Kombinované systémy chladenia, vykurovania a klimatizácie

Obmedzený priestor a blízkosť obytných domov často úplne vylučujú použitie konvenčných chladiacich zariadení.
Systém Conveni-Pack je schopný zabezpečiť klimatizáciu, chladenie a mrazenie v menších obchodných prevádzkach pri využití spätného získavania tepla. Tak možno v porovnaní s tradičnými systémami vykurovania, klimatizácie, chladenia a mrazenia dosiahnuť vysoké úspory energie. Ide o delený systém priameho chladenia, ktorý pozostáva z jednej vonkajšej jednotky a dvoch vnútorných cirkulačných klimatizačných jednotiek. Možno k nemu pripojiť až šesť chladiacich a tri mraziace boxy.

Požiadavky na chladiace zariadenia sa v ostatnom čase neustále zvyšujú – na jednej strane to spôsobuje rastúci dopyt po čerstvých potravinách a chladených nápojoch, na druhej strane to ovplyvňujú zvyšujúce sa nároky na spotrebu energie a snaha znižovať emisie CO₂.

Chladenie verzus komfort
Veľká potreba chladenia sa málokedy obíde bez vplyvu na vnútornú tepelnú pohodu. V prípade, že sa teplo odoberané pri chladení odvádza do vonkajšieho prostredia, teplota v priestoroch pre zákazníkov klesá na veľmi nízke hodnoty. Naopak, ak sú chladničky kompaktné a odovzdávajú odoberané teplo nekontrolovane do priestoru, teplota v obchode stúpa na vysoké hodnoty. Konvenčným riešením týchto situácii je dodatočné vykurovanie, resp. chladenie priestoru. Takéto riešenie však nie je optimálne ani z ekonomického, ani z energetického hľadiska (obr. 1).

Obr. 1 Kombinovaný systém verzus tradičné systémy

Nové trendy menia nároky na hlučnosť a priestor
V krajinách, ako sú Belgicko, Veľká Británia a Japonsko, je pozorovateľný trend návratu od veľkých supermarketov postavených na zelenej lúke niekde na okraji mesta k menším obchodom (Convenience Stores) umiestneným v centrách obytných častí. Samozrejme, požiadavky na hlučnosť v takýchto lokalitách sú na celkom inej úrovni ako na okraji mesta. Rovnako ceny pozemkov v týchto oblastiach sú vyššie, preto treba daný priestor využiť čo najhospodárnejšie. Obmedzený priestor a blízkosť obytných domov často úplne vylučujú použitie konvenčných chladiacich zariadení.

Cesta za súčasnými systémami Firma Daikin má vyše 80-ročné skúsenosti v oblasti chladenia a klimatizácie. Pravdepodobne najúspešnejším a najznámejším produktovým radom z jej sortimentu je systém VRV, vyvinutý v Japonsku v roku 1982. VRV je delený systém priameho chladenia s jednou vonkajšou jednotkou a viacerými vnútornými jednotkami (v súčasnosti ich môže byť až 64). Jedna z verzií tohto systému, známa ako HEREC (Heat Recovery – spätné získavanie tepla) umožňuje, aby niektoré vnútorné jednotky chladili a niektoré súčasne kúrili. V prechodných obdobiach tak možno „presúvať“ teplo odobraté z miestností, ktoré potrebujú chladiť, do miestnosti, ktoré naopak potrebujú vykurovať. Spotrebovaná energia sa v tomto čase vynakladá iba na „presunutie“ tepla a systém tak vykazuje značné úspory energie. Tieto úspory sú obzvlášť citeľné v budovách so zasklenými fasádami, pri ktorých je obdobie vhodné na takéto spätné získavanie tepla relatívne dlhé.

Systém Conveni-Pack
Conveni-Pack, principiálne vychádzajúci z konceptu VRV HEREC (pozri rámček), je systém, ktorý v sebe integruje funkcie klimatizácie (cirkulačného chladenia a vykurovania) spolu s chladením a mrazením potravín. Snaží sa riešiť všetky uvedené problémy a výsledok ponúknuť ako balík, ktorý je jednoduchý na montáž, obsluhu a údržbu.

Obr. 2 Schéma chladiaceho okruhu

Systém pozostáva z vonkajšej jednotky s technológiou inverter na plynulú reguláciu výkonu a dvoch vnútorných cirkulačných klimatizačných jednotiek. Zároveň okrem toho poskytuje rozhranie na pripojenie chladiaceho a mraziaceho zariadenia. Základné časti systému sú označené na obr. 2 písmenami A až F:
A
Conveni-Pack je 4-rúrkový systém. Vonkajšia jednotka má jeden pár prípojok na vnútorné klimatizačné jednotky, ktoré pracujú v chladiacom režime s výparnou teplotou +7 °C, resp. v režime vykurovania s kondenzačnou teplotou +55 °C. Pre chladiace boxy má samostatné prípojky, kde je v prevádzke výparná teplota –10 °C.
B
Srdcom vonkajšej jednotky sú tri kompresory. Jeden z nich je plynulo regulovateľný inverterový kompresor (INV), ostatné dva sú štandardné kompresory ZAP/VYP (STD1, STD2). Chladiace boxy sú vždy napojené na INV kompresor, vnútorné klimatizačné jednotky vždy na STD2 kompresor. Kompresor STD1 je prioritne priradený na stranu chladiacich boxov. V prípade, že je pokrytý chladiaci výkon potrebný pre chladiace boxy, môže sa flexibilne priradiť na stranu vnútorných klimatizačných jednotiek, a pomôcť tak kompresoru STD2 zabezpečiť požadovaný výkon.

C
Aby sa v systéme zabezpečila potrebná úroveň výparnej teploty pre mraziace boxy, možno do neho zaradiť ďalší kompresor (Booster unit), ktorý pridá druhý stupeň kompresie, a zabezpečí tak výparnú teplotu na úrovni –35 °C.

D
Výmenník vonkajšej jednotky sa podľa potreby stáva kondenzátorom v chladiacom režime, alebo výparníkom vo vykurovacom režime, pri plnej rekuperácii sa nevyužíva vôbec.

E
Štvorcestné ventily na výtlaku sa starajú o prívod horúcich pár buď do vnútorných klimatizačných jednotiek (vykurovací režim), alebo do kondenzátora (chladiaci režim) podľa aktuálnej potreby výkonu.

F
Štvorcestný ventil na saní sa stará o prepínanie STD1 kompresora, a to na stranu vnútorných klimatizačných jednotiek alebo na stranu chladiacich boxov. Okrem toho má dôležitú funkciu v prípade poškodenia INV kompresora, keď možno prepnúť na núdzový režim, v rámci ktorého sú oba kompresory STD1 a STD2 priradené na stranu chladiacich boxov.

Prevádzkové režimy
V prevádzke rozhoduje pomer požiadavky na chladenie a mrazenie v porovnaní s požiadavkou na vykurovanie. Riadiaci systém pozná takmer 30 rôznych režimov prevádzky, ktoré pokrývajú všetky možné alternatívy týchto pomerov. Principiálne by sme však mohli pomenovať štyri základné situácie:

Leto – chladiaci režim
Vnútorné klimatizačné jednotky chladia, rovnako ako všetky chladiace a mraziace boxy. Kondenzačné teplo sa odvádza prostredníctvom výmenníka vonkajšej jednotky do okolitého vzduchu. Z energetického hľadiska je to najnepriaznivejší prípad (obr. 3).

Obr. 3 Chladiaci režim

Prechodné obdobie – čiastočná rekuperácia
Vnútorné klimatizačné jednotky vykurujú, chladiace a mraziace boxy chladia, pričom kondenzačné teplo je vyššie ako teplo potrebné na vykurovanie, t. j. zvyšné kondenzačné teplo nevyužité na vykurovanie treba odviesť do vonkajšieho prostredia. Horúce pary idú nielen do vnútorných jednotiek, ale aj do vonkajšieho výmenníka, ktorý je v tomto režime kondenzátorom (obr. 4).

Obr. 4 Čiastočná rekuperácia

Prechodné obdobie – plná rekuperácia
Vnútorné klimatizačné jednotky vykurujú, chladiace a mraziace boxy chladia a kondenzačné teplo je rovnaké ako teplo potrebné na vykurovanie. Z energetického hľadiska je to ideálna situácia, zariadenie pracuje s minimálnou spotrebou, kompresory iba presúvajú teplo z jednej časti do druhej. Výmenník vonkajšej jednotky sa nevyužíva (obr. 5).

Obr. 5 Plná rekuperácia

Zima – tepelné čerpadlo
Vnútorné klimatizačné jednotky vykurujú, chladiace a mraziace boxy chladia a kondenzačné teplo nepostačuje na vykurovanie. Chýbajúce teplo treba odobrať z vonkajšieho prostredia a transformovať na vyššiu teplotnú úroveň. Vonkajší výmenník je teda v tomto režime výparníkom (obr. 6).

Obr. 6 Vykurovací režim – tepelné čerpadlo

Prínosy
Úspory energie
Najvyššie úspory energie sa dajú očakávať v zimnom období, v letnom období úspory pochádzajú viac-menej z využitia pokročilých technológií. Oproti tradičnému vykurovaniu, chladeniu a mrazeniu možno očakávať približne takéto úspory:

• 23 % vďaka spätnému získavaniu tepla,
• 12 % vďaka plynulej regulácii inverterom,
• 4 % vďaka regulácii výparnej teploty,
• 3 % vďaka regulácii kondenzačnej teploty,
• 2 % vďaka rekuperácii pri odmrazovaní.

Oproti konvenčným spôsobom vykurovania, chladenia a mrazenia to spolu predstavuje úspory 44 %. Tieto úspory sú celkové sezónne a závisia od poveternostných podmienok. K dispozícii sú už aj prvé porovnávacie štúdie, ktoré ukazujú, že uvedené úspory energie sú naozaj reálne, v niektorých prípadoch boli výsledky dokonca mimoriadne prekvapivé (obr. 7).

Obr. 7 Úspory energie počas roka

Ak zoberieme do úvahy jednoduchšiu montáž, nulové nároky na podlahovú plochu a možnosť eliminácie alebo aspoň minimalizácie niektorých profesií, ukazovatele návratnosti vychádzajú skutočne zaujímavo. Najlepším dôkazom sú samotné realizácie u spoločností, ktoré tvrdo kontrolujú každý cent. 
 
Nízka hladina hluku
Hladina akustického tlaku vonkajšej jednotky sa v projekčných podkladoch uvádza na úrovni 57 dBA vo vzdialenosti 1 m. Táto hodnota sa namerala v anechoickej miestnosti a v situácii, keď ventilátory bežia na najvyšší 11. stupeň a rovnako všetky tri kompresory fungujú na plný výkon. V skutočnosti, ako ukázali dlhodobé pozorovania systému v belgických podmienkach, bežia ventilátory 94 % času na stupeň 0 až 8. Rovnako je to s kompresormi – 85 % času prevádzky funguje systém iba s jedným kompresorom, 10 % času s dvomi kompresormi a iba minimum času s tromi kompresormi. To znamená, že v skutočnosti bude hladina hluku po väčšinu času oveľa nižšia, než sa uvádza v oficiálnych podkladoch.

Čo ukazuje prax
Od roku 2003 sa zrealizovalo už niekoľko úspešných pilotných aplikácií tohto systému. Priekopníkmi boli reťazce Spar, Total, Origin či Budgetslager v Belgicku, Penny Markt a Superbio v Nemecku a The Cooperative vo Veľkej Británii. Stredná Európa patrí momentálne medzi najaktívnejších propagátorov tohto riešenia, ktoré sa presadzuje aj v známych obchodných reťazcoch prítomných na Slovensku. Jednou z prvých aplikácií je u nás predajňa potravín, ktorá sa nachádza v Bratislave na Rendezi,  niekoľko ďalších projektov je už v príprave (obr. 8).

Ing. Martin Ďurian
Foto a obrázky: Daikin Airconditioning Central Europe – Slovakia

Autor pôsobí v spoločnosti Daikin Airconditioning Central Europe – Slovakia, s. r. o., na úseku technickej podpory a servisu.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.