Fot. Ventia

Fot. Ventia

Chłodnica zamiast klimatyzatora? Alternatywne rozwiązanie do domu z rekuperacją

W listopadowym wydaniu InstalReportera w pierwszej części artykułu omówiliśmy parametry klimatu zimą i latem w domach z rekuperacją oraz zalety i wady stosowania systemu klimatyzacji. W jaki jednak inny sposób można sterować temperaturą i wilgotnością powietrza w okresie letnim? Rozwiązaniem, które cieszy się coraz większą popularnością jest chłodzenie powietrza z wykorzystaniem kanałowej chłodnicy, zlokalizowanej za rekuperatorem.

Chłodzenie z wykorzystaniem powietrza – wentylacja mechaniczna

Czynnikiem, który odpowiada za chłodzenie powietrza z wykorzystaniem kanałowej chłodnicy, mogą być freony lub woda. Wykorzystanie chłodnic wodnych i freonowych jest możliwe dzięki stałemu rozwojowi branży HVAC, a konkretnie rozwojowi automatyki sterującej oraz urządzeń, tj. agregatów freonowych czy domowych pomp ciepła. Chłodzenie powietrzem z wykorzystaniem chłodnicy kanałowej ma wiele zalet, które przekładają się na komfortowe warunki w domu.
Co zatem odróżnia chłodzenie powietrzem z wykorzystaniem kanałowej chłodnicy od standardowej klimatyzacji ściennej? Aspektów jest kilka, tj.:

  • centralne chłodzenie powietrza – całość kubatury dostarczanego powietrza jest chłodzona na wymienniku (chłodnicy kanałowej), co zapewnia równomierny rozkład temperatury w pomieszczeniach wentylowanych;
  • precyzyjna regulacja temperatury – automatyka rekuperatorów umożliwia płynne sterowanie agregatem freonowym lub siłownikiem zaworu mieszającego (0…10 V). Dodatkowo temperaturę możemy kontrolować zarówno od czujnika powietrza nawiewanego, jak również od czujnika powietrza wyciąganego;
  • powietrze nie jest „suche” – ze względu na mniejszą ilość wymian, nie występuje zjawisko nadmiernego osuszania;
  • końcowy efekt wizualny – rozwiązanie to pozbawione jest dodatkowych elementów w postaci urządzeń naściennych, co przemawia na korzyść chłodzenia powietrzem z wykorzystaniem chłodnicy kanałowej. Całość procesu chłodzenia, realizowana jest przez instalację wentylacji mechanicznej (rekuperacji).

Dobór właściwej chłodnicy – co brać pod uwagę?

Podczas doboru mocy chłodnicy, należy pamiętać, że każdy dom jest inny i nie ma złotej zasady, która ma zastosowanie w każdym z nich.
Nowoczesne budownictwo, charakteryzuje się niskimi współczynnikami przenikalności cieplnej przez przegrody nieprzezroczyste. W okresie letnim, szczególne znaczenie ma lokalizacja domu względem stron świata, a co za tym idzie – zyski ciepła od nasłonecznienia przegród przezroczystych. W dużym uproszczeniu, zyski te są tym większe, im większa jest powierzchnia przeszklenia oraz różnica temperatury pomiędzy dwoma stronami powierzchni okna. Obiekty o dużym przeszkleniu, szczególnie przeszkleniu zlokalizowanym od strony południowej, z założenia wymagają większej mocy potrzebnej do chłodzenia.
Lokalizacja domu to jedno, natomiast najważniejsze jest to, żeby wytworzony przez chłodnicę chłód został w wymaganej ilości odebrany przez powietrze, a następnie rozprowadzony po powierzchni domu.

Nominalna moc chłodnicy – odbiór energii

Ważnym aspektem jest nominalna moc dobranej chłodnicy kanałowej (moc jest wynikową pojemności chłodnicy), w zestawieniu z mocą generowaną przez źródło chłodu.
Na pewno warto pamiętać, że dużo lepiej jest zamontować chłodnicę o nominalnie większej mocy w stosunku do źródła chłodu, aniżeli chłodnicę o niższej nominalnej mocy niż moc źródła. W przypadku przewymiarowanej chłodnicy w stosunku do mocy źródła, mamy zagwarantowaną wystarczającą powierzchnię czynną wymiennika, pozwalającą na oddanie wygenerowanej przez źródło energii.
Co w przypadku, kiedy chłodnica ma niższą nominalną moc w stosunku do mocy źródła? Chłodnica nie ma wystarczającej powierzchni czynnej do oddania wygenerowanego chłodu, co może przyczynić się np. do szronienia wymiennika.
W instalacji z kanałową chłodnicą powietrza należy zadbać o niską prędkość powietrza przed wymiennikiem, tj. 2÷3 m/s. Im niższa prędkość powietrza, tym większa sprawność odbioru energii zgromadzonej w wymienniku. Ograniczenie prędkości uzyskuje się przez zwiększenie powierzchni przekroju kanału.

Chłodzenie powietrzem – strumień powietrza a wymagana moc

Decydując się na chłodzenie w oparciu o chłodnicę kanałową, należy zadbać o odpowiednie przewymiarowanie instalacji w stosunku do standardowego zapotrzebowania.
Przykładowo, w dużym uproszczeniu, jeżeli kubatura budynku wynosi 300 m3, standardowo rekuperator byłby dobrany na 0,7 wymiany powietrza na godzinę, tj. +/- 200 m3/h. Jeżeli rekuperator odpowiada wyłącznie za wymianę powietrza na świeże oraz odprowadzenie zysków pary wodnej, wartość ta jest wystarczająca. W przypadku chłodzenia powietrzem wentylacyjnym, ilość dostarczanego powietrza o niskiej temperaturze (szczególnie w okresie upalnych dni) musi być większa. Jest to uwarunkowane wszelkimi zyskami ciepła, generowanymi m.in. przez nagrzane przegrody budynku.
Bazując na doświadczeniu, krotność wymian powietrza, która pozwala realnie myśleć o chłodzeniu powietrzem to 1,5÷2 wymian na godzinę, jako absolutne minimum. Zalecane wartości to 2÷3 wymiany powietrza na godzinę, przy takich bowiem wartościach układ ma możliwość pracy z większą intensywnością podczas upałów, jak również z niższą w okresach przejściowych.
Kolejnym ważnym założeniem jest realny, stosowany wydatek powietrza przez użytkownika instalacji. Załóżmy, że kubatura przestrzeni wentylowanej wynosi 300 m3. Stosując powyższe zalecenia, naszym optymalnym wydatkiem będzie 600 m3/h. Aby schłodzić powietrze do temperatury 20oC na nawiewie potrzebujemy 3,4 kW mocy.

Wymagana moc niezbędna do chłodzenia powietrzem

Kubatura przestrzeni wentylowanej: 300 m3
Wymagany strumień powietrza: 300 m3 x 2h-1 = 600 m3/h
Obliczeniowa temperatura zewnętrzna: 32oC, RH=50%

Oczekiwana temperatura nawiewu: 20oC
Wymagana moc chłodnicy: 3,4 kW

Bardzo ważne jest to, że wszystkie obliczenia opierają się o ilość powietrza dostarczanego do budynku. Jeżeli założymy jako standard 600 m3/h, natomiast użytkownik stale będzie używał instalacji, ustawiając strumień powietrza nawiewanego na np. 400 m3/h, układ nie będzie pracować w sposób efektywny. Problem ten szczególnie dotyka osoby korzystające z układów freonowych (ograniczone możliwości modulacji mocy sprężarki, szczególnie przy niskich zakresach pracy), w których regulacja nie jest tak precyzyjna jak w układach, wykorzystujących wodę lodową.
Przy wspomnianym strumieniu powietrza, tj.: 400 m3/h i tej samej mocy chłodniczej 3,4 kW, dla analogicznych wartości obliczeniowych temperatura nawiewu osiąga 15,5oC.

Proces chłodzenia wymaga tym większych nakładów energii, im więcej pary wodnej „musimy się pozbyć” z cząsteczki powietrza. Z tego powodu chłodzenie do niskiej temperatury: 10÷15oC, jest niezwykle energochłonne.

Dla zobrazowania skali problemu, przy wydatku 400 m3/h, do osiągnięcia temperatury nawiewu na poziomie omawianych 20oC, potrzeba ponad 30% (2,3 kW) mniej mocy chłodniczej niż przy 600 m3/h.

Zmiana wymaganej mocy chłodniczej w zależności od przepływu powietrza

Kubatura przestrzeni wentylowanej: 300 m3
Ustawiony przez użytkownika strumień powietrza: 400 m3/h
Obliczeniowa temperatura zewnętrzna: 32oC, RH=50%

Zbyt mały strumień powietrza w stosunku do mocy chłodniczej
Dostępna moc chłodnicza: 3,4 kW
Temperatura nawiewu: 15,5oC

Realne zapotrzebowanie na moc chłodniczą
Oczekiwana temperatura nawiewu: 20oC
Wymagana moc chłodnicza: 2,3 kW

Chłodnice freonowe – moc ma znaczenie

Dlaczego tak ważne jest prawidłowe określenie wymaganej mocy? Z prostej przyczyny – każdy agregat freonowy ma określoną minimalną moc, z jaką może pracować. Jeżeli układ jest dobrany na warunki projektowe, a nie na warunki, w których będzie pracować, w okresach przejściowych mogą pojawić się problemy z precyzyjną regulacją temperatury.
Jeżeli temperatura zewnętrzna wynosi 26oC, a docelowa temperatura nawiewu 20oC, wymagana moc chłodnicza to 1,4 kW. Z kolei przy założeniu, że docelowa temperatura nawiewu wynosi 22oC, wymagana moc to zaledwie 0,6 kW. Zakres pracy najpopularniejszych agregatów freonowych o mocy 3,5 kW w trybie chłodzenia wynosi +/- 1,5 ÷ 4,7 kW, co eksploatacyjnie przekłada się na wspomniane problemy z precyzyjną kontrolą temperatury. W warunkach skrajnych agregat może działać na zasadzie WŁĄCZ/WYŁĄCZ, a nie płynnie 0÷100%.
Zakładając, że moc agregatu została prawidłowo dobrana, kolejnym ważnym aspektem jest kwestia sterowania układem, na co również należy zwrócić uwagę podczas wyboru agregatu. Większość rekuperatorów, dostępnych na rynku może podać sygnał Praca/Grzanie/Chłodzenie oraz sygnał do płynnego sterowania 0…10 V (0÷100%). Agregat freonowy, również powinien mieć analogiczne możliwości. W tym celu najczęściej stosowane są moduły komunikacyjne, np. AHU-kit, dostarczane w zestawie z agregatem.
Czy to wszystko? Nie. W przypadku chłodzenia powietrzem z wykorzystaniem chłodnic freonowych, istotne jest kontrolowanie temperatury powietrza wyciąganego, a nie nawiewanego. Dzięki takiemu rozwiązaniu, rekuperator na podstawie efektywności chłodzenia, może przeliczyć wymaganą temperaturę powietrza nawiewanego tak, żeby końcowo uzyskać zadaną temperaturę powietrza wyciąganego. Takie rozwiązanie z uwagi na dużą bezwładność układów freonowych, umożliwia zachowanie ciągłości pracy agregatu, nawet w okresach przejściowych.

Wymagana moc chłodnicza dla okresu przejściowego

Kubatura przestrzeni wentylowanej: 300 m3
Ustawiony przez użytkownika strumień powietrza: 400 m3/h
Obliczeniowa temperatura zewnętrzna: 26oC, RH = 50%

Zapotrzebowanie na moc chłodniczą
Oczekiwana temperatura nawiewu: 22oC
Wymagana moc chłodnicza: 0,6 kW

Zapotrzebowanie na moc chłodniczą
Oczekiwana temperatura nawiewu: 20oC
Wymagana moc chłodnicza: 1,4 kW


Logika pracy układów łączonych, tj. rekuperator + chłodnica, polega na tym, że automatyka rekuperatora oblicza wartość wyjściową sygnału analogowego z zakresu 0…10 V, a agregat po otrzymaniu sygnału, rozpoczyna procedurę uruchomienia. Od momentu uruchomienia do momentu, kiedy powietrze zacznie odbierać wytworzony chłód, mija nawet kilka minut. W tym czasie automatyka rekuperatora nie wykrywa zmiany temperatury, dlatego sygnał narasta w czasie. Bardzo często efekt końcowy jest taki, że wartość sygnału wzrasta nawet do 6÷8 V, co przekłada się na wysoką moc generowaną przez agregat, a w konsekwencji przechłodzenie powietrza.
Jeżeli taki układ jest sterowany w odniesieniu do temperatury powietrza nawiewanego, opisany przypadek skutkuje spadkiem temperatury poniżej wartości zadanej, co z kolei wymusza na automatyce rekuperatora cofnięcie pozwolenia na pracę. Kontrola temperatury powietrza wywiewanego daje większe możliwości w kontekście ustabilizowania procesu chłodzenia w jego początkowej fazie, dlatego przyczynia się do częściowego zniwelowania wahań temperatury. Należy pamiętać, że w układach freonowych, sterowanych w odniesieniu do temperatury nawiewu, jak również wywiewu, naturalnym procesem jest wahanie temperatury powietrza.
Wykres 1 przedstawia przebieg procesu chłodzenia z wykorzystaniem agregatu freonowego o zbyt dużej mocy w stosunku do realnego zapotrzebowania (projektowy strumień powietrza był większy, niż realny, ustawiony przez użytkownika w późniejszym czasie), dodatkowo, układ jest sterowany od temperatury powietrza nawiewanego. Na wykresie widać ogromne wahania temperatury (amplituda +/-10oC), których powodem jest gwałtowna realizacja procesu chłodzenia. Zjawisko, skutkuje cofnięciem pozwolenia na pracę agregatu. W efekcie układ pracuje cyklicznie tj. po uruchamianiu agregatu jego moc jest zbyt wysoka, co powoduje przechłodzeniem powietrza a w konsekwencji cofnięcie pozwolenie na jego pracę.

1  Chłodnica freonowa, sterowanie od temperatury nawiewu

Chłodnica wodna – precyzyjna kontrola

Alternatywą dla układów opartych o freon jest woda o niskiej temperaturze (woda lodowa). Do niedawna, z uwagi na wysokie koszty agregatów wody lodowej, rozwiązanie to było zarezerwowane dla budynków o dużej wymaganej mocy chłodniczej, gdzie koszty inwestycyjne i ogólne problemy bezwładności układów freonowych wykluczały zastosowanie freonu.
Obecnie, dzięki popularyzacji domowych pomp ciepła, zakup urządzenia z możliwością pracy rewersyjnej (standard u większości producentów), daje nowe możliwości. Pompa ciepła w okresie zimowym odpowiada za dostarczenie gorącego czynnika na potrzeby c.o. oraz ciepłej wody użytkowej (c.w.u.), a w okresie letnim może działać w trybie rewersyjnym, tj. dostarczać gorący czynnik na potrzeby c.w.u., jak również wytwarzać zimny czynnik na potrzeby chłodzenia (warunkiem są dwa zbiorniki buforowe).
Dzięki temu rozwiązaniu pojawiła się szansa na wykorzystanie zimnego czynnika na potrzeby chłodzenia, z wykorzystaniem chłodnicy kanałowej. Dodatkowo, chłodnica w okresie zimowym może pełnić rolę nagrzewnicy, co umożliwia uzyskanie wyższej temperatury powietrza nawiewanego bez dodatkowych kosztów, np. wynikających z pracy nagrzewnicy elektrycznej.
Opisane rozwiązanie ma zasadniczą przewagę nad układami freonowymi – regulacja dostarczanego czynnika odbywa się poprzez zawór dwu- lub trójdrożny, który jest otwierany i zamykany z wykorzystaniem siłownika sterowanego płynnie 0…10 V. Bezwładność takiego układu jest dużo niższa, co pozwala na bezpośrednie kontrolowanie temperatury powietrza nawiewanego, bez ryzyka czasowego odcięcia źródła chłodu. Ale to nie jedyny plus. Największą przewagą rozwiązania, jest bardzo wysoka dokładność w kontekście regulacji temperatury. Ilość dostarczanego czynnika można bardzo precyzyjnie kontrolować, dzięki czemu nie obserwujemy wahań temperatury.
Wykres 2 przedstawia przebieg procesu chłodzenia z wykorzystaniem przewymiarowanej chłodnicy wodnej, układ sterowany jest od temperatury powietrza nawiewanego. Podobnie jak w przypadku układów freonowych, zbyt duża moc w stosunku do realnego zapotrzebowania, powoduje częstą zmianę stopnia otwarcia zaworu. Różnica między omawianym układem a układem freonowym, polega na tym, że niższa bezwładność sterowania zaworem trójdrożnym, pozwala na osiągnięcie większej precyzji. Końcowo, pomimo nieprawidłowo dobranej chłodnicy, amplituda temperatury powietrza nawiewanego, wynosi zaledwie 4oC.

2  Chłodnica wodna, sterowanie od temperatury nawiewu

Chłodnica kanałowa – optymalny wybór, komfortowy klimat powietrza

Świadomość oraz wymagania inwestorów z roku na rok są coraz większe, a co za tym idzie – możliwości, które stwarzają nowe technologie również. Klimat wewnątrz domu jest tematem, który od dłuższego czasu jest na tapecie forów internetowych i nic nie wskazuje na to, żeby miało się to zmienić. Według mnie chłodzenie z wykorzystaniem kanałowej chłodnicy będzie rozwiązaniem coraz częściej wprowadzanym do budownictwa domów jednorodzinnych, z uwagi na możliwość utrzymania odpowiedniego klimatu wewnątrz budynku, zarówno w okresie letnim, jak również zimowym. Dodatkowo, popularność rekuperacji oraz pomp ciepła powoduje, że w rzeczywistości każdy nowy budynek mający to rozwiązanie można wyposażyć w chłodnicę kanałową.
Omawiając klimat powietrza w domu, tak jak już wspomniałem, należy pamiętać, że każdy jest inny i o ile w przypadku wentylacji mechanicznej brak indywidualnego podejścia często nie przekłada się w znaczący sposób na efekt końcowy, o tyle w przypadku chłodzenia powietrzem może skończyć się dużymi nakładami finansowymi, które nie przyniosą oczekiwanych rezultatów.
Układy oparte o chłodzenie powietrzem, jak każde rozwiązanie mają swoje wady i zalety, natomiast podstawą jest to, żeby je dobrze poznać i potrafić wykorzystać w sprzyjających warunkach. Finalnie to znajomość podstawowych, ale również zaawansowanych aspektów klimatyzacji oraz chłodzenia powietrzem daje możliwość wykonania instalacji, która spełni swoją rolę.

Bezpłatna prenumerata