Klimatizace s přímým chlazením

V klimatizaci s přímým chlazením, tzv. DX (direct expansion) systémem, se vzduch ochlazuje s velkým teplotním rozdílem a ochlazuje se až pod teplotu rosného bodu, čímž nastává kondenzace vzdušné vlhkosti. Část chladicího výkonu se tedy odčerpá odvodem latentního tepla, čili na odvod tepelné zátěže není k dispozici celý chladicí výkon zařízení. Tento jev je však v případě komfortní klimatizace žádoucí, protože v prostorech, kde se trvale vyskytují nebo pracují lidé, je důležité odvádět nejen teplo, ale i zvýšenou vlhkost.

Systémy klimatizace s chlazením můžeme analyzovat v závislosti na tom, zda je nositelem chladu (tepla) z chladicí a kondenzační jednotky chemické chladivo, nebo chlazená (ohřátá) voda. Dalšími možnostmi, jako jsou klimatizace s vodními okruhy nebo akumulací chladu či chlazené stropy apod., se tento článek nezabývá.

Všeobecně je klimatizace (Air Conditioning) výraz pro techniku, která může vykonávat až čtyři termodynamické funkce:

• vytápění,
• chlazení,
• zvlhčování,
• odvlhčování.

V uzavřených prostorech se vytvářejí podmínky nezávisle na venkovních vlivech, které v celém rozsahu vyhovují fyziologicky podmíněným požadavkům člověka potřebným pro jeho fyzickou nebo duševní činnost. Klimatizace nezlepšuje přirozené prostředí. Bohužel bez ní to v moderních a hlavně výškových budovách už nejde. Klimatizace zabezpečuje pocit pohody, který kromě teploty vzduchu v místnosti, rychlosti proudění vzduchu a vlhkosti, ovlivňuje teplota stěn, stropu, podlahy, oken, prašnost, pachy a hluk.

V létě klimatizace především chladí, odvlhčuje a filtruje vzduch. Především však eliminuje nadměrné teplo z místnosti. Čím větší je tepelná zátěž, tím větší, energeticky náročnější a dražší musí být klimatizační zařízení. Proto je v prvé řadě nutné provést opatření na snížení tepelné zátěže, a to hlavně ze slunečního svitu a produkce nadměrné vlhkosti.

Komfortní a přesná klimatizace – zásady použití
Komfortní klimatizace se navrhuje tak, aby odváděla nadměrné teplo (vyprodukované osobami i technikou, resp. zařízením), zlepšovala kvalitu vzduchu a obnovovala příjemné pracovní a jiné podmínky. Největší pozornost v tomto směru vyžadují kanceláře s osobními počítači.

Přesná klimatizace je vyžadována především v prostoru, kde se soustřeďuje výhradně technologie (elektronická zařízení), čili tam, kde je velká tepelná zátěž na malé ploše nebo kde je požadavek na poměrně přesnou regulaci teploty, případně vlhkosti. Obvykle to bývá v IT místnostech, telefonních ústřednách, tiskárnách, archivech, laboratořích apod.

I když to na první pohled není zřejmé, tyto systémy se zásadně odlišují, proto je nevyhnutelné využít jejich předností na dané aplikace. Tak jako neinstalujeme do běžných kanceláří výkonné, rozměrné a spolehlivé systémy přesné klimatizace, tak nenavrhujeme a neinstalujeme jednotky komfortní klimatizace jednodušší z hlediska konstrukce a designu do náročných prostorů technologických místností.

Při výběru komfortní klimatizace bereme v úvahu především typ stavby, účel využití a rozsah úpravy vzduchu. Zvažujeme, zda jde o rodinný dům, podkroví, kancelář, zasedací místnost, obchod, restauraci nebo IT místnost. Chladicí výkon výrobce udává celkový, a to nejčastěji za takovýchto podmínek: teplota v místnosti 27 °C, relativní vlhkost 50 % a teplota okolí 35 °C.

Sortiment vnitřních klimatizačních jednotek je široký – ať už jde o nástěnné, podstropní, kazetové, kanálové nebo parapetní jednotky. Lze je použít od nejjednoduššího systému s jednou venkovní a jednou vnitřní jednotkou přes multisystémy, u nichž je na jednu venkovní jednotku připojených více vnitřních jednotek podle počtu místností, až po tzv. systémy s variabilním průtokem chladiva, umožňujících kombinovat více venkovních jednotek a dopravovat chladivo na větší vzdálenosti.

Jednotky přesné klimatizace jsou určeny na odvod odpadního tepla, zajišťují optimální mikroklima z hlediska teploty a vlhkosti na provoz citlivých technologických zařízení. Jsou to většinou jednotky s věžovým, resp. skříňovým vyhotovením (při malých výkonech mohou být i podstropní nebo parapetní). Jsou stavěny na celoroční provoz, a tak umožňují energeticky výhodné volné chlazení při nižších teplotách venkovního vzduchu.

Umístění venkovních a vnitřních jednotek
U dělených zařízení (split) pamatujeme na maximální vzdálenost venkovní a vnitřní jednotky a na její převýšení. Vnitřní jednotku, v níž je chladič vzduchu, umísťujeme tak, aby se z ní vystupující vzduch v prostoru vhodně distribuoval a neobtěžoval průvanem.

Filtrace a úprava vyfukovaného vzduchu
Vlastnosti filtračních materiálů pro vzduchové filtry se neustále zlepšují a zařadily se mezi ně už i deodorizační vlastnosti. Trojstupňové filtry nejprve odstraňují ze vzduchu velké i malé částice, potom přes elektrostatický filtr pohlcují škodliviny a přes zeolitový, uhlíkový filtr kouř a pachy ve vzduchu. Katechinový deodorizační a jiné filtry zachytávají a inaktivují i mikroskopické virusy a bakterie. Tím, že je zneškodňují, zabraňují šíření nakažlivých chorob. Iontový osvěžovač generuje negativní ionty. Také obohacování kyslíkem je důležité. Obsah kyslíku ve vzduchu v místnosti může klesnout pod 21 %, typických pro koncentraci v přírodě, a může tak způsobit pocit nepříjemně vydýchaného vzduchu. Zvláčňování přiváděného venkovního vzduchu se dosahuje nejen zvlhčováním, regulací a měněním směru jeho průtoku, nočním ztišeným provozem, ale i emisí vitamínů a kyseliny hyaluronové.

Rozdělení klimatizačních zařízení
Klimatizační zařízení se vzduchem chlazenými kondenzátory a s možností reverzace chladicího okruhu na chlazení i ohřev vzduchu se dělí na základě výkonu nebo aplikace do těchto čtyř kategorií:

• okenní nebo stěnové a mobilní,
• blokové (kompaktní),
• potrubní dělené,
• bezpotrubní dělené.

Větrání se většinou řeší jako nezávislé. Nucené větrání se stále častěji vybavuje rekuperátory tepla, které umožňují využívat teplo z odpadového vzduchu a které v nízkoenergetických domech mohou využít i tepelná čerpadla. Objevují se už i absorpční zařízení v kombinaci se solárním systémem. Ta jsou však zatím velmi drahá.

Okenní nebo stěnové a mobilní klimatizace
Klimatizační zařízení montovaná do oken nebo do stěn se konstruují pro chlazení jednoho prostoru – pokoje, kanceláře, a to podobně jako mobilní zařízení. Jsou poměrně malá a levná, proto se stala východiskem při klimatizování kanceláří a obchodů. Okenní i mobilní jednotky rychle ztrácejí podíl na trhu ve prospěch dělených jednotek. Mobilní jednotky se považují jen za levnější start pro pevnou klimatizaci.

Komerční blokové (kompaktní) klimatizace
Tato klimatizační zařízení se vyrábějí ve dvou variantách: jako dělené systémy s venkovní a vnitřní jednotkou a blokové (kompaktní) jednotky integrující venkovní a vnitřní jednotku, napojené na vzduchový distribuční systém. Většina z nich se montuje na střechy (rooftops) obchodů, úřadů nebo průmyslových hal. Mnohé blokové jednotky osázené více kompresory se využívají ke klimatizaci středně velkých celků. Výhodou blokových jednotek je mimo jiné i menší dávka chladiva a taktéž vyšší těsnost vzhledem k výrobě i zkoušení kompletního výrobku u výrobce.

Potrubní dělené klimatizace
Tyto klimatizace dominují v Severní Americe, kde centrální vytápěcí systémy se vzduchem vyžadují instalaci potrubí, která zásobují ohřívaným vzduchem každou místnost. V tomto případě se venkovní jednotka s kompresorem a výměníkem tepla také umísťuje mimo klimatizovaný prostor. Do potrubního systému se montuje vnitřní jednotka s výměníkem tepla, přes ni přecházející vzduch z místnosti se chladí nebo ohřívá a vede zpět potrubími do jednotlivých místností.

Bezpotrubní dělené klimatizace (split klimatizace)
Dělené (split) klimatizační zařízení mají jednotku s kompresorem a výměníkem tepla instalovanou odděleně od prostoru s vnitřní jednotkou s výměníkem tepla, jehož vzduch se chladí nebo ohřívá. Venkovní jednotka je propojena s jednou nebo více  vnitřními jednotkami potrubími s chladivem (multisplit). Jedna venkovní jednotka může pracovat s více vnitřními jednotkami, které ohřívají nebo chladí vzduch v místnosti.
Tato klimatizační zařízení se používají ke klimatizaci obchodních prostor, kanceláří, bytů nebo rodinných domů. Dvoupolohová regulace výkonu je už zřídkavá. Změna otáček elektromotorů stupňovitou změnou frekvence napětí ustupuje ve prospěch elektromotorů na jednosměrný proud se spojitou změnou výkonu a počtu otáček (pomocí invertoru). Prodej split klimatizací má nejen největší podíl na trhu, ale zaznamenává i největší expanzi. Patří sem i tzv. systémy s proměnlivým tokem chladiva.

Systémy s proměnlivým tokem chladiva
Nejnovější systémy tohoto typu umožňující zároveň chladit i vytápět chladivem R410A přinášejí především větší možnosti, které spočívají ve zvýšení regulovatelného chladicího výkonu kombinací více venkovních jednotek, což umožňuje:

• připojení většího počtu vnitřních jednotek,
• zvýšení celkové délky potrubí,
• větší převýšení mezi vnitřními jednotkami a venkovní jednotkou.

Na trhu je více než deset druhů se značným počtem modelů vnitřních jednotek s chladicím výkonem od 2 do 12,5 kW. Invertorové kompresory dosahují až 8 400 otáček za minutu při vyrovnané účinnosti i při frekvenci 240 Hz.

Klimatizace a tepelná čerpadla vzduch – vzduch
Moderní klimatizační zařízení mohou vzduch v místnosti nejen chladit, ale i ohřívat. Pak jde o tepelné čerpadlo, které přečerpává teplo zvenku do místnosti a může pracovat i při záporných teplotách venkovního vzduchu. Všeobecně platí, že vytápění tepelným čerpadlem je zatím problematické z důvodu vysoké pořizovací ceny. V případě klimatizace, jejímž cílem je chladit, je tomu jinak. Navýšení pořizovací ceny klimatizace s funkcí tepelného čerpadla není významné a návratnost je rychlá. Zároveň se prodlužuje využitelnost poměrně drahého klimatizačního zařízení během delšího období v roce.

Tepelná čerpadla vzduch – vzduch v moderních klimatizačních systémech s proměnlivým tokem chladiva umožňují vytápět i při teplotě venkovního vzduchu –25 °C. To už však jde o speciální systémy s přidaným druhým stupněm komprese, který umožňuje nejen vytápět při nízkých teplotách venkovního vzduchu s nižším poklesem výkonového čísla, ale umožňuje i rychlejší náběh požadované teploty. Díky připojení druhého stupně komprese (samostatného kompresoru) lze zvýšit kondenzační výkon při reverzaci chladicího okruhu, a tím urychlit odmrazování. Odmrazování je standardně energeticky nejefektivnější řešení reverzací chladicího okruhu.

Jinou možností je použití systémů podchlazování kapalného chladiva před expanzním ventilem v samostatném výměníku přímou expanzí chladiva s odvodem par chladiva do uzavřeného kompresního prostoru scroll nebo šroubového kompresoru. Tak se komprimují páry chladiva i při velmi nízkých teplotách venkovního vzduchu.

Chlazení a vytápění zároveň
Energeticky nejvýhodnějším je klimatizační systém, který zároveň chladí i vytápí nebo připravuje teplou vodu. Tyto systémy je možné aplikovat v některých inteligentních budovách, v nichž přečerpávají teplo z místností, kde je ho přebytek, do místností, kde je ho nedostatek. Takový systém je výhodný např. v prodejnách potravin, kde je na jedné straně nutné chladit a mrazit potraviny a nápoje a na druhé straně se prodejna musí vytápět. Integrace chlazení, mrazení a vytápění do jednoho systému umožní výhodně využít současnou výrobu chladu i tepla v přechodných obdobích i v zimě z téhož chladicího okruhu.

Zvlhčování a odvlhčování
Vnitřní jednotka odvlhčuje při nízké výparné teplotě (pod teplotou rosného bodu) kondenzací vzdušné vlhkosti na výparníku (odvlhčování chlazením). Tato funkce se využívá v létě, kdy i při mírných teplotách může vysoká míra vlhkosti způsobit pocit dusna. Důležité je při odvlhčování vzduchu nesnížit příliš jeho teplotu.

Split jednotky s přímou expanzí dokážou v zimě vzduch v místnosti nejen ohřívat, ale i zvlhčovat bez závislosti na zdroji vody na úroveň více než 40 % relativní vlhkosti. Venkovní jednotka funguje jako absorbér i desorbér vlhkosti z venkovního vzduchu. To znamená, že vlhkost obsažená ve venkovním vzduchu v zimním období se absorbuje v rotujícím absorbéru. Studený venkovní vzduch se prohání přes absorbér radiálním ventilátorem. Absorbér se pomalu otáčí a po otočení o 180° se stává desorbérem, což znamená, že ohřevem se vypuzuje vlhkost do venkovního vzduchu procházejícího přes desorbér. Venkovní vzduch se tak zvlhčí. Z desorbéru se odvádí hadicí do vnitřní jednotky, v níž se filtruje (čistí) a ohřívá na požadovanou teplotu, a radiálním ventilátorem vhání do vytápěné místnosti.

Ing. Peter Tomlein, Ph.D.
Foto a obrázky: archiv autora, Climat, Daikin, Microwell, York

Autor působí jako tajemník Slovenského svazu chladicí a klimatizační techniky.
Recenzovala: doc. Ing. Marta Székyová, Ph.D.

Literatura
1. Adamkovič, A.: Tendencie v klimatizácii. Sborník z mezinárodní konference SZ CHKT, Papiernička, 2003.
2. Lain, M. – Barták M.: Riziko průvanu v místnostech chlazených jednotkami s přímým chladivovým okruhem. Sborník z mezinárodní konference SZ CHKT, Papiernička, 2003.
3. Tomlein, P.: Trh s klimatizáciou. Sborník z mezinárodní konference SZ CHKT, Papiernička, 2003.
4. Firemní materiály: Daikin, Toshiba, York, apod.