Klimatyzacja pomieszczeń biurowych z wentylacją indywidualną (PV)

Zadaniem systemu klimatyzacji jest zapewnienie użytkownikom poczucia komfortu, czyli zadowolenia z warunków panujących w pomieszczeniu. Na poczucie komfortu wpływają warunki termiczne środowiska w otoczeniu człowieka, jakość powietrza (ilość powietrza świeżego, stężenie zanieczyszczeń) oraz poziom hałasu, generowanego m.in. przez urządzenia wentylacji i klimatyzacji.

Przeczytaj także: Nawiewniki powietrza w wentylacji i klimatyzacji >>

W kształtowaniu mikroklimatu powszechnie stosuje się urządzenia i systemy klimatyzacyjne. System klimatyzacji musi sprostać obciążeniom cieplnym użytkowanych pomieszczeń, wynikającym ze źródeł wewnętrznych (ludzie, oświetlenie, sprzęt elektroniczny) i warunków zewnętrznych (temperatura, nasłonecznienie). Jednocześnie bilanse ciepła w pomieszczeniach często znacząco się zmieniają, zarówno w cyklu dobowym, jak i rocznym. Mogą się one istotnie różnić w poszczególnych pomieszczeniach lub strefach dużych pomieszczeń obsługiwanych przez jedno urządzenie bądź system klimatyzacyjny.

Do klimatyzacji obiektów wielopomieszczeniowych (biurowce, hotele, banki czy urzędy) stosuje się zwykle systemy klimatyzacyjne o dwustopniowym uzdatnianiu powietrza wyposażone w klimakonwektory indukcyjne lub wentylatorowe (wentylokonwektory) czy belki chłodzące.

W wypadku wentylacji powietrze zewnętrzne najczęściej dostarczane jest do pomieszczeń przez system wentylacji mieszającej lub wyporowej. Wentylacja mieszająca, rozcieńczając zanieczyszczenia powstające w pomieszczeniu, a zarazem zapewniając jednorodne środowisko termiczne, nie stwarza warunków, które byłyby akceptowane przez wszystkich użytkowników.

System wentylacji wyporowej, w którym powietrze o temperaturze o 2–4 K niższej niż temperatura powietrza w pomieszczeniu dostarczane jest przez nawiewniki umiejscowione blisko poziomu podłogi, może wywoływać u użytkowników odczucie lokalnego dyskomfortu cieplnego spowodowane przeciągiem lub pionowym gradientem temperatury.

W takim przypadku rozwiązaniem najwłaściwszym wydaje się zastosowanie indywidualnego systemu regulacji mikroklimatu, co pozwoli zapewnić komfort cieplny wszystkim osobom przebywającym w danym pomieszczeniu. Polega ono na wprowadzeniu powietrza świeżego bezpośrednio do strefy przebywania ludzi, a konkretnie na biurka, przy pomocy specjalnie do tego celu zaprojektowanych nawiewników.

W artykule porównano pod względem inwestycyjnym i eksploatacyjnym dwa rozwiązania klimatyzacji: system wybierany „tradycyjnie” i oparty na klimakonwektorach, zwany dalej systemem odniesienia, oraz nowy system oparty na klimakonwektorach i nawiewnikach wentylacji indywidualnej (rys. 1).

Opis instalacji

System odniesienia

W budynku zastosowano system dwustopniowego uzdatniania powietrza z klimakonwektorami kanałowymi. Powietrze świeże w centrali przechodzi tylko przez wymiennik obrotowy (w zimie też przez nagrzewnicę) i doprowadzane jest do klimakonwektorów, gdzie miesza się z powietrzem recyrkulowanym z pomieszczenia. Klimakonwektory zasilane są zimną wodą przygotowaną w agregacie ziębniczym (rys. 2).

System alternatywny

W systemie alternatywnym powietrze świeże nawiewane jest bezpośrednio do strefy przebywania ludzi przez nawiewniki wyporowe PV (ang. personalized ventilation) zlokalizowane na biurkach. Klimakonwektory oziębiają powietrze recyrkulacyjne, kompensując zyski ciepła w pomieszczeniu (rys. 3).

Instalacja wyposażona jest w centralę klimatyzacyjną nawiewno-wywiewną usytuowaną na dachu budynku. Strumień powietrza świeżego pobierany dla centrali za pomocą czerpni wynosi 8190 [m³/h]. Poza chłodnicą (pracującą tylko w jednym systemie) i wymiennikiem obrotowym centrala wyposażona jest również w filtry powietrza po stronie powietrza nawiewanego i wywiewanego (G4), nagrzewnicę (dla zimy), dwa wentylatory o mocy znamionowej 1,5 kW, tłumiki szumu oraz pełną automatykę. Agregat ziębniczy o mocy 200,2 kW znajduje się na dachu budynku.

Zakres analizy

1. Określenie parametrów powietrza w pomieszczeniach (temperatury, wilgotności i wymaganego strumienia powietrza świeżego przypadającego na jedną osobę) według normy PN-78/B-03421 Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych dla stałego przebywania ludzi, na podstawie których projektowany będzie system klimatyzacji, oraz parametrów powietrza zewnętrznego (temperatury i wilgotności) na podstawie danych klimatycznych dotyczących typowych lat meteorologicznych w przypadku Krakowa (zamieszczonych na stronie Ministerstwa Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej) dla okresu maj–wrzesień, na podstawie których projektowany będzie system dla całego sezonu i dla wszystkich pomieszczeń.
2. Określenie zysków wewnętrznych ciepła dla okresu letniego, tj. zysków ciepła od ludzi (jawnych i utajonych) oraz zysków od oświetlenia elektrycznego i innych urządzeń elektrycznych.
3. Określenie zysków zewnętrznych ciepła dla okresu letniego, tj. zysków od nasłonecznienia w wyniku przenikania przez przegrody przezroczyste oraz przegrody nieprzezroczyste.
4. Zaprojektowanie dwustopniowego systemu klimatyzacji z zastosowaniem klimakonwektorów kanałowych dla wszystkich pomieszczeń, obliczenie strumienia powietrza świeżego, nawiewanego i recyrkulowanego, określenie wymaganej temperatury nawiewu, entalpii nawiewu i punktu mieszania oraz wyznaczenie koniecznych do uzyskania mocy chłodniczych w zależności od temperatury zewnętrznej, jak również przedstawienie całego procesu uzdatniania powietrza na wykresie h-x.

5. Zaprojektowanie dwustopniowego systemu klimatyzacji z zastosowaniem klimakonwektorów kanałowych i nawiewników indywidualnych typu PV dla  wszystkich pomieszczeń oraz przedstawienie całego procesu uzdatniania powietrza na wykresie h-x.

6. Dobranie centrali klimatyzacyjnej nawiewno-wywiewnej dla całego systemu (powietrze świeże w lecie uzdatniane w rekuperatorze obrotowym oraz w mokrej chłodnicy, powietrze recyrkulowane uzdatniane w chłodnicy klimakonwektorów kanałowych).

7. Dobranie klimakonwektorów kanałowych dla wszystkich pomieszczeń klimatyzowanych na podstawie wymaganej wydajności chłodnicy oraz strumienia powietrza nawiewanego.

8. Dobranie nawiewników indywidualnych typu PV dla wszystkich pomieszczeń klimatyzowanych na podstawie wymaganego strumienia powietrza świeżego przypadającego na jedną osobę.

9. Dobór agregatu ziębniczego na podstawie maksymalnego obciążenia ziębniczego. Następnie obliczenie ilości pobieranej mocy elektrycznej w każdej godzinie pracy biura i porównanie zużycia energii dla obydwu systemów.

10. Projekt sieci kanałów nawiewnych, lokalizacja klimakonwektorów kanałowych, nawiewników indywidualnych i central wentylacji nawiewnej systemu KK i osobno KK+PV.11. Obliczenie sieci przewodów wentylacji nawiewnej, dobranie średnic kanałów nawiewnych na podstawie wymaganych prędkości, obliczenie spadków ciśnienia w poszczególnych odcinkach sieci oraz koniecznych długości kanałów powietrza świeżego doprowadzonych do klimakonwektorów oraz tych połączonych z nawiewnikami PV, porównanie kosztów inwestycyjnych.W wyniku analizy otrzymano bardzo ciekawe wyniki. Zaobserwowano zmniejszenie zysków ciepła w pomieszczeniu spowodowane podwyższoną temperaturą (tab. 1) oraz zmniejszenie mocy klimakonwektorów (tab. 2), których zadaniem jest utrzymanie temperatury wyższej niż w dotychczasowych rozwiązaniach.

Dla systemu tradycyjnego, wykorzystując dane meteorologiczne, wykres h-x oraz indywidualne zyski ciepła w przypadku każdego pomieszczenia, obliczono wydajność chłodnicy klimakonwektora w każdej godzinie okresu maj–wrzesień. Obliczono sumę tych wydajności dla każdej godziny.

Dla systemu alternatywnego sumę wydajności chłodnic klimakonwektorów (wydajności innych niż poprzednio ze względu na różnicę w zyskach ciepła oraz w strumieniu powietrza uzdatnianego) dodano do wydajności chłodnicy w centrali uzdatniającej powietrze dla nawiewników PV.

Na podstawie powyższych wyników obliczono koszt energii elektrycznej zużywanej przez agregat przez cały sezon letni (od maja do września). Różnica w kosztach wyniosła ok. 4000 zł, co stanowi ok. 27% oszczędności w stosunku do systemu tradycyjnego.

Zalety systemu PV

System wentylacji indywidualnej różni się od tradycyjnie stosowanych rozwiązań tym, że powietrze świeże, odpowiednio uzdatnione, nawiewane jest bezpośrednio do strefy przebywania ludzi, tworząc strefę optymalnych parametrów powietrza tylko nad blatem biurka użytkownika. W pozostałej kubaturze pomieszczenia optymalne parametry komfortu nie będą utrzymywane, jedynie nieznacznie podwyższone.

W niniejszej analizie w systemie odniesienia zaprojektowano utrzymanie temperatury 23°C w całej kubaturze pomieszczenia, natomiast w systemie alternatywnym temperaturę 22°C nad blatem biurka, a w pozostałej części pomieszczenia 26°C. Taki układ temperatur generuje pewne oszczędności:

1. Redukcja zysków ciepła – zamiast 23°C w pomieszczeniu uzyskuje się temperaturę 26°C, co zmniejsza zyski ciepła (patrz tab. 1). W przypadku większych pomieszczeń skutkuje to także możliwością doboru mniejszego klimakonwektora (tab. 2).  Zmniejsza się również strumień powietrza uzdatnianego przez klimakonwektor.
2. Lepsza praca klimakonwektorów, które uzdatniają powietrze, spowodowana napływem do wymiennika powietrza o temperaturze 26°C. W systemie odniesienia jest to 23°C – powietrze recyrkulowane zmieszane ze strumieniem powietrza świeżego o zmiennej temperaturze wynikającej z warunków zewnętrznych oraz odzysku ciepła.
3. Optymalne parametry powietrza nawiewanego bezpośrednio w otoczeniu użytkownika, nie występuje zjawisko mieszania powietrza zużytego ze świeżym jak przy nawiewie ze stropu. Nawiew wyporowy gwarantuje duże rozproszenie strumienia nawiewanego, co eliminuje zjawisko przeciągu spowodowane zbyt dużą prędkością powietrza lub za dużą różnicą temperatur.
4. Redukcja zapotrzebowania na energię elektryczną dla mniejszych klimakonwektorów oraz agregatu ziębniczego. Dzięki mniejszym zyskom ciepła i wyższej temperaturze w pomieszczeniu praca agregatu jest lepsza. Istnieje również możliwość zwiększenia temperatury wody oziębianej w agregacie ze względu na pracę klimakonwektorów z powietrzem o wyższej temperaturze.

Ograniczenia

System PV utrzymuje optymalne parametry komfortu tylko w bardzo ograniczonej strefie, dlatego sprawdzi się jedynie w pomieszczeniach, w których pracownicy spędzają czas wyłącznie przy biurku, nie przemieszczają się i nie przyjmują interesantów. Pozostała część pomieszczenia może sprawiać wrażenie zbyt ciepłej, chociaż parametry w niej utrzymywane mieszczą się w granicach normy. Ponadto dostępne nawiewniki są jeszcze zbyt drogie.

Koszty

Przeprowadzono obliczenia kosztów energii elektrycznej dla obydwu systemów. Dla każdej godziny obliczono zapotrzebowanie na energię cieplną (chłodniczą) i energię elektryczną dla agregatu dostarczającego wodę oziębioną do centrali oraz do klimakonwektorów w poszczególnych pomieszczeniach. Przykładowo w lipcu koszt energii elektrycznej wyniósł 2991 zł dla systemu tradycyjnego, a 2189 zł dla systemu alternatywnego.

Na potrzeby analizy założono, że w obu systemach pracuje ten sam agregat, w pomieszczeniach znajdują się klimakonwektory tego samego typu (dobrane zgodnie z potrzebami), ta sama centrala przygotowuje też powietrze świeże. Różnice występują w kosztach kanałów wentylacyjnych – w systemie alternatywnym konieczne jest doprowadzenie powietrza do każdego biurka. Koszt kanałów w systemie tradycyjnym wyniósł 8650 zł, a w alternatywnym 22 840 zł. Dodatkowo jeden nawiewnik (w zestawie „biurkowym”) kosztuje ok. 1000 zł, a w budynku pracują 273 osoby.

Wnioski

Obecnie systemy PV są jeszcze dużo droższe inwestycyjnie, głównie ze względu na wysoką cenę nawiewników, i okres zwrotu poniesionych na nie wydatków będzie zbyt długi. Z kolei oszczędności eksploatacyjne są w tym wypadku niebagatelne – różnica w kosztach pracy w sezonie letnim wynosi ok. 4000 zł, co stanowi ok. 27% oszczędności w stosunku do systemu tradycyjnego.

Literatura

1. Pełech A., Wentylacja i klimatyzacja – podstawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2009.
2. Malicki M., Wentylacja i klimatyzacja, PWN, Warszawa 1974.
3. Maczek K., Schnotale J., Skrzyniowska D., Sikorska-Bączek R., Uzdatnianie powietrza w inżynierii środowiska dla celów wentylacji i klimatyzacji, WPK, Kraków 2004.
4. PN-76/B-03420 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego.
5. PN-78/B-03421 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych dla stałego przebywania ludzi.
6. Materiały informacyjne firm: Centrum Klima, CIAT, Exhausto, Trane, VTS.
7. www.transport.gov.pl.
8. www.ekowentylacja.eu.
9. www.tauron-dystrybucja.pl/pl/dla_domu.