Ogrzewanie powietrzne, wentylacja i klimatyzacja w biurze, czyli jak zwiększyć wydajność pracowników

W artykule omówiono wybrane rozwiązania instalacji ogrzewania powietrznego, inaczej nadmuchowego oraz wentylacji i klimatyzacji do stosowania w obiektach biurowych. To bardzo ważne zagadnienie, gdyż dobra jakość powietrza wewnątrz pomieszczeń, jego odpowiednia temperatura oraz ilość świeżego powietrza, wpływają nie tylko na odczucie komfortu osób pracujących w biurach, ale także na ich produktywność. Poznaj rozwiązania, które umożliwią odpowiednie dopasowanie instalacji ogrzewania powietrznego, wentylacji i klimatyzacji w budynku biurowym.

W badaniach prowadzonych przez naukowców z wielu uczelni i instytutów dowiedziono, że poprawa warunków środowiskowych w miejscu pracy prowadzi do lepszego samopoczucia i zmniejszenia absencji pracowników, a także zwiększenia wydajności ich pracy.

Spis treści

1. Systemy ogrzewania powietrznego, wentylacji i klimatyzacji do budynków biurowych
2. System powietrzny, rodzaje wentylacji
3. Na czym polega wentylacja mieszająca?
4. Na czym polega wentylacja wyporowa?
5. Rodzaje i rozmieszczanie nawiewników wyporowych
6. System powietrzno-wodny
7. Belki aktywne i bierne w systemie powietrzno-wodnym
8. Klimakonwektory w systemie powietrzno-wodnym
9. Fasadowe urządzenia wentylacyjne

W nowoczesnych budynkach biurowych o dużych powierzchniach przeszklenia problemem do rozwiązania jest zapewnienie odpowiednich wartości parametrów cieplnowilgotnościowych i asymilacja zysków ciepła przy jednoczesnym wykorzystaniu optymalnej przestrzeni technicznej na potrzeby prowadzonych instalacji wentylacji i klimatyzacji.

Systemy ogrzewania powietrznego, wentylacji i klimatyzacji do budynków biurowych

System klimatyzacji pomieszczeń to kombinacja urządzeń przeznaczonych do utrzymania warunków komfortu w określonym zakresie, z uwzględnieniem, że termin ten obejmuje zarówno system klimatyzacji powietrza, jak i systemy sufitowe, takie jak sufity chłodzące i belki chłodzące. Poza klimatyzacją pomieszczeń zawsze konieczna jest odpowiednia wentylacja, czyli wymiana powietrza.

W pomieszczeniach biurowych niezbędne jest zapewnienie wymaganych wartości parametrów powietrza, odebranie zysków ciepła i dostarczenie przynajmniej minimalnego strumienia powietrza zewnętrznego, zwanego higienicznym. Do realizacji tych zadań można wybrać systemy:

• wentylacyjny powietrzny,
• powietrzno-wodny,
• wykorzystujący chłodniejsze powietrze,
• czynnik chłodniczy do odebrania zysków ciepła.

Rozpatrywane są zatem instalacje z zastosowaniem systemu wentylacji mieszającej lub wyporowej (system powietrzny), belek chłodzących biernych (z koniecznością zagwarantowania wymiany powietrza przez odrębny system nawiewno-wywiewny), aktywnych klimakonwektorów indukcyjnych lub wentylatorowych (system powietrzno-wodny) oraz fasadowych urządzeń wentylacyjnych i klimatyzatorów.

Poza zapewnieniem chłodzenia, systemy i urządzenia te mogą być stosowane do ogrzania powietrza. W budynkach o dużym przeszkleniu i znacznych zyskach ciepła w wyniku nasłonecznienia oraz od urządzeń biurowych, oświetlenia elektrycznego, a także ciepła jawnego wydzielanego przez pracowników, w przypadku zastosowania systemu powietrznego może okazać się, że niezbędne jest dostarczenie dużych strumieni powietrza. Powoduje to konieczność zaprojektowania i wykonania ogromnych instalacji – przewodów o znacznym przekroju i dobranie wielkogabarytowych central wentylacyjno-klimatyzacyjnych oraz skutkuje wysokimi kosztami zużycia energii systemu przygotowania i rozprowadzenia powietrza.

Nie zawsze jest też w budynku miejsce na tak duże instalacje. W takim przypadku dobrym rozwiązaniem są systemy dwuczynnikowe, w których nie tylko powietrze odbiera zyski ciepła, ale także woda chłodząca lub czynnik chłodzący.

System powietrzny, rodzaje wentylacji

W systemie tym powietrze przygotowane w centrali wentylacyjno-klimatyzacyjnej jest dostarczane do pomieszczenia za pomocą nawiewników wentylacji mieszającej lub wyporowej.

Na czym polega wentylacja mieszająca?

Wentylacja mieszająca w pomieszczeniu z wentylacją mieszającą uzyskuje się wyrównany w przestrzeni rozkład temperatury i stężenia zanieczyszczeń powietrza. Nawiewniki dla tego typu wentylacji można wybierać z szerokiego asortymentu – tradycyjnych kratek ściennych, nawiewników sufitowych (anemostatów, nawiewników wirowych, szczelinowych, perforowanych) oraz podłogowych. W tym systemie prędkość powietrza nawiewanego na wylocie z nawiewnika jest wysoka. W strefie przebywania ludzi (dla osób siedzących podczas pracy przy biurkach) należy zapewnić prędkość przepływającego powietrza na maksymalnym poziomie 0,2 m/s. Ten rodzaj wentylacji może być stosowany w lecie – do chłodzenia, oraz w okresie chłodniejszym i zimowym – do ogrzewania powietrza.

Na czym polega wentylacja wyporowa?

W systemie wentylacji wyporowej powietrze nawiewne dostaje się do pomieszczenia z niewielką prędkością, tak blisko podłogi, jak tylko jest to możliwe. Warstwa świeżego powietrza przepływa nad powierzchnią podłogi. Po dotarciu do źródeł ciepła (ludzi, urządzeń biurowych) konwekcyjnie unosi się i cieplejsze, zanieczyszczone powietrze wypierane jest w kierunku wywiewników umieszczonych w górnej strefie pomieszczenia. W ten sposób powstają dwie strefy: „czysta” w strefie przebywania ludzi i „brudna” nad nią. W strefie pracy uzyskuje się bardzo dobre warunki – wysoką jakość powietrza i niski stopień jego turbulencji. Przy czym:

• prędkość powietrza w tym obszarze powinna wynosić 0,1–0,2 m/s,
• temperatura powietrza nawiewanego nie może być niższa niż 18°C,
• wartość Δtn (różnica pomiędzy temperaturą powietrza w pomieszczeniu a temperaturą powietrza nawiewanego) od 1 do 4–5 K (maks. 6 K),
• pionowy gradient temperatury, czyli różnica temperatury powietrza w pionie (pomiędzy , wartością na wysokości 1,1 a 0,1 m nad podłogą) nie powinna przekroczyć 2 K, aby uniknąć uczucia dyskomfortu wynikającego ze wzrostu wartości temperatury powietrza.

Rodzaje i rozmieszczanie nawiewników wyporowych

Nawiewniki wyporowe do pomieszczeń komfortowych zlokalizowane blisko podłogi mogą być wykonane jako okrągłe wolno stojące, półokrągłe do montażu przy ścianie, w kształcie ¼ koła do instalacji w narożniku ściany, płaskie do mocowania w ścianie oraz w podniesionej podłodze. Podczas rozmieszczania nawiewników w pomieszczeniu należy zwrócić uwagę na obszar w ich pobliżu – o jeszcze trochę za niskiej temperaturze powietrza nawiewanego i za wysokiej prędkości powietrza w stosunku do oczekiwań użytkowników.

Nawiewniki wyporowe (poza dwufunkcyjnymi stosowanymi w obiektach przemysłowych, z modułem realizującym w zimie ogrzewanie powietrza za pomocą wentylacji mieszającej) są stosowane do chłodzenia pomieszczeń, ale nie będą ich efektywnie wentylować, w przypadku gdy temperatura powietrza nawiewanego będzie wyższa od temperatury powietrza w pomieszczeniu (ogrzewanie).

System powietrzno-wodny

Odprowadzanie zysków ciepła przez wodę jest bardziej efektywne niż przez powietrze i tę właściwość wykorzystuje się w systemach powietrzno-wodnych. Urządzeniami umieszczanymi w pomieszczeniach są belki aktywne, belki bierne, klimakonwektory wentylatorowe i indukcyjne oraz fasadowe urządzenia wentylacyjne. Zyski ciepła odbiera się przede wszystkim przy wykorzystaniu chłodnicy wodnej, umieszczonej w belkach lub klimakonwektorach. Gdy do urządzenia dopływa chłodniejsze powietrze, ono także (choć w dużo mniejszym stopniu) bierze udział w asymilacji zysków ciepła. Wydajność chłodnicza/cieplna jest sumą wydajności chłodniczej/cieplnej strumienia powietrza pierwotnego i powietrza przepływającego przez wymiennik ciepła.

Belki aktywne i bierne w systemie powietrzno-wodnym

Firmy Airvent i FläktGroup oszacowały, że w belkach aktywnych proces klimatyzacji pomieszczenia w 70–75% realizuje się przez wodę, a jedynie w 25–30% przez powietrze pierwotne dopływające do belki z centrali wentylacyjno-klimatyzacyjnej. W belkach pasywnych ponad 90% ciepła odbierane jest na drodze konwekcji i odprowadzane za pomocą wody chłodzącej przepływającej przez wymiennik znajdujący się w belce. Wyczerpujący artykuł na temat belek aktywnych i biernych TUTAJ.

Klimakonwektory w systemie powietrzno-wodnym

Klimakonwektory to urządzenia grzewczo-chłodnicze, które odpowiadają za utrzymanie optymalnej temperatury w pomieszczeniu. Mogą pracować na powietrzu obiegowym z pomieszczenia albo zapewniać jego wymianę poprzez dostarczenie powietrza przygotowanego w centrali wentylacyjno-klimatyzacyjnej lub bezpośrednio z zewnątrz (najczęściej są to modele podokienne). Podobnie jak w przypadku aktywnych belek chłodzących, zyski ciepła odbierają powietrze i woda. Zaletą (w stosunku do belek) jest możliwość osuszania powietrza w wyniku kondensacji podczas chłodzenia powietrza przepływającego przez to urządzenie. Artykuł m.in. na temat podziału klimakonwektorów ze względu na rodzaj, konstrukcję oraz typ wymiennika TUTAJ.

Klimakonwektor może być wyposażony w dodatkową nagrzewnicę elektryczną, wówczas chłodzenie realizowane jest z instalacji wody lodowej, a ogrzewanie za pomocą nagrzewnicy elektrycznej. W przypadku układu czterorurowego, czyli z dwoma wymiennikami, jeden pełni rolę chłodnicy, drugi nagrzewnicy. Chłodnica wodna zasilana jest wodą lodową (wodnym roztworem glikolu lub wodą). Przykładowe wartości temperatury wody lodowej – 7/12°C. Powietrze ogrzewane jest za pomocą dostarczonej wody grzewczej o temperaturach np. 75/65°C lub np. 55/45 czy 45/35°C (klimakonwektory mogą współpracować z instalacją wysoko- i niskoparametrową). Temperatura czynnika nie może spaść poniżej 32°C w trybie ogrzewania i przekroczyć 15°C w trybie chłodzenia. Producenci jako minimalną temperaturę zasilania w trybie chłodzenia podają 4°C, a maksymalną w trybie grzania 80°C.

Niektóre z modeli klimakonwektorów mogą pobierać powietrze zewnętrzne. Wówczas są wyposażone w komorę mieszania z przepustnicą do regulacji udziału powietrza świeżego i obiegowego (maks. 50 : 50%), filtr powietrza klasy G2 (zgrubny) lub siatkę. Filtry stosowane w klimakonwektorach mogą być także klasy ISOe PM10 > 50% (M5) lub ISOe PM1 > 50% (F7). Wielkość strumienia powietrza świeżego wynika z wymagań higienicznych, a nie konieczności odprowadzenia zysków ciepła, skutkiem czego jest mniejsza centrala wentylacyjno-klimatyzacyjna, mniejsze przekroje przewodów wentylacyjnych i wymiary przestrzeni technicznych.

Fasadowe urządzenia wentylacyjne

Fasadowe urządzenia montowane są w lub przy ścianie zewnętrznej budynku. Mają za zadanie zapewnić niezbędną, co najmniej minimalną wymianę powietrza oraz oczekiwane wartości parametrów powietrza. Mogą być stosowane:

• jako jedyne urządzenia wentylacyjne nawiewne (nie ma wówczas potrzeby wykonania instalacji kanałowej nawiewnej),
• mogą być uzupełnieniem systemu centralnego z centralą wentylacyjno-klimatyzacyjną.

W pierwszym rozwiązaniu powstaje zdecentralizowany system nawiewu powietrza, a niezbędne usuwanie powietrza z pomieszczeń i budynku uzyskuje się za pomocą zcentralizowanego systemu wywiewu powietrza. Możliwe jest także zaprojektowanie całkowicie zdecentralizowanych obu systemów (fasadowe urządzenia nawiewno-wywiewne). Fasadowe urządzenia wentylacyjne mogą pełnić funkcje prostej jednostki nawiewnej, nawiewno-wywiewnej, a także złożonej minicentrali wentylacyjno-klimatyzacyjnej (bez nawilżania powietrza). W jednostkach możliwe jest zastosowanie innowacyjnych technologii, np. wykorzystanie materiałów zmiennofazowych (PCM). Urządzenia te, podobnie jak belki aktywne, zapewniają chłodzenie powietrza bez kondensacji (chłodzenie „na sucho”). Jednak są w nich montowane tacki na kondensat potrzebne w sytuacji, gdy temperatura powietrza chwilowo spadnie poniżej temperatury punktu rosy.

Ze względu na miejsce montażu wyróżnia się urządzenia:

• podokienne (zlokalizowane pod parapetem,
• przed parapetem, w górnej części lub z boku okna),
• podłogowe (montowane w przestrzeni podpodłogowej przylegającej do fasady, np. w całkowicie przeszklonych budynkach),
• sufitowe.

W urządzeniu fasadowym nawiewnym znajdują się m.in. filtr dokładny klasy F7 (klasa ISOe PM1 > 50%), wentylator, tłumik, moduł wymiennika ciepła (chłodnica i/lub nagrzewnica – system dwururowy z opcją przełączania lub czterorurowy), zawory, czujnik. Moduł powietrza wywiewanego zawiera m.in. filtr zgrubny, wentylator, tłumik, klapę zwrotną i przepustnicę odcinającą. W jednostce nawiewno-wywiewnej może znajdować się płytowy wymiennik do odzysku (rekuperator).

Dodatkowym modułem jest moduł powietrza wtórnego. Powietrze nawiewane do pomieszczenia charakteryzuje się niską turbulencją – nawiewem wyporowym. Przykładowe parametry pracy dla jednostek podłogowych nawiewno-wywiewnych z odzyskiem ciepła (na podstawie materiałów firmy Trox): strumień powietrza nawiewanego zewnętrznego: 60–120 m³/h, zawartość wilgoci w powietrzu zewnętrznym: 11,9 g/kg (32°C, 40%), temperatura wody zasilającej chłodnicę: 16°C, całkowita wydajność chłodnicza: 200–370 W, temperatura wody zasilającej grzewczej: 50°C, poziom ciśnienia akustycznego z uwzględnieniem 8 dB tłumienia pomieszczenia: 20–35 dB(A).