Klimatizácia: Princípy, Typy a História

Klimatizácia (označovaná skratkou AC z anglického air conditioning) je proces úpravy kvalitatívnych parametrov vzduchu v uzatvorených priestoroch alebo zariadenie (systém zariadení) na takúto úpravu a rozvod takto upraveného vzduchu. Jej cieľom je odstránenie tepla z uzavretého priestoru na dosiahnutie príjemnejšej vnútornej teploty a v niektorých prípadoch aj kontrola vlhkosti vnútorného vzduchu. Klimatizácia umožňuje, aby vnútorné prostredie budovy zostalo relatívne konštantné, do značnej miery nezávislé od zmien vonkajších poveternostných podmienok a vnútorných tepelných záťaží.

Klimatizačné jednotky, ktoré typicky využívajú kompresné chladenie pár, sa líšia veľkosťou od malých jednotiek používaných vo vozidlách alebo v jednotlivých miestnostiach až po masívne systémy schopné chladiť veľké budovy.

Princíp fungovania klimatizácie

Chladiaci okruh s kompresiou pár

Chladenie v tradičných klimatizačných systémoch sa dosahuje pomocou cyklu kompresie pár, ktorý využíva nútenú cirkuláciu a fázovú premenu chladiva medzi plynom a kvapalinou na prenos tepla. Schematicky sa chladiaci okruh delí na štyri hlavné fázy:

1. Chladiace médium je pri vysokej teplote a tlaku privedené do výmenníka - kondenzátora, kde je ochladzované okolitým vzduchom. Počas tohto procesu médium kondenzuje a odovzdáva teplo do vonkajšieho prostredia.
2. Kvapalina je transportovaná cez kapiláru alebo expanzný ventil, za ktorým sa prudko zníži tlak, a tým aj teplota.
3. Médium pokračuje do ďalšieho výmenníka - výparníka. Tu sa kvapalina začne odparovať, čím odoberá teplo z priestoru výparníka, spravidla z ochladzovanej miestnosti.
4. Na distribúciu studeného vzduchu do miestnosti slúži ventilátor, ktorý je umiestnený pri výparníku. Po odparení sa plynné chladivo vracia do kompresora, ktorý ho opäť stlačí a cyklus sa opakuje.

Tento cyklus kompresie pár môže prebiehať v rámci jednotkového alebo baleného zariadenia, alebo v rámci chladiča, ktorý je na strane výparníka pripojený k koncovému chladiacemu zariadeniu (ako je fan coil jednotka v vzduchotechnickej jednotke) a na strane kondenzátora k zariadeniu na odvod tepla, ako je chladiaca veža.

Dehumidifikácia a voľné chladenie

Klimatizačné zariadenie znižuje absolútnu vlhkosť vzduchu, ak je povrch výparníkovej cievky výrazne chladnejší ako rosný bod okolitého vzduchu. Väčšina moderných klimatizačných systémov disponuje režimom dehumidifikácie, pri ktorom pracuje kompresor, zatiaľ čo ventilátor sa spomalí, aby sa znížila teplota výparníka a kondenzovalo viac vody.

Voľné chladenie (free cooling) sa niekedy využíva, keď je vonkajší vzduch chladnejší ako vnútorný. V takom prípade nie je potrebné používať kompresor, čo vedie k vysokým účinnostiam chladenia v takýchto obdobiach. Dehumidifikácia vzduchu pred jeho ochladením môže znížiť následné náklady na chladenie až o 90 percent.

História klimatizácie

Hoci technológie poháňanej klimatizácie nadobudli prevahu až v 20. storočí, pasívne techniky chladenia boli rozšírené až do tej doby.

• 1758: Benjamin Franklin a John Hadley, profesor chémie na Univerzite v Cambridge, uskutočnili experimenty s aplikovaním princípu odparovania ako prostriedku na rýchle ochladenie objektu. Potvrdili, že odparovanie vysoko prchavých kvapalín (ako alkohol a éter) možno použiť na zníženie teploty objektu pod bod mrazu vody.
• 1820: Anglický vedec a vynálezca Michael Faraday objavil, že stláčanie a skvapalňovanie amoniaku dokáže ochladiť vzduch, keď sa skvapalnenému amoniaku umožní odparovať sa.
• 1842: Floridský lekár John Gorrie použil kompresorovú technológiu na výrobu ľadu, ktorý používal na chladenie vzduchu pre svojich pacientov v nemocnici v Apalachicole na Floride. Predpokladal centralizovanú klimatizáciu, ktorá by mohla chladiť celé mestá, a patent získal v roku 1851.
• 1851: James Harrison vytvoril prvý mechanický stroj na výrobu ľadu v Geelonge v Austrálii a v roku 1855 získal patent na systém chladenia parnou kompresiou éteru, ktorý vyprodukoval tri tony ľadu denne.
• 1894: Maďarský inžinier István Röck začal vyrábať priemyselné amoniakové kompresory poháňané elektromotormi (vyvinuté v spolupráci so závodom Ganz Works). Táto inovácia urobila systémy kompaktnejšími a vhodnými pre mestské prostredia. Do roku 1896 jeho továreň vyrábala "suché vzduchové chladiace zariadenia" špeciálne navrhnuté na chladenie a odvlhčovanie nemocníc, divadiel, veľkých verejných sál a dokonca aj obytných miestností.
• 1901: Americký vynálezca Willis H. Carrier zostrojil prvú modernú elektrickú klimatizačnú jednotku.
• 1902: Carrier nainštaloval svoj prvý klimatizačný systém v spoločnosti Sackett-Wilhelms Lithographing & Publishing Company v Brooklyne v New Yorku. Jeho vynález kontroloval teplotu aj vlhkosť, čo pomohlo udržiavať konzistentné rozmery papiera a zarovnanie atramentu v tlačiarni.
• 1906: Carrier patentoval termín "air conditioning". V tom istom roku Stuart W. Cramer zo Charlotte v Severnej Karolíne skúmal spôsoby, ako pridať vlhkosť do vzduchu vo svojej textilnej továrni a skombinoval vlhkosť s ventiláciou na "kondicionovanie" vzduchu, čím kontroloval vlhkosť nevyhnutnú v textilných prevádzkach. Termín "air conditioning" (kondicionovanie vzduchu) použil vo svojom patentovom nároku.
• 1914: Prvá domáca (alebo "obytná") klimatizácia bola nainštalovaná v Minneapolise v dome Charlesa Gilberta Gatesa.
• 1931: H.H. Schultz a J.Q. Sherman vyvinuli typ klimatizácie pre individuálne miestnosti navrhnutý na umiestnenie na okenný parapet.
• 1954: Ned Cole, absolvent architektúry z roku 1939, vyvinul prvú experimentálnu "prímestskú štvrť" so vstavanou klimatizáciou v každom dome, známu ako "Austin Air-Conditioned Village".

Typy klimatizačných systémov

Split a MultiSplit systémy

Split klimatizačné systémy, určené pre jednu miestnosť, pozostávajú z oddeleného kondenzátora s kompresorom, ktorý sa nachádza vo vonkajšom prostredí, a vnútornej jednotky, ktorá obsahuje výparník. Obe jednotky sú prepojené medeným izolovaným potrubím, ktoré vedie chladiace médium.

MultiSplit klimatizačné systémy sú určené pre viac miestností (zväčša 2 až 5). Tieto systémy taktiež pozostávajú z oddeleného kondenzátora s kompresorom vo vonkajšom prostredí a viacerých vnútorných jednotiek, ktoré obsahujú výparníky. S vonkajšou jednotkou je každá vnútorná jednotka prepojená medeným izolovaným potrubím.

V prípade, že je miestnosť veľká alebo značne členitá, je možné použiť Split systém, v ktorom sa chladiaci výkon vnútornej jednotky rozdelí na dve, tri alebo až štyri vnútorné jednotky. Tým sa zabezpečí rovnomernejšie rozloženie distribúcie chladu alebo tepla v miestnosti. Prepojovacie potrubie vedené od vonkajšej jednotky sa v miestnosti rozdelí na viac vetiev v rozbočovačoch (tzv. refnetoch) a pripoja sa k nemu vnútorné jednotky.

Prvý mini-split systém bol predaný v roku 1961 spoločnosťou Toshiba v Japonsku, a prvá nástenná mini-split klimatizácia bola predaná v roku 1968 v Japonsku spoločnosťou Mitsubishi Electric. Viaczónové bezkanálové systémy vynašla spoločnosť Daikin v roku 1973 a systémy s premenným prietokom chladiva (VRF), ktoré možno považovať za väčšie multi-split systémy, tiež vynašla spoločnosť Daikin v roku 1982.

Mobilné klimatizácie

Celú mobilnú klimatizáciu tvorí jedna jednotka na kolieskach, ktorá obsahuje kondenzor aj výparník. Odvod kondenzátorom zohriateho vzduchu je zabezpečený ventilátorom, ktorý je napojený na hadicu, ktorá sa musí vyviesť do vonkajšieho prostredia. Nevýhodou tohto typu klimatizácie je jej znížená účinnosť, lebo na ochladzovanie kondenzátora používa vzduch z klimatizovanej miestnosti.

Existujú aj mobilné klimatizácie s dvomi hadicami, ktoré riešia tieto nevýhody. Druhá hadica slúži na prívod vzduchu z vonkajšieho prostredia na ochladzovanie kondenzátora. Tieto systémy s hadicami, ktoré môžu byť monoblokové alebo vzduch-vzduch, sú odvetrávané vonkajším vzduchom cez vzduchové potrubia. Monoblokový typ zhromažďuje vodu vo vedre alebo nádobe a zastaví sa, keď je plný. Typ vzduch-vzduch vodu znovu odparuje a vypúšťa ju cez vedenú hadicu, čo umožňuje nepretržitú prevádzku.

Okenné a stenové klimatizácie (PTAC)

Okenná klimatizácia sa montuje priamo do okna miestnosti. Podobné sú balené terminálové klimatizácie (Packaged Terminal Air Conditioner - PTAC) a stenové klimatizácie, ktoré sa inštalujú do okenného rámu alebo do otvoru v stene. Jednotka má zvyčajne vnútornú prepážku, ktorá oddeľuje vnútornú a vonkajšiu stranu, obsahujúcu kondenzátor a výparník jednotky. Systémy PTAC môžu byť prispôsobené na zabezpečenie vykurovania v chladnom počasí, buď priamo pomocou elektrického odporového ohrevu, plynu alebo iných ohrievačov, alebo reverzným tokom chladiva na ohrev interiéru a odber tepla z vonkajšieho vzduchu, čím sa klimatizácia premení na tepelné čerpadlo.

VRV (VRF) systémy

VRV (Variable Refrigerant Volume) alebo VRF (Variable Refrigerant Flow) klimatizačné systémy sú určené pre mnoho miestností (až do 64). Pozostávajú z oddeleného kondenzátora s kompresorom, ktorý sa nachádza vo vonkajšom prostredí, a viacerých vnútorných jednotiek, ktoré obsahujú výparníky. Prepojovacie potrubie vedené od vonkajšej jednotky sa v budove rozdelí na viac vetiev v rozbočovačoch (refnetoch) a pripoja sa k nemu vnútorné jednotky. Každá vnútorná jednotka je individuálne ovládaná vlastným ovládačom.

Systém umožňuje režim chladenia alebo vykurovania, ako aj režim súčasného chladenia a vykurovania, čím umožňuje prečerpávanie energie v rámci budovy. Systém je trojtrubkový (prípadne aj dvojtrubkový). V porovnaní s centrálnym chladením z vzduchotechnickej jednotky, systémy VRV eliminujú potrebu veľkých potrubí na studený vzduch, vzduchotechnických jednotiek a chladičov. Namiesto toho je chladivo prepravované oveľa menšími potrubiami do vnútorných jednotiek v priestoroch, ktoré sa majú klimatizovať. To umožňuje menší priestor nad zavesenými stropmi a nižší štrukturálny dopad, pričom zároveň umožňuje individuálnejšiu a nezávislejšiu kontrolu teploty v priestoroch.

Centrálne a balené klimatizačné systémy

Split-systémové centrálne klimatizácie pozostávajú z dvoch výmenníkov tepla: vonkajšej jednotky (kondenzátora), z ktorej sa teplo odvádza do prostredia, a vnútornej jednotky (výparníka alebo Fan Coil Unit - FCU) s potrubným chladivom cirkulujúcim medzi nimi.

Veľké centrálne chladiace zariadenia môžu používať medzichladiace médium, ako je chladená voda, čerpaná do vzduchotechnických jednotiek alebo fan coil jednotiek v blízkosti alebo v priestoroch, ktoré sa majú chladiť. Tieto jednotky potom rozvádzajú alebo dodávajú studený vzduch do klimatizovaných priestorov, namiesto priameho vedenia studeného vzduchu z centrálneho zariadenia, čo by kvôli nízkej hustote a tepelnej kapacite vzduchu vyžadovalo neprakticky veľké potrubia. Chladená voda je ochladzovaná chladičmi v zariadení, ktoré využívajú chladiaci cyklus na chladenie vody, pričom často odovzdávajú svoje teplo do atmosféry aj v kvapalinou chladených chladičoch pomocou chladiacich veží.

Balené klimatizácie (tiež známe ako samostatné jednotky) sú centrálne systémy, ktoré integrujú do jedného krytu všetky komponenty split centrálneho systému a dodávajú vzduch, prípadne prostredníctvom potrubí, do priestorov, ktoré sa majú chladiť. V závislosti od ich konštrukcie môžu byť umiestnené vonku alebo vo vnútri, na strechách (strešné jednotky), odoberať vzduch, ktorý sa má klimatizovať, zvnútra alebo zvonka budovy a byť chladené vodou alebo vzduchom.

Komponenty klimatizácie

Typy kompresorov

Kompresory sú kľúčovou súčasťou chladiaceho cyklu a existuje niekoľko typov:

• Piestový kompresor (Reciprocating compressor): Pozostáva z kľukovej skrine, kľukového hriadeľa, ojnice, piesta, piestového krúžku, hlavy valca a ventilov.
• Špirálový kompresor (Scroll compressor): Používa dve do seba zapadajúce špirály na stláčanie chladiva - jednu pevnú a jednu obežnú. Tento typ kompresora je efektívnejší, pretože má o 70 percent menej pohyblivých častí ako piestový kompresor.
• Skrutkový kompresor (Screw compressor): Využíva dva veľmi tesne do seba zapadajúce špirálové rotory na stláčanie plynu. Plyn vstupuje na sacej strane a pohybuje sa cez závity, keď sa skrutky otáčajú. Zapadajúce rotory tlačia plyn cez kompresor a plyn vystupuje na konci skrutiek. Pracovná oblasť je objem medzi lamelami medzi samčími a samičími rotormi, ktorý sa zmenšuje pozdĺž dĺžky rotorov až po výstupný otvor, čím dochádza ku kompresii.

Vykurovanie pomocou klimatizácie (Tepelné čerpadlo)

Klimatizácia je vo svojej podstate tepelné čerpadlo vzduch/vzduch. Z tohto dôvodu je možné s ňou vykurovať priestory za veľmi nízke náklady, ktoré sa rovnajú približne jednej štvrtine nákladov oproti vykurovaniu elektrickým priamovýhrevným telesom. V režime vykurovania klimatizácia obráti svoj chod: z vnútornej jednotky bude vychádzať teplý vzduch a z vonkajšej zase studený.

Tepelné čerpadlo je výrazne energeticky efektívnejšie ako elektrické odporové vykurovanie, pretože presúva energiu zo vzduchu alebo podzemnej vody do vykurovaného priestoru a teplo z nakúpenej elektrickej energie.

Parameter SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) udáva sezónny COP parameter, ktorý určuje efektivitu klimatizácie na kúrenie v danej klimatickej oblasti. Čím je SCOP vyšší, tým ekonomickejšia je prevádzka klimatizácie na kúrenie. Režim kúrenia je v klimatizáciách bežným štandardom.

Väčšina tepelných čerpadiel vzduch/vzduch sa stáva menej efektívnymi pri vonkajších teplotách nižších ako 4 °C, čiastočne preto, že sa na cievke vonkajšej výmenníkovej jednotky tvorí ľad, ktorý blokuje prúdenie vzduchu. Na kompenzáciu tohto javu musí systém tepelného čerpadla dočasne prepnúť späť do bežného režimu klimatizácie, aby sa vonkajšia výparníková cievka stala kondenzátorovou cievkou, ktorá sa zohreje a odmrazí. Vykurovacia kapacita tepelného čerpadla klesá s rastúcim teplotným rozdielom, zatiaľ čo potreby vykurovania stúpajú. Preto sa tepelné čerpadlá niekedy inštalujú v tandeme s konvenčnejšími formami vykurovania, ako je elektrický ohrievač, zemný plyn, vykurovací olej, krb na drevo alebo centrálne kúrenie, ktoré sa používa namiesto alebo popri tepelnom čerpadle počas tuhších zimných teplôt.

Koeficient výkonnosti (COP) klimatizačného systému je pomer užitočného vykurovania alebo chladenia k požadovanej práci. Vyššie hodnoty COP znamenajú nižšie prevádzkové náklady. Chladiaci výkon sa často opisuje v "tonách chladenia", pričom každá tona sa približne rovná chladiacemu výkonu jednej krátkej tony (910 kg) ľadu topiaceho sa počas 24-hodinového obdobia.

Riadenie a ovládanie klimatizačných systémov

Existuje niekoľko spôsobov riadenia a ovládania klimatizačných systémov:

• Infračervené diaľkové ovládače: Tento typ ovládača používa infračervenú LED na prenos príkazov z diaľkového ovládača do klimatizácie. Výstup infračervenej LED (ako pri každom infračervenom diaľkovom ovládači) je pre ľudské oko neviditeľný. Tento systém sa bežne používa na mini-split klimatizáciách, pretože je jednoduchý a prenosný.
• Káblové ovládače (termostaty): Káblový ovládač, nazývaný aj "káblový termostat", je zariadenie, ktoré riadi klimatizáciu zapínaním alebo vypínaním vykurovania či chladenia. Používa rôzne senzory na meranie teplôt a aktiváciu riadiacich operácií. Mechanické termostaty bežne používajú bimetalické pásiky, ktoré premieňajú zmenu teploty na mechanické posunutie na ovládanie klimatizácie. Elektronické termostaty namiesto toho používajú termistor alebo iný polovodičový senzor, spracúvajú zmenu teploty ako elektronické signály na ovládanie klimatizácie.

Na moduláciu chladiaceho výkonu v chladiacich a klimatizačných/vykurovacích systémoch sa používa niekoľko spôsobov. Najbežnejšie v klimatizácii sú: cyklovanie zapnutie-vypnutie (on-off cycling), obtok horúceho plynu (hot gas bypass), použitie alebo nepoužitie vstrekovania kvapaliny, konfigurácie viacerých kompresorov, mechanická modulácia (tiež nazývaná digitálna) a invertorová technológia.

Vplyv klimatizácie a údržba

Špeciálne aplikácie a energetická účinnosť

Klimatizácia (s filtrovaním vzduchu a úpravou vlhkosti) sa používa v miestach so zvýšenými nárokmi na čisté a hypoalergénne prostredie, ako sú operačné sály a nemocničné priestory. Medené rúry sa vo všeobecnosti rozdeľujú do dvoch skupín výrobkov: priemyselné rúry, ktoré sa delia podľa konečného použitia (napríklad klimatizácia a chladenie, potrubné armatúry), a inštalačné rúry.

Zariadenia, akými sú napríklad výťahy alebo klimatizácia, sú často neoddeliteľnou súčasťou budovy a zvyčajne sa zahŕňajú skôr do reálnej hodnoty investícií v nehnuteľnostiach, než sú vykazované samostatne ako nehnuteľnosti, stroje a zariadenia. Pri konštrukcii terminálových budov by sa mali minimalizovať požiadavky na energiu (vykurovanie, klimatizácia) a podľa možnosti by sa malo zvážiť využívanie solárnych panelov a maximalizovať tak využívanie prirodzeného svetla a slnečného žiarenia, ďalej by sa mali využívať kogeneračné jednotky a systémy na prepravu tepla.

Ak sa kúrenie a/alebo klimatizácia automaticky nevypínajú pri otvorení okien, musí byť k dispozícii ľahko dostupná informácia, ktorá hosťovi pripomenie, aby zatvoril okno(-á), ak je zapnuté kúrenie alebo klimatizácia.

Na hluk pri státí majú veľký vplyv pomocné zariadenia, ako sú chladiace systémy, klimatizácia a kompresory.

Vplyv na zdravie a správne používanie

Nesprávne používanie klimatizácie, spôsobené cirkulujúcim vzduchom nastaveným na extrémne nízke teploty a zlým smerom, môže viesť k vysychaniu očí a ich páleniu, bolestiam hlavy, stuhnutým krčným svalom, vysušenej koži, angíne, zhoršeniu astmy a podobne. Zásadným opatrením je vyhýbanie sa tepelným šokom pri prechodoch medzi klimatizovaným a vonkajším prostredím.

Zanedbaná údržba klimatizačných zariadení, hlavne výmena filtrov, môže viesť k znečisťovaniu klimatizovaného vzduchu. Tieto rozpočtové prostriedky sú určené na pokrytie nákladov na údržbu budovy poskytnutej agentúre (miestnosti, výťah, kúrenie, klimatizácia, elektrická energia, rozvody).

tags: #klimatizacia #po #anglicky