Zintegrowany panel fotowoltaiczno-wiatrowy

Przed branżą HVAC stoi klika wyzwań dotyczących przyszłych rozwiązań systemów wentylacji, klimatyzacji i ogrzewania, przede wszystkim:

1. zwiększenie multifunkcjonalności,

2. zwiększenie efektywności,

3. zmniejszenie wymiarów,

4. integracja systemów.

We wcześniejszych publikacjach [1, 2, 3] przedstawiłem rozwiązania reprezentujące tego typu innowacyjne podejście do projektowania urządzeń klimatyzacyjnych. Mają one istotne znaczenie w dążeniu do zeroemisyjności systemów HVAC. Każde z tych rozwiązań spełnia również swoje funkcje w sposób najbardziej efektywny spośród wszystkich znanych urządzeń i systemów klimatyzacyjnych. Poniżej pozwolę sobie je pokrótce przypomnieć, ma to bowiem znaczenie dla dalszej części artykułu.

Moduł odzysku ciepła z powietrza wentylacyjnego

Pierwszym innowacyjnym rozwiązaniem jest moduł odzysku ciepła iRECOVERY odpowiedzialny za wentylację pomieszczeń (rys. 1). Jest to przewód z odzyskiem ciepła usytuowany w przegrodzie zewnętrznej pomieszczenia. Od zewnątrz zakończony jest czerpnio-wyrzutnią, a od strony pomieszczenia ultrapłaskim panelem nawiewno-wywiewnym separującym część nawiewną od wywiewnej. Istotne znaczenie dla jego pracy ma niemieszanie się tych strumieni i zachowanie odpowiedniej cyrkulacji powietrza w pomieszczeniu. Wyposażony w pojedynczy wentylator wyciągowy, wywołuje w pomieszczeniu podciśnienie, na skutek czego świeże powietrze samoistnie do pomieszczenia napływa. Przepływając przez przewód odzysku ciepła w przegrodzie zewnętrznej świeże powietrze podgrzewa się w okresie zimowym i schładza latem. Zastosowanie tylko jednego wentylatora, zwymiarowanego na pokonanie oporów usuwanego powietrza wyłącznie w jednym kierunku, sprawia, że jest to rozwiązanie o najmniejszym zużyciu energii spośród wszystkich dostępnych urządzeń wentylacyjnych z odzyskiem ciepła.

Dla pomieszczenia o powierzchni 25 m² wydatek powietrza usuwanego na poziomie 60 m3/h generuje samoistny napływ powietrza świeżego w tej samej ilości, przy maksymalnym poborze energii o mocy ok. 4 W (co odpowiada ilości energii zużywanej przez telewizor w trybie stand-by).

Cechą charakterystyczną tego urządzenia jest fakt, że nie wymaga ono zastosowania central i dystrybucyjnych kanałów wentylacyjnych w żadnym z wentylowanych pomieszczeń budynku. Tego typu konstrukcja może zostać wykorzystana do wentylacji nie tylko pomieszczeń mieszkalnych, ale również biurowych czy szkolnych.

Ten moduł odzysku ciepła może współpracować z indukcyjnym panelem klimatyzacyjnym iPANEL-I. Może też pracować samodzielnie w funkcji wentylacji z odzyskiem ciepła z wydatkiem mocy tylko dla jednego wentylatora rzędu 4 W w pomieszczeniach wyposażonych w odrębne urządzenia grzewcze i/lub chłodzące (klimatyzatory).

Należy podkreślić, że iRECOVERY gwarantuje całkowitą separację strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego oraz wentylację decentralną. Ma to szczególne znaczenie w kontekście pandemii. Co więcej, systemy wentylacji decentralnej są bardziej predysponowane do wentylacji szpitali i oddziałów zakaźnych niż tradycyjne systemy z centralami. Rozwiązanie to nie tylko minimalizuje wymiary urządzeń i eliminuje kanały wentylacyjne z pomieszczeń, pozwala także znacznie zredukować koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Umożliwia również szybką i prostą integrację z istniejącymi systemami chłodzenia i ogrzewania, współpracę z pompami ciepła oraz innymi ekologicznymi źródłami ciepła i chłodu. Jest sposobem na szybką i niedrogą termomodernizację istniejących budynków pod warunkiem uprzedniego zwiększenia ich izolacyjności i szczelności.

Indukcyjny panel grzewczo-chłodzący lub klimatyzacyjny

iPANEL-I to rozwiązanie, które stanowi połączenie aktywnej belki chłodzącej z klimakonwektorem wentylatorowym (rys. 2 i rys. 3). Wyposażone jest w wentylator recyrkulacyjny, panel dyfuzyjny i wymiennik ciepła. Całość ma bardzo małe rozmiary jak na urządzenia z tego segmentu, a także bardzo niski pobór mocy elektrycznej.

W tradycyjnych klimakonwektorach wentylatorowych wentylator wymiarowany jest na całkowity wymagany przepływ powietrza. Jeśli chcemy uzyskać przepływ przez wymiennik ciepła na poziomie 300 m³/h, należy zastosować wentylator o takim przepływie. Ten wydatek musi pokonać dodatkowo opory generowane przy przepływie właśnie takiej ilości powietrza przez wymiennik ciepła. Skutkuje to dużym zapotrzebowaniem na moc silnika wentylatora oraz poborem energii elektrycznej.

Czytaj także: Czym kierować się w wyborze paneli fotowoltaicznych?

W innowacyjnym indukcyjnym panelu klimatyzacyjnym iPANEL-I wentylator recyrkulacyjny wymiarowany jest na ok. 4–5-krotnie mniejszy przepływ powietrza, czyli zamiast przytoczonych 300 m³/h jedynie na 60 m³/h (rys. 2 i rys. 3). Pomimo tak dużej redukcji mocy wentylatora wymagany przepływ powietrza z pomieszczenia przez wymiennik ciepła zapewniony jest dzięki zjawisku indukcji powietrznej, efektowi Coandy oraz specjalnej konstrukcji panelu dyfuzyjnego. Powietrze wydmuchiwane z panelu dyfuzyjnego nie przepływa bezpośrednio przez wymiennik ciepła, ale poza nim, tym samym wentylator nie musi pokonywać oporów wymiennika. Te dwie cechy umożliwiają redukcję poboru mocy przez urządzenie w porównaniu do klimakonwektorów wentylatorowych. Z kolei belki aktywne chłodzące lub sufitowe panele chłodzące wprawdzie same nie zawierają wentylatorów, ale wymagają jego zastosowania w centrali lub w kanale doprowadzającym powietrze. Zatem rozwiązań tych nie cechuje całkowity brak poboru mocy elektrycznej (bo nie ma wentylatora obecnego w urządzeniu), gdyż pobór występuje w zewnętrznym wentylatorze zasilającym. Co więcej, wentylator ten musi pokonać opory całej instalacji doprowadzającej powietrze do belki i dodatkowo posiadać pewien naddatek ciśnienia do jej pracy, co powoduje wysoki pobór mocy elektrycznej.

Indukcyjny panel klimatyzacyjny iPANEL-I cechuje najmniejszy pobór energii w porównaniu do wszelkich tego typu konstrukcji przy zachowaniu minimalnych kompaktowych wymiarów, w tym głębokości urządzenia od 2,5 do 4,5 cm – tak małej głębokości nie ma żadne tego typu urządzenie klimatyzacyjne na świecie. Zmniejszone zapotrzebowanie na moc do napędu wentylatora wynika m.in. z wyżej wymienionych cech konstrukcyjnych, jednak nie tylko one o tym decydują. Szczegółowe omówienie tego innowacyjnego rozwiązania w odniesieniu do sufitowych paneli chłodzących zawarte zostanie w kolejnych publikacjach.

Pod względem efektywności energetycznej indukcyjny panel klimatyzacyjny przewyższa około dwukrotnie najwyższą obecnie klasę A według aktualnego programu certyfikacji EUROVENT dla klimakonwektorów wentylatorowych. Dzięki zastosowaniu wentylatora o zmniejszonym poborze mocy, wykorzystaniu zjawiska indukcji i efektu Coandy iPANEL-I może zastąpić tradycyjne ogrzewanie konwekcyjne, przy zastosowaniu zasilania niskotemperaturowej instalacji grzewczej pompą ciepła.

Zaplanowana Fala termomodernizacji starszych budynków wymagać będzie m.in. wymiany ogrzewania konwekcyjnego. Tradycyjne rozwiązania nie pozwalają na znaczne obniżenie temperatury wody grzewczej, co mogłoby się przyczynić do wzrostu efektywności energetycznej i zastosowania ekologicznych urządzeń, takich jak np. pompy ciepła. Wymiana grzejników na nowe o większych wymiarach dla zrekompensowania obniżenia temperatury wody grzewczej nie zawsze będzie możliwa, gdyż musiałyby one zakryć znaczną część przegrody zewnętrznej. Z kolei usytuowanie na tej samej ścianie dodatkowo urządzenia wentylacyjnego nie będzie wyglądało estetycznie, bo ściany zewnętrzne pomieszczeń pokryte byłyby w całości grzejnikami ściennymi i urządzeniami wentylacyjnymi. Z tradycyjnymi rozwiązaniami wiąże się także brak możliwości chłodzenia pomieszczeń przez grzejniki konwekcyjne. Budowa wodnej instalacji ogrzewania płaszczyznowego (podłogowego) nie zawsze będzie możliwa lub wymagać może gruntownej przebudowy domów i mieszkań.

Zastąpienie tradycyjnych rozwiązań jednym zintegrowanym urządzeniem realizującym ogrzewanie, chłodzenie i wentylację z odzyskiem ciepła będzie miało obok efektu ekologicznego również wymiar finansowy i estetyczny.

Dwa w jednym, czyli iUNIT

Kolejnym rozwiązaniem jest połączenie obu wyżej wymienionych elementów w jednym urządzeniu iUNIT (rys. 4). Połączenia iRECOVERY oraz iPANEL-I można dokonać na każdym etapie remontu i już po nim. Jeśli budynek posiada system wentylacji przewodowej z centralą wentylacyjną, może zostać zastosowany tylko element w postaci kompaktowego indukcyjnego panelu klimatyzacyjnego iPANEL-I na ścianie zewnętrznej pomieszczenia. Jeżeli wystąpi konieczność modernizacji instalacji wentylacyjnej, zwiększenia jej sprawności czy usunięcia zbędnych przewodów wentylacyjnych, do pracującego urządzenia iPANEL-I może zostać podłączony iRECOVERY. Natomiast jeśli nie ma systemu wentylacji mechanicznej, a w pomieszczeniu zamontowany został panel klimatyzacyjny iPANEL-I, to po zastosowaniu modułu iRECOVERY funkcje panelu klimatyzacyjnego zostaną poszerzone o wentylację z odzyskiem ciepła. Zastosowanie iRECOVERY w takim wypadku nie wniesie istotnych zmian do estetyki pomieszczenia. Wymiary modułu i-PANEL-I nie zmienią się, a moduł odzysku ciepła iRECOVERY pozostanie niewidoczny, ukryty w ścianie pomieszczenia i połączony z iPANEL-I w sposób niewidoczny. Taka modernizacja nie wymaga uciążliwych remontów pomieszczeń. Jeśli budynek nie ma systemu wentylacji, można zamontować sam wentylacyjny moduł odzysku ciepła iRECOVERY i po pewnym czasie dodać do niego funkcje chłodzenia lub ogrzewania, czyli i-PANEL-I.

Te dwa urządzenia mogą zostać ze sobą połączone w pomieszczeniu, mają minimalne wymiary, pobierają mało energii elektrycznej i bardzo cicho pracują. Żadne inne rozwiązanie nie może się pochwalić wszystkimi tymi cechami naraz.

Na drodze do zeroemisyjnych systemów HVAC

Przytoczone powyżej rozwiązania zbliżają instalacje HVAC do celu zeroemisyjności budynków, nie można bowiem myśleć o wyeliminowaniu śladu węglowego w systemach ogrzewania i chłodzenia bez redukcji do absolutnego minimum ich poboru mocy elektrycznej. Zeroemisyjne systemy HVAC wymagają przede wszystkim elektryfikacji oraz dekarbonizacji samej sieci elektroenergetycznej. Powszechne zastosowanie technologii pomp ciepła elektryfikuje HVAC, ale też zwiększa zapotrzebowanie na moc i energię elektryczną do ich pracy. Ponadto zwiększać się będzie udział urządzeń chłodniczych i klimatyzacyjnych w budynkach mieszkalnych.

Coraz powszechniejsze zastosowanie instalacji fotowoltaicznych pozwala na wzrost produkcji energii elektrycznej na potrzeby chłodzenia i przygotowania c.w.u. w okresie letnim. Wykorzystywanie technologii pompy ciepła do ogrzewania wymaga dostępu do energii elektrycznej w okresie niskiego nasłonecznienia i tym samym konieczności jej magazynowania. Magazyny energii są coraz szerzej dostępne, ale jeszcze nie pozwalają na jej przechowywanie przez okres kilku miesięcy. Tym samym energia musi być produkowana z paliw kopalnych.

Trzymając się kluczowych filarów nowoczesnych rozwiązań HVAC przytoczonych we wstępie artykułu, tj. multifunkcjonalności, efektywności, redukcji wymiarów oraz integracji systemów, należy dążyć do szukania rozwiązań w postaci zintegrowanych paneli fotowoltaiczno-wiatrowych. Pozwoliłyby one pozyskać energię z dwóch powszechnie dostępnych źródeł: słońca i wiatru. Magazyny energii elektrycznej mogłyby mieć wówczas mniejszą pojemność, a letni uzysk energii odnawialnej można by było wykorzystać w pozostałych miesiącach.

Same panele fotowoltaiczne, nawet mające coraz większą sprawność, nie pozwolą pozyskiwać takiej ilości odnawialnej energii elektrycznej jak zintegrowane panele fotowoltaiczno-wiatrowe. Na rys. 5 zaprezentowano schemat konstrukcji takiego rozwiązania. Ogniwa PV w górnej części panelu przekształcają energię słońca w elektryczność. Z kolei usytuowane po bokach panelu otwory wlotowe prowadzą strumień wiatru wewnętrznymi zwężającymi się kanałami do wirnika. Wiatr wiejący z każdego możliwego kierunku zawsze będzie powodował obrót wirnika i tym samym produkcję energii elektrycznej.

Może Cię zainteresuje: Jak działają ogniwa fotowoltaiczne?

Podsumowanie

Przedstawione w artykule rozwiązania: odzysku ciepła z powietrza wentylacyjnego z pojedynczym wentylatorem wyciągowym iRECOVERY, indukcyjnego panelu klimatyzacyjnego iPANEL-I oraz połączenia ich obu, czyli iUNIT, charakteryzują się najniższym spośród wszystkich dostępnych na rynku konstrukcji poborem mocy elektrycznej i najwyższymi parametrami efektywności energetycznej.

Zastosowanie zintegrowanego panelu fotowoltaiczno-wiatrowego umożliwia uzyskanie najwyższych wskaźników pozyskiwania taniej energii odnawialnej ze słońca oraz wiatru. Tego typu konstrukcje zbliżają nas do osiągnięcia zeroemisyjnych systemów HVAC. Urządzenia te pracują efektywnie z pompami ciepła i systemami ogrzewania niskotemperaturowego, co przyczynia się do wzrostu efektywności energetycznej źródeł ciepła oraz chłodu.

Niedługo zaprezentowana zostanie oficjalnie wersja przedprodukcyjna modułu iPANEL-I, a następnie moduł iRECOVERY oraz półzintegrowana wersja iUNIT. Swoją premierę będzie miało także pierwsze na świecie urządzenie tego typu przeznaczone do pomieszczeń szkolnych, realizujące funkcję wentylacji z odzyskiem ciepła oraz funkcje schładzania i ogrzewania z wykorzystaniem tylko jednego wentylatora (dla przykładu rozwiązanie iUNIT wykorzystuje do nawiewu powietrza świeżego, wywiewu powietrza zużytego oraz schładzania i ogrzewania powietrza w zasadzie dwa wentylatory).

Na przeszkodzie rozwoju i wdrażania takich i innych decentralnych rozwiązań innowacyjnych ze zblokowaną czerpnio-wyrzutnią ścienną (tylko jeden otwór w przegrodzie zewnętrznej) stoją nienadążające za rozwojem wiedzy i techniki regulacje w Warunkach Technicznych. Branża liczy na to, że Ministerstwo Rozwoju i Technologii zmieni przepisy w nowych Warunkach Technicznych, tak aby sprzyjały one rozwiązaniom zwiększającym oszczędność energii i obniżającym ślad węglowy budynków oraz ich systemów wentylacji i ogrzewania.

Literatura

1. Adamski Bartłomiej, Bezprzewodowe systemy wentylacji i klimatyzacji – konieczność poszukiwania innowacyjnych rozwiązań, „Rynek Instalacyjny” 12/2020

2. Adamski Bartłomiej, Integracja HVAC – nowy kierunek rozwoju urządzeń klimatyzacyjnych, ogrzewczych i wentylacji?, „Rynek Instalacyjny” 12/2019

3. Adamski Bartłomiej, Indukcyjne panele klimatyzacyjne, „Rynek Instalacyjny” 9/2018