System chiller-fan coil: zasada działania i aranżacja systemu termoregulacji

Wielostrefowy system klimatyzacji chiller-fan coil jest przeznaczony do tworzenia komfortowych warunków wewnątrz dużego budynku. Działa stale – latem dostarcza chłód, a zimą ciepło, ogrzewając powietrze do zadanej temperatury. Warto poznać jego budowę, prawda?

W proponowanym przez nas artykule szczegółowo opisano konstrukcję i części składowe systemu klimatyzacji. Przedstawiono i szczegółowo omówiono sposoby podłączenia urządzeń. Opowiemy, jak zbudowany i działa ten system termoregulacji.

Części składowe schematu chiller-fan coil

Rolę urządzenia chłodzącego pełni chiller – jednostka zewnętrzna, która wytwarza i dostarcza chłód rurami z krążącą w nich wodą lub glikolem etylenowym. Tym różni się od innych systemów split, w których jako nośnik ciepła stosuje się freon.

Do przemieszczania i przekazywania freonu, czynnika chłodniczego, potrzebne są drogie miedziane rury. Tutaj natomiast z tym zadaniem doskonale radzą sobie rury wodne z izolacją termiczną. Na jej pracę nie wpływa temperatura zewnętrzna, podczas gdy systemy split z freonem tracą wydajność już przy -10⁰. Wewnętrznym agregatem wymiany ciepła jest fan coil.

Pobiera ciecz o niskiej temperaturze, następnie przekazuje chłód do powietrza w pomieszczeniu, a ogrzana ciecz wraca z powrotem do chillera. Fan coile instaluje się we wszystkich pomieszczeniach. Każdy z nich działa według indywidualnego programu.

Główne elementy systemu – stacja pomp, chiller, fan coil. Fan coil może być zainstalowany w dużej odległości od chillera. Wszystko zależy od wydajności pompy. Liczba fan coil jest proporcjonalna do mocy chillera.

Zazwyczaj takie systemy stosuje się w hipermarketach, centrach handlowych, obiektach podziemnych, hotelach. Czasami wykorzystuje się je jako ogrzewanie. Wtedy drugim obiegiem do fan coil podawana jest podgrzana woda lub system przełączany jest na kocioł grzewczy.

Wykonanie konstrukcyjne systemu

Pod względem wykonania konstrukcyjnego systemy chiller-fan coil mogą być 2-rurowe i 4-rurowe. Ze względu na typ montażu rozróżnia się urządzenia ścienne, podłogowe, zabudowane.

System ocenia się według następujących podstawowych parametrów:

• mocy lub wydajności chłodniczej chillera;
• wydajności fan coil;
• efektywności przepływu masy powietrza;
• długości magistrali.

Ostatni parametr zależy od mocy pompy obiegowej i jakości izolacji termicznej rur.

Podłączenie chillera i fan coil

Sprawne funkcjonowanie systemu odbywa się poprzez połączenie chillera z jednym lub kilkoma fan coilami za pomocą izolowanych termicznie rurociągów. W przypadku braku izolacji znacznie spada sprawność systemu.

Każdy fan coil ma indywidualny zestaw przyłączeniowy, za pomocą którego zapewnia się regulację jego wydajności zarówno w przypadku produkcji ciepła, jak i chłodu. Przepływ czynnika chłodniczego w poszczególnym urządzeniu reguluje się za pomocą specjalnych zaworów – odcinających i regulujących.

Aby skierować schłodzoną wodę do wymiennika ciepła, jedną rurę podłącza się do fan coila, a drugą – do odprowadzania cieczy – do chillera. Konstrukcja systemu pozwala na mieszanie czynnika chłodniczego z czynnikiem grzewczym.

Jeśli nie można dopuścić do mieszania się czynnika grzewczego z czynnikiem chłodniczym, wodę podgrzewa się w oddzielnym wymienniku ciepła i uzupełnia schemat o pompę obiegową. Aby zapewnić płynną regulację przepływu cieczy roboczej przez wymiennik ciepła, podczas montażu zestawu przyłączeniowego stosuje się zawór trójdrogowy.

Jeśli w budynku zamontowany jest system dwururowy, zarówno chłodzenie, jak i ogrzewanie odbywa się za pomocą chłodziarki – chillera. Aby zwiększyć efektywność ogrzewania za pomocą klimakonwektorów w okresie zimowym, oprócz chillera do systemu włącza się kocioł.

W przeciwieństwie do systemu dwururowego z jednym wymiennikiem ciepła, system czterorurowy zawiera dwa takie zespoły. W tym przypadku klimakonwektor może pracować zarówno na ogrzewanie, jak i na chłodzenie, wykorzystując w pierwszym przypadku ciecz krążącą w systemie grzewczym.

Jeden z wymienników ciepła podłącza się do rurociągu z czynnikiem chłodniczym, a drugi do rury z nośnikiem ciepła. Każdy wymiennik ciepła ma indywidualny zawór sterowany za pomocą specjalnego pilota. W przypadku zastosowania takiego schematu czynnik chłodniczy nigdy nie miesza się z nośnikiem ciepła.

Ponieważ temperatura nośnika ciepła w systemie w sezonie grzewczym waha się w zakresie od 70 do 95⁰ i dla większości klimakonwektorów przekracza dopuszczalną, jest ona wstępnie obniżana. Dlatego gorąca woda doprowadzana z centralnej sieci ciepłowniczej do klimakonwektorów przechodzi przez specjalny węzeł cieplny.

Podstawowe klasy chillerów

Warunkowy podział chillerów na klasy następuje w zależności od typu cyklu chłodniczego. Zgodnie z tą cechą wszystkie chillery można warunkowo podzielić na dwie klasy – absorpcyjne i parowo-sprężarkowe.

Budowa agregatu absorpcyjnego

Chiller absorpcyjny (ABChM) do pracy wykorzystuje roztwór binarny z zawartą w nim wodą i bromkiem litu – absorber. Zasada działania polega na pochłanianiu ciepła przez czynnik chłodniczy w fazie przemiany pary w stan ciekły.

Takie agregaty wykorzystują ciepło wydzielające się podczas pracy urządzeń przemysłowych. Przy tym absorber o temperaturze wrzenia znacznie przekraczającej odpowiedni parametr czynnika chłodniczego dobrze go rozpuszcza.

Schemat działania chillera tej klasy jest następujący:

1. Ciepło ze źródła zewnętrznego doprowadza się do generatora, gdzie ogrzewa on mieszaninę bromku litu i wody. Podczas wrzenia mieszaniny roboczej czynnik chłodniczy (woda) całkowicie odparowuje.
2. Para przenosi się do skraplacza i staje się cieczą.
3. Czynnik chłodniczy w postaci ciekłej trafia do zaworu dławiącego. Tutaj jest schładzany, a ciśnienie spada.
4. Ciecz trafia do parownika, gdzie następuje odparowanie wody i pochłanianie jej par przez roztwór bromku litu – absorber. Powietrze w pomieszczeniu jest chłodzone.
5. Rozcieńczony absorbent ponownie ogrzewa się w generatorze, a cykl uruchamia się ponownie.

Taki system klimatyzacji nie jest jeszcze szeroko rozpowszechniony, ale jest w pełni zgodny z nowoczesnymi trendami dotyczącymi oszczędzania energii, dlatego ma dobre perspektywy.

Konstrukcja instalacji parosprężarkowych

Większość urządzeń chłodniczych działa na bazie chłodzenia sprężarkowego. Chłodzenie następuje dzięki nieustającej cyrkulacji, wrzeniu w niskich temperaturach, ciśnieniu i kondensacji czynnika chłodzącego w systemie zamkniętym.

W skład chillera tej klasy wchodzą:

• kompresor;
• parownik;
• skraplacz;
• rurociągi;
• regulator przepływu.

Czynnik chłodniczy krąży w układzie zamkniętym. Procesem tym steruje kompresor, w którym substancja gazowa o niskiej temperaturze (-5⁰) i ciśnieniu 7 atm poddawana jest sprężaniu, przy wzroście temperatury do 80⁰.

Sucha nasycona para w stanie sprężonym trafia do skraplacza, gdzie jest schładzana do 45⁰ przy niezmiennym ciśnieniu i przekształcana w ciecz.

Następnym punktem na drodze przepływu jest zawór dławiący (zawór redukcyjny). Na tym etapie ciśnienie spada od wartości odpowiadającej skraplaniu do granicy, przy której następuje parowanie. Jednocześnie obniża się również temperatura do około 0⁰. Ciecz częściowo odparowuje i powstaje para wilgotna.

Na schemacie przedstawiono cykl zamknięty, według którego działa agregat parokompresyjny. W kompresorze (1) następuje sprężanie wilgotnej pary nasyconej aż do osiągnięcia ciśnienia p1. W kompresorze (2) para oddaje ciepło i przekształca się w ciecz. W zaworze dławiącym (3) obniżane są zarówno ciśnienie (p3 – p4), jak i temperatura (T1 – T2). W wymienniku ciepła (4) ciśnienie (p2) i temperatura (T2) pozostają niezmienione.

Po dostaniu się do wymiennika ciepła – parownika, czynnik roboczy, mieszanina pary i cieczy, oddaje chłód czynnikowi grzewczemu i odbiera ciepło od czynnika chłodniczego, jednocześnie osuszając się. Proces zachodzi przy stałych wartościach ciśnienia i temperatury. Pompy podają ciecz o niskiej temperaturze do fancoili. Po przebyciu tej drogi czynnik chłodniczy wraca do kompresora, aby ponownie powtórzyć cały cykl parokompresyjny.

Specyfika chillera parosprężarkowego

W okresie chłodnym chiller może pracować w trybie naturalnego chłodzenia – nazywa się to free cooling. Wówczas czynnik grzewczy chłodzi powietrze zewnętrzne. Teoretycznie wykorzystanie chłodzenia swobodnego jest możliwe przy temperaturze zewnętrznej poniżej 7⁰C. W praktyce optymalna temperatura do tego wynosi 0⁰.

Przy ustawieniu trybu «pompy ciepła» chiller pracuje w celu ogrzewania. Cykl ulega zmianom, w szczególności kondensator i parownik zamieniają się swoimi funkcjami. W tym przypadku czynnik grzewczy należy poddawać nie chłodzeniu, lecz ogrzewaniu.

Najprostsze są chillery monoblokowe. W nich wszystkie elementy są kompaktowo zintegrowane w jedną całość. Są one sprzedawane w 100% wyposażone, łącznie z napełnieniem czynnikiem chłodniczym.

Ten tryb jest najczęściej stosowany w dużych biurach, budynkach użyteczności publicznej, magazynach. Chiller jest agregatem chłodniczym, który produkuje trzykrotnie więcej chłodu niż zużywa. Jego wydajność jako urządzenia grzewczego jest jeszcze wyższa – zużywa on czterokrotnie mniej energii elektrycznej niż oddaje ciepła.

Czym różni się czynnik chłodniczy od nośnika ciepła?

Czynnik chłodniczy jest substancją roboczą, która w procesie obiegu chłodniczego może znajdować się w różnych stanach skupienia przy różnych wartościach ciśnienia. Czynnik grzewczy nie zmienia stanów skupienia. Jego funkcją jest przenoszenie chłodu lub ciepła na określoną odległość.

Transportem czynnika chłodniczego zarządza sprężarka, a czynnika grzewczego — pompa. Temperatura czynnika chłodniczego może spadać poniżej punktu wrzenia, jak również przekraczać go. Czynnik grzewczy, w przeciwieństwie do czynnika chłodniczego, stale pracuje w warunkach temperatur, które nie rosną powyżej punktu wrzenia przy danym ciśnieniu.

Rola fan coil w systemie klimatyzacji

Fan-coil jest ważnym elementem centralnej instalacji klimatyzacyjnej. Druga nazwa to nawiewnik wentylatorowy. Jeśli termin fan-coil przetłumaczyć dosłownie z angielskiego, brzmi on jak wentylator-wymiennik ciepła, co najdokładniej oddaje zasadę jego działania.

W konstrukcję fan-coila wchodzi moduł sieciowy, zapewniający podłączenie do centralnego urządzenia sterującego. Wytrzymała obudowa ukrywa elementy konstrukcyjne i chroni je przed uszkodzeniem. Na zewnątrz montowany jest panel, równomiernie rozprowadzający strumienie powietrza w różnych kierunkach.

Przeznaczeniem urządzenia jest odbiór czynnika o niskiej temperaturze. W zakres jego funkcji wchodzi również recyrkulacja i chłodzenie powietrza w pomieszczeniu, w którym jest zainstalowane, bez dopływu powietrza z zewnątrz. Główne elementy fan-coila znajdują się w jego obudowie.

Należą do nich:

• wentylator odśrodkowy lub promieniowy;
• wymiennik ciepła w postaci wężownicy składającej się z miedzianej rurki i aluminiowych żeber na nią nałożonych;
• filtr przeciwpylny;
• moduł sterowania.

Oprócz głównych podzespołów i części, w konstrukcji fan-coila znajduje się tacka do wychwytywania kondensatu, pompa do jego odpompowania, silnik elektryczny, za pomocą którego obracane są przepustnice powietrza.

Na zdjęciu kanałowy fan-coil marki Trane. Wydajność dwurzędowych wymienników ciepła wynosi 1.5 – 4.9 kW. Zespół wyposażono w cichy wentylator i kompaktową obudowę. Doskonale mieści się za panelami maskującymi lub za podwieszanym sufitem.

W zależności od sposobu montażu istnieją fan-coile sufitowe, kanałowe, montowane w kanałach, którymi doprowadzane jest powietrze, bezobudowowe, gdzie wszystkie elementy zamontowane są na ramie, ścienne lub konsolowe.

Urządzenia sufitowe są najpopularniejsze i występują w 2 wariantach: kasetowe i kanałowe. Te pierwsze montuje się w przestronnych pomieszczeniach z podwieszanymi sufitami. Za podwieszaną konstrukcją umieszcza się obudowę. Widoczny pozostaje dolny panel. Mogą one rozprowadzać strumienie powietrza w dwóch lub wszystkich czterech kierunkach.

Jeśli system ma być używany wyłącznie do chłodzenia, najlepszym miejscem dla niego jest sufit. Jeśli konstrukcja jest przeznaczona do ogrzewania, urządzenie umieszcza się na ścianie w jej dolnej części.

Zapotrzebowanie na chłodzenie nie występuje zawsze, dlatego, jak widać na schemacie przedstawiającym zasadę działania systemu chiller-fan coil, w module hydraulicznym montuje się zbiornik pełniący rolę akumulatora dla czynnika chłodniczego. Rozszerzalność cieplną wody kompensuje naczynie wyrównawcze podłączone do rurociągu zasilającego.

Fan coilami steruje się zarówno w trybie ręcznym, jak i automatycznym. Jeśli nawiewnik wentylatorowy pracuje w trybie ogrzewania, w trybie ręcznym odcina się dopływ zimnej wody. Gdy pracuje w trybie chłodzenia, zamyka się dopływ gorącej wody i otwiera drogę dla chłodzącego czynnika roboczego.

Panel sterowania zarówno dla 2-rurowego, jak i 4-rurowego fan coila. Moduł podłącza się bezpośrednio do urządzenia i umieszcza w jego pobliżu. Do niego podłącza się panel sterowania i przewody do jego zasilania.

Do pracy w trybie automatycznym na panelu ustawia się żądaną temperaturę dla konkretnego pomieszczenia. Utrzymanie zadanego parametru odbywa się za pomocą termostatów, które korygują cyrkulację czynników grzewczych – zimnego i gorącego.

Zaleta fan coila wyraża się nie tylko w zastosowaniu bezpiecznego i taniego czynnika grzewczego, ale także w szybkim usuwaniu usterek w postaci wycieków wody. To obniża koszty ich serwisu. Zastosowanie tych urządzeń jest najbardziej energooszczędnym sposobem stworzenia korzystnego mikroklimatu w budynku.

Ponieważ każdy duży budynek ma strefy o różnych wymaganiach temperaturowych, każdą z nich powinien obsługiwać oddzielny fan coil lub ich grupa z identycznymi ustawieniami.

Liczbę urządzeń określa się na etapie projektowania systemu metodą obliczeniową. Koszt poszczególnych elementów systemu chiller-fan coil jest dość wysoki, dlatego zarówno obliczenia, jak i projektowanie systemu należy wykonać jak najdokładniej.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Wideo #1. Wszystko o budowie, działaniu i zasadzie działania systemu termoregulacji:

Wideo #2. O tym, jak zainstalować i uruchomić chiller:

Instalacja systemu chiller-fan coil jest uzasadniona w średnich i dużych budynkach o powierzchni przekraczającej 300 m². Dla domu prywatnego, nawet ogromnego, montaż takiego systemu termoregulacji to kosztowna przyjemność. Z drugiej strony takie inwestycje finansowe zapewnią komfort i dobre samopoczucie, a to niemało.

Prosimy pisać komentarze w bloku poniżej. Prosimy zadawać pytania dotyczące interesujących Państwa kwestii, dzielić się własną opinią i wrażeniami. Być może mają Państwo doświadczenie w zakresie instalacji systemu klimatyzacyjnego chiller-fan coil lub zdjęcia związane z tematem artykułu?