Fancoile – uniwersalne urządzenia HVAC

U progu powszechnej klimatyzacji

Ojcem nowoczesnej klimatyzacji jest bez wątpienia Willis Carrier. Jednak pomimo skonstruowania nowoczesnej sprężarki jego produkty nie stałyby się tak popularne, gdyby nie obsesja na punkcie bezpieczeństwa pewnego producenta wozów konnych – Williama Crapo Duranta.

Gdy w 1886 roku Durant zachwycony komfortem jazdy powozem z zawieszeniem sprężynowym podejmuje decyzję o odkupieniu patentu i praw produkcyjnych do tego rozwiązania, nikt nie przypuszcza, że trzydzieści lat później ten sam człowiek przyczyni się do gwałtownego rozwoju gałęzi przemysłu, którą dzisiaj potocznie kojarzymy ze słowem „klimatyzator”.

Główną zaletą Duranta była niebywała umiejętność przekonywania klientów. Ponieważ prawa do produkcji nowego zawieszenia kupił za pieniądze pożyczone od świeżo poznanego partnera biznesowego, musiał ruszyć w trasę promocyjną z jednym, zmontowanym w domowych warunkach powozem. Z pierwszej podróży wrócił z zamówieniami na 600 sztuk, a w pierwszym roku działalności jego nowa firma Flint Road-Cart Company sprzedała ich już 4000. W XX wiek Durant wszedł jako potentat na rynku spacerowych wozów konnych, z dezaprobatą przyglądający się pierwszym samochodom – nie widzi w nich konkurencji, ale niebezpieczne i głośne maszyny otoczone chmurami spalin. Ponieważ jednak legislacje dotyczące norm bezpieczeństwa dla pojazdów silnikowych, mimo nacisków społecznych, wciąż nie powstają, a rośnie zapotrzebowanie rynkowe, Durant sam postanawia zmienić reguły młodego rynku samochodowego.

Potęga masowej produkcji

W 1904 roku Durant jest już milionerem. Kupuje zadłużoną manufakturę samochodową Buick Motor Company i włącza ją do portfolio swego koncernu powozów, funkcjonującego od kilku lat pod nazwą Durant-Dort Carriage Company. Dzięki zbudowanemu na potrzeby powozów systemowi franczyz dealerskich w 1905 roku Buick jest najlepiej sprzedającym się autem w Stanach Zjednoczonych – przebija popularnością taniego Oldsmobile’a i produkcje pierwszej wytwórni Forda, obecnie funkcjonującej pod nazwą Cadillac. Zamówienia spływają w tysiącach i dopiero wprowadzony przez Forda w 1908 roku system pracy taśmowej spowoduje dalszy rozwój biznesu Duranta, który w tym samym roku założy General Motors – firmę, do której obok Buicka dokupi fabrykę Oldsmobile’a, a w kolejnych latach marki Pontiac i Chevrolet. Powstaje koncern, który może dywersyfikować produkcję, a Durant lubi inwestować w różne usprawnienia.

Dlatego gdy w 1918 roku Alfred Mellowes z Nathanielem B. Walesem z firmy Guardian Refrigerator Company mają problemy finansowe ze względu na zbyt małą produkcję opatentowanej przez nich dwa lata wcześniej pierwszej elektrycznej lodówki, Durant kupuje ich firmę, zmienia jej nazwę na Frigidaire i przenosi produkcję do hal montażowych General Motors. W 1928 roku inżynierowie z GM, Thomas Midgley, Albert Henne i Robert McNary, uzyskują przełomową substancję – niepalny, syntetyczny czynnik chłodniczy CFC, którego warianty rozwinie następnie firma DuPont, nadając całej grupie związków chemicznych wspólną nazwę handlową: freony.

Wpływ freonu na górne warstwy atmosfery jest jeszcze nieznany, ale można przyjąć 1928 rok za moment, w którym urządzenia chłodnicze przestały zagrażać życiu ich użytkowników. Rok później z taśmy montażowej Frigidaire zjeżdża milionowa lodówka oraz pierwszy klimatyzator pokojowy do użytku domowego – model AC, popularyzujący tym skrótem zwrot „air conditioning” oraz wprowadzający obecne dziś na całym świecie oznaczenie kontrolek klimatyzacji samochodowej, którą równolegle do produkcji urządzeń domowych Frigidaire pod nadzorem Duranta wprowadza do pojazdów grupy GM. Konstrukcja, za której projektem stoi inżynier Frank Faust, z miejsca staje się jednym z flagowych produktów. W 1931 roku firma idzie dalej i wprowadza na rynek kompletne systemy klimatyzacji domowej – pierwsze modele typu „split” z kompresorem i skraplaczem na zewnątrz budynków.

W kierunku prostej konstrukcji

Frigidaire jest jedną z niewielu firm, które zwiększają sprzedaż w czasie wielkiego kryzysu lat 30. XX wieku. W latach 40., mimo przestawienia produkcji z cywilnej na zbrojeniową, jej klimatyzatory chłodzą m.in. podziemne bunkry londyńskiego sztabu Winstona Churchilla, a krajobraz Ameryki Płn. przecinają pociągi z klimatyzowanymi przedziałami, których sercem są sprężarki z domowego oddziału General Motors. Wojna się kończy i produktem pierwszej potrzeby dla Frigidaire stają się automatyczne pralki.

Na rynku klimatyzacji wybija się na prowadzenie patent z 1931 roku (Robert Sherman musiał czekać piętnaście lat, żeby móc zrealizować swój pomysł na ulepszenie konstrukcji Frigidaire) – klimatyzator okienny, który nie dość, że chłodzi i ogrzewa powietrze według potrzeb, to również filtruje je i osusza lub nawilża. Całość zamknięta jest w jednolitej obudowie do montażu pod oknem i wyposażona w innowacyjne rozwiązanie – wbudowaną prostą, intuicyjną automatykę – pokłosie wojennego boomu technologicznego.

W ciągu kolejnych piętnastu lat wynalazek Shermana pojawi się praktycznie w każdym domu i hotelu na Florydzie oraz w setkach tysięcy innych domów w Stanach Zjednoczonych i poza ich granicami. Żeby jednak do tego doszło, musi spaść cena tego urządzenia. Doprowadzi do tego Henry Galson, inżynier, który stwierdzi, że w praktyce wystarczą podstawowe funkcje przygotowania powietrza, np. bez nawilżania. Urządzenie będzie wówczas niewielkie, a w zależności od potrzeb będzie mogło pracować nie tylko na powietrzu pierwotnym dostarczanym z zewnątrz kanałem podokiennym, ale też na powietrzu obiegowym. Ponadto ciepłą wodę będzie można podłączyć z systemu grzewczego budynku.

W ten sposób w 1947 roku powstaje koncepcja pierwszego klimakonwektora do montażu ściennego, a Galson uruchamia linie produkcyjne własnego pomysłu dla kilkunastu producentów. Jeszcze w tym samym roku tylko w Stanach Zjednoczonych sprzedanych zostanie 43 tys. jednostek tego typu.

Fancoile dzisiaj

Dzisiejsze klimakonwektory, zwane z angielska fancoilami, są urządzeniami wywodzącymi się wprost z konstrukcji H. Galsona. Podstawowy model składa się z wymiennika ciepła i wentylatora. Wymiennik ciepła może być wodny – wówczas należy do urządzenia dostarczyć wcześniej przygotowaną wodę o odpowiedniej temperaturze – lodową z chillera lub ciepłą z jednostki grzewczej, może też działać jako parownik w instalacji typu split z zewnętrznym skraplaczem czynnika chłodniczego – te ostatnie w zasadzie zaliczamy dziś do systemów klimatyzacji i nazywamy potocznie klimatyzatorami. Wentylator wspomaga przepływ powietrza przez wymiennik, dzięki czemu do pomieszczenia napływa schłodzone (lub podgrzane) powietrze i następuje szybkie jego wymieszanie z powietrzem wewnętrznym. Wentylator, w zależności od konstrukcji obudowy FCU (Fan Coil Unit), może dostarczać powietrze z zewnątrz, wykorzystywać powietrze obiegowe z pomieszczenia lub mieszać oba źródła w zaplanowanych wcześniej proporcjach. Sposób wykorzystania takiego urządzenia zależy wyłącznie od wyobraźni producenta i projektanta instalacji, a wygląd obudowy – od gustów użytkowników.

Obecnie, mówiąc fancoil czy klimakonwektor, mamy na myśli urządzenie, w którym następuje wymiana ciepła pomiędzy wodą i powietrzem. Możemy wyróżnić jednostki dwururowe, używane zazwyczaj tylko do chłodzenia – w instalacji czynnikiem chłodniczym jest woda lodowa (lub czasem po prostu zimna woda) albo czterorurowe – z osobnym obiegiem na potrzeby grzewcze i osobnym dla chłodzenia. Z kolei pod względem sposobu montażu można wyróżnić dwa kolejne warianty: montaż kanałowy (w zabudowie, np. pod stropem podwieszanym) oraz swobodny – naścienny lub rzadziej – podsufitowy. Należy pamiętać, że generalna zasada działania i budowa głównej części, czyli modułu wymiennika ciepła i wentylatora, są dla wszystkich sposobów montażu wspólne. Różnice, które czasem można dostrzec również w parametrach pracy jednostek kanałowych i naściennych, wynikają jedynie z dodatkowych elementów obudowy determinujących taką, a nie inną funkcjonalność.

Uniwersalność to największa zaleta fancoili. Część producentów odchodzi obecnie od projektowania oddzielnie różnych wersji urządzeń – dużo bardziej opłaca się skonstruowanie uniwersalnego modelu, który może być skalowany do różnych wielkości, różniących się wydajnością powietrza czy mocą chłodniczą i cieplną. Pozostałe elementy, takie jak obudowa do montażu naściennego, montaż z podłączeniem wody z prawej lub lewej strony czy różne warianty instalacji podwieszanych i kanałowych, to jedynie kwestia odpowiedniego wyposażenia dodatkowego.

Główne zalety i różnice w porównaniu z belkami

Teoretycznie klimakonwektory mogą osiągać dowolne rozmiary i moce. Jednak w praktyce ograniczenia związane z hałasem wentylatorów czy masą urządzeń powodują, że rzadko które modele oferują moc chłodniczą powyżej 10 kW. To i tak ilość kilkukrotnie przewyższająca możliwości pracujących na wyższych temperaturach wody ziębniczej belek chłodzących – zastosowanie wentylatora sprawia, że konwekcyjny ruch powietrza jest całkowicie nieistotny, dlatego pod wymiennikiem może być zainstalowana taca do odbioru skroplin. Wentylator sprawia też, że w wersji kanałowej można zastosować praktycznie dowolny nawiewnik czy kratkę wentylacyjną, a w przypadku konieczności rearanżacji przestrzeni i postawienia np. ściany działowej wystarczy przenieść nawiewnik w inne miejsce w odległości 1–2 m od urządzenia, bez pracochłonnego przerabiania instalacji – to rozwiązanie wręcz stworzone dla dużych powierzchni biurowych przeznaczonych na wynajem długoterminowy.

Podobnie jak w innych urządzeniach, również w fancoilach producenci ciągle dopracowują sposoby oszczędzania energii. O ile standardem są już wentylatory EC i zaawansowana automatyka, warto również wspomnieć o zmianach w konstrukcji wymienników, które mają na celu zmniejszenie oporów przepływu powietrza, a dzięki temu zwiększenie dostępnego sprężu jednostki i obniżenie zarówno zużycia energii, jak i hałasu.

Patrząc w przyszłość

Fancoile towarzyszą nowoczesnym budynkom w zasadzie od początku ich mariażu z systemami klimatyzacji. Nic nie wskazuje, żeby w najbliższej przyszłości cokolwiek miało je zastąpić. Jednak projektując instalację i wybierając dziś jednostkę dla danych inwestycji, należy pamiętać, że trzeba będzie ją wymienić. Warto zatem pytać producentów o ich plany produkcyjne – część z nich prowadzi politykę „retrofit”, dzięki której najnowsza jednostka będzie mogła bez problemu zastąpić starszą. Unikamy dzięki temu zbędnych przeróbek instalacji, a stare urządzenia mogą trafić do recyklingu. Łatwość, z jaką można przeprowadzić takie wymiany, to również jedna z unikalnych zalet tych wszechobecnych urządzeń.