Centrale wentylacyjno-klimatyzacyjne. Energooszczędność

Zadaniem instalacji wentylacyjnej jest utrzymanie właściwego stanu powietrza w pomieszczeniu w wyniku nawiewania do niego odpowiednio przygotowanego powietrza zewnętrznego i usuwania zanieczyszczonego przez zasymilowanie ciepła, wilgoci, pyłów lub gazów. W okresie zimowym dodatkową funkcją tej instalacji jest ogrzewanie powietrza nawiewanego w celu utrzymania wymaganej temperatury powietrza w pomieszczeniu.

Fot. stock.adobe / JuanCi Studio

Instalacja klimatyzacyjna jest instalacją wentylacyjną, w której zachodzi bardziej wszechstronne uzdatnianie powietrza: ogrzewanie i nawilżanie zimą oraz chłodzenie i osuszanie latem, dzięki czemu możliwe jest utrzymanie w pomieszczeniu zalecanych wartości parametrów powietrza – temperatury i wilgotności względnej, niezależnie od warunków zewnętrznych. Funkcje te realizowane są w zespole urządzeń noszącym nazwę centrali wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej (rys. 1a) przez nagrzewnice, nawilżacze, chłodnice oraz wentylatory – nawiewny i wywiewny.

Rys. 1a. Schematy instalacji klimatyzacyjnej w układzie otwartym

Należy jednak zauważyć, że stosowane zazwyczaj nawilżacze parowe są zainstalowane w przewodach poza centralą, co ułatwia wchłanianie pary wodnej przez powietrze. Ponadto w centralach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych realizowane jest oczyszczanie powietrza w filtrach i tłumienie hałasu, generowanego głównie przez wentylatory, w tłumikach akustycznych.

Instalacje wentylacyjne i klimatyzacyjne są bardzo energochłonne, gdyż zachodzi konieczność doprowadzenia do nich dużej ilości ciepła, potrzebnego do ogrzania powietrza zewnętrznego w zimie (w naszych warunkach klimatycznych co najmniej o 40 K) oraz do przygotowania pary wodnej do nawilżenia powietrza (minimum około 4 g/kg powietrza), a także chłodu niezbędnego do ochłodzenia i osuszenia powietrza klimatyzującego w okresie letnim. Ponadto do napędu wentylatorów niezbędna jest energia elektryczna. Jej wartość zależy od potrzebnej mocy wentylatora, którą oblicza się jako iloczyn jego wydajności oraz sprężu, który zależy od straty ciśnienia w instalacji [1]. W głównej mierze składają się na nią opory przepływu powietrza przez urządzenia wchodzące w skład centrali wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej. Energia cieplna i chłodnicza dostarczana do central pochodzi ze źródeł zewnętrznych. Do wytwarzania ciepła najczęściej wykorzystuje się wodne kotły węglowe lub gazowe. Natomiast produkcja chłodu zachodzi w sprężarkowych układach chłodniczych z bezpośrednim odparowaniem czynnika chłodniczego w chłodnicy przeponowej lub z czynnikiem pośredniczącym (najczęściej woda z glikolem), odbierającym ciepło od powietrza w chłodnicy [1]. W układach tych są stosowane zazwyczaj sprężarki elektryczne, których moc decyduje o zużyciu energii.

Najważniejsze aspekty projektowania energooszczędnej instalacji wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej

Oszczędność energii w instalacjach wentylacyjnych lub klimatyzacyjnych sprowadza się zatem do zmniejszenia zapotrzebowania na ciepło i chłód oraz obniżenia mocy elektrycznej wentylatora. Związana jest więc z parametrami pracy urządzeń wchodzących w skład centrali wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej. Zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło i chłód można uzyskać przez:
 

1. Zastosowanie recyrkulacji powietrza wywiewanego
 

Na rys. 1b przedstawiono schemat instalacji klimatyzacyjnej z recyrkulacją.

Rys. 1b. Schematy instalacji klimatyzacyjnej z recyrkulacją powietrza wywiewanego

Mieszanie powietrza następuje w komorze mieszania, stanowiącej część centrali wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej. Powietrze wentylacyjne lub klimatyzujące, będące mieszaniną powietrza recyrkulacyjnego z zewnętrznym, ma w okresie zimowym wyższą temperaturę i zawartość wilgoci, a w okresie letnim niższe wartości tych parametrów niż powietrze zewnętrzne. Wynika stąd mniejsze zapotrzebowanie na ciepło lub chłód do przygotowania tego powietrza [2]. Wartości parametrów mieszaniny zależą od udziału w niej powietrza zewnętrznego, który wynika ze względów higienicznych. Zgodnie z obowiązującymi rozporządzeniami krajowymi [N1, N2] w pomieszczeniach pracy udział ten nie może być mniejszy niż 10%, a w pomieszczeniach niebędących pomieszczeniami pracy powinien odpowiadać co najmniej strumieniowi objętości powietrza 20 m³/h na jedną przebywającą na stałe osobę. Należy jednak zauważyć, że w niektórych pomieszczeniach stosowanie recyrkulacji powietrza nie jest dozwolone. Dotyczy to obiektów, w których wydzielają się szkodliwe zanieczyszczenia chemiczne i biologiczne, nieprzyjemne zapachy oraz możliwe jest nagłe zwiększenie stężenia niebezpiecznych substancji chemicznych, a także w przestrzeniach zagrożonych wybuchem [N2]. W budynku opieki zdrowotnej recyrkulacja powietrza może być stosowana tylko za zgodą i na warunkach określonych przez właściwego inspektora sanitarnego [N1]. Ponadto w okresie letnim stosowanie recyrkulacji nie zawsze jest opłacalne, gdyż może powodować, zwłaszcza w przypadku wentylacji bez chłodzenia, podwyższenie temperatury powietrza.
 

2. Zastosowanie urządzeń do odzysku ciepła
 

Na rys. 1c przedstawiono schemat instalacji klimatyzacyjnej z urządzeniem do odzysku ciepła (UOC).

Rys. 1c. Schematy instalacji klimatyzacyjnej z urządzeniem do odzysku ciepła. Oznaczenia: CH – chłodnica, CZ – czerpnia, F – filtr, KM – komora mieszania, N – nagrzewnica, Naw – nawiewnik, NP – nawilżacz parowy, P – przepustnica, T – tłumik akustyczny, UOC – urządzenie do odzysku ciepła, WN – wentylator nawiewny, WW – wentylator wywiewny, Wyw – wywiewnik

Instalacje takie doprowadzają do pomieszczenia powietrze w 100% zewnętrzne. W okresie zimowym ciepło pobierane z powietrza usuwanego jest przekazywane w UOC do powietrza nawiewanego. W okresie letnim natomiast zachodzi proces odwrotny [2]. Ze względu na sposób przekazywania ciepła urządzenia dzielą się na [3]:

• rekuperatory – w których ciepło, wyłącznie jawne (czyli powodujące zmianę temperatury powietrza), przekazywane jest przez przegrodę (np. płytę) oraz
• regeneratory – w których przekazywanie ciepła jawnego następuje przez masę akumulacyjną. Są też urządzenia z masą akumulacyjno-higroskopijną z materiałem sorpcyjnym, pochłaniającym wilgoć z powietrza. Oprócz wymiany ciepła jawnego zachodzi w nich przekazywanie wilgoci, a co za tym idzie przepływ ciepła utajonego.

Rekuperatory dzieli się na:

• z bezpośrednim przepływem ciepła, do których zalicza się przede wszystkim wymienniki krzyżowo-płytowe (rys. 2a), oraz przeciwprądowe, również o budowie płytowej (rys. 2b);

Rys. 2a. Rekuperator krzyżowo-płytowy [5]

Rys. 2b. Rekuperator przeciwprądowy [5]
 

• z medium pośredniczącym, których przykładem są urządzenia z wymuszonym pompą obiegiem glikolu między dwoma wymiennikami ciepła, tzw. glikolowe (rys. 2c), oraz rurki cieplne (heat pipe) grawitacyjne lub kapilarne (rys. 2d) z samoczynnym obiegiem czynnika chłodniczego. Do grupy rekuperatorów z medium pośredniczącym, którym jest w tym przypadku czynnik chłodniczy, zaliczyć można również pompy ciepła, dla których w okresie zimowym dolnym źródłem jest powietrze usuwane, a górnym źródłem powietrze nawiewane, natomiast w okresie letnim odwrotnie [4].

Rys. 2c. Rekuperator z medium pośredniczącym z wymuszonym obiegiem (glikolowy) [6]

Rys. 2d. Rekuperator: rurka cieplna grawitacyjna (zimą) [7]

Zobacz: Rekuperacja powietrza w układach wentylacji
 

Regeneratory produkowane są jako:

• obrotowe (rys. 3a) – z rotorem wypełnionym masą akumulacyjną lub akumulacyjno-higroskopijną, z którą na przemian kontaktuje się powietrze zewnętrzne i usuwane;
  
  Rys. 3a. Regenerator obrotowy [5]
   
• nieruchome (rys. 3b) – w których cykliczny naprzemienny kontakt powietrza usuwanego i zewnętrznego z dwoma blokami wypełnionymi masą akumulacyjno-higroskopijną następuje w wyniku zmiany ustawienia zespołu przepustnic powietrza.

Rys. 3b. Regenerator nieruchomy [6]

Należy zauważyć, że w naszych warunkach klimatycznych stosowanie urządzeń do odzysku ciepła w okresie letnim nie zawsze jest opłacalne, gdyż ze względu na niewielkie różnice temperatury między powietrzem usuwanym i zewnętrznym odzyskana energia może być mniejsza niż nakłady energetyczne poniesione na pokonanie oporów przepływu powietrza przez wymiennik. Aby tego uniknąć, powietrze zewnętrzne jest kierowane przez obejście UOC. Stosowanie odzysku ciepła w lecie powinno być zatem każdorazowo oceniane pod kątem opłacalności.

3. Uzysk ciepła lub chłodu w gruntowych wymiennikach ciepła [4].
 

Najczęściej stosowane są w tym celu powietrzne wymienniki bezprzeponowe (z kontaktem powietrza z gruntem) lub przeponowe (bez takiego kontaktu). Powietrze zewnętrzne z czerpni przepływa przez taki wymiennik, podlegając wstępnemu ogrzaniu zimą lub ochłodzeniu latem, a dopiero potem jest kierowane do centrali. Dodatkową korzyścią wynikającą ze wstępnego ogrzania powietrza jest też zapobieganie zaszronieniu rekuperatorów, przez co unika się nakładów energetycznych na ich odszranianie.

Drugim aspektem zmniejszenia zużycia energii jest obniżenie mocy elektrycznej wentylatora, uzyskiwane przez zmniejszenie strat ciśnienia w instalacji, a zatem przede wszystkim przez zwiększenie wymiarów poprzecznych centrali klimatyzacyjnej. Istotne jest także zwiększenie sprawności wentylatora.

Ważnym aspektem energooszczędności jest też możliwość zmniejszenia zużycia energii pierwotnej, czyli pozyskiwanej bezpośrednio ze źródeł naturalnych, w tym paliw kopalnych, potrzebnej do wytworzenia wymaganej ilości ciepła i chłodu. W przypadku kotłów można to osiągnąć przez zwiększenie ich sprawności. Kluczowa jest także poprawa sprawności przesyłu ciepła, które często jest wytwarzane w dużej odległości od centrali.
 

Sprawdź: Odzysk energii – ciepła i chłodu w instalacjach wentylacyjno-klimatyzacyjnych
 

Natomiast o efektywności produkcji chłodu decyduje wartość współczynnika wydajności chłodniczej układu chłodniczego EER (ang. Energy Efficiency Rating), czyli stosunku wytworzonej mocy chłodniczej do mocy elektrycznej pobieranej przez sprężarkę. Zależy ona m.in. od rodzaju sprężarki i zastosowanego czynnika chłodniczego, a w najlepszych urządzeniach osiąga wartość 4,5.

Zmniejszenie zużycia energii pierwotnej do produkcji ciepła i chłodu można uzyskać przez zastosowanie pompy ciepła [4]. Najczęściej są stosowane pompy powietrze-powietrze, ze sprężarkami elektrycznymi, pracujące zarówno w trybie ogrzewania, jak i chłodzenia. Współpracują one z nagrzewnicą lub chłodnicą w centrali w układzie z bezpośrednim odparowaniem czynnika chłodzącego lub z czynnikiem pośredniczącym.

W trybie ogrzewania zdolność pompy do zmniejszenia zużycia energii pierwotnej do ogrzewania zależy od wartości współczynnika wydajności COP (ang. Coefficient of Performance), wyrażającego stosunek ciepła oddanego przez skraplacz do górnego źródła pompy (nagrzewnicy lub wymiennika ciepła czynnik chłodzący-woda) do mocy elektrycznej sprężarki. Wartość ta zawiera się w granicach 3,5-5. Oznacza to, że od 70 do 80% ciepła oddanego do nagrzewnicy jest uzyskane z dolnego źródła, a tylko od 20 do 30% pochodzi od energii elektrycznej.

W trybie chłodzenia pompa pracuje tak samo jak układ chłodniczy.

Ponadto lokalizacja pompy w pobliżu centrali klimatyzacyjnej zmniejsza znacznie straty energii na przesyle.

Dla central o wymaganej dużej mocy cieplnej dobrym rozwiązaniem są gazowe pompy ciepła (gas heat pump GHP) [4]. Do napędu sprężarki stosuje się w nich gazowy silnik spalinowy. Zaletą tego rozwiązania jest możliwość wykorzystania spalin oraz ciepła pochodzącego z układu chłodzenia silnika do ogrzania dolnego źródła pompy, co m.in. zapobiega szronieniu parownika w zimie. Dzięki temu nie ma potrzeby wysokoenergetycznego odszraniania przy niskich temperaturach zewnętrznych, co dodatkowo zwiększa efektywność energetyczną produkcji ciepła.

Normy i przepisy

• N1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny podlegać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 75, poz. 690, z późn. zm. – tekst jednolity obowiązujący od dnia 1 stycznia 2018 r.).
• N2. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 26 września 1997 r. w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy (tekst jednolity z 28 sierpnia 2003 r., Dz.U. z 2003 r. Nr 169, poz. 1650, z późn. zm.).
• N3. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE z dnia 21 października 2009 r. ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią.
• N4. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1253/2014 z dnia 7 lipca 2014 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla systemów wentylacyjnych.

Literatura

1. B. Lipska, Projektowanie wentylacji i klimatyzacji. Urządzenia i przewody, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2018.
2. B. Lipska, Projektowanie wentylacji i klimatyzacji. Podstawy uzdatniania powietrza, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2018.
3. A. Pełech, Wentylacja i klimatyzacja. Podstawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
4. B. Lipska, Z. Trzeciakiewicz, Projektowanie wentylacji i klimatyzacji. Zagadnienia zaawansowane, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2018.
5. www.klingenburg.pl
6. www.frapol.com
7. www.spc-hvac.co.uk
8. J. Muller, Praktyczne konsekwencje wymagań dyrektywy ErP w projektowaniu wentylacji, „Rynek Instalacyjny” nr 1-2/2018.
9. www.dospel.com
10. www.klimor.pl
11. www.climagold.com
12. www.bartoszwentylacja.com.pl

dr hab. inż. Barbara Lipska