Artykuły eksperckie

Wybrana aktualność

Systemy wodno-powietrzne (aktywne belki chłodzące) jako optymalne rozwiązanie w celu uzyskania produktywnego komfortu wewnętrznego
4 WRZ '19

Systemy wodno-powietrzne (aktywne belki chłodzące) jako optymalne rozwiązanie w celu uzyskania produktywnego komfortu wewnętrznego

W ostatnich latach przywiązujemy coraz większą wagę do zagadnienia klimatu wewnętrznego. Ze względu na to, że możemy spędzać do 90% swojego czasu w budynkach, dla środowiska ludzkiego klimat wewnętrzny jest aktualnie równie istotny, co globalnie rozpatrywany klimat zewnętrzny.

Aby czuć się komfortowo należy jednak zrozumieć zależności pomiędzy człowiekiem a środowiskiem, w którym się znajduje oraz to, w jaki sposób kontrolować klimat wewnętrzny, aby spełnić swoje zadania i być produktywnym. Czym jest więc klimat wewnętrzny? Każdy go czuje, ale nikt go nie widzi, więc jeżeli wszystko jest dobrze, nie powinniśmy w żadnym stopniu zwracać na niego uwagi. Nie zapominajmy, że najważniejszymi czynnikami tworzącymi dobry klimat są nie tylko temperatura, jakość oraz prędkość powietrza w pomieszczeniu, ale również jego wilgotność oraz przede wszystkim - hałas generowany przez urządzenia.

Jesteśmy przyzwyczajeni do dynamicznych systemów klimatyzacyjnych (klimatyzatory freonowe, klimakonwektory wentylatorowe), które w krótkim okresie czasu dostarczają nam pożądane odczucie chłodu. W zamian mogą jednak nas wybijać z rytmu przez wydobywające się z nich odgłosy wentylatora oraz częste, bezpośrednie powiewy chłodnego powietrza. Ponadto, urządzenia te najczęściej pracują jedynie na powietrzu obiegowym - bez oddzielnego systemu wentylacyjnego i mimo dobrej temperatury, czujemy znużenie przez zwiększający się poziom CO2 w pomieszczeniu. Nie mamy też zazwyczaj w takim przypadku odpowiedniej kontroli nad poziomem wilgotności w powietrzu, która z reguły jest wynikowa ze względu na wykraplanie wody na wymienniku urządzenia.

Do tego, jak funkcjonują belki chłodzące musimy przywyknąć. Użytkując je, na pewno nie uzyskamy nagłego efektu chłodzenia. Ale patrząc szerzej, w zamian mamy prosty system który:

  • zapewnia strefową kontrolę temperatury poprzez wymienniki dwu- lub czterorurowe,
  • centralnie utrzymuje odpowiedni poziom wilgotności powietrza nawiewanego,
  • posiada zintegrowaną wentylację (nawiew oraz opcjonalnie wyciąg w jednym urządzeniu),
  • zapewnia niski poziom hałasu (brak wentylatora powietrza obiegowego),
  • nie potrzebuje doprowadzenia energii elektrycznej do urządzenia,
  • pracuje na sucho - co zwiększa higieniczność układu oraz wyklucza konieczność odprowadzenia skroplin,
  • posiada niskie koszty eksploatacyjne ze względu na brak ruchomych elementów i filtrów,
  • minimalizuje ryzyko przeciągu poprzez elastyczny system regulacji wypływu JetCone.

Tym samym klimat wewnętrzny staje się dla nas nieodczuwalny. Nie zwracamy uwagi na złą temperaturę, przeciągi lub ciągle wydobywające się dźwięki od urządzenia. Dzięki temu, zwiększa się nasza produktywność i możemy w pełni skupić się na pracy lub relaksie.

Zalety projektowania systemów wodno-powietrznych

Układ oparty na belkach chłodzących integruje ze sobą system wentylacyjny i system klimatyzacyjny. Pierwszym dostarczamy wymaganą ilość powietrza o odpowiedniej jakości ze względów higienicznych, drugim zaś jesteśmy w stanie transportować duże ilości mocy cieplnej do poszczególnych stref w budynku. Ograniczymy tym samym wielkość kanałów i urządzeń wentylacyjnych oraz zużycie energii przez elementy transportujące i obrabiające powietrze. Istotnym parametrem jest tutaj ciepło właściwe. Woda może przetransportować około 4 razy więcej energii niż powietrze porównując te dwa media wagowo. Idąc dalej, woda może przetransportować około 3500 razy więcej energii porównując dane płyny objętościowo. Uwzględniając ich gęstości oraz średnie wartości sprawności urządzeń transportujących, można wykazać 41 razy większe zużycie energii elektrycznej w przypadku powietrza.

W jaki sposób odpowiednio przygotować parametry powietrza w centrali wentylacyjnej, na jakie parametry zwracać szczególną uwagę?

Kontrola wilgotności powietrza w pomieszczeniach jest kluczowa w celu zapewnienia prawidłowej pracy belek chłodzących. Projektując obiekt na produktach pracujących "na sucho", w których nie ma tacy skroplin, musimy zwrócić szczególną uwagę na przygotowanie powietrza w centrali i zyski wilgoci w pomieszczeniach.

Temperatura punktu rosy powietrza w pomieszczeniu powinna znajdować się poniżej najniższej temperatury wymiennika. Jeżeli zakładamy temperaturę zasilenia obiegu wodnego równą 14°C, zawartość wilgoci w powietrzu w pomieszczeniu nie powinna przekroczyć 9,9 g/kg - co równe jest wilgotności bezwzględnej 11,9 g/m³ (wartość ta została odczytana z wykresu Molliera dla temperatury 14°C i wilgotności względnej φ = 100%). Zakładając więc parametry powietrza w pomieszczeniu na poziomie tw = 22°C, φ = 60%, otrzymujemy temperaturę punktu rosy równą 13,9°C i 9,8 g/kg zawartości wilgoci w powietrzu. Jesteśmy więc z pozoru po bezpiecznej stronie, jednak niewielki wzrost wilgotności względnej w pomieszczeniu spowoduje wzrost temperatury punktu rosy, co z kolei doprowadzi do ryzyka kondensacji na wymienniku. Podsumowując, mamy w tym przypadku bardzo mały bufor, który wynosi jedynie 0,1 g/kg zawartości wilgoci w powietrzu w pomieszczeniu. Tym samym powinniśmy rozważyć przesunięcie punktu parametrów powietrza wewnętrznego (obniżenie temperatury lub wilgotności względnej), lub zwiększenie temperatury wody zasilającej wymienniki ciepła w belkach chłodzących. Każdy z tych dwóch wariantów ma swoje wady i zalety. Przy obniżeniu parametrów powietrza mamy zwiększony komfort oraz więcej mocy dostarczamy do pomieszczenia z pomocą obiegu wodnego, natomiast konsekwencją mogą być większe koszty osuszania lub potrzeba zwiększenia strumienia powietrza. Podwyższając natomiast temperaturę zasilenia obiegu wodnego, mamy większe bezpieczeństwo przed kondensacją wody na wymienniku, mniejsze koszty osuszania powietrza niż w pierwszym przypadku, jednak następstwem tego kroku jest mniejsza sprawność belek chłodzących. Trzeba więc ściśle rozważyć wszystkie możliwości w celu znalezienia złotego środka.

Przechodząc do kolejnego zagadnienia, którym jest ustalenie parametrów powietrza nawiewanego, w scenariuszu pełnej kontroli nad wilgotnością, powinien on zapewnić odprowadzenie odpowiedniej ilości zysków wilgoci w pomieszczeniu. Ich wysokość w typowych pomieszczeniach biurowych zależna jest od ilości i stopnia aktywności fizycznej osób przebywających w pomieszczeniu oraz temperatury powietrza w pomieszczeniu, w którym przebywają. Przykładowo dla założeń:

  • ilość osób w pomieszczeniu: n = 10,
  • temperatura w pomieszczeniu: 22°C,
  • wilgotność względna w pomieszczeniu: 60% (xw = 9,8 g/kg),
  • współczynnik jednoczesności przebywania osób w pomieszczeniu: φ = 0,9,
  • stopień aktywności: bardzo lekka praca fizyczna - zyski wilgoci przy zadanej temperaturze qw = 85 g/(h∙os):

Strumień powietrza na osobę ze względów higienicznych został przyjęty na poziomie Vhig = 50 m³/(h ∙ os), można więc obliczyć maksymalną zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym:


gdzie:
Vn = n ∙ Vhig - strumień powietrza świeżego [m³/h]
ρa = 1,2 - gęstość powietrza [kg/m³]

Reasumując, w trakcie okresu letniego należy przewidzieć osuszenie powietrza, aby uzyskać wymagany poziom maksymalnej zawartości wilgoci. Chłodnica w centrali wentylacyjnej musi więc schładzać powietrze zewnętrzne przynajmniej do temperatury 11,5°C.

Proces projektowania aktywnych belek chłodzących - w jaki sposób powinien on przebiegać manualnie?

Podczas projektowania aktywnych belek chłodzących spotykamy się z dużą ilością parametrów, należy bowiem oddzielnie obliczyć moce chłodnicze dostarczone za pomocą obiegu wodnego oraz bezpośrednio przez dopływające do belki świeże powietrze.

Skupmy się w pierwszej kolejności na mocy chłodniczej dostarczonej przez powietrze, która wyznaczona jest ona z pomocą wzoru:


gdzie:
qma - strumień masowy powietrza świeżego [kg/s]
cpa = 1,005 - ciepło właściwe powietrza [kJ/kgK]
∆tra - różnica temperatury pomiędzy powietrzem świeżym (pierwotnym), a powietrzem w pomieszczeniu [K]

Załóżmy więc że dostarczamy 20 l/s (72 m³/h) powietrza wentylacyjnego o różnicy temperatury 6 K


Nomogram 1. Moc chłodnicza powietrza Pa w funkcji ilości dostarczonego powietrza oraz różnicy temperatury


gdzie:
qa - strumień powietrza świeżego [l/s]
ρa = 1,2 - gęstość powietrza [kg/m³ ]

Następnie przechodzimy do obliczeń obiegu wodnego, które są bardziej rozbudowane i są zależne od typu projektowanej belki. W przypadku belki Premax sprowadzają się do siedmiu kroków celem obliczenia doprowadzonej mocy chłodniczej Pw:

  1. Obliczenie różnicy temperatur ∆trw pomiędzy powietrzem w pomieszczeniu, a średnią temperaturą wody w obiegu.


    gdzie:
    tr - temperatura w pomieszczeniu [°C]
    twz - temperatura zasilenia obiegu wodnego [°C]
    twp - temperatura powrotu obiegu wodnego [°C]

  2. Wyznaczenie długości aktywnej produktu Lakt w metrach.
    Przy rozpatrywanym typie belki chłodzącej, należy od długości całkowitej L odjąć 0,3 m.


    gdzie:
    L = 1,8 - założona długość produktu [m]

  3. Podzielenie strumienia powietrza pierwotnego q_a przez aktywną długość produktu. Następnie wyznaczoną wartość odnaleźć na poziomej osi nomogramu 2.

  4. Założenie ciśnienia na dyszach belki chłodzącej, i odczytanie ilości mocy chłodniczej PLt przejmowanej z jednego metra aktywnej długości belki przy różnicy temperatury w obiegu wynoszącej 1 K.


    Nomogram 2. Jednostkowa wydajność chłodnicza obiegu wodnego PLt dla belki Premax.

    Zakładając ciśnienie na dyszach belki równe 80 Pa, wartość odczytana wynosi:

  5. Obliczenie różnicy temperatury w obiegu wodnym ∆tw i odczytanie współczynnika korekcyjnego wydajności chłodniczej ε∆tw na nomogramie 3.


    Nomogram 3. Współczynnik korekcyjny mocy chłodniczej ze względu na różnicę temperatury wody w obiegu (ε∆tw = 1,0 dla ∆tw = 4 K)

  6. Pomnożyć odczytaną wydajność chłodniczą PLt przez współczynnik korekcyjny ε∆tw, różnicę temperatur ∆trw oraz całkowitą długość aktywną Lakt.

    Obliczona moc chłodnicza odnosi się do przepływu nominalnego, rzeczywistą wydajność chłodniczą uzyskamy po uwzględnieniu sposobu przepływu wody w rurach wymiennika. Współczynnik korekcyjny został wyznaczony doświadczalnie uwzględniając laminarny lub turbulentny przepływ oraz jego zależność względem współczynnika przejmowania ciepła.

  7. Uwzględnienie współczynnika korekcyjnego wydajności εqw ze względu na ruch wody w przewodach wymiennika.


    Nomogram 4. Współczynnik korekcyjny mocy chłodniczej ze względu na ruch wody w przewodach wymiennika.

    W celu dopełnienia obliczeń obiegu wodnego należy wyznaczyć spadek ciśnienia w obiegu, w tym celu potrzebny jest nowy przepływ dla skorygowanej mocy chłodniczej:

    Wartość spadku ciśnienia w obiegu wodnym odczytywana jest z nomogramu dla danej belki chłodzącej:


    Nomogram 5. Spadek ciśnienia w obiegu wodnym w funkcji strumienia wody w wymienniku.

Dla rozpatrywanej belki chłodzącej o długości 1,8 m oraz średnicy rur w wymienniku 12 mm:

Całkowita moc chłodnicza doprowadzona przez tą belkę chłodzącą to suma wydajności obiegu wodnego oraz chłodniczego:

Wszystkie powyższe obliczenia przeprowadzane są automatycznie z pomocą rozbudowanego kalkulatora produktów wodno-powietrznych na platformie www.lindQST.com, dzięki temu w przeciągu chwili możemy sprawdzić wyniki dla różnych konfiguracji produktu i jego punktów pracy. Rezultaty wykazane przez program podparte są certyfikatem EUROVENT, co w 100% potwierdza zgodność przedstawionych parametrów.

Regulacja hydrauliczna obiegu powietrznego, konstrukcja dysz w belce oraz system JetCone jako klucz do prostego i skutecznego sposobu kontroli nastawy i profilu nawiewu - dlaczego jest taki innowacyjny?

Konstrukcja elementu przez który nawiewamy powietrze jest jednym z najistotniejszych aspektów w belce chłodzącej. Od niego zdeterminowana jest charakterystyka pracy produktu. Najbardziej optymalnym rozwiązaniem w praktyce, który stosowany jest w produktach Lindab, jest okrągła dysza o średnicy wylotowej 4-8mm, która zapewnia idealne właściwości aerodynamiczne, w tym:

  • wysoką prędkość wylotową,
  • wysoką indukcję powietrza obiegowego,
  • symetryczny wyrzut powietrza,
  • najmniejszy możliwy spadek ciśnienia,
  • niski poziom mocy akustycznej.

W belkach chłodzących Lindab dysze zostały ponadto wyposażone w system regulacji wypływu powietrza JetCone. Jest to stożek który ogranicza powierzchnię efektywną poprzez centralne zagłębienie się w osi dyszy. Ten patent zachowuje wszystkie właściwości aerodynamiczne i pozwala na szybką i dokładną regulację.

System JetCone został tak przemyślany, aby poświęcić jak najmniej czasu na wyregulowanie belki chłodzącej na dany punkt pracy. Mimo tego, że produkt może posiadać dziesiątki takich małych dysz, regulacja następuje jedynie w czterech miejscach w belce chłodzącej. Zmiana nastaw w każdym punkcie polega na wciśnięciu, bądź wyciągnięciu elementu ze skalą, który zintegrowany jest z całym rzędem dysz. Im mniejsza nastawa na skali (od 0 do 9), tym bardziej stożki schowane są w dyszach, a co za tym idzie - ograniczamy wypływ w danym punkcie.

Jednak szybka, 4-punktowa regulacja to nie jest jedyna zaleta systemu JetCone. Prawdziwą rewolucją jest tutaj zachowanie tych samych parametrów po stronie powietrza - czyli przepływu i spadku ciśnienia przy zachowaniu tej samej średniej nastawy. Wykres regulacyjny, mimo 40 różnych konfiguracji nastaw, ma jedynie 10 dostępnych stopni oznaczających średnią nastawę we wszystkich punktach.

Uzyskujemy dzięki temu możliwość swobodnej zmiany profilu nawiewu, ograniczając wypływ w jednym punkcie na rzecz innego, zachowując te same parametry pracy belki chłodzącej!

Wbudowany na platformie www.lindQST.com program do symulacji pracy produktów - Indoor Climate Designer został tak zaprogramowany, aby móc swobodnie manewrować wypływem powietrza z belek. Tym samym możemy sprawdzać dowolne wypływy i ich zasięgi już na etapie wczesnej koncepcji:

Dostosowanie sposobu wypływu z belki pozwala nam na jeszcze większą kontrolę nad strefą przebywania ludzi i ograniczy ryzyko przeciągu w miejscach na nie narażonych. Ewentualna zmiana aranżacji lub przeznaczenia pomieszczenia również nie powinna wpłynąć na konieczność zmiany usytuowania produktów wodno-powietrznych – wystarczy, że odpowiednio zmienimy nastawy.