rozwiązaniu producent uzyskał ponad 25% oszczędności energii w odniesieniu do central dachowych typu „roof-top” z krzyżowopłytowym wymiennikiem odzysku ciepła.

Układ chłodniczy
     Obecnie prezentowane w Polsce na łamach czasopism branżowych tendencje producentów zmierzające ku poprawie wzrostu współczynnika efektywności energetycznej ESEER układów chłodniczych przy częściowym obciążeniu cieplnym świadczą, że zauważono problem, iż współczynnik efektywności energetycznej EER liczony dla najbardziej niekorzystnych warunków pracy, nie odzwierciedla rzeczywistej energochłonności urządzeń. Autor pragnie zwrócić uwagę, iż fakt, że przez większą część czasu urządzenia klimatyzacyjne pracują z częściowym obciążeniem cieplnym, ma duży wpływ nie tylko na projekty agregatów chłodniczych, ale i dużych central klimatyzacyjnych, jakimi są urządzenia typu „rooftop”. Można zauważyć ogólne zmierzenia producentów ku poprawie współczynników EER dla wartości chwilowych m.in. poprzez: zastosowanie najnowszych czynników chłodniczych – mieszanin zeotropowych R410A, tworzenie „asymetrycznych” obiegów chłodniczych w celu uzyskania jak najwyższej efektywności przy częściowym obciążeniu cieplnym (aż do EER>6), zastosowanie kilku sprężarek typu spiralnego („scroll”) lub w układzie „tandem” (dwie sprężarki o różnej mocy) o trzech stopniach regulacji wydajności oraz zastosowanie elektronicznych termostatycznych zaworów rozprężnych.
     Układy chłodnicze o nierównomiernym rozkładzie wydajności chłodzenia, wynikającym z zastosowania sprężarek różnej mocy oraz tradycyjnych rozwiązań porównano na przykładzie kina przeznaczonego dla 230 widzów, znajdującego się w centrum handlowym. Analizę przeprowadzono dla różnej frekwencji osób w kinie. W pierwszym przypadku sala była całkowicie wypełniona, w drugim ilość osób stanowiła 40% maksymalnego obłożenia, tj. 90 osób. Przy pełnej frekwencji ilość powietrza świeżego stanowiła 80% udziału w powietrzu nawiewanym zaś przy niskiej frekwencji strumień objętościowy powietrza świeżego stanowił 30% udziału w powietrzu nawiewanym do pomieszczenia.
     Po zweryfikowaniu wyników stwierdzono, że zużycie energii elektrycznej związane z zastosowaniem „asymetrycznego” układu chłodniczego zostało zredukowane o 36% w odniesieniu do tradycyjnych rozwiązań.

System filtracyjny (...)
Obudowa (...)

System grzewczy
     W okresie przejściowym i zimowym niezbędne jest podgrzanie powietrza nawiewanego do wymaganej temperatury pozwalającej na pokrycie strat ciepła klimatyzowanego pomieszczenia (lub w celu uzyskania określonych parametrów powietrza za chłodnicą bezpośredniego odparowania w okresie letnim). Źródła i nośniki energii grzewczej są, z małym wyjątkiem, identyczne jak dla typowych central klimatyzacyjnych. Wbudowany układ chłodniczy w centralach dachowych typu „rooftop” umożliwia również przekazywanie części ciepła skraplania do powietrza nawiewanego w okresie letnim, gdy chłodnica bezpośredniego odparowania czynnika chłodniczego w tym układzie jest wykorzystywana do procesu osuszania powietrza. Efektywność energetyczna takiego układu zwiększa się, bo „zysk” stanowi zarówno wydajność chłodnicza jak i grzewcza uzyskana kosztem takiego samego zużycia energii. Opcjonalnie w zależności od wymagań stosowane są następujące źródła i elementy grzewcze:
● pompa ciepła, która jest załączana zależnie od temperatury zewnętrznej i wymaganej objętości powietrza świeżego;
● nagrzewnica wodna z standardowym trójdrogowym zaworem regulacyjnym, w której woda grzewcza jest podgrzewana w centralnym kotle i rozprowadzona przez system dystrybucyjny wody grzewczej;
● nagrzewnica gazowa typu kondensacyjnego o sprawności 105% (po uwzględnieniu ciepła utajonego powstałego w wyniku kondensacji). Wydajność grzewcza proponowanych rozwiązań producenta zawiera się w granicach od 50 do 300 kW;
● Nagrzewnice elektryczne, zazwyczaj zintegrowane i wspomagające pracę układu pompy ciepła.

Opis typoszeregów urządzeń oferowanych przez analizowanego producenta

„Roof-topy” dla pomieszczeń o dużym zagęszczeniu osób (...)
„Roof-topy” z wbudowanym wkładem sprężarkowym typu woda-powietrze (...)
“Roof-topy” z aktywnym odzyskiem ciepła i pracujące z całkowitym udziałem powietrza świeżego (...)

Podsumowanie
     W ostatniej części cyklu publikacji dokonano przeglądu najnowszych rozwiązań stosowanych w centralach wentylacyjnych typu „roof-top”. Jest to jedno z trzech najczęściej stosowanych „źródeł chłodu” w obiektach typu handlowego. W artykule zaprezentowano rozwiązania stosowane przez jednego z producentów oraz przedstawiono, w jakim kierunku zmierzają tendencje w projektowaniu tego typu urządzeń przez światowych wytwórców. To „światowi producenci” Rys. 21. Proponowane przez producenta monoblokowe urządzenie pracujące na 100% udziale powietrza świeżego z wbudowanym wkładem sprężarkowym typu powietrze-powietrze jako systemem odzysku ciepła/”zimna” z powietrza usuwanego we współpracy ze „środowiskiem naukowym” dokonują wdrożeń nowych rozwiązań w zakresie urządzeń klimatyzacyjnych. Od projektantów, inwestorów, firm wykonawczych, użytkowników klimatyzowanych pomieszczeń zależy tylko jak szybko rozwiązania te zaczną być powszechnie stosowane. Stosowanie nowoczesnych urządzeń ma znaczący wpływ na redukcję zużycia energii elektrycznej, co jest korzystne zarówno dla środowiska naturalnego, jak też dla samych użytkowników (mniejsze wydatki związanych z eksploatacją).