Klimatyzacja pokoi hotelowych – czy system VAV się opłaca?

Specyfika obiektów hotelowych polega na nierównomiernym i trudnym do określenia stopniu wykorzystania pomieszczeń, który zależy od wielu czynników, m.in. od lokalizacji budynku czy docelowej liczby gości. Wszelkie wymagania dla tego rodzaju obiektów, w tym dotyczące instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, określa rozporządzenie w sprawie obiektów hotelarskich [1].

Zgodnie z nim rodzaj systemu klimatyzacji i wentylacji hotelu zależy ściśle od standardu obiektu. Zapewnienie efektywnej pracy tego systemu, zarówno pod względem możliwości uzyskania odpowiednich warunków wewnętrznych w pomieszczeniach, jak i jednoczesnej energooszczędności, możliwe jest dzięki wykorzystaniu droższych inwestycyjnie, ale przynoszących wyraźne korzyści ekonomiczne systemów ze zmiennym strumieniem powietrza.

Charakterystyka obiektów

Wymagane parametry powietrza w pokojach hotelowych zależą od kategorii obiektu, wyrażanej liczbą gwiazdek. Zgodnie z załącznikiem do rozporządzenia [1] w hotelach o niższym standardzie (kategoryzowanych jako jedno-, dwu- lub trzygwiazdkowe) w części bytowej wymagana jest wentylacja mechaniczna lub grawitacyjna, bez szczegółowych wytycznych dotyczących parametrów wewnętrznych w pomieszczeniach. Podobne wymagania dotyczą części ogólnodostępnej, obejmującej hall recepcyjny, sale gastronomiczne i wielofunkcyjne w hotelach jedno- i dwugwiazdkowych.

Zgodnie z rozporządzeniem w części ogólnodostępnej w hotelach trzygwiazdkowych wentylacja musi skutecznie usuwać zapachy. Natomiast szczegółowe parametry powietrza w pomieszczeniach hotelowych, zarówno dla części ogólnodostępnej, jak i bytowej, określone zostały dla obiektów w standardzie cztero- i pięciogwiazdkowym.

W hotelach zadaniem systemu klimatyzacji i wentylacji jest utrzymanie temperatury powietrza latem poniżej 24°C, a zimą powyżej 20°C oraz wilgotności względnej w przedziale 45–60%.

Przeważającą część zużywanej w hotelach energii stanowi energia niezbędna do zapewnienia użytkownikom komfortowych warunków wewnętrznych. Na ogrzewanie, wentylację i klimatyzację, zgodnie z danymi KAPE [5], przypada średnio 61% jej zużycia (rys. 1).

Dodatkowo należy pamiętać, że w nowoczesnym budownictwie, ze względu na wysoką izolacyjność przegród zewnętrznych, udział statycznych strat ciepła w całościowej strukturze potrzeb energetycznych ulega minimalizacji, a zwiększa się poziom kosztów związanych z doprowadzaniem i uzdatnianiem powietrza.

Duże zużycie energii związanej z eksploatacją systemów powietrznych powoduje, że jeszcze na etapie projektowania warto uważnie zastanowić się nad wyborem typu instalacji. Analizując koszty inwestycji oraz eksploatacji różnych systemów, należałoby uwzględnić stopień wykorzystania pokoi hotelowych. Takie informacje powinny być pozyskiwane indywidualnie, gdyż dla każdej inwestycji mogą być różne.

Dane statystyczne z ostatnich lat [4] pokazują, że w Polsce średnie obłożenie pokoi kształtuje się na poziomie 43%, zatem praktycznie przez cały rok ponad połowa pomieszczeń jest nieużytkowana. Mimo to powinny być okresowo przewietrzane lub wentylowane przez system powietrzny pracujący z minimalną wydajnością.

Specyfika takich obiektów pozwala zatem na pracę wentylatorów ze znacznie obniżoną wydajnością przez większą część roku. Możliwe do uzyskania zmniejszenie strumienia powietrza ustalane jest indywidualnie, przy czym dla niektórych hoteli zredukowana wydajność instalacji może wynosić nawet 30% V_max.

Stosowane systemy klimatyzacyjne

Od systemów klimatyzacji obiektów hotelowych wymaga się przede wszystkim możliwości indywidualnej regulacji, cichej pracy oraz odpowiedniego wkomponowania w wystrój pokoju. Najlepsza instalacja to taka, której użytkownik nie widzi i nie słyszy, a jednak odczuwa pozytywne skutki jej działania. Ponadto z punktu widzenia inwestora bardzo istotna jest minimalizacja kosztów związanych z eksploatacją systemu.

Biorąc pod uwagę powyższe aspekty, najczęściej stosowanymi rozwiązaniami w pokojach hotelowych są instalacje z dwustopniowym uzdatnianiem powietrza, wykorzystujące urządzenia indywidualne – wentylokonwektory (klimakonwektory wentylatorowe) lub klimatyzatory.

Zasada działania takich rozwiązań polega na centralnym przygotowaniu tzw. powietrza pierwotnego (świeżego), którego objętość uwarunkowana jest względami higienicznymi i musi spełniać wymagania normy PN-83/B­‑03430 [6].

Warunki komfortu w pomieszczeniu zapewnia natomiast praca indywidualnych urządzeń stosowanych w każdym pokoju, uzdatniających powietrze obiegowe.

W hotelach dobrze sprawdzają się czterorurowe wentylokonwektory o niskim sprężu, które charakteryzują się cichą pracą oraz możliwością zabudowy w suficie podwieszanym. Powietrze pierwotne może być dostarczane bezpośrednio do pomieszczenia bądź po stronie ssawnej lub tłocznej urządzenia.

W zależności od typu rozwiązania temperatura powietrza pierwotnego dostarczanego do pomieszczenia może być:

• przez cały rok niższa o stałą wartość od docelowej temperatury powietrza w pomieszczeniu, często Δt = 6–8 K,
• przez cały rok stała, niższa od docelowej temperatury powietrza w pomieszczeniu, np. t_pp = 12–16°C,
• przez cały rok o temperaturze neutralnej, czyli odpowiadającej temperaturze powietrza w pomieszczeniu, t_pp = t_p.

Należy sobie zdawać sprawę, że powietrze pierwotne o temperaturze niższej od temperatury pomieszczenia ma zdolność do asymilacji części zysków ciepła występujących w obiekcie.

Przyjęcie odpowiednio niskiej temperatury powietrza pierwotnego (t_pp < t_p) pozwala na jego osuszenie w chłodnicy centrali, co w wielu przypadkach umożliwia następnie ochładzanie powietrza obiegowego w wentylokonwektorze przy stałej zawartości wilgoci (bez wykroplenia pary wodnej – chłodnica sucha).

Przyjęcie niezmiennej Δt umożliwia asymilację stałej „porcji” zysków jawnych i przy właściwych założeniach zapewnia bezpieczną eksploatację instalacji, eliminując problem wykraplania się wilgoci na zimnych kanałach oraz osprzęcie systemu powietrznego.

W razie przyjęcia stałej t_pp zdolności asymilacyjne tego powietrza ulegają zmianie wraz ze zmieniającą się temperaturą powietrza w pomieszczeniu, a co za tym idzie – ze zmieniającą się Δt. Istnieje również potencjalne niebezpieczeństwo, że niska temperatura powietrza tłoczonego w instalacji nawiewnej, w zestawieniu z wysoką temperaturą i wilgotnością względną w pomieszczeniach, spowoduje wykroplenie wilgoci na niestarannie zaizolowanych elementach instalacji.

Poza wentylokonwektorami w hotelach powszechne są również rozwiązania wykorzystujące urządzenia bezpośredniego odparowania – systemy multisplit, w których na jedną jednostkę zewnętrzną przypada 5–8 jednostek wewnętrznych. Na popularności zyskują również VRF, charakteryzujące się zmiennym przepływem czynnika chłodniczego. Dobierając wspomniane urządzenia klimatyzacyjne, należy zwrócić szczególną uwagę na ich efektywność.

Miarą energooszczędności urządzeń są wskaźniki EER oraz COP, które określają, ile jednostek energii chłodniczej/grzewczej uzyskuje się z jednej jednostki energii elektrycznej. Pamiętać należy również o tym, że nawet najlepiej zaprojektowany system nie przyniesie pożądanych efektów bez odpowiedniego zarządzania.

Inteligentne sterowanie pracą systemów jest kluczem do oszczędnego gospodarowania energią. Dotyczy to szczególnie hoteli charakteryzujących się dużą zmiennością zysków ciepła od ludzi, gdzie dzięki wykorzystaniu systemu zarządzania budynkiem nieużytkowany pokój może być okresowo przewietrzany bądź też wentylowany bez przerw, ale strumieniem ograniczonym do minimum.

Analiza pracy systemu

Na potrzeby artykułu przeprowadzono analizę pracy systemu klimatyzacyjnego z dwustopniowym uzdatnianiem powietrza, wykorzystującego wentylokonwektory czterorurowe. Obliczenia wykonano dla hotelu zlokalizowanego w Krakowie, oferującego 42 miejsca noclegowe, w tym 18 pokoi dwuosobowych i 6 jednoosobowych.

Założone parametry powietrza w części bytowej:

• temperatura w okresie zimowym t_poz = 21°C,
• temperatura w okresie letnim t_poc – nadążna w zakresie 21–24°C,
• wilgotność względna – 45–60%.

Analiza obejmuje pracę systemu pierwszego (centralnego) stopnia uzdatniania powietrza o wydajności 2550 m³/h dostarczającego powietrze pierwotne niezbędne dla części mieszkalnej (pokoje hotelowe oraz komunikacja). Dla części restauracyjnej i recepcji projektowana jest osobna instalacja klimatyzacyjna, która nie została poddana analizie

Centrala wentylacyjna wyposażona jest w nagrzewnicę, chłodnicę, nawilżacz parowy i obrotowy oraz niehigroskopijny wymiennik ciepła o sprawności 80%. Współczynnik nakładu energii elektrycznej na pracę wentylatorów przyjęto zgodnie z rozporządzeniem w sprawie warunków technicznych [9]. W złożonej instalacji klimatyzacji dla wentylatora nawiewnego wynosi on 1,60 kW/(m³/s), natomiast dla wentylatora wywiewnego 1,00 kW/(m³/s). Jednostkowa cena energii elektrycznej to 0,6 zł/kWh, natomiast koszt energii z instalacji grzewczej wynosi 0,25 zł/kWh (np. gazowe źródło ciepła).

Obliczenia wykonano na podstawie danych klimatycznych dla Krakowa [7]. Rozważono możliwość wykorzystania instalacji ze stałym (CAV) oraz zmiennym (VAV) strumieniem powietrza. Analizę pracy wykonano dla następujących wariantów:

Wariant I

Stały strumień powietrza pierwotnego – V_max, temperatura powietrza pierwotnego przez cały rok niższa od temperatury powietrza w pomieszczeniu o stałą Δt = 7 K, okres zimowy: t_pp = 14°C, okres letni: t_pp = 14–17°C.

Wariant II

Stały strumień powietrza pierwotnego – V_max, temperatura powietrza pierwotnego odpowiada temperaturze powietrza w pomieszczeniu, okres zimowy: t_pp = 21°C, okres letni: t_pp = 21–24°C (t_pp – neutralna).

Wariant III

Strumień powietrza pierwotnego ograniczony do połowy – 0,5 V_max, temperatura powietrza pierwotnego przez cały rok niższa od temperatury powietrza w pomieszczeniu o stałą Δt = 7 K, okres zimowy: t_pp = 14°C, okres letni: t_pp = 14–17°C

Wariant IV

Strumień powietrza pierwotnego ograniczony do połowy – 0,5 V_max, temperatura powietrza pierwotnego odpowiada temperaturze powietrza w pomieszczeniu, okres zimowy: t_pp = 21°C, okres letni: t_pp = 21–24°C, (t_pp – neutralna).

Energooszczędność systemów VAV związana jest z faktem, że koszty transportu i uzdatniania powietrza zmieniają się wraz ze zmianą objętości strumienia powietrza dostarczanego do pomieszczeń. Zależność pomiędzy zapotrzebowaniem na moc silników do napędów wentylatorów a objętością strumienia powietrza w idealnych warunkach współpracy zespołu wentylator – silnik z układem powietrznym kształtuje się następująco:

gdzie:

P₁ – moc silnika wentylatora przy strumieniu V₁, W;

P₂ – moc silnika wentylatora przy strumieniu V₂, W;

V₁, V₂ – strumienie powietrza wentylującego, m³/s.

Na rys. 4 przedstawiono koszty przygotowania powietrza pierwotnego dla przykładowego obiektu hotelowego. Warianty I i II pokazują różnicę w kosztach eksploatacji systemów CAV przygotowujących powietrze pierwotne o znacznie różniących się temperaturach.

W wariantach III i IV określono możliwe zmniejszenie kosztów eksploatacji związane z ograniczeniem strumienia powietrza wentylującego.

W analizowanym przypadku zastosowanie instalacji VAV i ograniczenie strumienia wentylującego do 0,5 V_max przynosi oszczędności w eksploatacji przekraczające 60%. Co ciekawe, przygotowanie powietrza, którego t_pp = t_p, jest tylko nieznacznie droższe w eksploatacji niż powietrza pierwotnego o temperaturze o 7 K niższej.

Nie bez znaczenia jest fakt, że powietrze o temperaturze t_pp < t_p może zostać osuszone na chłodnicy do poziomu umożliwiającego chłodzenie powietrza na II stopniu (w wentylokonwektorze) w chłodnicy suchej. Jest to rozwiązanie polecane dla obiektów hotelowych i niesie za sobą dodatkową korzyść – nie trzeba stale odprowadzać skroplin, unikając tym samym ewentualnych awarii czy przecieków.

Z kolei do zastosowania temperatury powietrza pierwotnego, która ma neutralny wpływ na warunki panujące w pomieszczeniu, skłania możliwość rezygnacji z chodnicy w centrali, gdyż potrzeby ochładzania powietrza po odzysku energii w wymienniku obrotowym dzięki jego wysokiej sprawności są pomijalnie niskie. Należy się przy tym liczyć z koniecznością osuszania powietrza w urządzeniach indywidualnych.

Procentowy udział poszczególnych składowych w całkowitych kosztach eksploatacji analizowanych systemów przedstawiono na rys. 5a–d. Największy udział w kosztach ma energia potrzebna do nawilżania oraz transportu strumienia powietrza wentylującego.

W systemie CAV koszty pracy wentylatorów stanowią 30% wszystkich wydatków. Przy ograniczeniu objętości strumienia powietrza wentylującego do 50% znacząco się one redukują, rośnie natomiast udział kosztów nawilżania. Znikomo małe wydatki generuje praca obrotowego wymiennika ciepła, co wraz z wysoką sprawnością odzysku energii stanowi potwierdzenie zasadności jego stosowania.

Niezmienny komfort przy zmiennym strumieniu powietrza

Przeprowadzona analiza pokazuje, w jakim zakresie mogą się zmieniać wydatki związane z eksploatacją systemu wentylacji i klimatyzacji w hotelu w zależności od przyjętego rozwiązania.

Należy tutaj zaznaczyć, że możliwość ograniczenia strumienia powietrza ustalana jest indywidualnie dla każdego obiektu. W niektórych możliwe będzie okresowe ograniczenie strumienia powietrza wentylującego nawet do 30% V_max, co przyniesie jeszcze większe oszczędności eksploatacyjne.

Zastosowanie systemu ze zmiennym strumieniem powietrza wentylującego generuje niestety wyższe nakłady inwestycyjne – niezbędny jest zakup regulatorów przepływu dla wszystkich pomieszczeń. Koszt zakupu regulatora VAV to wydatek ok. 800 zł, przy czym dla zapewnienia prawidłowej pracy instalacji konieczne jest zastosowanie dwóch regulatorów dla każdego pokoju (na nawiewie i wywiewie powietrza).

Pamiętać należy również, że system wentylacyjny najczęściej obsługuje jednocześnie pokoje hotelowe oraz pomieszczenia, dla których strumień powietrza utrzymywany jest na stałym poziomie niezależnie od liczby gości (np. komunikacje, pomieszczenia magazynowe).

Dla pomieszczeń takich niezbędne jest także zastosowanie regulatorów przepływu. Mogą to być tańsze inwestycyjnie regulatory stałego wydatku (CAV), które będąc urządzeniami bezpośredniego działania, stabilizują przepływ powietrza pomimo nieustannie zmieniającej się wydajności instalacji.

Poza dodatkowym kosztem zakupu regulatorów przepływu system VAV potrzebuje do prawidłowego funkcjonowania bardziej rozbudowanego systemu automatycznej regulacji oraz wentylatorów o nieco większym sprężu. Ponadto, ze względu na hałas generowany przez regulatory, instalację wyposaża się w dodatkowe tłumiki akustyczne.

W dłuższej perspektywie dla hoteli, w których nie jest spodziewane stałe obłożenie większości pokoi, będzie to jednak inwestycja niewątpliwie trafna i opłacalna – może przynieść znaczne oszczędności.

Przy dobrze zaprojektowanym układzie klimatyzacyjnym usatysfakcjonowany będzie więc zarówno gość, jak i właściciel hotelu – gość warunkami wewnętrznymi panującymi w pomieszczeniach, a właściciel niskimi kosztami utrzymania oraz liczbą zadowolonych, powracających klientów.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 19 sierpnia 2004 r. w sprawie obiektów hotelarskich i innych obiektów, w których są świadczone usługi hotelarskie (DzU nr 188/2004, poz. 1945, z późn. zm., szczególnie DzU nr 259/2011, poz. 1553).
2. Przydróżny E., Wysokosprawne systemy wentylacji i klimatyzacji – technologia i projektowanie, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2007.
3. Przydróżny E., Sompoliński M., Szczęśniak S., Sterowanie pracą wentylatorów w systemach VAV, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 4/2009.
4. Rocznik statystyczny Rzeczpospolitej Polskiej, 2013.
5. Energia w obiekcie turystycznym, Instytut na rzecz Ekorozwoju przy współpracy Krajowej Agencji Poszanowania Energii S.A., Warszawa 2011.
6. PN-83/B-03430 Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej, wymagania wraz ze zmianą Az3.
7. Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków, www.transport.gov.pl.
8. Adamski B., Wymiarowanie instalacji o dwuetapowym uzdatnianiu powietrza (cz. 1), „Rynek Instalacyjny” nr 3/2009.
9. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).