Klimatyzatory

Słowo „klimatyzacja” jest obecnie bardzo popularne w kręgach sprzedawców i kupujących klimatyzatory – urządzenia, które posiadają tylko jeden element występujący w prawdziwej klimatyzacji, czyli chłodnicę powietrza.

O urządzeniach z możliwym przełączaniem z chłodzenia na grzanie można powiedzieć, że posiadają również nagrzewnicę. Zanim przejdziemy do opisu tych urządzeń i zasady, na podstawie której pracują, warto zacząć od tego, co to jest klimatyzacja, z jakich elementów się składa i co nam zapewnia.

O klimatyzacji można mówić tylko wtedy, gdy w procesie obróbki powietrza możemy je chłodzić, osuszać, ogrzewać i nawilżać. Czasami, gdy w układzie instalacji nie ma nawilżania, a tylko chłodzenie i osuszanie powietrza, używa się określenia „klimatyzacja częściowa” i właśnie do tej grupy urządzeń można zaliczyć niektóre klimatyzatory.

Klimatyzacja (pełna) to bardzo skomplikowany układ, w którym następuje oczyszczanie powietrza, chłodzenie (w lecie) i osuszanie (jeżeli występuje nadmiar wilgoci), ogrzewanie i nawilżanie. Całość jest sterowana automatycznie, tak aby zmieniające się parametry powietrza zewnętrznego lub wewnętrznego były uwzględniane w procesie obróbki powietrza i nawiewane powietrze miało takie parametry, żeby w klimatyzowanych pomieszczeniach był stale zapewniony komfort cieplny.

Jak skomplikowany jest to proces, mogą się przekonać klienci dużych centrów handlowych, w których, mimo działającej instalacji klimatyzacyjnej, trudno mówić o komforcie cieplnym. Aby zrozumieć, dlaczego tak jest, przyda się parę podstawowych informacji o powietrzu i możliwościach jego obróbki.

Parametry powietrza, którymi zajmuje się klimatyzacja, to jego temperatura i wilgotność. Wilgotność może być podawana jako względna, oznaczana literą φ i określana w procentach, oraz bezwzględna, oznaczana literą x i określająca zawartość pary wodnej w 1 kg powietrza (g/kg).

Przy tej samej zawartości pary wodnej (x się nie zmienia) wraz ze zmieniającą się temperaturą powietrza zmienia się wilgotność względna φ, gdyż jest to procentowe określenie, ile wilgoci jest obecnie w powietrzu w stosunku do maksymalnej ilości wilgoci, jaką powietrze przy tej temperaturze może wchłonąć (φ = 100% informuje, że więcej pary wodnej powietrze nie wchłonie i pojawi się ona w postaci mgły).

Najlepiej pokazać ten proces na przykładzie. Powietrze o temperaturze –10°C i pełnym nasyceniu (φ = 100%) zawiera 1,62 g/kg wilgoci, gdy przy temperaturze +20°C i φ = 50% x = 7,36 g/kg, a przy φ = 100% x = 14,87 g/kg. Z podanych wielkości widać, ile wilgoci trzeba dostarczyć do powietrza zewnętrznego o temperaturze –10°C, gdy podgrzejemy je do +20°C i chcielibyśmy uzyskać warunki komfortu cieplnego, czyli φ = 50%.

Do każdego kilograma powietrza powinniśmy dostarczyć 5,74 g pary wodnej. Przeanalizujmy warunki letnie. Powietrze o temperaturze +30°C i φ = 50% ma 13,5 g/kg wilgoci.

Aby osiągnąć +20°C i wilgotność φ = 50%, powinniśmy ilość pary wodnej zredukować do x = 7,36 g/kg. Niestety, nie wystarczy powietrze, tylko schłodzić, bo uzyskamy potrzebną temperaturę, ale zbyt dużą wilgotność (φ = 100%, x=14,87 g/kg) i aby osiągnąć potrzebną wilgotność, powietrze zewnętrzne musi być schłodzone do +9°C, bo tylko wtedy pozbędziemy się nadmiaru wilgoci. Widoczne „kapanie” z klimatyzatorów to właśnie ten nadmiar wilgoci usuwany przez wychładzanie.

Podobny proces wykraplania się pary wodnej zachodził w budynkach z wielkiej płyty. Z powodu niedostatecznej izolacji cieplnej w ścianach temperatura na ich powierzchni była niższa od temperatury punktu rosy (temperatura, przy której następuje 100-proc. nasycenie powietrza wilgocią) i para wodna zmieniała się w wodę spływającą po ścianie.

Gdyby w takim pomieszczeniu występowała dobra wymiana powietrza, zmniejszałaby się zawartość wilgoci, a przez to, mimo niskiej temperatury ściany, nie dochodziłoby do kondensacji pary wodnej na jej powierzchni.

Gdy w budynku trzeba klimatyzować tylko niektóre pomieszczenia, sięga się wtedy do urządzeń fasadowych (czasami nazywanych podokiennymi), w których znajduje się urządzenie chłodnicze z parownikiem i skraplaczem. Większość oferowanych obecnie urządzeń umożliwia przełączanie funkcji urządzenia z chłodzenia na grzanie (parownik z chłodnicy staje się nagrzewnicą).

Urządzenia te łatwo zauważyć, gdyż są to montowane na fasadzie budynku skrzynki, w których znajdują się wszystkie potrzebne elementy, takie jak filtr powietrza, sprężarka chłodnicza, chłodnica (parownik), skraplacz z wentylatorem oraz wentylator nawiewny (tłoczy powietrze do pomieszczenia przez chłodnicę).

Odmianą klimatyzatora fasadowego jest urządzenie typu split. W takim rozwiązaniu skraplacz i jego wentylator znajdują się w innym miejscu niż parownik, tworząc tzw. jednostkę zewnętrzną (zlokalizowaną np. na dachu). Unika się więc bezpośredniego hałasu pracującej sprężarki, a w pomieszczeniu znajduje się tylko cichy wentylator tłoczący powietrze, obiegowe lub także zewnętrzne, przez chłodnicę wprost do pomieszczenia. Obie części klimatyzatora typu split połączone są rurkami, w których płynie czynnik chłodniczy lub jego gaz.

Uporządkujmy pojęcia. W zależności od pełnionej funkcji klimatyzatory można podzielić na:

• chłodzące,
• chłodząco-ogrzewające (mające własną nagrzewnicę),
• chłodzące lub ogrzewające (przełączenie na pompę ciepła).

Zadaniem klimatyzatorów chłodzących jest przede wszystkim utrzymanie wymaganej temperatury i czystości powietrza w pomieszczeniu, gdy występują w nim nadwyżki ciepła jawnego wykorzystywane tylko w okresach wysokich temperatur latem.

Klimatyzatory chłodząco-ogrzewające wyposażone są w nagrzewnicę. Mogą służyć do całorocznego utrzymywania zadanej temperatury powietrza w pomieszczeniu. Ponadto zamontowana w nich chłodnica pozwala w pewnym stopniu w okresach wysokich temperatur ograniczyć wilgotność względną powietrza w pomieszczeniu.

Klimatyzatory chłodzące lub ogrzewające mają możliwość zamiany funkcji parownika i skraplacza. Umożliwia to wykorzystanie takiego klimatyzatora jako ogrzewania.

Klimatyzatory rozłączne (typu split) to obecnie najbardziej rozpowszechnione klimatyzatory. Składają się z dwóch części: wewnętrznej i zewnętrznej, połączonych ze sobą. Część wewnętrzna to parownik, filtr i wentylator z regulatorem obrotów znajdujące się w obudowie z nawiewnikiem i kratką zasysającą powietrze wyposażoną w system regulacji. Część zewnętrzna to sprężarka i skraplacz. Jednostka wewnętrzna i zewnętrzna połączone są izolowanymi przewodami z czynnikiem chłodniczym. Rurka kapilarna znajduje się najczęściej w jednostce zewnętrznej, by wyeliminować w pomieszczeniu hałas związany z wtryskiem czynnika chłodniczego.

Wśród klimatyzatorów typu split z uwagi na rodzaj i sposób montażu jednostki wewnętrznej możemy wyróżnić klimatyzatory:

• ścienne – montuje się je możliwie wysoko, często nad drzwiami, tak aby przepustnice kierowały strumień powietrza w pomieszczeniu od poziomego do ukośnego w dół w funkcji chłodzenia, a przy ogrzewaniu bezpośrednio w dół;
• kasetonowe – przeznaczone do zabudowy w przestrzeni podwieszanych stropów; w wykonaniu czterodrożnym zapewniają osiąganie optymalnego rozdziału powietrza w pomieszczeniu; ciepłe powietrze jest w nich zasysane przez środkową ssawkę i po filtrowaniu, schłodzeniu i osuszeniu kierowane we wszystkie strony do pomieszczenia przez nastawne kierownice; dla tego typu urządzeń możliwe jest doprowadzenie powietrza zewnętrznego;
• kanałowe – urządzenie wewnętrzne montowane jest w przestrzeni nad podwieszanym sufitem; powietrze jest rozprowadzane kanałami zakończonymi kratkami nawiewnymi umieszczonymi przeważnie w suficie lub w ścianach; dolot powietrza jest prowadzony do jednego lub wielu pomieszczeń przez kanał dolotowy lub przewód rurowy z regulacją objętości strumienia powietrza; tak jak urządzenia kasetonowe wyposażone są w pompy skroplin do odprowadzania wody kondensacyjnej; ogrzewanie powietrza jest możliwe przy rewersyjnej pracy pompy ciepła;
• skrzynkowe (szafkowe) – ustawiane bezpośrednio na podłodze przy ścianie lub montowane do stropu w pozycji poziomej; stosuje się je głównie w przypadku braku miejsca i możliwości przebudowy pomieszczenia.

Dobór klimatyzatorów

Zanim jednak zdecydujemy się na kupno jakiegoś klimatyzatora, trzeba sobie zadać pytanie: jaka powinna być moc chłodnicza takiego urządzenia? Odpowiedź wbrew pozorom nie jest sprawą prostą. Zyski ciepła w pomieszczeniu, które chcemy chłodzić, to: zyski ciepła i wilgoci od ludzi w nim przebywających oraz od maszyn i urządzeń, ciepło przenikające przez ściany i, najtrudniejsze do ustalenia, zyski ciepła przez okna.

Wszystkie te czynniki są zmienne w czasie i projektując klimatyzację, należy te zmiany uwzględnić i obliczyć maksymalne obciążenie cieplne klimatyzowanego pomieszczenia. Dopiero ustalenie tej wielkości pozwala dobrać odpowiednie urządzenie.

Wykonanie takich obliczeń nie jest możliwe bez znajomości konstrukcji budynku i jego lokalizacji (zyski ciepła przez okna bardzo silnie zależą od strony świata). Biorąc to pod uwagę, konstruktorzy klimatyzatorów proponują urządzenia o dużej rozpiętości mocy chłodniczej, a ich wydajność dopasowują do aktualnych potrzeb poprzez płynną regulację mocy chłodniczej sprężarek zamontowanych w jednostce zewnętrznej.

Producenci załączają do materiałów informacyjnych uproszczone metody obliczania zapotrzebowania na chłód. Są to formularze, po których wypełnieniu można orientacyjnie ustalić moc chłodniczą lub przyjąć obciążenia wskaźnikowo, zakładając dla budownictwa lekkiego (mniejsza akumulacja ciepła) 130 W/m², dla ciężkiego 80 W/m² lub odpowiednio 50 W/m³ i 30 W/m³ kubatury pomieszczenia. Są to wartości bardzo przybliżone i podobnie jak przy liczeniu zapotrzebowania na ciepło do ogrzania pomieszczenia, jeżeli nie zostały dokładnie policzone, mogą bardzo różnić się od wielkości rzeczywiście potrzebnych.

W typowych warunkach wiele firm korzysta z odpowiednich tabel pozwalających na obliczanie zysków ciepła w pomieszczeniu. Po dokonaniu obliczeń przy pomocy uśrednionych współczynników uzyskuje się sumę zysków ciepła wyrażoną w [W] (przykład tab. 1). Jednak w niektórych przypadkach, np. w pomieszczeniach o dużych powierzchniach przegród przezroczystych i mocno wyeksponowanych na promienie słoneczne, warto dokonać szczegółowego bilansu zysków ciepła pomieszczenia.

Wbrew rozpowszechnianym opiniom dobór i montaż klimatyzatorów typu split powinien być wykonany przez doświadczonego instalatora. Jeśli pominąć nieliczne przypadki wad fabrycznych i pojawianie się na rynku urządzeń o nieokreślonym pochodzeniu i jakości, to okaże się, że istnieją trzy główne przyczyny szybkiego zużycia urządzeń klimatyzacyjnych.

Pierwsza to błędy przy projektowaniu instalacji i doborze urządzeń. Druga to wadliwie wykonane instalacje (m.in. źle wykonane łączenia rur, wycieki czynnika chłodniczego). Trzeci powód to oszczędzanie przez użytkowników na obsłudze serwisowej i przeglądach. Dobrze dobrany klimatyzator i prawidłowo konserwowany będzie pracował latami, bez jakichkolwiek zakłóceń. I o tym zawsze warto pamiętać.

Literatura

1. Szczechowiak E. i inni, Poradnik klimatyzacja z terminarzem, Systherm Serwis, Poznań 2001.
2. Urlich H.-J., Technika klimatyzacyjna – poradnik, IPP Masta 2001.
3. www.wentylacja.org.pl.