Integracja HVAC – nowy kierunek rozwoju urządzeń klimatyzacyjnych, ogrzewczych i wentylacji?

Wymagania [1] wprowadzone w listopadzie 2017 r. do rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, otwierają nowy rozdział w zakresie instalacji i systemów przeznaczonych dla budynków mieszkalnych, zwłaszcza wielorodzinnych. Wysokie wymogi związane ze zużyciem energii pierwotnej kładą cień na aktualne rozwiązania systemów przeznaczonych dla tego typu obiektów. Zdaniem autora, trend zwiększania efektywności i sprawności systemów HVAC będzie się utrzymywał we wszystkich obiektach, zarówno nowych, jak i istniejących. Konieczność uzyskiwania coraz niższych wskaźników zużycia energii pierwotnej w budynkach mieszkalnych będzie wymuszała zastosowanie odzysku ciepła w systemach wentylacji mieszkań oraz zintegrowanie wszystkich systemów w obiekcie (skoro realizują one zbliżone cele) oraz, co najbardziej istotne, absolutny wymóg zachowania przez instalacje minimalnych wymiarów i inteligentnego systemu sterowania.

Systemy muszą być inteligentne i powinny same realizować cele związane z komfortem i zdrowiem użytkowników z maksymalną efektywnością i sprawnością. Jeśli użytkownik dokona zmiany nastawy temperatury w pomieszczeniu, nie ma dla niego znaczenia, czy system będzie to realizował poprzez free cooling w centrali lub agregacie chłodniczym, czy przez załączenie układu sprężarkowego układu chłodniczego. Użytkownik dokonuje nastawy wartości zadanej temperatury w pomieszczeniu, a system automatyki i sterowania sam wybiera, kiedy i jaki element systemu załączyć, tak by zadana nastawa została uzyskana szybko i była utrzymywana przy maksymalnej sprawności i efektywności.

Odzysk ciepła z powietrza usuwanego

Konieczność zastosowania odzysku ciepła w systemie wentylacji wymagać będzie prowadzenia dwóch kanałów powietrznych w każdym lokalu mieszkalnym: jednego z powietrzem świeżym, drugiego z usuwanym. Dotyczy to systemu wentylacji scentralizowanej. Odzysk ciepła w takim systemie jest realizowany obecnie w centrali wentylacyjnej wyposażonej w wymiennik odzysku ciepła.

Z kolei w systemie wentylacji zdecentralizowanej na kolejnych kondygnacjach konieczne są otwory, przez które powietrze będzie wyrzucane i zasysane. Dla obydwu systemów należy przewidzieć elementy nawiewne i wywiewne (czerpnia i wyrzutnia) z poszczególnych mieszkań i kondygnacji.

Z tych powodów i z uwagi na bardzo małe wymiary pomieszczeń niezbędna jest zmiana polskiego prawa. Zdaniem autora konieczne jest zniesienie aktualnego przepisu dotyczącego obowiązku zachowania odpowiednich odległości pomiędzy oknem, czerpnią a wyrzutnią powietrza usuwanego. Z czysto praktycznego punktu widzenia jest to przepis będący przeszkodą we wprowadzeniu zmian do rozwiązań systemowych i utrudniający spełnienie nowych wymagań dla budynków. Rodzi się bowiem pytanie – czy pojedynczy element czerpno-wyrzutowy nie może skutecznie realizować wlotu powietrza świeżego i wyrzutu powietrza zużytego, gdy zlokalizowane są one jeden przy drugim i ich strumienie się nie mieszają? Oczywiście nowy zapis powinien rozważnie regulować szczegóły takich rozwiązań, jednak kwestia ta nie jest przedmiotem niniejszego artykułu.

Integracja systemów wentylacji, klimatyzacji i ogrzewania

Konieczność wentylowania pomieszczeń w budynkach wielorodzinnych jest oczywista i respektowana. Do dyspozycji mamy systemy wentylacji grawitacyjnej i wentylacji wyciągowej mechanicznej. Jednak konieczność stosowania odzysku ciepła w systemach wentylacji mieszkań wielorodzinnych burzy aktualny stan techniczny rozwiązań do tej pory stosowanych. Tradycyjne systemy wentylacji z odzyskiem ciepła wymuszają prowadzenie w budynku mieszkalnym czterech oddzielnych przewodów wentylacyjnych, które muszą zostać zainstalowane w obrębie pomieszczeń. Wiąże się to z koniecznością obniżenia sufitu podwieszonego nawet o 30 cm z uwagi na rozmiar centrali wentylacyjnej i kanałów. To także wymóg odpowiedniego trasowania tych kanałów, bo występować mogą kolizje przy swobodnej ich aranżacji pomiędzy kanałem powietrza świeżego i zużytego dla kilku pomieszczeń.

Systemy i instalacje w pomieszczeniach mieszkalnych stopniowo przygotowywane są do zastosowania w nich dwuetapowego uzdatniania powietrza. Mamy do czynienia z koniecznością doprowadzenia powietrza świeżego w minimalnej ilości i jego odprowadzenia, także z powodu ograniczonych wymiarów pomieszczeń i zabudowy w nich jedynie kanałów o niewielkiej wysokości. Z uwagi na fakt, że ilość świeżego powietrza, nawet odpowiednio schłodzonego i ogrzanego centralnie, nie jest wystarczająca do pokrycia strat i zysków ciepła w danym pomieszczeniu, wykorzystywane muszą być systemy wtórnego podgrzania i schłodzenia. Systemy/instalacje schładzania powietrza i ogrzewania również muszą być w takich pomieszczeniach uwzględnione, odpowiednio rozmieszczone i poprowadzone.

Oprócz tego konieczna jest modernizacja tradycyjnych źródeł ogrzewania w celu obniżenia zużycia energii pierwotnej. W przypadku wielu źródeł ciepła i ciepła sieciowego ze względu na rodzaj wykorzystywanego paliwa niemożliwe jest spełnienie nowych wymogów odnośnie do EP. Konieczne jest usprawnienie – czyli podjęcie działań, które spowodują, że w centralnej produkcji ciepła zwiększony zostanie udział energii odnawialnej: głównie słońca i wiatru. W innym wypadku odbiorcy będą musieli korzystać z własnych źródeł ciepła – ekologicznych i o niskim zużyciu energii pierwotnej. Wiele obiektów z uwagi na podwyższenie standardów dotyczących mikroklimatu pomieszczeń wymagać będzie zastosowania systemów chłodzenia.

Wówczas pod znakiem zapytania stanie taki system ciepła sieciowego jak obecny – czyli niezapewniający energii do chłodzenia.

Gwałtowny rozwój nowych technologii, szczególnie pomp ciepła, jest zdaniem autora kierunkiem słusznym i rozsądnym, tym bardziej, że towarzyszy mu wzrost produkcji energii elektrycznej do napędu z OZE, w tym z fotowoltaiki. W najbliższych latach należy się spodziewać znacznego wzrostu liczby proekologicznych rozwiązań, w tym w budynkach mieszkalnych. Instalacje PV, pompy ciepła oraz systemy odzysku ciepła i chłodu będą wiodły prym na rynku powszechnie stosowanych rozwiązań, w szczególności dla budownictwa jedno- i wielorodzinnego. Pozostanie jednak niezmiennie konieczność odpowiedzi na pytanie: jaki system wentylacji, ogrzewania i schłodzenia powietrza zastosować?

Obecnie stosowane są najczęściej trzy oddzielne systemy:

• system wentylacji z centralą wentylacyjną znacznych rozmiarów,
• system ogrzewania w postaci kotła grzewczego, wymiennikowni dla ciepła sieciowego i odbiorników ciepła – grzejników radiacyjnych i ogrzewania płaszczyznowego,
• system schładzania, najczęściej za pomocą klimatyzatora split, ewentualnie klimakonwektora.

Jak zapewnić wszystkie te funkcje w nowoczesnych pomieszczeniach budynków jedno- i wielorodzinnych? Można próbować lokować w nich obecne na rynku rozwiązania, które powodują zmniejszenie wymiarów pomieszczeń albo zwiększenie zużycia energii elektrycznej. Dla przykładu w okresie letnim zastosowanie odrębnego systemu wentylacji powietrza pierwotnego wymaga zastosowania dwóch wentylatorów – nawiewnego i wywiewnego w centrali powietrza pierwotnego, odrębnego wentylatora w jednostce wewnętrznej (klimatyzatora, klimakonwektora) oraz kolejnego w jednostce zewnętrznej (agregatu chłodniczego) wtórnego układu przygotowania powietrza. Daje to razem cztery wentylatory.
Czy można inaczej? Można powrócić do źródeł ich projektowania i konieczności zastosowania, celów, jakie mają realizować, odpowiednio je przeanalizować i znaleźć nowe rozwiązanie. Takim rozwiązaniem jest zdaniem autora pełna integracja systemów wentylacji, ogrzewania i chłodzenia.

Minimalizacja wymiarów urządzeń wentylacyjno­-chłodząco-ogrzewczych

Aktualnie stosowane rozwiązania mają zwykle duże gabaryty i wymiary z kilku powodów. Wymienniki ciepła współpracujące z wentylatorami nie są w obecnych konstrukcjach optymalnie omywane. Powietrze wypływające bezpośrednio z wentylatora, osiowego, promieniowego, odśrodkowego czy poprzecznego, ma profil prędkości sprawiający, że wymiennik ciepła omywany jest strefowo. Gdyby taki strumień powietrza poprowadzić wokół wężownicy z ożebrowaniem poprzez odpowiednio ukształtowaną szczelinę powietrza, można powietrze płynące przez wymiennik ciepła rozprowadzić równomiernie wzdłuż jego powierzchni i tym samym zmniejszyć wymiary wymiennika.

Podobnie, dążąc do minimalnych wymiarów urządzeń, należy zwrócić uwagę, że mieszanina powietrza świeżego daje większą objętość powietrza w kanale wentylacyjnym. Gdyby mieszanie powietrza wyeliminować, tj. doprowadzić powietrze świeże szczelinami powietrza za wymiennik ciepła bezpośrednio do pomieszczenia, powietrze to powodowałoby przepływ przez wymiennik ciepła, a mieszanie mogłoby następować w pomieszczeniu. Jeśli klimakonwektor ma wydajność ok. 1,6 kW, a powietrze tłoczone przez wentylator wydatek 300 m3/h, to powietrze świeże doprowadzone do komory mieszania przed wentylatorem cechować się może wydatkiem 60–100 m3/h. Oznacza to, że przez urządzenie przepływa o ok. 20–30% zawyżony strumień powietrza. Wymaga to przestrzeni, a biorąc pod uwagę nieefektywne omywanie wymiennika, także zawyżonych wymiarów urządzeń. Czy strumień powietrza świeżego może być efektywniej zagospodarowany w przestrzeni urządzenia?

O postępie technologicznym danego urządzenia świadczy jego miniaturyzacja oraz multifunkcjonalność. Po co prowadzić dwa odrębne kanały wentylacyjne z powietrzem świeżym i zużytym, jeśli wystarczy jeden, przy wykorzystaniu kontaktu obu strumieni powietrza do realizacji odzysku ciepła. Strata ciepła jest tutaj zyskiem.

Zastosowanie specjalnej konstrukcji panelu dyfuzyjnego z odpowiednio wyprofilowanymi szczelinami powietrznym dopasowanymi do powierzchni wymiennika ciepła pozwala na usprawnienie współpracy zespołu wentylatorowo-wymiennikowego i tym samym zmniejszenie gabarytów urządzeń, w szczególności ich wysokości i głębokości. Fakt, że rozwiązanie takie jest „cienkie”, jest jego zaletą. W dziedzinie współpracy wentylatora z wymiennikiem ciepła jest jeszcze dużo do nadrobienia. W szczególności obecnie, gdy dużą wagę przykłada się do kwestii sprawności i efektywności urządzeń.

Możliwość takiej współpracy jest przez autora obecnie badana i weryfikowana. Stanowi ona krok do dalszej miniaturyzacji urządzeń klimatyzacyjno-ogrzewczych. Zespoły panelu dyfuzyjnego wraz z wymiennikiem ciepła mogą być wykorzystywane nie tylko w wentylacji, ale także w skraplaczach urządzeń klimatyzacyjnych, chłodnicach samochodowych itp.

Zintegrowanie HVAC – nowy kierunek?

Proponowane przez autora rozwiązanie polega na wykorzystaniu specjalnej konstrukcji tzw. indukcyjnych paneli klimatyzacyjnych jako odbiorników chłodu montowanych w każdym pomieszczeniu. Paneli – bo ich wysokość odpowiada wysokości samego panelu oferowanych obecnie klimakonwektorów/klimatyzatorów, a nie ich całej konstrukcji. Rozwiązanie takie cechuje wysokość/głębokość 2,5–3,5 cm, co pozwala na pełne pokrycie strat i zysków ciepła pomieszczenia, doprowadzenie powietrza zużytego i jego odprowadzenie w jednym płaskim elemencie. Do każdego panelu w pomieszczeniu doprowadzone zostanie powietrze świeże kanałem wentylacyjnym. Tym samym kanałem odprowadzone zostanie z paneli indukcyjnych powietrze zużyte. Odzysk ciepła realizowany będzie w samym kanale powietrza wentylacyjnego na całej jego długości. Tym samym nie będzie on powodował nadmiernych strat hydraulicznych na drodze przepływającego powietrza. Jednocześnie wraz z kanałem poprowadzone zostaną przewody hydrauliczne zasilające cieczą (czynnik ziębniczy, woda ziębnicza, woda grzewcza) wymiennik indukcyjnego panelu klimatyzacyjnego.
Rozwiązanie to, zwane zintegrowanym systemem wentylacyjno-chłodząco-ogrzewczym, będzie dostępne w dwóch wersjach:

• jako scentralizowany system,
• lub w postaci zdecentralizowanego urządzenia montowanego odrębnie w każdym pomieszczeniu.

W tym pierwszym przypadku centrala powietrza pierwotnego wyposażona w dwa wentylatory, nawiewny i wywiewny, tłoczy powietrze świeże do panelu indukcyjnego. Panel działa na zasadzie indukcji – powietrze świeże wstępnie schłodzone lub podgrzane na wyjściu z kanału odzysku ciepła powoduje indukcję powietrza recyrkulacyjnego przepływającego przez wymiennik panelu. Panel doprowadza powietrze świeże i odprowadza powietrze zużyte, które tym samym kanałem płynie do centrali i następnie do atmosfery. Powietrze recyrkulacyjne przepływa przez wymiennik ciepła, dodatkowo dogrzewając lub schładzając powietrze recyrkulacyjne. Ciepło jest przekazywane do lub z wymiennika, a następnie odprowadzane z wykorzystaniem przewodów hydraulicznych prowadzonych wraz z kanałem wentylacyjnym nawiewno-wywiewnym. Jest to system powietrzno-wodny o zminimalizowanych wymiarach. Wentylatory nie występują tu w indukcyjnych panelach klimatyzacyjnych, tylko w centrali wentylacyjnej.

W przypadku drugiego rozwiązania również kanał nawiewno-wywiewny realizujący odzysk ciepła umieszczony jest w przegrodzie pomieszczenia. Zasada i istota działania jest taka sama jak powyżej, jedynie kanał jest krótszy, a wentylatory nawiewny i wywiewny umieszczone są nie w centrali, lecz w panelu wewnętrznym i zewnętrznym urządzenia. Panele indukcyjne również nie mają większej wysokości/głębokości niż 2,5–3,5 cm. Kanał odzysku ciepła umieszczony w przegrodzie pomieszczenia jest niewidoczny i realizuje odzysk ciepła i chłodu od powietrza zużytego do powietrza świeżego. Powietrze to następnie wpływa do indukcyjnego panelu klimatyzacyjnego umieszczonego wewnątrz pomieszczenia, powodując indukcję powietrza wtórnego/recyrkulacyjnego przez wymiennik ciepła indukcyjnego panelu klimatyzacyjnego.

Na rys. 1 przedstawiono rozwiązanie przykładowego zdecentralizowanego zintegrowanego urządzenia wentylacyjno-chłodząco-ogrzewczego. W systemie tym występują tylko dwa wentylatory – w przeciwieństwie do czterech obecnych w tradycyjnych systemach (centrala powietrza świeżego: dwa wentylatory, jednostka wewnętrzna: jeden wentylator, jednostka zewnętrzna klimatyzacji: jeden wentylator skraplacza). Rozwiązania powyższe mogą być przystosowane do obecnych układów i się z nimi integrować. Nieznacznie zmodyfikowane (brak konieczności zastosowania wymiennika ciepła w jednostce/panelu zewnętrznym) mogą być bezpośrednio przyłączone do pompy ciepła powietrze/woda lub woda/woda, a ta do instalacji PV.

Oczywiście można tu dostrzec pewne podobieństwa do istniejących już rozwiązań. W zależności jednak od porównywanego rozwiązania będą się one różniły w mniejszym lub większym stopniu. A to właśnie te różnice odpowiadają za znacznie mniejsze gabaryty urządzeń oraz optymalną współpracę zespołu wentylatorowo-wymiennikowego.

* * *

W kolejnych publikacjach opisane zostaną konstrukcje wprowadzanych rozwiązań i przedstawione dokładniejsze wyniki pomiarów i badań.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 14 listopada 2017 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2017, poz. 2285).
2. Zgłoszenia patentowe nr: P. 422831 (udzielono patentu przez UPRP); P. 425244 (procedura patentowa); P. 425647 (procedura patentowa); P. 426603 (procedura patentowa); P. 424619 (procedura patentowa); P. 426920 (procedura patentowa); P. 417402 (procedura patentowa); P. 429664 (procedura patentowa); P. 429719 (procedura patentowa).
3. Adamski Bartłomiej, Indukcyjne panele klimatyzacyjne, „Rynek Instalacyjny” 9/2018, rynekinstalacyjny.pl.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!