Monoblokowe centrale dachowe typu rooftop. Zasada działania i nowe konstrukcje (cz. 1)

Obecnie stosuje się wiele systemów klimatyzacyjnych, które wykorzystują różne urządzenia przeznaczone do kształtowania parametrów powietrza klimatyzacyjnego. Są to najczęściej systemy scentralizowane lub zdecentralizowane. Cechą charakterystyczną tych pierwszych jest kształtowanie parametrów powietrza i jego nawiew po obróbce do pomieszczenia lub grupy pomieszczeń o zbliżonej charakterystyce cieplno-wilgotnościowej.

W drugim, zdecentralizowanym systemie centralnie przygotowywane jest tylko powietrze świeże (pierwotne), a do dalszej obróbki powietrza (mieszaniny powietrza pierwotnego i recyrkulacyjnego) wykorzystywane są indywidualne urządzenia i systemy klimatyzacyjne (systemy ze  zmiennym przepływem czynnika chłodniczego, WLHP, oparte na wodzie ziębniczej itp.).

Zadaniem zarówno typowych, modułowych central klimatyzacyjnych, jak i central typu rooftop jest przygotowanie powietrza do obsługi wybranych pomieszczeń lub stref budynku. Centrale te są wyposażone w zespół urządzeń pozwalających na pełną obróbkę powietrza. Do najważniejszych elementów należą: chłodnica, nagrzewnica, komora mieszania, nawilżacz i wymiennik odzysku ciepła.

W monoblokowych centralach dachowych typu rooftop, w przeciwieństwie do central modułowych, wszystkie niezbędne elementy konstrukcyjne umieszczone są w jednej zwartej obudowie. Na przykład źródło chłodu centrali klimatyzacyjnej typu modułowego, którym jest najczęściej agregat wody ziębniczej, jest zazwyczaj umieszczone poza jej obrębem, natomiast w monoblokowej centrali dachowej stanowi integralną część urządzenia.

Odzysk ciepła

Większość producentów oferuje typowe rozwiązania odzysku ciepła oparte na wymienniku płytowo-krzyżowym. Jak wynika z analiz przeprowadzonych przez autora w bardzo wielu obiektach, rozwiązanie to nie jest efektywne energetycznie, głównie za sprawą bardzo dużych spadków ciśnienia po stronie powietrza [1].

Z uwagi na obecny rozwój techniki oraz konieczność zastosowania w nowoczesnych budynkach rozwiązań najbardziej efektywnych energetycznie w cyklu artykułów przedstawione zostaną nowoczesne i bardzo zaawansowane technicznie centrale typu rooftop oparte na termodynamicznej metodzie odzysku ciepła. Zapotrzebowanie na moc elektryczną z tytułu zastosowania tej metody odzysku ciepła zmniejsza się w stosunku do wymienników płytowo-krzyżowych, dla takich samych warunków pracy, o 20–30%.

Urządzenia ze skraplaczem chłodzonym powietrzem dla pomieszczeń o małym obciążeniu cieplnym

Rozwiązania przeznaczone dla pomieszczeń klimatyzowanych o małym obciążeniu cieplnym charakteryzują się najczęściej stosunkowo prostą budową i z reguły w ich konstrukcji odzysk ciepła jest realizowany wyłącznie poprzez zawracanie części powietrza usuwanego – recyrkulację. W tym zakresie wydajności proponowane przez producentów centrale dachowe mogą być wykonane w wersjach tylko chłodzących oraz jako ich odpowiedniki w wersji z pompą ciepła. Z uwagi na niewielkie różnice pomiędzy wersjami tylko chłodzącymi i z pompą ciepła przedstawiono poniżej budowę central dla dwóch przykładowych typoszeregów w wykonaniu z odwracalnym obiegiem chłodniczym (pompą ciepła).

Urządzenia tego typu (rys. 1) przeznaczone są w zasadzie tylko do pracy na powietrzu recyrkulacyjnym. Kanał doprowadzający powietrze może zostać podłączony do otworów oznaczonych na rysunku jako R1 lub R2. Jeśli kanał z powietrzem recyrkulacyjnym zostanie podłączony do jednego z otworów w centrali, drugi otwór może pozostać zamknięty i wtedy urządzenie będzie pracować wyłącznie na powietrzu recyrkulacyjnym, a po otwarciu tego drugiego otworu możliwe będzie również doprowadzenie powietrza świeżego.

Mieszanie obu strumieni powietrza realizowane jest przed filtrem powietrza. Należy zaznaczyć, że z uwagi na fakt, iż urządzenie jest wyposażone tylko w jeden wentylator pełniący rolę nawiewnego i wyciągowego, pozostawienie drugiego otworu w pozycji otwartej (z dopływem powietrza higienicznego) spowoduje, że w pomieszczeniu będzie panowało nadciśnienie. Można posłużyć się tu następującym przykładem: jeżeli ilość powietrza nawiewanego jest równa 100% i udział powietrza świeżego w tym powietrzu wynosi 30%, a recyrkulacyjne odpowiednio 70%, to patrząc pod kątem bilansu strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego, do pomieszczenia będzie nawiewane 100% powietrza, a odprowadzane 70% powietrza.

Spowoduje to 30-proc. naddatek nawiewu w stosunku do wyciągu i rezultatem będzie nadciśnienie panujące w pomieszczeniu. Czyli im większy udział powietrza świeżego, tym większe nadciśnienie panujące w pomieszczeniu i odwrotnie: przy pełnej recyrkulacji w pomieszczeniu będą panowały neutralne warunki ciśnieniowe (100-proc. nawiew = 100-proc. wywiew).W okresie letnim powietrze recyrkulacyjne (lub mieszanina powietrza świeżego i recyrkulacyjnego) jest w pierwszej kolejności filtrowane (8) i ochładzane na wymienniku bezpośredniego odparowania czynnika chłodniczego (6) stanowiącego element układu chłodniczego urządzenia. Obieg czynnika w układzie chłodniczym jest realizowany poprzez sprężarkę, najczęściej typu spiralnego (1). Ciepło skraplania jest przekazywane w skraplaczu (3).

Przepływ powietrza przez skraplacz jest wymuszony wentylatorem sekcji skraplania (4). Oczyszczone i ochłodzone powietrze tłoczone jest do pomieszczenia przez wentylator nawiewno-wyciągowy. Jeśli priorytetem urządzenia jest osuszanie powietrza, chłodnica freonowa pełni funkcję elementu osuszającego powietrze, a żądana temperatura nawiewu jest uzyskiwana na wymienniku grzania (pełniącego w tym układzie funkcję nagrzewnicy wtórnej).

W okresie zimowym, a dokładniej przejściowym, powietrze recyrkulacyjne (lub jego mieszanina z powietrzem zewnętrznym) jest filtrowane (8) i podgrzewane w skraplaczu. Jeśli temperatura po odebraniu ciepła z powierzchni skraplacza jest satysfakcjonująca, powietrze tłoczone jest do pomieszczeń z wykorzystaniem wentylatora nawiewno-wyciągowego (5). Jeśli temperatura powietrza za skraplaczem jest zbyt niska lub niewystarczająca do pokrycia strat ciepła w pomieszczeniu, dodatkowe podgrzanie powietrza jest realizowane na wymienniku zasilanym ciepłą wodą (7).

Parowacz układu chłodniczego pobiera ciepło bezpośrednio od powietrza zewnętrznego. Powietrze chłodzące skraplacz jest zasysane z bocznej części wymiennika skraplacza i po odprowadzeniu ciepła tłoczone w kierunku górnej części urządzenia, do powietrza atmosferycznego. W przypadku tego rozwiązania parowacz układu chłodniczego w okresie zimowym jest bezpośrednio narażony na działanie niskich temperatur powietrza zewnętrznego, co powoduje, że w okresie tym temperatura odparowania wynikająca z temperatury powietrza zewnętrznego na wlocie będzie bardzo niska.

Może to sprawić, że układ chłodniczy wyłączy się awaryjnie na skutek zadziałania presostatu niskiego ciśnienia w układzie chłodniczym pompy ciepła. Należy zatem zawsze sprawdzić, czy układ chłodniczy jest przystosowany do pracy z bardzo niskimi temperaturami powietrza zewnętrznego (w okresie zimowym), a jeżeli nie, trzeba przedsięwziąć pewne środki umożliwiające pracę  urządzenia w pełnym zakresie obliczeniowych temperatur powietrza zewnętrznego. Tak samo należy sprawdzić, czy temperatura mieszaniny powietrza świeżego i recyrkulacyjnego w okresie zimowym zawiera się w zakresie dopuszczalnych warunków pracy (po stronie skraplacza) podawanych w biuletynach technicznych producentów urządzeń.

Urządzenia innego przykładowego typoszeregu (rys. 2) są zbliżone konstrukcyjnie do poprzednich. Układ chłodniczy stanowią widoczne na rysunkach wymienniki: parowacz (7), skraplacz (3) oraz sprężarka (1). Z uwagi na możliwość dopasowania do indywidualnych cech konstrukcyjnych budynku urządzenia tego typoszeregu mogą być wyposażone we wloty i wyloty powietrza umieszczone z różnych stron. Wlot powietrza świeżego jest umieszczony w bocznej części obudowy, oznaczono go na na rysunku symbolem AE. Nawiew powietrza uzdatnionego może zostać rozmieszczony po stronie czołowej (MF), od dołu lub od góry (M5). Powietrze recyrkulacyjne może zostać dostarczone do urządzenia podobnie: od strony frontu, od dolnej części lub od góry (R5).

Zasada działania urządzenia w jednej z wersji konfiguracyjnych jest następująca. Powietrze świeże jest w pierwszej kolejności mieszane z powietrzem recyrkulacyjnym w komorze mieszania, a następnie filtrowane (8) i ochładzane (w okresie letnim) do żądanej temperatury. Jeśli chłodnica freonowa (7) pełni rolę osuszacza, to negatywny efekt towarzyszący procesowi osuszania kondensacyjnego (ochładzania powietrza) jest niwelowany przez wtórną nagrzewnicę powietrza (6) umieszczoną za chłodnicą freonową.

Po uzyskaniu żądanych parametrów powietrza nawiewanego jest ono tłoczone do klimatyzowanych pomieszczeń z wykorzystaniem wentylatora promieniowego nawiewno-wywiewnego (5). Ciepło pobrane od schładzanego (lub osuszanego) powietrza jest przekazywane skraplaczowi (3). Przepływ powietrza chłodzącego skraplacz jest wymuszony przez wentylator osiowy (4).W okresie zimowym powietrze świeże o niskiej temperaturze jest mieszane z powietrzem recyrkulacyjnym w komorze mieszania, następnie mieszanina powietrza jest filtrowana (8), podgrzewana na skraplaczu układu pompy ciepła (7) i ewentualnie nagrzewnicy pierwotnej wodnej (6), a później poprzez wentylator promieniowy tłoczona do pomieszczenia.

Podobnie jak w przypadku urządzeń przedstawionych na rys. 1, należy zwrócić uwagę, że parowacz układu pompy ciepła (3) jest narażony bezpośrednio na działanie niskiej temperatury powietrza zewnętrznego, dlatego konieczne jest zweryfikowanie przez producenta dopuszczalnych warunków pracy w okresie zimowym lub zastosowanie elementów umożliwiających pracę w niskich temperaturach. Identycznie rzecz się ma z wymiennikiem skraplacza, przy którym temperatura mieszaniny powietrza świeżego oraz recyrkulacyjnego też powinna zawierać się w zakresie dopuszczanych przez producenta temperatur pracy.

W wykonaniu konfiguracyjnym z komorą mieszania (rys. 3) powietrze recyrkulacyjne jest usuwane z pomieszczenia przy użyciu wentylatora promieniowego wywiewnego (15) i w ilości równej strumieniowi powietrza nawiewanego pomniejszonego o ilość powietrza świeżego kierowane do komory, w której miesza się z powietrzem świeżym.

Pozostała ilość powietrza usuwanego z pomieszczeń, która odpowiada ilości powietrza świeżego, jest wyrzucana do atmosfery. Mieszanina powietrza świeżego i recyrkulacyjnego jest tłoczona do pomieszczeń za pomocą promieniowego wentylatora nawiewnego (5). Nawiew powietrza uzdatnionego może być realizowany przez otwory wentylacyjne znajdujące się w urządzeniu zależnie od potrzeb i konstrukcji budynku.

Możliwe są następujące wersje lokalizacji otworu, przez który przepływa powietrze uzdatnione do pomieszczenia: nawiew z lewej bocznej strony (M2), z dołu lub z górnej części urządzenia (M5). Wlot powietrza wywiewanego z pomieszczenia może być również zlokalizowany z prawej strony urządzenia (R1) lub znajdować się w jego dolnej części. Wlot powietrza świeżego oznaczono literami AE.Powietrze wywiewane, na które składa się pozostała ilość powietrza wywiewanego pomniejszona o ilość powietrza recyrkulacyjnego zawracanego do komory mieszania z powietrzem świeżym, jest oznaczone symbolem ES. Uzdatnianie powietrza w okresie letnim i zimowym jest identyczne jak dla urządzenia w konfiguracji z rys. 2 i wszelkie uwagi dotyczące tego rozwiązania są w tym  przypadku również wiążące.

Urządzenia ze skraplaczem chłodzonym powietrzem dla pomieszczeń ze średnią obecnością osób

Z uwagi na koszty eksploatacji i potrzeby obiektu analizowane rozwiązania central mogą być dostępne w kilku konfiguracjach konstrukcyjnych różniących się udziałami masowymi (objętościowymi) powietrza świeżego. Urządzenia przeznaczone do pomieszczeń o średniej lub dużej liczbie osób przebywających w budynku są dostępne w dwóch podstawowych wersjach konfiguracyjnych:

• wersja B – z komorą mieszania i pojedynczym wentylatorem nawiewnym,
• wersja C – z komorą mieszania z powietrzem świeżym i dwoma wentylatorami (nawiewnym i wyciągowym).

Wersja B

Standardowa konstrukcja, tak zwana wersja B (rys. 4, 5), zapewnia kontrolę powietrza nawiewanego poprzez odpowiednie zmieszanie powietrza świeżego i recyrkulacyjnego zgodnie z wymaganiami higienicznymi i uzdatnienie tej mieszaniny powietrza. Zmieszanie jest realizowane przez ustawienie ręcznej przepustnicy powietrza przy komorze mieszania. Wersja ta może zostać zmodyfikowana dzięki zastosowaniu opcjonalnego wyposażenia dodatkowego w postaci przepustnicy z siłownikiem pozwalającej na uzyskanie określonego wydatku powietrza świeżego:

• praca ze zmiennym procentowym udziałem powietrza świeżego zależnie od kąta położenia przepustnicy uzyskiwanego przez zmianę nastawy siłownika (ON-OFF) aktywowanego w trybie wentylacji (opcjonalnie),
• praca ze zmiennym udziałem powietrza świeżego poprzez zamykanie lub otwieranie przepustnicy zależnie od sygnału z czujnika jakości powietrza (opcjonalnie),
• praca ze zmiennym udziałem procentowym powietrza świeżego poprzez zamykanie lub otwieranie siłownika przepustnicy zależnie od obciążenia cieplnego pomieszczenia oraz temperatury powietrza zewnętrznego (free cooling dla wersji B – opcjonalnie).

Wersja C

Urządzenie w opcjonalnej wersji konfiguracyjnej (zwanej wersją C – rys. 6) zapewnia automatyczną kontrolę zmieszania powietrza świeżego z recyrkulacyjnym, spełniając wszystkie wymagania higieniczne. Co więcej, umożliwia wyrzut części powietrza usuwanego z pomieszczeń klimatyzowanych dzięki dodatkowemu wentylatorowi wyciągowemu oraz odzysk „ciepła” i „chłodu” z powietrza usuwanego.

Automatyczna nastawa stopnia otwarcia przepustnicy zapewnia pracę urządzenia:

• z pełną recyrkulacją,
• z mieszaniną powietrza świeżego i recyrkulacyjnego,
• z całkowitym udziałem powietrza świeżego i całkowitym wyrzutem powietrza usuwanego (100-proc. free cooling).

Zasada działania central średniej i wysokiej wydajności

Centrala może pracować z udziałem powietrza świeżego wynoszącym ok. 30–50% całkowitego wydatku powietrza nawiewanego (rys. 7). Powietrze świeże doprowadzane jest poprzez przepustnice powietrza świeżego umieszczone przy otworze wlotowym znajdującym się w bocznej części centrali. Dzięki przepustnicom powietrza umieszczonym przy komorze mieszania możliwe jest sterowanie ilością powietrza recyrkulacyjnego.

Przepustnica (20) kieruje bezpośrednio określoną ilość powietrza recyrkulacyjnego do komory, w której ulega ono zmieszaniu ze świeżym powietrzem  zewnętrznym. Pozostała ilość powietrza recyrkulacyjnego (ES) jest wyrzucana do powietrza atmosferycznego. Przepływa ono jednak przez dolną część wymiennika zewnętrznego (w okresie letnim skraplacza, w zimowym parowacza) i ulega zmieszaniu z powietrzem zewnętrznym doprowadzonym do schłodzenia skraplacza w okresie letnim lub przekazania ciepła do parowacza w okresie zimowym. Autor celowo posługuje się pojęciem wymiennik zewnętrzny, gdyż pełni on funkcję raz parowacza, a raz skraplacza, w zależności od sezonu.Wykorzystanie powietrza przepływającego z dołu wymiennika i zmieszanie go z powietrzem zewnętrznym dochodzącym do wymiennika zewnętrznego daje podwójną korzyść. Zapobiega to zimą powstawaniu na powierzchni parowacza lodu, który w niskich temperaturach zaczyna się tworzyć od dolnej części wymiennika, a także pozwala uzyskać bardziej korzystne temperatury w okresie letnim i zimowym.

Zakładając, że urządzenie pracuje w ekstremalnej temperaturze powietrza zewnętrznego w okresie letnim, przy standardowym urządzeniu ze skraplaczem chłodzonym bezpośrednio powietrzem zewnętrznym temperatura powietrza zewnętrznego będzie wysoka. Spowoduje to podwyższenie temperatury skraplania w układzie chłodniczym pompy ciepła i w rezultacie spadek wydajności chłodniczej i ogólnej sprawności obiegu parowego.

Wykorzystanie zmieszania powietrza zewnętrznego z powietrzem usuwanym z pomieszczeń w okresie letnim obniży temperaturę powietrza doprowadzonego do schłodzenia skraplacza, a dzięki obniżeniu temperatury skraplania zwiększy się wydajność chłodnicza i efektywność energetyczna urządzenia. Efekt ten dotyczy również okresu zimowego.

Wymiennik zewnętrzny pełni tym razem rolę parowacza, zmieszanie powietrza zewnętrznego o bardzo niskiej temperaturze z powietrzem usuwanym z pomieszczeń podniesie temperaturę powietrza wlotowego na parowacz, pozwalając na podwyższenie temperatury odparowania w sprężarkowym układzie chłodniczym, a w rezultacie zwiększy się wydajność grzewcza i efektywność energetyczna pompy ciepła. Do powyższych korzyści można dodać jeszcze wykorzystanie darmowego ciepła lub chłodu zawartego w powietrzu usuwanym z klimatyzowanych pomieszczeń. Umożliwia to pracę układu chłodniczego w bardziej ekstremalnych temperaturach powietrza zewnętrznego, zarówno w sezonie letnim, jak i zimowym.Powietrze nawiewane, będące mieszaniną powietrza świeżego i recyrkulacyjnego, jest uzdatniane na kolejnych elementach będących integralnymi częściami układu centrali. Do dodatkowych elementów kształtujących stan powietrza nawiewanego należą: wstępne filtry powietrza klasy G4, dokładniejsze filtry elektrostatyczne o bardzo wysokiej sprawności lub filtry kieszeniowe klasy F7, wymiennik wodny, wymiennik wewnętrzny, który zależnie od trybu pracy układu chłodniczego pełni funkcję parowacza lub skraplacza, oraz dodatkowa nagrzewnica wtórna.

Każdy z tych elementów jest wykorzystywany zależnie od potrzeb i występowania sezonu letniego, zimowego lub przejściowego. Z uwagi na typowy proces uzdatniania powietrza odpowiadający przemianom w  tradycyjnych centralach klimatyzacyjnych w tym wypadku nie jest konieczne zobrazowanie go na wykresie h-x.

***

W kolejnym artykule omówione zostaną nowoczesne konstrukcje central dachowych typu rooftop przeznaczone do pomieszczeń o wysokiej frekwencji osób przebywających w klimatyzowanych pomieszczeniach (kina, teatry itp.) oraz wersje przeznaczone do współpracy z pierścieniowym układem hydraulicznym WLHP.

Literatura

1. . Adamski B., Pompy ciepła – system odzysku ciepła/zimna w centralach klimatyzacyjnych, „Rynek Instalacyjny” nr 7/2007.
2. Adamski B., Aktualne trendy i rozwój urządzeń klimatyzacyjnych cz. 1, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 10/2009.
3. Adamski B., Aktualne trendy i rozwój urządzeń klimatyzacyjnych cz. 2, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 12/2009.
4. Adamski B., Początek końca płytowo-krzyżowych wymienników odzysku ciepła?, materiały seminaryjne Forum Wentylacja i Salon Klimatyzacja, Warszawa, marzec 2009 r.
5. Biuletyny techniczne producentów.