Chladicí trám nebo fan-coil?
Každý projektant vzduchotechniky trpí při rozhodování o navržení optimálního větracího nebo klimatizačního systému administrativních budov. Jeho rozhodování ovlivňují i další okolnosti, které jeho volbu spíše znesnadňují. Autor seznamuje čtenáře se systémem chladicích trámců, který u nás není příliš rozšířený.
ÚVOD
Základním a nejdůležitějším rozhodnutím na začátku každého projektu je volba optimálního systému větrání, vytápění a chlazení pro daný objekt. Rozhodování projektanta může být, a mnohdy i bývá, ovlivněno okolnostmi, které projektant specialista nemůže opominout. Jedná se většinou o požadavky investora, ať už to jsou specielní požadavky na parametry vnitřního prostředí (např. pětihvězdičkové hotely) nebo omezené investiční prostředky na zařízení techniky prostředí (což bývá častější). Požadavky na optimalizaci provozních nákladů bývají, bohužel ke škodě provozovatele, většinou zanedbávány.
Pokud chceme pro větrání administrativní budovy s velkoplošnými kancelářemi (vč. vytápění a chlazení) použít přívod pouze čerstvého vzduchu v dávkách daných hygienickými předpisy, máme v současné době dvě základní možnosti řešení. Navrhované řešení obvykle ještě komplikuje fakt, že v době zpracování projektu neznáme jejich budoucí dělení na jednotlivé kanceláře, ani na další provozní místnosti, v jednotlivých podlažích.
Můžeme navrhnout v současné době obvyklé řešení při použití ventilátorových konvektorů (dále FCU - fan-coil unit), nebo nové řešení s aktivními chladicími trámy. Tyto dvě možnosti technického řešení spolu s jejich výhodami a nevýhodami bych chtěl přiblížit srovnáním vzorových řešení jedné sekce administrativní budovy, spolu s ekonomickým porovnáním investičních a provozních nákladů obou variant. Zároveň bych chtěl seznámit čtenáře s novým řešením větrání a chlazení kancelářských budov chladicími trámy.
Chladicí trámy
Systém chlazení prostorů použitím chladicích trámů (CB - chilled beam) není úplně nový, jeho rozšíření nastalo v posledních létech s jejich dalším vývojem. Principem je umístění chladicích trámů do prostoru podhledu nebo pod strop, kde je vždy nejteplejší vrstva vzduchu vzniklá tepelnými zisky v daném prostoru. Jde o vodorovně umístěný lamelový výměník tepla napojený na přívod chladicí vody. Aby nedocházelo ke kondenzaci vlhkosti na jeho povrchu, bývá minimální teplota přiváděné chladicí vody v rozmezí 16 až 18 °C.
Chladicí trámy rozdělujeme na
- pasivní - bez přívodu vzduchu,
- aktivní - s přívodem upraveného vzduchu.
Pasivní chladicí trám
Pasivní chladicí trám slouží pro chlazení pouze volným prouděním vzduchu, kdy teplý vzduch v místnosti stoupá pod strop, kde jej ochlazuje výměník chladicího trámu a ochlazený vzduch volně klesá k podlaze. Přívod čerstvého vzduchu je řešen např. stropním anemostatem, nebo přívodním talířovým ventilem. Nevýhodou pasivního chladicího trámu je jeho nízký chladicí výkon. Chladicí výkon lze zvýšit např. umístěním potrubí přívodního vzduchu s řadou malých vířivých vyústek nad chladicí trám. Další možností je snížení teploty chladicí vody - toto lze použít pouze v prostorech, kde nehrozí kondenzace vlhkosti např. v technologickém prostoru s velkými tepelnými zisky. Princip činnosti trámu a jeho typické umístění v místnosti jsou patrné z obr. 1 a 2.
Aktivní chladicí trám slouží jak pro chlazení, tak i pro přívod větracího vzduchu. Upravený venkovní vzduch je přiváděn o zvýšeném tlaku Δp ≈ 100 až 200 Pa do přívodní komory chladicího trámu, odkud je vyfukován různě tvarovanými otvory nebo tryskami. Indukcí tohoto primárního vzduchu je přisáván sekundární teplý vzduch z místnosti, který je ochlazován na výměníku trámu a vyfukován do místnosti. Jde tedy o indukční jednotku uzpůsobenou pro umístění pod stropem. Aktivní chladicí trámy se dále dělí na otevřené a uzavřené.
Otevřený chladicí trám nasává vzduch z místnosti buď volně pod stropem, nebo z prostoru nad zavěšeným podhledem. Otevřený chladicí trám má vyšší chladicí výkon než uzavřený, ale jeho nevýhodou je to, že nasává vzduch z prostoru nad podhledem, kde se hromadí prach a nečistoty a rovněž může dojít k nasávání částic akustické izolace umístěné v tomto prostoru. Princip činnosti trámu je patrný z obr. 3.
Uzavřený chladicí trám pracuje na stejném principu jako otevřený, s tím rozdílem, že oteplený vzduch je trámem nasáván přes chladič přímo z místnosti a proto nedochází k propojení prostoru nad podhledem s chlazeným prostorem. Princip činnosti trámu je patrný z obr. 4 a 5. Doporučené umístění chladicích trámů v kancelářských prostorách je patrné z obr. 6 a 7.
VZOROVÉ ŘEŠENÍ
Pro technické posouzení obou variant jsem použil stávající projekt devítipodlažní administrativní budovy (2 PP + 7 NP). Velkoprostorové kanceláře jsou umístěné ve 2. NP až 6. NP. Dle požadavku investora byl kladen důraz na řešení větrání a chlazení velkoprostorové kanceláře s maximální možnou flexibilitou budoucího disposičního uspořádání dle požadavků nájemce. Přívod vzduchu musel být řešen rovnoměrně po celé ploše podlaží, odtahy centrálním odvodním potrubím s vyústkami ve vnitřních společných prostorách. Fan-coily sloužily pouze pro chlazení, vytápění bylo řešeno otopnými tělesy.
Větrání kanceláří, konferenčních a zasedacích místností pronajímatelných ploch v 1. až 6. NP bylo řešeno dvěma sestavnými větracími jednotkami umístěnými ve strojovně vzduchotechniky ve 2. PP. Jednotky jsou vybaveny zpětným využitím tepla z odpadního vzduchu v rotačním regenerátoru s hygroskopickým kotoučem, který rovněž zaručuje zpětné získávání vlhkosti. Venkovní vzduch je v jednotce dvoustupňově filtrován, předehříván regenerátorem, dle potřeby dohříván nebo chlazen a přiváděn do větraných prostorů. Půdorys typického podlaží řešené budovy je patrný z obr. 8.
Upravený větrací vzduch pro kanceláře je z páteřového rozvodu přiváděn do sání fan-coilů přes regulátory konstantního průtoku. Jeden fan-coil obsluhuje vždy jednotkový větrací modul - prostor 3 oken. Vzduch upravený fan-coilem je veden do štěrbinových vyústek u oken nebo do vířivých anemostatů. Nasávaní cirkulačního vzduchu zpět do fan-coilu je navrženo přes anemostat s horizontálním připojovacím hrdlem a regulační klapkou. Všechny fan-coily jsou napojeny na rozvody chladu a odvod kondenzátu. Při provozu bez chlazení (ventilátor FCU není v chodu) je větrací vzduch do místností vyfukován anemostaty, sloužícími pro nasávání cirkulačního vzduchu. Prostor jednotkového modulu velkoprostorové kanceláře (3 okna) je na obr. 9.
Obdobným způsobem jsou větrány i společné prostory uvnitř stavební dispozice - viz obr.10.
Zadání vzorového řešení
Zadání vychází z požadavků investora pro výše popisovanou budovu
| Plocha modulu jednotkové kanceláře | 16m2 |
| Plocha jednotkového větracího modulu | 48m2 |
| Plocha zasedací místnosti | 68m2 |
| Dávka čerstvého vzduchu | 50m3/(h.osoba) |
| Výpočtová teplota v místnosti | 25 ± 1 °C letní |
Obsazenost
| kancelář | 8m2/osoba |
| zasedací místnost | 1,75m2/osoba |
Tepelná zátěž od osvětlení
| kancelář | 12 W/m2 |
| zasedací místnost | 15 W/m2 |
Tepelná zátěž od kancelářské techniky
| kancelář | 25 W/m2 |
| zasedací místnost | 1000W |
Vypočtený průtok čerstvého vzduchu
| kancelář | 100 m3/h |
| zasedací místnost | 1900 m3/h |
Vypočtený citelný chladicí výkon
| kancelář | 945 W |
| zasedací místnost | 4861 W |
Měrný citelný chladicí výkon
| kancelář | 59 W/m2 |
| zasedací místnost | 72 W/m2 |
Popis navrženého řešení při použití fan - coilů
Výfuk přívodního vzduchu - štěrbiny a vířivé anemostaty napojené na výfuk FCU
Nasávání cirkulačního vzduchu - mřížky napojené na sání FCU
Přívod čerstvého vzduchu - napojení na sací komoru FCU
Hladina hluku - max. 35 dB(A)
Externí tlaková ztráta FCU-max. 30 Pa
Teplota chladicí vody pro FCU 6/12 °C
Teplota vzduchu přiváděného FCU do místnosti 10 až 11 °C
Napojení na odvod kondenzátu
Přístup pro čištění filtru
Disposiční řešení této varianty je patrné z obr. 9.
Obr. 8 Typické podlaží administrativní budovy - kancelářské prostory po obvodu, společné uvnitř stavební dispozice (zasedací a konferenční místnosti, pomocné prostory)
Popis navrženého řešení při použití chladicích trámů
Ve své dosavadní praxi jsem v prvním realizovaném projektu použil aktivní otevřené chladicí trámy, v dalších třech pak aktivní uzavřené chladicí trámy. Pro náš řešený případ jsem použil aktivní uzavřené chladicí trámy (CB), jejichž doporučené umístění v kancelářských prostorech je patrné z obr. 7.
Obr. 9 Jednotkový větrací modul - použití FCU
Pro běžné kancelářské prostory je přívod větracího vzduchu 100 m3/h pro dvě osoby v kancelářském modulu připadající na jeden chladicí trám dostačující pro pokrytí potřebného chladicího výkonu při dodržení hlukového limitu 30 dB(A) v kanceláři. Dispoziční řešení viz obr. 11.
Obr. 10 Zasedací vnitřní prostor - použití FCU
Obr. 11 Jednotkový větrací modul - použití CB
Pro zasedací místnosti, kde je z důvodu větší obsazenosti osobami vyšší potřeba větracího vzduchu než je nezbytné pro požadovaný chladicí výkon, přivádíme vzduch kromě chladicích trámů i vířivými stropními anemostaty. Dispoziční řešení viz obr. 12.
Obr. 12 Zasedací vnitřní prostor - použití CB
| Výfuk přívodního vzduchu | - CB |
| Nasávání cirkulačního vzduchu | - CB |
| Přívod čerstvého vzduchu | - CB |
| Hladina hluku max. | 20 dB(A) |
| Tlaková ztráta CB | 115 Pa |
| Teplota chladicí vody | 16/19 °C |
| Teplota primárního vzduchu | 18 °C |
| Teplota přiváděného vzduchu | 20 až 21 °C |
| Čištění filtru | 0 |
| Napojení na odvod kondenzátu | 0 |
Kancelář - jednotková
| Počet chladicích trámů | 1 |
| Délka chladicího trámu | 2400 mm |
| Chladicí výkon trámu | 726 W |
| Chladicí výkon větracího vzduchu | 233 W |
| Chladicí výkon celkový | 959 W |
| Přívod čerstvého vzduchu na 1 trám | 100 m3/h |
Zasedací místnost
| Počet chladicích trámů | 10 |
| Délka chladicího trámu | 1200 mm |
| Chladicí výkon trámu | 331 W |
| Chladicí výkon větracího vzduchu | 163 W |
| Chladicí výkon celkový | 494 W |
| Přívod čerstvého vzduchu na 1 trám | 70 m3/h |
| Dodatečný přívod čerstvého vzduchu | 1200 m3/h |
Distribuce větracího vzduchu je při provozu s chlazením i bez chlazení stejná.
Porovnání řešení s použitím fan-coilů a chladicích trámů
Z porovnání obou způsobů přívodu větracího vzduchu a chlazení je zřejmé:
- Aktivní chladicí trám zajišťuje přívod a distribuci větracího vzduchu bez ohledu na to, zda chladí nebo nechladí. Při režimu chlazení je do místa pobytu osob přiváděn vzduch o vyšší teplotě - oproti FCU - což přispívá ke zvýšení tepelné pohody osob pobývajících v místnosti.
- Aktivní chladicí trám využívá pro chlazení chladicí vodu o teplotě nad teplotou rosného bodu. Nemusí se tudíž vyrábět chlad potřebný na odvlhčování (latentní chladicí výkon) a není rovněž nutné řešit odvod kondenzátu od chladicího trámu.
- Aktivní chladicí trám nemá vzduchový filtr a proto není nutné řešit odnímatelný podhled potřebný pro jeho čištění a výměnu.
- Aktivní chladicí trám nemá ventilátor a proto při jeho provozu vzniká velmi nízký akustický výkon.
- Aktivní chladicí trám nepotřebuje přívod elektrické energie.
- Aktivní chladicí trám nevyžaduje čištění a údržbu.
Investiční a provozní náklady
Na ekonomickém rozboru pro jednu konkrétní administrativní budovu v Evropské unii jsou v tab. 1 uvedeny náklady na dodávku fan-coilového systému a systému s aktivními chladicími trámy. V tab. 1 a 2 je porovnání předpokládaných provozních nákladů a nákladů na opravy a údržbu po dobu dvaceti let.
Investiční a provozní náklady systému FCU a chladicích trámů
Souhrn nákladů (životnost 20 let) v € a %.
Z porovnání obou variant řešení je patrné, že náklady na dodávku se liší o cca 7 % ve prospěch chladicích trámů (stav v roce 2007). Provozní náklady za 20 let jsou pro systém využívající pro chlazení a přívod větracího vzduchu aktivní chladicí trámy oproti systému s fan-coily o 81 % nižší. Rozhodující činností, která výrazně ovlivní provozní náklady, jsou výměny filtrů a jejich čištění u FCU.
Tab. 1 Investiční a provozní náklady systému FCU (Poznámka: Ceny pro dodavatele, bez montáže, bez DPH.)
Nezanedbatelná není ani nutná výměna elektromotorů, která je obvyklá po 7 letech provozu v rozmezí ± 2 roky. Tyto činnosti obvykle nebývají zahrnuty do ekonomických rozborů. Rovněž provozní náklady FCU na el. energie jsou vysoké. Rozdíl investičních a provozních nákladů - 48 % - obou variant je zcela jednoznačný.
ZÁVĚR
Doufám, že jsem předložil dostatek důkazů toho, že používáním aktivních chladicích trámů dojde jak ke zlepšení prostředí pro osoby v objektech, tak ke značné úspoře investičních a provozních nákladů. Objekty využívající chladicích trámů pro větrání a chlazení spotřebovávají méně elektrické energie, což se pozitivně projeví i v nižší zátěži životního prostředí znečišťujícími látkami.
Tab. 2 Investiční a provozní náklady systému chladicích trámů (Poznámka: Ceny pro dodavatele, bez montáže, bez DPH.)
Tento článek vznikl na základě přednášky přednesené autorem na Swegon Air Academy 2008 a byl zpracován s využitím technických materiálů a investičně provozních podkladů fy Swegon a s jejím souhlasem.
Poznámka recenzenta
Při recenzi článku vznikla diskuse o vhodnosti názvu chladicí trámy. Na žádost autora byl ponechán tento název, neboť ho již od začátku projektování tohoto systému používá a odpovídá i anglickému názvu. Ústav techniky prostředí strojní fakulty ČVUT používá jako vhodnější název chladicí trámce, neboť nejde o trám jako nosný konstrukční prvek stavby. Ze svých dlouholetých zkušeností s vysokotlakou klimatizací (dnes skoro zapomenutý název) bych pro aktivní chladicí trámec použil název indukční jednotka, neboť opravdu jde o klasickou indukční jednotku v horizontálním provedení. Ostatně i značná část výrobců tento název používá. To uvádím jenom k případné diskuzi.
Další připomínku mám k vlastnímu ekonomickému rozboru investičních a provozních nákladů. Jde o převzaté firemní podklady pro poměrně rozsáhlou stavbu v zahraničí. Bez ohledu na uváděnou velikost těchto nákladů v eurech je zřejmé, že provozní náklady na systémy s použitím ventilátorových konvektorů jsou značné.
Jako poněkud rozporuplné se jeví nulové provozní náklady na čištění chladicích trámců. Dnešní indukční jednotky jsou konstrukčně dokonalejší než jejich předchůdkyně. Jde hlavně o výměníky tepla - chladiče, které díky větší rozteči lamel výměníků mají nižší tlakovou ztrátu a samozřejmě i nižší možnost znečištění usazeným prachem z přisávaného sekundárního vzduchu z prostoru. Rovněž teplota chladicí vody nad rosným bodem vnitřního vzduchu zamezuje "zalepování" výměníkové plochy prachem na vlhkém povrchu výměníku. Je tedy otázkou, zda po dobu 20 let není nutno občas vyčistit výměníkové plochy. V každém případě je nutno věnovat zvýšenou pozornost čistotě přiváděného primárního vzduchu. Ze zkušeností provozovatelů klimatizovaných budov, kde byly a dosud i jsou v provozu větrací systémy s indukčními parapetními jednotkami, vyplývá, že po určitých letech provozu dochází u indukčních jednotek k zanášení trysek primárního vzduchu. Dvoustupňová filtrace na centrálních přívodních jednotkách je proto naprostou samozřejmostí. Druhý stupeň filtrace je až za přívodním ventilátorem! Ostatně norma ČSN EN 13799 dvoustupňovou filtraci pro běžná větrací a klimatizační zařízení doporučuje.
I přes některé uváděné kritické připomínky je zřejmé, že větrací systémy s použitím aktivních chladicích trámců - indukčních jednotek, mohou nejenom snížit investiční náklady, ale i výrazným snížením spotřeby elektrické energie (FCU, chladicí jednotky) přispět k ekologickému provozu klimatizačních zařízení, o provozních nákladech ani nemluvě.
Článek byl redakčně upraven
Motto: To be or not to be. That is the question - William Shakespeare. Every HVAC designer suffers of the dilemma while deciding an optimal design of ventilation or air conditioning system in administrative buildings, similarly as Hamlet suffered. The decision making process is affected with other circumstances, which rather complicate the option thereof. Readers are introduced with a system of cooling beams, which is not very extended (known) in the CR.
