SYSTEMY HVAC OBIEKTÓW PRZEMYSŁOWYCH

Obecna złożoność technologiczna zakładów przemysłowych wymaga fachowej wiedzy projektantów systemów HVAC. Każdy z obiektów wymaga indywidualnego podejścia. W Polsce przemysł dzieli się na różne gałęzie, takie jak przemysł spożywczy, metalurgiczny, elektromaszynowy, wydobywczy, chemiczny czy odzieżowy. Na terenie naszego kraju funkcjonuje wiele zakładów produkcyjnych. W większości tych obiektów w trakcie realizacji różnych procesów technologicznych występują duże ilości uwolnionych zanieczyszczeń gazowych i cząstek stałych oraz ciepła odpadowego. Zarówno duża koncentracja, jak i wysoka temperatura zanieczyszczeń w budynkach przemysłowych mogą szkodzić zdrowiu pracowników. Niezbędne w rozwiązaniu tych problemów jest zastosowanie wentylacji. Przystępując do wyboru odpowiedniego systemu, należy przede wszystkim zapoznać się z technologią produkcji, która stanowić będzie podstawę do podjęcia decyzji o zaproponowanej koncepcji instalacji.

Charakterystyka systemów

Wentylacja przemysłowa może być naturalna lub mechaniczna. Wentylacja naturalna ma zastosowanie jedynie w przypadku obiektów przemysłowych o niewielkim obciążeniu cieplno-wilgotnościowym oraz bez emisji szkodliwych i niebezpiecznych dla ludzi substancji [1]. W praktyce zastosowanie ma wentylacja mechaniczna: nawiewna, wywiewna, nawiewno-wywiewna; pełniąca funkcję wentylacji: ogólnej, lokalnej (strefowej), miejscowej (stanowiskowej) albo awaryjnej; realizowanej za pomocą systemów kanałowych obejmujących całe pomieszczenia/strefy albo za pomocą urządzeń autonomicznych (np. aparatów grzewczo-wentylacyjnych, central bezkanałowych oraz dachowych rekuperatorów bezkanałowych). W celu utrzymania w pomieszczeniu określonych warunków cieplno-wilgotnościowych mówimy o systemach klimatyzacji, w skład których wchodzą nagrzewnice, chłodnice, nawilżacze albo osuszacze. W przemyśle w większości przypadków instalacje te mają za zadanie powodować zarówno odpowiednią wymianę powietrza w pomieszczeniu, jak i utrzymywać jego temperaturę oraz wilgotność na żądanym poziomie, stąd mówimy o systemach ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji – systemach HVAC (ang. Heating, Ventilation, Air Conditioning). Ze względu na potrzebę usuwania zanieczyszczeń pełnią też one w pewnych przypadkach funkcję odpylania. Zasadniczą funkcją wentylacji ogólnej w obiektach przemysłowych jest jedynie rozcieńczenie zanieczyszczeń powietrza powstających w trakcie procesów technologicznych do wartości akceptowalnych. Eliminuje ona problemy związane z niezorganizowaną emisją zanieczyszczeń z niekontrolowanych źródeł czy ucieczką zanieczyszczeń spod ssawek i okapów oraz przestrzeni z wentylacąlokalną. Wentylacja ogólna obiektu może być zaprojektowana jako mieszająca lub wyporowa. Wentylacja mieszająca obejmuje wtłaczanie zimnego powietrza z górnej części pomieszczenia i odprowadzanie ciepłego powietrza z kratek znajdujących się w suficie lub na poziomie podłogi [2]. Alternatywną metodą wentylacji jest system wentylacji wyporowej, który polega na doprowadzaniu zimnego powietrza w dolnej części pomieszczenia, w pobliżu podłogi, poprzez odpowiednie nawiewniki. Źródła ciepła w pomieszczeniu wywołują ruchome strumienie konwekcyjne trans portujące ku górze ciepłe i zanieczyszczone powietrze z dolnej części pomieszczenia do górnej części, z której jest usuwane. Powstały efekt stratyfikacji powoduje lepszą jakość powietrza i skuteczne chłodzenie tylko niższej części pomieszczenia, w którym pracują ludzie. W rezultacie, w porównaniu do wentylacji mieszającej, takie same warunki mikroklimatyczne można uzyskać w strefie zajmowanej przez pracowników, ale przy niższym wydatku energetycznym [2]. Wentylacja mechaniczna jest realizowana za pośrednictwem wentylatorów. W zależności od wymaganej czystości powietrza w pomieszczeniu stosowane są filtry o różnej skuteczności filtracji. Rozdział powietrza powinien być tak zaprojektowany, aby cała objętość dostarczonego do pomieszczenia powietrza rozcieńczała lub przejmowała emitowane zanieczyszczenia. W tym celu w obiektach przemysłowych, ze względu na ich wymiary, stosuje się nawiewniki powietrza o dużym zasięgu, takie jak np. dysze i nawiewniki wielodyszowe dalekiego zasięgu, nawiewniki wirowe, anemsystemach wentylacji wyporowej nawiewniki mogą być wykonane jako stojące, przyścienne, sufitowe albo montowane na słupach konstrukcyjnych. W pomieszczeniach produkcyjnych i magazynowych, np. w branży przetwórstwa spożywczego, mięsnego czy mleczarskiego, zastosowanie znajdują tekstylne kanały wentylacyjne. To nowoczesna alternatywa dla typowych instalacji wentylacyjnych, zapewniająca wolne od przeciągów stanowiska pracy dzięki ograniczeniu prędkości przepływu strumienia powietrza nawiewanego poniżej 0,1 m/s. Podstawą budowy są linie nawiewne wykonane z tkanin technicznych dobranych specjalnie do wymogów instalacji wentylacji [4–5]. Wentylacja awaryjna, z punktu widzenia technicznego, to instalacja, która wyciąga z danego pomieszczenia znaczną ilość powietrza w momencie awarii. W praktyce stanowią ją te same przewody instalacji wywiewnej oraz wentylator dodatkowy bądź ten sam, lecz przewymiarowany w stosunku do wentylacji ogólnej. Wentylacja lokalna nawiewno-wywiewna to miniwentylacja ogólna w przestrzeni hali przemysłowej, którą można wydzielić. Daje ona możliwość przewietrzania i izolacji wybranych obszarów, jak np. spawalnie, lakiernie, strefy pakowania, przesypywania. Zarówno człowiek, jak i źródło zanieczyszczeń znajduje się w wentylowanej przestrzeni, gdzie przepływ powietrza realizowany jest w uporządkowanej konfiguracji: nawiew – człowiek – źródło – wywiew. Wentylacja strefowa może stanowić również tylko wyciąg powietrza albo tylko nawiew. Funkcją wentylacji wywiewnej miejscowej jest usuwanie szkodliwych i niebezpiecznych dla ludzi substancji o niedopuszczalnym stężeniu lub uciążliwym zapachu jak najbliżej miejsca ich emisji. Podstawowym elementem tego systemu są odciągi miejscowe: ssawki, okapy i obudowy (częściowe, całkowite). Urządzenia te połączone są przewodami wentylacyjnymi z urządzeniem oczyszczającym usuwane powietrze, którego przepływ wymuszony jest przez wentylator wyciągowy [6]. Oprócz systemów odciągowych scentralizowanych (kanałowych) wyróżnić możemy systemy mobilne, do których należą m.in. urządzenia filtrowentylacyjne, czyli urządzenia oczyszczające in situ z recyrkulacją powietrza do pomieszczenia. Ich zaletą jest możliwość dogodnego umieszczenia przy danym stanowisku oraz oszczędność energii cieplnej w sezonie grzewczym przez wprowadzanie oczyszczonego powietrza z powrotem do pomieszczenia [3]. Wentylacja zdecentralizowana jest realizowana również przez centrale bezkanałowe (dachowe aparaty wentylacyjno-grzewcze), które przeznaczone są do bezpośredniego ogrzewania i wentylacji dużych pomieszczeń, w tym hal produkcyjnych czy magazynów. Nawiew powietrza odbywa się z góry w kierunku posadzki: pionowo lub pod pewnym kątem. Centrala składa się z dwóch części: zewnętrznej i wewnętrznej. Uzdatnianie powietrza ograniczone jest do filtrowania, ogrzewania oraz chłodzenia z wykorzystaniem wymiennika na wodę lodową. W niektórych modelach istnieje możliwość odzysku ciepła [7].

Ogrzewanie i chłodzenie

Zadaniem ogrzewania jest zapewnienie odpowiednich warunków cieplnych zarówno dla użytkowników, jak i procesów przemysłowych. W systemach ogrzewania hal wykorzystywane są głównie dwa zjawiska fizyczne: konwekcja oraz promieniowanie [8]. Powszechnie znanymi elementami grzewczymi oddającymi ciepło na drodze konwekcji są grzejniki (o różnej konstrukcji), a do ogrzewania radiacyjnego wykorzystuje się promienniki (np. wodne, elektryczne). Tradycyjne grzejniki wodne umieszczane są na ścianach zewnętrznych, pod oknami. Takie rozwiązanie ma mały wpływ na strefy znajdujące się wewnątrz hali i bardzo wolno reaguje na zmiany warunków w pomieszczeniu [8]. Ogrzewanie konwekcyjne jest procesem bardzo energochłonnym, biorąc pod uwagę straty ciepła nie tylko przez przegrody, ale również w wyniku przewietrzania podczas otwierania drzwi czy bram. Bardziej efektywne jest ogrzewanie promiennikowe. Podstawową zaletą promienników podczerwieni w stosunku do tradycyjnego ogrzewania grzejnikowego jest mała bezwładność cieplna. To samo dotyczy ogrzewania powietrznego. Stanowi ono ogrzewanie centralne, składające się najczęściej z centrali wentylacyjnej. Tego typu system wybierany jest w halach, w których stale przebywają ludzie. Ogrzewanie nadmuchowe pełni zatem jednocześnie rolę wentylacji, a także filtracji i oczyszczania, w porównaniu do tradycyjnego ogrzewania. Ogrzewanie powietrzne może być również realizowane w sposób zdecentralizowany, w aparatach grzewczo-wentylacyjnych, popularnie nazywanych nagrzewnicami, które za pomocą wentylatora rozprowadzają ogrzane powietrze po pomieszczeniu. W halach czy magazynach spotkać można się również z ogrzewaniem płaszczyznowym – podłogami przemysłowymi zintegrowanymi z podłogą hal, umożliwiającymi większą swobodę architektoniczną. Takie rozwiązanie eliminuje potrzebę widocznych konwencjonalnych powierzchni grzejnych, które muszą być poddawane czyszczeniu i konserwacji, oraz zapewnia jednolity rozkład temperatury w pomieszczeniu [9]. Specyficznym urządzeniem grzewczym jest kurtyna powietrzna, której rolą jest ograniczenie ucieczki ciepłego powietrza z hali/ napływu powietrza chłodnego. Ze względu na aspekty ekologiczne i ekonomiczne w obiektach przemysłowych najczęściej stosuje się do schładzania powietrza technologię chłodzenia adiabatycznego jako alternatywę dla standardowej klimatyzacji. W systemie tym powietrze z zewnątrz pobierane jest do pomieszczenia i przepływa przez czynnik chłodniczy (wodę). Dzięki procesom parowania oraz konwekcji jest schładzane [10]. Takie rozwiązanie znajduje zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. W wykonaniach specjalnych w skład systemu wchodzą również filtry G4 (bądź wyższe w razie konieczności) i siatki na owady. Należy jednak zaznaczyć, że chłodzenie adiabatyczne działa również jako filtr powietrza, gdyż obniża stężenia zanieczyszczeń zawartych w powietrzu (pyły są wiązane przez wodę) [10].

Stratyfikacja powietrza

Dla obiektów przemysłowych charakterystyczna jest naturalna stratyfikacja powietrza: gromadzenie się ciepła w górnej części, gdzie przez dach następuje największa wymiana ciepła. Jedną z metod efektywnego wykorzystania tego zjawiska jest odwrócenie ruchu ciepłego powietrza spod dachu hali i skierowanie go do strefy przebywania ludzi. Odbywa się to za pomocą destryfikatorów powietrza. Są to urządzenia zbudowane z silnika, wentylatora w obudowie oraz kierownic strugi powietrza/dysz kierunkowych. Przy systemach zdecentralizowanych powietrze cieplejsze pod dachem może być wykorzystane do wstępnego podgrzania świeżego powietrza z zewnątrz, np. w jednostkach dachowych wentylacji bezkanałowej z odzyskiem ciepła [11].

Odzysk ciepła

Ze względu na swoją specyfikę hale przemysłowe są obiektami szczególnie nadającymi się do zastosowania wentylacji mechanicznej wraz z rekuperacją, z uwagi na występujące w nich duże zyski ciepła. Odzysk ciepła zachodzi w wymiennikach krzyżowych, obrotowych albo spiralnych. Pozwala on na wykorzystanie ciepła z powietrza wyrzucanego przez system wentylacji do ogrzania czerpanego powietrza zewnętrznego lub ogrzania obszarów, w których jest niedobór ciepła. Odzyskane ciepło z wentylacji niektórych procesów technologicznych może również służyć do podgrzania powietrza np. w części biurowej lub socjalnej zakładu [12]. Dzięki zastosowaniu jednostek odzysku ciepła zmniejszenie projektowej mocy grzewczej o kilkanaście, kilkadziesiąt kW niesie za sobą znaczne oszczędności inwestycyjne i eksploatacyjne. Często możliwy okazuje się zakup mniejszej kotłowni oraz uzyskanie dzięki temu dodatkowej powierzchni do użytkowania. Instalacja elektryczna również może zostać wykonana mniejszym nakładem finansowym, jeśli dodatkowo odzysk ciepła eliminuje potrzebę stosowania np. destryfikatorów powietrza.

Jak poprawić efektywność energetyczną zakładów przemysłowych?

W obiektach przemysłowych możemy wymienić trzy podstawowe sposoby oszczędzania energii: • wykorzystanie ciepła odpadowego niskotemperaturowego do produkcji energii elektrycznej; • optymalizacja istniejących systemów produkcji chłodu, ciepła na cele wentylacyjne i grzewcze; • Free Cooling, czyli wykorzystanie chłodu powietrza atmosferycznego do wsparcia procesów technologicznych. Optymalizacja pracy systemów HVAC ma na celu ograniczenie ilości pobieranej energii elektrycznej i cieplnej na cele schładzania lub grzania powietrza nawiewanego do hal produkcyjnych poprzez np. zastosowanie układów sterowania do płynnej regulacji prędkości obrotowej wentylatorów, energooszczędnych wentylatorów z silnikami EC, układów do automatycznego sterowania czasem pracy central wentylacyjno-klimatyzacyjnych oraz monitoringu stanu zabrudzenia filtrów powietrza. W zakresie analizy możliwości użycia powyższych metod w istniejących obiektach przemysłowych zastosowanie znajduje audyt energetyczny stanowiący bezinwazyjne narzędzie służące racjonalizacji zużycia kosztów, która często jest możliwa po stronie systemów HVAC. W praktyce okazuje się, że zmniejszenie wydajności powietrza central wentylacyjnych, często przewymiarowanych, potrafi zredukować zapotrzebowanie na moc cieplną w powietrzu nawiewanym nawet o 50 kW [13], bez negatywnego wpływu na warunki mikroklimatu hali w strefie przebywania ludzi i realizację technologii produkcyjnych.

Podsumowanie

Obecna złożoność technologiczna zakładów przemysłowych wymaga fachowej wiedzy projektantów systemów HVAC. Każdy z obiektów wymaga indywidualnego podejścia. W jednym pomieszczeniu muszą zostać zachowane odpowiednie warunki cieplno-wilgotnościowe ze względu na przebywających ludzi oraz prowadzone procesy technologiczne. Ponadto należy spełnić normy i przepisy dotyczące emisji zanieczyszczeń. Realizacja tych funkcji przez systemy HVAC jest bardzo energochłonna, dlatego też w praktyce często okazuje się, że konieczne jest wykonanie analiz zużycia energii wydatkowanej na zasilanie systemów wentylacyjnych hal z pracującymi procesami produkcyjnymi.

dr inż. Agnieszka Palmowska, mgr inż. Izabela Glück Katedra Ogrzewnictwa, Wentylacji i Techniki Odpylania Politechnika Śląska

DOI: 10.5604/01.3001.0013.2036

Literatura
1. Kaiser K., Wentylacja przemysłowa – rozwiązania, „Chłodnictwo
i klimatyzacja”, Nr 7, 2017.
2. Caputo A., Pelagagge P., Upgrading mixed ventilation systems
in industrial conditioning, “Applied Thermal Engineering”,
29, 2009.
3. Charkowska A., Wentylacja hal produkcyjnych – wymagania.
Wentylacja wywiewna i nawiewna, www.muratorplus.pl,
dostęp 04.03.2019.
4. www.kalowent.pl, dostęp 04.03.2019 (wykorzystano informacje
techniczne firmy P.H.U. Kalowent S.C.).
5. http://www.jumar-kucewicz.com.pl/, dostęp 04.03.2019 (wykorzystano
informacje techniczne firmy Jumar-Kucewicz).
6. Industrial Ventilation Primer – 2003 TAKE E Design Guide
Book (DGB).
7. http://www.juwent.com.pl, dostęp 04.03.2019 (wykorzystano
informacje techniczne firmy Juwent – Szymański, Nowakowski
Spółka Jawna).
8. Danielak M., Ogrzewanie wielkokubaturowe, „Rynek Instalacyjny”,
4, 2011.
9. www.uponor.com, dostęp 04.03.2019 (wykorzystano informacje
techniczne firmy Uponor Sp. z o.o.).
10. Krajnik-Żuk E., Chłodzenie adiabatyczne w zakładach przemysłowych,
„Rynek Instalacyjny”, 9, 2019.
11. http://www.hoval.pl/blog/pl/wentylacja-hali-produkcyjnej,
dostęp 04.03.2019 (wykorzystano informacje techniczne firmy
Hoval Sp. z o.o.).
12. https://naar.pl/, dostęp 04.03.2019 (wykorzystano informacje
techniczne firmy NAAR Technik Polska sp. z o.o.).
13. Palmowska A., Miczka G., Research on the thermal conditions
in ventilated large space building, „ACEE Journal”,
4, 2018.

Abstrakt. Wentylacja hal przemysłowych stanowi
duże wyzwanie dla projektantów systemów
ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji.
Każdy projekt dla zakładu przemysłowego
wymaga indywidualnego podejścia oraz doboru
właściwych urządzeń. Największy problem
stanowi poziom zużycia energii, który
często wynika z przewymiarowania instalacji
z powodu braku wskazówek czy jednoznacznych
wytycznych na etapie projektu. Systemy
HVAC obiektów przemysłowych muszą
zapewniać odpowiednie warunki cieplno-wilgotnościowe
i jakości powietrza ze względu
na prowadzony proces technologiczny oraz
komfort, zdrowie i bezpieczeństwo pracowników
biorących udział w produkcji.
Słowa kluczowe: s ystemy H VAC, o biekty
przemysłowe, wentylacja, klimatyzacja,
ogrzewanie, odzysk ciepła