Współczesne tendencje rozwoju systemów klimatyzacyjnych

Rosnący poziom życia współczesnego człowieka, wymaga od projektantów i konstruktorów stałego podnoszenia jakości produktów, i to zarówno tych, służących bezpośredniej konsumpcji, jak i tych, które w sposób pośredni wpływają na komfort człowieka. Znakomitym tego przykładem może być klimatyzacja pomieszczeń i budynków. W artykule przedstawiono nowe koncepcje i trendy wyznaczające rozwój klimatyzacji na świecie. Przywołano przykłady „inteligentnych budynków” oraz systemów wpływających na jakość klimatyzacji oraz minimalizujących zużycie energii i destrukcyjny wpływ na środowisko naturalne. Przedstawiono również pewne aspekty klimatyzacji wielokondygnacyjnych budowli, które ze względu na swą specyfikę wymagają szczególnego podejścia do problemu klimatyzacji.

Kiedy w 1902 roku Willis Carrier skonstruował zraszający system kontroli temperatury i wilgotności drukarni, historia klimatyzacji rozpoczęła swój rozwój. Od tego czasu można wyróżnić cały szereg zdarzeń, z których pewne tylko zasługują na miano „kamieni milowych” inne zaś na warte odnotowania. Pokrótce można je jednak przedstawić w porządku chronologicznym:
• 1906: Stuart Kramer wprowadza termin „klimatyzacja”;
• 1928: Thomas Midgley wraz z współpracownikami dokonuje syntezy chemicznej i tworzy ziębniki grupy CFC;
• 1928: Pierwszy chłodzony automat sprzedający wyprodukowany przez Vendometer Co.;
• 1930: pierwszy klimatyzowany samochód (C&C Kelvinator Co. Dla John Hamman Jr. of Houston);
• 1942: dekret wojenny L-38 zakazuje instalowania systemów klimatyzacyjnych, projektowanych wyłącznie dla celów komfortu osobistego. Zakaz został zniesiony w 1945 roku;
• 1948: pracownicy zakładów włókienniczych w Północnej Karolinie, w związku wysoką temperaturą i wilgotnością otoczenia miejsca pracy, podejmują strajk, którego jednym z postulatów jest instalacja systemu klimatyzacyjnego;
• 1950: badania prowadzone wśród rodzin mieszkających w klimatyzowanych domach, wykazują ich lepsze samopoczucie, dłuższy sen latem, lepiej zagospodarowany i dłuższy czas wolny;
• 1969: Neil Armstrong i Buzz Aldrin spacerują po Księżycu w klimatyzowanych kombinezonach;
• 1977: nowe technologie pozwalają na projektowanie pomp ciepła dla niższych temperatur dolnych źródeł ciepła;
• 1987: Protokół Montrealski wprowadza ograniczenia dotyczące substancji degradujących warstwę ozonową;
• 1995: koniec produkcji czynników z grupy CFC w USA.
Wpływ klimatyzacji na poczucie komfortu

Poczucie komfortu klimatycznego człowieka wynika bezpośrednio z parametrów otaczającego powietrza. Poziom temperatury i wilgotności zależy ściśle od pory roku oraz rodzaju i miejsca wykonywanej pracy. Uczucie chłodu uzyskuje się również poprzez intensyfikację ruchu powietrza, gdyż skóra człowieka pocąc się odparowuje wodę ze swojej powierzchni, w naturalny sposób schładzając organizm. Istotnym elementem komfortu, jest wilgotność względna. Zbyt duża powoduje uczucie duszności, a zbyt mała może być przyczyną stanów zapalnych śluzówki i gardła.
Wymiana powietrza w pomieszczeniach klimatyzowanych odbywa się za pomocą wentylatorów, kanałów wentylacyjnych i kratek nawiewnych oraz wywiewnych. Przygotowanie powietrza nawiewanego powinno zapewnić utrzymanie parametrów powietrza wewnętrznego na zadanym poziomie (temperatura, wilgotność, nad- lub pod ciśnienie, czystość). Oznacza to konieczność stosowania mechanicznych środków w postaci nagrzewnic, chłodnic, nawilżaczy, filtrów, przepustnic itp. Wszystkie te urządzenia razem stanowią o systemie klimatyzacyjnym, muszą zatem charakteryzować się wysoką jakością a dla naszych warunków klimatycznych powinny być wyposażone w:
• pełen zakres regulacji temperatury w pomieszczeniu w granicach 18-30°C z możliwością regulacji 1°C;
• pompę ciepła typu powietrze-powietrze działającą do temperatury zewnętrznej –20°C;
• konstrukcję możliwie prostą do montażu i uruchomienia;
• wysokiej jakości sprężarkę z płynną regulacją wydajności w całym zakresie;
• komputer automatycznie kontrolujący wszystkie parametry pracy i stanu urządzenia oraz temperaturę w pomieszczeniu, stan filtrów itp.;
• filtry powietrza recyrkulowanego w pomieszczeniu, elektrostatyczne lub mechaniczne z kontrolą stanu zabrudzenia filtra do wielokrotnego użycia;
• zdalne sterowanie pilotem na podczerwień umożliwiające wybór funkcji grzanie, chłodzenie, suszenie lub wentylacja; sterowanie intensywnością wydmuchu, wydajnością klimatyzacji oraz opcję cichej pracy
Klimatyzacja pomieszczeń

Ze względu na zakres wydajności ziębniczej (lub grzewczej) wymaganej do klimatyzacji wykorzystuje się cały szereg urządzeń, od pojedynczych - zwanych potocznie "klimatyzatorami", (typu "compact", "split") poprzez "mutlisplit", systemy "VRV", "VRF", aż do systemów instalacji opartych na centralach klimatyzacyjnych czy układach wody lodowej.
Często budowane obecnie centra handlowe czy tzw. "Bussines Centra" wymagają dużych zespołów central klimatyzacyjnych przygotowujących duże ilości powietrza, współpracujących z długą siecią kanałów dostarczających powietrze i odprowadzających je z pomieszczeń. Stąd też powstała potrzeba unifikowania wszystkich zadań stojących przed tego typu obiektami. Pojawiły się „inteligentne budynki”, które można efektywnie wykorzystywać, zapewniając możliwie niskie koszty eksploatacji przy zapewnieniu maksymalnego komfortu i bezpieczeństwa użytkowników. Są one elastyczne pod względem zmiany przeznaczenia i możliwości modernizacji. Łatwo jest nimi zarządzać i nadzorować pracę wszystkich systemów, a większość procesów odbywa się w sposób automatyczny.
Niezależnie jednak od sposobu bezpośredniej realizacji funkcji obróbki powietrza, wszystkie systemy pracują według określonych schematów i obiegów termodynamicznych.
Systemy klimatyzacyjne


W obiegu tym ziębnik odparowuje i skrapla się przy różnych ciśnieniach (a co za tym idzie temperaturach). Schemat takiego systemu przedstawia rysunek 1.

Rys. 1 Schemat sprężarkowego obiegu parowego
Wydajność wentylatorów i wymienników ciepła ma zasadniczy wpływ na pracę takiego systemu. Wraz ze wzrostem wydajności skraplacza wzrasta wydajność chłodnicza, a zatem relatywnie maleje pobór energii do zasilania sprężarki. Mniejsza wydajność skraplacza powoduje spadek efektywności ziębienia i relatywny wzrost poboru energii. Optymalna sytuacja zachodzi przy zbalansowaniu tych efektów. Podobna sytuacja zachodzi dla wydajności wentylatorów.
Sorpcyjny system ciała stałego

Praca tego układu podobna jest do pracy parowego układu sprężarkowego, z tą różnicą, że rolę sprężarki pełnią zbiorniki nisko- i wysokociśnieniowe wypełnione nieorganicznymi związkiemi metali, mogącymi absorbować amoniak w chemicznym procesie sorpcyjnym. Sorbent w zbiorniku wysokociśnieniowym początkowo nasycony jest ziębnikiem. Kiedy pojawia się różnica temperatur pomiędzy zbiornikami, różnica ciśnień powoduje przepływ ziębnika przez skraplacz, zawór dławiący i parowacz, tworząc w ten sposób efekt ziębniczy. Po wyczerpaniu całej rezerwy ziębnika w zbiorniku wysokociśnieniowym i jego przepływie do zbiornika niskociśnieniowego w celu dalszej pracy systemu należy dokonać przełączenia obu zbiorników (np. poprzez odpowiedni zawór). Schemat tego systemu pokazany jest na rysunku 2.

Rys. 2 Schemat systemu sorpcyjnego z ciałem stałym
Cieczowy system absorpcyjny

System ten wykorzystuje mieszaninę ziębnik-absorbent jako czynnik roboczy. Układ ten pracuje na podobnej zasadzie co układ z ciałem stałym, jednak rolę sprężarki pełni absorber i generator. System oparty jest na zmiennej rozpuszczalności gazu w cieczy w zależności od temperatury. Schemat tego układu pokazany jest na rysunku 3.

Rys. 3 Schemat cieczowego systemu absorpcyjnego
Ziębnik odparowujący w parowaczu jest absorbowany przez ciecz. Proces ten jest egzotermiczny, dlatego wymagane jest chłodzenie absorbera. Zaabsorbowany ziębnik wraz z cieczą przepompowywany jest poprzez rekuperacyjny wymiennik ciepła do generatora, gdzie „roztwór bogaty” jest ogrzewany, w wyniku czego ziębnik zostaje oddzielony od absorbentu i jako para przepływa do skraplacza. Następnie przepływając przez zawór dławiący odparowuje w parowaczu i powraca do absorbera.
Obieg Stirlinga

Obieg ten pracuje jako obieg oscylacyjny i przebiega pomiędzy dwoma poziomami temperatur. Schemat systemu klimatyzacyjnego opartego na silniku Sterlinga przedstawia rysunek 4.

Rys. 4 Schemat system z silnikiem Stirlinga
Układ termoelektryczny

System ten pracuje na zasadzie zjawiska Peltiera. Przejawia się ono wydzielaniem lub pochłanianiem ciepła na granicy dwóch różnych półprzewodników w trakcie przepływu prądu elektrycznego. Współczesne ogniwo Peltiera, składa się z dwóch cienkich płytek z termoprzewodzącego materiału izolacyjnego (ceramika tlenków glinu), pomiędzy którymi zrealizowany jest szeregowy stos elementarnych półprzewodników, naprzemiennie typu „p” i typu „n”. Wykonane najczęściej z tellurku bizmutu połączone są dzięki miedzianym ścieżkom na wewnętrznych powierzchniach płytek ceramicznej obudowy.
Schemat układu klimatyzacyjnego wykorzystującego to zjawisko przedstawia rysunek 5.

Rys. 5 System oparty na układzie termoelektrycznym
System ewaporacyjny z osuszaczem

Chłodzenie ewaporacyjne przebiega na zasadzie odparowania wody bezpośrednio w chodzonym powietrzu. Efektywność tego procesu jest tym wyższa im powietrze ma niższą wilgotność względną. Powietrze jest przedmuchiwane przez osuszacz w formie wirującego koła, wypełnionego materiałem higroskopijnym (silica gel), który w adiabatycznym procesie absorbuje wodę z powietrza (1). Powietrze wypływające z „koła” ma niższą wilgotność i wyższą temperaturę (2). Takie powietrze może być schłodzone w oddzielnym wymienniku ciepła poniżej temperatury otoczenia (3). Osuszacz, po procesie absorpcji wody z powietrza posiada niższą zdolność osuszania, musi być zatem zregenerowany. Odbywa się to poprzez przedmuchiwanie ogrzanego w osobnym procesie powietrza (5). Schemat tego systemu przedstawiony jest na rysunku 6.

Rys. 6 System klimatyzacyjny z osuszaczem
System magnetyczny

Niektóre ciała stałe zmieniają swoją temperaturę pod wpływem pola magnetycznego. Poprzez cykliczne przykładanie i wyłączanie tego pola możliwe jest doprowadzenie do zmiany (obniżenia) temperatury i wywołanie efektu chłodniczego. W obiegu tym, porowaty materiał magnetyczny poddawany jest działaniu pola magnetycznego oraz zmiennego strumienia cieczy przekazującej ciepło (wody). Realizowane jest to poprzez zastosowanie magnesu stałego, wirującego materiału magnetycznego oraz zestawu zaworów zwrotnych koordynujących przepływ wody. Schemat tego systemu przedstawia rysunek 7.

Rys. 7 Schemat systemu magnetycznego
Klimatyzacja budowli wielokondygnacyjnych

Projektowanie wentylacji dużych budowli musi uwzględniać ich duże nasycenie wszelkiego rodzaju urządzeniami technicznymi, będącymi źródłami zanieczyszczenia powietrza. Poza pomieszczeniami ściśle biurowymi w biurowcach spotyka się pomieszczenia o specyficznych funkcjach, np. sale konferencyjne, hale recepcyjne, kafeterie i bufety, magazyny, skarbce, garaże podziemne i inne. Często są to pomieszczenia o znacznej kubaturze i wysokości co wymaga odmiennego podejścia do rozwiązania wentylacji i klimatyzacji. Można rozróżnić kilka systemów wentylacji i klimatyzacji obiektów wielopomieszczeniowych, jak np. klimatyzacja częściowa, tylko z regulacją temperatury w okresie całego roku; klimatyzacja niepełna z regulacją wilgotności nawiewanego powietrza zewnętrznego i dwustopniowym uzdatnianiem powietrza czy klimatyzacja pełna z możliwością regulacji temperatury i wilgotności powietrza w okresie całego roku.
Podstawowym problemem jest wybór takiego systemu, który będzie w stanie sprostać wymaganiom komfortu jednocześnie we wszystkich pomieszczeniach, niezależnie od ich usytuowania względem stron świata, wyposażenia, aktualnej liczby ludzi w pomieszczeniu, wykorzystywanego wyposażenia technicznego. System taki musi się dostosowywać do zmieniających się obciążeń cieplnych i bieżącego wykorzystania poszczególnych pomieszczeń i budynku jako całości. Pomieszczenia dodatkowe wymagają najczęściej osobnych systemów wentylacyjnych, których rozwiązanie jest ściśle związane z funkcją danego pomieszczenia.
Wnioski

Dynamiczny rozwój technologii budowlanych pociąga za sobą konieczność rozwijania systemów klimatyzacyjnych. Stale rosnące wymagania inwestorów i użytkowników mieszkań, biur, hal rekreacyjnych i innych obiektów wymaga indywidualnego podejmowania decyzji dotyczącej bezpośredniego wybory systemu klimatyzacyjnego. Często jest to uwarunkowane nie tylko ograniczeniami ze strony inwestycyjnej, ale także podwyższonymi wymaganiami dotyczącymi jakości powietrza ze względu na rosnące zanieczyszczenie atmosfery i powszechnie występujące zanieczyszczenia w wielkich aglomeracjach.
Z drugiej strony dążenie do minimalizacji zużycia energii i ochrony środowiska wymusza na ośrodkach projektowych i placówkach naukowo – badawczych rozwijanie i projektowanie technologii pozwalających na podnoszenie efektywności istniejących rozwiązań oraz sięganiu po nowe, nierzadko rewolucyjne w świecie klimatyzacji rozwiązania.
Autorzy: Dr inż. Bogusław BIAŁKO, dr hab. inż. prof. P. Wr. Zbigniew KRÓLICKI
Zakład Chłodnictwa i Systemów Klimatyzacyjnych, Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów, Politechnika Wrocławska
Literatura
[1] G. F. Nellis, S. A. Klein, and J. C. Evans, Assessment of technologies for microclimate cooling, 21st IIR International Congress of Refrigeration, Washington D.C, August 17-22, 2003
[2] Nakahara N., Future aspekt of HAVAC, energy system and BEMS/BOFD In high rise buldings, International Sympodium Air Conditioning In high rise buldings ‘2000, Shanghai (P.R. China) October 24-27, 2000.
[3] www.klimatyzacja.org.pl
[4] www.energopol-soft.com.pl
Żródło: