Centrale dachowe typu rooftop – przegląd rozwiązań

Rozwiązania te ze względu na swoją konstrukcję oraz zastosowane układy regulacji umożliwiają klimatyzowanie pojedynczych pomieszczeń, a także większej ich liczby czy stref obiektu pod warunkiem, że mają one zbliżoną charakterystykę cieplno-wilgotnościową.

Powietrze uzdatnione w centrali typu rooftop osiąga bowiem określone parametry termodynamiczne i w przypadku nawiewu powietrza o identycznych parametrach do pomieszczeń różniących się zyskami ciepła i wilgoci oraz przebiegami w czasie spowoduje niedotrzymanie zakładanych warunków komfortu. Przy takim wykorzystaniu central dachowych typu rooftop mamy do czynienia ze scentralizowanym systemem klimatyzacyjnym.

Oczywiście centrale tego typu mogą znajdować zastosowanie również w innych rozwiązaniach systemów klimatyzacyjnych. Jeżeli centrala ma służyć wyłącznie do obróbki powietrza świeżego (pracuje ze 100-proc. udziałem tego powietrza), a dalsza obróbka powietrza realizowana jest w pomieszczeniach klimatyzowanych z wykorzystaniem innych urządzeń, mamy do czynienia z systemem o dwuetapowym uzdatnianiu powietrza.

Tymi innymi urządzeniami mogą być klimakonwektory wentylatorowe, systemy ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego, szafy klimatyzacyjne, belki chłodnicze itp. Zatem centrale dachowe typu rooftop mogą znajdować zastosowanie we wszelkich rodzajach systemów klimatyzacyjnych pod warunkiem poprawnego dobrania ich konstrukcji do przeznaczenia.

Budowa i zasada działania

Centrale typu rooftop wyposażane są w jeden lub dwa wentylatory, sprężarkowy układ chłodniczy, często również sekcję rekuperatora, sekcję filtracyjną i układ grzewczy. Całość zamknięta jest w kompaktowej obudowie. Podczas uzdatniania powietrze podlega takim samym procesom jak w modułowych centralach klimatyzacyjnych.

W okresie letnim świeże powietrze przepływa w pierwszej kolejności przez rekuperator, gdzie odbiera „chłód” od powietrza usuwanego (powietrze zewnętrzne dla warunków obliczeniowych jest cieplejsze od powietrza usuwanego, mającego zazwyczaj temperaturę 24–26°C). Następnie w określonej proporcji mieszane jest z powietrzem usuwanym w komorze mieszania, a później schładzane w parowaczu sprężarkowego układu chłodniczego.

Taki sposób uzdatniania powietrza jest typowy, ale nie jedyny. Dostępne są również rozwiązania, w których wykorzystano metodę aktywnego termodynamicznego odzysku ciepła – pompę ciepła. W takiej konfiguracji powietrze świeże jest w pierwszej kolejności mieszane w komorze mieszania z powietrzem recyrkulacyjnym, a następnie schładzane w parowaczu pompy ciepła.

Ciepło skraplania odprowadzane jest do wymiennika skraplacza usytuowanego w strumieniu powietrza usuwanego – w przeciwieństwie do tradycyjnych układów, w których skraplacz znajduje się zazwyczaj w strumieniu powietrza zewnętrznego. Dzięki temu rozwiązaniu wzrasta efektywność energetyczna sprężarkowego układu chłodniczego.

Skraplacz znajdujący się w strumieniu powietrza usuwanego omywany jest powietrzem o niższej temperaturze (24–26°C) niż w tradycyjnych układach (32–35°C). Również do parowacza napływa powietrze o stosunkowo wysokiej temperaturze.

W przypadku tradycyjnych rozwiązań odzysku ciepła (płytowo-krzyżowych) w okresie zimowym powietrze świeże jest wstępnie podgrzewane w rekuperatorze na skutek odbioru i przekazywania ciepła od strumienia powietrza usuwanego, następnie mieszane jest w komorze mieszania z powietrzem usuwanym w określonym udziale procentowym, a później podgrzewane w sekcji grzewczej. Sekcję może stanowić pompa ciepła, nagrzewnica wodna (glikolowa), elektryczna lub gazowa LPG.

W rozwiązaniach z pompą ciepła jako metodą odzysku ciepła z powietrza usuwanego powietrze świeże mieszane jest z powietrzem usuwanym w komorze mieszania, a następnie kierowane do skraplacza pompy ciepła (praca rewersyjna). Korzystne jest, gdy powietrze napływające do wymiennika skraplacza ma niską temperaturę (nie może być ona jednak zbyt niska). W okresie zimowym konieczne jest zastosowanie wstępnej nagrzewnicy powietrza podgrzewającej powietrze świeże tak, aby mieszanina powietrza wlotowego do skraplacza wynosiła ok. 5°C.

Parametry pracy układu pompy ciepła po stronie obydwu wymienników, parowacza i skraplacza, są bardzo korzystne niezależnie od trybu pracy – grzania lub chłodzenia. Efektywności energetyczne pompy ciepła są w takiej centrali ok. dwukrotnie wyższe niż w wypadku tradycyjnych rozwiązań tych urządzeń.

Elementy central typu rooftop

Wentylatory

Rozwiązania systemów klimatyzacyjnych bazujące na centralach dachowych typu roof­top wymagają często transportu powietrza na większe odległości bądź rozprowadzenia go na dużej powierzchni klimatyzowanej. Z tego powodu powietrze transportują zwykle wentylatory typu promieniowego, mające wysoki spręż. W produktach wyższej klasy wykorzystywane są bezszczotkowe wentylatory typu plug fan (fot. 1), o zmniejszonym zużyciu energii elektrycznej i wysokiej sprawności.

Sprawność wentylatorów ma zasadnicze znaczenie i projektant, szukając odpowiedniego produktu o niskim zużyciu energii elektrycznej, powinien zwrócić szczególną uwagę na jak najmniejsze zużycie energii przez układ wentylacyjny.

Wentylatory pracują ciągle, dostarczając uzdatnione powietrze do pomieszczeń, jedynie okresowo włączany jest układ chłodniczy bądź grzewczy. Nawet niski pobór mocy elektrycznej utrzymujący się przez dużą liczbę godzin pracy generuje wysokie zużycie energii elektrycznej i koszty eksploatacji oraz większy wpływ na środowisko naturalne.

Ciekawym rozwiązaniem jest zastosowanie wentylatorów z automatyczną regulacją objętości strumienia nawiewanego powietrza. Użytkownik dokonuje nastawy ilości powietrza nawiewanego, a układ regulacji dopasowuje obroty wentylatorów do charakterystyki instalacji tak, by niezależnie od występujących warunków utrzymywać zadaną wartość nawiewu, także przy zanieczyszczonych filtrach.

W konstrukcji central typu rooftop zastosowanie znajdują również wentylatory osiowe pozwalające na odbiór ciepła ze skraplacza pracującego układu chłodniczego.

Układ chłodniczy

W centralach dachowych typu rooftop wykorzystywane są monoblokowe konstrukcje sprężarkowych układów chłodniczych. W przypadku zastosowania układu pompy ciepła jako systemu odzysku ciepła z powietrza usuwanego korzystne jest rozwiązanie umożliwiające oddawanie ciepła skraplania w skraplaczu umieszczonym w strumieniu powietrza usuwanego.

Układ odzysku ciepła (pompa ciepła) pełni jednocześnie funkcję rekuperatora odzyskującego ciepło i chłód zawarte w powietrzu usuwanym oraz urządzenia grzewczo-chłodzącego. Umiejscowienie wymiennika skraplacza (parowacza w okresie zimowym) w strumieniu powietrza usuwanego, a nie powietrza zewnętrznego, pozwala na wzrost efektywności energetycznej układów chłodniczych zarówno dla pełnego, jak i częściowego obciążenia cieplnego. Uzyskiwane w tym wypadku wartości EER i ESEER są nieosiągalne dla tradycyjnych układów.

W innych typowych konstrukcjach układów chłodniczych lub pomp ciepła skraplacz usytuowany jest w strumieniu powietrza zewnętrznego, co niestety obniża sprawność pracującego układu i znacząco ogranicza pracę układu sprężarkowego w okresie występowania ekstremalnych temperatur powietrza zewnętrznego i latem, i zimą.

Układy sprężarkowe w nowych konstrukcjach central dachowych typu rooftop są projektowane w celu uzyskania jak najwyższych wskaźników efektywności energetycznej zarówno przy pełnym, jak i częściowym obciążeniu cieplnym.

Wysoki wskaźnik efektywności energetycznej przy częściowym obciążeniu cieplnym ESEER uzyskiwany jest poprzez zastosowanie wielosprężarkowych układów chłodniczych (rys. 1) z elektronicznymi zaworami rozprężnymi (redukcja poszczególnych stopni regulacji wydajności pozwala na wzrost efektywności na skutek „przewymiarowania” powierzchni parowacza i skraplacza przy zmniejszonym obciążeniu cieplnym) lub zastosowanie sprężarek z płynną regulacją wydajności (np. typu digital scroll).

Odzysk ciepła

Powinien to być nieodłączny element centrali dachowej typu rooftop. W Polsce jest to wymagane przepisami prawa w odniesieniu do central o wydajności rzędu 2000 m³/h, jednak zdaniem autora wymaganie takie powinno dotyczyć również central o mniejszych wydajnościach.

Jako rekuperatory odzyskujące ciepło z powietrza usuwanego stosowane są wymienniki płytowo-krzyżowe, wymienniki obrotowe oraz pompy ciepła. Oczywiście komory mieszania również na swój sposób odzyskują ciepło.

Zdania na temat zaliczania recyrkulacji do metod odzysku ciepła są podzielone, niemniej jednak zwiększenie udziału powietrza recyrkulacyjnego w powietrzu nawiewanym wiąże się ze zmniejszeniem zużycia energii elektrycznej oraz mediów przez centrale dachowe typu rooftop.

Zalety i wady poszczególnych metod odzysku ciepła są zapewne znane czytelnikom. Autor chciałby zwrócić szczególną uwagę na te elementy, które bywają w literaturze branżowej pomijane. Miarą efektywności energetycznej każdego rozwiązania odzysku ciepła powinny być zarówno korzyści wynikające z jego zastosowania, jak i efekty uboczne.

Efektywność, a w zasadzie sprawność wymienników odzysku ciepła zależy w dużej mierze od prędkości przepływu powietrza po obu stronach wymienników – im większa prędkość, tym wyższa sprawność. W danych katalogowych central czy parametrach technicznych podawane są zazwyczaj jedynie informacje o wysokiej sprawności wymienników.

Jednak wzrost prędkości powietrza powoduje też wzrost oporów po jego stronie, co generuje zwiększone zapotrzebowanie na spręż i pobór mocy przez silnik wentylatora. Zatem oszczędności uzyskane dzięki wysokiej sprawności odzysku ciepła niweluje zwiększone zużycie energii elektrycznej przez silniki wentylatorów. Warto na to zwrócić uwagę przy weryfikacji sprawności danego rodzaju wymiennika odzysku ciepła (rys. 2).

Filtracja

W centralach typu rooftop stosowane są zgrubne filtry kieszeniowe klasy G4 oraz filtry wyższej klasy F7. W tym wypadku także warto pamiętać, że wysokiej klasie i sprawności filtra kieszeniowego towarzyszy większe zużycie energii elektrycznej przez wentylator nawiewny – wzrost oporów po stronie powietrza wynikający z wyższej klasy materiału filtracyjnego generuje zwiększony pobór mocy przez silnik.

Wysoką sprawność filtracyjną klasy HEPA mają tzw. filtry elektroniczne, działające na zasadzie filtra elektrostatycznego. Klasa filtracyjna rzędu nawet H10 uzyskiwana jest dzięki działaniu pola elektromagnetycznego. Korzyścią są towarzyszące temu bardzo niskie opory po stronie powietrza i zmniejszone zapotrzebowanie silnika wentylatora na moc elektryczną.

Jednocześnie rozwiązania tego typu cechuje brak zużycia materiału filtracyjnego oraz konieczności jego wymiany po określonym okresie użytkowania. Z tego względu wyższe koszty inwestycyjne zastosowania filtrów elektrostatycznych zwracają się już w krótkim czasie.

Układ grzewczy

W sekcji ogrzewania stosuje się nagrzewnice wodne, elektryczne lub gazowe albo pompy ciepła. W okresach przejściowych, dopóki warunki zewnętrzne na to pozwalają, pracują często pompy ciepła, przy niskich temperaturach powietrza zewnętrznego wspomagane przez dodatkowe źródło grzewcze (nagrzewnicę).

W polskich warunkach klimatycznych konieczne jest przeanalizowanie możliwości pracy układu pompy ciepła oraz warunków krytycznych, przy których pompa może jeszcze pracować. Uwaga ta dotyczy zarówno wymiennika parowacza, jak i skraplacza.

Ciekawym i efektywnym energetycznie rozwiązaniem jest zastosowanie nagrzewnicy wtórnej gorącego gazu. Jest to skraplacz usytuowany za parowaczem, który latem pełni funkcję nagrzewnicy podgrzewającej powietrze po uprzednim jego osuszeniu na parowaczu. Rozwiązanie to jest efektywne, gdyż parowacz i skraplacz pracują w jednym obiegu chłodniczym kosztem poboru mocy elektrycznej tej samej sprężarki, a ciepło skraplania jest użytecznie wykorzystywane, a nie tracone na zewnątrz.

Obudowa

Urządzenia wysokiej jakości mają izolowane panele obudowy typu sandwich. Natomiast tanie produkty wyposaża się w słabo lub w ogóle nieizolowane panele blaszane, co skutkuje dużymi stratami ciepła i chłodu i przekłada się na wyższe koszty eksploatacji.

Przegląd poszczególnych konstrukcji

Większość z wymienionych elementów może występować w centralach dachowych typu rooftop w dowolnych konfiguracjach. W zasadzie każdy z producentów oferuje własne rozwiązanie techniczne tych urządzeń. W zależności od zapotrzebowania centrale mogą pracować z ograniczonym do 30–50% udziałem powietrza świeżego w powietrzu nawiewanym oraz w 100% na powietrzu zewnętrznym.

Centrale często dostępne są w konfiguracji z jednym wentylatorem nawiewno-wywiewnym lub dwoma wentylatorami: nawiewnym i wyciągowym (rys. 5 i rys. 6).

W pierwszym przypadku wentylator nawiewno-wywiewny powinien mieć odpowiedni spręż, niezbędny do pokonania oporów instalacji nawiewnej i wyciągowej. Zastosowanie jednego wentylatora powoduje również zależną od udziału powietrza świeżego w powietrzu nawiewanym możliwość przejścia od stanu neutralnego do stanu nadciśnienia w pomieszczeniu klimatyzowanym.

Jeżeli centrala pracuje wyłącznie na powietrzu recyrkulacyjnym, ilość powietrza nawiewanego jest taka sama jak wyciąganego z pomieszczenia. Jeśli jednak urządzenie zacznie zwiększać udział powietrza świeżego, o taką samą wartość zmaleje ilość powietrza usuwanego.

Przykładowo przy 30-proc. udziale powietrza świeżego ilość powietrza nawiewanego wynosi 100%, a recyrkulacyjnego i usuwanego z pomieszczenia 70%. Nawiewamy zatem więcej powietrza, niż usuwamy, a to wywołuje w pomieszczeniu stan nadciśnienia. Można tej sytuacji uniknąć, stosując dodatkowy wentylator wyciągowy w pomieszczeniu lub centralę z dwoma wentylatorami – nawiewnym i wyciągowym (rys. 6).

Ciekawym rozwiązaniem są konstrukcje przeznaczone do współpracy z systemami WLHP (Water Loop Heat Pumps – rys. 7). Podczas pracy w trybie chłodzenia (okres letni) centrala przekazuje ciepło poprzez skraplacz do pętli wodnej WLHP, a zimą parowacz odbiera z systemu WLHP ciepło i przekazuje go przez skraplacz do powietrza ogrzewanego.

Oczywiście jeśli centrala dachowa typu roof­top pracuje, schładzając powietrze w okresie letnim, przekazywanie ciepła do pierścienia wodnego powoduje konieczność pracy wież chłodniczych odprowadzających ciepło z systemu.

Jednak nowe konstrukcje wyposażone są w dodatkowy wymiennik, który ciepło skraplania (gdy nie jest ono użytecznie wykorzystywane) przekazuje w pierwszej kolejności do powietrza usuwanego i wyprowadzane jest ono na zewnątrz, a jeśli ilość przekazywanego ciepła nie może zostać skompensowana przez powietrze, usuwane ciepło w naddatku przekazywane jest do pętli wodnej systemu WLHP (rys. 8a). Minimalizuje to koszty związane z pracą wież chłodniczych.

Podobnie w okresie zimowym – podczas pracy układu pompy ciepła dodatkowy wymiennik usytuowany w strumieniu powietrza usuwanego w pierwszej kolejności pobiera ciepło (dolne źródło ciepła) od powietrza usuwanego i dopiero gdy jego ilość jest niewystarczająca, dodatkowe ciepło pobiera z pętli wodnej systemu WLHP (rys. 8b). Minimalizuje to koszt związany z pracą źródła grzania na potrzeby pętli tego systemu.

Założenia do projektowania

Dobierając centrale dachowe typu rooftop, projektant powinien uwzględnić poza standardowymi parametrami (wydajność centrali, moc chłodnicza, moc cieplna, spręż wentylatorów itp.) także dodatkowe aspekty:

1. jak najmniejsze opory po stronie powietrza (opory wewnętrzne centrali i opory w instalacji). Decydując się na montaż central dachowych typu rooftop, należy zastosować jak najkrótsze kanały wentylacyjne, gdyż mają one wpływ na opory po stronie powietrza i pobór mocy elektrycznej przez silniki wentylatorów w centralach. Podobnie należy dążyć do jak najmniejszych oporów wewnętrznych po stronie powietrza w samej centrali (stosować filtry elektrostatyczne zamiast kieszeniowych klasy F7 o wysokich oporach, zwrócić uwagę na opory po stronie wymienników ciepła i innych elementów mających wpływ na opory wewnętrzne);
2. jak najwyższa efektywność energetyczna układu chłodniczego i grzewczego. Usytuowanie wymiennika parowacza (w okresie zimowym, skraplacza – w okresie letnim) w strumieniu powietrza usuwanego znacząco zwiększa efektywność sprężarkowego układu chłodniczego, zarówno w trybie grzania, jak i chłodzenia, oraz wydłuża czas pracy takiego układu przy występowaniu ekstremalnych temperatur powietrza zewnętrznego w okresie letnim i zimowym, kiedy tradycyjne układy (z wymiennikiem usytuowanym w strumieniu powietrza zewnętrznego) przechodzą w stan wyłączenia lub awaryjny;
3. jak najmniejszy udział powietrza świeżego. Wzrost ilości powietrza świeżego generuje zwiększone zużycie energii elektrycznej, grzewczej i chłodniczej (rys. 9). Oczywiście nie chodzi tu o ograniczenia wynikające z kryterium minimum powietrza higienicznego, ale np. o próbę ograniczenia ilości powietrza świeżego wtedy, gdy jego najwyższa ilość nie jest wymagana (np. w nocy, w weekend, w święta, gdy w obiekcie znajduje się mniejsza liczba osób). Stały udział powietrza świeżego, niezależnie od warunków panujących w pomieszczeniu, jest marnotrawstwem energii. Przykładowo zastosowanie czujników jakości powietrza VOC lub stężenia CO umożliwi płynne sterowanie przepustnicą powietrza świeżego w komorze mieszania, wzrost udziału powietrza świeżego, gdy jest ono wymagane, i zmniejszenie tego udziału przy mniejszej frekwencji osób w klimatyzowanym pomieszczeniu.

Literatura

1. Katalogi techniczne producentów central typu rooftop.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!