Tendencje rozwojowe w klimatyzacji

Klimatyzacja jako wiodąca dziedzina decydująca o parametrach i jakości powietrza musi nadążać za nowymi wymaganiami.

Na ostateczną jakość powietrza w procesie przygotowania w urządzeniach klimatyzacyjnych znaczący wpływ ma produkt wejściowy, jakim jest powietrze zewnętrzne. Przed 1989 r. (rokiem transformacji politycznej) powietrze w Polsce w stosunku do innych krajów europejskich było bardzo zanieczyszczone. Główne zanieczyszczenia, jak: pyły, dwutlenek siarki, tlenki azotu i metale ciężkie, przekraczały wartości dopuszczalne, szczególnie w sezonie zimowym. Oceniano, że z tego tytułu Polska ponosiła straty sięgające 5% dochodu narodowego. W następnych latach wiele czynników spowodowało znaczną redukcję wszystkich zanieczyszczeń, a wynikało to głównie z ograniczenia aktywności przemysłu i przyhamowania rozwoju gospodarczego. Dotychczasowa znaczna poprawa czystości powietrza nie jest jednak wystarczająca. Polska zobowiązała się do przestrzegania wielu dyrektyw unijnych w zakresie powietrza, a także ratyfikowała konwencję genewską określającą transport zanieczyszczeń w atmosferze, a także protokóły z Aarhus i Kioto odpowiednio w sprawie redukcji metali ciężkich oraz zmian klimatu.

Rozwiązać także trzeba narastający problem wydzielania niekorzystnych gazów, a szczególnie dwutlenku węgla. Rada Unii Europejskiej w 2007 r. przyjęła program w zakresie energetyki do 2020 r. „20-20-20”, to znaczy ograniczenie emisji dwutlenku węgla o 20%, zwiększenie udziału odnawialnych źródeł energii do 20% i podniesienie efektywności energetycznej o 20%. Polska ma mniej ambitne plany, ale podążamy w tym samym kierunku. Czystość powietrza zewnętrznego i zaangażowanie energii w klimatyzację stanowią pozycję wyjściową do prac rozwojowych i badawczych związanych z tą dyscypliną techniczną.

 

 

Klimatyzacja to dziedzina, która tworzy mikroklimat wewnątrz budynku. W nowoczesnych budynkach użyteczności publicznej zapewnia całkowite przygotowanie powietrza pod względem jego jakości i parametrów. W urządzeniach wchodzących w skład centrali klimatyzacyjnej następuje ogrzewanie, chłodzenie, osuszanie, nawilżanie, filtracja, dezynfekcja, a niekiedy także nawanianie lub usuwanie nieakceptowanych zapachów. Wiele osób spośród rezydentów obiektów budowlanych, a także decydentów politycznych i naukowych nie uświadamia sobie w wystarczającym stopniu, jak ważne jest zapewnienie dopływu powietrza do pomieszczeń o odpowiedniej jakości i parametrach. W pomieszczeniach spędzamy około 80% czasu. Bez wody i jedzenia możemy przeżyć kilka dni, a bez powietrza zaledwie kilka minut. Czy ten stan dociera do naszej świadomości?

Budynki, w których przebywamy, emitują różnego rodzaju zanieczyszczenia. Wpływ na stopień szkodliwości tych zanieczyszczeń mają takie czynniki, jak: stężenie wydzielanych substancji, okres oddziaływania, wrażliwość indywidualna organizmu, a także sposób biologicznego reagowania. Na podstawie badań i obserwacji zdefiniowano kilka zjawisk określających wpływ szkodliwych czynników na zdrowie i samopoczucie człowieka. Należą do nich: SBS (sick building syndrome), zespół chorego budynku; CFS (chronic fatigue syndrome), syndrom przewlekłego zmęczenia; MSC (multiple chemical sensivity), wieloczynnikowa nadwrażliwość chemiczna.

Zjawiska te powodują różne objawy, ale najczęściej występujące to: zmęczenie, nudności, zaburzenia układu nerwowego, zawroty głowy, obniżenie zdolności koncentracji, duszności, podrażnienie błon śluzowych, nieżyt gardła, bóle mięśni i inne. Niebezpieczną i uciążliwą grupą są zanieczyszczenia mikrobiologiczne. Do najczęściej występujących zanieczyszczeń tego typu można zaliczyć: grzyby i pleśnie, roztocze, pyłki roślin, bakterie i wirusy (między innymi legionella), odchody zwierząt w postaci pyłu itp. Usunięcie opisanych wyżej zagrożeń to jedno z podstawowych zadań klimatyzacji. Za pomocą układu klimatyzacji można uzyskać regulację warunków cieplnych i wilgotnościowych, usuwanie nadmiaru dwutlenku węgla i produktów suchej destylacji, zanieczyszczenia chemiczne, mikroorganizmy, pyły, radon i zapachy.

 

Wysokie wymagania dotyczące jakości powietrza wewnątrz pomieszczeń wymuszają stosowania urządzeń o dużej efektywności, ale jednocześnie zapewniających racjonalne wykorzystanie energii. Wybór optymalnego systemu klimatyzacji dla określonego budynku wymaga rozpatrzenia wielu problemów, a wśród nich:

– rodzaju, intensywności oraz lokalizacji źródeł zanieczyszczeń,

– architektury budynku oraz funkcji poszczególnych pomieszczeń,

– obciążeń cieplnych i ich rozkładu w budynku i pomieszczeniach,

– oceny zmienności obciążeń pomiędzy strefami budynku,

– uzyskania optymalnego rozdziału powietrza w pomieszczeniach,

– poziomu hałasu,

– estetyki urządzeń,

– kosztów inwestycyjnych, eksploatacyjnych i warunków serwisowania.

W zakresie gospodarowania energią kierunek postępowania wytyczyła UE w The Energy Performance of Buildings Directive (EPBD). Zwrócono szczególną uwagę na zużywanie energii w budynkach, biorąc pod uwagę przestrzeń ogrzewaną lub chłodzoną, przygotowanie wody grzewczej i chłodniczej, wykorzystanie energii elektrycznej w budynku. Ukierunkowanym działaniem w tym zakresie jest wprowadzenie świadectwa energetycznego opisującego charakterystykę cieplną budynku i oceniającego koszty eksploatacyjne. Jednym z parametrów będzie ilość energii KWh/m²/rok niezbędna do prawidłowej, ale oszczędnej eksploatacji budynku. Dotychczasowe badania naukowe i prace rozwojowe spowodowały, że w latach 1986–2006 efektywność działania systemów klimatyzacyjnych wzrosła o 49% (wg ASHRAE). Unowocześnione systemy klimatyzacji poddawane są dalszym badaniom w kierunku osiągnięcia wyższego poziomu technicznego i wdrożenia osiąganych rozwiązań technicznych do praktyki inżynierskiej. Światowe zespoły inżynierskie i naukowe pracują nad wieloma problemami.

– Nowoczesne systemy klimatyzacji uwzględniają ograniczenia w zużyciu energii cieplnej, ale przy zachowaniu komfortowego mikroklimatu wewnątrz pomieszczeń. Zwrócić tu uwagę należy na strefowy podział budynku, straty ciepła związane ze stratyfikacją temperatury oraz naturalne przepływy powietrza. Procedura BIM – Building Information Modeling – wymusza nowoczesne podejście do projektowania nowych systemów klimatyzacji. Pomocą w realizacji tych działań są opracowywane normy oraz poradniki wskazujące sposoby projektowania i budowy systemów.

– Coraz bardziej narasta problem ocieplenia klimatu i emisji dwutlenku węgla. Obliczanie emisji dwutlenku węgla powstającego z eksploatacji budynków pozwala ocenić zagrożenie i odpowiednio zmodyfikować projektowanie i sposób eksploatacji.

– Analizowane są metody poprawy wymiany ciepła w wymiennikach stosowanych w ogrzewaniu i chłodzeniu. Rozpatruje się wykorzystanie szorstkich mikropowierzchni do zmniejszenia kondensacji pary zawartej w chłodzonym powietrzu. Przeprowadza się numeryczne analizy przepływu ciepła w zwilżonej powierzchni wymiennika pracującego w układzie pompy ciepła. Oczekuje się wzrostu efektywności działania rekuperatorów systemu powietrze–powietrze, które są dość często stosowane.

– Opracowywane są wyrafinowane oprogramowania komputerowe umożliwiające tworzenie wirtualnego układu energetycznego budynku już w początkowej fazie projektowania.

– Analizowane są metody przeciwdziałania skutkom ewentualnego ataku terrorystycznego chemicznego i biologicznego na instalacje klimatyzacyjne budynku. Rozważa się wyposażenie instalacji klimatyzacyjnej w elementy wykrywające zagrożenia i utrudniające przepływ zakażonego powietrza w instalacji, szybkie i skuteczne usuwanie produktów niebezpiecznych zmieszanych z powietrzem. Tego typu badania prowadzone są w Zakładzie Klimatyzacji i Ogrzewnictwa Politechniki Warszawskiej.

– Poszukiwane są nowe, bardziej skuteczne metody oddymiania w warunkach pożaru bardzo wysokich budynków.

 

 

Budowanie coraz wyższych budynków stawia nowe zadania przed projektantami i budowniczymi.

Na przykład zaprojektowany przez hiszpańskich architektów Eloya Celayę, Rosę Cerverę i Javiera Pioza wieżowiec „Bionic Tower” o wysokości 1228 m (300 pięter) ma mieć system klimatyzacyjny działający podobnie jak mechanizm regulacji temperatury w skórze ludzkiej, ale dokładnie jak – nie wyjaśniono. Są to nowe problemy techniczne do rozwiązania.

Jednym z przykładów stosowanego w ostatnim okresie rozwiązania są układy hybrydowe, to jest połączenia wentylacji naturalnej i mechanicznej. W początkowej fazie opracowywania koncepcji tego typu układu należy rozpatrzyć następujące zagadnienia:

– ograniczenie emisji zanieczyszczeń w obiekcie,

– ocena bilansu strat i zysków ciepła,

– określenie optymalnego strumienia świeżego powietrza na osobę,

– ograniczenie zapotrzebowania na ciepło i chłód przez zastosowanie skutecznego systemu odzysku ciepła,

– efektywne wykorzystanie oddziaływania wiatru i ciśnienia grawitacyjnego oraz stosowanie niskociśnieniowych przepływów w wentylacji pozwalających na ograniczenie zużycia energii elektrycznej przez wentylatory.

W wentylacji hybrydowej użytkownicy obiektu chętnie przejmują kontrolę nad kształtowaniem parametrów powietrza wewnętrznego przez otwieranie i zamykanie okien. Zmiany temperatury i prędkości powietrza w strefie przebywania ludzi kompensowane są dostosowaniem ubioru do istniejących warunków. Zastosowanie wentylacji hybrydowej pozwala na obniżenie zapotrzebowania energii cieplnej nawet o 60% przy uzyskaniu dobrej jakości powietrza. To stwierdzenie odnosi się tylko do odpowiednio zaprojektowanych architektonicznie obiektów, które już w fazie koncepcji przewidywały zastosowanie łączenia wentylacji naturalnej i mechanicznej. W przypadku budynków bardziej energochłonnych w systemach chłodzenia uwzględnia się stosowanie materiałów ściennych o wysokiej akumulacji ciepła, np. beton. Stosowane jest też chłodzenie nocne, gruntowe, wyparne, z wykorzystaniem pojemnościowego zasobnika chłodu itp.

Coraz częściej stosowane są systemy z nawiewem bezpośrednio w miejsce przebywania poszczególnych osób. W obiektach użyteczności publicznej i przemysłowych projektuje się nawiewniki wyporowe nawiewające duży strumień powietrza przy prędkości 0,2 do 0,35 m/s i różnicy temperatury pomiędzy powietrzem nawiewanym i w pomieszczeniu w zakresie 2–4^oC. W salach konferencyjnych i widowiskowych efektywny nawiew uzyskuje się z nawiewników podłogowych usytuowanych w pobliżu foteli. W przestrzeniach otwartych kondygnacji budynków biurowych chętnie stosowane są nawiewniki szczelinowe – liniowe. Są to nawiewniki o dobrej charakterystyce i dużym zakresie wydajności w zależności od liczby szczelin. Zastosowanie tych nawiewników pozwala na łatwy podział „open space” na pomieszczenia o dowolnej wielkości przy zachowaniu skutecznego rozdziału powietrza.

W budynkach wysokościowych znaczną część przestrzeni zajmują przewody wentylacyjne oraz urządzenia zlokalizowane na piętrach technicznych. Po przeprowadzeniu stosownych analiz pojawiła się nowa tendencja lokalizowania central klimatyzacyjnych na poszczególnych piętrach, co przybliżyło podstawowe urządzenia do pomieszczeń, które obsługują. Takie rozwiązania eliminują przewody o dużych przekrojach i lokują małe centrale na poszczególnych piętrach. Dodatkową zaletą jest możliwość oddzielenia i uszczelnienia poszczególnych pięter jako oddzielnych stref pożarowych, co znacznie podnosi bezpieczeństwo budynku.

Założenia technologiczno-techniczne przyjęte w procesie projektowania i wznoszenia budynku wymagają zharmonizowania inteligentnych technologii, w których skład wchodzą zintegrowane systemy zarządzania budynkiem.

BEMS – Building Energy Management System – nadzoruje i steruje energią cieplną i elektryczną, systemami klimatyzacji i wentylacji, ogrzewaniem, systemami bezpieczeństwa z uwzględnieniem instalacji oddymiania. Stopień inteligencji budynku powinien być dostosowany do rodzaju i przeznaczenia budynku zarówno w oparciu o narzucone przez inwestora funkcje, jak też koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Na rys. 2 pokazano przykładowy układ funkcji w zarządzaniu budynkiem. Sercem układu jest komputer z odpowiednim oprogramowaniem pozwalającym na narzucenie funkcji dla obiektu, pomieszczeń ai poszczególnych urządzeń.

 

 

Zmienne koszty energii, wymagania ekologiczne i zdrowotne przyspieszają proces poszukiwania nowych rozwiązań konstrukcyjnych i opracowywanie metod stwarzania optymalnych warunków mikroklimatu wewnątrz pomieszczeń. Prowadzone poszukiwania nowych technologii przygotowania powietrza dotyczą także przemysłu, gdzie niejednokrotnie jakość i utrzymanie założonych tolerancji odchyłek parametrów decyduje o końcowej jakości produktu. Znaczącą pomocą w osiąganiu wyższej skuteczności systemów i urządzeń jest postęp w budowie elementów sterujących oraz opracowywanie coraz bardziej wyrafinowanego oprogramowania i wysokosprawnych komputerów. Przykładem wprowadzania nowych technik w instalacjach klimatyzacyjnych są obiekty realizowane w ostatnim okresie w rejonie Zatoki Perskiej.

 

 

1. F. Allard, O. Seppanen, European Actions to Improve Energy Efficiency of Buildings, REHVA Journal, March 2008.

2. Wieża, która żyje, „Fokus” nr 5/2008.

3. Engineering tomorrow, ASHRAE Winter Conference styczeń 2009 r.