fotowoltaika
 energia elektryczna ze Słońca
 wentylacyjna z odzyskiem ciepła
     rekuparatory
 klimatyzatory

Klimatyzacja - Podstawy

Pojęcie klimatyzacji w obecnej dobie dynamicznego rozwoju myśli naukowej ma bardzo szerokie spektrum. Wraz ze wzrastającym poziomem życia oraz tendencją do racjonalnego wykorzystania energii oczekujemy od klimatyzacji, by utrzymywała powietrze w pomieszczeniach w takim stanie, aby jego czystość, temperatura i wilgotność pozostały w określonych granicach.

Z wieloletnich badań prowadzonych w naszej strefie klimatycznej wynika, że latem najlepiej czujemy się wtedy, gdy temperatura powietrza wynosi 23 – 26 °C, a jego wilgotność 40-60 %. Gdy temperatura rośnie, zaczynamy się pocić, gdyż w ten sposób nasz organizm oddaje nadmiar ciepła. Gdy wilgotność spada, nasze samopoczucie od razu się poprawia, mimo że nadal jest gorąco.

Temperatury nie można obniżać w sposób dowolny, gdyż groziłoby to przeziębieniem. Przyjmuje się, że różnica temperatury pomiedzy pomieszczeniem klimatyzowanym a nieklimatyzowanym nie powinna przekraczać 7 °C. Drugim istotnym parametrem mającym wpływ na komfort przebywania w pomieszczeniu klimatyzowanym jest prędkość przepływu powietrza. Jeżeli będzie ona większa niż 0,2 m/s, odczujemy to jako przeciąg, zwłaszcza gdy jesteśmy spoceni.

Oprócz funkcji schładzania powietrza większość obecnie produkowanych klimatyzatorów posiada szereg funkcji poprawiających jakość powietrza w pomieszczeniu.

  • Ogrzewanie powietrza
  • Osuszanie bądź nawilżanie powietrza
  • Oczyszczanie powietrza z kurzu i nieprzyjemnych zapachów za pomocą filtrów z aktywnym węglem
  • Oczyszczanie powietrza z roztoczy, alergenów oraz bakterii za pomocą jonowego filtra plazmowego

 

Podział tematyczny:

1.   Podział klimatyzacji
2.   Ekonomiczne aspekty klimatyzacji
3.   Czynniki chłodnicze

 

1. Podział klimatyzacji

Ogólnie klimatyzację możemy podzielić na :

  • klimatyzację komfortu - projektowana pod kątem zapewnienia najkorzystniejszych warunków funkcjonowania człowiekowi
  • klimatyzację precyzyjną – projektowana pod kątem zapewnienia najkorzystniejszych warunków dla pomiarów, pracy urządzeń i procesów technologicznych

Mówiąc o klimatyzacji komfortu wyróżniamy szereg urządzeń, które realizują to zadanie z mniejszym lub większym efektem:

  • Klimatory, klimatyzery lub inaczej klimatyzatory ewaporacyjne – grupa urządzeń wyposażonych w wentylator i zbiornik z wodą, która odparowując odbiera ciepło z przepływającego przez urządzenie powietrza
  • klimatyzatory przenośne monoblokowe – konieczność wystawienia przez okno jednej lub dwóch rur odprowadzających ciepłe powietrze
  • jednostki typu compact – wszystkie elementy klimatyzatora zamknięte w jednej obudowie
  • jednostki typu split, złożone z jednostki wewnętrznej umieszczonej w pomieszczeniu oraz jednostki zewnętrznej umieszczonej poza budynkiem. W jednostce wewnętrznej znajdują się tylko cicho pracujące elementy – skraplacz i wentylator, zapewniające minimalny hałas w pomieszczeniu, natomiast w zewnętrznej jednostce umieszczone są pozostałe głośne elementy klimatyzatora
  • systemy multisplit – układ złożony z jednej jednostki zewnętrznej do której podłączone jest od 2 do 5 jednostek wewnętrznych
  • systemy VRV i VRF
  • układy wody lodowej

W zakresie dużej grupy klimatyzatorów typu Split możemy wyróżnić następujące typy urządzeń:

  • naścienne - instalowane na ścianach
  • podstropowe – mocowane w pozycji poziomej pod sufitem, na podłodze lub ścianie
  • międzystropowe – mocowane w przestrzeni między stropem a sufitem podwieszanym, często przystosowane do montażu z systemem rozprowadzania schłodzonego powietrza odpowiednimi kanałami po całym pomieszczeniu
  • kasetonowe – montowane w przestrzeni międzystropowej, z pomieszczenia widoczny tylko dolny front urządzenia, którym powietrze jest zasysane i nawiewane do pomieszczenia
  • szafowe

Jak działa klimatyzacja?

Działanie klimatyzacji opiera się na wykorzystaniu właściwości termodynamicznych substancji. Wykorzystywane są dwie właściwości cieczy i gazów. (…czytaj dalej…) Podczas sprężania gazu następuje wzrost jego temperatury, natomiast gwałtowne parowanie obniża temperaturę cieczy. Klimatyzator wykorzystuje te dwa zjawiska w układzie zamkniętym, w którym czynnik chłodniczy jest nieustannie skraplany i odparowywany.

Klimatyzator składa się z sześciu podstawowych elementów: dwóch wymienników ciepła – parownika i skraplacza, sprężarki i zaworu rozprężnego oraz dwóch wentylatorów wymuszających przepływ powietrza przez wymienniki.

Schemat pracy wygląda następująco: czynnik chłodniczy w fazie ciekłej dostaje się do parownika – jest to ta część klimatyzatora, która znajduje się w pomieszczeniu (jednostka wewnętrzna). W parowniku następuje parowanie czynnika chłodniczego przepływającego przez lamele i tym samym schłodzenie parownika. Wentylator znajdujący się w jednostce wymusza ruch powietrza przez jednostkę wewnętrzną – ciepłe powietrze z pomieszczenia zostaje zassane a przepływając przez ochłodzony parownik zostaje schłodzone i ponownie wraca do pomieszczenia jednak już ze znacznie niższą temperaturą. Czynnik chłodniczy po odparowaniu, w postaci gazu zostaje zassany do sprężarki, a dalej do skraplacza, gdzie następuje jego skroplenie i oddanie ciepła poprzez jednostkę zewnętrzną do atmosfery. W jednostce zewnętrznej również wentylator wymusza ruch powietrza aby przyspieszyć wymianę z otoczeniem. Skroplony czynnik chłodzący poprzez zawór rozprężny zamienia się ponownie w gaz i trafia z powrotem do jednostki wewnętrznej, gdzie cykl zaczyna się od nowa. Jednostka wewnętrzna i zewnętrzna są połączone ze soą za pomocą dwóch rurek miedzianych – jedna doprowadza skroplony czynnik z jednostki zewnętrznej do jednostki wewnętrznej, druga odprowadza rozprężony gaz z jednostki wewnętrznej do jednostki zewnętrznej. Obniżenie temperatury w parowniku jednostki wewnętrznej powoduje skroplenie się pary wodnej występującej w powietrzu przepływającym przez jednostkę. Skroplona para wodna spływa do tacy umieszczonej pod parownikiem a dalej jest odprowadzana grawitacyjnie lub za pomocą pompki elektrycznej na zewnątrz pomieszczenia – np. do zlewu lub kanalizacji.

Większość klimatyzatorów jest obecnie wyposażona w układ sterowania umożliwiający automatyczne utrzymywanie w pomieszczeniu wybranej wartości temperatury – elementem sterującym jest tutaj pilot.

W prostszych urządzeniach rozwiązano to na zasadzie zmiany intensywności nawiewu – im większa moc chłodnicza jest potrzebna, tym wentylator obraca się szybciej. Przy mniejszym zapotrzebowaniu na chłód obroty wentylatora są wolniejsze. Jednak jego sprężarka pracuje ze stałą wydajnością, uruchamiając się w okresowo.

Bardziej zaawansowane obecnie urządzenia posiadają falownik czyli tzw. inwerter, umożliwiający płynna regulację prędkości obrotowej silnika sprężarki. Pozwala to na precyzyjne dostosowanie wydajności sprężarki do aktualnego zapotrzebowania na chłód. Wpływa to bardzo korzystnie na pobór energii elektrycznej, gdyż silnik sprężarki jest elementem o największym zapotrzebowaniu na moc elektryczną, a jednocześnie płynna i ciągła praca sprężarki wydłuża znacznie jej żywotność. Różnice w kosztach eksploatacji obu urządzeń o tej samej mocy chłodniczej mogą oscylować w granicach od 20 do 50 % !

 

2. Ekonomiczne aspekty klimatyzacji

Moc to ilość wykonanej pracy w jednostce czasu. Zgodnie z układem jednostek miar SI podawana jest w Watach (W). W przypadku urządzeń klimatyzacyjnych mamy do czynienia z kilkoma wartościami mocy urządzenia.

  • Moc nominalna – ilość zużywanej energii elektrycznej; zazwyczaj podawana jest z podziałem na chłodzenie i grzanie
  • Moc chłodzenia i grzania – ilość odbieranej lub dostarczanej do pomieszczenia energii cieplnej

Moc grzewcza lub chłodząca urządzeń klimatyzacyjnych jest kilkukrotnie wyższa od mocy podstawowej urządzenia i jest często określana jako wydajność urządzenia.

Stosunek mocy uzyskiwanej do mocy nominalnej:

  • w przypadku chłodzenia wskaźnik EER (The Energy Efficiency Ratio)
  • w przypadku grzania wskaźnik COP (The coefficient of performance)

Przykładowo, jeśli EER wynosi 3, oznacza to, że na jedną jednostkę zużytego prądu urządzenie dostarcza trzy jednostki energii chłodniczej lub grzewczej.

Nominalne zużycie prądu przez standardowy klimatyzator montowany w domach waha się od około 0,5 kW do 2 kW. Podane wartości zużycia prądu odnoszą się do włączonego i pracującego w trybie ciągłym klimatyzatora. W rzeczywistości zużycie jest zdecydowanie niższe, gdyż klimatyzator uruchamia się, na okres schłodzenia pomieszczenia do określonej temperatury, a następnie wyłącza. 

 

Na wielkość potrzebnej mocy chłodniczej lub grzewczej klimatyzatora mają wpływ następujące cechy urządzenia:

  • długość ścian wewnętrznych i zewnętrznych
  • usytuowanie pomieszczenia w budynku
  • powierzchnia okien na poszczególnych ścianach
  • rodzaje zamontowanych przeszkód na oknach: żaluzje zewnętrzne i wewnętrzne, folie odbijające światło
  • izolacje termiczne przegród: ścian podłóg i stropów
  • sąsiedztwo pomieszczeń klimatyzowanych
  • zyski ciepła od urządzeń i osób na stałe przebywających w pomieszczeniach

Moc klimatyzatora, jaki mamy zamiar zastosować w pomieszczeniu zostaje dobrana przez odpowiedni program przy uwzględnieniu powyższych parametrów.

Inną, prostszą metoda choć mniej dokładną, jest przyjęcie metody wskaźnikowej. Polega ona na założeniu że, na każdy m2 pomieszczenia powinno przypadać od 80 do 150 W energii chłodniczej. W tym wypadku do schłodzenia pomieszczenia o powierzchni 15-30 m2 należy dobrać klimatyzator o mocy od 2 do 2,5 kW.

Klimatyzator oprócz funkcji chłodzenia to bardzo wydajne i ekonomiczne źródło ciepła. Koszt ogrzewania pomieszczenia klimatyzatorem jest od 3 do 5 razy tańsze od ogrzewania elektrycznego. Należy tylko pamiętać, że ze względu na właściwości czynnika roboczego i rozwiązania konstrukcyjne, klimatyzator nie może być używany jako źródło ciepła, gdy temperatura spada poniżej określonej wartości (w zależności od modelu od 0 do - 25 stopniu Celsjusza). Możliwe jest zamontowanie dodatkowego modułu, który pozwala na całoroczną pracę układu, lub zamontowanie takiego klimatyzatora, którego zakres pracy jest szeroki (nawet do minus 25).

 

3. Czynniki chłodnicze

Czynniki chłodnicze wykorzystywane w chłodnictwie i klimatyzacji, to substancje, które pracując przy niskich temperaturach i niskich ciśnieniach, pobierają ciepło od najbliższego otoczenia, w ten sposób obniżając jego temperaturę.  Klasyfikacja czynników pod względem ich składu przedstawia się następująco:

  • Czynniki jednoskładnikowe (jednorodne substancje chemiczne), np. amoniak, propan, R134a
  • Czynniki azeotropowe (czynniki o składzie kilku substancji jednoskładnikowych zachowujące się w trakcie wrzenia i skraplania jak czynniki jednoskładnikowe (R507, R508, R509).
  • Czynniki zeotropowe, podobnie jak mieszanki azeotropowe charakteryzujące się poślizgiem temperaturowym (np. R401B, R401C,R407C)
  • Czynniki bliskozeotropowe - mieszanki o niewielkim poślizgu temperaturowym (np. R410A).

Oferta produktów