Klimatizácia s priamym chladením (1. časť)

Systémy klimatizácie s chladením môžeme analyzovať v závislosti od toho, či je nositeľom chladu (tepla) z chladiacej a kondenzačnej jednotky chemické chladivo, alebo chladená (zohriata) voda. Ďalšími možnosťami, ako sú klimatizácie s vodnými okruhmi alebo akumuláciou chladu či chladené stropy a pod., sa tento článok nezaoberá.

Vo všeobecnosti je klimatizácia (Air Conditioning) výraz pre techniku, ktorá môže vykonávať až štyri termodynamické funkcie, ako sú vykurovanie, chladenie, zvlhčovanie a odvlhčovanie. V uzavretých priestoroch sa vytvárajú podmienky nezávislé od vonkajších vplyvov, ktoré v celom rozsahu vyhovujú fyziologicky podmieneným požiadavkám človeka potrebné na jeho fyzickú alebo duševnú činnosť. Klimatizácia nezlepšuje prirodzené prostredie. Žiaľ, bez nej to v moderných, a najmä výškových budovách už nejde. Klimatizácia zabezpečuje pocit pohody, na ktorý okrem teploty vzduchu v miestnosti, rýchlosti prúdenia vzduchu a vlhkosti vplýva teplota stien, stropu, podlahy, okien, prašnosť, pachy a hluk.

V lete klimatizácia najmä chladí, odvlhčuje a filtruje vzduch. Predovšetkým však eliminuje nadmerné teplo z miestnosti. Čím väčšia je tepelná záťaž, tým väčšie, energeticky náročnejšie a drahšie musí byť klimatizačné zariadenie. Preto v prvom rade treba urobiť opatrenia na zníženie tepelnej záťaže, a to najmä z oslnenia a produkcie nadmernej vlhkosti.

Komfortná a presná klimatizácia – zásady použitia

Komfortná klimatizácia sa navrhuje tak, aby odvádzala nadmerné teplo (vyprodukované osobami aj technikou, resp. zariadením), zlepšovala kvalitu vzduchu a obnovovala príjemné pracovné a iné podmienky. Najväčšiu pozornosť si v tomto smere vyžadujú kancelárie s osobnými počítačmi.

Presná klimatizácia sa vyžaduje najmä v priestore, kde sa sústreďuje výhradne technológia (elektronické zariadenie), čiže tam, kde je veľká tepelná záťaž na malej ploche alebo kde je požiadavka na pomerne presnú reguláciu teploty, prípadne vlhkosti. Zvyčajne to býva v IT miestnostiach, telefónnych ústredniach, tlačiarňach, archívoch, laboratóriách a pod.

Aj keď to na prvý pohľad nie je zrejmé, tieto systémy sa zásadne odlišujú, preto je nevyhnutné využiť ich prednosti na dané aplikácie. Tak ako neinštalujeme do bežných kancelárií výkonné, rozmerné a spoľahlivé systémy presnej klimatizácie, tak nenavrhujeme a neinštalujeme jednotky komfortnej klimatizácie jednoduchšie z hľadiska konštrukcie a dizajnu do náročných priestorov technologických miestností.

Pri výbere komfortnej klimatizácie berieme do úvahy predovšetkým typ stavby, účel využitia a rozsah úpravy vzduchu. Zvažujeme, či ide o rodinný dom, podkrovie, kanceláriu, zasadačku, obchod, reš­tauráciu, alebo IT miestnosť. Chladiaci výkon výrobca udáva ako celkový, a to najčastejšie za takýchto podmienok: teplota v miestnosti 27 °C, relatívna vlhkosť 50 % a teplota okolia 35 °C.

Sortiment vnútorných klimatizačných jednotiek je široký – či už ide o nástenné, podstropné, kazetové, kanálové, alebo parapetné jednotky. Možno ich použiť od najjednoduchšieho systému s jednou vonkajšou a jednou vnútornou jednotkou cez multi systémy, pri ktorých je na jednu vonkajšiu jednotku pripojených viacej vnútorných jednotiek podľa počtu miestností, až po tzv. systémy s variabilným prietokom chladiva, umožňujúce kombinovať viac vonkajších jednotiek a dopravovať chladivo na väčšie vzdialenosti.

Jednotky presnej klimatizácie sú určené na odvod odpadového tepla, zaisťujú optimálnu mikroklímu z hľadiska teploty a vlhkosti na prevádzku citlivých technologických zariadení. Sú to zväčša jednotky s vežovým, resp. skriňovým vyhotovením (pri malých výkonoch môžu byť aj podstropné alebo parapetné). Sú stavané na celoročnú prevádzku, a tak umožňujú energeticky výhodné voľné chladenie pri nižších teplotách vonkajšieho vzduchu.

Umiestnenie vonkajších a vnútorných jednotiek

Na delených zariadeniach (splitoch) pamätáme na maximálnu vzdialenosť vonkajšej a vnútornej jednotky a na jej prevýšenie.

Vnútornú jednotku, v ktorej je chladič vzduchu, umiestňujeme tak, aby sa z nej vystupujúci vzduch v priestore vhodne distribuoval a neobťažoval prievanom.

Filtrácia a úprava vyfukovaného vzduchu

Vlastnosti filtračných materiálov pre vzduchové filtre sa neustále zlepšujú a zaradili sa medzi ne už aj dezodorizačné vlastnosti. Trojstupňové filtre najskôr odstraňujú zo vzduchu veľké i malé častice, potom cez elektrostatický filter pohlcujú škodliviny a cez zeolitový, uhlíkový filter dym a pachy vo vzduchu.

Katechínový dezodorizačný a iné filtre zachytávajú a inaktivujú aj mikroskopické vírusy a baktérie. Tým, že ich zneškodňujú, zabraňujú šíreniu nákazlivých chorôb. Iónový osviežovač generuje negatívne ióny, ktoré vo všeobecnosti pôsobia na ľudí osviežujúco. Aj obohacovanie kyslíkom môže byť dôležité. Obsah kyslíka vo vzduchu v miestnosti môže klesnúť pod 21 %, typických pre koncentráciu v prírode, a môže tak spôsobiť pocit nepríjemne vydýchaného vzduchu. Zvláčňovanie privádzaného vonkajšieho vzduchu sa dosahuje nielen zvlhčovaním, reguláciou a menením smeru jeho prietoku, nočnou stíšenou prevádzkou, ale aj emisiou vitamínov a kyseliny hyalurónovej.

Rozdelenie klimatizačných zariadení

Klimatizačné zariadenia so vzduchom chladenými kondenzátormi a s možnosťou reverzácie chladiaceho okruhu na chladenie i ohrev vzduchu sa delia do týchto štyroch kategórií na základe výkonu alebo aplikácie:

• okenné alebo stenové a mobilné,
• blokové (kompaktné),
• potrubné delené,
• bezpotrubné delené.

Klimatizačné zariadenie na jednu miestnosť stojí 15- až  200-tisíc Sk. Vetranie sa zväčša rieši ako nezávislé. Nútené vetranie sa čoraz častejšie vybavuje rekuperátormi tepla, ktoré umožňujú využívať teplo z odpadového vzduchu a ktoré v nízkoenergetických domoch môžu využiť i tepelné čerpadlá. Objavujú sa už aj absorpčné zariadenia v kombinácii so solárnym systémom. Tie sú však zatiaľ veľmi drahé.

Okenné alebo stenové a mobilné klimatizácie

Klimatizačné zariadenia montované do okien alebo do stien sa konštruujú na chladenie jedného priestoru – izby, kancelárie, a to podobne ako mobilné zariadenia. Sú pomerne malé a lacné, preto sa stali východiskom pri klimatizovaní kancelárií a obchodov. Okenné i mobilné jednotky rýchlo strácajú podiel na trhu v prospech delených jednotiek. Mobilné jednotky sa považujú len za lacnejší štart pre pevnú klimatizáciu.

Komerčné blokové (kompaktné) klimatizácie

Tieto klimatizačné zariadenia sa vyrábajú v dvoch variantoch: ako delené systémy s vonkajšou a vnútornou jednotkou a blokové (kompaktné) jednotky integrujúce vonkajšiu a vnútornú jednotku, napojené na vzduchový distribučný systém.

Väčšina týchto klimatizačných zariadení sa montuje na strechy (rooftops) obchodov, úradov alebo priemyselných hál. Viaceré blokové jednotky osadené s viacerými kompresormi sa využívajú na klimatizáciu stredne veľkých celkov. Výhodou blokových jednotiek je okrem iného aj menšia dávka chladiva a takisto vyššia tesnosť vzhľadom na výrobu i skúšanie kompletného výrobku u výrobcu.

Potrubné delené klimatizácie

Tieto klimatizácie dominujú v severnej Amerike, kde centrálne vykurovacie systémy so vzduchom vyžadujú inštaláciu potrubí, ktoré zásobujú ohrievaným vzduchom každú miestnosť. V tomto prípade sa vonkajšia jednotka s kompresorom a výmenníkom tepla tiež umiestňuje mimo klimatizovaného priestoru. Do potrubného systému sa montuje vnútorná jednotka s výmenníkom tepla, cez ňu prechádzajúci vzduch z miestnosti sa chladí alebo ohrieva a vedie späť potrubiami do jednotlivých miestností.

Bezpotrubné delené – split klimatizácie

Delené – split klimatizačné zariadenia majú jednotku s kompresorom a výmenníkom tepla inštalovanú oddelene od priestoru s vnútornou jednotkou s výmenníkom tepla, ktorého vzduch sa chladí alebo ohrieva. Vonkajšia jednotka je prepojená s jednou alebo viacerými (multisplit) vnútornými jednotkami potrubiami s chladivom. Jedna vonkajšia jednotka môže pracovať s viacerými vnútornými jednotkami, ktoré ohrievajú alebo chladia vzduch v miestnosti.

Tieto klimatizačné zariadenia sa používajú na klimatizáciu obchodných priestorov, kancelárií, bytov alebo rodinných domov. Dvojpolohová regulácia výkonu je už zriedkavá. Zmena otáčok elektromotorov stupňovitou zmenou frekvencie napätia ustupuje v prospech elektromotorov na jednosmerný prúd so spojitou zmenou výkonu, počtu otáčok – invertor. Predaj split klimatizácií má nielen najväčší podiel na trhu, ale zaznamenáva aj najväčší rast. Sem patria aj tzv. systémy s premenlivým tokom chladiva.

Orientačný priemerný chladiaci výkon potrebný na vychladenie bežnej miestnosti (15 až 20 m2) je asi 30 W/m3, resp. 100 W/ m2.		Split systém, ktorý umožňuje zvlhčovanie a odvlhčovanie bez externého použitia vody.

Systémy s premenlivým tokom chladiva

Najnovšie systémy tohto typu umožňujúce zároveň chladiť i vykurovať chladivom R410A prinášajú najmä väčšie možnosti, ktoré spočívajú v zvýšení regulovateľného chladiaceho výkonu kombináciou viacerých vonkajších jednotiek, čo umožňuje:

• pripojenie väčšieho počtu vnútorných jednotiek,
• zvýšenie celkovej dĺžky potrubia,
• väčšie prevýšenie medzi vnútornými jednotkami a vonkajšou jednotkou.

Na trhu je viac ako 10 druhov so značným počtom modelov vnútorných jednotiek s chladiacim výkonom od 2 do 12,5 kW. Invertorové kompresory dosahujú až 8 400 otáčok za minútu pri vyrovnanej účinnosti aj pri frekvencii 240 Hz.

Klimatizácia a tepelné čerpadlá vzduch – vzduch

Moderné klimatizačné zariadenia môžu vzduch v miestnosti nielen chladiť, ale i ohrievať. Vtedy ide o tepelné čerpadlo, ktoré prečerpáva teplo zvonku do miestnosti a môže pracovať i pri záporných teplotách vonkajšieho vzduchu. Všeobecne platí, že vykurovanie tepelným čerpadlom je zatiaľ problematické z dôvodu vysokej nadobúdacej ceny. V prípade klimatizácie, ktorej cieľom je chladiť, je to inak. Zvýšenie nadobúdacej ceny klimatizácie s funkciou tepelného čerpadla nie je významné a návratnosť je rýchla. Zároveň sa predlžuje využiteľnosť pomerne drahého klimatizačného zariadenia počas dlhšieho obdobia v roku.

Tepelné čerpadlá vzduch – vzduch v moderných klimatizačných systémoch s premenlivým tokom chladiva umožňujú vykurovať i pri teplote vonkajšieho vzduchu –25 °C. To už však ide o špeciálne systémy s pridaným druhým stupňom kompresie, ktorý umožňuje nielen vykurovať pri nízkych teplotách vonkajšieho vzduchu s nižším poklesom výkonového čísla, ale umožňuje aj rýchlejší nábeh požadovanej teploty. Vďaka pripojeniu druhého stupňa kompresie (samostatného kompresora) možno zvýšiť kondenzačný výkon pri reverzácii chladiaceho okruhu, a tým urýchliť odmrazovanie. Odmrazovanie je štandardne energeticky najefektívnejšie riešené reverzáciou chladiaceho okruhu.

Inou možnosťou je použitie systémov podchladzovania kvapalného chladiva pred expanzným ventilom v samostatnom výmenníku priamou expanziou chladiva s odvodom pár chladiva do uzatvoreného kompresného priestoru scroll alebo skrutkového kompresora. Tak sa umožní komprimovať pary chladiva aj pri veľmi nízkych teplotách vonkajšieho vzduchu.

Súčasné chladenie i vykurovanie

Energeticky najvýhodnejším je klimatizačný systém, ktorý zároveň chladí i vykuruje alebo pripravuje teplú vodu. Tieto systémy možno aplikovať v niektorých inteligentných budovách, v ktorých prečerpávajú teplo z miestností, kde je ho prebytok, do miestností, kde je ho práve nedostatok. Takýto systém je výhodný napr. v predajniach potravín, kde na jednej strane treba chladiť a mraziť potraviny a nápoje a na druhej strane sa predajňa musí vykúriť. Integrácia chladenia, mrazenia a vykurovania do jedného systému umožní výhodne využiť súčasnú výrobu chladu i tepla v prechodných obdobiach aj v zime z toho istého chladiaceho okruhu.

Zvlhčovanie a odvlhčovanie

Vnútorná jednotka odvlhčuje pri nízkej výparnej teplote (pod teplotou rosného bodu) kondenzáciou vzdušnej vlhkosti na výparníku (odvlhčovanie chladením). Táto funkcia sa využíva v lete, keď aj pri miernych teplotách môže vysoká miera vlhkosti spôsobiť pocit dusna. Dôležité je pri odvlhčovaní vzduchu neznížiť príliš jeho teplotu.

Split jednotky s priamou expanziou dokážu v zime vzduch v miestnosti nielen ohrievať, ale aj zvlhčovať bez závislosti od zdroja vody na úroveň viac ako 40 % relatívnej vlhkosti. Vonkajšia jednotka funguje ako absorbér i desorbér vlhkosti z vonkajšieho vzduchu. To znamená, že vlhkosť obsiahnutá vo vonkajšom vzduchu v zimnom období sa absorbuje v rotujúcom absorbéri. Studený vonkajší vzduch sa preháňa cez absorbér radiálnym ventilátorom. Absorbér sa pomaly otáča a po otočení o 180 ° sa stáva desorbérom, čo znamená, že ohrevom sa vypudzuje vlhkosť do vonkajšieho vzduchu prechádzajúceho cez desorbér. Vonkajší vzduch sa tak zvlhčí. Z desorbéru sa odvádza hadicou do vnútornej jednotky, v ktorej sa filtruje (čistí) a ohrieva na požadovanú teplotu, a radiálnym ventilátorom vháňa do vykurovanej miestnosti.

Ing. Peter Tomlein, PhD.
Foto a obrázky: archív autora, Daikin, York

Autor pôsobí ako tajomník Slovenského zväzu chladiacej a klimatizačnej techniky.
Recenzovala: doc. Ing. Marta Székyová, PhD. 

Literatúra
1. Adamkovič A.: Tendencie v klimatizácii. In: Zborník z medzinárodnej konferencie SZ CHKT, Papiernička 2003.
2. Lain M. – Barták M.: Riziko průvanu v místnostech chlazených jednotkami s přímým chladivovým okruhem. In: Zborník z medzinárodnej konferencie SZ CHKT, Papiernička 2003.
3. Tomlein P.: Trh s klimatizáciou. In: Zborník z medzinárodnej konferencie SZ CHKT, Papiernička 2003.
4. Daikin, Toshiba, York (firemná literatúra).

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK 4/2008.