Chladiace trámy – fámy a fakty

O výhodách chladiacich trámov sa veľa hovorí. Aká je skutočnosť a ako obstojí porovnanie s VRV riešením? Jednou z možností, ako zabezpečiť chladenie v budovách, je využiť chladiace trámy. Pozrime sa bližšie na ich technické parametre a porovnajme, ako v rovnakých aplikáciách obstoja aj systémy s priamym chladením, napríklad VRV systémy.

Chladiace trámy sa prvý raz objavili v Nórsku v roku 1975. Pôvodne sa používali prevažne v Škandinávii, ktorá sa vyznačuje nízkymi, respektíve stabilnými záťažami s nízkou fluktuáciou latentnej záťaže (vlhkosti) počas chladiacej sezóny. Do iných oblastí sa táto technika nerozšírila, pretože sa nedokázala vyrovnať s vyššími záťažami a hlavne vysokou premenlivosťou latentnej záťaže počas letných období v južnejších oblastiach. V 90. rokoch sa však začali dramaticky zlepšovať tepelné vlastnosti budov aj s ohľadom na chladiacu sezónu, nižšie tepelné zisky tak umožnili rozšírenie technológie do zvyšku sveta. Vysoká variabilita latentných záťaží však pri tomto riešení zostáva stále veľkou výzvou.

Medzi najčastejšie tvrdenia o výhodách vodných systémov s chladiacimi trámami (v porovnaní s fan-coil či VRV riešeniami) patria:

1. Chladenie pomocou trámov je vysoko energeticky účinné, pretože využíva chladiacu vodu s relatívne vysokou teplotou (zvyčajne 16 – 18 °C), ktorú možno vyrobiť v chilleri s relatívne vysokou účinnosťou;
2. Chladiace trámy v sebe nemajú ventilátory, preto sú veľmi tiché a nespotrebúvajú žiadnu elektrickú energiu;
3. V chladiacich trámoch nedochádza ku kondenzácii, preto netreba riešiť odvod kondenzátnej vody;
4. Prúdenie vzduchu z chladiacich trámov má veľmi nízku rýchlosť, preto nevzniká riziko nepríjemného pocitu prievanu;
5. Chladiace trámy existujú v množstve dizajnových variantov a môžu obsahovať aj ďalšie vybavenie (osvetlenie, sprinklery atď.).

Poďme sa teda bližšie pozrieť na to, čo sa skrýva za týmito tvrdeniami z pohľadu využitia chladiacich trámov, napríklad v kancelárskych priestoroch. Zároveň porovnáme, ako obstoja v rovnakých aplikáciách VRV systémy.

Je chladenie pomocou trámov vysoko energeticky účinné?

Chladiace trámy využívajú relatívne teplú chladiacu vodu (zvyčajne 16 – 18 °C). Dôvodom využívania vysokoteplotnej chladiacej vody je to, že chladiace trámy nemajú kondenzátne vane, takže  musia pracovať s vodou, ktorá má teplotu nad teplotou rosného bodu vnútorného vzduchu. Ak by bola teplota vody pod rosným bodom, v tráme by sa tvoril kondenzát, ktorý by kvapkal dolu do priestoru (situácia, ktorá sa nazýva aj „vnútorný dážď“, je známa zo zle navrhnutých aplikácií).

Pritom platí, že teplota rosného bodu stúpa so:

• stúpajúcou vnútornou teplotou (napríklad ak dôjde k náhlemu nárastu záťaží),
• stúpajúcou vnútornou vlhkosťou (napríklad ak v priestore dôjde k nárastu počtu osôb alebo ak vplyvom vonkajšieho pro­stredia dôjde k nárastu vlhkosti v dodávanom čerstvom vzduchu, napr. pri búrke).

Otázna je aj výroba vysokoteplotnej chladiacej vody s vysokou účinnosťou. Je to možné, no nárast účinnosti nie je až taký dramatický a zlepšenie účinnosti si navyše vyžiada aj výrazne vyššiu spotrebu čerpadiel, pretože celkový prietok vody môže byť až dvojnásobný. To má, samozrejme, zas vplyv aj na dimenzie potrubí. Za určitých okolností nie je dokonca výroba vysokoteplotnej chladiacej vody s vysokou účinnosťou možná vôbec. Aby vo vnútornom prostredí nestúpal rosný bod, musí sa vetrací vzduch dostatočne odvlhčiť, t. j. ochladiť, na čo je nevyhnutná chladiaca voda so štandardnou teplotou. V skutočnosti je však často použitá iba jedna chladiaca centrála produkujúca len chladiacu vodu so štandardnou nízkou teplotou. Pred zavedením do chladiacich trámov sa voda „ohreje“ primiešaním vratnej vody, preto v takomto prípade zostáva potenciál účinnosti pri výrobe vysokoteplotnej chladiacej vody nevyužitý.

Obr. 1 Porovnanie priameho a nepriameho chladenia

Porovnanie s VRV

VRV je systém s priamym chladením (DX), ktorý má už zo základného princípu vyššiu účinnosť (obr. 1). Pri priamom chladení je totiž vnútorný vzduch chladený priamo chladivovým okruhom, pri nepriamom chladení je vnútorný vzduch chladený sekundárnym vodným okruhom. A práve dodatočná výmena tepla so sekundárnym okruhom a dodatočný zdroj na presun média v sekundárnom okruhu spôsobujú energetické straty a straty účinnosti. Navyše platí, že hodnota účinnosti chillera neobsahuje spotreby čerpadiel, ktoré sú podstatné. VRV systém ponúka revolučné riadenie s premenlivou teplotou chladiva, čiže  výkon prispôsobuje nielen úpravou rýchlosti kompresorov, ale aj úpravou vyparovacej teploty, čo prináša dramatický nárast účinnosti pri čiastočnej záťaži a výrazne zvyšuje komfort v miestnosti (obr. 2).

Obr. 2 Porovnanie účinností pri čiastočnej záťaži

Sú chladiace trámy veľmi tiché?

Ako fungujú chladiace trámy, ak nemajú ventilátory? Existujú dva typy chladiacich trámov:

• pasívne chladiace trámy (obr. 3a), ktoré fungujú iba vďaka princípu, že chladný vzduch (ochladený trámom) má vyššiu hustotu, a teda padá dolu spôsobujúc prirodzenú cirkuláciu vzduchu,
• aktívne chladiace trámy (indukčné jednotky), obr 3b. ktoré využívajú prúd ventilačného (čerstvého) vzduchu s vysokou rýchlosťou (tzv. primárny vzduch), ktorý strháva okolitý vnútorný vzduch a preháňa ho cez trám – tento dej sa nazýva indukovaná cirkulácia.

Obr. 3 Chladiace trámy: a) pasívne b) aktívne

Sú teda chladiace trámy skutočne tiché? Áno, ak ide o pasívne chladiace trámy. Táto vlastnosť je však vykúpená extrémne nízkym výkonom – pasívne chladiace trámy dodajú maximálne 0,4 kW na meter ich dĺžky, obvykle však len okolo 0,2 kW. Pri aktívnych chladiacich trámoch závisí všetko od návrhu. Ak sa vyžaduje väčší chladiaci výkon, treba privádzať primárny vzduch vyššou rýchlosťou, aby sa indukovala vyššia cirkulácia, vysokorýchlostný prúd vzduchu je tak však schopný vytvoriť viac hluku než niektoré fan-coil jednotky. Rovnako dlhý chladiaci trám (pri dĺžke 2,7 m) tak môže byť celkom tichý (< 20 dB(A) pri výkone približne 1,4 kW), ale aj veľmi hlučný (55 dB(A) s výkonom približne 2,3 kW).

Naozaj chladiace trámy nespotrebúvajú žiadnu elektrickú energiu?

Šetria trámy elektrickou energiou, ak nemajú ventilátory? Chladiace trámy sami osebe skutočne žiadnu elektrickú energiu nespotrebúvajú. Aktívne chladiace trámy však vyžadujú vysokorýchlostný prúd externe dodávaného ventilačného vzduchu na indukovanie cirkulácie. Vytvorenie tohto prúdu vzduchu si vyžaduje, aby ventilačný vzduch dosahoval veľmi vysoké tlaky (obvykle okolo 100 až 150 Pa v samotnom tráme). Štandardná distribúcia čerstvého vzduchu si pritom vyžaduje len okolo 20 Pa v koncových elementoch (difúzoroch). Ďalšia nevýhoda aktívnych chladiacich trámov spočíva v tom, že vyžadujú neustály prúd ventilačného vzduchu (primárny vzduch) na dodávanie chladiaceho alebo vykurovacieho výkonu.

Značne teda obmedzujú potenciál úspor energie použitím dynamického riadenia ventilácie na základe skutočnej potreby. Takéto riadenie ventilácie (na základe koncentrácie CO2) môže usporiť až 40 % energie na vetranie (pohon ventilátorov + chladenie/ohrievanie čerstvého vzduchu). Aktívne chladiace trámy to však nemôžu využiť, pretože obmedzenie ventilácie obmedzuje zároveň ich výkon. Vypnutie chladenia vedie k nárastu vnútornej teploty, a teda k nárastu rosného bodu, čím môže nastať situácia, keď trám nemôže začať znovu naplno chladiť, pretože by to spôsobilo „vnútorný dážď“. Vypnutie vetrania v čase neprítomnosti osôb počas obdobia  vykurovania môže zasa spôsobiť nepríjemné ochladenie miestnosti – najmä pre tých, ktorí sa do miestnosti vrátia (napríklad po obede).

Obr. 4 Príklady VRV vnútorných jednotiek: a) kazetová vnútorná jednotka  b) kanálová jednotka s distribúciou vzduchu potrubím a difúzormi

Porovnanie s VRV

VRV systémy ponúkajú ohromné množstvo variantov vnútorných jednotiek – od priznaných jednotiek inštalovaných na stenu, pod strop či do podhľadu až po kanálové jednotky neviditeľné obyvateľom miestnosti. Porovnateľným príkladom môžu byť kazetové vnútorné jednotky, ktoré majú nízke inštalačné náklady (nepotrebujú rozvody vzduchu) a hladiny hluku približne od 25 dB(A), alebo kanálové jednotky s distribúciou vzduchu potrubím a difúzormi, ktoré majú neobmedzené možnosti konfigurácií a dizajnu a môžu dosiahnuť hladinu hluku pod hranicou počuteľnosti. VRV systémy poskytujú vykurovanie alebo chladenie nezávisle od vetrania (obr. 5). Čerstvý (ventilačný) vzduch možno privádzať len do nevyhnutnej miery, tzn. možno využiť dynamickú reguláciu vetrania. Ak je miestnosť úplne prázdna, dá sa vetranie aj úplne zastaviť a aj napriek tomu možno miestnosť stále temperovať a predísť jej prehriatiu či podchladeniu. VRV vnútorné jednotky možno nastaviť tak, aby vo chvíli, keď nie je požadovaný ani chladiaci ani vykurovací výkon, vypli ventilátory na zníženie spotreby energie.

Obr. 5 VRV systémy poskytujú vykurovanie alebo chladenie nezávisle od vetrania.

Odpadá pri chladiacich trámoch nebezpečenstvo kondenzácie?

Chladiace trámy nemajú kondenzátne vane, preto treba dôsledne strážiť teplotu rosného bodu, aby nedošlo k „vnútornému dažďu“. Ak rosný bod stúpne (napríklad z dôvodu nárastu vnútorných záťaží), je nevyhnutné obmedziť chladenie (zvýšením teploty vody) či dokonca chladenie celkom vypnúť alebo výraznejšie ochladzovať a odvlhčovať ventilačný vzduch, čo je však energeticky náročné.
Počas chladiacej sezóny však nie je možné chladenie „dočasne“ vypnúť (napríklad cez obed), pretože by sa zvýšila vnútorná teplota, a teda aj rosný bod a mohol by nastať prípad, keď by nebolo možné znovu začať chladiť bez rizika „vnútorného dažďa“. Ak dôjde k výpadku chladenia (z dôvodu výpadku prúdu či výpadku chillera), opätovný nábeh sa musí robiť veľmi opatrne a pomaly, aby nikde neklesla teplota chladiacej vody pod rosný bod.

Porovnanie s VRV

Systémy VRV IV s revolučným riadením a s premenlivou teplotou chladiva môžu väčšinu sezóny takisto chladiť bez kondenzácie. V prípade nutnosti však pri nich nie je problém zvýšiť výkon aj za cenu kondenzácie na výmenníku, pretože všetok kondenzát sa zhromažďuje v kondenzátnej vani a odvádza sa samospádom alebo  odčerpáva čerpadlom. Hoci kondenzátne vane treba aspoň raz ročne čistiť, pri VRV systémoch odpadá údržba hydraulických komponentov (ventilov, čerpadiel, riadiacich prvkov, kvality zariadení na úpravu vody a pod.).

Netreba sa báť nepríjemného pocitu prievanu?

Ako prakticky vo všetkom, čo sa týka chladiacich trámov, aj pri tomto aspekte veľmi závisí od správneho návrhu – najmä vtedy, ak sa od chladiacich trámov požadujú vysoké výkony, môžu nastať situácie s obťažujúcim prúdom vzduchu, ktoré sa však riešia veľmi ťažko:

• ak sú dva aktívne chladiace trámy príliš blízko seba, ich prúdenie sa môže zraziť a spôsobiť silný prúd vzduchu smerujúci dolu,
• v prípade pasívnych chladiacich trámov môže požiadavka na vyššie výkony (napr. 0,4 kW na meter trámu) spôsobiť také výrazné ochladenie vzduchu, že jeho klesanie pod trámom bude veľmi citeľné.

Obr. 6 Pri VRV jednotkách možno zaručiť, že vzduch nikdy nefúka priamo na osoby a zároveň v prípade vykurovania možno predísť aj teplotnému vrstveniu.

Porovnanie s VRV

Pri kazetových jednotkách Daikin možno pomocou ovládača individuálne nastavovať smer prúdenia vzduchu z každej zo štyroch výfukových lamiel alebo dokonca úplne automaticky pomocou snímačov prítomnosti a polohy osôb v miestnosti. Takto možno zaručiť, že vzduch nikdy nefúka priamo na osoby a zároveň v prípade vykurovania možno predísť aj teplotnému vrstveniu (obr. 6). Kanálové jednotky ponúkajú neobmedzené možnosti, ako vzduch distribuovať, vrátane riešení eliminujúcich riziko pocitu prievanu.

Ako je to s dizajnom a ďalším vybavením?

Chladiace trámy môžu obsahovať ďalšie vybavenie (osvetlenie, sprinklery atď.), otázka však znie, prečo sa vlastne ponúkajú chladiace trámy s ďalším vybavením. Vysvetlenie spočíva v tom, že trámy zaberajú v strope veľa miesta, takže na ostatné zariadenia ho už zostáva pomenej. Chladiace trámy s integrovaným osvetlením a ďalšími zariadeniami tak niekedy predstavujú jediný spôsob, ako miestnosť zariadiť všetkým potrebným vybavením.

Porovnanie s VRV

VRV jednotky neobsahujú ďalšie vybavenie, ale to ani nemusia, pretože v okolí ponechávajú dostatok priestoru na ich bežnú inštaláciu (plochá kazetová jednotka Daikin napríklad vôbec nezasahuje do susedných kaziet štandardného Euro-rastra). Navyše sa vďaka tomu dá vyhnúť obmedzenej ponuke vybavenia, ktorá je súčasťou chladiacich trámov. Spoločnosť Daikin ponúka spolu až 14 rozličných typov VRV vnútorných jednotiek vrátane výhercov dizajnových ocenení (obr. 4 a 7). Navyše je tu možnosť napojiť na VRV systém aj viac ďalších typov štýlových rezidentných split jednotiek.

Obr. 7 Medzi 14 rôznymi typmi Daikin vnútorných jednotiek sú aj výhercovia dizajnových ocenení.

Záver

Ak berieme do úvahy energetické hľadisko, platí, že:

• chladiace trámy môžu využiť vysokote­plotnú chladiacu vodu, ktorú možno vyrábať s účinnosťou vyššou približne o 14 %, ak sa pri nich používa samostatný chiller; chladiace trámy však potrebujú až 2x vyšší celkový prietok chladiacej vody v porovnaní s fan-coil riešením, a to z dôvodu polovičného teplotného spádu (15/18 °C vs. 6/12 °C), čo znamená 2x vyššiu spotrebu obehových čerpadiel,
• chladiace trámy potrebujú neustály prívod ventilačného vzduchu s vysokým tlakom, čo zvyšuje potrebný príkon ventilátorov vo vzduchotechnických jednotkách o 20 až 30 %,
• na dostatočné odvlhčovanie vnútorného priestoru treba výrazne odvlhčovať, a teda aj ochladzovať prívodný ventilačný vzduch (až na 14 °C), čo v porovnaní s fan-coil alebo VRV riešeniami (ochladzovanie na 20 °C aj viac) prináša najmenej o 40 % vyššie nároky na chladenie ventilačného vzduchu.
• VRV systémy majú najnižší vplyv na stavbu z hľadiska zaberania priestoru, ktorý by sa mohol inak komerčne využiť.
• VRV systémy majú najnižší vplyv na stavbu z hľadiska stavebných nákladov (statická záťaž, výška poschodí atď.)
• VRV systémy dosahujú najnižšie celkové prevádzkové náklady (náklady na prevádzku energie a údržbu).

Text vznikol v spolupráci so spoločnosťou Daikin.
Foto a obrázky: Daikin

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.