Chłodzenie powietrza w budynkach małych i średnich

Zwiększone zapotrzebowanie na chłód w budynkach będzie wynikało nie tylko z potrzeb związanych z komfortem życia i efektywnością pracy, ale też ze świadomości niebagatelnego wpływu wysokiej temperatury na ludzkie zdrowie. Najnowsze badania wykazały, że krytyczna granica środowiskowa (granica temperatury niebezpiecznej) – czyli takie połączenie temperatury i wilgotności względnej, przy której przestają działać mechanizmy naturalnej regulacji (parowanie nie ochładza skóry) i rozpoczyna się stały wzrost temperatury organów wewnętrznych – wynosi dla młodych, zdrowych osób 31°C przy 100% wilgotności względnej (a 38°C przy 60% wilgotności względnej), choć wcześniej uważano, że granica fizjologiczna jest wyższa i wynosi nawet 35°C przy 100% wilgotności [1].

Analiza zgonów nadmiarowych (czyli zgonów przewyższających wartość spodziewaną na podstawie analogicznych okresów w latach ubiegłych) w najcieplejszych miesiącach 2022 roku (czerwiec–sierpień) wykazała, że upały przyczyniły się do śmierci ponad 61,5 tys. osób [2]. Biorąc pod uwagę dotychczasowe modele klimatyczne, pomiary i prognozy, można przypuszczać, że problem ten będzie się pogłębiał.

Coraz wyższa temperatura – nieunikniona?

Podsumowując luty 2024 roku, Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej podał, że anomalia temperatury wyniosła w tym miesiącu 5,9°C. O taką wartość średnia temperatura w tym miesiącu była wyższa od normy z lat 1991–2020 – odnotowano zatem najcieplejszy luty w historii pomiarów [3]. Natomiast analiza 2023 roku wykazuje, że ocieplenie jest o 0,2°C wyższe, niż wynikałoby z dotychczasowych modeli, co może oznaczać, że już teraz fundamentalnie zmienia się sposób funkcjonowania systemu klimatycznego [4, 5].

Miniony rok był również najcieplejszy w historii pomiarów – średnia temperatura w 2023 r. była wyższa o 1,45°C od poziomu z okresu przedprzemysłowego (z czasów, kiedy człowiek nie emitował do atmosfery gazów pochodzących ze spalania paliw kopalnych), zmniejszył się także zasięg lodowców, a na Antarktydzie postępuje utrata lodu morskiego [6]. Działania ludzkości na rzecz zahamowania tych zmian wciąż są niewystarczające, zatem nieuniknione wydaje się stosowanie rozwiązań umożliwiających adaptację do zmieniających się warunków. Dlatego urządzenia zapewniające „produkcję chłodu” (a właściwie odbiór nadmiarowego ciepła z pomieszczeń) stopniowo będą się stawać standardem wyposażenia budynków.

Przeczytaj także: Zmiany klimatu wymagają zmian w projektowaniu systemów HVAC | RynekInstalacyjny.pl

Klimatyzatory w chłodzeniu i ogrzewaniu pomieszczeń

Najpopularniejszym, a jednocześnie stosunkowo tanim, łatwym i mało inwazyjnym w zakresie montażu rozwiązaniem zapewniającym chłodzenie pomieszczeń w budynkach, są klimatyzatory typu split. Klimatyzatory wyposażone są w szereg rozwiązań zapewniających ich wysoką efektywność i sprawność sezonową – m.in. zawory rozprężne odpowiedzialne za bardziej precyzyjne sterowanie, zmienną prędkość obrotową sprężarki i wentylatorów nadmuchowych oraz zastosowanie czynnika chłodniczego R32 (urządzenie o tej samej wydajności chłodniczej wymaga nawet o 15–30% mniej tego czynnika niż jego poprzednika, czyli R410A, cechuje się też wyższą sprawnością cieplną). Znowelizowane rozporządzenie F-gazowe [7] może się także przyczynić do pojawienia się na rynku urządzeń klimatyzacji komfortu opartych na czynnikach o GWP < 150, takich jak R454C (GWP = 146), będący mieszaniną R32 i R1234yf, czy R290 (propan), w przypadku którego urządzenia musiałyby spełnić dodatkowe wymogi bezpieczeństwa (np. wyższa szczelność czy minimalna wielkość napełnienia czynnikiem) [8].

Ponieważ znacznie wzrosła świadomość inwestorów w zakresie jakości (szczególnie mikrobiologicznej) powietrza wewnętrznego, klimatyzatory coraz powszechniej wyposażone są w wielostopniowy system oczyszczania powietrza. Filtry HEPA i urządzenia fotokatalityczne oparte na dwutlenku tytanu i usuwające przede wszystkim lotne związki organiczne odpowiedzialne m.in. za nieprzyjemne zapachy (np. składniki dymu papierosowego) są coraz częściej uzupełnione przez rozwiązania do dezynfekcji strugi powietrza, głównie lampy UV-C i jonizatory. Lampy UV-C są dobrym rozwiązaniem, o ile czas kontaktu (naświetlania) strugi powietrza jest wystarczająco długi. Z kolei jonizatory (generatory zimnej plazmy) muszą się cechować odpowiednio niską produkcją ozonu O₃ (punktem odniesienia może być zalecane przez WHO maksymalne średnie 8-godzinne stężenie wynoszące 60 μg/m³). Zadaniem jonizatora jest wytworzenie wolnych rodników, które jako cząstki silnie aktywne chemicznie będą neutralizować białka i kwasy nukleinowe bakterii i wirusów, nie wpływając jednocześnie negatywnie na człowieka. Przykładem są wytwarzane z wody wolne rodniki hydroksylowe OH˙. Jonizacja wody zachodzi w silnym polu elektrycznym wewnątrz urządzenia przy niewielkim poborze mocy elektrycznej.

Ważnym aspektem pracy klimatyzatora jest też zapewnienie, że nie będzie on wtórnym źródłem zanieczyszczenia powietrza w pomieszczeniu (np. poprzez ponowne nawiewanie osadzonego kurzu i pyłów czy powstanie wewnątrz urządzenia warunków do rozwoju mikroorganizmów). Dlatego na rynku zainteresowaniem odbiorców cieszą się także urządzenia zapewniające funkcję samooczyszczenia, dzięki której zakres serwisowego czyszczenia i odgrzybiania (realizowanego zgodnie z zaleceniami producentów co najmniej raz w roku) jest ograniczony do minimum. Funkcja samooczyszczania realizowana jest przez uruchomienie wentylatora urządzenia na kilka minut po zakończeniu jego pracy w trybie chłodzenia lub osuszania – w ten sposób wewnętrzne części parownika zostają osuszone, a brak zalegającej wilgoci zapobiega rozwojowi pleśni i grzybów (wewnątrz klimatyzatora nie powstają warunki sprzyjające wzrostowi tych mikroorganizmów). Wentylator może być dodatkowo wyposażony w lampę UV-C (umieszczoną pod urządzeniem). Zapewnia ona odpowiednio długie naświetlanie, umożliwiające oczyszczenie podzespołu z bakterii i wirusów, dzięki czemu wentylator nie jest źródłem wtórnego zanieczyszczenia powietrza w pomieszczeniu.

Współczesny klimatyzator powinien się także dwustronnie komunikować z użytkownikiem, zarówno reagując na jego potrzeby, jak i informując o swoim stanie czy umożliwiając łatwe ustawienie żądanych parametrów. Na rynku dostępna jest cała gama takich rozwiązań, poczynając od kolorowych wyświetlaczy, które mogą nie tylko stanowić interfejs sterownika, ale też w prosty sposób informować np. o zużyciu energii czy stężeniu pyłu zawieszonego w powietrzu, poprzez czujniki umieszczone w pilocie i pozwalające reagować na temperaturę w jego otoczeniu (czyli domyślnie w miejscu, gdzie faktycznie znajduje się użytkownik), sterowniki przewodowe i bezprzewodowe, komunikację głosową poprzez asystentów, takich jak Siri, Alexa czy Google Assistant, lub zdalne sterowanie za pomocą aplikacji mobilnej. Warunkiem stosowania takich rozwiązań jest wyposażenie klimatyzatora w moduły komunikacyjne (np. Wi-Fi) oraz odpowiednie czujniki (np. stężenia pyłów zawieszonych).

Z roku na rok coraz bardziej rośnie nie tylko znaczenie wyglądu i stylistyki klimatyzatora (tzw. designu), producenci oferują też inwestorom coraz więcej możliwości. Użytkownik może wybierać formę i kolor jednostki wewnętrznej (od klasycznej bieli, przez czerń, miedź i inne kolory czy panele lustrzane, po wymienne panele tekstylne o zróżnicowanej fakturze czy obrazy lub wyświetlany przegląd slajdów). Klimatyzator nie ma już być dodatkowym elementem dodanym do istniejącej aranżacji wnętrza, ale jego harmonijnie dopasowaną, integralną częścią.

W ostatnich latach zwrócono uwagę także na fakt, że klimatyzatory z funkcją grzania mogą być traktowane jak pompa ciepła powietrze/powietrze. SCOP dla klimatu umiarkowanego (w strefie którego na potrzeby etykiety efektywności energetycznej leży Polska) w przypadku przykładowego klimatyzatora o nominalnej mocy grzewczej 2,6–3,2 kW i klasie energetycznej A++ wynosi 5,1. Zastosowanie zaworu rewersyjnego umożliwia zmianę kierunku czynnika chłodniczego, a tym samym zmianę funkcji wymienników ciepła (parownik i skraplacz) i przechodzenie między trybami grzania i chłodzenia. Zimą zawór rewersyjny dodatkowo umożliwia ochronę wymiennika zewnętrznego przed oszronieniem. Jeśli tak rozumiana pompa ciepła powietrze/powietrze – lub system takich urządzeń, np. w układzie multi split – pełni funkcję głównego źródła ciepła w domu czy mieszkaniu, może być przedmiotem dotacji zarówno w ramach programu „Ciepłe Mieszkanie” (dofinansowanie wymiany pozaklasowych indywidualnych źródeł ciepła w mieszkaniach niepodłączonych do centralnego ogrzewania na urządzenia nisko­emisyjne lub podłączenie do węzła centralnego), jak i „Moje Ciepło” (dofinansowanie montażu pomp ciepła w nowych domach o standardzie domu pasywnego z EP ≤ 55 kWh/(m² rok)).

Chłodzenie pompami ciepła

Wyposażając budynek w pompę ciepła, inwestor może zdecydować się na rozwiązanie zapewniające także chłodzenie latem. Najbardziej efektywny energetycznie proces zapewnia gruntowa pompa ciepła, która może realizować dwa rodzaje chłodzenia – pasywne (szczególnie opłacalne pod względem ekonomicznym) oraz aktywne. W przypadku pomp ciepła powietrze/woda możliwe jest tylko chłodzenie aktywne. Chłodzenie pasywne (naturalne) polega na wykorzystaniu chłodu zmagazynowanego w dolnym źródle, czyli wodzie gruntowej, z pominięciem układu chłodniczego pompy ciepła. Chłodna woda gruntowa jest przez pompę obiegową kierowana do dodatkowego wymiennika ciepła, w którym odbiera ciepło od wody obiegowej krążącej w pomieszczeniach, po czym wraca do gruntu, a schłodzona woda obiegowa może ponownie odebrać ciepło z pomieszczeń. Chłodzenie pasywne ma wysoką sprawność (EER > 20) i niskie koszty eksploatacyjne, zapewnia jednak mniejszą wydajność chłodniczą niż chłodzenie klimatyzatorami czy chłodzenie aktywne realizowane przez odwrócony obieg chłodniczy pompy ciepła. Praca w tym trybie jest możliwa w przypadku rewersyjnych (odwracalnych) pomp ciepła wyposażonych w zawór czterodrożny umożliwiający odwrócenie kierunku obiegu chłodniczego. Na rynku dostępne są rozwiązania, które wykorzystują powstałe w tym procesie ciepło odpadowe do wspomagania przygotowania c.w.u. czy ogrzewania basenu. Pompa ciepła w trybie chłodzenia ma niższą wydajność i sprawność niż w trybie grzania, co wynika z konieczności odebrania dodatkowego ciepła wytwarzanego przez sprężarkę (w trybie grzania ciepło to dodawane jest do ciepła czerpanego z dolnego źródła).

Wodne instalacje chłodzące

Do odbioru ciepła z pomieszczeń mogą służyć te same instalacje wodne, które w sezonie grzewczym pełnią funkcję instalacji ogrzewczych. W przypadku chłodzenia pasywnego sprawdzi się jedynie ogrzewanie płaszczyznowe (najczęściej podłogowe). W czasie eksploatacji należy zwracać uwagę, by temperatura wody obiegowej (pełniącej funkcję wody lodowej) nie była zbyt niska – po pierwsze, ze względu na temperaturę punktu rosy, poniżej której następuje wykraplanie się wilgoci zawartej w powietrzu, po drugie, ze względu na komfort użytkownika, z punktu widzenia którego temperatura przy podłodze powinna być wyższa niż w okolicach głowy. Z tych dwóch względów temperatura zasilania wody lodowej w ogrzewaniu podłogowym w trybie chłodzenia nie powinna być niższa niż 18°C.

Natomiast w przypadku zastosowania w instalacji klimakonwektorów temperatura wody lodowej może być wyraźnie niższa (np. 7°C na zasilaniu). W instalacji z klimakonwektorami stosowanymi do chłodzenia należy uwzględnić konieczność zabezpieczenia całego układu za pomocą izolacji przeciwwilgociowej (zimnochronnej), najlepiej kauczukowej, oraz zastosowanie bufora ze względu na niską pojemność wodną klimakonwektorów (brak bufora w instalacji mógłby spowodować nadmiernie częste włączanie i wyłączanie pompy ciepła, co negatywnie wpłynęłoby na jej żywotność, ale także na efektywność energetyczną całego układu).

Jeżeli chłodzenie realizowane jest za pomocą instalacji podłogowej, konieczna jest bieżąca kontrola punktu rosy, tak aby temperatura podłogi nie spadła poniżej temperatury wykroplenia pary wodnej na jej powierzchni. Należy zatem zwrócić uwagę, aby regulator był wyposażony w czujnik pomiaru wilgotności powietrza i kontrolę punktu rosy.

Wsparcie chłodzenia przez GWC

We współczesnych budynkach nowych i remontowanych standardem staje się zastosowanie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, której efektywność energetyczną może dodatkowo zwiększyć gruntowy wymiennik ciepła (GWC), umożliwiający wykorzystanie energii wierzchnich warstw gruntu do wstępnego przygotowania powietrza wentylacyjnego. Grunt (najczęściej na głębokości 1–2 m) zapewnia temperaturę od 5 do 14°C [9], która jest zwykle niższa od temperatury powietrza zewnętrznego latem. Przejście strugi powietrza zewnętrznego przez wymiennik gruntowy pozwala wstępnie schłodzić powietrze wentylacyjne.

Badania pokazują, że temperatura powietrza za wymiennikiem gruntowym może być latem o 16–18 K niższa niż temperatura zewnętrzna, co umożliwia ograniczenie czasu pracy chłodnicy w centrali wentylacyjnej (jeśli jest stosowana) lub ilości energii elektrycznej zużywanej na chłodzenie powietrza w budynku przez rewersyjne pompy ciepła, klimatyzatory czy klimakonwektory albo belki chłodzące [9, 10]. Rozwiązania te stabilizują temperaturę powietrza przy jej dobowych zmianach [11]. GWC znajdują zastosowanie np. w budynkach jedno- i wielorodzinnych, obiektach użyteczności publicznej (np. w halach sportowo-widowiskowych) oraz halach przemysłowych i innych obiektach kubaturowych.

Energia z OZE w procesach chłodzenia małych i średnich budynków

Wspomniany raport Międzynarodowej Organizacji Meteorologicznej wskazuje także na znaczny wzrost liczby inwestycji w energię odnawialną. W 2023 r. roku przybyło na świecie 510 gigawatów mocy w instalacjach OZE (najwięcej w ciągu ostatnich 20 lat) [6]. Częścią tego boomu inwestycyjnego są i powinny być instalacje prosumenckie, także wspierające proces chłodzenia budynków i pomieszczeń. Najlepiej w tej roli sprawdzają się instalacje PV we współpracy z magazynami energii – prosumenckimi lub sieciowymi. Zapewniają one zwiększenie poziomu autarkii i autokonsumpcji, a także stabilizują pracę sieci elektroenergetycznej (a wtórnie – instalacji budynkowej), która w obecnym kształcie nie jest przygotowana do przyjmowania tak dużej ilości energii przekazywanej do sieci w okresach nadprodukcji z instalacji prosumenckich.

Współpraca z instalacją fotowoltaiczną szczególnie dobrze sprawdza się w przypadku klimatyzatorów – okresy popytu i podaży energii z PV są do siebie zbliżone (inaczej niż przy współpracy instalacji PV z ogrzewaniem elektrycznym).

Ze względu na koszt zakupu i montażu instalacji PV nie warto planować jej współpracy tylko z małą (domową) instalacją klimatyzacyjną. Przykładowe roczne zużycie energii jedynie na chłodzenie dla jednego klimatyzatora split o wydajności chłodniczej 3,5 kW podawane na etykiecie energetycznej wynosi 144–145 kWh rocznie – przy założeniu 350 h pracy w trybie chłodzenia, co odpowiada w przybliżeniu sześciogodzinnej pracy urządzenia przez 60 dni w roku. Zatem roczne zapotrzebowanie klimatyzatora 3,5 kW na energię do chłodzenia podczas jednego sezonu klimatyzacyjnego można pokryć za pomocą 1–2 paneli PV (jeden panel ma uzysk od 200 do 400 Wp) [12]. Realizacja tak małej instalacji zwróciłaby się po bardzo długim czasie.

Jednocześnie jednak wykorzystanie prądu z instalacji PV do zasilania klimatyzacji oznacza zwiększenie autokonsumpcji (zużywania energii wytworzonej w instalacji PV na bieżące potrzeby), co może znacznie zwiększyć opłacalność produkcji energii elektrycznej. Ma to tym większe znaczenie, że korzyści ze sprzedaży operatorowi sieci prądu z PV w okresach jego najwyższej produkcji będą coraz trudniejsze do oszacowania – od 1 lipca 2024 r. mają zacząć obowiązywać ceny godzinowe [13].

W Polsce wyraźne maksima potencjału PV związane z rozkładem promieniowania słonecznego występują w okresie od kwietnia do września (por. rys. 4) – najlepszym miesiącem pod względem uzysku energii jest lipiec, warto też jednak zwrócić uwagę na dobre warunki w maju i czerwcu.

Chłodzenie za pomocą pompy ciepła również warto wspomagać prądem pochodzącym bezpośrednio z instalacji PV. Zwiększanie autokonsumpcji energii elektrycznej jest już dziś strategią promowaną w programach wsparcia i dotacji do OZE dla prosumentów – autokonsumpcja przyczynia się do zmniejszenia obciążenia sieci elektroenergetycznych w dwóch aspektach. Po pierwsze, zmniejsza się faktyczny popyt na energię w okresie dużego zapotrzebowania (okres klimatyzacyjny), a po drugie, sieć jest chroniona przed odprowadzeniem do niej dużych nadwyżek produkcyjnych (w okresie zapotrzebowania na energię do chłodzenia mikroinstalacje PV wytwarzają najwięcej energii). Dlatego posiadanie własnej minielektrowni przynosi prosumentowi nie tylko oszczędności eksploatacyjne, ale też większe bezpieczeństwo i niezależność energetyczną.

Literatura

1. Kenney W. Larry, Vecellio Daniel, Cottle Rachel, Wolf S. Tony, As heat records fall, how hot is too hot for the human body?, https://theconversation.com/as-heat-records-fall-how-hot-is-too-hot-for-the-human-body-210088 (dostęp: 22.03.2024)

2. Ballester Joan, Quijal-Zamorano Marcos, Méndez Turrubiates Raúl Fernando et al., Heat-related mortality in Europe during the summer of 2022, „Nature Medicine” Vol. 29, 2023, https://doi.org/10.1038/s41591-023-02419-z (dostęp: 22.03.2024)

3. Komunikat Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowego Instytutu Badawczego z 29.02.2024, https://twitter.com/IMGWmeteo/status/1763109148114235541 (dostęp: 22.03.2024)

4. Schmidt Gavin, Climate models can’t explain 2023’s huge heat anomaly — we could be in uncharted territory” „Nature” 627, 467 (2024), https://www.nature.com/articles/d41586-024-00816-z (dostęp: 22.03.2024)

5. Gordon Hal B. et al., The CSIRO Mk3 Climate System Model, „CSIRO Atmospheric Research Technical Paper” No. 60, 2002

6. World Meteorological Organization, State of the Global Climate 2023, https://wmo.int/publication-series/state-of-global-climate-2023 (dostęp: 22.03.2024)

7. Rozporządzenie PEiR (UE) 2024/573 w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych, zmieniające dyrektywę (UE) 2019/1937 i uchylające rozporządzenie (UE) nr 517/2014 (Dz.Urz. UE L 2024/573 z 20.02.2024)

8. Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ), R290 Split Air Conditioners Resource Guide. Version 1.0, Bonn/Eschborn 2019

9. Lipska Barbara, Gruntowe wymienniki ciepła stosowane w wentylacji i klimatyzacji, „Inżynier Budownictwa” 3/2022

10. Kostka Maria, Szulgowska-Zgrzywa Małgorzata, Obliczenia energetyczne gruntowych rurowych wymienników ciepła, „Rynek Instalacyjny” 6/2015, rynekinstalacyjny.pl https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/instalacje-wentylacyjne-klimatyzacyjne/20296,obliczenia-energetyczne-gruntowych-rurowych-wymiennikow-ciepla 

11. Topolańska Justyna, Krawczyk Anna, Gruntowe powietrzne wymienniki ciepła. Cz. 2, Ocena pracy systemu na podstawie wyników pomiarów, „Rynek Instalacyjny” 7–8/2015, rynekinstalacyjny.pl

12. Centrum Badań Wspólnych Komisji Europejskiej, Photovoltaic Geographical Information System, https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/ (dostęp: 23.02.2024)

13. Ustawa z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii (t.j. DzU 2021, poz. 610)