Systemy wodno-powietrzne w klimatyzacji – belki chłodzące i klimakonwektory

Belki chłodzące i klimakonwektory, jako urządzenia chłodzące powietrzno-wodne, są rozwiązaniem chętnie wybieranym do budynków o dużych zyskach ciepła od urządzeń i od słońca. Absorpcja znacznych zysków ciepła przez te systemy jest dużo bardziej efektywna niż w przypadku systemów powietrznych. Ponieważ czynnikiem chłodzącym jest woda, pojemność cieplna/chłodnicza nie zależy od przepływu powietrza, a jej zapewnienie wymaga dużo mniejszego zapotrzebowania na energię.

Szerokie zastosowanie belek i klimakonwektorów

Klimatyzacyjne systemy wodno-powietrzne kojarzone są przede wszystkim z biurami, dla których wybierane są najchętniej – m.in. ze względu na duże zyski ciepła, często wynikające ze znacznego udziału powierzchni przeszklonych. Wykorzystywane są także w hotelach, budynkach edukacyjnych i placówkach kulturalnych (biblioteki, sale koncertowe), centrach handlowych, restauracjach, a nawet budynkach przemysłowych, np. dużych halach magazynowych lub logistycznych.

Klimakonwektory pozwalają utrzymać optymalną temperaturę w pomieszczeniu, zarówno latem, jak i zimą, jednocześnie dostarczając świeże powietrze. Duży wybór jednostek – dostępne są urządzenia ścienne, przypodłogowe, podsufitowe, kanałowe oraz kasetonowe – oraz bogactwo wykonań materiałowych obudów i estetyka kratek wywiewnych pozwalają swobodnie dobierać je do dowolnych aranżacji. Są ciche i łatwe w obsłudze. Pojawiają się w biurowcach, bankach, hotelach, a nawet domach jednorodzinnych.

Belki chłodzące występują jako pasywne z chłodzeniem/grzaniem i aktywne, dostarczające dodatkowo świeże powietrze z zewnątrz przez system wentylacji. Cenione są jako urządzenia „bezinwazyjne” i zapewniające wysoki komfort: ciche, niepowodujące przeciągów i zapewniające równomierny rozkład temperatury. Umieszczone na suficie dają duże możliwości zmian aranżacji, są więc postrzegane jako system elastyczny oraz przyjazny dla architektów i najemców. Chętnie wybierane są do budynków o szeroko rozumianej przestrzeni otwartej – biura typu open space, hale sportowe czy wystawowe, biblioteki, sale koncertowe etc.

Systemy wodno-powietrzne bardzo dobrze sprawdzają się w nowych budynkach o dużych powierzchniach i ze znacznymi zyskami ciepła, także tych nowoczesnych i nietypowych – np. klimakonwektory mogą zostać efektownie dobrane także do szczególnych rozwiązań architektonicznych, a belki chłodzące uważane są za rozwiązanie elastyczne, łatwe do dopasowania do zmieniającego się sposobu użytkowania wnętrza.

W pomieszczeniach remontowanych, szczególnie takich, w których jest mało miejsca na nowe urządzenia, dobrym rozwiązaniem mogą być belki chłodzące o obniżonej wysokości (na rynku dostępne są urządzenia o wysokości 120, a nawet 110 mm). Nie zabierając dużo miejsca, spełnią swoje zadanie. Do belek o odpowiedniej szerokości (jak np. podaje dla swoich rozwiązań Lindab – w wersji o szerokości 60 cm) można zamontować dodatkowe instalacje – najczęściej oświetlenie, ale także nagłośnienie czy tryskacze. Integracja takiej instalacji nie wymaga zmian w konstrukcji belki, zmienia się tylko wygląd płyty czołowej.

Belka chłodząca czy klimakonkwektor?

Na tak postawione pytanie jest tylko jedna odpowiedź – zależy to od potrzeb i charakteru budynku. Mówiąc o różnicach między belkami chłodzącymi a klimakonwektorami, podkreśla się jednak m.in.:

• na korzyść klimakonwektorów: brak problemów z kondensacją pary wodnej z powietrza, co jest postrzegane jako jedno z największych wyzwań przy prawidłowym montażu i eksploatacji belek chłodzących;

• na korzyść belek chłodzących: cichą pracę i małe zużycie energii.

Dlatego producenci klimakonwektorów dążą do jednoczesnej poprawy tych dwóch parametrów, podczas gdy dostawcy belek szukają sposobów na zapobieganie kondensacji. Pojawiają się także pomysły na łączenie zalet belek chłodzących i klimakonwektorów – przykładem może być hybrydowa belka chłodząca marki Carrier. Wprowadzona kilka lat temu na rynek ma zoptymalizowaną wysokość (200 mm), dzięki czemu urządzeń w pomieszczeniu może być dwukrotnie mniej niż typowych belek chłodzących.

Problem kondensatu wyeliminowano, stosując nieobecną w przypadku belek chłodzących tacę ociekową – nawet jeśli woda lodowa osiągnie temperaturę 6°C, kondensat nie będzie kapał do pomieszczenia.

Jeśli chodzi o optymalizację zużycia energii i ograniczenie hałasu, przez większość czasu urządzenie pracuje jak belka, czyli indukcyjnie (napływ świeżego powietrza do 120 m3/h), natomiast w tryb klimakonwektora przechodzi podczas zwiększonego zapotrzebowania na chłód lub ogrzewanie. Wówczas uruchamiany jest wentylator z wydatkiem dopasowanym do liczby osób w pomieszczeniu – od 2,8 do 33 l/s, z hałasem poniżej 47 dB(A).Taki system pracy może zapewnić wartość rocznej mocy właściwej (A-SFP) dla typowego biura niższą od 0,05 W/l/s.

Klimakonwektory w drodze po ciszę i oszczędności

Poprawiając energooszczędność i parametry akustyczne klimakonwektorów, producenci pracują głównie nad udoskonaleniem wentylatorów. Najlepiej sprawdza się stosowanie silników elektronicznie komutowanych z regulacją inwerterową – efektem jest mniejsze natężenie dźwięku oraz oszczędność energii przy tej samej efektywności pracy urządzeń.

Jak podkreśla firma Galletti, zastosowanie silników bezszczotkowych pozwala na znaczne ograniczenie poboru mocy – może być ono o 1/3 mniejsze w porównaniu do tradycyjnych silników, a o około połowę przy sterowaniu zintegrowanym. W zależności od rodzaju obsługiwanego rozwiązania oszczędności te mogą być jeszcze wyraźniejsze.

Na przykład seria bardzo efektownych pod względem wzornictwa klimakonwektorów kasetonowych SkyStar ECM (Sabiana) wyposażona jest w bezszczotkowy silnik z falownikiem, który umożliwia płynną regulację wydatku poprzez sygnał 1–10 V, zarówno ze sterowników własnych marki, jak i zewnętrznych. Zastosowanie tego rozwiązania, nawet przy niskich prędkościach, umożliwia znaczące ograniczenie zużycia energii (jak podaje producent, wartość ta jest o ponad 75% niższa niż dla urządzeń z silnikiem tradycyjnym).

Wykorzystanie technologii inwerterowej przekłada się też bezpośrednio na komfort – obok wspomnianej cichszej pracy dostosowywanie przepływu powietrza do aktualnych potrzeb wyraźnie zmniejsza (typowe dla regulacji stopniowej) wahania temperatury w pomieszczeniu.

Innym sposobem ograniczenia hałasu jest stosowanie odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych – np. wentylatory promieniowe w klimakonwektorach kasetonowych czy poprzeczne w klimakonwektorach ściennych. Zasada ta dotyczy nie tylko wentylatora, przykładowo kanałowe klimakonwektory Nabilaton mają opatentowaną konstrukcję lameli wymiennika.

Na mniejsze zużycie energii – w kontekście całej instalacji HVACR – pozwalają też instalacje zarówno klimakonwektorów, jak i belek chłodzących, które w okresie przejściowym (przy temperaturze powietrza zewnętrznego poniżej 20°C) mogą zapewnić free cooling i wykorzystywać chłodzenie wysokotemperaturowe (z małą różnicą między temperaturą wody a temperaturą pomieszczenia).

Takie rozwiązanie – stosowane np. w belce Solus firmy Lindab – sprawdza się m.in. dla budynków wymagających jednocześnie grzania i chłodzenia. Przy wysokiej temperaturze wody wlotowej (20–23°C) i wylotowej (21–23°C) system powietrzno-wodny może przenieść energię ze strony wymagającej chłodzenia do strony wymagającej ogrzewania (np. z południowej do północnej), a temperatura wody w obiegu zależy od pory roku. Może pojawić się konieczność miejscowego dogrzania wody przez dodatkowe urządzenie, ale nie trzeba uruchamiać obu tych procesów jednocześnie.

Czytaj też: Klimatyzatory – innowacje, efektywność i komfort >>>

Belki a kondensacja pary wodnej

Istotnym problemem eksploatacyjnym aktywnej belki chłodzącej jest występowanie kondensacji, jeśli temperatura wody chłodzącej jest niższa niż temperatura punktu rosy w pomieszczeniu.

Projektanci (zgodnie z § 154.12 WT – rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki) mają obowiązek tak dobierać temperatury zasilania i powrotu czynnika chłodzącego, by nie występowała kondensacja pary wodnej na powierzchniach tych urządzeń. Wartości te są jednak dobierane do określonych warunków cieplno-wilgotnościowych w pomieszczeniu i na zewnątrz, stąd belki chłodzące wyposaża się w zabezpieczenia przeciwkondensacyjne.

Można zastosować dodatkowe osuszanie powietrza w centrali wentylacyjno-klimatyzacyjnej (takie moduły występują zwykle w centralach przeznaczonych do pracy w systemach nowo projektowanych, opartych na belkach chłodzących), częściej jednak stosuje się czujniki punktu rosy – pomieszczeniowe lub związane z samymi urządzeniami, np. przylgowe.

Jednym z ciekawszych sposobów zabezpieczania przed kondensacją jest zastosowanie materiału higroskopijnego pokrywającego lamele. Materiał higroskopijny pochłania wodę w obszarach jej kondensacji i odprowadza w kierunku cieplejszych przestrzeni lameli, skąd może łatwo odparować do otoczenia. Mechanizm jest tym bardziej skuteczny, im większa jest różnica temperatury między zimnym a ciepłym obszarem lameli. Dzięki takiemu rozwiązaniu temperatura może spaść nawet poniżej punktu rosy bez zachodzenia procesu kondensacji, choć zbyt niska powoduje absorpcję wilgoci w warstwie higroskopijnej – w takiej sytuacji urządzenie może pracować bez kondensacji przez określony czas (do momentu kiedy warstwa może wchłaniać wodę).

Takie rozwiązanie zastosowane jako opcjonalne w niektórych belkach chłodzących (np. linia Professor) z oferty Lindab.

Materiał o nazwie Drypac™ wykonany jest z naturalnego perlitu, a dzięki jego zastosowaniu belka chłodząca może pracować bez procesu kondensacji nawet przy temperaturze wody chłodzącej o 4°C poniżej punktu rosy, a w temperaturze 8°C poniżej punktu rosy – przez godzinę.

Warstwa higroskopijna w okresie mniej intensywnego chłodzenia wysycha, dzięki czemu przywracana jest do pełnej pracy.

Systemy wodno-powietrzne, czyli zdrowie i komfort

Wśród zalet zarówno klimakonwektorów, jak i aktywnych belek chłodzących wymienia się napływanie świeżego powietrza do pomieszczenia w sposób niemal nieodczuwalny dla użytkowników.

Choć powietrze takie zostaje przygotowane przez centralę wentylacyjną, na rynku pojawiają się rozwiązania do dodatkowego uzdatniania powietrza nawiewanego przez klimakonwektory. Galletti uzupełnia swoje urządzenia klimatyzacyjne – w tym właśnie klimakonwektory – o zaawansowany, opatentowany system oczyszczania powietrza Bioxigen.

Powietrze przechodzące przez urządzenia zostaje wzbogacone jonami aktywnego tlenu, co neutralizuje mikroorganizmy, pyłki, kurz czy nieprzyjemne zapachy. Przy uwalnianiu aktywnych jonów tlenu nie wytwarza się ozon, a poprawie jakości powietrza towarzyszy dezynfekcja i oczyszczania samego urządzenia.

Na komfort (a więc prędkość powietrza i temperaturę odczuwalną w strefie przebywania ludzi) oraz dobre parametry akustyczne wpływ mają geometria i aranżacja elementów nawiewnych. Przykładowo w kasetonowych klimakonwektorach Nabilaton nawiew czterokierunkowy może zostać zastąpiony przez nawiew obwodowy dysz nawiewnych 360°, co zapewnia równomierne rozprowadzanie powietrza ze skierowaniem nawiewu poziomo (zapobiega to przeciągom).

Podobny wpływ na komfort mają dysze belek chłodzących. Ich kształt, wielkość, kąt kierunku przepływu powietrza czy liczba i aranżacja są przedmiotem licznych badań i symulacji komputerowych producentów. Na przykład belka Professor (Lindab) wyposażona jest w dysze o kształcie „odwróconej trąbki”, które są ustawione tak, by nawiewane powietrze rozchodziło się w kierunku od belki, co obniża prędkości, a więc ogranicza przeciągi w porównaniu do belek z liniowym wypływem powietrza.

Elastyczność, VAV, wentylacja na żądanie

Możliwość regulowania ustawień dysz w belkach chłodzących stanowi istotny czynnik wpływający na tak cenioną elastyczność urządzeń, pozwala także stosować belki w systemach VAV czy DCV (wentylacja na żądanie).

Kilka rozwiązań w tym obszarze proponuje Fläkt Woods.

System regulacji kierunku nawiewu (Flow Pattern Control) umożliwia zmianę sposobu rozprowadzania powietrza z jedno- na dwukierunkowy czy asymetryczny.

• Ustawienie kierunku przepływu powietrza pod różnymi kątami (0–15–30–45°) jest możliwe dzięki łatwemu przestawianiu kierownic powietrza, a co więcej, dla każdego odcinka o długości 300 mm można ustawić inny kąt.

• Opatentowany Energy Control System umożliwia łatwą regulację strumienia powietrza, wykorzystując elastyczny układ i konstrukcję systemu dysz nawiewnych.

• Z poziomu pomieszczenia za pomocą sterownika naściennego można regulować długości otworów – do wyboru jest jedno z sześciu ustawień wielkości.

Natomiast zmiana geometrii układu dysz poprzez siłowniki liniowe (Motorized Energy Control) stosowana w belkach Wega i Wega Power może zapewnić redukcję wydatku powietrza o 65% w stosunku do systemu belek chłodzących ze stałym wydatkiem powietrza (CAV). Siłowniki są uruchamiane poprzez sterownik, do którego podawany jest sygnał z czujnika obecności i/lub czujnika stężenia dwutlenku węgla w powietrzu.

Większość dostępnych na rynku systemów powietrzno-wodnych może być podłączonych do systemu zarządzania budynkiem (BMS), co szczególnie w przypadku budynków biurowych staje się standardem. Dzięki tak zarządzanej współpracy urządzeń z innymi komponentami instalacji HVACR i elementami budynku efektywność ich pracy jest zmaksymalizowana.

Czytaj też: Sposoby obniżania zysków ciepła >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!