Klimatyzacja w obiekcie biurowym. W poszukiwaniu idealnego układu technologicznego dla systemu w oparciu o wodę lodową
Ocena użytkowników: / 0
SłabyŚwietny 
Data dodania: 03.07.2017

Znajomość obiektu i jego cech charakterystycznych jest kluczowym priorytetem przy wyborze właściwego rozwiązania systemu klimatyzacyjnego. Budynki komercyjne typu biura, hotele, galerie handlowe, budynki mieszkalne itp. charakteryzują się szeregiem cech, które powinny zostać uwzględnione przy wyborze właściwego rozwiązania systemu klimatyzacyjnego. 

 

 

Niewątpliwym jest, że nowoczesne budynki wymagają zwiększonych strumieni powietrza świeżego, cechują się też wydłużonym okresem zapotrzebowania na moc chłodniczą. Jest to negatywny efekt syndromu szczelnego i dobrze izolowanego budynku. Obydwie te cechy współczesnych budynków generują zwiększone koszty eksploatacji związane z pracą systemów klimatyzacyjnych i chłodniczych. Jak temu zaradzić? W niniejszym artykule przedstawiono informacje na co zwrócić uwagę przy projektowaniu systemu klimatyzacyjnego w nowoczesnych obiektach.

 

 

Konkerentność zapotrzebowania na powietrze świeże, moc chłodniczą i moc grzewczą obiektu

 

Można obecnie zauważyć, że systemy klimatyzacyjne i ogrzewcze obiektu powinny tworzyć spójną całość, a nie stanowić odrębnych systemów, w którym każdy realizuje tylko swoje własne cele i priorytety. Przez coraz dłuższe okresy współwystępuje zapotrzebowanie na moc chłodniczą i cieplną – oczywiście proporcje te mogą się zmieniać, jak również mogą występować znaczne dysproporcje co do zapotrzebowania na moc chłodniczą i cieplną w tym samym czasie, niemniej jednak takie wzajemne oddziaływanie występuje i powinno zostać ono uwzględniono już na etapie projektu.

 

Posługując się prostym przykładem w wielu projektach centrale klimatyzacyjne pracują ze stałą temperaturą powietrza nawiewanego niezależnie od charakterystyki obiektu oraz zmian temperatury powietrza zewnętrznego. W okresie występowania niskich wartości temperatur powietrza zewnętrznego np. poniżej ok. 5°C zostaje uruchomiony kocioł grzewczy, którego zadaniem jest utrzymanie zadanej temperatury nawiewu w centrali. W tym samym czasie mogą pracować systemy klimatyzacyjne, które wymagają zastosowania źródła chłodu (np. klimakonwektory wentylatorowe). W procesie chłodzenia odzyskiwane mogą być duże ilości ciepła, które mogą zostać wykorzystane ponownie, a często nie są wykorzystywane. Autor nie ma tutaj na myśli zastosowanie funkcji odzysku ciepła w sprężarkowych agregatach chłodniczych, ale inne możliwości pozyskania darmowego ciepła. Wykorzystanie sprężarkowego układu chłodniczego przy występowaniu niskich temperatur powietrza zewnętrznego jest marnotrawstwem energii elektrycznej. W nowoczesnych obiektach oraz z uwagi na nowe wymagania dotyczące efektywności energetycznej budynków nie ma dla tego typu rozwiązań niestety miejsca. Chłodzenie powietrza w klimatyzowanym pomieszczeniu wiąże się z przekazywaniem ciepła np. do cieczy pośredniczącej – wody ziębniczej. Ciepło to może zostać wykorzystane użytecznie.

 

 

Centrale klimatyzacyjne w nowoczesnym systemie klimatyzacji

 

W poprzednich publikacjach autor przytoczył konstrukcję nowoczesnych central klimatyzacyjnych pozwalających na zabudowanie w jednej konstrukcji centrali: układu odzysku ciepła/chłodu oraz układu chłodzenia i grzania. Odseparowanie urządzenia od centralnego źródła chłodu, wykorzystanie bardzo efektywnego układu pompy ciepła oraz elementów o niskich oporach wewnątrz centrali pozwala na uzyskanie bardzo niskich kosztów eksploatacji związanych z przygotowaniem powietrza świeżego. Według autora takie kompleksowe i autorskie podejście do pracy układów przygotowania powietrza, wysunięcie konkretnych wniosków z analizy pracy wielu systemów klimatyzacyjnych, wreszcie nowatorskie podejście do zaprojektowania od podstaw nowego urządzenia to jedna z metod pozwalających na ograniczenie kosztów eksploatacji systemów klimatyzacji.

 

W przypadku tradycyjnych układów przygotowania powietrza, w celu uzyskania redukcji kosztów eksploatacyjnych energochłonnych systemów klimatyzacyjnych, istnieje możliwość powiązania układów przygotowania powietrza z systemami grzania i chłodzenia obiektu, tym samym uzyskując wymierne oszczędności eksploatacyjne.

 

Jednym z przykładowych rozwiązań jest układ technologiczny, zawierający tzw. pre-heating, stosowany coraz częściej w wielu obiektach w Polsce. Na przykładzie tym zostaną omówione cechy charakterystyczne przyjętego układu technologicznego oraz alternatywne zbliżone rozwiązania, które mogą (choć nie zawsze) służyć w celu pozyskania dalszych oszczędności energetycznych.

 

 

Przykładowy układ technologiczny powiązania centrali klimatyzacyjnej z systemami grzewczo-chłodniczymi Za taki przykładowy układ technologiczny posłuży schemat technologiczny z rysunku 1. Rozwiązanie to jest bardzo ciekawe, aczkolwiek zdaniem autora trochę skomplikowane. Jest to schemat bazujący na dwuetapowym systemie uzdatniania powietrza na który składają się centrale przygotowujące świeże powietrze higieniczne oraz wtórny układ uzdatniania powietrza z klimakonwektorami wentylatorowymi jako urządzeniami końcowymi („odbiornikami chłodu”). Źródło chłodu stanowią agregaty chłodnicze pracujące  w układzie równoległym. Stosowane przez jednego z deweloperów rozwiązanie polega na zastosowaniu czystej wody w obiegu agregatów chłodniczych. Rozwiązanie takie z pewnością pozwala na redukcję kosztów eksploatacji w okresie letnim, z uwagi na wyeliminowanie glikolu (spadek wydajności) oraz wymienników pośredniczących generujących dalsze straty energetyczne. Zabezpieczenie przed zamarzaniem stanowią taśmy grzewcze oplatające rurociągi wody zimnej oraz pompy, które pozostają załączone nawet w okresie braku pracy agregatów.

 

 

2017 5 38 1

Rys. 1. Schemat analizowanego układu technologicznego non-glycol free-cooling + pre-heating

 

 

Zadaniem central jest nawiew powietrza o stałej temperaturze. Wartość nastawy dla okresu letniego jak i zimowego jest identyczna i wynosi 20°C.

 

W okresie letnim agregaty chłodnicze zasilają chłodnice w centralach klimatyzacyjnych oraz klimakonwektory wentylatorowe. Wartość zadana nastawy agregatów chłodniczych wraz ze spadkiem temperatury powietrza zewnętrznego może wzrastać (kompensacja wartości zadanej od temperatury powietrza zewnętrznego – przypis autora). W okresie maksymalnego obciążenia temperatura wody ziębniczej krążącej w obiegu agregaty chłodnicze – klimakonwektory wynosi 14/8°C.

 

 

 2017 5 39 1

Rys. 1A. Praca analizowanego układu technologicznego w okresie letnim Tz>13°C

 

 

W okresie przejściowym i zimowym konieczna jest ciągła i dalsza praca wtórnych układów przygotowania powietrza w trybie chłodzenia. Agregaty chłodnicze redukują pracę układów sprężarkowych aż do temperatury 5°C, przy której pozostają wyłączone (układy sprężarkowe). Przy niższych temperaturach zewnętrznych do schłodzenia powietrza wykorzystywany jest układ free-cooling.

 

 

2017 5 39 2

Rys. 1B. Praca analizowanego układu technologicznego w okresie przejściowym 13°C>=Tz>5°C

 

 

2017 5 39 3

Rys. 1C. Praca analizowanego układu technologicznego w okresie zimowym Tz =< 5°C

 

 

Nawiew powietrza świeżego o temperaturze tj. 20°C w ilości związanej z kryterium minimum higienicznego nie jest w stanie zasymilować zysków ciepła z pomieszczeń w okresie przejściowym. W związku z powyższym klimakonwektory wentylatorowe dochładzają powietrze w klimatyzowanych pomieszczeniach. Powietrze schładzając się, oddaje ciepło do wody ziębniczej powodując jej podgrzanie. W okresie tym (przejściowym) woda ziębnicza po podgrzaniu się na klimakonwektorach do temperatury ok. 17°C jest kierowana na zasilenie pośredniczącego wymiennika ciepła. Po drugiej stronie wymiennika ciecz, którą stanowi wodny roztwór glikolu etylenowego, jest wykorzystywana do zasilenia wymienników ciepła umieszczonych w centrali. Woda ziębnicza o temperaturze 17°C po oddaniu ciepła do wymiennika pośredniczącego (osiąga temp. 11°C) jest zawracana na zasilenie klimakonwektorów wentylatorowych. Po drugiej stronie wymiennika pośredniczącego wodny roztwór glikolu ulega podgrzaniu (do temp. 15°C), a następnie zasila on wymienniki umieszczone w centralach klimatyzacyjnych, których zadaniem jest wstępne podgrzanie powietrza zewnętrznego. Według przyjętej konfiguracji centrali, przy zasileniu wodnym roztworem glikolu o temp. 15°C, powietrze świeże za wymiennikiem w centrali jest w stanie osiągnąć temperaturę rzędu 2°C. Z uwagi, iż ilość szacunkowych zysków ciepła w tym okresie przewyższa moc cieplną potrzebną do podgrzania powietrza do wymaganej temperatury, dalsze schłodzenie wodnego roztworu glikolu do żądanej temperatury 9°C odbywa się z wykorzystaniem dry-coolera.

 

Jeżeli woda ziębnicza o temperaturze 17°C nie jest w stanie uzyskać dochłodzenia na wymienniku pośredniczącym do żądanej temperatury wody wyjściowej 11°C, może zostać schłodzona, przed zasileniem klimakonwektorów wentylatorowych, na agregacie chłodniczym z wykorzystaniem sprężarkowego układu chłodniczego. Taki przypadek będzie miał miejsce, gdy temperatura powietrza zewnętrznego będzie na tyle wysoka, że ilość przekazywanej mocy cieplnej na wymiennikach pre-heatingu w centrali będzie znikoma, zaś wydajność dry-coolera prapracującego w trybie free-coolingu będzie niewystarczająca. Taki przypadek może mieć miejsce np. przy temperaturze powietrza zewnętrznego rzędu 13°C. W takich warunkach nie jest możliwe dochłodzenie wody ziębniczej po drugiej stronie wymiennika pośredniczącego do żądanej temperatury 11°C.

 

Rozwiązanie to, w wielkim skrócie, polega na wykorzystaniu darmowego źródła ciepła jakim jest powietrze wewnętrzne do podgrzania świeżego powietrza zewnętrznego w centrali (wymiennik pre-heatingu), a następnie z wykorzystaniem free-coolingu dochłodzeniu wody ziębniczej do żądanej temperatury. Jest to analogia systemu non-glycol free-cooling [1] z tym jednak wyjątkiem, że przed wlotem cieczy na parowacz agregatu ciepło to jest wykorzystane użytecznie na potrzeby podgrzania powietrza w centralach klimatyzacyjnych. Takie rozwiązanie jest bardzo korzystne bo wykorzystanie użytecznie ciepłej i podgrzanej wody redukuje również zapotrzebowanie na moc elektryczną i zużycie energii elektrycznej przez układ free-coolingu (wentylatory dry-coolera).

 

 

Możliwości udoskonalenia analizowanego systemu technologicznego

 

(...)

 

 

Agregaty zasilające chłodnice w centralach klimatyzacyjnych

 

(...)

 

 

Analiza

 

(...)

 

 

Agregaty zasilające chłodnice w klimakonwektorach wentylatorowych

 

(...)

 

 

Podsumowanie:

 

Przy okazji niniejszego artykułu autor chciałby zwrócić uwagę na następujące fakty: ƒƒ

 

  • przedstawiona analiza jest tylko i wyłącznie subiektywnym przemyśleniem autora dotycząca analizowanego układu technologicznego dla konkretnych przyjętych warunków pracy. Dla innych warunków pracy kalkulacje mogą się diametralnie zmienić;
  • w analizie uwzględniono, że do temp. powietrza zewnętrznego równej 8°C pracują tylko agregaty chłodnicze, w rzeczywistości już przy temperaturze powietrza rzędu 13°C powinien się załączyć układ free-cooling dla obu przypadków co zmniejszy różnice w kosztach pomiędzy układami opartymi na czystej wodzie ziębniczej oraz wodzie z domieszką glikolu monoetylenowego 35%;
  • każdorazowo przed dokonywaniem wyboru systemu klimatyzacyjnego i przed jego optymalizacją konieczna jest weryfikacja zapotrzebowania na chłód i ciepło obiektu oraz ich przebiegów w czasie, a także liczby godzin pracy instalacji w obiekcie;
  • przy zastosowaniu czystej wody ziębniczej należy zwrócić uwagę, że niezależnie od czasu użytkowania obiektu (może być on ograniczony dla niektórych rodzajów obiektu np. budynki biurowe) układ zabezpieczający przed zamarzaniem musi uwzględniać całkowitą liczbę godzin występowania temperatur powietrza zewnętrznego (bez podziału na okres użytkowania obiektu bo niezalenie czy obiekt jest użytkowany czy też nie, zabezpieczenie przed zamarzaniem musi chronić instalację również w okresie nieużytkowania obiektu); ƒƒ
  • przedstawiona analiza jest niepełna, ponieważ nie uwzględnia w alternatywnym analizowanym przez autora układzie wyższych kosztów agregatów z uwagi na niższą temperaturę wody ziębniczej, niemniej jednak po zsumowaniu wyższych kosztów pracy instalacji opartej na czystej wodzie dla systemu chłodzenia central klimatyzacyjnych oraz klimakonwektorów wentylatorowych różnica w kosztach inwestycyjnych zwróci się w określonym czasie. Dodatkowo koszt zakupu samodzielnego dry-coolera realizującego proces free-coolingu jest większy od kosztów zakupu wbudowanego układu free-cooling (drycooler o takiej samej wydajności dla takich samych warunków pracy) w agregacie chłodniczym;
  • zastosowanie czystej wody ziębniczej na potrzeby chłodzenia w ograniczonym czasie pracy systemu (centrale klimatyzacyjne o stosunkowo wysokiej przyjętej temperaturze powietrza nawiewanego) jest nieefektywne energetycznie, gdyż układ zabezpieczający przed zamarzaniem będzie pracował przez dużo dłuższy okres czasu pracy;
  • na korzyść rozwiązania proponowanego przez autora ma wpływ jeszcze jeden czynnik, który został pominięty przy analizie. W okresie letnim, gdy układ analizowany z rysunku 1 musi pracować na parametrach wody 8/14°C na potrzeby klimakonwektorów wentylatorowych źródło chłodu musi utrzymywać stała temperaturę wody wyjściowej równą 8°C (ten sam układ zasila chłodnice w centralach i agregaty muszą być regulowane w oparciu o temperaturę wody wyjściowej z parowacza). Wersja rozwiązania proponowana przez autora w tym okresie (letnim) pozwala na sterowanie agregatami chłodniczymi pracującycymi na potrzeby klimakonwektorów wentylatorowych od temperatury wody powracającej z instalacji, przynosząc korzyści energetyczne w tym okresie; 
  • choć układ technologiczny z rysunku 1 jest ciekawym z punktu widzenia kosztów eksploatacji według autora jest on dość skomplikowany zaś inny alternatywny układ analizowany przez autora pozwala na realizację tego samego zadania przy niższych kosztach eksploatacji, zbliżonych kosztach inwestycyjnych ale jednocześnie zdecydowanie upraszczając przy tym przyjęty układ technologiczny

 

 

 

Bartłomiej ADAMSKI,
– PZITS Kraków, Kliweko Sp. z o.o.

 

 

 

LITERATURA:

[1] B. ADAMSKI: Nowoczesne urządzenia i systemy klimatyzacyjne cz. 1. Agregaty wody ziębniczej jako pośrednie źródło chłodu w systemie klimatyzacyjnym. MEDIUM 2014 r.

[2] B. ADAMSKI: Nowoczesne urządzenia i systemy klimatyzacyjne cz. 2 Centrale klimatyzacyjne jako źródło świeżego powietrza w systemie klimatyzacyjnym. W trakcie przygotowania do wydruku.

 

 

 

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

  • Pompy ciepła 2012

  • Pompy ciepła 2013

  • Termografia w podczerwieni 2009

  • Pompy ciepła 2010

 

 

  02 ss2  omii   kig 134x45 left  

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.