Ioannis Michaelides, Associate Professor Cyprus University of Technology

Ευρωπαϊκό Ερευνητικό Πρόγραμμα MOVIDA Εκπαιδευτικό σεμινάριο για Επιθεωρητές συστημάτων Κλιματισμού, Ιούνιος 2013 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ (Air Conditioning Systems) Ioannis Michaelides, Associate Professor Cyprus University of Technology MOVing from Inspection to Domestic Advice by service companies 1 www.movida project.eu Περιεχόμενα Ορισμός και σκοπός ενός συστήματος κλιματισμού Η βασική διάταξη ενός κεντρικού συστήματος κλιματισμού Εφαρμογές των συστημάτων κλιματισμού Κυριότερα συστήματα κλιματισμού Συστήματα κλιματισμού μόνο με αέρα Συστήματα σταθερής παροχής αέρα Συστήματα μεταβλητής παροχής αέρα Συστήματα κλιματισμού μ μόνο με νερό Συστήματα κλιματισμού αέρα νερού Αυτόνομα συστήματα κλιματισμού με απευθείας εκτόνωση Συστήματα ανάκτησης ενέργειας MOVing from Inspection to Domestic Advice by service companies 2 www.movida project.eu 1

Ορισμός και σκοπός ενός συστήματος κλιματισμού Ο πρωταρχικός σκοπός των συστημάτων κλιματισμού είναι να διατηρούν τη θερμική άνεση και την υγεία των ανθρώπων μέσα στους χώρους διαβίωσης και εργασίας, με αξιοπιστία, επάρκεια και ανεκτό κόστος. Θέρμανση η ψύξη ύγρανση αφύγρανση ανανέωσηέ καθαρισμός 3 Βασική διάταξη κεντρικού συστήματος κλιματισμού (1) 14 Κεντρική Κλιματιστική Μονάδα (ΚΚΜ) Air Handling Unit (AHU) Ψύκτης Ύδατος (Water Chiller) - καλοκαίρι Λέβητας (Boiler) (χειμώνας) 4 2

Βασική διάταξη κεντρικού συστήματος κλιματισμού (2) 14 Κεντρική Κλιματιστική Μονάδα (ΚΚΜ) Ψύκτης Ύδατος (Water Chiller) - καλοκαίρι 5 Ψυκτικός Κύκλος συμπίεσης ατμού Αποτελείται από: Τον συμπιεστή (compressor) Τον συμπυκνωτήρα (condenser) Την βαλβίδα εκτόνωσης (expansion valve) Τον εξατμιστήρα (ή εξαερωτήρα) (evaporator) 6 3

Ψύκτης Νερού (Water Chiller) 12 o C 7 o C Chilled Water 7 Εφαρμογές των συστημάτων κλιματισμού Στον κλασσικό κλιματισμό "άνεσης", Το κέντρο του ενδιαφέροντος είναι ο άνθρωπος. ημιουργία συνθηκών ευεξίας σε χώρους παραμονής κάθε είδους όπως κτίρια γραφείων, θέατρα, κατοικίες, αίθουσες συγκεντρώσεων, χώρους πώλησης, κ.λ.π. Στον βιομηχανικό κλιματισμό, Προορίζεται για την εξυπηρέτηση στόχων της βιοτεχνίας, της βιομηχανίας και γενικότερα παραγωγικών ή εργασιακών χώρων. Οι εγκαταστάσεις βιομηχανικού κλιματισμού έχουν ως στόχο τον άνθρωπο (προστασία της υγείας των εργαζομένων), ή την παραγωγική διαδικασία (δημιουργία ειδικού περιβάλλοντος ρβ που ευνοεί κάποια χημική ή βιολογική εξέλιξη ξη ή κάποια μηχανική κατεργασία) ή και τα δύο (βελτίωση της παραγωγικότητας ανθρώπων και μηχανών). Στον κλιματισμό ειδικών εφαρμογών, Εξυπηρετεί τις ειδικές ανάγκες και τις υψηλές απαιτήσεις νοσηλευτηρίων, χειρουργικών χώρων, εργαστηρίων ερευνών, ειδικών κατεργασιών, κ.λ.π. 8 4

Κυριότερα συστήματα κλιματισμού Συστήματα κλιματισμού μόνο με αέρα Συστήματα κλιματισμού αέρα-νερού Συστήματα κλιματισμού μόνο με νερό Συστήματα κλιματισμού απευθείας εκτόνωσης 9 Συστήματα κλιματισμού μόνο με αέρα ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ (1) 1. Ο πρωτεύοντας εξοπλισμός της εγκατάστασης είναι τοποθετημένος κεντρικά στο κτίριο. Η συντήρηση γίνεται σε χώρο που δεν κατοικούν αο ού ή εργάζονται άνθρωποι. 2. Ο εξωτερικός αέρας, όταν η θερμοκρασία του είναι χαμηλότερη από την επιθυμητή θερμοκρασία των χώρων το καλοκαίρι, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ψύξη του αέρα του κτιρίου. 3. Μπορούν να ενσωματώσουν πολύ εύκολα συστήματα εξοικονόμησης ενέργειας. 4. Μπορούν να αντιμετωπίσουν πολύ μεγάλες απαιτήσεις σε φρέσκο εξωτερικό αέρα. 5. Παρέχουν πλήρη έλεγχο της σχετικής υγρασίας σε όλες τις εποχές του έτους. 10 5

Συστήματα κλιματισμού μόνο με αέρα ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ (2) 6. Η αλλαγή λειτουργίας από ψύξη σε θέρμανση με την αλλαγή των εποχών γίνεται εύκολα. 7. Παρέχουν ευελιξία στο χωρισμό του κτιρίου σε πολλές ζώνες με ανεξάρτητη ρύθμιση της θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας. 8. Ορισμένοι τύποι συστημάτων παρέχουν συγχρόνως θέρμανση και ψύξη. 9. Μπορούν να διατηρήσουν θετικές ή αρνητικές πιέσεις σε ορισμένες περιοχές του κτιρίου για την αποφυγή διάχυσης οσμών ή ρυπογόνων ουσιών. 11 Συστήματα κλιματισμού μόνο με αέρα ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Το κυριότερο μειονέκτημα των συστημάτων αυτών είναι οι αυξημένες απαιτήσεις χώρου για την τοποθέτηση της κεντρικής μονάδας κλιματισμού και για την όδευση των αεραγωγών. 12 6

Συστήματα σταθερής παροχής αέρα 1. το σύστημα σταθερής παροχής αέρα, μίας ζώνης, 2. το σύστημα σταθερής παροχής αέρα με μεταθέρμανση 3. το σύστημα σταθερής παροχής αέρα, διπλού αγωγού, και 4. το πολυζωνικό σύστημα σταθερής παροχής αέρα 13 Σύστημα σταθερής παροχής αέρα, μίας ζώνης (single zone) Κατάλληλο για ένα χώρο (ζώνη) ή για ένα σύνολο χώρων με ομοιόμορφη συμπεριφορά φορτίου. 14 7

Σύστημα σταθερής παροχής αέρα, μίας ζώνης (single zone) Η ρύθμιση της θερμοκρασίας και υγρασίας του αέρα προσαγωγής γίνεται στην Κεντρική Μονάδα Κλιματισμού (ΚΜΚ), γνωστή ως Air Handling Unit (AHU). Κεντρική Μονάδα Κλιματισμού (ΚΜΚ) 15 Σύστημα σταθερής παροχής αέρα, μίας ζώνης (single zone) Σε περιπτώσεις όπου τα λανθάνοντα φορτία της ζώνης είναι μεγάλα και η σχετική υγρασία στους χώρους ανέρχεται σε επίπεδα υψηλότερα από τα επιθυμητά, ο αέρας προσαγωγής υφίσταται και μία αναθέρμανση (reheating) μέσα στην κεντρική μονάδα κλιματισμού. Η αναθέρμανση (reheating) αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας του συστήματος και εφαρμόζεται μόνο σε περιπτώσεις, στις οποίες ο έλεγχος της σχετικής υγρασίας είναι καθοριστικός. 16 8

Σύστημα σταθερής παροχής αέρα με μεταθέρμανση (1) Το σύστημα αυτό είναι κατάλληλο για κτίρια με πολλές ζώνες και παρέχει πλήρη έλεγχο της θερμοκρασίας και της υγρασίας σε κάθε χώρο. Ο αέρας προσαγωγής ψύχεται και αφυγραίνεται μέσα στην κεντρική μονάδα κλιματισμού μέχρι τις συνθήκες εκείνες, οι οποίες είναι απαραίτητες για να αντιμετωπισθούν τα ψυκτικά φορτία όλων των κλιματιζόμενων χώρων. 17 Σύστημα σταθερής παροχής αέρα με μεταθέρμανση Η παροχή του αέρα προσαγωγής σε κάθε χώρο είναι σταθερή και υπολογίζεται για να καλύπτει τα μέγιστα φορτία. Μέσα στις τερματικές μονάδες των χώρων υπάρχουν θερμαντικά στοιχεία, τα οποία μεταθερμαίνουν τον αέρα σε υψηλότερη θερμοκρασία, κατάλληλη για την κάλυψη των μερικών φορτίων κάθε χώρου. Η μεταθέρμανση σε κάθε ζώνη αυξάνει σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας με αποτέλεσμα να έχει περιοριστεί πάρα πολύ η χρήση αυτού του συστήματος σε κτίρια. 18 9

Σύστημα σταθερής παροχής αέρα, διπλού αγωγού (dual-ductduct system)(1) Dual-Duct 19 Σύστημα σταθερής παροχής αέρα, διπλού αγωγού (dual-ductduct system)(2) Οι θερμοκρασίες του ψυχρού και θερμού ρεύματος αέρα είναι υπολογισμένες για να καλύπτουν τα μέγιστα ψυκτικά και θερμικά φορτία όλων των κλιματιζόμενων χώρων. Σε κάθε ζώνη ή κλιματιζόμενο χώρο οι κατάλληλες ποσότητες ψυχρού και θερμού αέρα αναμιγνύονται μέσα σε τερματικές συσκευές μίξης (M). Η ανάμιξη ελέγχεται από τον θερμοστάτη του χώρου (ζώνης). 20 10

Σύστημα σταθερής παροχής αέρα, διπλού αγωγού (3) Κατά τη χειμερινή περίοδο, η θερμοκρασία του θερμού αγωγού ρυθμίζεται αυτόματα, έτσι ώστε να αυξάνεται σταδιακά ανάλογα με το ρυθμό μείωσης της θερμοκρασίας του εξωτερικού αέρα. Η θερμοκρασία του αέρα στον κρύο αγωγό διατηρείται γύρω στους 10 έως 13 o C. 21 Σύστημα σταθερής παροχής αέρα, διπλού αγωγού (4) Συστήνονται για κτίρια γραφείων, ξενοδοχεία, νοσοκομεία, σχολεία και εργαστήρια (παρουσιάζουν ψηλές διακυμάνσεις στο αισθητό φορτίο). Με την ταυτόχρονη διάθεση του κρύου και ζεστού αέρα σε κάθε τερματική μονάδα ανά πάσα στιγμή, αυτό το σύστημα παρέχει μεγάλη ευελιξία στην εξυπηρέτηση πολλαπλών φορτίων καθώς επίσης και άμεση ανταπόκριση σε απαιτούμενη θερμοκρασία. Ο αεραγωγός επιστροφής του αέρα είναι κοινός. 22 11

Σύστημα σταθερής παροχής αέρα, διπλού αγωγού (5) Το σύστημα αυτό είναι κατάλληλο για κτίρια με πολλές ζώνες και παρέχει ικανοποιητικό έλεγχο της θερμοκρασίας και της υγρασίας σε κάθε χώρο. Το κύριο μειονέκτημα του συστήματος διπλού αγωγού είναι το γεγονός ότι η ανάμιξη ρευμάτων θερμού και ψυχρού αέρα αυξάνει σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας, με αποτέλεσμα να έχει περιορισθεί η εγκατάσταση αυτού του συστήματος. 23 Dual-duct system Example Zone A needs full heating so the mixing box shuts off the cold-duct damper and opens the hot-duct damper 100% to produce discharge air at 29,5 C. Α Β C Zone B needs full cooling so the mixing box shuts off the hot-duct damper and opens the cold-duct duct damper 100% to produce discharge air at 15,5 C Zone C needs no cooling or heating so it mixes 15,5 C and 29,5 C air to produce discharge air at 21 C. 24 12

Πολυζωνικό σύστημα σταθερής παροχής αέρα Όταν σ ένα κτίριο εξυπηρετούνται πάρα πολλοί χώροι με διαφορετικά χαρακτηριστικά και διαφορετικά θερμικά φορτία, είναι χρήσιμο να εξετάσει κανείς τρόπους με τους οποίους να αντιμετωπίσει αυτή την διαφορετικότητα. Κάποιοι χώροι μπορεί να έχουν το ελάχιστο φορτίο την ίδια στιγμή που κάποιοι άλλοι χώροι να έχουν το μέγιστο φορτίο. Κάποιοι χώροι μπορεί να είναι γεμάτοι από κόσμο ενώ κάποιοι άλλοι να έχουν μικρότερο αριθμό ατόμων. 25 Πολυζωνικό σύστημα σταθερής παροχής αέρα Ένα τέτοιο κτίριο χωρίζεται σε ζώνες οι οποίες παρουσιάζουν περίπου τα ίδια χαρακτηριστικά σε ότι αφορά τα θερμικά φορτία και τις απαιτήσεις για κλιματισμό. 26 13

Πολυζωνικό σύστημα σταθερής παροχής αέρα Ο τρόπος λειτουργίας αυτού του συστήματος δεν διαφέρει σημαντικά από το σύστημα διπλού αγωγού. Η ανάμιξη ρευμάτων θερμού και ψυχρού αέρα αυξάνει σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας. Η κατανάλωση ενέργειας μειώνεται συνήθως με την απενεργοποίηση των θερμαντικών στοιχείων κατά τη διάρκεια της θερινής περιόδου. Με τον τρόπο αυτό όμως η σχετική υγρασία στις ζώνες δεν μπορεί να ρυθμιστεί στα επιθυμητά επίπεδα. 27 Πολυζωνικό σύστημα σταθερής παροχής αέρα (4 ζώνες) 28 14

Πλεονεκτήματα των συστημάτων σταθερής παροχής αέρα Είναι απλά στον σχεδιασμό, λειτουργούν αξιόπιστα και ο έλεγχος λειτουργίας τους δεν είναι πολύπλοκος. Είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για κτίρια, στα οποία ο έλεγχος της πίεσης ανάμεσα στους κλιματιζόμενους χώρους είναι απαραίτητος. Είναι ικανά να παρέχουν τις απαραίτητες ποσότητες φρέσκου εξωτερικού αέρα σε κάθε ζώνη και να τις διατηρούν σταθερές. 29 Μειονεκτήματα των συστημάτων σταθερής παροχής αέρα Καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια από τα συστήματα μεταβλητής παροχής. Τα συστήματα κλιματισμού συνήθως λειτουργούν σε συνθήκες μερικού φορτίου. Στη διάρκεια της θερινής περιόδου, τα μερικά φορτία αντιμετωπίζονται είτε με μεταθέρμανση του αέρα προσαγωγής (σύστημα με αναθέρμανση) είτε με ανάμιξη ρευμάτων θερμού και ψυχρού αέρα (σύστημα διπλού αγωγού). Οι διεργασίες αυτές είναι σπατάλη θερμικής ενέργειας. Οι ανεμιστήρες επίσης των συστημάτων αυτών είναι σταθερής παροχής και παρέχουν σταθερή ποσότητα αέρα σε όλη τη διάρκεια λειτουργίας των συστημάτων. Επομένως η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για τη μεταφορά του αέρα είναι μεγαλύτερη σε σχέση με τα συστήματα μεταβλητής παροχής αέρα. 30 15

Συστήματα μεταβλητής παροχής αέρα Στα συστήματα μεταβλητής παροχής αέρα το μεταβαλλόμενο μ φορτίο ενός χώρου (ζώνης) αντιμετωπίζεται με τη μεταβολή της παροχής του αέρα προσαγωγής και όχι με τη μεταβολή της θερμοκρασίας του, όπως συμβαίνει στα συστήματα σταθερής παροχής. Τα ψυκτικά φορτία είναι εκείνα τα οποία μεταβάλλονται έντονα σε ένα κτίριο, άρα τα συστήματα μεταβλητής παροχής αέρα είναι σχεδιασμένα για ψύξη. Σε πλήρες φορτίο, ένα σύστημα μεταβλητής παροχής λειτουργεί όμοια με ένα σύστημα σταθερής παροχής αέρα. Οι διαφορές τους συνίστανται στη λειτουργία υπό μερικό φορτίο. 31 Συστήματα μεταβλητής παροχής αέρα Σε κάθε χώρο υπάρχουν κατάλληλες τερματικές μονάδες ρύθμισης της παροχής του αέρα και κατάλληλα στόμια. Η παροχή του αέρα προσαγωγής ρυθμίζεται από ένα θερμοστάτη. Η μεταβολή της παροχής του αέρα επιτυγχάνεται με ειδικές βαλβίδες ή διαφράγματα. Η μεταβολή της παροχής του αέρα μπορεί να γίνεται στην κεντρική μονάδα κλιματισμού ή σε κάθε θερμική ζώνη ξεχωριστά ή να γίνεται συνδυασμός των δύο παραπάνω περιπτώσεων. 32 16

Καταλληλότητα συστημάτων μεταβλητής παροχής αέρα Η καταλληλότητα των συστημάτων μεταβλητής παροχής αέρα σε ένα κτίριο εξαρτάται από δύο χαρακτηριστικά του κτιρίου: το μεταβλητό φορτίο, και τις πολλαπλές θερμικές ζώνες. Τα κτίρια με χαμηλό ποσοστό ανοιγμάτων με γυάλινες επιφάνειες και με πολύ καλή μόνωση, παρουσιάζουν φορτίο ανεξάρτητο από τις εξωτερικές συνθήκες. Οι εγκαταστάσεις κλιματισμού στα κτίρια αυτά λειτουργούν κατά ένα μεγάλο ποσοστό μέσα στο χρόνο σε πλήρες φορτίο και επομένως η δυνατότητα εξοικονόμησης ενέργειας λόγω λειτουργίας υπό μερικό φορτίο είναι μικρή. Σε τέτοια κτίρια, το ψυκτικό φορτίο αποτελείται κυρίως από το φορτίο των ανθρώπων και το φορτίο φωτισμού και συσκευών. 33 Κατανομή ψυκτικού φορτίου σε κτίρια με: (α) σταθερό και (β) μεταβλητό φορτίο. Η κατανομή του φορτίου, σχ. (α) ακολουθεί την κατανομή παρουσίας των ανθρώπων, που εργάζονται μέσα στο κτίριο, και την κατανομή χρήσης των φώτων και των συσκευών. Το ψυκτικό φορτίο δηλαδή παρουσιάζει ένα μέγιστο, λίγο μετά την έναρξη λειτουργίας του κτιρίου, το οποίο διατηρείται σε όλη τη διάρκεια χρήσης του. Κτίρια με κατανομή φορτίου όπως αυτή του σχ. (α) δεν είναι κατάλληλα για την τοποθέτηση συστήματος VAV. 34 17

Κατανομή ψυκτικού φορτίου σε κτίρια με: (α) σταθερό και (β) μεταβλητό φορτίο. Κτίρια, με μεγάλες επιφάνειες από υαλοπίνακες και τα οποία παρουσιάζουν έντονες μεταβολές στο φορτίο των ανθρώπων και του φωτισμού, βρίσκονται πολλές ώρες της ημέρας υπό μερικό φορτίο και έτσι ενδείκνυνται για την εγκατάσταση συστημάτων VAV. Η συχνή είσοδος και έξοδος ανθρώπων από τέτοια κτίρια καθώς και τα μεταβαλλόμενα ψυκτικά φορτία λόγω ηλιακής ακτινοβολίας συντελούν στην έντονη διαφοροποίηση του φορτίου του κτιρίου κατά τη διάρκεια της ημέρας, σχ. (β)). Κτίρια με κατανομή φορτίου όπως αυτή του σχ. (β) είναι κατάλληλα για την τοποθέτηση συστήματος VAV. 35 Κατανομή ψυκτικού φορτίου σε κτίρια με: (α) σταθερό και (β) μεταβλητό φορτίο. Κτίρια, με μεγάλες επιφάνειες από υαλοπίνακες και τα οποία παρουσιάζουν έντονες μεταβολές στο φορτίο των ανθρώπων και του φωτισμού, βρίσκονται πολλές ώρες της ημέρας υπό μερικό φορτίο και έτσι ενδείκνυνται για την εγκατάσταση συστημάτων VAV. Η συχνή είσοδος και έξοδος ανθρώπων από τέτοια κτίρια καθώς και τα μεταβαλλόμενα ψυκτικά φορτία λόγω ηλιακής ακτινοβολίας συντελούν στην έντονη διαφοροποίηση του φορτίου του κτιρίου κατά τη διάρκεια της ημέρας, σχ. (β)). Κτίρια με κατανομή φορτίου όπως αυτή του σχ. (β) είναι κατάλληλα για την τοποθέτηση συστήματος VAV. 36 18

Τα κυριότερα συστήματα μεταβλητής παροχής αέρα (VAV) 1. Tο απλό σύστημα μεταβλητής παροχής αέρα 2. Tο σύστημα μεταβλητής παροχής αέρα, διπλού αγωγού 3. Tο σύστημα VAV με τερματικές μονάδες με ενσωματωμένο ανεμιστήρα 37 Απλό σύστημα μεταβλητής παροχής αέρα Το σύστημα αυτό λειτουργεί μόνο σε ψύξη. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του, όσο μειώνεται το ψυκτικό φορτίο τόσο ελαττώνεται η παροχή του αέρα, μέχρι ένα ελάχιστο όριο το οποίο είναι απαραίτητο για τη διατήρηση της ποιότητας του αέρα του χώρου. VAV Τ ΧΩΡΟΣ 1 P VAV Τ ΧΩΡΟΣ 2 ΚΟΙΝΗ ΕΠΙΣΤΡΟΦΗ ΑΠΟ ΟΛΕΣ ΤΙΣ ΖΩΝΕΣ VAV ΧΩΡΟΣ 3 Τ ΑΝΕΜΙΣΤΗΡΑΣ ΠΡΟΣΑΓΩΓΗΣ ΑΝΕΜΙΣΤΗΡΑΣ ΕΠΙΣΤΡΟΦΗΣ ΘΕΡΜΑΝΤΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΨΥΚΤΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΦΙΛΤΡΟ ΘΑΛΑΜΟΣ ΜΙΞΗΣ ΦΡΕΣΚΟΣ ΑΕΡΑΣ 38 19

Σύστημα μεταβλητής παροχής αέρα, διπλού αγωγού Στο σύστημα αυτό ο αέρας διανέμεται στους κλιματιζόμενους χώρους (ζώνες) μέσω δύο παράλληλων αεραγωγών: Ο ένας αεραγωγός μεταφέρει θερμό αέρα και ο άλλος ψυχρό Οι επιθυμητές συνθήκες σε κάθε ζώνη επιτυγχάνονται με την ανάμιξη μξη κατάλληλων ποσοτήτων θερμού και ψυχρού αέρα 39 Μειονεκτούν τα συστήματα VAV? Ένα από τα μειονεκτήματα των συστημάτων μεταβλητής παροχής αέρα είναι ότι σε περιπτώσεις μερικού φορτίου η κίνηση του αέρα στους χώρους μπορεί να ελαττωθεί τόσο σημαντικά ώστε να παρατηρηθεί άπνοια και ανομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας. Το πρόβλημα λύεται με την εφαρμογή των συστημάτων με ενσωματωμένο ανεμιστήρα στις τερματικές συσκευές ρύθμισης του αέρα 40 20

Σύστημα VAV με τερματικές μονάδες με ενσωματωμένο ανεμιστήρα Τα συστήματα με ενσωματωμένο ανεμιστήρα στις τερματικές συσκευές ρύθμισης του αέρα χρησιμοποιούνται για την αποφυγή αυτών των φαινομένων. Σε πλήρες φορτίο το σύστημα λειτουργεί όπως το κλασσικό σύστημα VAV. Εφόσον το σύστημα αυτό απαιτεί λήψη αέρα από τη ψευδοροφή, είναι δύσκολο να εγκατασταθεί όταν η ψευδοροφή δεν χρησιμοποιείται ως αεραγωγός επιστροφής (ceiling plenum). 41 Πλεονεκτήματα των συστημάτων μεταβλητής παροχής αέρα Τα συστήματα μεταβλητής παροχής παρέχουν σε κάθε χρονική στιγμή μόνο την ποσότητα αέρα, ο οποία είναι απαραίτητη για την κάλυψη των φορτίων των χώρων: Εξοικονόμηση ενέργειας Η συνολική παροχή του αέρα προσαγωγής υπολογίζεται για το μέγιστο φορτίο όλων των χώρων (block load) και δεν είναι το άθροισμα των παροχών που αντιστοιχούν στο μέγιστο φορτίο κάθε χώρου ξεχωριστά, όπως στα συστήματα σταθερής παροχής. Αυτό σημαίνει ότι οι κεντρικές μονάδες κλιματισμού και οι κεντρικοί αεραγωγοί διαστασιολογούνται για μικρότερες παροχές αέρα. Επομένως τόσο οι διαστάσεις των κεντρικών αεραγωγών όσο και οι ισχείς των κινητήρων των ανεμιστήρων σε πλήρες φορτίο είναι μικρότερες σε σχέση με τις αντίστοιχες των συστημάτων σταθερής παροχής. Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για τη μεταφορά του αέρα στους χώρους είναι μικρότερη σε σχέση με τα συστήματα σταθερής παροχής, εφόσον σε συνθήκες μερικού φορτίου η παροχή του αέρα προσαγωγής ελαττώνεται ανάλογα με τη μείωση του φορτίου: εξοικονόμηση ενέργειας από τη λειτουργία των ανεμιστήρων. 42 21

Μειονεκτήματα των συστημάτων μεταβλητής παροχής αέρα Το κυριότερο μειονέκτημα του κλασσικού συστήματος μεταβλητής παροχής αέρα είναι ότι είναι σχεδιασμένο μόνο για ψύξη. Επειδή η θέρμανση είναι απαραίτητη σε ένα πλήρες σύστημα κλιματισμού, συνήθως εγκαθίστανται παραλλαγές του κλασσικού συστήματος VAV. Πολλές από τις παραλλαγές αυτές συνδυάζουν τις αρχές των συστημάτων μεταβλητής παροχής με τις αρχές των συστημάτων σταθερής παροχής και μπορούν να χαρακτηρισθούν ως υβριδικά συστήματα. Εφόσον όμως η παροχή του αέρα προσαγωγής είναι συνήθως ελαττωμένη η σπατάλη ενέργειας είναι μικρότερη από αυτή στα αντίστοιχα συστήματα σταθερής παροχής. Ένα άλλο μειονέκτημα των συστημάτων μεταβλητής παροχής αέρα είναι ότι ο έλεγχος των διαφορών πίεσης ανάμεσα στους κλιματιζόμενους χώρους είναι πολύ δύσκολο να επιτευχθεί. Επίσης με τη μείωση της παροχής του αέρα προσαγωγής, σε πολλές περιπτώσεις η ταχύτητα του αέρα πέφτει σε πολύ χαμηλές τιμές και δεν εξασφαλίζεται η ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας μέσα στους χώρους. Το μειονέκτημα αυτό αποτρέπεται με την εγκατάσταση τερματικών συσκευών με ανεμιστήρες. 43 Συστήματα κλιματισμού μόνο με νερό Στα συστήματα αυτά ο έλεγχος των συνθηκών του αέρα γίνεται με την κυκλοφορία του αέρα των χώρων μέσα από κατάλληλες τερματικές συσκευές, στις οποίες κυκλοφορεί θερμό ή ψυχρό νερό. Οι τερματικές συσκευές είναι εγκατεστημένες στους χώρους του κτιρίου. Οι συσκευές αυτές περιλαμβάνουν θερμαντικό/ψυκτικό στοιχείο, φίλτρα και ανεμιστήρα για την εξαναγκασμένη κυκλοφορία του αέρα. Ο αέρας το καλοκαίρι υφίσταται και αφύγρανση. Η παρασκευή και η διανομή ψυχρού/θερμού νερού γίνεται από μία κεντρική εγκατάσταση που περιλαμβάνει ψυκτική μηχανή και λέβητα θερμού νερού. Κεντρικά κλιματισμένος αέρας δεν παρέχεται στους χώρους ή στις ζώνες του κτιρίου. 44 22

Συστήματα κλιματισμού μόνο με νερό: Fan-coil Units (FCU) Τα βασικά εξαρτήματα των μονάδων ανεμιστήραστοιχείου (fan-coil unit, FCU) είναι ένας σωληνωτός εναλλάκτης θερμότητας και ένας ανεμιστήρας. Ο ανεμιστήρας επανακυκλοφορεί συνεχώς τον αέρα από τον κλιματιζόμενο χώρο προς το στοιχείο, το οποίο το μεν καλοκαίρι τροφοδοτείται με ψυχρό νερό το δε χειμώνα με θερμό νερό. Επιπρόσθετα, η μονάδα μπορεί να περιλαμβάνει ένα βοηθητικό θερμαντικό στοιχείο το οποίο είναι συνήθως τύπου ηλεκτρικής αντίστασης αλλά μπορεί να είναι και τύπου ατμού ή θερμού νερού. Έτσι, ο επανακυκλοφορούμενος του δωματίου είτε ψύχεται είτε θερμαίνεται. 45 Συστήματα κλιματισμού μόνο με νερό: Fan-coil Units Η παροχή φρέσκου αέρα για σκοπούς σωστού αερισμού λαμβάνεται: είτε από ένα ξεχωριστό κεντρικό σύστημα αεραγωγών (α) ή απευθείας από το εξωτερικό περιβάλλον (β). (α) (β) Οι μονάδες ανεμιστήρα-στοιχείου στοιχείου διατίθενται συνήθως σε ονομαστικά μεγέθη των 90, 140, 190, 280, 380, και 570 L/s. Αυτές οι ποσότητες αέρα αντιπροσωπεύουν κατά προσέγγιση την ροή αέρα διαμέσου της μονάδας. 46 23

Συστήματα κλιματισμού μόνο με νερό: Fan-coil Units Η απόδοση μιας μονάδας ανεμιστήρα-στοιχείου μπορεί να ελεγχθεί: με τη ρύθμιση της ροής του νερού διαμέσου του ψυκτικού/θερμαντικού στοιχείου, με παράκαμψη του αέρα, με ρύθμιση της ταχύτητας του ανεμιστήρα, ή με συνδυασμό αυτών. Έλεγχος υγρασίας δεν μπορεί να γίνει. 47 Τρόπος εγκατάστασης των Fan-coil Units Οι μονάδες ανεμιστήρα-στοιχείου μπορούν να εγκατασταθούν με διάφορους τρόπους. Μονάδα τοποθετημένη ψηλά (ceiling mounted). Μονάδα τύπου δαπέδου (floor cabinet). Μονάδες αυτού του τύπου έχουν αναπτυχθεί με αθόρυβη λειτουργία ανεμιστήρα και με ελάχιστες απαιτήσεις συντήρησης γεγονός που τις καθιστά πολύ ευρείας εφαρμογής. Συνήθως, η λειτουργία των μονάδων αυτών ελέγχεται θερμοστατικά. 48 24

Συνδεσμολογία σωληνώσεων στα Fan-coil Units Συστήματα δύο σωλήνων (2-pipe) Συστήματα τριών σωλήνων (3-pipe), και Συστήματα τεσσάρων σωλήνων (4-pipe). 49 FCU: Τυπικό διάγραμμα λειτουργίας σε σύστημα 2 σωλήνων Το βασικό σύστημα 2 σωλήνων, ενός προσαγωγής και ενός επιστροφής νερού, παρέχει μόνο ψύξη ή μόνο θέρμανση σε όλους τους κλιματιζόμενους χώρους. Ο έλεγχος της θερμοκρασίας ρ του χώρου γίνεται με τη ρύθμιση, μέσω θερμοστάτη χώρου και τρίοδης βαλβίδας, της παροχής νερού στο fan-coil unit. Μία επιπλέον ρύθμιση της θερμοκρασίας γίνεται και από τον ανεμιστήρα, συνήθως 3 ταχυτήτων, ο οποίος αυξομειώνει την παροχή του αέρα στο στοιχείο. Κοινό Ψυκτικό - Θερμαντικό στοιχείο ΠΡΟΣ ΛΕΒΗΤΑ ή ΨΥΚΤΗ ΝΕΡΟΥ ΑΠΌ ΛΕΒΗΤΑ ή ΨΥΚΤΗ ΝΕΡΟΥ 50 25

FCU: ιάγραμμα λειτουργίας σε σύστημα κλιματισμού μόνο με νερό, 3 σωλήνων 1 Θερμοστάτης 2 Βαλβίδα ψυχρού νερού 3 Βαλβίδα θερμού νερού 4 Κοινό ψυκτικό/θερμαντικό στοιχείο 5 Προσαγωγή θερμού νερού 6 Προσαγωγή ψυχρού νερού 7 Κοινή επιστροφή 51 FCU: ιάγραμμα λειτουργίας σε σύστημα κλιματισμού μόνο με νερό, 4 σωλήνων (α) 1 Ψυχρό νερό (από ψύκτη νερού) 2 θερμό νερό (από λέβητα) 3 Θερμοστάτης 4 6-οδη βαλβίδα (α) Ένα κοινό ψυκτικό/θερμαντικό στοιχείο 52 26

FCU: ιάγραμμα λειτουργίας σε σύστημα κλιματισμού μόνο με νερό, 4 σωλήνων (β) 5 Κοινό ψυκτικό/θερμαντικό / στοιχείο 6 2-οδη ή 3-οδη βαλβίδα θέρμανσης 7 2-οδη ή 3-οδη βαλβίδα θέρμανσης 8 Θερμαντικό στοιχείο 9 Ψυκτικό στοιχείο (β) ύο ανεξάρτητα στοιχεία 53 Συστήματα κλιματισμού μόνο με νερό: Fan-coil Units (FCU) Ένα από τα προβλήματα που έχει να αντιμετωπίσει ο μηχανικός στα συστήματα κλιματισμού μόνο με νερό, είναι αυτό της ανανέωσης του αέρα των χώρων. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζεται: είτε με την τοποθέτηση εξαεριστήρων στους χώρους, οπότε ο αέρας διεισδύει από τις χαραμάδες (φυσική διείσδυση), είτε με την εισαγωγή νωπού αέρα μέσω των fan coil units από ανοίγματα στους εξωτερικούς τοίχους. Η πρώτη λύση είναι η απλούστερη αλλά δεν αντιμετωπίζει τις απαιτήσεις αερισμού των χώρων. Η δεύτερη μπορεί να εφαρμοσθεί μόνο στην περίπτωση που τα fan coil units τοποθετούνται στην περίμετρο του κτιρίου. 54 27

Συστήματα κλιματισμού αέρα νερού Στα συστήματα αυτά παρέχεται κλιματισμένος αέρας και ψυχρό ή θερμό νερό σε κατάλληλες τερματικές συσκευές, οι οποίες είναι εγκατεστημένες στους χώρους του κτιρίου. Απαιτείται η εγκατάσταση ενός δικτύου αεραγωγών και ενός δικτύου σωληνώσεων νερού. Ο κεντρικά επεξεργασμένος αέρας, που προσάγεται στους χώρους, ονομάζεται "πρωτεύων" αέρας (primary air) Ο αέρας των χώρων που ανακυκλοφορεί μέσω των τερματικών συσκευών (fan coil units) ή συσκευές επαγωγής) ονομάζεται "δευτερεύων" ύ " αέρας (secondary d air). ) Τα κυριότερα συστήματα κλιματισμού αέρα-νερού είναι: το σύστημα με fan coil unit και κεντρική παροχή πρωτεύοντα αέρα, και το σύστημα με τοπικές μονάδες επαγωγής 55 Σύστημα με fan coil unit και κεντρική παροχή πρωτεύοντα αέρα Εξωτερικός νωπός αέρας μπορεί να προσάγεται στους χώρους και ανεξάρτητα από τις συσκευές, μέσω ξεχωριστών αεραγωγών. Αυτή είναι η πιο συνηθισμένη περίπτωση. Και στις δύο περιπτώσεις το σύστημα μπορεί να περιλαμβάνει και τοπική εξαγωγή αέρα ή εξαγωγή από τους διαδρόμους. 56 28

Σύστημα με τοπικές μονάδες επαγωγής (induction system) Για την διαμόρφωση των επιθυμητών συνθηκών του αέρα στους κλιματιζόμενους χώρους παρέχεται από κεντρικές εγκαταστάσεις ταυτόχρονα νερό (θερμό ή ψυχρό) και επεξεργασμένος αέρας (πρωτεύων αέρας). Ο αέρας και το νερό παρέχονται σε κατάλληλες τερματικές μονάδες τις μονάδες επαγωγής (induction units). 57 Σύστημα με τοπικές μονάδες επαγωγής Συσκευή επαγωγής (Induction unit) 1 Θερμαντικό/ψυκτικό στοιχείο, 2 Αεραγωγός ψηλής ταχύτητας, 3 Ακροφύσιο επαγωγής, 4 Προσαγωγή και επιστροφή θερμού/ψυχρού νερού 58 29

Πλεονεκτήματα των συστημάτων νερού και αέρα-νερού Το σύστημα διανομής του μέσου μεταφοράς θερμότητας (σωληνώσεις-αεραγωγοί), η ς ρ γ γ απαιτεί λιγότερο χώρο σε σχέση με τα συστήματα μόνο με αέρα. Απαιτείται λιγότερος ή καθόλου χώρος για ανεμιστήρες. Εξασφαλίζουν αυτονομία σε κάθε χώρο. Είναι κατάλληλα για εκμετάλλευση ηλιακής ενέργειας και απόβλητης θερμότητας, γιατί η θέρμανση μπορεί να λειτουργήσει με νερό χαμηλής θερμοκρασίας. 59 Μειονεκτήματα των συστημάτων νερού και αέρα-νερού Απαιτούν περισσότερη συντήρηση σε σχέση με τα συστήματα μόνο με αέρα, και οι εργασίες πρέπει να γίνουν μέσα σε κατοικήσιμους χώρους. Απαιτείται ιδιαίτερο δίκτυο αποχέτευσης για τα συμπυκνώματα από κάθε σώμα. Τα φίλτρα αέρα σε κάθε τερματική συσκευή είναι μικρά, με χαμηλή απόδοση και πρέπει να καθαρίζονται ή να αλλάζουν συχνά. Στα συστήματα μόνο με νερό, η ανανέωση του αέρα των χώρων πρέπει να γίνεται με ξεχωριστό δίκτυο αεραγωγών. Ο έλεγχος της υγρασίας στους χώρους συνήθως δεν είναι επαρκής. 60 30

Αυτόνομα συστήματα κλιματισμού με απευθείας εκτόνωση Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν ψυκτικό μέσο για τη ψύξη του αέρα των κλιματιζόμενων χώρων. Τα πλέον διαδεδομένα από αυτά τα συστήματα είναι: τα κλιματιστικά δωματίου και μικρών χώρων, οι αυτόνομες κλιματιστικές συσκευές rooftop, και το σύστημα κλιματισμού ρευστού-αέρα (VRV). 61 Κλιματιστικά δωματίου και μικρών χώρων Είναι αυτόνομες κλιματιστικές μονάδες, οι οποίες ψύχουν τον αέρα με στοιχεία απευθείας εκτόνωσης του ψυκτικού μέσου και διακρίνονται σε: μονάδες του ενός τεμαχίου (self contained), και σε διμερείς μονάδες (split units). Στην εσωτερική συσκευή κυκλοφορεί ο αέρας του χώρου χωρίς ανάμιξη ή λήψη νωπού αέρα. Συγχρόνως με την ψύξη έχουμε και αφύγρανση του αέρα του χώρου. 62 31

Αυτόνομες κλιματιστικές συσκευές rooftop Είναι αυτόνομες κλιματιστικές μονάδες, οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να παρέχουν νωπό εξωτερικό αέρα και μπορούν να συνδεθούν και με μικρό δίκτυο αεραγωγών. Είναι ιδιαίτερα κατάλληλες για μονώροφα εμπορικά κτίρια (π.χ. υπεραγορές) και για βιομηχανικά και βιοτεχνικά κτίρια. 63 Αυτόνομη ενιαία κλιματιστική μονάδα roof top στη στέγη ενός κτιρίου με αεραγωγούς που κατευθύνονται προς τα κάτω. 64 32

Σύστημα κλιματισμού μεταβλητού όγκου ψυκτικού μέσου (VRV) Στο σύστημα αυτό υπάρχει μία εξωτερική μονάδα (ή συστοιχία εξωτερικών μονάδων), η οποία μπορεί να συνδεθεί με ένα αριθμό εσωτερικών τερματικών μονάδων τύπου δαπέδου, οροφής, τοίχου, κ.λ.π. Ανάλογα με την κατασκευάστρια εταιρία συναντάμε το σύστημα αυτό, ως VRV (Variable Refrigerant Volume) ή ως VRF (Variable Refrigerant Flow). Σε κάθε περίπτωση πρόκειται για ένα καινοτόμο σύστημα κλιματισμού που λειτουργεί με ψυκτικό μέσο μεταβλητού όγκου. 65 Σύστημα κλιματισμού μεταβλητού όγκου ψυκτικού μέσου (VRV) Η εξωτερική μονάδα του συστήματος έχει την δυνατότητα να συνδέεται μέσω ενός ενιαίου συστήματος ψυκτικών σωληνώσεων με μεγάλο αριθμό εσωτερικών μονάδων και μάλιστα διαφορετικών μεταξύ τους τύπων. Η λειτουργία του συστήματος στηρίζεται στην δυνατότητα του INVERTER συμπιεστή να λειτουργεί με μεταβαλλόμενο αριθμό στροφών ανάλογα με τις απαιτήσεις των χώρων. Μια ηλεκτρονική θερμοεκτονωτική βαλβίδα προσαρμόζει συνεχώς τον όγκο του ψυκτικού υγρού στις μεταβολές του φορτίου των εσωτερικών μονάδων. ηλαδή το σύστημα VRV/VRF με μία εξωτερική μονάδα επιτρέπει σε κάθε ζώνη ή χώρο να κλιματίζεται ανεξάρτητα, καταναλώνοντας ενέργεια μόνο για εκείνους τους χώρους των οποίων οι εσωτερικές μονάδες βρίσκονται σε λειτουργία. 66 33

VRV Θέρμανση Πηγή θερμότητας Θέρμανση Θέρμανση Θέρμανση Θέρμανση 67 VRV - Ψύξη Απόρριψη θερμότητας Ψύξη Ψύξη Ψύξη Ψύξη 68 34

VRV Ψύξη+Θέρμανση Ψύξη Ψύξη Θέρμανση Θέρμανση Η μέγιστη ψυκτική ισχύς μιας εξωτερικής μονάδας είναι γύρω στα 30 kw και μπορεί να εξυπηρετήσει μέχρι και 8 εσωτερικές τερματικές μονάδες απόδοσης 2,5-15 kw η κάθε μια. Υπάρχουν περιορισμοί ως προς το μήκος των σωληνώσεων μεταξύ της εξωτερικής μονάδας και των εσωτερικών τερματικών μονάδων, το οποίο δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 100 μέτρα, με μέγιστη διαφορά ύψους 50 μέτρων. 69 Πλεονεκτήματα των αυτόνομων συστημάτων απευθείας εκτόνωσης Αυτονομία σε κάθε χώρο. Τοπική ρύθμιση της θερμοκρασίας σε κάθε χώρο. Λειτουργία σε ψύξη-θέρμανση ανεξάρτητα από τον τύπο λειτουργίας άλλων χώρων του κτιρίου. Απλή λειτουργία,, εύκολη εγκατάσταση. εν απαιτούνται χώροι για κεντρικό εξοπλισμό. Χαμηλότερο κόστος εγκατάστασης 70 35

Μειονεκτήματα των αυτόνομων συστημάτων απευθείας εκτόνωσης Ανεπαρκής έλεγχος της υγρασίας. Μειωμένες δυνατότητες ελέγχου της αποδιδόμενης ισχύος. Κατανάλωση ενέργειας πιθανόν μεγαλύτερη σε σχέση με κεντρικά συστήματα. Περιορισμένες δυνατότητες διανομής του αέρα. Μεγαλύτερος θόρυβος στους χώρους, κατά τη διάρκεια λειτουργίας. Περιορισμένες δυνατότητες καθαρισμού του αέρα. Σε πολλές περιπτώσεις άσχημο αισθητικό αποτέλεσμα. 71 Συστήματα ανάκτησης ενέργειας Όταν απορρίπτεται αέρας από ένα χώρο σε θερμοκρασία διαφορετική από τη θερμοκρασία του εξωτερικού περιβάλλοντος, είναι πολύ πιθανό ότι χάνεται ενέργεια. Ο αέρας που απορρίπτεται πρέπει να αναπληρωθεί από φρέσκο εξωτερικό αέρα. Η διαδικασία αυτή της αναπλήρωσης του απορριπτόμενου αέρα απαιτεί την πρόσδωση ή την αφαίρεση θερμότητας, ανάλογα με την εποχή του έτους και τις συνθήκες του εσωτερικού και του εξωτερικού περιβάλλοντος. Με τα συστήματα ανάκτησης ενέργειας η ενέργεια που περιέχει το ρεύμα του απορριπτόμενου αέρα μεταφέρεται στο ρεύμα του φρέσκου εξωτερικού αέρα. 72 36

Εναλλάκτης θερμότητας αέρα-αέρα σε Κεντρική Κλιματιστική Μονάδα 73 Εναλλάκτης θερμότητας αέρα-νερού σε Κεντρική Κλιματιστική Μονάδα 74 37

Αναγεννητικοί εναλλάκτες θερμότητας (rotary wheel exchangers) Ένας αναγεννητής εναλλάκτης θερμότητας περιστρέφεται αργά (5... 10 στροφές/λεπτό) διαρρέεται στη μια κατεύθυνση από τον απορριπτόμενο αέρα και στην άλλη κατεύθυνση από εξωτερικό νωπό αέρα. 75 Αναγεννητικοί εναλλάκτες θερμότητας (rotary wheel exchangers) Καθώς ο δίσκος περιστρέφεται, η αισθητή θερμότητα (και σε πολλές περιπτώσεις και η υγρασία) μεταφέρεται από το θερμό ρεύμα αέρα στο ψυχρό. Για να αποφευχθεί η μετάδοση ρύπων πρέπει να ενσωματωθεί στην κεντρική μονάδα κλιματισμού και ένα τμήμα καθαρισμού του αέρα. 76 38