Sufity chłodzące

W nowocześnie wyposażonych biurach, pomimo zastosowania optymalnych rozwiązań z zakresu techniki klimatyzacyjnej, na skutek zewnętrznych i wewnętrznych zysków ciepła panują często temperatury przekraczające 26°C. Warunki takie występować mogą nawet przez 400 godzin pracy w roku. Z kolei wyniki badań przeprowadzonych w USA i Skandynawii wskazują, że zdolność do wykonywania pracy umysłowej maleje o 75% w temperaturze powyżej 28°C.

Promieniowanie

Przypomnijmy, że energia cieplna wymieniana może być na trzy sposoby. Są to: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie. Promieniowanie cieplne (podczerwone) emitowane i absorbowane jest przez ciała stałe, płyny oraz niektóre gazy. Na promieniowanie składają się fale elektromagnetyczne o długości λ_o= 0,8–800 µm. Emisję ciepła E ciała czarnego można obliczyć na podstawie wzoru Stefana-Boltzmanna:

gdzie:
A – powierzchnia emisji [m2],
σ – współczynnik proporcjonalności [W/m2K4],
θ – temperatura absolutna [K].

Współczynnik proporcjonalności σ = 5,67 10–8 [W/m2K4] dotyczy jedynie ciała czarnego jako emitora. Stosunek emisji realnych materiałów do emisji ciała czarnego zawarty został we współczynniku ε < 1 i umożliwia wykonywanie obliczeń emisji dla materiałów „typowych”:

gdzie:
ε – współczynnik emisji [–],
σ – stała Stefana-Boltzmanna: 5,67 10–8 [W/m2K4].

Temperatura odczuwalna

Stan, w którym człowiek znajduje się w termicznej równowadze pomiędzy swoim ciałem a otoczeniem, nazywany jest komfortem termicznym. Analizując zatem bilans energetyczny człowieka w pomieszczeniu, dopasować można idealny system grzewczy pod względem komfortu termicznego oraz wartości temperatury odczuwalnej.

Wymiana ciepła ludzkiego ciała poprzez promieniowanie zależna jest od temperatury powierzchni otaczających, podczas gdy wymiana na drodze konwekcji zależy od temperatury i prędkości powietrza.

Dla nieubranego dorosłego człowieka w spoczynku wartość strefy neutralnej termicznie (temperatura równowagi) mieści się w wąskim przedziale temperatury powietrza ok. 27–31°C. W obszarze tym oddawanie i generowanie ciepła regulowane może być jedynie ukrwieniem skóry i w ten sposób utrzymywana jest równowaga termiczna. Dla człowieka ubranego w typowy strój temperatura równowagi wynosi od 20 do 23°C.

Parametry fizyczne środowiska zewnętrznego, takie jak temperatura powietrza, promieniowanie, wilgotność i prędkość powietrza, wpływają na strumień ciepła oddawanego przez ciało do środowiska zewnętrznego. W przypadku odchylenia od równowagi temperatura ciała regulowana jest poprzez konwekcję, promieniowanie i odparowanie.

Wymiana energii pomiędzy tymi trzema drogami zależy od warunków zewnętrznych i przedstawiona została w uproszczony sposób na rys. 2. Większość zbędnej energii w organizmie człowieka oddawana jest poprzez promieniowanie, a jedynie 30% przez konwekcję. Konwekcyjny transport energii pomiędzy ciałem a otoczeniem odbywa się zasadniczo w warstwie kilku milimetrów przy ciele, zwanej warstwą graniczną. W tab. 2 zestawiono czynniki mające wpływ na warunki komfortu termicznego człowieka, które w swoich badaniach zdefiniował P.O. Fan ger [8].

Sufit chłodzący

W systemach chłodzących niegenerujących hałasu stosowane są sufity chłodzące. W przeciwieństwie do systemów wentylatorowych wykroplenie pary wodnej jest w ich wypadku bardzo niepożądane. Na powierzchni promiennika para wodna może kondensować tylko wtedy, gdy temperatura będzie niższa od punktu rosy. Ryzyko szczególnie wzrasta, kiedy w porze deszczowej (wilgotnej) otwierane są w pomieszczeniach okna. Sufit chłodzący powinien więc być zasilany wodą o temperaturze nie mniejszej niż 15°C, aby ryzyko tworzenia się kondensatu było minimalne.

W przypadku powstawania kondensatu lub podwyższonego ryzyka jego powstania zasilanie sufitu chłodzącego w wodę lodową jest wyłączane. Moc chłodnicza typowego systemu sufitowego wynosi od 50 do 80 W/m2 (rys. 4).

Stosowanie sufitów chłodzących jako jedynego systemu klimatyzacyjnego w pomieszczeniu jest możliwe, jeśli nie jest wymagana duża wymiana powietrza (małe jest zapotrzebowanie na powietrze świeże). Obszar zastosowania sufitów chłodzących przy zachowaniu odpowiednich warunków komfortu termicznego przedstawiony został na rys. 5. Rozwiązanie to ma liczne zalety, m.in.: 

• brak zagrożenia wystąpienia przeciągu oraz hałasu,
• odczuwalna temperatura mniejsza od temperatury powietrza,
• mniejsze zużycie energii poprzez zastosowanie wody jako medium chłodniczego (a nie powietrza),
• możliwe wykorzystanie budynku jako akumulatora, 
• łatwa regulacja,
• wentylacja odbywająca się niezależnie od potrzeb kalorycznych pomieszczenia,
• możliwość integracji z systemem oświetleniowym.

Wymiarowanie sufitu chłodzącego

W celu dobrania odpowiednich parametrów sufitu należy najpierw obliczyć zapotrzebowanie pomieszczenia na chłód:
a powierzchnia aktywna powierzchnia całkowita = ×100%

Współczynnik a służy jako wartość orientacyjna do dalszej kalkulacji. Strumień czynnika chłodniczego obliczany jest zgodnie ze wzorem:

gdzie:
Δt – różnica między temperaturą zasilania a powrotem [K].

Typowe różnice między temperaturami zasilającymi i powrotnymi wynoszą 2–4 K. Długość jednego obiegu chłodniczego ograniczona jest graniczną wartością oporu hydraulicznego. Opór hydrauliczny zależy z kolei od wartości strumienia czynnika chłodniczego oraz długości przewodów w obiegu chłodniczym. W praktyce wartość oporu hydraulicznego zawiera się w przedziale od 15 do 25 kPa. W przewodzie występować powinien zasadniczo przepływ turbulentny, tzn. liczba Reynoldsa Re ~ 2400. 

Projektowanie systemu odbywa się zatem w trzech etapach:

• wyznaczenie współczynnika a (stosunku powierzchni aktywnej do całkowitej),
• wyznaczenie gęstości mocy chłodniczej [W/m2] i wybór systemu,
• wybór temperatury zasilania oraz strumienia przepływu.

Sterowanie

W większości przypadków sterowanie mocą chłodniczą sufitu chłodzącego odbywa się poprzez regulację strumienia czynnika chłodniczego. Stosuje się tutaj zawory regulacyjne o płynnej pracy sterowane temperaturą pomieszczenia. W zależności od koncepcji stosuje się siłowniki termostatyczne (samoczynne) lub elektryczne (napędzane energią zewnętrzną). Bardziej zaawansowane systemy regulacyjne obejmują przełączanie trybu grzania i chłodzenia w połączeniu z czujnikiem wilgotności lub czujnikiem otwarcia okna. Wybór systemu regulacyjnego nie ma jednak znaczącego wpływu na funkcjonalność sufitu chłodzącego.

Wnioski

Sufity chłodzące mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie konieczne jest odprowadzanie ciepła jawnego. Jednak w przypadku tego rozwiązania punkt rosy powietrza w pomieszczeniu musi być niższy od temperatury zasilania wodą lodową. Powietrze świeże doprowadzane jest do pomieszczenia za pomocą niezależnego systemu wentylacyjnego lub realizowane poprzez wentylację okienną.

Literatura

1. Pech A., Jens K., Heizung und Kühlung, Springer, Wien/New York 2005.
2. Szczechowiak E., Klimatyzacja z chłodnictwem, 2007.
3. Recknagel H., Sprenger E., Hönmann W., Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, Oldenbourg Verlag, München 1993.
4. Fitzner K., Anwendungsbereiche von Verdrängungs-, Quelluft- und Mischtrömung in Kombination mit Deckenkühlung, DKV Jahrestagung, Leipzig 1996.
5. Glück B., Zulässige Strahlungstemperatur – Asymmetrie. „Gesundsheist Ingenieur” No. 115 (1994) Heft 6.
6. Hebgen H., Heck F., Aussenwandkonstruktion mit Wärmeschutz.
7. www.zent-frenger.de.
8. Fanger P.O., Thermal Comfort: Analysis and Applications in Environmental Engineering, „Danish Technical Press”, Copenhagen 1970.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!