Ochrona przed kondensacją w systemach aktywnych belek chłodzących

Systemy klimatyzacyjne z zastosowaniem belek chłodzących stają się w Polsce coraz bardziej popularnym rozwiązaniem, szczególnie w pomieszczeniach biurowych.

Nowoczesne biurowce budowane
są w wariancie open space. Takie rozwiązanie ma bardzo dużą elastyczność
zagospodarowania powierzchni przez
najemców z równoczesnym zachowaniem
zasady pełnej indywidualnej
regulacji temperatury w poszczególnych
pomieszczeniach. Właśnie do
takich warunków rozwiązania klimatyzacji
nadają się najbardziej belki
chłodzące.
System klimatyzacji z zastosowaniem
belek sufitowych ma bardzo wiele zalet,
a w tym m.in.:
• pełna i dowolna indywidualna regulacja
temperatury,
• bardzo cicha praca urządzeń,
• bardzo niskie koszty serwisowania.
Planując i projektując taki system trzeba
jednak pamiętać o jednym z ważnych
aspektów jakim jest ochrona systemu
nawiewu powietrza przed kondensacją.
Istnieje wiele opinii, a w wielu wypadkach
nieuzasadnionych obaw, dotyczących ewentualnego problemu kondensacji
w systemach klimatyzacji z zastosowaniem
belek sufitowych.
W systemach takich istnieje oczywiście
ryzyko wystąpienia kondensacji na
powierzchni wymienników i elementów
instalacji wody lodowej. Temperatura
punktu rosy powietrza wewnętrznego
w okresie letnim dla warunków optymalnych
to ok. 13÷15°C. Systemy
belek chłodzących projektowane są
na temperaturę zasilania z instalacji
wody lodowej ok. 15÷16°C. Kondensacja
pary wodnej zawartej w powietrzu
występuje w momencie, kiedy temperatura
powierzchni elementów systemu
spadnie poniżej temperatury punktu rosy
powietrza w pomieszczeniu. Sytuacja
taka może być spowodowana zarówno
przez zbyt niską temperaturę zasilania
systemu, nadmierne zyski pary wodnej w
pomieszczeniu (np. od ludzi), jak i z powodu
wzrostu zawartości pary wodnej
w powietrzu wentylacyjnym doprowadzanym
do pomieszczenia.
Powietrze wentylacyjne dostarczane
do pomieszczenia ma za zadanie utrzymanie
odpowiedniej czystości powietrza
wewnętrznego jak i usuwanie zysków
wilgoci z pomieszczenia (głównie od
ludzi). Przed dostaniem się do pomieszczenia
powietrze przepływa przez chłodnicę
w centrali klimatyzacyjnej, gdzie
podlega ochłodzeniu do wymaganej
temperatury nawiewu i osuszaniu. Temperatura
nawiewu powietrza najczęściej
regulowana jest w funkcji temperatury
powietrza wywiewanego, tak by nie
dopuścić do przechłodzenia powietrza w
pomieszczeniach. Osuszanie w centrali
przebiega samoistnie w sposób ciągły
(niska temperatura powierzchni chłodnicy).
W niektórych przypadkach jest
ono jednak niewystarczające i wymaga
stosowania dodatkowych zabiegów
pozwalających na kontrolę wilgotności
powietrza w sposób pozwalający na
zabezpieczenie systemu przed kondensacją. Funkcja osuszania powietrza
na chłodnicy centrali klimatyzacyjnej
powinna być zawsze uwzględniona
w systemach z zastosowaniem belek
chłodzących.
Do podstawowych metod zabezpieczania
systemów aktywnych belek
chłodzących przed kondensacją (oprócz
osuszania na chłodnicy centrali) należą
m.in. :
• montaż czujników punktu rosy w pomieszczeniach,
• montaż czujników punktu rosy bezpośrednio
w belkach sufitowych,
• zmiana temperatury zasilania wody
lodowej w funkcji wilgotności powietrza
wywiewanego lub entalpii powietrza
zewnętrznego.


Każdy ze sposobów ma oczywiście
swoje zalety i wady. Osuszanie w centrali
klimatyzacyjnej ze względu na
ograniczoną moc chłodnicy może być
niewystarczające przy wysokiej entalpii
powietrza zewnętrznego, czujniki punktu
rosy praktycznie wyłączają system w
pomieszczeniu – pozostaje wtedy tylko
chłodzenie powietrzem nawiewanym.
Zmiana (podwyższenie) temperatury
zasilania wody lodowej obniża wydajność
chłodniczą systemu.
Praktycznie, w warunkach użytkowych
ryzyko wystąpienia kondensacji
na elementach systemu uzależnione
jest od wilgotności powietrza wewnętrznego,
a ta zależna jest od zysków wilgoci
w pomieszczeniu i zawartości wilgoci
w powietrzu nawiewanym. Wysoka entalpia
powietrza zewnętrznego może powodować,
że wydajność osuszania chłodnicy
centrali klimatyzacyjnej będzie niewystarczająca,
co w konsekwencji może
powodować wzrost temperatury punktu
rosy w pomieszczeniu i wystąpienie kondensacji.
Entalpia obliczeniowa powietrza
zewnętrznego to około 60 kJ/kg. Zatem,
poprawnie zaprojektowany system powinien
funkcjonować bez żadnych problemów,
jeżeli entalpia powietrza zewnętrznego
nie przekracza tej wartości. Na
wykresach (rys. 1 i 2) przedstawiono
zmiany średnich godzinowych wartości
entalpii powietrza zewnętrznego w roku
1997 uznanym za rok reprezentatywny na
podstawie pomiarów klimatycznych prowadzonych
w Instytucie Inżynierii Środowiska
Politechniki Poznańskiej w ostatnich
kilku latach [1].
Zauważyć można, że okresów entalpii
powietrza zewnętrznego powyżej 60kJ/kg
w analizowanym roku 1997 było bardzo
mało, zaledwie 41 godzin, a powyżej
65 J/kg – 6 godzin.
Jak już wspomniano wcześniej, jednym
z ciekawszych sposobów zabezpieczania
systemu belek chłodzących
przed kondensacją jest podnoszenie
temperatury zasilania wody lodowej
w przypadku zagrożenia wystąpienia
kondensacji. Można wybrać dwie opcje
sterowania – w funkcji entalpii powietrza
zewnętrznego, lub w funkcji wilgotności
(temperatury punktu rosy) powietrza
wywiewanego. Pierwszy sposób jest
w miarę uniwersalny, ale nie uwzględnia
rzeczywistego poziomu wewnętrznych
zysków wilgoci. Drugi nadaje
się do pomieszczeń o wyrównanym
poziomie wewnętrznych zysków wilgoci,
dla których można wytypować
pomieszczenie czy strefę referencyjną
lub wymaga sprzężenia wszystkich sterowników
pomieszczeniowych z układem
sterowania temperaturą zasilania wody
lodowej (np. w systemie BMS budynku).
Następstwem podniesienia temperatury
wody lodowej na zasilaniu belki chłodzącej
(praktycznie maksymalnie o 2÷3°C),
jest oczywiście spadek jej wydajności
chłodniczej. Wydajność chłodnicza belki
zależy od różnicy temperatur pomiędzy
powierzchnią wymiennika i przepływającym
przez niego powietrzem oraz od
strumienia powietrza pierwotnego nawiewanego
z centrali klimatyzacyjnej. Aby
nie dopuścić do spadku wydajności
chłodniczej belki z powodu wzrostu temperatury
zasilania wody lodowej, zwłaszcza
że w tym okresie potrzebna jest jej
maksymalna wydajność, można zwiększyć
w strumień powietrza pierwotnego
nawiewanego z centrali klimatyzacyjnej.

Konieczna zmiana strumienia
nawiewanego powietrza w funkcji wzrostu temperatury
wody zasilającej zależna jest od
konkretnego typu belki chłodzącej. Na
wykresie (rys. 3) przedstawiono wymagane
zwiększenie strumienia nawiewanego
powietrza dla jednego z typów belek
chłodzących firmy Swegon [2].
Dla kompensacji
podniesienia temperatury
wody zasilającej
o 3°C wymagane
jest zwiększenie
strumienia nawiewanego
powietrza
z 14l/s do 20l/s, jest
to więc zmiana dość
znaczna – ok. 40%.
Sytuacja ta powoduje
pewne rozregulowanie
aerodynamiczne
instalacji,
jednak ze względu
na stosunkowo duże
opory hydrauliczne
belek w stosunku
do oporów instalacji i krótkie okresy
występowania w roku praktycznie
nie przysparza dużych problemów
użytkowych. W powyższym przypadku
opory hydrauliczne belki po stronie
nawiewanego powietrza wzrosły
z 70 a do 140 a. Warunkiem poprawnego
działania systemu jest w miarę
symetryczne prowadzenie kanałów
powietrznych, odpowiednio rozbudowany
system sterowania i regulacji oraz
zwymiarowanie elementów centrali klimatyzacyjnej
i systemu powietrznego
na zwiększony strumień powietrza.

Przykładowy uproszczony schemat
(rys. 4) pokazujący podstawowe elementy
takiego systemu pokazano na
rysunku powyżej [2].
Algorytm działania systemu może
wyglądać następująco. Powietrze nawiewane
jest z centrali klimatyzacyjnej
ze stałą, ustaloną temperaturą. Jeżeli
jest taka potrzeba, może ono być dodatkowo
osuszane. Temperatura zasilania
wody lodowej jest utrzymywana
na stałym poziomie ok. 15÷16°C.
Jeżeli rośnie wilgotność powietrza
w pomieszczeniu, rośnie temperatura
punktu rosy powietrza wywiewanego,
a układ automatyki i sterowania
utrzymuje temperaturę zasilania
wody lodowej ok. 2°C powyżej temperatury
punktu rosy. Aby skompensować
spadek wydajności belki strumień
powietrza nawiewanego z centrali klimatyzacyjnej
również adekwatnie rośnie,
tak by utrzymać wymaganą wydajność
chłodniczą belki i utrzymywać
wymaganą temperaturę w pomieszczeniu
[2].
Mgr inż. Witold LEVEN – Swegon Polska,
Dr inż. Andrzej ODYJAS – Instytut Inżynierii Środowiska, Politechnika Poznańska

LITERATURA
[1] BASIŃSKA M.: Niepublikowane dane
pomiaru klimatu zewnętrznego na terenie
domku doświadczalnego IIOE PP, 1995-
2000.
[2] Materiały reklamowe i techniczne f-my
Swegon.
[3] ODYJAS A.: Belki chłodząco-grzejne – rozwiązania konstrukcyjne, zasady stosowania
i wskazówki projektowe, Chłodnictwo&Klimatyzacja, 4/2005, 58-63.
[4] ODYJAS A.: Charakterystyka i właściwości
aktywnych belek chłodząco-grzewczych,
Chłodnictwo&Klimatyzacja, 5/2004,
44-47.
Źródło: SWEGON