Belki chłodzące i klimakonwektory

Belki i klimakonwektory to urządzenia chłodzące powietrzno-wodne stosowane m.in. w budynkach o dużych zyskach ciepła od urządzeń biurowych (komputerów, monitorów, drukarek itd.), a także od promieniowania słońca przez przeszklone przegrody budowlane. Dużym atutem jest m.in. niesłyszalna praca belek i mała prędkość strumienia nawiewanego z klimakonwektorów, a także wysoka elastyczność stosowania takich instalacji.

Przykładowo w halach wystawienniczych znaczne zyski ciepła pochodzą od oświetlenia i wyposażenia stoisk, a duża wysokość hal stawia dodatkowe wymagania systemom dystrybucji powietrza. Z kolei w obiektach hotelowych szczególną uwagę zwraca się na cichą pracę urządzeń przy ich jednoczesnej energooszczędności – np. w jednym z hoteli w Manchesterze w przestrzeni ogólnodostępnej (lobby z recepcją i restauracja) zastosowano 270 klimakonwektorów, które podczas pracy z pełnym obciążeniem generują dźwięk na poziomie tylko 38 dB, co zawdzięczają m.in. wentylatorom z silnikami EC i odpowiedniej izolacji akustycznej.

Natomiast w biurach obciążenie cieplne może się znacząco zmieniać zależnie od pory dnia – zarówno pod względem wykorzystania urządzeń biurowych oraz liczby osób, jak i zysków od nasłonecznienia. System musi więc elastycznie dopasowywać się do zmiennych warunków. W przypadku budynków łączących różne funkcje występują obszary o zróżnicowanym przeznaczeniu – zastosowanie systemów powietrzno-wodnych pozwala zapewnić wszędzie wymaganą moc chłodniczą lub grzewczą.

Systemy powietrzno-wodne sprawdzą się też w sytuacjach, gdy trzeba okresowo rekompensować zwiększone obciążenie cieplne. Absorpcja znacznych zysków ciepła przez te systemy jest dużo bardziej efektywna niż w przypadku systemów powietrznych – pojemność cieplna wody wynosi bowiem ok. 4,16 kJ/(m³ · K), a suchego powietrza ok. 1,3 kJ/(m³ · K). Wydajność cieplna/chłodnicza nie zależy od przepływu powietrza, a jej zapewnienie – w porównaniu do systemów powietrznych – wymaga dużo mniejszego zużycia energii. Zastosowanie systemów powietrzno-wodnych zapewnia też optymalną reakcję systemu na zmieniające się wymagania termiczne, a jednocześnie zróżnicowane zapotrzebowanie na moc chłodniczą nie wpływa negatywnie na parametry akustyczne takiego układu.

Zarówno belki chłodzące, jak i klimakonwektory mają dodatkowe zalety przy projektowaniu pomieszczeń – w przypadku belek szczególną uwagę zwracają rozwiązania zapewniające ich wysoką elastyczność w dostosowaniu do zmieniających się potrzeb nawet na poziomie poszczególnego użytkownika. Jednocześnie przeznaczone są zwykle do większych pomieszczeń ze względu na duże wydajności odbierania zysków ciepła. Klimakonwektory występują w licznych wykonaniach, dzięki czemu potrafią spełnić wysokie wymagania estetyczne czy aranżacyjne pomieszczeń różnego rodzaju. Nowatorskie rozwiązania przeznaczone są m.in. do współpracy z pompami ciepła – nie tylko obsłużą małe pomieszczenia, ale też dadzą szerokie możliwości wyboru wysokości montażu.

Belki chłodzące

Inwestorzy i architekci cenią belki jako urządzenia „bezinwazyjne” i zapewniające wysoki komfort: ciche, niepowodujące przeciągów i umożliwiające równomierny rozkład temperatury w pomieszczeniu. Umieszczone na suficie, pozwalają na duże zmiany aranżacji, są więc postrzegane jako system elastyczny oraz przyjazny dla architektów i najemców. Przykładowo w biurach i niektórych laboratoriach w siedzibie AstraZeneca zastosowano aktywne belki chłodnicze z nawiewem czterokierunkowym – takie rozwiązanie umożliwiło zastosowanie mniejszej liczby urządzeń, bardziej kompaktowy charakter każdego z urządzeń (większa moc chłodnicza przy mniejszej zajętej przestrzeni sufitu) oraz bardzo dobre parametry akustyczne.

Belki chłodzące występują jako pasywne (statyczne, bierne) z chłodzeniem/grzaniem oraz aktywne (indukcyjne), dostarczające dodatkowo świeże powietrze z zewnątrz przez system wentylacji i zapewniające wentylację mieszającą. Belki pasywne nie są podłączone do systemu wentylacyjnego – chłodzą ciepłe powietrze z pomieszczenia, które następnie spływa w dół.

W belkach aktywnych uzdatnione powietrze pierwotne dostarczane jest z centrali klimatyzacyjnej do kolektorów, po czym wypływa z dysz nawiewnych, zasysając (indukując) dopływające przez wymiennik ciepła powietrze obiegowe. Tak powstała mieszanina powietrza nawiewanego (świeżego) i indukowanego (obiegowego) jest wprowadzana do pomieszczenia np. przez szczeliny po obu stronach belki na całej jej długości lub przez odpowiedniej konstrukcji dysze dające szerokie możliwości regulacji. Dzięki wymuszonemu przepływowi powietrza obiegowego belki aktywne umożliwiają bardziej intensywny proces wymiany ciepła. Dlatego nie zaskakuje ich znacznie większa popularność w porównaniu do belek pasywnych – stanowią obecnie ok. 95% rynku [1]. Mogą być w pełni widoczne, wbudowane w sufit podwieszony lub umieszczone ponad sufitem perforowanym.

Przy projektowaniu belek aktywnych należy zwrócić uwagę na ochronę przed kondensacją pary wodnej, która może wystąpić na powierzchni aktywnej belki chłodzącej, jeśli temperatura wody chłodzącej jest niższa od temperatury punktu rosy w pomieszczeniu. Projektanci mają obowiązek (zgodnie z § 154.12 warunków technicznych [2]) tak dobierać temperaturę zasilania i powrotu czynnika chłodzącego, by kondensacja nie wystąpiła. Temperatura wody lodowej nie powinna być niższa niż 13°C – jej wysoka wartość przyczynia się też do zwiększenia efektywności energetycznej systemów (por. rys. 2) [3].

Stosuje się także zabezpieczenia przeciwkondensacyjne, które obejmują m.in. dodatkowe osuszanie powietrza w centrali wentylacyjno-klimatyzacyjnej (takie moduły występują np. w centralach przeznaczonych do współpracy z belkami chłodzącymi), czujniki punktu rosy – pomieszczeniowe lub przylgowe, a także pokrycie lameli wymiennika warstwą materiału higroskopijnego (np. z perlitu). Przykładowo w pomieszczeniach biurowych kompleksu Business Garden Warszawa wybudowanego przez Vastint Poland 2500 belek chłodzących zasilanych jest wodą lodową o temperaturze 16°C, mają też one przylgowy czujnik kondensacji.

Przeczytaj także: Klimakonwektory, grzejniki niskotemperaturowe i rozdzielacze we współpracy z pompą ciepła | RynekInstalacyjny.pl

Elastyczność belek chłodzących

Belki chłodzące są cenione ze względu na elastyczność – liczne rozwiązania sposobu nawiewu pozwalają im łatwo i sprawnie dostosowywać się do potrzeb, a także podążać za zmianami wynikającymi z rearanżacji pomieszczeń lub wpływać na schemat przepływu powietrza. Odpowiednia konstrukcja dysz nawiewnych umożliwia np. wyregulowanie kierunku przepływu powietrza pod różnymi kątami poprzez ustawienie kierownic odrębnie dla różnych odcinków belki lub regulację wielkości strumienia nawiewanego oraz sposobu rozprowadzania powietrza. Jednym z rozwiązań jest system JetCone – belka tego typu została m.in. przebadana pod kątem zastosowania jako indywidualny system komfortu termicznego. Stożkowe dysze strumieniowe z możliwością regulacji pozwalają na strefowe dostosowanie warunków w pomieszczeniu do potrzeb osób o różnym tempie metabolizmu. Możliwość ustawienia różnych natężeń przepływu zapewnia zróżnicowaną dystrybucję powietrza w pomieszczeniu. Dysza w pełni otwarta wytwarza dłuższą strugę, o prędkości powietrza wokół użytkownika maks. 0,38 m/s, a struga zmniejszona dzięki śrubom regulacyjnym ma prędkość zaledwie 0,1 m/s [4].

W przypadku rozwiązań przeznaczonych do współpracy z systemem VAV bardzo dobrym wyborem są urządzenia o zmiennej geometrii elementów nawiewnych (zmiennym współczynniku przepływu k). W rozwiązaniu tym sterownik reaguje na zmianę wielkości przepływu i dostosowuje geometrię elementów nawiewnych, tak by zapewnić odpowiednie ciśnienie powietrza na wylocie oraz wskaźnik indukcji, a jednocześnie zachować efekt Coandy i cichą pracę belki niezależnie od wielkości strumienia powietrza pierwotnego [5].

Klimakonwektory

Klimakonwektory to urządzenia indywidualne, które występują jako indukcyjne (ciepłe powietrze z pomieszczenia zasysane jest na zasadzie indukcji) lub wentylatorowe, tzw. fan coile (przepływ powietrza wymusza wentylator o sprężu 30–70 Pa, który odpowiada za nawiewanie powietrza na wymiennik i przetłaczanie go do pomieszczenia). Woda lodowa/grzewcza przepływa w klimakonwektorze przez wymiennik złożony z rur miedzianych i lamel aluminiowych, co zapewnia szybkie ogrzanie lub schłodzenie powietrza w pomieszczeniu.

Wybór rozwiązania dwu- lub czterorurowego zależy przede wszystkim od potrzeb danego budynku, przykładowo w domach jednorodzinnych stosuje się zwykle klimakonwektory dwururowe, w których wymiennik sezonowo (ręcznie lub automatycznie – w oparciu o zadaną temperaturę) przełącza się z trybu grzania w tryb chłodzenia lub odwrotnie. Natomiast zastosowanie klimakonwektorów czterorurowych obejmujących dwa wymienniki – nagrzewnicę i chłodnicę pozwala wykorzystać ich wspólne działanie, odpowiednio zbilansowane w zależności od chwilowych potrzeb. Urządzenia dwururowe stanowią ponad ¾ rynku, a ich popularność wynika zapewne z niższych nakładów inwestycyjnych – w urządzeniu wewnętrznym nie ma dodatkowego wymiennika [1]. System dwururowy jest jednak mniej efektywny w okresie przejściowym, kiedy zapotrzebowanie na ciepło i chłód jest zmienne (urządzenie przełącza się z trybu chłodzącego na grzewczy), a częsta reakcja na zmiany temperatury powinna być elastyczna.

W trybie grzania fan coile wykorzystują dwa sposoby przepływu ciepła – nawiew ciepłego powietrza wymuszony działaniem wentylatora oraz promieniowanie do wnętrza panelu czołowego, który następnie ogrzewa pomieszczenie na drodze konwekcji. Producenci koncentrują się tu na zapewnieniu cichej pracy i małego zużycia energii przez wentylator. W przypadku obu tych zadań sprawdza się stosowanie silników EC z płynną regulacją obrotów (inwerterową). Płynna regulacja obrotów umożliwia też szybką reakcję na wahania temperatury w pomieszczeniu czy zmienne warunki pracy, takie jak zmieniająca się temperatura powietrza na wlocie czy wielkość przepływu. Fan coil wyposaża się także w filtr, wykonany zwykle z włókien z tworzywa sztucznego (np. polipropylen, akryl), a opcjonalnie również w inne rozwiązania poprawiające jakość powietrza, np. pod względem czystości mikrobiologicznej.

Klimakonwektory w reprezentacyjnych wnętrzach

Klimakonwektory można łatwo dopasować do charakteru wnętrza. Jedną z możliwości jest zastosowanie klimakonwektorów w wykonaniu ściennym lub przypodłogowym. Urządzenia przypodłogowe wyróżniają się nie tylko nowoczesnym i eleganckim wyglądem (przypominają nieco nowoczesną wersję tradycyjnych grzejników), ale też niewielką głębokością, np. ok. 12 cm (tzw. urządzenia slim). Wentylatory przeznaczone do urządzeń slim skonstruowane są tak, by pomimo niewielkiej obudowy nie była zwiększana moc akustyczna urządzenia (stosuje się np. asymetryczne łopatki). Odpowiedniej konstrukcji wymaga też wymiennik ciepła – przy mniejszych wymiarach geometrycznych urządzenia trzeba zachować właściwą wielkość powierzchni wymiany ciepła.

W pomieszczeniach z dużymi przeszkleniami (np. w lobby niemieckiego hotelu sąsiadującego z zamkiem Hohenschwangau, gdzie okno frontowe ma 7 m wysokości), bardzo dobrze sprawdzają się klimakonwektory montowane w wylewce betonowej, z których widoczne są tylko prowadzone tuż pod szklaną fasadą pokrywy (kraty). Poza aspektem estetycznym urządzenia te odgrywają ważną rolę pod względem komfortu i efektywności energetycznej – w trybie grzania chronią przed napływem zimnego powietrza i stratami ciepła przez przeszklenie. Klimakonwektory o tej konstrukcji dają także szerokie możliwości odpowiedniego kształtowania kanałów, w których są prowadzone (np. skosy czy łuki).

Inną strategią stosowania klimakonwektorów jest ich ukrycie, co może się wiązać zarówno z wymaganiami aranżacyjnymi pomieszczenia, jak i z jego funkcją reprezentacyjną. W tej roli występuje najczęściej klimakonwektor kanałowy – montowany w sieci kanałów i zwieńczony kratką nawiewną zamontowaną w ścianie. Kratka zwykle jest wąska, dlatego dla zapewnienia na niej przepływu z małą prędkością oraz odpowiednich parametrów akustycznych wymagane jest zastosowanie skrzynki rozprężnej (takie klimakonwektory wyposażone są często fabrycznie w skrzynkę). Zaprojektowane i wykonane specjalnie dla konkretnego wnętrza klimakonwektory zainstalowano m.in. w Komnatach Rafaela w Muzeum Watykańskim. W cennych wnętrzach, gdzie eksponowane są unikatowe freski, należało zapewnić właściwą wentylację i temperaturę, wykorzystując komory pod oknami, w których kiedyś mieściły się dawne rozwiązania grzewcze. W każdej komorze umieszczono mały klimakonwektor o dużej mocy – zgodnie z deklaracją dostawcy w obudowie odpowiadającej wielkością standardowemu urządzeniu o mocy 2,5 kW umieszczono podzespoły o mocy chłodniczej aż 10 kW. Urządzenia te wyróżniają się także energooszczędnością, wspomaganą dodatkowo przez system automatycznego zarządzania budynkiem.

Literatura

1. Eurovent services, The 2020 HVACR market in EMEA region, Paris 2021

2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (t.j. DzU 2022, poz.1225)

3. Kyere Esther Benedicta, Tien-Chen Jen, Tartibu Lagouge, Analysis of the Influence of Chilled Water Temperature Setpoint on Thermal Comfort and Energy Consumption, „Arab J Sci Eng” 49, 2024, p. 10409–10429, https://doi.org/10.1007/s13369-023-08350-2

4. Latif Haider et al., Precision Ventilation in an Open-Plan Office: A New Application of Active Chilled Beam (ACB) with a JetCone Feature, „Sustainability” 14(7), 2022, 4242, https://doi.org/10.3390/su14074242

5. Dwyer Tim, Module 233: Variable geometry chilled beams for efficient variable air volume (VAV) systems, https://www.cibsejournal.com/cpd/modules/2024-06-sweg (dostęp: 19.07.2024)

6. Materiały techniczne i prasowe firm: Biddle, Carrier, FlaktGroup, Hosterm, Lindab, Kampmann, Klima-Therm, Swegon