Ewolucja wentylacji i chłodzenia budynków biurowych

Nowoczesne systemy wentylacji i klimatyzacji budynków, jakimi są bez wątpienia instalacje belek chłodzących i klimakonwektorów, nie powstałyby, gdyby nie zapotrzebowanie ze strony budownictwa biurowego. To zaś zawdzięczamy imperium brytyjskiemu, a ściślej mówiąc – jego marynarce wojennej oraz Kompanii Wschodnioindyjskiej. Budynki przeznaczone wyłącznie do pracy biurowej powstawały w Londynie i należały do silnie powiązanych ze sobą struktur. Pierwszym był w roku 1726 Admiralty Board Room, czyli biuro Brytyjskiej Admiralicji, którego zadaniem było zapanowanie nad ogromem dokumentów dotyczących okrętów, załóg i ich zadań na całym świecie. Kolejny – East India House – powstał trzy lata później i parę przecznic dalej, jako kwatera główna Kompanii, która w czasach swojej świetności kontrolowała połowę światowego handlu, praktycznie monopolizując rynek takich towarów, jak herbata czy opium. Można więc śmiało stwierdzić, że gdyby nie ludzka słabość do używek, dzisiejsze biura mogłyby wyglądać zupełnie inaczej. Warto o tym pamiętać, zaparzając torebkę liptona w biurowej kuchni.

Open office a komfort

Koncepcja biur przeznaczonych do pracy nad jednym wybranym zagadnieniem szybko przyjęła się w Zjednoczonym Królestwie i błyskawicznie została zaadaptowana przez kolejne kraje. W XIX wieku funkcjonują już osobne urzędy „służby cywilnej”, a Stafford Northcote, późniejszy kanclerz skarbu, i sir Charles Trevelyan, stały sekretarz skarbu w latach 1840–59, po raz pierwszy podkreślają znaczenie fizycznego miejsca pracy w swoim raporcie z 1854 roku. Ch. Trevelyan napisze w nim zdanie, które do dziś definiuje projektowanie biur w systemie „open office”: Do pracy umysłowej potrzebne są oddzielne pomieszczenia, aby osoba pracująca głową nie była rozpraszana; ale dla bardziej mechanicznej pracy właściwym sposobem spełnienia tego zadania jest współdziałanie kilku urzędników w tym samym pomieszczeniu pod odpowiednim nadzorem […].

Do pracy mechanicznej zaliczano m.in. wszelkiego rodzaju obliczenia czy przygotowywanie dokumentów – czynności, które również dzisiaj zajmują większość czasu pracowników biurowych, a jedynie wspomagają ich w tym arkusze kalkulacyjne i edytory tekstu. To właśnie dla takiego trybu pracy w 1906 roku Frank Lloyd Wright zaprojektował w Nowym Jorku Larkin Administration Building – jeden z pierwszych wieżowców na konstrukcji ramowej, w technologii żelazobetonowej. Piętra w nowym biurowcu do złudzenia przypominały hale fabryczne z niewieloma ścianami działowymi – idealne pole do wdrażania nowoczesnych idei zwiększania efektywności pracowników metodami opracowanymi przez Fredericka W. Taylora, autora wydanych w 1911 r. „The Principles of Scientific Management”.

Naukowe podejście do możliwości zwiększenia efektywności przynosi wzrost znaczenia komfortu miejsca pracy, a co za tym idzie – wentylacji i klimatyzacji. Nowe możliwości (a także niższe koszty) związane z budową drapaczy chmur pozwoliły na zmianę aranżacji przestrzeni, w której pojawiają się oddzielne sale spotkań, kantyny dla pracowników czy sale obsługi klienta łączące funkcje otwartego biura i salonu sprzedaży. Obowiązujący styl wyznacza ponownie F.L. Wright, projektując barwne przestrzenie z silnym oświetleniem pośrednim i sufitami wygłuszonymi korkiem w nowej siedzibie firmy Johnson Wax. Jest rok 1939 i od tej chwili nie tylko gabinety prezesów, ale całe biura stają się wizytówką firm. Wprowadzanie kolejnych udogodnień i elementów wystroju, na które składają się w dużej mierze urządzenia elektryczne, w tym olśniewające oświetlenie, powoduje gwałtowny wzrost zysków ciepła w budynku. Centralne systemy klimatyzacji Willisa Carriera z trudem nadążają za rosnącym zapotrzebowaniem, trwają więc poszukiwania nowych metod chłodzenia i ogrzewania powietrza wewnętrznego, które jednocześnie byłyby bardziej ekonomiczne – świat jest w stanie wojny i utrudniony dostęp do surowców oraz wysokie zapotrzebowanie ze strony przemysłu zbrojeniowego nie sprzyjają branży HVAC.

Chłodzenie z sufitu

W 1941 roku Jules Montenier opatentuje pierwszy antyperspirant. W tym samym czasie norweski inżynier Gunnar Frenger dochodzi do wniosku, że skoro w biurach montuje się podwieszane konstrukcje z korkowymi panelami, to równie dobrze te same uchwyty, po lekkiej modyfikacji, mogą utrzymać miedziane rurki. Wszak jednocalowa miedziana rura wypełniona zimną wodą jest w stanie dostarczyć tyle samo chłodu, co kanał powietrzny o wymiarach 250 na 250 mm. Odpowiednią ochronę patentową na „system wentylacji i ogrzewania” wynalazca uzyska jednak dopiero po wojnie. Już w 1962 r. firma Frenger Systems projektuje i instaluje w londyńskim biurze Shell Oil Company „największy na świecie sufit chłodzący”, na który składa się 175 tysięcy m2 chłodzących modułów sufitowych rozmieszczonych na 27 kondygnacjach. Jako ciekawostkę warto dodać, że mieszczący się nad brzegiem Tamizy budynek wykorzystywał wodę z rzeki jako dodatkowy wymiennik ciepła do schłodzenia wody lodowej cyrkulującej w obiegu zamkniętym. Był to również pierwszy w Europie budynek w pełni klimatyzowany. Tymczasem Frenger przewidział, że pasowanie uchwytów w taki sposób, by na dłuższych odcinkach rur nie było zbyt dużych naprężeń, jest dość dużym wyzwaniem monterskim. Dlatego już w 1947 r. opatentował istotny element swojego systemu – „klimatyzator typu podwieszanego”, którego głównym elementem była prostokątna płyta z blachy aluminiowej (najlepiej przewodzącej ciepło i chłód, a do tego tańszej niż płyta miedziana). Płyta ta, stykając się z rurkami doprowadzającymi zimną lub ciepłą wodę, miała pełnić funkcję radiatora i również odpowiednio się nagrzewać lub chłodzić, regulując w ten sposób temperaturę w pomieszczeniu, nad którym zostanie zainstalowana. Widniejące na ilustracji patentowej perforacje zostały początkowo przewidziane jako element wygłuszający, choć z czasem uznano, że perforacja panelu ułatwi konwekcyjny ruch powietrza i umożliwi lepszą wymianę ciepła z wężownic. Pierwsze zastosowanie belek grzewczo-chłodzących miało miejsce w budynku biurowym nowo powstałej fabryki dynamicznie rosnącego koncernu Volvo, w 1964 r. w Göteborgu (Szwecja).

Prototyp belki chłodzącej powstał być może na desce kreślarskiej w Norwegii, ale w praktyce pierwsze urządzenia zobaczyły świat w Szwecji. Podwieszane panele dostarczające nie tylko chłód czy ciepło, ale także świeże powietrze zamontowano w 1972 r. w Götabanken, również w Göteborgu. Warto dodać, że prekursor tych rozwiązań – norweska firma Farex – właśnie w 1972 r. przeniosła się w całości na swój główny rynek, czyli do Szwecji, gdzie w 1995 r. połączyła się z firmą Stifab, a następnie w 2005 r. z firmą PM Luft, tworząc koncern Swegon.

Belki chłodzące dzisiaj

Kryzys energetyczny lat 70. ubiegłego wieku sprawił, że inwestorzy zaczęli na szeroką skalę poszukiwać rozwiązań energooszczędnych, a w dziedzinie wentylacji i klimatyzacji prym wiodą w tym zakresie właśnie belki chłodzące (i grzewczo-chłodzące). Obecnie konstrukcje tego typu można podzielić ze względu na sposób obróbki termicznej powietrza – belki pasywne i belki aktywne (indukcyjne) oraz ze względu na sposób montażu – belki do zabudowy w suficie podwieszanym i belki wolno wiszące. Wszystkie je łączy podstawowa cecha – są wyposażone w wężownicę, którą do belki dostarczana jest woda lodowa lub ciepła woda z systemu centralnego ogrzewania budynku. W porównaniu z chłodzeniem powietrza pierwotnego bezpośrednio w centrali wentylacyjnej, użycie belek chłodzących pozwala na zastosowanie w instalacji wody lodowej o wyższych temperaturach, niż te, które są niezbędne do osiągnięcia tej samej temperatury w pomieszczeniu przy zastosowaniu chłodzenia tylko powietrzem. Dzięki temu agregaty wody lodowej mogą być mniejsze, centrale wentylacyjne mogą pracować z mniejszymi wydajnościami, a pobór energii przez całą instalację jest dużo niższy.

Belki pasywne

Powietrze przechodzące przez belkę ulega schłodzeniu (lub podgrzaniu). Jeśli proces następuje bez udziału powietrza zewnętrznego, czyli jedynie na zasadzie konwekcji (ciepłe powietrze, unosząc się ku sufitowi, przechodzi przez wężownicę belki i schłodzone opada z powrotem), mamy do czynienia z belką pasywną (konwekcyjną). Po raz pierwszy system takich belek został zastosowany w siedzibie linii lotniczych SAS w Frösundavik k. Sztokholmu – do dziś stanowi ona przykład nowoczesnego wielofunkcyjnego obiektu biurowego, który w zamierzeniu architektów miał być postrzegany „jako małe miasteczko, które wraz z pracownikami SAS tworzy mniejszą społeczność”.

Pasywne belki chłodzące także obecnie sprawdzają się w dużych otwartych przestrzeniach, w których możemy przewidzieć stałe zyski ciepła, takich jak bankowe hale obsługi klienta czy sale szkolne. Idealnie pasują również do laboratoriów, w których przebywa niewiele osób, ale rygor temperaturowy jest wysoki. Zwykle z jednego metra bieżącego pasywnej belki chłodzącej możemy uzyskać do 500 W chłodu, co raczej wyklucza ich zastosowanie w mniejszych pomieszczeniach. Dodatkowe wady belki pasywnej to konieczność dostarczenia świeżego powietrza oddzielną instalacją wentylacyjną oraz konieczność zastosowania oddzielnego systemu grzewczego. Jednak bezsprzecznie pozostają one najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem do chłodzenia powietrza w dużych pomieszczeniach i są również jedynym elementem klimatyzacji pomieszczeń, który nie generuje praktycznie żadnego dźwięku.

Belki aktywne

Wady pasywnej belki chłodzącej eliminuje wersja aktywna (indukcyjna), w której do obudowy dostarczane jest świeże powietrze z instalacji wentylacyjnej (wcześniej przygotowane w centrali wentylacyjnej). Wbudowane dysze nawiewne doprowadzają powietrze do pomieszczenia, generując jednocześnie w komorze mieszania belki podciśnienie, które zwiększa przepływ powietrza z pomieszczenia w kierunku wężownicy chłodzącej (lub grzewczej). Wymieszane powietrze jest rozprowadzane po pomieszczeniu z zachowaniem efektu Coandy.

Dysze nawiewne umożliwiają różne stopnie regulacji siły nawiewu, a odpowiednie kierownice pozwalają ustawić pożądany kierunek w celu uniknięcia nakładania się strumieni powietrza i potencjalnych przeciągów. W ten sposób można osiągnąć większą moc chłodniczą (oprócz samej wężownicy mamy wpływ na temperaturę powietrza pierwotnego) niż w przypadku belki pasywnej, a wymuszony przepływ powietrza umożliwia zastosowanie w wężownicy ciepłej wody i dostarczenie podgrzanego powietrza do strefy przebywania ludzi. Belkę aktywną wyróżnia spośród innych systemów klimatyzacyjnych brak wbudowanego wentylatora, co znacząco wpływa na głośność takiej instalacji.

Wbudowane czy wolno wiszące?

Najpopularniejszym sposobem montażu jest zabudowa belki chłodzącej w suficie podwieszanym – większość belek jest wykonywana w modułach o szerokości 600 mm, dzięki czemu można je stosować w standardowych systemach sufitów podwieszanych. Czasem warto jednak rozważyć instalację wolno wiszącą. Belki tego typu mają obudowy maskujące ich brzegi oraz moduły umożliwiające łączenie urządzeń w wielometrowe ciągi. Rozwiązania tego typu są bardzo atrakcyjne wizualnie, a jednocześnie upraszczają montaż i serwisowanie instalacji. Wolno wiszące systemy sprawdzają się zwłaszcza w wypadku belek pasywnych – możliwość dotarcia ciepłego powietrza od góry belki, wywołana różnicą ciśnień spowodowaną opadaniem schłodzonego powietrza, najlepiej działa w systemach otwartych.

Belki wielofunkcyjne

Dużą zaletą sufitów podwieszanych jest możliwość ukrycia w ich przestrzeni pozostałych instalacji: oświetlenia, tryskaczy pożarowych, elementów automatyki, takich jak czujniki dymu czy czujniki ruchu, okablowanie itp. Wielofunkcyjne belki chłodzące umożliwiają montaż wszystkich tych funkcji w jednej obudowie – to dodatkowa zachęta dla projektantów i inwestorów do wyeksponowania urządzeń wolnowiszących. Inną zaletą tego rozwiązania jest możliwość zastosowania oświetlenia pośredniego, czyli odbitego od sufitu – rozproszone światło jest najbliższe naturalnemu i dużo mniej męczące dla oka niż nawet najlepiej dobrana barwa w lampach świecących z sufitu bezpośrednio na biurko pracownika. Opracowane po raz pierwszy przez firmę Trox w 1996 r. na potrzeby rynku brytyjskiego (siedziby firmy Barclaycard w Northampton) wielofunkcyjne belki chłodzące znajdują się obecnie w portfolio każdego producenta tego typu urządzeń.

Biuro przyszłości

W latach 60. ubiegłego wieku powstała w Niemczech koncepcja „biurowego krajobrazu”, czyli powierzchni biurowej, na której pracownicy nie tylko wypełniają stosy dokumentów, ale także wymieniają się doświadczeniami czy po prostu rozmawiają. Takie podejście umożliwia współdziałanie ekspertów z różnych zespołów i zwiększa innowacyjność firmy. Rozwiązania tego typu przyjęły się przede wszystkim w biurach skandynawskich, ale od kilku lat są w zasadzie standardem w nowo powstających obiektach tego typu.

Koncepcja mieszanych zespołów, biurek nieprzypisanych do żadnego z pracowników, przestawnych ścian i ruchomego wyposażenia to wyzwanie dla każdego projektanta instalacji. Jak zapewnić właściwą ilość powietrza i odpowiednią temperaturę przy dużych dziennych zmianach liczby osób w pomieszczeniu bez niepotrzebnego zużywania energii na chłodzenie czy wentylację pustych pomieszczeń? Jak zapewnić komfort korzystania z sali konferencyjnej, w której od kilku godzin gorąco dyskutuje wieloosobowy zespół? W sukurs przychodzą belki chłodzące wyposażone w zaawansowaną automatykę i wbudowane funkcje VAV.

Umożliwienie automatycznej regulacji ilości powietrza poprzez zmianę siłownikiem nastawy dysz nawiewnych w belkach aktywnych na podstawie wskazań czujników ruchu i jakości powietrza oraz regulacja zaworów wodnych programowalnym termostatem to obecnie najbardziej zaawansowane kierunki rozwoju belek chłodzących. Przodujący producenci rozwijają ponadto kolejne elementy automatyki, gwarantując bezobsługową energooszczędną pracę systemów pomimo zmiennego i zróżnicowanego zapotrzebowania na wentylację i klimatyzację w obrębie całego budynku. Automatyczna zmiana parametrów urządzenia jest postrzegana jako standard przy dzisiejszej automatyzacji wielu aspektów życia. Skoro nie musimy zakręcać kranu w biurowej łazience, bo robi to za nas czujnik ruchu, nie musimy również pamiętać o wyłączeniu klimatyzacji, gdy wychodzimy z sali konferencyjnej. Zarówno sir Charles Trevelyan, jak i Frederick W. Taylor byliby zachwyceni.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!