Urządzenia wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewcze w rozwiązaniach HVAC

W artykułach pt. „Transformacja energetyczna budynków – przykłady rozwiązań” („Inżynier Budownictwa” nr 6/2023) oraz „Analiza efektywności energetycznej instalacji a wymogi WT 2021” („Inżynier Budownictwa” nr 11/2022) zwrócono uwagę na potrzebę stosowania wentylacji z odzyskiem ciepła w budynkach wymagających transformacji energetycznej. W artykułach wskazano na duże zapotrzebowanie na moc i energię cieplną, związane z przygotowaniem świeżego powietrza wentylacyjnego w zimie dla instalacji bez odzysku ciepła z powietrza wywiewanego. Jest ono bowiem blisko dwukrotnie wyższe niż w budynkach wyposażonych w system wentylacji grawitacyjnej lub mechanicznej wywiewnej, niedoposażonych w urządzenia do odzysku ciepła.

W artykułach tych przedstawiono także innowacyjne rozwiązania HVAC, które mogą pozwolić na uzyskanie wysokich oszczędności energetycznych w transformowanych budynkach mieszkalnych, obiektach komercyjnych i użyteczności publicznej. Są one jeszcze przedmiotem prowadzonych prac badawczo-rozwojowych dofinansowanych z ramienia NCBR¹. Cały projekt i wyniki prac są opublikowane na ogólnie dostępnej stronie internetowej: www.iacpanel.com. Celem projektu jest uzyskanie ultrakompaktowego, ultraefektywnego i ultrafunkcjonalnego urządzenia HVAC, czyli o jak najmniejszych wymiarach, jak najwyższej funkcjonalności, efektywności i sprawności.

W urządzeniu tym rozpatrywane są rozwiązania takie jak:

• jednowentylatorowe urządzenie decentralnej wentylacji – jako alternatywa dla tradycyjnych systemów centralnej i decentralnej wentylacji, przynoszące korzyści w mniejszym poborze mocy (rys. 1a);
• indukcyjny panel klimatyzacyjny – jako alternatywa dla tradycyjnych rozwiązań klimakonwektorów wentylatorowych oraz belek chłodzących i innych urządzeń indukcyjnych (rys. 1b);
• zintegrowane urządzenie wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewcze – jako alternatywa dla tradycyjnych systemów wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewczych (rys. 1c), stanowiące połączenie wyżej wymienionych modułów w jedno urządzenie (np. systemów o dwuetapowym uzdatnianiu powietrza z aktywnymi belkami chłodzącymi lub innymi rozwiązaniami z wykorzystaniem wtórnych urządzeń przygotowania powietrza).

Rys. 1a. Jednowentylatorowe urządzenie decentralnej wentylacji wyposażone w wentylator	Rys. 1b. Indukcyjny panel klimatyzacyjny wyposażony w wentylator	Rys. 1c. Zintegrowane urządzenie wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewcze będące połączeniem elementów z dwoma wentylatorami

Rys. 1a, 1b, 1c autora

Decentralne urządzenie wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewcze z dwoma wentylatorami

Rozbudowana wersja zintegrowanego urządzenia wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewczego z dwoma wentylatorami (rys. 1c) składa się z podstawowych elementów: indukcyjnego panelu klimatyzacyjnego oraz modułu odzysku ciepła. Pierwszy odpowiedzialny jest za ogrzewanie i schładzanie powietrza, drugi zaś za wentylację z odzyskiem ciepła.

Indukcyjny panel klimatyzacyjny (rys. 1b, 1c) zbudowany jest z perforowanej obudowy, wymiennika ciepła oraz zawiera zintegrowany wentylator zwymiarowany tylko na minimum świeżego powietrza, bezpośrednio połączony z panelem dyfuzyjnym. Panel dyfuzyjny tworzy grupa kolektorów powietrznych zakończonych szczeliną powietrzną. Wtłaczane powietrze z dużą prędkością wypływa ze szczelin do wnętrza urządzenia, wywołując zjawisko indukcji powietrznej oraz efekt Coandy. Powietrze z pomieszczenia jest zasysane przez zintegrowany wymiennik ciepła w zwiększonej ilości w stosunku do powietrza pierwotnego (ok. 4–5-krotnie).

Rys. 2. Projekt graficzny indukcyjnego panelu klimatyzacyjnego o głębokości 4,5 cm

W przeciwieństwie do obecnych na rynku klimakonwektorów wentylatorowych urządzenie to ma wentylator dobrany na dużo mniejsze przepływy powietrza dzięki zjawisku indukcji powietrznej i efektowi Coandy, co zapewnia jego wysoką efektywność energetyczną. Z kolei w porównaniu do aktywnych belek chłodzących, rozwiązanie to nie wymaga do swojej pracy zewnętrznego urządzenia w postaci centrali wentylacyjnej. Istotną cechą indukcyjnego panelu klimatyzacyjnego jest też jego minimalna głębokość wynosząca od 2,5 do 4,5 cm. Jest to możliwe dzięki nowej konstrukcji tzw. panelu dyfuzyjnego. W miejsce pojedynczego kolektora (jak to ma miejsce w rozwiązaniach aktywnych belek chłodzących i innych urządzeń indukcyjnych) panel dyfuzyjny w indukcyjnym panelu klimatyzacyjnym zawiera grupę kolektorów. Uzyskujemy wtedy zwiększony stopień indukcji i wydatek/przepływ powietrza recyrkulacyjnego przez zintegrowany wymiennik ciepła nawet przy jego mniejszej głębokości. Dzięki temu będzie można zmniejszyć wymiary urządzeń indukcyjnych.

Rys. 3a. Pojedynczy kolektor z centralnie sytuowanym wentylatorem; stopień indukcji powietrznej wynosi 2,66, wydajność chłodnicza – 771 W	Rys. 3b. Poczwórne kolektory z centralnie sytuowanym wentylatorem; stopień indukcji powietrznej wynosi 4,35, wydajność chłodnicza – 1198 W

Rys. 2, 3a, 3b autora

Rys. 3a i 3b ilustrują wpływ zastosowania grupy kolektorów powietrznych na stopień indukcji oraz wydajność wymiennika ciepła w stosunku do pojedynczego kolektora powietrznego, zazwyczaj wykorzystywanego w innych urządzeniach indukcyjnych. Przykładowe porównanie jest wynikiem symulacji CFD osiągów urządzenia z jednym kolektorem i centralnie usytuowanym w nim wentylatorem oraz dla rozwiązania z czterema kolektorami i centralnie usytuowanym w nich wentylatorem. Należy jednak zwrócić uwagę, że belki chłodzące mają przyłącze z boku urządzenia, przez co przekrój poprzeczny kolektora musi być jeszcze większy niż wentylatora zintegrowanego z urządzeniem i usytuowanego pośrodku kolektora powietrznego (dla tej wersji przekroje poprzeczne obu dołączonych kanałów są o połowę mniejsze), aby przetłoczyć całe powietrze. Rys. 3b przedstawia jedną z wielu możliwych konfiguracji zastosowania grupy kolektorów powietrznych stanowiących panel dyfuzyjny urządzenia.

Moduł odzysku ciepła (rys. 1a, 1c) w zintegrowanym urządzeniu wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewczym to przewód odzysku ciepła usytuowany w przegrodzie zewnętrznej pomieszczenia i wyposażony w pojedynczy wentylator wyciągowy, zwymiarowany na minimum świeżego powietrza (będący jako drugi, pierwszy jest usytuowany w indukcyjnym panelu klimatyzacyjnym). Pojedynczy wentylator pracujący jako wywiewny zasysa powietrze z pomieszczenia przez element nawiewno-wywiewny, po czym tłoczy to powietrze przez przewód odzysku ciepła, a następnie przez element czerpno-wyrzutowy usuwa je do atmosfery. Na skutek wytworzonego podciśnienia w pomieszczeniu następuje samoistny przepływ powietrza z zewnątrz do tego pomieszczenia i dochodzi wtedy do wymiany ciepła z powietrzem usuwanym w przewodzie odzysku ciepła (rys. 1). Oczywiście, będzie to możliwe tylko przy zachowaniu odpowiedniej szczelności pomieszczenia, tak jak w przypadku wszystkich pomieszczeń podlegających transformacji energetycznej. W wersji współpracującej z indukcyjnym panelem klimatyzacyjnym (rys. 1c) swobodny dopływ powietrza świeżego jest wspomagany przez wentylator nawiewny tego panelu. Moduł ten, podobnie jak indukcyjny panel klimatyzacyjny, odpowiedzialny jest za schładzanie lub ogrzewanie powietrza, może działać niezależnie, realizując odrębnie swoją funkcję. Podstawową zaletą tego rozwiązania (rys. 1a, 1b, 1c) jest możliwość dowolnego kształtowania przeznaczenia systemu HVAC, a także późniejszej zmiany jego funkcji poprzez zastosowanie innych modułów, ale też połączenie ich ze sobą w szybki sposób, co pozwoli na poszerzenie funkcji tego urządzenia. Wadą rozwiązania jest jednak to, że po połączeniu obu modułów w jedno, zintegrowane, decentralne urządzenie wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewcze każdy z nich zawiera „swój wentylator”. Co zatem z tymi użytkownikami pomieszczeń, którzy zainteresowani byli urządzeniem kompaktowym, spełniającym wszystkie te funkcje (tj. wentylacji z odzyskiem ciepła oraz uzdatnianiem powietrza) i najbardziej efektywnym energetycznie? Czy możliwe jest wyprodukowanie takiego kompaktowego urządzenia, które pozwoli na realizację wszystkich funkcji wykonywanych obecnie przez skomplikowane systemy HVAC, a jednocześnie będzie bazowało tylko na jednym wentylatorze zwymiarowanym na minimum świeżego powietrza?

Opisane zintegrowane, decentralne urządzenie wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewcze, wyposażone w dwa wentylatory, minimalizuje liczbę wentylatorów oraz zwiększa efektywność energetyczną w porównaniu do innych istniejących rozwiązań. Czy jest możliwe, aby zmniejszyć liczbę wentylatorów tylko do jednego o wydatku odpowiadającym minimum świeżego powietrza? Czy taki wentylator jest w stanie zapewnić pełne pokrycie i asymilację zysków ciepła pomieszczenia w lecie, pokryć pełne straty ciepła pomieszczenia w zimie oraz umożliwić przepływ powietrza świeżego i usuwanego z pomieszczenia, w dodatku zapewniając wymianę ciepła pomiędzy tymi strumieniami powietrza? Obecne na rynku centrale wentylacyjne, zapewniające tylko wymianę powietrza z odzyskiem ciepła, zawierają dwa wentylatory, a następne jednostki wtórnego przygotowania powietrza mają kolejny.

Jednowentylatorowe urządzenie wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewcze

Urządzenie, a w zasadzie cały system wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewczy może być dostępny w zwartej, kompaktowej obudowie. W jego skład wchodzą:

• wentylator;
• wymiennik ciepła zasilany wodą grzewczą/ziębniczą (lub czynnikiem ziębniczym w fazie ciekłej albo parowej);
• panel dyfuzyjny z kilkoma kolektorami powietrznymi, zakończonymi szczeliną powietrzną;
• przewód odzysku ciepła usytuowany wewnątrz przegrody zewnętrznej pomieszczenia lub na niej od strony pomieszczenia;
• czerpnio-wyrzutnia – element kończący usytuowany na zewnątrz.

Jest to prawdopodobnie pierwsza tego typu konstrukcja na świecie, dzięki której możliwe jest zmniejszenie poboru mocy i energii elektrycznej do napędu urządzeń oraz systemów wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewczych.

Urządzenie wyposażone jest w ruchomy łącznik – przepustnicę, która wskutek obrotu może zamykać i otwierać znajdujące się na niej poszczególne grupy otworów.

Wentylator może być jednokierunkowy lub rewersyjny. Zmieniać się będą jedynie otwory usytuowane na przepustnicy obrotowej/ruchomej. Przepustnica (co najmniej jedna sztuka) może być różnego typu: żaluzjowa, soczewkowa, obrotowa itp. i znajdować się w panelu indukcyjnym albo w innej części urządzenia, np. w przewodzie odzysku ciepła lub czerpnio-wyrzutni. Może też być ona usytuowana w jednej komorze z wentylatorem, a także stanowić element łączący dwie komory: czerpno-nawiewną i wywiewno-wyrzutową.

Multifunkcyjne, decentralne, jednowentylatorowe urządzenie wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewcze

Zintegrowane, multifunkcyjne i indukcyjne urządzenie wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewcze zawiera i wykorzystuje tylko jeden wentylator (zwymiarowany na minimum świeżego powietrza) do realizacji wszystkich celów pełnego uzdatniania powietrza, tj. celów wentylacji z odzyskiem ciepła, ogrzewania oraz schładzania powietrza w pomieszczeniu. Dzięki wykorzystaniu efektu Coandy i zjawiska indukcji powietrznej wentylator usytuowany w urządzeniu pozwoli na pokrycie pełnych strat i zysków ciepła pomieszczenia oraz jednoczesną wentylację z odzyskiem ciepła kontrolowaną czujnikiem CO₂.

Rys. 4a i 4b. Projekt graficzny i schemat działania urządzenia wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewczego. Rys. 4a, 4b autora

Przedstawione na rys. 4a i 4b zintegrowane urządzenie wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewcze zawiera przewód odzysku ciepła, który od strony zewnętrznej zakończony jest estetyczną czerpnio-wyrzutnią, zaś od strony pomieszczenia – płaskim, indukcyjnym panelem klimatyzacyjnym, oraz tylko jeden wentylator rewersyjny. Wymiennik ciepła wbudowany w indukcyjny panel klimatyzacyjny umożliwi łatwą integrację z ekologicznymi źródłami ciepła i chłodu oraz uzyskanie przez nie bardzo wysokich wskaźników efektywności energetycznej. To odbiornik bowiem decyduje o tym, czy źródło ciepła/chłodu do niego podłączone będzie efektywne czy też nie. Indukcyjny panel klimatyzacyjny wyposażony jest w wymiennik wstępnego uzdatniania powietrza usytuowany przed wlotem do wentylatora, wstępnie schładzający lub ogrzewający powietrze pierwotne w trybie recyrkulacji. Jest ono dalej tłoczone do panelu dyfuzyjnego, gdzie będzie wypływać ze zwiększoną prędkością, powodując indukcję powietrza z pomieszczenia przez wymiennik ciepła zintegrowany z urządzeniem.

Rozwiązanie w omawianej wersji wyposażone zostanie w specjalistyczny łącznik – przepustnicę w komorze wentylatora, dzięki której możliwa będzie multifunkcyjność jego działania. W zależności od kąta położenia przepustnicy realizowane będą różne cele i tryby urządzenia, zawsze z wykorzystaniem jednego, rewersyjnego wentylatora. Urządzenie wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewcze może też ciągle kontrolować poziom stężenia CO₂ w pomieszczeniu i w zależności od tego stężenia będzie ono realizowało lub nie cele wentylacji z odzyskiem ciepła. Pozwoli to na ekonomiczną i kontrolowaną regulację wydatku powietrza wentylacyjnego w pomieszczeniu. Jeśli stężenie CO₂ w pomieszczeniu będzie na zbyt wysokim poziomie, urządzenie przełączy się w tryb wentylacji z jednoczesną kontrolą temperatury w pomieszczeniu. Natomiast jeżeli wartość CO₂ będzie na odpowiednim poziomie, urządzenie przełączy się w tryb recyrkulacji (wykorzystanie indukcji, efektu Coandy i wstępnego uzdatniania powietrza pierwotnego na wlocie do wentylatora).

Dzięki możliwości zmiany położenia łącznika – przepustnicy oraz kierunku przepływu i obrotów jednego, minimalnej mocy wentylatora rewersyjnego można wyróżnić trzy stany pracy urządzenia (rys. 4a i 4b):

• I stan – tryb recyrkulacji: wentylator, na rys. pod numerem 1, pracuje jako nawiewny, otwory oznaczone jako 8 są otwarte, natomiast 9, 10 – zamknięte;
• II stan – tryb wentylacji (nawiew) z kontrolą temperatury w pomieszczeniu: wentylator, na rys. pod numerem 1, pracuje jako nawiewny, otwory oznaczone jako 8, 10 są zamknięte, natomiast 9 – otwarte;
• III stan – tryb wentylacji (wywiew) z kontrolą temperatury w pomieszczeniu: wentylator, na rys. pod numerem 1, pracuje jako wywiewny, otwory oznaczone jako 9, 10 są otwarte, natomiast 8 – zamknięte.

Tryb recyrkulacji (I stan)

Gdy powietrze w pomieszczeniu ma odpowiednią jakość, urządzenie działa w trybie pełnej recyrkulacji, oszczędzając w ten sposób moc i energię cieplną/chłodniczą. Usytuowany przed wentylatorem wymiennik ciepła będzie pracował w trybie recyrkulacji i wstępnie schładzał lub ogrzewał powietrze pierwotne. Dzięki temu wydajność urządzenia zostanie zwiększona. Wstępnie przewidziane jest, że ten sam wymiennik ciepła będzie uzdatniał powietrze indukowane z pomieszczenia. Może on także uzdatniać powietrze pierwotne jako odrębny wymiennik ciepła. Wstępnie uzdatnione powietrze pierwotne będzie wykorzystane do wytworzenia zjawiska indukcji powietrznej i efektu Coandy. Dzięki temu może zostać wykorzystany ten sam wentylator co do realizacji trybu wentylacji. Minimalny przepływ powietrza pierwotnego zwielokrotnia samoistnie przepływ powietrza indukowanego z pomieszczenia przez zintegrowany wymiennik ciepła. Dzięki temu wentylator do schładzania/ogrzewania powietrza może być 4–5-krotnie mniejszy niż w przypadku tradycyjnych urządzeń w postaci klimakonwektorów lub klimatyzatorów i dodatkowo nawiewać wstępnie uzdatnione powietrze pierwotne.

Fot. Elementy modeli prototypowych przygotowane do zabudowy dedykowanych sterowników oraz do testów dot. optymalizacji modeli pilotażowych. Fot. autora

Tryb wentylacji z kontrolą temperatury powietrza w pomieszczeniu (II i III stan)

Tryb ten jest realizowany z odzyskiem ciepła/chłodu. Urządzenie podgrzewa lub schładza powietrze zewnętrzne (wentylacyjne) tylko wtedy, gdy będzie konieczna wentylacja w pomieszczeniu. W przeciwnym wypadku nie jest dostarczane powietrze z zewnątrz i dzięki temu oszczędza się energię na jego podgrzanie lub schłodzenie. Tylko w sytuacji, gdy trzeba będzie dostarczyć powietrze do pomieszczenia, zostanie ono uzdatnione przy użyciu minimalnej mocy i energii chłodniczej/grzewczej (powietrze zewnętrzne będzie podgrzane lub schłodzone tylko w tej części, w której nie zostało ogrzane lub schłodzone za wymiennikiem odzysku ciepła).

Efektywność realizacji procesu wentylacji będzie również bardzo wysoka, gdyż jest realizowana tylko z wykorzystaniem jednego wentylatora. To on będzie odpowiedzialny za nawiew powietrza świeżego, wywiew powietrza zużytego oraz odzysk ciepła/chłodu, a także za schłodzenie lub ogrzanie powietrza.

Urządzenie będzie realizować cele wentylacji w połączeniu z kontrolą temperatury powietrza w pomieszczeniu, z zachowaniem najwyższych standardów efektywności energetycznej. Powietrze świeże (wentylacyjne), wstępnie schłodzone lub podgrzane w przewodzie odzysku ciepła, będzie tłoczone przez wentylator do panelu dyfuzyjnego, z którego szczelin wypływać będzie z dużą prędkością, powodując indukcję powietrza z pomieszczenia przez zintegrowany wymiennik ciepła. Oznacza to, że wentylator (zwymiarowany na minimum świeżego powietrza) wykorzysta wstępnie podgrzaną/schłodzoną w przewodzie odzysku ciepła minimalną ilość powietrza świeżego do wytworzenia zjawiska indukcji powietrza z pomieszczenia i efektu Coandy do przepływu powietrza z pomieszczenia przez zintegrowany wymiennik ciepła.

Wentylator wykorzystywany będzie również do wywiewu powietrza z pomieszczenia. Jest on tak realizowany, by powietrze zużyte nie przepływało przez wymiennik wstępnego uzdatniania powietrza przed wyrzutem powietrza przez przewód odzysku ciepła na zewnątrz, do atmosfery. Cyklicznie poprzez zmianę obrotów wentylatora realizowany jest wywiew powietrza zużytego z pomieszczenia i nawiew powietrza świeżego wywołujący indukcję powietrza z pomieszczenia przez zintegrowany wymiennik ciepła. Jeśli uzdatnianie powietrza nie jest wymagane, do pomieszczenia nawiewana jest korzystna temperaturowo mieszanina powietrza świeżego i recyrkulacyjnego. Powietrze świeże będzie zatem w tym trybie pracy raz nawiewane, a raz wywiewane, przy czym w trybie nawiewu będzie odpowiadać ono za indukcyjną pracę urządzenia.

Podsumowanie

Przedstawiona w artykule konstrukcja multifunkcyjnego i jednowentylatorowego urządzenia wentylacyjno-klimatyzacyjno-ogrzewczego może być rozwiązaniem wykorzystywanym w termomodernizacji budynków. Cechuje się ono minimalnym poborem mocy, małymi wymiarami oraz realizuje cele stawiane tego typu najnowocześniejszym odbiornikom ciepła i chłodu. Integracja tych funkcji w jednym, kompaktowym urządzeniu wyposażonym tylko w jeden wentylator i zwymiarowanym dodatkowo na minimalną ilość powietrza higienicznego wyróżnia to rozwiązanie jako jedno z pierwszych tego typu na świecie. To odbiornik ciepła/chłodu decyduje bowiem o tym, czy źródło ciepła i cały system do niego podłączony będą efektywne czy też nie.

mgr inż. Bartłomiej Adamski PZITS Oddział Kraków

¹ Projekt o numerze POIR.01.01.01-00-1281/19 jest realizowany w ramach poddziałania 1.1.1 „Badania przemysłowe i prace rozwojowe realizowane przez przedsiębiorstwa” Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014–2020, współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.