Systém chiller-fancoil: princíp činnosti a usporiadanie systému termoregulácie

Multizónový klimatický systém chiller-fan coil je určený na vytváranie komfortných podmienok vnútri budovy veľkej plochy. Funguje nepretržite – v lete zásobuje chladom a v zime teplom, pričom zohrieva vzduch na požadovanú teplotu. S jeho zariadením sa oplatí oboznámiť, súhlasíte?

V nami navrhovanom článku je podrobne popísaná konštrukcia a súčasti klimatického systému. Sú uvedené a detailne rozobraté spôsoby zapojenia zariadenia. Povieme vám, ako je usporiadaný a funguje tento systém termoregulácie.

Súčasti schémy chiller-fan coil

Úloha chladiaceho zariadenia je pridelená chilleru – vonkajšej jednotke, ktorá vyrába a dodáva chlad potrubím s cirkulujúcou vodou alebo etylénglykolom. Tým sa líši od iných split systémov, kde sa ako teplonosné médium čerpá freón.

Na pohyb a prenos freónu, chladiva, sú potrebné drahé medené rúry. Tu sa s touto úlohou výborne zvládajú vodovodné rúry s tepelnou izoláciou. Na jej činnosť nemá vplyv teplota vonkajšieho vzduchu, zatiaľ čo split systémy s freónom strácajú funkčnosť už pri -10⁰. Vnútornou výmenníkovou jednotkou tepla je fan coil.

Prijíma kvapalinu s nízkou teplotou, potom odovzdáva chlad do vzdušného prostredia miestnosti a ohriata kvapalina sa vracia späť do chilleru. Fan coily sa inštalujú vo všetkých miestnostiach. Každý z nich funguje podľa individuálneho programu.

Základné prvky systému – čerpacia stanica, chiller, fan coil. Fan coil môže byť inštalovaný vo veľkej vzdialenosti od chilleru. Všetko závisí od toho, akú silu má čerpadlo. Počet fan coilov je úmerný výkonu chilleru.

Zvyčajne sa takéto systémy používajú v hypermarketoch, obchodných komplexoch, stavbách postavených pod zemou, hoteloch. Niekedy sa využívajú ako kúrenie. Potom sa do druhého okruhu fan coilov privádza ohriata voda alebo sa systém prepína na kotol kúrenia.

Konštrukčné prevedenie systému

Podľa konštrukčného prevedenia systému chiller-fan coil sú 2-rúrkové a 4-rúrkové. Podľa typu inštalácie rozlišujeme zariadenia nástenné, podlahové, zabudované.

Systém sa hodnotí podľa týchto základných parametrov:

• výkonu alebo chladiaceho výkonu chilleru;
• výkonu fan coilov;
• efektívnosti presunu vzduchovej hmoty;
• dĺžke magistrál.

Posledný parameter závisí od sily čerpadlovej jednotky a kvality tepelnej izolácie rúr.

Zapojenie chilleru a fan coila

Súladné fungovanie systému prebieha spojením chilleru s jedným alebo viacerými fancoilmi prostredníctvom potrubí s tepelnou izoláciou. V prípade absencie tejto izolácie výrazne klesá hodnota účinnosti systému.

Každý fancoil má individuálnu stykovú uzlinu, prostredníctvom ktorej sa zabezpečuje regulácia jeho výkonu ako v prípade výroby tepla, tak aj chladu. Prietok chladiva v samostatnom agregáte sa reguluje pomocou špeciálnych armatúr – uzatváracích a regulačných.

Aby sa ochladená voda nasmerovala do teplovýmenníka, jedna rúra sa pripojí k fancoilu a druhá – na odvod kvapaliny – k chilleru. Usporiadanie systému umožňuje miešanie chladiva s teplonosnou látkou.

Ak nie je možné dovoliť miešanie teplonosnej látky s chladiacim činidlom, vodu ohrievajú v samostatnom teplovýmenníku a dopĺňajú schému obehovým čerpadlom. Na zabezpečenie plynulej regulácie toku pracovnej kvapaliny cez teplovýmenník sa pri montáži schémy stykových uzlov používa 3-cestný ventil.

Ak je v budove namontovaný dvojrúrkový systém, chladenie aj vykurovanie sa uskutočňuje pomocou chladiča – chillera. Na zvýšenie účinnosti vykurovania pomocou fancoilov v chladnom období sa do systému popri chilleri pridáva kotol.

Na rozdiel od dvojrúrkového systému s jedným výmenníkom tepla, v štvorrúrkovom systéme sú zabudované 2 tieto uzly. V tomto prípade môže fancoil pracovať na vykurovanie aj na chladenie, pričom v prvom prípade využíva kvapalinu cirkulujúcu vo vykurovacom systéme.

Jeden z výmenníkov tepla sa pripája k potrubiu s chladivom a druhý k rúre s teplonosným médiom. Na každom výmenníku tepla je individuálny ventil ovládaný špeciálnym ovládačom. Ak sa použije takáto schéma, chladivo sa nikdy nemieša s teplonosným médiom.

Keďže teplota teplonosného média v systéme počas vykurovacej sezóny kolíše v rozmedzí od 70 do 95 °C a pre väčšinu fancoilov presahuje prípustnú hodnotu, vopred sa znižuje. Preto horúca voda prichádzajúca z centrálnej tepelnej siete k fancoilom prechádza špeciálnym tepelným bodom.

Základné triedy chillerov

Podmienené rozdelenie chillerov do tried sa uskutočňuje v závislosti od typu chladiaceho cyklu. Podľa tejto charakteristiky možno všetky chillery podmienene zaradiť do dvoch tried – absorpčných a parokompresných.

Zariadenie absorpčnej jednotky

Absorpčný chiller alebo ABHM na svoju činnosť používa binárny roztok s prítomnou vodou a bromidom lítnym – absorbér. Princíp fungovania – absorpcia tepla chladivom vo fáze premeny pary na kvapalné skupenstvo.

Takéto agregáty využívajú teplo uvoľňujúce sa pri prevádzke priemyselného zariadenia. Pritom absorpčný absorbér s teplotou varu výrazne presahujúcou zodpovedajúci parameter chladiva dobre rozpúšťa posledné.

Schéma fungovania chillera tejto triedy je nasledovná:

1. Teplo z externého zdroja sa privádza do generátora, kde zohrieva zmes bromidu lítneho a vody. Pri varení pracovnej zmesi sa chladivo (voda) úplne odparí.
2. Para sa prenáša do kondenzátora a stáva sa kvapalinou.
3. Chladivo v kvapalnom stave vstupuje do škrtiaceho ventilu. Tu sa ochladzuje a tlak klesá.
4. Kvapalina vstupuje do výparníka, kde dochádza k vyparovaniu vody a absorpcii jej pár roztokom bromidu lítneho – absorbérom. Vzduch v miestnosti sa ochladzuje.
5. Zriedený absorbér sa opäť zohrieva v generátore a cyklus sa spúšťa znova.

Takýto klimatizačný systém zatiaľ nezískal široké rozšírenie, ale je úplne v súlade s modernými trendmi týkajúcimi sa úspory energie, preto má dobré vyhliadky.

Konštrukcia parokompresných zariadení

Na báze kompresného chladenia funguje väčšina chladiacich zariadení. Chladenie prebieha vďaka nepretržitej cirkulácii, varu pri nízkych hodnotách teploty, tlaku a kondenzácii chladiva v systéme uzavretého typu.

Do konštrukcie chillera tejto triedy patria:

• kompresor;
• výparník;
• kondenzátor;
• potrubia;
• regulátor prietoku.

Chladivo cirkuluje v uzavretom systéme. Tento proces riadi kompresor, v ktorom je plynná látka s nízkou teplotou (-5⁰) a tlakom 7 atm stláčaná pri zvýšení teploty na 80⁰.

Suchý nasýtený pár v stlačenom stave odchádza do kondenzátora, kde sa ochladzuje na 45⁰ pri nezmenenom tlaku a mení sa na kvapalinu.

Ďalším bodom na trase je škrtiaci ventil (redukčný ventil). V tomto štádiu tlak klesá z hodnoty zodpovedajúcej kondenzácii na hranicu, pri ktorej dochádza k vyparovaniu. Súčasne klesá aj teplota približne na 0⁰. Kvapalina sa čiastočne odparuje a vzniká vlhký pár.

Na schéme je znázornený uzavretý cyklus, podľa ktorého funguje parokompresné zariadenie. V kompresore (1) dochádza k stláčaniu vlhkého nasýteného pary, až kým nedosiahne tlak p1. V kompresore (2) pár odovzdáva teplo a mení sa na kvapalinu. V škrtiacom ventile (3) klesá ako tlak (p3 – p4), tak aj teplota (T1-T2). V tepelnom výmenníku (4) zostávajú tlak (p2) a teplota (T2) nezmenené.

Po vstupe do tepelného výmenníka – výparníka, pracovná látka, zmes pary a kvapaliny, odovzdáva chlad teplonosnému médiu a odoberá teplo od chladiva, pričom sa zároveň vysušuje. Proces prebieha pri konštantných hodnotách tlaku a teploty. Čerpadlá dodávajú kvapalinu s nízkou teplotou k fancoilom. Po prejdení tejto trasy sa chladivo vracia do kompresora, aby opäť zopakovalo celý parokompresný cyklus.

Špecifiká parokompresného chilleru

V chladnom období môže chiller pracovať v režime prirodzeného chladenia – nazýva sa to freecooling. Pritom teplonosné médium ochladzuje vonkajší vzduch. Teoreticky je možné využívať voľné chladenie pri vonkajšej teplote nižšej ako 7⁰C. V praxi je optimálna teplota na to 0⁰.

Pri nastavení do režimu «tepelný vynútený obeh» (tepelné čerpadlo) chiller pracuje na vykurovanie. Cyklus prechádza zmenami, najmä kondenzátor a výparník si vymieňajú svoje funkcie. V tomto prípade treba teplonosné médium podrobiť nie chladeniu, ale ohrevu.

Najjednoduchšie sú monoblokové chillery. V nich sú všetky prvky kompaktne spojené do jedného celku. Dodávajú sa na trh 100% vybavené, vrátane naplnenia chladivom.

Tento režim sa najčastejšie používa vo veľkých kanceláriách, verejných budovách, skladoch. Chiller je chladiaci agregát, ktorý poskytuje trikrát viac chladu, než spotrebuje. Jeho účinnosť ako ohrievača je ešte vyššia – spotrebuje štyrikrát menej elektriny, než vyprodukuje tepla.

Čím sa líši chladivo od teplonosného média?

Chladiace činidlo je pracovná látka, ktorá počas chladiaceho cyklu môže byť v rôznych skupenstvách pri rôznych hodnotách tlaku. Teplonosná látka nemení fázové stavy. Jej funkciou je prenos chladu alebo tepla na určitú vzdialenosť.

Dopravu chladiva riadi kompresor a teplonosnej látky čerpadlo. Teplota chladiaceho činidla môže klesať pod bod varu, ako aj stúpať nad neho. Teplonosná látka, na rozdiel od chladiva, neustále pracuje v podmienkach teplôt, ktoré nerastú nad bod varu pri aktuálnom tlaku.

Úloha fan coila v systéme klimatizácie

Fancoil je dôležitý prvok centralizovanej klimatickej jednotky. Druhý názov je ventilátorový konvektor. Ak sa termín fan-coil preloží z angličtiny doslovne, znie to ako ventilátor-teplovýmenník, čo najpresnejšie vystihuje princíp jeho činnosti.

Do konštrukcie fancoilu je zahrnutý sieťový modul, ktorý zabezpečuje pripojenie k centrálnemu riadiacemu zariadeniu. Pevný kryt skrýva konštrukčné prvky a chráni ich pred poškodením. Zvonka je inštalovaný panel, ktorý rovnomerne rozdeľuje prúdy vzduchu v rôznych smeroch.

Účel zariadenia spočíva v príjme nosiča s nízkou teplotou. Do zoznamu jeho funkcií patrí aj recirkulácia aj ochladzovanie vzduchu v miestnosti, kde je inštalované, bez privádzania vzduchu zvonka. Hlavné prvky fancoilu sú umiestnené v jeho kryte.

Patria k nim:

• odstredivý alebo tangenciálny ventilátor;
• teplovýmenník vo forme špirály pozostávajúcej z medenej trubice a hliníkových rebier nasadených na ňu;
• prachový filter;
• riadiaca jednotka.

Okrem hlavných uzlov a dielov je v konštrukcii fancoilu zahrnutá vanička na zachytávanie kondenzátu, čerpadlo na jeho odčerpávanie, elektromotor, pomocou ktorého sa otáčajú vzduchové klapky.

Na fotografii je kanálový fancoil značky Trane. Výkon dvojradových teplovýmenníkov je 1,5 – 4,9 kW. Agregát je vybavený tichým ventilátorom a kompaktným krytom. Výborne sa umiestňuje za falošnými panelmi alebo za zavesenou stropnou konštrukciou.

V závislosti od spôsobu montáže existujú fancoily stropné, kanálové, montované do kanálov, ktorými sa privádza vzduch, bezrámové, kde sú všetky prvky namontované na ráme, nástenné alebo konzolové.

Stropné zariadenia sú najobľúbenejšie a majú 2 varianty prevedenia: kazetové a kanálové. Prvé sa montujú v priestranných miestnostiach so zavesenými stropmi. Za zavesenou konštrukciou je umiestnený kryt. Viditeľný zostáva spodný panel. Môžu rozptyľovať prúdy vzduchu na dve alebo všetky štyri strany.

Ak sa systém plánuje používať výlučne na chladenie, najlepšie miesto preň je strop. Ak je konštrukcia určená na vykurovanie, zariadenie sa umiestňuje na stenu v jej spodnej časti.

Potreba chladenia nie je vždy prítomná, preto, ako je vidieť na schéme znázorňujúcej princíp činnosti systému chiller-fancoil, sa do hydraulického modulu vkladá nádrž, ktorá slúži ako akumulátor chladiva. Tepelnú rozťažnosť vody kompenzuje expanzná nádoba pripojená k prívodnému potrubiu.

Fancoily sa ovládajú v manuálnom aj automatickom režime. Ak ventilátorový konvektor pracuje na vykurovanie, v manuálnom režime sa uzatvára prívod studenej vody. Pri práci na chladenie sa uzatvára teplá voda a otvára sa cesta pre prívod chladiacej pracovnej kvapaliny.

Ovládací panel pre riadenie 2-rúrkového aj 4-rúrkového fancoilu. Modul sa pripája priamo k zariadeniu a umiestňuje sa v jeho blízkosti. K nemu sa pripájajú ovládací panel a vodiče na jeho napájanie.

Pre prácu v automatickom režime sa na paneli nastavuje požadovaná teplota pre konkrétnu miestnosť. Podpora nastaveného parametra sa uskutočňuje pomocou termostatov, ktoré upravujú cirkuláciu teplonosných médií – studeného a horúceho.

Výhoda fancoilu spočíva nielen v použití bezpečného a lacného teplonosného média, ale aj v rýchlom odstraňovaní porúch v podobe únikov vody. To znižuje náklady na ich servis. Použitie týchto zariadení je najenergeticky efektívnejší spôsob vytvorenia priaznivej mikroklímy v budove.

Keďže každá veľká budova má zóny s rôznymi požiadavkami na teplotný režim, každú z nich by mal obsluhovať samostatný fancoil alebo ich skupina s identickými nastaveniami.

Počet agregátov sa určuje vo fáze projektovania systému výpočtom. Náklady na jednotlivé komponenty systému chiller-fancoil sú pomerne vysoké, preto je potrebné vykonať výpočet aj projektovanie systému čo najpresnejšie.

Závery a užitočné video k téme

Video #1. Všetko o zariadení, činnosti a princípe fungovania systému termoregulácie:

Video #2. O tom, ako nainštalovať a uviesť do prevádzky chiller:

Inštalácia systému chiller-fancoil je vhodná v stredne veľkých a veľkých budovách s plochou presahujúcou 300 m². Pre súkromný dom, aj obrovský, je montáž takéhoto systému termoregulácie drahým potešením. Na druhej strane takéto finančné investície zabezpečia pohodlie a dobrý pocit, a to nie je málo.

Píšte, prosím, komentáre do bloku umiestneného nižšie. Pýtajte sa na zaujímavé otázky, podeľte sa o svoj vlastný názor a dojmy. Možno máte skúsenosti v oblasti zariadenia klimatického systému chiller-fancoil alebo fotografie k téme článku?