Głównym zadaniem systemu wentylacji mechanicznej i klimatyzacji jest zwiększenie komfortu w pomieszczeniach. Źle dobrane rozwiązanie lub brak regularnego serwisowania może się jednak przyczynić do pogorszenia warunków klimatycznych w pomieszczeniach i negatywnie wpłynąć na samopoczucie oraz zdrowie osób w nich przebywających.
Układy klimatyzacji mają zapewnić komfort przebywania w pomieszczeniach poprzez utrzymanie odpowiednich parametrów powietrza. Jeśli nie ma specjalnych wymagań i okoliczności wymuszających inne warunki, przyjmuje się dla komfortu człowieka zachowanie następujących parametrów powietrza:
Okres
Temperatura powietrza
Wilgotność względna
lato
lato 23 – 26°C
40 – 60% (max 35 – 65%)
zima
20 – 24°C
Tab.1. Parametry komfortu powietrza
Dodatkowym aspektem jest jakość powietrza oceniania poprzez poziom stężenia dwutlenku węgla oraz koncentracji zanieczyszczeń w powietrzu.
W artykule postaram się opisać możliwości realizacji powyższych parametrów za pomocą urządzeń i elementów wchodzących w skład układów wentylacyjno-klimatyzacyjnych.
Temperatura powietrza
W większości przypadków priorytetem systemów wentylacji jest wymiana powietrza w budynku oraz opcjonalnie jego schłodzenie. Nie mniej dogrzewanie jest wymagane głównie dla pokrycia strat ciepła przez wentylację oraz by użytkownicy nie poczuli dyskomfortu spowodowanego nawiewem zbyt chłodnego powietrza. Rzadko układ powietrzny stanowi jednocześnie system ogrzewanie. Można jednak realizować ogrzewanie powietrzne w określonej grupie budynków, dotyczy to m.in. takich obiektów jak hale, obiekty wielkokubaturowe, otwarte przestrzenie, hale basenowe, itp.
Zachowanie zadanej temperatury komfortu zwykle odbywa się poprzez następujące sekcje:
Odzysku ciepła
Nagrzewnicy wstępnej i wtórnej
Chłodnicy
Recyrkulacji
W większości aplikacji automatyka sterująca jest tak ustawiona, że podgrzanie następuje w największej części w sekcji odzysku ciepła. Stopień dogrzania zależy od sprawności temperaturowej i rodzaju zastosowanego odzysku ciepła. Rodzaje odzysku energii oraz szacunkowe wartości sprawności temperaturowej zestawiono w tabeli 2.
Lp.
Rodzaj wymiennika powietrznego
Sprawność temp.
Odzysk wilgoci
1
wymiennik krzyżowy
50-70 %
nie
2
wymiennik przeciwprądowy
powyżej 90 %
nie
3
wymiennik entalpiczny
80-90%
tak
4
wymiennik obrotowy
75-90 %
tak
5
rurka ciepła
40-55%
nie
6
odzysk glikolowy
40%
nie
7
pompa ciepła
–
nie
8
recyrkulacja
wg projektu
tak
Tab.1. Zestawienie form odzysku energii w układach wentylacji
Nagrzewnica powietrza spełnia dwojaką funkcje w układach wentylacji z odzyskiem ciepła:
Podgrzanie wstępne – zabezpieczenie przed zamarzaniem
Podgrzanie wtórne:
1 – częściowe dogrzewanie powietrza po odzysku ciepła
2 – całkowite ogrzewanie powietrza w przypadku układów z wymiennikiem krzyżowym lub krzyżowo-przeciwprądowym i baypassem
Bez względu na funkcję, nagrzewnica występuje może występować jako:
wodna
gazowa
elektryczna
Nagrzewnice wodne wykonane są standardowo z pakietu lameli aluminiowych i rurek miedzianych. Kolektory i gwintowane króćce wykonane są z rur miedzianych lub stalowych. Nagrzewnice mogą być wyposażone w korki odpowietrzające i spustowe umieszczone na króćcach. Standardowo maksymalna temperatura czynnika grzewczego 140˚C, maksymalne ciśnienie pracy 1,6 MPa.
Regulacja w przypadku nagrzewnicy wodnej odbywa się poprzez zmianę przepływu czynnika grzewczego przepuszczanego przez wymiennik, co jest realizowane poprzez zawór trójdrogowy i układ czujników temperatury [rys.1. z arch. VENTIA] .
Przepływ powietrza powinien być realizowany w „przeciwprądzie” w stosunku do kierunku przepływu wody [rys.2. z arch. CLIMAGOLD] Przykład realizacji centrali z nagrzewnicą wodną przedstawia fot_1 [z arch. KLIMATSYSTEM].
Największym minusem nagrzewnic wodnych jest ryzyko pęknięcia w przypadku zamarznięcia czynnika, dlatego należy w celu zabezpieczenia zastosować tzw. „Frosta” który poprzez przepustnicę zamyka dopływ powietrza do centrali w przypadku spadku temperatury czynnika grzewczego lub wykonać mieszkankę wody z glikolem.
Ze względów ekonomicznych rzadziej stosowana jest nagrzewnica elektryczna, ma jednak wiele zalet i w pewnych sytuacjach jest niezbędna.
Elementy grzewcze nagrzewnic elektrycznych standardowo wykonane są ze stali nierdzewnej i z uwagi na brak ożebrowania stawiają minimalne opory przepływu pomijalne przy obliczeniach strat ciśnienia w centrali.
W celu zabezpieczenia przed przegrzaniem i uszkodzeniem nagrzewni elektrycznych stosuje się wyłączniki termiczne, które wyłączają układ w przypadku krytycznego wzrostu temperatury. Ponadto stosuje się wychłodzenie nagrzewnicy przed wyłączeniem urządzenia, tzn. po wyłączeniu nagrzewnicy elektrycznej wentylator powietrza musi pracować dopóki grzałki nie zostaną wystudzone.
Nagrzewnica elektryczna pracująca jako wstępna pojawia się najczęściej w przypadku małych urządzeń [zwykle dla wydajności V do 600-800m3/h]. Paradoksalnie w przypadku podgrzania wstępnego, największa ilość energii doprowadzonej poprzez nagrzewnicę wstępną [ok. 80%] służy do podgrzania powietrza zużytego i tym samym jest usuwana od razu na zewnątrz [!!].
W większych układach [powyżej V=1000m3/h] nie stosuje się nagrzewnic wstępnych, a tylko nagrzewnice dogrzewające [zwykle wodne], które w przypadku otwarcia baypassu zapewniają niemal 100% zapotrzebowania na ciepło dla powietrza wentylacyjnego. Dotyczy to central z wymiennikiem krzyżowym lub krzyżowo-przeciwprądowym, gdzie istnieje niebezpieczeństwo zamarzania wymiennika przy niekorzystnym układzie temperatur. Problem ten w zasadzie nie dotyczy układów z wymiennikiem rotacyjnym-obrotowym. W tym przypadku stosuję się zwykle nagrzewnicę dogrzewającą o mniejszej mocy.
Alternatywą dla nagrzewnicy wodnej i elektrycznej są rzadko stosowane nagrzewnicę gazowe. Pojawiają się je głównie w centralach sekcyjnych. Sekcja taka wyposażona jest w palnik i komorę spalania z wymiennikiem ciepła typu spaliny/powietrze z wysokogatunkowych stali nierdzewnych.
Palnik zasilany może być takimi paliwami jak: gaz ziemny, LPG lub olej opałowy. Wymiennik ciepła to układ specjalnie wykonanych spłaszczonych rur zapewniający jak najdłuższy czas przepływu spalin, gwarantujący wysoką sprawność, w całym zakresie mocy nagrzewnicy powietrza. W celu zapewnienia optymalnego odbioru ciepła z powierzchni komory spalania i wymiennika ciepła należy zapewnić prawidłowy przepływ powietrza. Stosowane są palniki gazowe jednostopniowe, dwustopniowe lub modulowane. Opcjonalnie mogą być zastosowane palniki olejowe.
Aby zapewnić prawidłową pracę urządzenia, nagrzewnica gazowa musi być podłączona do:
Chłodzenie powietrza w systemach wentylacji odbywa się zwykle za pomocą dwóch rodzajów chłodnic:
Chłodnica wodna zasilana za pomocą tzw. wody lodowej
Chłodnica z bezpośrednim odparowaniem – wytwornicą chłodu jest agregat zewnętrzny [fot_2 z arch. KLIMATSYSTEM]
Chłodnica podobnie jak nagrzewnica może być umieszczona zarówno w centrali jak i bezpośrednio na kanale [fot_3 z arch. KLIMATSYSTEM]. W układach z odzyskiem ciepła i chłodu automatyka podobnie jak w przypadku nagrzewania w pierwszej kolejności stara się zachować zadaną temperaturę poprzez odzysk chłodu, a w drugim stopniu załączana zostaje chłodnica.
Połączeniem chłodzenia i podgrzania wstępnego powietrza są wymienniki gruntowe oraz pompy ciepła, stosowane jako uzupełnienie układów wentylacji z odzyskiem energii.
Temperatura komfortu
Głównym zadaniem systemu wentylacji mechanicznej i klimatyzacji jest zwiększenie komfortu w pomieszczeniach. Źle dobrane rozwiązanie lub brak regularnego serwisowania może się jednak przyczynić do pogorszenia warunków klimatycznych w pomieszczeniach i negatywnie wpłynąć na samopoczucie oraz zdrowie osób w nich przebywających.
Układy klimatyzacji mają zapewnić komfort przebywania w pomieszczeniach poprzez utrzymanie odpowiednich parametrów powietrza. Jeśli nie ma specjalnych wymagań i okoliczności wymuszających inne warunki, przyjmuje się dla komfortu człowieka zachowanie następujących parametrów powietrza:
Tab.1. Parametry komfortu powietrza
Dodatkowym aspektem jest jakość powietrza oceniania poprzez poziom stężenia dwutlenku węgla oraz koncentracji zanieczyszczeń w powietrzu.
W artykule postaram się opisać możliwości realizacji powyższych parametrów za pomocą urządzeń i elementów wchodzących w skład układów wentylacyjno-klimatyzacyjnych.
Temperatura powietrza
W większości przypadków priorytetem systemów wentylacji jest wymiana powietrza w budynku oraz opcjonalnie jego schłodzenie. Nie mniej dogrzewanie jest wymagane głównie dla pokrycia strat ciepła przez wentylację oraz by użytkownicy nie poczuli dyskomfortu spowodowanego nawiewem zbyt chłodnego powietrza. Rzadko układ powietrzny stanowi jednocześnie system ogrzewanie. Można jednak realizować ogrzewanie powietrzne w określonej grupie budynków, dotyczy to m.in. takich obiektów jak hale, obiekty wielkokubaturowe, otwarte przestrzenie, hale basenowe, itp.
Zachowanie zadanej temperatury komfortu zwykle odbywa się poprzez następujące sekcje:
W większości aplikacji automatyka sterująca jest tak ustawiona, że podgrzanie następuje w największej części w sekcji odzysku ciepła. Stopień dogrzania zależy od sprawności temperaturowej i rodzaju zastosowanego odzysku ciepła. Rodzaje odzysku energii oraz szacunkowe wartości sprawności temperaturowej zestawiono w tabeli 2.
Tab.1. Zestawienie form odzysku energii w układach wentylacji
Nagrzewnica powietrza spełnia dwojaką funkcje w układach wentylacji z odzyskiem ciepła:
1 – częściowe dogrzewanie powietrza po odzysku ciepła
2 – całkowite ogrzewanie powietrza w przypadku układów z wymiennikiem krzyżowym lub krzyżowo-przeciwprądowym i baypassem
Bez względu na funkcję, nagrzewnica występuje może występować jako:
Nagrzewnice wodne wykonane są standardowo z pakietu lameli aluminiowych i rurek miedzianych. Kolektory i gwintowane króćce wykonane są z rur miedzianych lub stalowych. Nagrzewnice mogą być wyposażone w korki odpowietrzające i spustowe umieszczone na króćcach. Standardowo maksymalna temperatura czynnika grzewczego 140˚C, maksymalne ciśnienie pracy 1,6 MPa.
Regulacja w przypadku nagrzewnicy wodnej odbywa się poprzez zmianę przepływu czynnika grzewczego przepuszczanego przez wymiennik, co jest realizowane poprzez zawór trójdrogowy i układ czujników temperatury [rys.1. z arch. VENTIA] .
Przepływ powietrza powinien być realizowany w „przeciwprądzie” w stosunku do kierunku przepływu wody [rys.2. z arch. CLIMAGOLD] Przykład realizacji centrali z nagrzewnicą wodną przedstawia fot_1 [z arch. KLIMATSYSTEM].
Największym minusem nagrzewnic wodnych jest ryzyko pęknięcia w przypadku zamarznięcia czynnika, dlatego należy w celu zabezpieczenia zastosować tzw. „Frosta” który poprzez przepustnicę zamyka dopływ powietrza do centrali w przypadku spadku temperatury czynnika grzewczego lub wykonać mieszkankę wody z glikolem.
Ze względów ekonomicznych rzadziej stosowana jest nagrzewnica elektryczna, ma jednak wiele zalet i w pewnych sytuacjach jest niezbędna.
Elementy grzewcze nagrzewnic elektrycznych standardowo wykonane są ze stali nierdzewnej i z uwagi na brak ożebrowania stawiają minimalne opory przepływu pomijalne przy obliczeniach strat ciśnienia w centrali.
W celu zabezpieczenia przed przegrzaniem i uszkodzeniem nagrzewni elektrycznych stosuje się wyłączniki termiczne, które wyłączają układ w przypadku krytycznego wzrostu temperatury. Ponadto stosuje się wychłodzenie nagrzewnicy przed wyłączeniem urządzenia, tzn. po wyłączeniu nagrzewnicy elektrycznej wentylator powietrza musi pracować dopóki grzałki nie zostaną wystudzone.
Nagrzewnica elektryczna pracująca jako wstępna pojawia się najczęściej w przypadku małych urządzeń [zwykle dla wydajności V do 600-800m3/h]. Paradoksalnie w przypadku podgrzania wstępnego, największa ilość energii doprowadzonej poprzez nagrzewnicę wstępną [ok. 80%] służy do podgrzania powietrza zużytego i tym samym jest usuwana od razu na zewnątrz [!!].
W większych układach [powyżej V=1000m3/h] nie stosuje się nagrzewnic wstępnych, a tylko nagrzewnice dogrzewające [zwykle wodne], które w przypadku otwarcia baypassu zapewniają niemal 100% zapotrzebowania na ciepło dla powietrza wentylacyjnego. Dotyczy to central z wymiennikiem krzyżowym lub krzyżowo-przeciwprądowym, gdzie istnieje niebezpieczeństwo zamarzania wymiennika przy niekorzystnym układzie temperatur. Problem ten w zasadzie nie dotyczy układów z wymiennikiem rotacyjnym-obrotowym. W tym przypadku stosuję się zwykle nagrzewnicę dogrzewającą o mniejszej mocy.
Alternatywą dla nagrzewnicy wodnej i elektrycznej są rzadko stosowane nagrzewnicę gazowe. Pojawiają się je głównie w centralach sekcyjnych. Sekcja taka wyposażona jest w palnik i komorę spalania z wymiennikiem ciepła typu spaliny/powietrze z wysokogatunkowych stali nierdzewnych.
Palnik zasilany może być takimi paliwami jak: gaz ziemny, LPG lub olej opałowy. Wymiennik ciepła to układ specjalnie wykonanych spłaszczonych rur zapewniający jak najdłuższy czas przepływu spalin, gwarantujący wysoką sprawność, w całym zakresie mocy nagrzewnicy powietrza. W celu zapewnienia optymalnego odbioru ciepła z powierzchni komory spalania i wymiennika ciepła należy zapewnić prawidłowy przepływ powietrza. Stosowane są palniki gazowe jednostopniowe, dwustopniowe lub modulowane. Opcjonalnie mogą być zastosowane palniki olejowe.
Aby zapewnić prawidłową pracę urządzenia, nagrzewnica gazowa musi być podłączona do:
– instalacji gazu
– instalacji spalin,
– instalacji elektrycznej,
– automatyki centrali wentylacyjnej
Chłodzenie powietrza w systemach wentylacji odbywa się zwykle za pomocą dwóch rodzajów chłodnic:
Chłodnica podobnie jak nagrzewnica może być umieszczona zarówno w centrali jak i bezpośrednio na kanale [fot_3 z arch. KLIMATSYSTEM]. W układach z odzyskiem ciepła i chłodu automatyka podobnie jak w przypadku nagrzewania w pierwszej kolejności stara się zachować zadaną temperaturę poprzez odzysk chłodu, a w drugim stopniu załączana zostaje chłodnica.
Połączeniem chłodzenia i podgrzania wstępnego powietrza są wymienniki gruntowe oraz pompy ciepła, stosowane jako uzupełnienie układów wentylacji z odzyskiem energii.
Sławomir Mencel
Wszystkie zdjęcia z arch. KLIMATSYSTEM