Nowoczesne centrale wentylacyjno-klimatyzacyjne

Jak trudne zadanie w zakresie doboru urządzeń stoi przed projektantami? Wystarczy przypomnieć, że powinni oni zapewnić w pomieszczeniu: komfort, tj. odpowiednią temperaturę powietrza w okresie zimowym i letnim (ogrzewanie i chłodzenie), odpowiednią wilgotność względną powietrza (nawilżanie i osuszanie) oraz odpowiednie prędkości przepływu powietrza w stosunku do jego temperatury (zmienna wydajność) przy zachowaniu minimalnych ilości świeżego powietrza w zależności od liczby przebywających w pomieszczeniu w danym czasie osób. Tak duża ilość zmiennych wymaga nie lada umiejętności i doświadczenia, by sprostać zadaniu optymalnego doboru urządzenia i instalacji z elementami jej zakończeń.

Projektanci mają do wyboru różne urządzenia do centralnej obróbki powietrza. Dostępne są centrale standardowe oraz mające nietypowe gabaryty i konfiguracje, dostosowane do indywidualnych wymagań projektu. Centrale o średnich i dużych wydajnościach stanowią najszerszą ofertę rynkową. Produkowane są w rożnych wariantach w zależności od miejsca montażu – jako centrale zewnętrzne i wewnętrzne.

Wewnętrzne montuje się w specjalnych maszynowniach, a zewnętrzne przeważnie na dachu, dlatego tak ważna jest ich obudowa, zabezpieczona przed korozją i odporna na wpływ warunków atmosferycznych, oraz dobra izolacja. Centrale można też sklasyfikować jako urządzenia do zabudowy pionowej i poziomej oraz podwieszane – montowane w stropach podwieszonych.

Urządzenia o średnich i dużych wydajnościach mogą mieć budowę sekcyjną (blokową, modułową) lub monoblokową (kompaktową). Modułowe składa się niczym klocki, ułatwia to transport i montaż, np. na wysokich budynkach lub w trudno dostępnych maszynowniach. Centrale o małych wydajnościach to przeważnie urządzenia kompaktowe do zabudowy wewnętrznej. Wielkość, wydajność i rodzaj central zależą od stawianych im zadań, a kolejność zabudowy sekcji wynika z przyjętej technologii obróbki powietrza.

Kolejna grupa central to urządzenia w wykonaniach specjalnych: np. basenowe, higieniczne i ATEX. W centralach do wentylacji basenów istotną funkcję pełnią układy odporne na korozję i działanie wilgoci oraz związków chloru. W urządzeniach higienicznych wszystkie elementy są umiejscowione i zamontowane tak, aby umożliwiać stałą kontrolę ich czystości oraz mycie i dezynfekcję, gdyż przeznaczone są one do klimatyzacji np. sal operacyjnych (szerzej na s. 38), laboratoriów lub np. hal produkcyjnych w zakładach farmaceutycznych, elektronicznych i optycznych.

Kolejna grupa to centrale w wykonaniu przeciwwybuchowym przeznaczone do pracy w środowiskach zagrożonych wybuchem. Muszą one spełniać wyśrubowane wymagania tzw. dyrektyw ATEX (franc. Atmospheres Explosibles).

Sterowanie

Nowoczesne centrale wyposaża się w coraz lepsze układy automatyki i sterowania. Proste układy sterujące i kontrolujące pracę central są wypierane przez rozbudowane układy obsługujące tzw. inteligentne budynki (BMS). Także w centralach wentylacyjnych przeznaczonych do domów jednorodzinnych coraz częściej oferowane są takie rozwiązania. W większych urządzeniach układy automatyki są wykonywane indywidualnie na potrzeby konkretnej instalacji. Powinny być one proste w obsłudze, solidne i niezawodne.

Dostawcy central oferują też elementy automatyki instalowane w obiekcie, np. czujniki temperatury, wilgotności i ciśnienia, presostaty, termostaty, zawory, siłowniki do przepustnic itp. Solidny dostawca ma w ofercie nie tylko urządzenia, ale też usługi, np. okablowania i rozruchu układów automatyki oraz włączenia urządzenia w system zarządzania budynkiem i współpracy z elementami innych instalacji. Dopełnieniem takich ofert jest szkolenie personelu w zakresie działania i konserwacji urządzeń.

Wentylatory

Podstawowym elementem każdej centrali są wentylatory montowane w sekcji nawiewnej i wyciągowej. Różnią się one m.in. wydajnością, sprężem i poziomem hałasu. Standardem stają się wentylatory z silnikami elektronicznie komutowanymi (EC), które zużywają mniej energii niż tradycyjne konstrukcje. Kolejną ich zaletą jest bezstopniowa regulacja obrotów i tym samym płynna regulacja wydajności centrali. Ponadto wentylatory EC są cichsze, co ma szczególne znaczenie w jednostkach wewnętrznych, zwłaszcza podwieszanych. Sterowniki umożliwiają zadawanie wentylatorom różnych parametrów, dla każdego silnika niezależnie.

Filtry

Ich zadaniem jest usuwanie z powietrza zanieczyszczeń – od drobnych pyłów po bakterie i wirusy. W centralach stosuje się filtry różnej klasy: od wstępnych (klasa G), poprzez dokładne (klasa F), po absolutne (klasy H). Na wlocie powietrza do centrali montuje się przeważnie filtry wstępne, a na wylocie dokładne. Filtry absolutne montuje się w razie potrzeby bezpośrednio przed nawiewnikiem w pomieszczeniu. Łapacze tłuszczu (np. w gastronomii) montuje się na wejściach do instalacji wywiewnej. Dobór filtrów powinien uwzględniać wymagane parametry powietrza i warunki panujące na zewnątrz i w obiekcie.

Sekcja tłumiąca w centralach wyposażona może być m.in. we wkłady tłumiące, np. wykonane z niepalnej wełny mineralnej okrytej welonem zapobiegającym wnikaniu skroplin do wnętrza wkładu lub porywaniu cząstek wełny. W celu zapewnienia cichej pracy instalacji montuje się też tłumiki, tak aby hałas nie rozprzestrzeniał się siecią kanałów wentylacyjnych. Producenci oferują tłumiki o różnej konstrukcji i odmiennych charakterystykach pracy i skuteczności działania w poszczególnych zakresach częstotliwości. Oferowane są też tłumiki na specjalne zamówienie, dostosowane do indywidualnych potrzeb danej instalacji. 

Nagrzewnice

Do podgrzewania powietrza można wykorzystać nagrzewnice wodne (glikolowe) lub elektryczne, a także gazowe lub olejowe moduły grzewcze. Nagrzewnice wodne to najpopularniejsze rozwiązanie. Chroni się je przed zamrożeniem, stosując termostaty przeciwzamrożeniowe. W obiektach bez dostępu do ciepła technologicznego stosuje się nagrzewnice elektryczne. Zastosowanie nagrzewnic gazowych lub olejowych jest alternatywą dla urządzeń wodnych i elektrycznych głównie tam, gdzie brakuje dostępu do ciepła technologicznego, a eksploatacja wymaga dużych ilości energii potrzebnej do podgrzewania powietrza.

Chłodzenie i osuszanie

W sekcji chłodzenia montowane są przeważnie chłodnice wodne lub freonowe. Chłód mogą dostarczać wytwornice wody lodowej (chillery) lub coraz częściej stosowane absorpcyjne wytwornice wody lodowej, w których energią napędową jest ciepło. Urządzenia te mogą czerpać energię do chłodzenia z miejskiej sieci ciepłowniczej, kiedy latem systemy ciepłownicze mają nadmiar energii. 

Wytwornice zasila się też ciepłem z instalacji solarnych, gazem sieciowym lub ciepłem odpadowym. Dostępne są różne rozwiązania konstrukcyjne wytwornic: do pracy wewnątrz lub na zewnątrz budynku oraz jako splity, ze skraplaczem do montażu na zewnątrz budynku. Chłodzenie to bardzo energochłonny proces i optymalny dobór urządzeń oraz wykorzystanie taniej, a najlepiej odpadowej energii do wytwarzania chłodu wpływa zasadniczo na koszty eksploatacji. Zadaniem chłodnic bywa też osuszanie powietrza.

Nawilżanie

Dla zapewnienia komfortu konieczne jest też dostarczenie powietrzu odpowiedniej ilości  wilgoci. Jest to zadanie sekcji nawilżania. Stosuje się w niej m.in. komory zraszania lub nawilżacze kanałowe oraz wytwornice elektryczne i gazowe. Wykorzystywane są urządzenia na parę technologiczną lub nawilżacze dyszowe pobierające wodę sieciową czy demineralizowaną. Nawilżacze dyszowe można stosować też poza centralą w kanałach wentylacyjnych.

Odzysk ciepła

Sekcja ta odzyskuje nie tylko ciepło, ale też chłód. Najprostsza technologia to recyrkulacja, czyli odzysk ciepła z powietrza wywiewanego w komorze mieszania, gdzie część powietrza zużytego jest zawracana i miesza się z powietrzem świeżym, które następnie trafia do pomieszczeń. W tym rozwiązaniu zagwarantowany być musi minimalny udział powietrza świeżego, zgodnie z wartościami zawartymi w normach i przepisach. To najtańsza technologia odzysku energii, ale jej zastosowanie jest możliwe tylko tam, gdzie powietrze usuwane nie zawiera substancji niepożądanych lub toksycznych.

Innym rozwiązaniem jest regeneracja wykorzystująca wymienniki obrotowe. Zastosowany do budowy wymiennika materiał wpływa na to, czy można odzyskać tylko ciepło jawne, czy też jawne i utajone. Odzysk ciepła z wilgoci możliwy jest w tych wymiennikach, które mają wypełnienie sorpcyjne. Takie wymienniki są standardem w centralach o dużych wydajnościach, gdyż osiągają najwyższy stopień odzysku ciepła z powietrza wywiewanego. Jednakże w wymiennikach tych ok. 5% powietrza zużytego miesza się ze świeżym, co ogranicza ich zastosowanie w obiektach, w których nie dopuszcza się mieszania strumieni powietrza zużytego i świeżego.

Do odzysku ciepła stosuje się też rekuperatory, które odzyskują ciepło jawne w wymienniku płytowym. Coraz popularniejsze są wymienniki przeciwprądowe, w których powietrze zimne i ciepłe przepływa obok siebie w przeciwnych kierunkach na długich odcinkach, dzięki czemu ich sprawność jest wyższa niż w konstrukcjach krzyżowych. Wymienniki przeciwprądowe mają jednak większe rozmiary i opory przepływu i tym samym ich sprawność nie zawsze jest głównym atutem, zwłaszcza przy dużych wielkościach strumieni powietrza.

W centralach stosuje się też wymienniki z cieczą pośrednią. Czynnik pośredniczący odbiera ciepło z wymiennika owiewanego strumieniem powietrza usuwanego i przekazuje je do drugiego wymiennika owiewanego strumieniem powietrza nawiewanego. Przepływ czynnika zapewnia pompa obiegowa. W tej technologii eliminowana jest całkowicie możliwość mieszania się strumieni powietrza świeżego i zużytego, co bywa nieraz głównym wymogiem dla instalacji.

Ciepło można też odzyskiwać za pomocą układu ze sprężarkową pompą ciepła. Dolne źródło ciepła stanowi powietrze usuwane z pomieszczenia, a górne – powietrze nawiewane. Górnym źródłem może być też instalacja ciepłej wody użytkowej, a nawet woda basenowa (w przypadku central basenowych). W centralach stosuje się też układy rewersyjne, czyli urządzenia pełniące latem funkcję chłodzenia, a w sezonie zimowym ogrzewania, czyli pracujące raz jako urządzenie chłodnicze, a raz jako pompa ciepła. W tej technologii odzysku ciepła nie mieszają się strumienie powietrza zużytego i świeżego.

W celu obniżenia zużycia energii przeznaczonej do podgrzewu powietrza nawiewanego stosuje się również układy z kolektorami słonecznymi lub wymiennikami gruntowymi, przez które przechodzą strumienie powietrza nawiewanego.

Projektanci mają do dyspozycji różne metody odzysku ciepła w zależności od konkretnych potrzeb i możliwości technicznych oraz inwestycyjnych. W celu maksymalnego odzysku energii w większych centralach łączy się kilka technologii jednocześnie, np. odzysk dwustopniowy (pompa ciepła i recyrkulacja) lub trzystopniowy (pompa ciepła, wymiennik krzyżowy i recyrkulacja lub pompa ciepła, rurka ciepła i recyrkulacja). Umożliwia to odzyskiwanie nawet do 95% energii. Walka o nawet tych parę procent więcej przeważnie warta jest zachodu i opłaca się w nią inwestować, o ile w grę wchodzą centrale o bardzo dużych wydatkach.

Nie można jednak pomijać możliwości inwestora i dążyć za wszelką cenę do jak największego odzysku ciepła, gdyż może się on okazać zbyt drogi. Wybór metody odzysku ciepła powinien uwzględniać wymagania danego obiektu (możliwość lub wykluczenie mieszania się strumieni powietrza zużytego i świeżego), optymalny procent odzysku i specyficzne potrzeby obiektu.