Znaczny rozwój technologiczny zaowocował szerokim wykorzystaniem (obecnie stosunkowo niedrogich) urządzeń chłodniczych i klimatyzacyjnych, które w istotny sposób poprawiają jakość życia i pracy ludzi. Systemy chłodnicze najczęściej kojarzą się z przechowywaniem żywności, a układy klimatyzacyjne z zapewnieniem komfortu cieplnego użytkownikom. Prawidłowo projektowanie i montowanie takich instalacji klimatyzacyjnych wymaga wiedzy teoretycznej z zakresu sposobu działania urządzeń i ich optymalnego doboru do konkretnych obiektów.

Zastosowanie systemów klimatyzacyjnych w krajach rozwiniętych jest znaczące i z każdym rokiem rośnie. Na przykład w Stanach Zjednoczonych dwie trzecie domów jest wyposażonych w klimatyzatory. W przyszłości należy spodziewać się dalszego, intensywnego rozwoju tej branży.

Co to jest komfort cieplny

Klimatyzacja może być wykorzystywana w zastosowaniach przemysłowych w celu uzyskania wymaganych parametrów powietrza z uwagi na prowadzone procesy produkcyjne, np. w zakładach farmaceutycznych. Jednak w większości przypadków najistotniejszą kwestią jest zapewnienie komfortu cieplnego dla użytkowników budynków. Komfort cieplny można zdefiniować jako pozytywne uczucie niedoświadczenia chłodu bądź gorąca. Wpływa to na wiele czynników i jest to wrażenie subiektywne – nie wszyscy ludzie w danym pomieszczeniu będą czuć się komfortowo przy takich samych parametrach powietrza.

Na to czy ludzie w pomieszczeniu odczuwają ciepło czy chłód decydujący wpływ ma m. in. temperatura powietrza i jej rozkład, wilgotność względna powietrza, średnia temperatura powierzchni otaczających, prędkość powietrza , natężenie pracy, itp. Temperatura powietrza jest wielkością bardzo subiektywną i powinna być brana pod uwagę wraz z innymi parametrami. Można stwierdzić, że biorąc pod uwagę fizjologię człowieka, temperatury powyżej 20⁰C potrzebne są jedynie dla osób chorych  i starszych. Jednak należy zaznaczyć, że przekroczenie temperatury w górę jest rzadziej kwestionowane niż przekroczenie w dół o taką samą wartość.

Urządzenia klimatyzacyjne

Klimakonwektory wentylatorowe

Wiele czynników wpływa na wybór właściwego sposobu przygotowania powietrza w konkretnym budynku. Projektant bierze pod uwagę zyski ciepła, które należy usunąć, koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, wymagany poziom regulacji parametrów powietrza, opinię inwestora i jego potrzeby.

Jednym z najprostszych sposobów zapewnienia odpowiednich warunków temperaturowych, zarówno w zimie jak i w lecie, są klimakonwektory wentylatorowe (znane też pod angielską nazwą fan coil). Urządzenia te można montować do ścian czy stropów. W ich budowie wyróżniamy m.in. wymiennik (wymienniki) ciepła, wentylator i filtr. Do wymiennika w zimie dostarczana jest woda grzewcza, natomiast latem chłodzenie zapewnia woda lodowa. Fan coil cechuje prosta obsługa i łatwość kontroli ich pracy, niewielki koszt, jednak problemem mogą być niedogodności związane z hałasem. W urządzeniach tych następuje mieszanie zewnętrznego powietrza świeżego z obiegowym w celu zapewnienia lepszych warunków środowiska wewnętrznego. Zadaniem wentylatora jest intensyfikacja wymiany ciepła między powietrzem a wymiennikiem, jak wywołanie odpowiedniego przepływu powietrza do pomieszczenia. Klimakonwektory wentylatorowe są często stosowane w budynkach biurowych i hotelach.

Urządzenia zintegrowane klimatyzacji

Urządzenia zintegrowane – często nazywane klimatyzatorami okiennymi – zawierają w sobie wszystkie elementy niezbędne do samodzielnej pracy. Najczęściej ich moc chłodnicza waha się w przedziale od 0,75 kW do 6 kW, chociaż dostępne są jednostki o mocach sięgających 100 kW, np. do instalacji w magazynach. Niewątpliwą korzyścią ich zastosowania jest niewielki koszt i oszczędność miejsca. Natomiast do wad zaliczyć należy konieczność wykonania dużych otworów w przegrodach zewnętrznych i emitowanie znaczącego hałasu. W urządzeniu wyróżnić można część zewnętrzną i wewnętrzną – oddzielone izolowaną przegrodą. W części wewnętrznej znajduje się parowacz, zlokalizowany za przednim panelem. Odpowiednie ustawienie łopatek kierunkowych w panelu umożliwia regulację kierunku strumienia powietrza. Ponadto panel sterujący temperatury służy do jej regulacji.  W części zewnętrznej następuje usuwanie ciepła do otoczenia. Odbywa się to w skraplaczu, W części zewnętrznej następuje usuwanie ciepła do otoczenia. Odbywa się to w skraplaczu. Urządzenie zawiera w sobie wentylatory w celu wymuszenia przepływu powietrza prze oba wymienniki ciepła.

Urządzenia typu split

Urządzenia typu multi-split

Centrale klimatyzacyjne

W centrali klimatyzacyjnej mieszczą się urządzenia do oczyszczania, ogrzewania, chłodzenia, nawilżania, suszenia i tłoczenia powietrza. Na wejściu centrali klimatyzacyjnej znajduje się komora mieszania, w której powietrze usuwane z pomieszczenia miesza się ze świeżym powietrzem zewnętrznym. Ilość powietrza regulowana jest przepustnicami. Dalej jest zainstalowany filtr, który ma usuwać kurz, dym czy zawiesiny tak, aby nawiewać czyste powietrze i nie powodować gromadzenia się zanieczyszczeń w elementach systemu klimatyzacyjnego, tj. w urządzeniach i kanałach. Nagrzewnica wstępna ma za zadanie ogrzewać powietrze zmieszane, gdy jest to niezbędne dla osiągniecia warunków komfortu w pomieszczeniu. W lecie temperatura powietrza jest redukowana w chłodnicy. Chłodnica z jednej strony ochładza powietrze, a z drugiej – jeśli jest potrzeba – osusza je poprzez wykroplenie nadmiaru wilgoci. Kolejnym elementem jest komora nawilżania, która służy do zwiększania zawartości wilgoci w powietrzu. Odbywa się to albo za pomocą pary, albo za pomocą wody rozpylanej pod wysokim ciśnieniem z dysz, gdzie następnie powietrze przechodzi przez nagrzewnicę wtórną. Tutaj temperaturę powietrza doprowadza się do takiej wartości, aby zapewniała odpowiednie warunki komfortu w pomieszczeniach. W przypadku gdy centrala ma ogrzewać pomieszczenie, temperatura ta jest wyższa niż temperatura w pomieszczeniu a jeśli centrala służy do chłodzenia ( w lecie), to temperatura powietrza nawiewanego ma być niższa niż temperatura panująca w pomieszczeniu. Wentylator ma za zadanie dostarczyć powietrze z  centrali w odpowiedniej ilości, zapewniając pokonanie liniowych i miejscowych oporów przepływu. Wentylator jest napędzany silnikiem elektrycznym. Prędkość wentylatora może być modulowana płynnie, lub mieć jedną lub kilka ustalonych wartości. Za centralą klimatyzacyjną montuje się tłumiki, w celu zmniejszenia uciążliwości związanych z hałasem generowanym poprzez wentylator.

Wyróżnia się centrale urządzenia klimatyzacyjne jednokanałowe, które dostarczają powietrze przygotowane w centrali jednym kanałem do poszczególnych pomieszczeń i dwukanałowe. Na przewodach w układzie jednokanałowym mogą znajdować się na przykład nagrzewnice, które regulują temperaturę dla danego pomieszczenia lub grupy pomieszczeń. W urządzeniach dwukanałowych istnieją dwie sieci – jedna rozprowadza powietrze ciepłe, a druga zimne. W pomieszczeniu następuje zmniejszanie tych strumieni za pomocą klap regulowanych sygnałem temperatury pomieszczenia.

Jeśli centrala ma służyć jedynie nawiewaniu powietrza, to jest to centrala nawiewna, jednak zwykle stosuje się centrale nawiewno-wywiewne. Wówczas wentylator zamontowany jest w części nawiewnej, aby dostarczać powietrze do pomieszczeń, jak i w części wywiewnej – w celu jego usunięcia. Dodatkowym elementem może być wymiennik ciepła (najczęściej obrotowy), którego zadaniem jest odzysk ciepła z powietrza usuwanego. Dobór centrali w praktyce odbywa się w oparciu o programy doboru, w których zadaje się wymagane parametry pracy. Jednak często praca projektanta sprowadza się do przesyłania danych, na przykład o koniecznym sprężeniu, strumienie objętości powietrza firmie produkującej centrale, która na tej podstawie proponuje poszczególne elementy składowe systemu.

Inne rozwiązania chłodzenia pomieszczeń

W specyficznym przypadku możliwe jest zastosowanie różnych innych metod chłodzenia pomieszczeń. Na przykład w serwerowniach, w których generowane są znaczne zyski ciepła, stosuje się systemy podłogowe dostarczające od dołu chłodne powietrze. W tym przypadku jako źródło chłodu można wykorzystać wodę logową, lub układ z bezpośrednim odparowaniem. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie w pomieszczeniach belek lub sufitów chłodzących. Wówczas woda lodowa przepływa w panelach lub belkach. Warto zwrócić uwagę na to, że temperatura nośnika powinna być na tyle wysoka, żeby uniemożliwić wykraplanie się pary wodnej na powierzchni. W konsekwencji rzutuje to na wymaganą wielkość powierzchni wymiany ciepła. Jednak system ten jest wysoce wydajny energetycznie. Dodatkową korzyścią  jest także brak niedogodności związanych z hałasem.

ZAPOTRZEBOWANIE NA CHŁÓD

Jakie są źródła zysków ciepła

Wyznaczenie zapotrzebowania na chłód jest jednym z podstawowych elementów projektu systemu klimatyzacji lub wentylacji z chłodzeniem dla zadanego obiektu. Zapotrzebowanie na chłód określa jak duża jest wymagana moc chłodnicza, aby w pomieszczeniu zapewnić warunki komfortu cieplnego lub spełnić wymagania technologiczne procesów przemysłowych na przykład w zakładach farmaceutycznych. Po określeniu zapotrzebowania na chłód możliwe jest dobranie niezbędnych urządzeń. 

Istnieje szereg sposobów określenia zapotrzebowania na chłód – począwszy od prostych metod wskaźnikowych po dużo bardziej skomplikowane, na których bazuje specjalistyczne oprogramowanie komputerowe. W wielu zastosowaniach inżynierskich metoda uproszczona wydaje się być wystarczająca i odpowiednia przykładowo dla niewielkich obiektów. Jednak systemy chłodzenia dla budynków wielkokubaturowych powinny być projektowane w oparciu o dokładne algorytmy obliczeniowe. Określenie całkowitego zapotrzebowania na chłód wymaga wiedzy na temat zewnętrznych i wewnętrznych źródeł ciepła czy zysków ciepła jawnego i utajonego. Po przeprowadzeniu obliczeń powinno się uwzględnić 10% dodatku i dopiero wówczas dobrać odpowiednie urządzenie.