Systemy ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego w obiektach o dużej kubaturze

Presja wywierana przez producentów i dystrybutorów na przedstawicieli handlowych oferujących systemy klimatyzacyjne ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego jest tak duża, że systemy te proponowane są praktycznie dla każdego rodzaju obiektu, także budynków wielkopowierzchniowych. Czy jest to rzeczywiście najlepsze rozwiązanie?

Nie istnieje gotowa odpowiedź na to pytanie, choćby dlatego, że osoba decyzyjna, inwestor, projektant czy użytkownik, kierować się może przy wyborze systemu różnymi kryteriami (np. akustyką, kosztami eksploatacji, kosztami inwestycyjnymi).

Z kolei żadne porównanie nie powinno dyskwalifikować któregokolwiek systemu – każde rozwiązanie może zostać z powodzeniem zastosowane w obiekcie o odpowiedniej charakterystyce. Istotne jest jednak, by w natłoku informacji wyróżnić te cechy systemów, które mają rzeczywisty wpływ na klimatyzowany obiekt.

Poniżej dokonano próby porównania systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego z najbardziej popularnymi systemami opartymi na wodzie ziębniczej jako cieczą pośredniczącą pomiędzy centralnym źródłem chłodu, jakim jest zazwyczaj sprężarkowy agregat chłodniczy, a odbiornikami chłodu. Porównano aspekty najczęściej brane pod uwagę przy wyborze konkretnego systemu.

Producenci mają bowiem w swojej ofercie różne rozwiązania, zarówno te o wyższej, jak i gorszej efektywności, podobnie rzecz się ma z akustyką, kosztami inwestycyjnymi itp.

Systemy klimatyzacyjne w dużych obiektach (handlowych, biurowych, hotelowych itp.) mają zasadniczy wpływ zarówno na koszty inwestycyjne, jak i późniejsze koszty eksploatacyjne. Zagadnienie to dotyczy także budynków mieszkalnych ze scentralizowanymi systemami – dodatkowym wymogiem jest w tym wypadku elastyczność systemu obsługującego różnych użytkowników przy maksymalnej energooszczędności.

Istnieje także wiele zastosowań przemysłowych, w których czynnik chłodzący służy zapewnieniu prawidłowego przechowywania towarów i  przebiegu procesów czy też komfortu operatora.

We wszystkich powyższych wypadkach takie aspekty, jak akustyka, koszt inwestycyjny, koszt eksploatacyjny, koszt montażu, efektywność energetyczna, niezawodność, monitoring i możliwości sterowania systemem mają decydujące znaczenie.

Poniższe porównanie dotyczy większości systemów, z którymi autor miał do czynienia, jednak każdorazowo w danym obiekcie powinny być przeprowadzone rzetelne analizy poszczególnych rozwiązań.

Hałaśliwość

Można zauważyć, że jednostki wewnętrzne systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego mają z reguły dla takich samych bądź zbliżonych parametrów pracy niższe (deklarowane w katalogach) wartości poziomu ciśnienia akustycznego niż np. klimakonwektory wentylatorowe. Należy jednak zaznaczyć, że te ostatnie nie są jedynymi odbiornikami chłodu w systemach opartych na wodzie ziębniczej. Mogą być nimi np. aktywne belki chłodnicze, cechujące się niższą emisją hałasu zarówno w porównaniu do klimakonwektorów, jak i jednostek bezpośredniego odparowania systemów VRF i VRV.

Niemniej należy przyjąć, że rozwiązania systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego wewnątrz obiektu mogą się okazać cichsze niż urządzenia systemów opartych na wodzie ziębniczej.

Hałas jednostek zewnętrznych obu analizowanych systemów (VRV i woda ziębnicza) powinien być porównywalny. Należy zwrócić uwagę, że duże zapotrzebowanie na moc chłodniczą w wypadku systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego wymusza konieczność zastosowania kilku modułów jednostek zewnętrznych o różnym poziomie hałasu w bliskiej odległości od siebie. Mogą one zatem generować wyższą moc akustyczną niż pojedyncze jednostki.

Sterowanie i monitoring parametrów pracy

Wszystkie systemy mają w zasadzie zbliżone możliwości kontroli parametrów pracy czy sterowania. Można jednak zauważyć, że systemy ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego mają obecnie większe możliwości sterowania w standardzie niż systemy wody ziębniczej bądź pozwalają na rozbudowę tradycyjnego systemu sterowania za niewielką dopłatą. 

Możliwość zdalnego zarządzania systemem z dowolnego komputera z dostępem do sieci internetowej po wpisaniu adresu IP, współpraca z czujnikami okiennymi, kartami­‑kluczami w obiektach hotelowych, zbieranie informacji dotyczących pracy i użytkowania systemu, możliwość indywidualnego rozliczania poszczególnych jednostek wewnętrznych przypisanych do pomieszczenia lub grupy pomieszczeń to aspekty, które przemawiają na korzyść systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego. 

Koszty inwestycyjne

Bardzo trudno porównywać koszty inwestycyjne związane z zakupem danego systemu. Wynika to oczywiście z faktu, że ten sam system oferowany jest w różnych cenach (uwzględniających rabaty). Ceny te potrafią być czasem wręcz dumpingowe, co uniemożliwia bezpośrednie porównanie różnych rozwiązań. 

Różne wielkości rabatów dotyczą też wyceny do kosztorysów inwestorskich czy ofert dla firm wykonawczych. Jednak z doświadczenia autora wynika, że jeśli porównamy oba systemy, których zadaniem jest wyłącznie schładzanie powietrza, droższe w zakupie okażą się systemy ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego. 

Z kolei gdy system ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego ma jednocześnie pełnić funkcję systemu grzewczego, relacje cenowe mogą się różnić diametralnie (dodatkowe koszty związane z zakupem kotłowni oraz dystrybucją ciepła w wypadku systemów opartych na wodzie ziębniczej). Jednak problemy związane z pracą systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego jako grzewczych (dążenie do osiągnięcia jak najniższych cen zakupu, stosowanie niekorzystnych wskaźników niedowymiarowania jednostek zewnętrznych) powodują, że jako jedyne źródło grzewcze systemy te powinny być w naszych warunkach klimatycznych rozpatrywane ze szczególną ostrożnością. Dotyczy to przede wszystkim ekstremalnych temperatur powietrza zewnętrznego w okresie zimowym.

Systemy ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego z uwagi na przepisy prawne i duże kubatury pomieszczeń, przez które trasowany i prowadzony jest system freonowy, wymagają często zastosowania dodatkowych czujników wycieku freonu, co nie zawsze jest uwzględniane w analizie kosztów.

Zatem uwzględniając koszty inwestycyjne systemów schładzania powietrza, systemy oparte na wodzie ziębniczej będą rozwiązaniami tańszymi od systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego.

Koszt montażu i czas wykonania

Koszty montażu są niższe w przypadku systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego. O ile można spróbować oszacować całkowite koszty w odniesieniu do jednej jednostki wewnętrznej, w przypadku systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego wynosić one będą ok. 2 tys. zł netto (systemy dwururowe) i 2,6 tys. zł netto (systemy trzyrurowe z odzyskiem ciepła). 

Koszt montażu systemu opartego na wodzie ziębniczej z klimakonwektorami wentylatorowymi oraz centralnym źródłem chłodu w postaci sprężarkowego agregatu chłodniczego wynosi około 4 tys. zł (system dwururowy) i 4,8 tys. zł (system czterorurowy) netto na jednostkę wewnętrzną. 

Oczywiście wartości te są bardzo szacunkowe i mogą się zmieniać w zależności od stopnia skomplikowania systemu oraz jego wymogów. Niemniej koszt montażu systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego jest mniejszy niż systemów z wodą ziębniczą jako nośnikiem ciepła.

Czas montażu i realizacji systemu ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego jest również krótszy w porównaniu do systemów opartych na wodzie ziębniczej. Różnice wynikają z materiałów wykorzystywanych przy montażu instalacji. 

Rury miedziane mniejszych średnic w przypadku systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego pozwalają na szybszy montaż systemu, natomiast stosowane w instalacjach hydraulicznych wody ziębniczej rury stalowe mają mniejsze możliwości obróbki, co wydłuża czas realizacji. Oczywiście możliwe jest zastosowanie innych materiałów w systemach wody ziębniczej (np. tworzywa sztucznego), nie są one jednak tak popularne jak przewody stalowe.

Koszty zużycia energii elektrycznej

Na ogólne koszty eksploatacyjne zasadniczy wpływ ma zużycie energii elektrycznej oraz koszty przeglądów i konserwacji. Kwestia efektywności energetycznej obu analizowanych systemów to „temat rzeka”. Problematyczne jest jednak bezpośrednie porównywanie ich efektywności, w tym celu konieczna jest bowiem wiedza, jak systemy te zachowują się w warunkach zarówno pełnego, jak i częściowego obciążenia cieplnego.

Producenci systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego nie deklarują efektywności energetycznej przy obciążeniu częściowym, w przeciwieństwie do producentów agregatów wody ziębniczej. Dane dotyczące agregatów wody ziębniczej opierają się na certyfikowanych w Eurovencie parametrach. 

O ile w przypadku klimatyzatorów powstały nowe dokumenty pozwalające na zobrazowanie ich pracy w ujęciu całego sezonu (wskaźniki SEER), o tyle w przypadku systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego takie dokumenty w dalszym ciągu nie istnieją. 

Dokonując porównania systemów pod kątem wskaźnika efektywności energetycznej EER deklarowanego dla warunków pełnego obciążenia cieplnego, można zauważyć, że wartości deklarowane przez producentów systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego „na papierze” wykazują nieznacznie wyższe efektywności w stosunku do agregatów wody ziębniczej. 

Wartości te jednak dotyczą zawyżonych parametrów po stronie jednostek wewnętrznych, tj. 27°C/19°C (term. „suchy”/term. „mokry”). W praktyce dla okresu letniego przyjmowane są niższe wartości obliczeniowej temperatury powietrza wewnętrznego, tj. ok. 24°C. Dla takich warunków znacząco obniżają się wydajności i efektywności systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego.

Wartości deklarowanych wskaźników EER nie obrazują też rzeczywistych warunków pracy instalacji. W przypadku obiektów o dużej kubaturze mamy zazwyczaj do czynienia z rozległymi instalacjami, które mają długie przewody, znacząco wpływa to na obniżenie zarówno wydajności, jak i efektywności energetycznej systemu. 

Również z uwagi na niższe temperatury odparowania dla systemów bezpośredniego odparowania (VRV, VRF itp.) na odwilżanie powietrza tracona jest większa część całkowitej mocy chłodniczej niż w przypadku systemów opartych na wodzie ziębniczej. 

W związku z powyższym stwierdzić można, że systemy z odparowaniem pośrednim, tj. oparte na wodzie ziębniczej, w przypadku obiektów o dużej kubaturze będą cechowały się wyższymi efektywnościami niż systemy ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego. Systemy oparte na bezpośrednim odparowaniu nie pozwalają również, w przeciwieństwie do systemów wody ziębniczej, na wykorzystanie free coolingu.

Duża liczba obiektów wymaga chłodzenia całości bądź też wydzielonych pomieszczeń również w okresach przejściowych, a nawet zimowych. Do takich budynków należeć będą m.in. centra handlowe, budynki biurowe i hotele (z salami konferencyjnymi). 

Podobnie wygląda kwestia odzysku ciepła. Systemy oparte na wodzie ziębniczej cechuje wszechstronność: ciepła woda powstała jako efekt uboczny produkcji chłodu może zostać dowolnie wykorzystana: na potrzeby c.w.u., zasilania nagrzewnic wodnych, centralnego ogrzewania itp. 

W systemach bezpośredniego odparowania odzyskane ciepło skraplania jest w większości przypadków przekazywane na potrzeby zasilania jednostek wewnętrznych, rzadko kiedy zostaje wykorzystane na zewnątrz. Wymaga to albo określonej konfiguracji systemu i specjalnych jednostek zewnętrznych chłodzonych cieczą, albo dodatkowych nakładów na przeróbki systemu.

Jeżeli dla warunków pełnego obciążenia cieplnego systemy oparte na wodzie ziębniczej ze sprężarkowym agregatem chłodniczym będą cechowały się wyższą efektywnością niż systemy ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego, to na obecnym etapie rozwoju (technologie multi scroll, sprężarki promieniowe) systemy te powinny się również cechować wyższymi wskaźnikami efektywności energetycznej dla warunków częściowego obciążenia cieplnego. 

Znajduje to swoje odzwierciedlenie w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury [1], w którym systemy VRF i VRV mają niższe wartości wskaźników efektywności energetycznej ESEER, które należy przyjmować przy sporządzaniu certyfikatów energetycznych budynków. Jeszcze większe różnice występują, gdy system oparty na wodzie ziębniczej wykorzystuje free cooling w sprężarkowym agregacie wody ziębniczej.

W rezultacie stwierdzić należy, że systemy oparte na wodzie ziębniczej cechować się będą porównywalnymi (jeśli uwzględnione zostaną koszty pompowania dla systemów wody ziębniczej) lub niższymi kosztami eksploatacji w stosunku do systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego. Oczywiście dojść może do sytuacji, w której porównywany jest system z agregatem o bardzo niskiej efektywności z systemem typu VRF, VRV o bardzo wysokiej efektywności energetycznej. Dlatego należy dokonywać takiego porównania każdorazowo dla danego obiektu, jednak przytoczone powyżej argumenty zawsze warto mieć na uwadze.

Koszty przeglądów

Przeglądy będą kosztowniejsze w przypadku systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego. Koszt jednorazowego przeglądu jednej jednostki wewnętrznej systemu VRF i VRV wyniesie 100–200 zł netto, a przeglądu jednostki wewnętrznej systemu opartego na wodzie ziębniczej nie powinien przekraczać 30–50 zł netto. Jeżeli rozpatrujemy obiekt o dużej kubaturze i dużej liczbie jednostek wewnętrznych, różnice w kosztach przeglądów będą już znaczne. Tym bardziej gdy uwzględni się, że wymagane są zazwyczaj dwa płatne przeglądy w ciągu roku.

Należy również zwrócić uwagę, że systemy bezpośredniego odparowania o dużej zawartości czynnika powinny podlegać okresowym przeglądom stanu szczelności, co dodatkowo zwiększa koszty eksploatacji. W przypadku ewentualnego rozszczelnienia się układu systemy ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego wymagają interwencji technika chłodnika, a jego praca jest droższa niż hydraulika wymaganego przy awarii systemu wody ziębniczej.

Niezawodność

Systemy bezpośredniego odparowania typu split, multi split i VRF mają wiele ograniczeń w zastosowaniu. Przykładowo wymagają często oddzielnego systemu do obróbki powietrza pierwotnego. Rurociągi z freonem, które przechodzą przez obsługiwane pomieszczenia, mogą ograniczać zakres zastosowania (w przypadku rozszczelnienia w pomieszczeniu nie może dojść do przekroczenia maksymalnego dopuszczalnego stężenia czynnika, również maksymalne napełnienie czynnikiem całego układu nie powinno przekraczać 100 kg czynnika, dodatkowo rozległe instalacje freonowe podlegają konieczności okresowej kontroli szczelności układu). 

Co więcej, układy te nie mogą wykorzystać funkcji free coolingu umożliwiającej uzyskanie znacznych oszczędności w zużyciu energii. Systemy hydrauliczne są bardziej rozbudowane i uniwersalne. Umożliwiają wykorzystanie różnych typów elementów zakańczających w obsługiwanych pomieszczeniach, poczynając od klimakonwektorów indywidualnych bądź zabudowanych w umeblowaniu, a na panelach radiacyjnych i systemach indukcyjnych kończąc. Są również niezastąpione w przypadku procesowych zastosowań przemysłowych. 

Można również zastanowić się nad następującym faktem. Producenci systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego bardzo często dokonują modyfikacji swoich systemów i co pewien czas wprowadzają do oferty ich nowsze generacje. Systemy te mają coraz bardziej rozbudowaną elektronikę. Czy za kilkanaście lat obecne rozwiązania będą kompatybilne z nowszymi? Problem ten nie dotyczy systemów opartych na wodzie ziębniczej.

O ile analiza niezawodności konstrukcyjnej może być przeprowadzona na podstawie porównania cech charakterystycznych obu systemów (liczba i typ sprężarek, możliwość pracy przy ewentualnej awarii sprężarki, liczba pracujących pomp dla systemów wody ziębniczej – punkt newralgiczny systemu wyposażonego w sprężarkowy agregat chłodniczy typu multi scroll i pojedynczą pompę) dla analizowanego obiektu, należy zwrócić uwagę na bardzo problematyczną awarię – ewentualną nieszczelność układu ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego.

Co prawda większość oferowanych obecnie systemów pracuje na czynniku ziębniczym R410A, czyli mieszaninie zachowującej się jak czynnik jednorodny (nie wymaga kompletnego opróżnienia i ponownego napełnienia instalacji jak w przypadku poprzednio stosowanego R407C), ale w razie wystąpienia ewentualnej nieszczelności jej wykrycie może być bardzo utrudnione (np. w wypadku instalacji zabudowanej płytami gipsowo-kartonowymi lub poprowadzonej w bruzdach ścian wewnętrznych).

Należy jednak zwrócić uwagę, że producenci systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego mogą oferować w standardzie dłuższe okresy gwarancyjne niż producenci urządzeń systemów wody ziębniczej. Jednak w przypadku systemów wody ziębniczej przedłużenie okresu gwarancyjnego możliwe jest za dopłatą. Trzeba zatem przeanalizować koszty przedłużonej gwarancji wraz z płatnymi kosztami przeglądów urządzeń dla obu analizowanych systemów.

Łączne koszty obu systemów

Sumaryczne koszty inwestycyjne i eksploatacyjne będą zależały od wymagań inwestora wobec systemu klimatyzacji oraz cech charakterystycznych budynku (np. możliwość zastosowania funkcji free cooling). Koszty te mogą się dowolnie zmieniać w zależności od stopnia skomplikowania systemu. Nie ma rozwiązania idealnego, każde cechuje się określonymi zaletami oraz wadami. 

Ważne, by przy podejmowaniu decyzji kierować się potrzebami budynku i umieć dopasować cechy systemów do rzeczywistych wymagań obiektu. Jeżeli inwestorowi zależy na tych aspektach, które są korzystniejsze w przypadku jednego z systemów, sytuacja jest prosta, w innym wypadku należy przedstawić wady i zalety obydwu systemów pod kątem wymagań inwestora, tak by decydując się na konkretne rozwiązanie, miał on świadomość jego korzyści i wad.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono ogólne wnioski wynikające z porównania kilkudziesięciu systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego z systemami wody lodowej. 

Należy szczegółowo przeanalizować zapewnienia producentów systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego dotyczące możliwości jego pracy jako jedynego źródła grzania. Z doświadczenia autora wynika, że stosowanie tych systemów jako klimatyzacyjnych i grzewczych w naszych warunkach klimatycznych nie jest wyborem najwłaściwszym. 

Wybór konkretnego rozwiązania systemu zależeć powinien również od tego, czy w danym obiekcie można pozyskać oszczędności wynikające z zastosowania funkcji free cooling. 

Wybór rozwiązania powinna poprzedzać analiza cech zarówno samego obiektu, szczególnie o dużej kubaturze, jak i rozpatrywanych systemów. System ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego może stanowić alternatywę i w kilku aspektach sprawdzać się lepiej niż systemy wody ziębniczej. Ma też jednak istotne wady, które powinny być brane pod uwagę przez inwestora lub inne osoby zaangażowane w projekt. Jeżeli wady te okażą się dla inwestora istotne, proponuje się przyjęcie innego wariantu systemu klimatyzacyjnego (np. opartego na wodzie ziębniczej).

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno­­‑użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (DzU nr 21/2008, poz. 1240).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!