KLIMATYZACJA BUDYNKÓW UŻYTECZNOŚCI PUBLICZNEJ

dr hab. inż. Maria Hurnik, mgr inż. Izabela Glück
Katedra Ogrzewnictwa, Wentylacji i Techniki Odpylania
Politechnika Śląska

Który z systemów klimatyzacji jest najodpowiedniejszy dla budynków biurowych i użyteczności publicznej? W artykule przedstawiono trzy najczęściej stosowane energooszczędne rozwiązania, różniące się kosztami inwestycyjnymi, eksploatacyjnymi i niezawodnością działania.

Co roku w Polsce oddaje się do użytkowania wiele nowych i modernizowanych budynków użyteczności publicznej, w tym budynków biurowych. Standard wykonania budynków decyduje o wartości nieruchomości oraz o wysokości dochodów z wynajmu powierzchni użytkowej. Do oceny jakości i klasyfikacji budynków biurowych stosowana jest m.in. metoda oparta na 20 kryteriach jakości, które stanowią podstawę do określenia jednej z czterech klas jakości przestrzeni biurowej A, B+, B lub C [1].

Wymagania
Kryterium obowiązkowym, które powinny spełniać budynki biurowe klasy A, B i C, jest zastosowanie nowoczesnego systemu ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji wraz z kontrolą wilgotności. System ten powinien zapewniać wysoką jakość środowiska wewnętrznego, tzn. powinny być spełnione warunki komfortu cieplnego i zapewniona dobra jakość powietrza wewnętrznego. Jednocześnie zużycie energii pierwotnej na cele ogrzewania i klimatyzacji powinno być jak najmniejsze.

W ocenie jakości budynków biurowych ważne są również kryteria związane ze zrównoważonym rozwojem, takie jak ochrona środowiska i redukcja emisji CO2. LEED i BREEAM to najczęściej stosowane systemy oceny jakości budynków i ich wpływu na środowisko [2]. Potwierdzeniem osiągnięcia standardu ochrony środowiska jest uzyskanie certyfikatu LEED – Złoty lub certyfikatu BREEAM – Bardzo Dobry. Systemy te uwzględniają wiele zagadnień charakteryzujących budynek, m.in. efektywność energetyczną i jakość środowiska wewnętrznego. Osiągnięcie standardu redukcji emisji CO2 wymaga przynajmniej 10% zmniejszenia emisji CO2 w porównaniu ze standardami wymaganymi obecnie przez polskie przepisy. Znaczna redukcja emisji CO2 wymaga stosowania energooszczędnych rozwiązań zarówno konstrukcji, jak i technicznego wyposażenia budynków. W budynkach biurowych oraz użyteczności publicznej powinny być stosowane wysokoefektywne energetycznie urządzenia i systemy, w tym wykorzystujące odnawialne źródła energii.

Kryterium obowiązkowym, które powinny spełniać budynki biurowe klasy A, B i C, jest zastosowanie nowoczesnego systemu ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji wraz z kontrolą wilgotności.

Energooszczędne systemy klimatyzacji
Obecnie wszystkie nowe budynki biurowe i użyteczności publicznej są wyposażane w systemy klimatyzacji. Aby komfort cieplny był zachowany, muszą być utrzymane wymagane parametry powietrza w pomieszczeniu: w okresie letnim temperatura powinna wynosić 24–26°C, a wilgotność względna nie powinna przekroczyć 60%, natomiast w okresie zimowym temperatura powinna wynosić 20–22°C, a wilgotność względna nie mniej niż 30% [3]. Za miarę jakości powietrza wewnętrznego w budynkach użyteczności publicznej zwykle przyjmuje się stężenie dwutlenku węgla. Zapewnienie dobrej jakości powietrza wewnętrznego wymaga dostarczania czystego powietrza zewnętrznego w ilości co najmniej 30 m3/(h·osoba) [4].

W budynkach biurowych znajdują się pomieszczenia o zróżnicowanych potrzebach cieplno-wilgotnościowych. Jest to związane z różnymi wewnętrznymi zyskami ciepła i wilgoci, np. ze zmienną liczbą osób przebywających w pomieszczeniu, z różną specyfiką wykonywanej pracy oraz z rodzajem oświetlenia i urządzeń elektrycznych. Duży wpływ na obciążenia cieplne ma także orientacja pomieszczenia względem stron świata, od której zależą zyski ciepła z nasłonecznienia. Ze względu na niejednoczesność występowania maksymalnych zysków ciepła w konkretnych pomieszczeniach budynek jest zwykle dzielony na strefy, w których środowisko wewnętrzne jest odrębnie regulowane. Najczęściej strefę stanowi jedno lub kilka pomieszczeń o tej samej orientacji względem stron świata i o podobnym przeznaczeniu. Właściwym rozwiązaniem jest zastosowanie klimatyzacji umożliwiającej płynną regulację parametrów powietrza wewnętrznego oraz strumienia powietrza wentylacyjnego w poszczególnych strefach budynku. Wymagania odnośnie do płynnej regulacji parametrów powietrza w klimatyzowanych strefach budynku spełniają energooszczędne systemy klimatyzacji: całkowicie powietrzne systemy ze zmiennym strumieniem powietrza VAV, systemy powietrzno-wodne i systemy powietrzne z odparowaniem bezpośrednim (powietrzno-freonowe). Dotychczas nie określono jednoznacznie, który z tych systemów jest najodpowiedniejszy dla budynków biurowych i użyteczności publicznej, gdyż każdy z nich oprócz swych niewątpliwych zalet ma także pewne wady. Systemy te różnią się kosztami inwestycyjnymi, eksploatacyjnymi i niezawodnością działania.

Systemy ze zmiennym strumieniem powietrza VAV
W całkowicie powietrznych systemach klimatyzacji VAV (ang. Variable Air Volume) centralnie przygotowane powietrze wentylacyjne jest dostarczane do poszczególnych stref budynku. Strumień powietrza wentylacyjnego zależy od aktualnych obciążeń cieplnych danej strefy. Chłodzenie pomieszczeń jest realizowane przez nawiew powietrza chłodzonego w chłodnicy wodnej lub freonowej znajdującej się w centrali klimatyzacyjnej. W okresie letnim powietrze wentylacyjne może być dodatkowo osuszane. Zimą powietrze dostarczane do pomieszczeń jest centralnie ogrzewane w nagrzewnicy, może być także nawilżane w nawilżaczu parowym. Systemy VAV znane są od wielu lat i ciągle udoskonalane.

W układach VAV nie stosuje się recyrkulacji – odzysk ciepła z powietrza usuwanego jest realizowany za pomocą rekuperatorów lub regeneratorów ciepła. Wielkością regulowaną jest temperatura powietrza w danej strefie mierzona za pomocą termostatu. Temperatura powietrza nawiewanego w okresie letnim wynosi zazwyczaj 14–16°C, a w okresie zimowym 26–28°C. Minimalny strumień powietrza wentylacyjnego jest ustalany dla poszczególnych stref zależnie od niezbędnego strumienia czystego powietrza zewnętrznego, maksymalny strumień powietrza dostarczany do strefy jest określany na podstawie maksymalnych obciążeń cieplnych.

Przykładowy schemat układu VAV przedstawiono na rys. 1. Strumień dostarczanego uzdatnionego w centrali klimatyzacyjnej powietrza jest tak regulowany, aby utrzymać zadaną temperaturę i/lub stężenie CO2 w każdej ze stref. Do pomiaru temperatury wykorzystywane są termostaty zlokalizowane w pomieszczeniach i/lub mierniki jakości powietrza, które zwykle są montowane w przewodzie powietrza wywiewanego z pomieszczenia. Regulacja strumienia powietrza jest dokonywana za pomocą regulatorów zmiennego przepływu, w których elementem wykonawczym są najczęściej jednopłaszczyznowe przepustnice powietrza. W instalacji nawiewnej regulatory te są montowane na przewodach doprowadzających powietrze do poszczególnych stref. W instalacji wywiewnej regulatory mogą być montowane na przewodach wywiewnych usuwających powietrze z poszczególnych stref budynku lub na zbiorczym przewodzie wywiewnym z kilku pomieszczeń albo stref. Możliwe jest również rozwiązanie bez regulatora w instalacji wywiewnej. W takim przypadku powietrze wypływa poprzez kratki transferowe do przestrzeni wspólnej dla kilku pomieszczeń, takiej jak korytarz lub przestrzeń nad stropem podwieszanym. Strumień powietrza usuwanego jest tak regulowany, aby uzyskać w tej przestrzeni niewielkie nadciśnienie. Takie rozwiązanie zostało przedstawione na rys. 1.Zmiana strumienia powietrza dostarczanego do poszczególnych pomieszczeń powoduje modyfikację całkowitego strumienia powietrza w instalacji i zmianę ciśnienia statycznego w przewodach wentylacyjnych. Właściwe ciśnienie statyczne w instalacji, gwarantujące poprawne działanie regulatorów przepływu i nawiewników, zapewnia płynna regulacja prędkości obrotowej wentylatorów – nawiewnego i wywiewnego. W systemach VAV zużycie energii do napędu wentylatorów oraz koszty przygotowania powietrza w centrali w znacznym stopniu zależą od możliwości zmniejszenia strumienia powietrza wentylacyjnego [5].

Rys. 1. Przykładowy schemat instalacji klimatyzacyjnej o zmiennej ilości powietrza (VAV);
C – chłodnica, D – nawiewnik, ΔP – czujnik różnicy ciśnienia, F – filtr powietrza,
G – nagrzewnica, K – kratka transferowa, P – czujnik ciśnienia statycznego,
R – regulator zmiennego przepływu, T – termostat, W – wentylator

Systemy powietrzno-wodne
W systemach powietrzno-wodnych funkcje wentylacji oraz chłodzenia i ogrzewania są rozdzielone. Przygotowywane w centrali  klimatyzacyjnej powietrze zewnętrzne (pierwotne) jest dostarczane do pomieszczeń w minimalnej higienicznej ilości. Parametry powietrza wentylacyjnego uzdatnionego w centrali klimatyzacyjnej w niewielkim stopniu zależą od obciążeń cieplnych wewnątrz pomieszczeń. Funkcję chłodzenia lub ogrzewania przejmują instalowane w pomieszczeniach urządzenia końcowe wyposażone w wymienniki ciepła. Wymienniki te, współpracując ze źródłami ciepła i chłodu, mogą elastycznie dostosowywać strumień dostarczanego ciepła lub chłodu do chwilowych obciążeń cieplnych pomieszczeń. Strumień chłodziwa lub czynnika grzewczego dostarczany do urządzeń końcowych jest regulowany za pomocą zaworów trójdrogowych. Powietrze wewnętrzne (wtórne), przepływając przez wymiennik, jest chłodzone lub ogrzewane. Ze względu na dominujący sposób wymiany ciepła pomiędzy powierzchnią wymiennika oraz powietrzem można wyróżnić urządzenia z dominującą konwekcją wymuszoną, takie jak urządzenia indukcyjnei wentylatorowe, oraz urządzenia z dominującą konwekcją swobodną i promieniowaniem.

Przepływ powietrza wymuszony zjawiskiem indukcji jest stosowany w aktywnych belkach chłodzących i klimakonwektorach indukcyjnych. Schemat aktywnej belki chłodzącej przedstawiono na rys. 2. Powietrze pierwotne doprowadzane bezpośrednio do urządzenia wypływa pod wysokim ciśnieniem z dysz, powodując zassanie (indukcję) powietrza wtórnego, które przepływa przez wymiennik. Aby uzyskać wymaganą wydajność cieplną urządzenia indukcyjnego, niezbędny strumień powietrza pierwotnego jest zazwyczaj większy od strumienia higienicznego. Systemy powietrzno-wodne z aktywnymi belkami chłodzącymi są częstym rozwiązaniem wykorzystywanym obecnie w budynkach biurowych. Aktywne belki chłodzące zaleca się stosować, gdy zyski ciepła jawnego są w zakresie 60–80 W/m2 podłogi (max. 120 W/m2 podłogi) [6]. Pomieszczenie klimatyzowane przy zastosowaniu belek chłodzących przedstawiono na rys. 3.

Rys. 2. Schemat aktywnej belki chłodzącej

Rys. 3. Pomieszczenie klimatyzowane przy zastosowaniu aktywnych belek chłodzących

W klimakonwektorach wentylatorowych przepływ powietrza przez wymiennik jest wymuszony przez wentylator. Urządzenia te pracują niezależnie od działania systemu wentylacji. Ze względu na lokalizację w pomieszczeniu wyróżnia się urządzenia kasetonowe, naścienne, podokienne oraz kanałowe. Schemat klimakonwektora podokiennego przedstawiono na rys. 4. Klimakonwektory kasetonowe i kanałowe są przeznaczone do montażu w pomieszczeniach z sufitem podwieszanym. Klimakonwektory kanałowe są połączone przewodami rozprowadzającymi powietrze do nawiewników sufitowych. Pomieszczenie z klimakonwektorami kasetonowymi przedstawiono na rys. 5.

Rys. 4. Schemat wentylatorowego klimakonwektora podokiennego

Rys. 5. Pomieszczenie z klimakonwektorami kasetonowymi

Do grupy urządzeń z dominującą wymianą ciepła przez konwekcję swobodną i promieniowanie są zaliczane pasywne belki chłodzące oraz sufity chłodzące. Urządzenia te działają niezależnie od systemu wentylacji. Pasywne belki chłodzące zaleca się stosować w pomieszczeniach, w których zapotrzebowanie na chłód nie przekracza 80 W/m2 podłogi [6], a sufity chłodzące, gdy obciążenia są mniejsze od 100 W/m2 podłogi [7].

Chłodziwo (czysta woda lub woda z domieszką glikolu) zasilające urządzenia końcowe instalacji powietrzno-wodnych jest wytwarzane w sprężarkowych lub absorpcyjnych agregatach chłodniczych, umieszczanych zwykle na dachach budynków lub na powierzchni terenu. Temperatura chłodziwa na zasilaniu wymiennika w klimakonwektorach wynosi zazwyczaj 7–8°C, a na powrocie 12–14°C. W przypadku belek oraz sufitowych paneli chłodzących nie dopuszcza się do wykraplania pary wodnej na powierzchni wymiennika i jego temperatura oraz temperatura wody chłodzącej powinny być wyższe od temperatury punktu rosy powietrza, czyli od ok. 15°C. Urządzenia końcowe zasilane w układzie dwururowym z przełączaniem lub czterorurowym mogą być wykorzystywane do ogrzewania pomieszczeń w okresie zimowym. Ze względu na ryzyko lokalnego dyskomfortu cieplnego wywołanego pionowym gradientem temperatury i asymetrią promieniowania moc grzewcza belek i sufitowych paneli chłodzących jest ograniczona. Belki sufitowe można stosować do ogrzewania przy zapotrzebowaniu ciepła nieprzekraczającym 25–35 W/m2 podłogi (maksymalnie 50 W/m2 podłogi) [6], a panele sufitowe przy zapotrzebowaniu ciepła poniżej 42 W/m2 podłogi [7].

Systemy z bezpośrednim odparowaniem
Alternatywnym rozwiązaniem dla systemów powietrzno-wodnych są systemy powietrzne z bezpośrednim odparowaniem. W tych systemach, podobnie jak w systemach powietrzno-wodnych, funkcje wentylacji oraz chłodzenia i ogrzewania są rozdzielone. Nośnikiem chłodu/ciepła nie jest woda, tylko czynnik chłodniczy zasilający urządzenia końcowe w pomieszczeniach, który w wymienniku podlega przemianie fazowej związanej z oddawaniem lub pobieraniem ciepła. Działanie tego układu oparte jest na zasadzie parowego sprężarkowego obiegu ziębniczego. Podstawowymi urządzeniami w tym systemie są aparaty typu split. Urządzenia te składają się z dwóch jednostek połączonych przewodami czynnika chłodniczego.Wymiennik ciepła, który w trybie chłodzenia pełni funkcje parownika, znajduje się w jednostce wewnętrznej. Pozostałe elementy obiegu chłodniczego, czyli sprężarka, skraplacz i zawór rozprężny, umieszczone są w jednostce zewnętrznej. Obie jednostki wyposażone są w wentylatory, które wymuszają przepływ powietrza przez wymienniki ciepła. W przypadku urządzeń rewersyjnych w trybie ogrzewania w wymienniku zlokalizowanym w jednostce wewnętrznej następuje skraplanie czynnika chłodniczego związane z wydzielaniem ciepła. Urządzenia typu split stosowane są do chłodzenia/grzania jednego lub kilku wybranych pomieszczeń w budynku. System multisplit umożliwia podłączenie do jednej jednostki zewnętrznej kilku jednostek wewnętrznych. Poszczególne jednostki wewnętrzne mogą być zróżnicowane pod względem wydajności chłodniczej i grzewczej, przy czym jednocześnie wszystkie jednostki wewnętrzne pracują w tym samym trybie: chłodzenia lub grzania.

Najbardziej zaawansowanym rozwiązaniem układów z bezpośrednim odparowaniem są systemy ze zmiennym strumieniem czynnika chłodniczego VRF (ang. Variable Refrigerant Flow). W systemach VRF do jednej jednostki zewnętrznej może być przyłączonych nawet kilkadziesiąt jednostek wewnętrznych zlokalizowanych w wielu pomieszczeniach budynku. Jednostki wewnętrzne wyposażone są w elektroniczne zawory rozprężne umożliwiające precyzyjną regulację temperatury w pomieszczeniu. Dodatkowo zastosowanie w jednostkach zewnętrznych sprężarek inwerterowych umożliwia płynną regulację strumienia czynnika w całym obiegu chłodniczym, w zależności od zapotrzebowania na chłód. Systemy VRF występują w trzech wariantach: systemy chłodzące, systemy chłodząco-grzewcze (rewersyjne) oraz systemy z odzyskiem ciepła [8]. Systemy z odzyskiem ciepła pozwalają na jednoczesne chłodzenie i grzanie w ramach jednego układu. Rozwiązanie to polega na umieszczeniu w instalacji chłodniczej trzeciego przewodu transportującego czynnik chłodniczy oraz urządzenia przełączającego tryb pracy jednostki wewnętrznej – chłodzenie/ogrzewanie. Dzięki temu ciepło z jednostek pracujących w trybie chłodzenia jest przekazywane do jednostek pracujących w trybie grzania bez dodatkowych nakładów energii. Schemat systemu VRF z odzyskiem ciepła przedstawiono na rys. 6.

Rys. 6. Schemat systemu VRF z odzyskiem ciepła; JW – jednostka wewnętrzna,
JZ – jednostka zewnętrzna, P – przełącznik trybu pracy grzanie/chłodzenie

Podsumowanie
Systemy klimatyzacji stosowane w budynkach użyteczności publicznej mogą być porównywane pod wieloma względami, takimi jak: koszty inwestycyjne, koszty eksploatacyjne (w tym zużycie energii), najniższy kosztcyklu życia instalacji (ang. LCC – life cycle costs), jakość środowiska wewnętrznego (komfort cieplny, jakość powietrza, hałas) i niezawodność działania. W systemach klimatyzacji energia zużywana jest do wytwarzania chłodu i ciepła, do transportu mediów, a także, w niektórych przypadkach, do nawilżania lub osuszania powietrza. Zużycie energii zależy od sprawności źródeł wytwarzania chłodu i ciepła, strat energii na transport mediów, efektywności wykorzystania energii do kształtowania środowiska wewnętrznego oraz optymalizacji wartości zadanych parametrów tego środowiska. W systemach klimatyzacji zużycie energii można zminimalizować poprzez wybór właściwych strategii sterowania i regulacji. Pod względem zużycia energii wysokoefektywne systemy VAV są w pełni konkurencyjne wobec systemów powietrzno-wodnych i powietrznych z bezpośrednim odparowaniem (VRF) [9], [10]. W wielu opracowaniach zwraca się uwagę, że koszty inwestycyjne systemów VAV sąznacznie mniejsze od kosztów systemów powietrzno- wodnych i powietrznych z bezpośrednim odparowaniem. Jednak koszty te zależą od wielu czynników i mogą być trudniejsze do oszacowania od kosztów energii. Tym niemniej takie porównanie zostało przedstawione w opracowaniu [11]. Najtańszym okazał się system VAV. System z belkami chłodzącymi i system VRF były droższe odpowiednio o 100% i 31%.

Wybór systemu klimatyzacji jest zagadnieniem złożonym, zależnym od bardzo wielu czynników. Przy wyborze systemu klimatyzacji przydatnym narzędziem są programy symulacyjne zużycia energii i środowiska wewnętrznego.

LITERATURA
1. www.vertigoproperty.pl/poradnik/klasyfikacja-budynkow-
-biurowych, dostęp 29.01.2018.
2. Liu Y., Wang Z., Lin B., Hong J., Zhu Y., Occupant satisfaction
in Three-Star-certified office buildings based on comparative
study using LEED and BREEAM, “Building and
Environment”, 132, 2018.
3. PN-EN 15251:2012 Parametry wejściowe środowiska wewnętrznego
dotyczące projektowania i oceny charakterystyki
energetycznej budynków, obejmujące jakość powietrza
wewnętrznego, środowisko cieplne, oświetlenie
i akustykę.
4. PN-83/B-03430 Az3 2000 Wentylacja w budynkach
mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności
publicznej. Wymagania.
5. www.energydesignresources.com, Advanced Variable
Air Volume VAV System Design Guide, prepared by Pacific
Gas and Electric Company (Dec. 2009) dostęp
29.12. 2018.
6. Virta M. (ed.), Butler D., Gräslund, J., Hogeling, J., Lund
K., E., Reinikanen M., Svensson G., Chilled Beam Application,
“REHVA Guidebook”, Nr 5, 2006.
7. Babiak J., Olesen B.W., Petráš D., Low temperature heating
and high temperature cooling, “REHVA Guidebook”,
Nr 7, 2007.
8. Recknagel H., Sprenger E., Schramek E., Kompendium
wiedzy. Ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo
(2008/2009), Omni Scala, Wrocław 2008.
9. www.amca.org/resources/inmotion.php, Smith W., The
New ‘New Most Efficient Thing’ in Commercial HVAC Systems,
AMCA inmotion (2013).
10. Hurnik M., Novel cylindrical induction controller and its
application in VAV air conditioning system in an office
building, “Energy and Buildings”, Nr 130, 2016.
11. www.aceee.org/files/proceedings/2016/data/papers/
3_960.pdf, Herzog K., Achieving High Satisfaction
in High Performance Buildings, dostęp 29.12. 2018.