Indukcyjne belki chłodzące - nowoczesny system wentylacji i chłodzenia wykorzystujący przepływ wody

To, jak odczuwamy efekt termiczny warunków klimatycznych panujących w pokoju, zależy głównie od wymiany ciepła naszego organizmu z otoczeniem. Proces ten jest uzależniony od szeregu czynników, z których najważniejsze to: aktywność fizyczna, rodzaj ubrania oraz temperatura otoczenia, w którym przebywamy. Efekt termiczny warunków klimatycznych panujących w pokoju można opisać za pomocą takich parametrów, jak wilgotność i szybkość cyrkulacji, a także intensywność wymiany ciepła przez promieniowanie z powierzchniami otaczającymi pokój.

Dobry system wentylacji czy klimatyzacji powinien zagwarantować odpowiednią wydajność, temperaturę, prędkość i wilgotność powietrza, a więc warunki gwarantujące odpowiedni komfort w pomieszczeniu.
Komfort cieplny to stan, w którym człowiek czuje, że jego organizm znajduje się w stanie zrównoważonego bilansu cieplnego, tzn. nie odczuwa ani uczucia przegrzania, ani zimna. Dodatkowo komfort termiczny oznacza, że nie występuje żadne niepożądane nagrzewanie lub chłodzenie poszczególnych części ciała, na przykład chłodzenie karku i szyi przez przeciągi, czy nagrzewanie nóg przez ciepło promieniujące ze zbyt ciepłej podłogi. Niewątpliwie bardzo problematyczne jest w tym przypadku określenie uczucia komfortu w pomieszczeniu, które jest odczuwane indywidualnie i subiektywnie. Ideałem byłby system gwarantujący jak najmniejszy procent ludzi niezadowolonych z panujących warunków.
Kolejnym dużym problemem, który pojawił się we współczesnej wentylacji stało się coraz większe obciążenie termiczne pomieszczeń. Trzydzieści czy dwadzieścia lat temu głównym i jedynym źródłem ciepła pomieszczenia biurowego był człowiek oraz oświetlenie. Natomiast obecnie, oprócz wymienionych, doszły zdecydowanie większe zyski od urządzeń biurowych (komputer, drukarka, faks, etc.) i związane z tym problemy z odprowadzeniem tych obciążeń. Z tego powodu w ostatnich czasach determinującym parametrem w tych obiektach nie stało się zapotrzebowanie na świeże powietrze, a potrzeba odprowadzania znacznych zysków ciepła. Dostarczenie chłodu w powietrzu jest dość drogie w porównaniu z czynnikami tradycyjnymi, takimi jak: freon, R18, woda, stąd wiąże się to z dużym zapotrzebowaniem na urządzenia typu split oraz fancoil. Niestety rozwiązania takie mają wady w postacie dużego poziomu dźwięku w pomieszczeniu, wysuszania powietrza, konieczności stosowania instalacji odprowadzania skroplin, zwiększenia kosztów eksploatacji urządzeń (wymiana elementów ruchomych oraz filtrów). Tych kilka czynników ma wpływ, w ostatnich latach, na popularność belek chłodzących.


Belki chłodzące - podział
Belki chłodzące możemy podzielić na pasywne - bez nawiewu powietrza i aktywne - z nawiewem świeżego powietrza do pomieszczenia.
Jako pierwsze znalazły zastosowanie belki pasywne, których wygląd oraz konstrukcja przypomina grzejniki ogrzewania tradycyjnego. Dopiero po pewny czasie pojawił się pomysł, aby zintensyfikować wymianę ciepła i dostarczać świeże powietrze również do belki.
W wielu przypadkach wykorzystanie systemów chłodzenia w biurach jest zwykle ograniczone wyglądem i układem sufitów, stąd jest możliwość użycia perforowanych sufitów chłodzących. Składają się one z perforowanych, metalowych paneli sufitowych oraz ukrytych belek chłodzących zlokalizowanych ponad ich powierzchnią. Ukryta belka chłodząca została specjalnie zaprojektowana dla metody chłodzenia wykorzystującej grawitacyjny przepływ powietrza. Oznacza to, że może on pracować przy mniejszych różnicach temperatur i małych szybkościach przepływu powietrza, zachowując jednocześnie dużą wydajność.


Czynnikiem chłodzącym dla belek jest woda lodowa o parametrach 14oC/17oC lub 15oC/18oC. Obniżenie temperatury w pomieszczeniu wymaga absorpcji ciepła i odprowadzenia go przy użyciu zimnej wody.
Gdy przez belkę przepływa schłodzona woda, ciepłe powietrze oziębia się od jej powierzchni. Schłodzone powietrze, które jest cięższe, przepływa przez belkę, a następnie opada do pomieszczenia. Dzięki temu w pomieszczeniu zachodzi cyrkulacja powietrza, w wyniku której ciepłe powietrze jest nieustannie wymieniane na zimne.
W przypadku belek z nawiewem powietrza mamy do czynienia ze zjawiskiem indukcji, dzięki któremu pod samą belką powstaje podciśnienie i dodatkowe zasysanie powietrza z pomieszczenia, do wnętrza belki, gdzie jest dodatkowo schładzane. Dzięki temu zjawisku wydajność belki jest kilkakrotnie zwiększona. Powietrze jest schładzane podczas przepływu przez baterie lamelową, składającą się z aluminiowych kołnierzy z miedzianymi kanałami, którymi przepływa woda. Ciepło z pomieszczenia wchłaniane jest więc przez lamele aluminiowe i przekazywane jest dalej przez rurki miedziane w obiegu wodnym do chłodziarki.
W odróżnieniu od innych urządzeń technologia ta zapewnia bezpośrednią wymianę ciepła poprzez promieniowanie długofalowe pomiędzy zimnymi powierzchniami belki i ciepłymi powierzchniami pokoju. Procentowy udział promieniowania w całkowitej wydajności belki wynosi od 5% (dla układów z żeberkami) do 35% (dla układów płytowych).
Wydajna wentylacja
Wydajność wentylacji w pomieszczeniu można opisać wyrażeniem na efektywność wymiany powietrza. Z drugiej strony, efektywność wymiany powietrza można traktować jako współczynnik określający jak szybko następuje wymiana powietrza w pomieszczeniu w porównaniu z najkrótszym, teoretycznym okresem takiej wymiany.
Przeprowadzone niezależne pomiary pokazują, że efektywność wymiany powietrza, którą zapewniają belki chłodzące, jest bardzo wysoka i wynosi aż 64%. Dla porównania warto wspomnieć, że efektywność wymiany powietrza dla wentylacji wyporowej wynosi 50-60%, natomiast dla wentylacji mieszanej - 40-50%. Wysoka efektywność wymiany powietrza zapewnia lepszą jakość powietrza w pomieszczeniu.


Konstrukcja umożliwia wysoką efektywność chłodzenia mimo małych wymiarów zewnętrznych panelu. Dysze wydmuchujące powietrze wentylacyjne są tak skonstruowane, aby wykorzystywać zjawisko Coandy tzn. przyleganie strugi powietrza do powierzchni wzdłuż której jest nawiewane, w tym wypadku szczelina nawiewna oraz dysze belki są tak ukształtowane aby powietrze nawiewane przylegało do sufitu. Dzięki temu chłodne powietrze jest rozprowadzone na dość dużą powierzchnie i unikamy zjawiska opadania znacznie zimniejszego powietrza w jednaj strudze, którą przebywający ludzie w pomieszczeniu mogliby odebrać jako przeciąg.
Chłodzenie przez promieniowanie
Niewiele osób zdaje sobie sprawę z dość znacznego udziału promieniowania w wymianie ciepła. Procentowy udział promieniowania w całkowitej wydajności belki może wynieść nawet 30-35%, w zależności od konfiguracji, szczególnie przy zastosowaniu belek o dużej powierzchni czołowej (widocznej) przez którą przepływa czynnik chłodzący. Gdy zimna woda przepływa przez płytę chłodząca, z aluminiowej płyty jest odprowadzane do niej ciepło. Wszystko to dzieje się przy bardzo małych stratach temperaturowych. Płyta chłodząca oziębia ciepłe powietrze z pomieszczenia, które styka się z jej zimnymi powierzchniami, a także częściowo absorbuje ciepło z pomieszczenia poprzez promieniowanie niskotemperaturowe. W rezultacie pomieszczenie ulega schłodzeniu zarówno w wyniku promieniowania (około 30%), jak i konwekcji (też około 70%). Absorpcja promieniowania niskotemperaturowego oznacza, że powierzchnie pomieszczenia, głównie podłoga, ściany oraz wyposażenie, mają niższą temperaturę, niż w przypadku, gdy proces chłodzenia wykorzystywałby wyłącznie konwekcję. W efekcie absorpcja „energii chłodzącej” jest większa.
Średnia wydajność paneli chłodzących: do 150 W/m².


Czynniki wpływające na efekt chłodzenia
Głównym czynnikiem jest różnica temperatur między powietrzem wewnątrz budynku a/pokoju (strefy przebywania), a średnią temperaturą czynnika chłodzącego zasilającego belkę. Należy brać także pod uwagę inne czynniki:
• rozwarstwienie temperatur w pomieszczeniu
• temperatura powierzchni pokoju
• prądy powietrza w pomieszczeniu.
Metoda V
Metoda ta została opracowana przez stowarzyszenie V-Association. Pozwala ona mierzyć efekt chłodzenia w pomieszczeniach, w których występuje bardzo mały gradient temperatury. Ponadto, w pomieszczeniach tych powinny występować bardzo małe prądy powietrza, a temperatura powierzchni pomieszczeń powinna być prawie taka sama, jak temperatura powietrza wewnątrz pomieszczenia. Główną zaletą tej metody jest to, że daje ona obiektywne, łatwo porównywalne i powtarzalne wyniki, co pozwala na porównywanie efektów chłodzenia uzyskiwanych przy zastosowaniu różnych urządzeń.
Intensywność turbulencji
Turbulencje powietrza mają duży wpływ na ryzyko powstawania przeciągów. Miarą turbulencji jest ich intensywność. Intensywność turbulencji jest-mówiąc najogólniej-wyrażeniem określającym zmienność szybkości przepływu powietrza w jego strumieniu w stosunku do średniej szybkości przepływu w tym strumieniu. Możemy zatem powiedzieć, że na odczuwanie przeciągów (i ryzyko ich powstawania) mają wpływ: szybkość przepływu powietrza, jego temperatura i intensywność turbulencji.
Belki chłodzące gwarantują bardzo niską intensywność turbulencji strumienia powietrza, wynoszącą 10-20%, która z kolei przyczynia się do zminimalizowania ryzyka powstawania przeciągów.
Podsumowanie
Najważniejsze zalety belek chłodzących:
niska całkowita wysokość zabudowy - nawet do 12 cm
bardzo niski poziom hałasu - max do 28 dB
niższe ryzyko powstawania przeciągów (niskie prędkości przepływu powietrza pod belką)
Dodatkowe argumenty przemawiające za wyborem i stosowaniem belek chłodzących:
brak instalacji odprowadzania skroplin co jest konieczne np. przy klimakonwektorach
brak jakichkolwiek elementów ruchomych oraz wymiennych filtrów sprawiają, że koszty eksploatacji są o wiele niższe niż w przypadku tradycyjnych urządzeń
równomierny rozkład temperatur w pomieszczeniu
brak stref o zwiększonych prędkościach chłodnego powietrza
mgr inż. Andrzej Choma
Lindab