Belka chłodząca

Belka chłodząca to rodzaj radiacyjnego / konwekcyjnego systemu HVAC przeznaczonego do ogrzewania i chłodzenia dużych budynków za pomocą wody. Ta metoda eliminuje większość odczuwalnych miejscowych zysków ciepła w strefie i pozwala na zmniejszenie natężenia przepływu wstępnie uzdatnionego powietrza z centrali wentylacyjnej, obniżając o 60% do 80% projektowe natężenie przepływu powietrza w kanałach i wymagania dotyczące wydajności sprzętu. Istnieją dwa rodzaje belek chłodzących: pasywna belka chłodząca (PCB) i aktywna belka chłodząca (ACB). Oba składają się z rur z wodą (ożebrowo-rurowych), które przechodzą przez wymiennik ciepła umieszczony w obudowie zawieszonej lub zagłębionej w suficie. Gdy wiązka ochładza powietrze wokół siebie, powietrze staje się gęstsze i opada na podłogę. Zastępuje go cieplejsze powietrze poruszające się od dołu, powodując ciągły bierny ruch powietrza zwany konwekcją , aby ochłodzić pomieszczenie. Belka aktywna składa się z przyłączy kanałów powietrznych, dysz indukcyjnych, hydraulicznych wymienników ciepła, wylotów zasilających i wlotów powietrza indukowanego. Zawiera integralny dopływ powietrza, który przechodzi przez dysze i zasysa powietrze z pomieszczenia do wężownicy chłodzącej. Z tego powodu ma lepszą zdolność chłodzenia niż belka pasywna. Zamiast tego wiązka pasywna zapewnia chłodzenie pomieszczenia bez użycia wentylatora i odbywa się to głównie na zasadzie konwekcji . Belki pasywne mogą być odsłonięte lub zagłębione. Podejście pasywne może zapewnić wyższy komfortu cieplnego , podczas gdy podejście aktywne (zwane również „dyfuzorem indukcyjnym”) wykorzystuje pęd powietrza wentylacyjnego, które wpływa ze stosunkowo dużą prędkością, do wywołania cyrkulacji powietrza w pomieszczeniu przez urządzenie (zwiększając w ten sposób jego ogrzewanie i wydajność chłodzenia). Belka chłodząca ma wygląd podobny do VRF .

Belka chłodząca jest odróżnialna od sufitu chłodzącego. Sufit chłodzący wykorzystuje przepływ wody przez rury, podobnie jak belka chłodząca; jednakże rury w suficie chłodzącym leżą za metalowymi płytami sufitowymi, a ogrzewane/chłodzone płyty są przyczyną promieniowania/konwekcji, a nie sam zespół rur. Belki chłodzące są o około 85 procent bardziej efektywne w konwekcji niż sufity chłodzące. Sufit chłodzący musi pokrywać stosunkowo dużą powierzchnię sufitu zarówno dlatego, że jest mniej wydajny, jak i dlatego, że zapewnia ogrzewanie głównie za pomocą promieniowania. Wydajność ogrzewania promiennikowego jest proporcjonalna do powierzchni.

Instalacja

Aktywne belki chłodzące są montowane w suficie podwieszanym, a następnie kotwione do konstrukcji napowietrznej, ponieważ sufity teowe nie są w stanie utrzymać typowego ciężaru roboczego belki chłodzącej. Belki mają na ogół szerokość od 1 do 2 stóp (0,30 do 0,61 m) i wymagają mniej niż 1 stopę (0,30 m) przestrzeni nad głową. Typowy system belek chłodzących o szerokości 2 stóp (0,61 m) ogólnie waży około 15 funtów (6,8 kg) na 1 stopę (0,30 m) długości belki w stanie suchym. Belki mogą być instalowane w wielu formach - całkowicie odsłonięte, wpuszczone lub ukryte w suficie podwieszanym lub perforowanym. Podczas pracy w siatce sufitu podwieszanego belki należy zamontować przed rusztem — około 60 do 75 mm nad gotowym sufitem, a następnie opuścić po zamontowaniu sufitu. Ostateczne zamocowanie powinno pozwolić na 3 cale (7,6 cm) ruchu we wszystkich kierunkach. Belki chłodzące są zwykle instalowane w taki sposób, że środek każdej belki znajduje się nie dalej niż 3 metry (9,8 stopy) od środka następnej belki. Niektórzy architekci i użytkownicy końcowi nie lubią belek, ponieważ nie zakrywają całego sufitu, dzięki czemu można zobaczyć kanały, okablowanie i inną infrastrukturę. Belki są zwykle podłączone do głównych linii wody zasilającej i powrotnej za pomocą elastycznych węży. Aby zminimalizować korozję, można zainstalować węże odporne na dyfuzję tlenu. Wyższą wydajność systemu można uzyskać poprzez zwiększenie ciśnienia statycznego powietrza w budynku. Belki chłodzące są uważane za równie łatwe w montażu jak oprawy oświetleniowe, ale wymagają odpowiedniego dostępu w celu serwisowania i konserwacji. Systemy na ogół wymagają niewielkiego czyszczenia (odkurzanie brudu i kurzu z żeberek co pięć lat).

Aktywny system belek chłodzących wykorzystuje żebra wspomagające ogrzewanie i chłodzenie. Aktywne systemy belek chłodzących są skuteczne do tego stopnia, że ​​powietrze zewnętrzne może być mieszane z powietrzem wewnętrznym bez żadnej tradycyjnej klimatyzacji (takiej jak ogrzewanie, chłodzenie, nawilżanie lub osuszanie), umożliwiając w ten sposób budynkom osiągnięcie „minimalnej ilości powietrza zewnętrznego” wymóg jakości.

Systemy chłodzenia belką chłodzącą wymagają uzdatniania wody przez systemy ogrzewania i chłodzenia. Ogólnie rzecz biorąc, woda w systemie pasywnej belki chłodzącej jest schładzana do około 16 do 19 ° C (61 do 66 ° F). W aktywnych systemach ogrzewania z belką chłodzącą temperatura wody wynosi zwykle od 40 do 50°C (104 do 122°F). (Systemy ogrzewania belką chłodzącą zwykle nie mogą jednak polegać wyłącznie na konwekcji i często wymagają systemu cyrkulacji powietrza pierwotnego napędzanego wentylatorem, aby skierować cieplejsze powietrze na ziemię, gdzie większość ludzi siedzi i pracuje). Istnieją różnice w efektywności i kosztach między pasywnym a aktywne systemy belek. Pasywne systemy belek chłodzących mogą dostarczać około 5,6 do 6,5 watów na stopę (60 do 70 watów na metr) wydajności chłodniczej . Aktywne systemy belek chłodzących są około dwa razy bardziej efektywne. W obu przypadkach konwekcja jest tak wydajna, że ​​stosunek powietrza nawiewanego do powietrza ogrzanego/schłodzonego może wynosić nawet 6:1. Jednak badania oszczędności kosztów energii w przypadku aktywnych i pasywnych systemów belek chłodzących pozostają niejednoznaczne od 2007 r. i wydają się być w dużym stopniu zależne od konkretnego budynku.

Ważną kwestią przy wdrażaniu systemów belek chłodzących jest ilość powietrza, która będzie musiała zostać dostarczona do strefy w oparciu o wymagania normowe (których systemy belek chłodzących mogą nie być w stanie osiągnąć) oraz wymagania dotyczące osuszania. Szkoły, biura i hotele/internaty to trzy rodzaje programów, które mogą odnieść korzyści z zastosowania belek chłodzących, ponieważ zmniejszona przestrzeń międzysufitowa pozwala na wyższe sufity, a zmniejszony wentylator obniża poziom hałasu, co jest korzystne dla nauki, pracy i snu. Z kolei szpitalne pokoje pacjentów wymagają wyższej jakości powietrza, a zatem potrzebują więcej wentylacji niż obciążenie chłodzenia i ogrzewania, niż jest w stanie zapewnić system belek chłodzących.

Tło fizyki

Woda może przenosić znacznie więcej energii niż powietrze i jest około 800 razy gęstsza niż standardowe powietrze. Chociaż 1 stopa sześcienna (0,028 m ³ ) powietrza może pomieścić ciepło 37 dżuli na kelwin (JK ^-1 ), ta sama objętość wody ma pojemność cieplną 20 050 JK ^-1 . Metalowa rura z wodą o średnicy zaledwie 1 cala (2,5 cm) może przenosić tyle samo energii, co metalowy kanał powietrzny o wymiarach 18 na 18 cali (46 na 46 cm). Oznacza to, że systemy HVAC z belką chłodzącą wymagają znacznie mniej energii, aby zapewnić taki sam efekt ogrzewania i chłodzenia jak tradycyjny powietrzny system HVAC.

wartości powietrza pierwotnego ( Pa ₎ i wydajności chłodniczej wężownicy ( P _{w ):} P = P _a + P _w

W praktyce projektowej często spotyka się oszacowanie wydajności chłodzenia po stronie wody belki chłodzącej za pomocą następującego równania: P _w = Q _m c _w ( t _w2 - t _w1 ) gdzie Q _m to masowe natężenie przepływu wody c _w to specyficzne pojemność cieplna wody t _w2 to temperatura wody na wylocie z wężownicy t _w1 to temperatura wody na wlocie do wężownicy

Zalety i wady

Podstawową zaletą systemu belek chłodzących jest niższy koszt eksploatacji, ponieważ system wymaga znacznie mniej energii, aby zapewnić taki sam efekt ogrzewania i chłodzenia, jak tradycyjny powietrzny system HVAC. Woda może zapewnić taką samą zdolność chłodzenia jak powietrze bez konieczności chłodzenia w niskiej temperaturze, oszczędzając energię. Ponieważ chłodzenie i ogrzewanie powietrza nie są już powiązane z dostarczaniem powietrza, budynki mogą zaoszczędzić pieniądze, uruchamiając mniejszą liczbę wentylatorów cyrkulacji powietrza przy niższych prędkościach. Według jednego z szacunków ilość przetwarzanego powietrza jest o 25 do 50 procent mniejsza przy użyciu systemów belek chłodzących. Dzięki ukierunkowaniu na dostarczanie czystego powietrza z zewnątrz tam, gdzie jest ono potrzebne (zamiast wtryskiwania go do całego systemu w celu ogrzewania i chłodzenia), zmniejsza się potrzeba uzdatniania dużych ilości powietrza z zewnątrz (co pozwala zaoszczędzić pieniądze). W jednym przypadku Genomic Science Building na Uniwersytecie Północnej Karoliny w Chapel Hill obniżył koszty HVAC o 20 procent dzięki aktywnemu systemowi belek chłodzących. Jest to typowa oszczędność kosztów energii. Systemy belek chłodzących mają również pewne zalety, ponieważ są prawie bezgłośne, wymagają niewielkiej konserwacji i są bardzo wydajne. Tradycyjne systemy HVAC napędzane wentylatorami wytwarzają nieco wyższe prędkości powietrza, co dla niektórych osób jest niewygodne. Systemy HVAC z belką chłodzącą wymagają również mniej miejsca na suficie niż systemy HVAC z wymuszonym obiegiem powietrza, co może prowadzić do niższych wysokości budynków i wyższych sufitów. Ponieważ nie wymagają dużych wymuszonych przepływów powietrza, wymagają zredukowanej sieci kanałów dystrybucji powietrza (co również pomaga obniżyć koszty).

Systemy belek chłodzących nie są panaceum. W celu spełnienia minimalnych wymagań dotyczących powietrza zewnętrznego może być potrzebny dodatkowy kanał. Oba rodzaje systemów belek chłodzących są mniej skuteczne w ogrzewaniu niż w systemach chłodzenia i często potrzebne są dodatkowe systemy grzewcze. Systemów belek chłodzących nie można stosować samodzielnie w budynkach, w których sufity są wyższe niż 2,7 m (8,9 stopy), ponieważ powietrze nie będzie prawidłowo krążyć. W takich przypadkach należy zastosować system wymuszonego obiegu powietrza. Belki chłodzące zwykle nie zawierają systemu odprowadzania skroplin, więc jeśli temperatura wody jest zbyt niska lub wilgotność jest wysoka, na belce może wystąpić kondensacja, co prowadzi do problemu zwanego „wewnętrznym deszczem”. (W niektórych przypadkach suchsze powietrze zewnętrzne można zmieszać z bardziej wilgotnym powietrzem wewnętrznym w celu obniżenia poziomu wilgotności we wnętrzu przy zachowaniu wydajności systemu). Systemy belek chłodzących nie są zalecane w obszarach o wysokiej wilgotności (takich jak teatry, sale gimnastyczne lub stołówki). Ponieważ są one mniej skuteczne w chłodzeniu, pasywne systemy belek chłodzących generalnie nie nadają się do klimatu półtropikalnego i tropikalnego. Szpitale generalnie nie mogą używać systemów belek chłodzących ze względu na ograniczenia dotyczące stosowania recyrkulacji powietrza. Wiadomo również, że systemy belek chłodzących powodują zauważalną cyrkulację powietrza, co może powodować dyskomfort u niektórych osób. (Pasywne urządzenia odchylające powietrze mogą pomóc w zakłóceniu tych układów powietrza, łagodząc problem.) Niektórzy projektanci stwierdzili, że powiększanie kanałów wokół aktywnych belek chłodzących w celu zwiększenia cyrkulacji powietrza powoduje powstawanie echa w obszarach roboczych i wzmacnia odgłos wody przepływającej przez rury, aby zauważalne poziomy. Ponieważ belki chłodzące są systemami opartymi na wodzie, rurociągi (zarówno zasilające, jak i powrotne) oraz zawory sterujące powinny być instalowane na miejscu w celu dystrybucji wody lodowej do wielu belek w każdej przestrzeni budynku. Zwiększa to koszty instalacji, jednocześnie zwiększając ryzyko wycieków wody z powodu zwiększonej liczby połączeń rurowych.

Stwierdzono, że belki chłodzące osiągają akceptowalną jednorodność termiczną (w jednym artykule Rhee i in. stwierdzili, że pionowa różnica temperatur jest mniejsza niż 1°C przy użyciu małego natężenia przepływu powietrza, co oszczędza energię. Jednak wokół stref obwodowych zwiększone obciążenie chłodnicze może zwiększenie temperatury powodujące negatywny wpływ na równomierność cieplną.Rozwiązaniem stosowanym przez niektórych projektantów jest zainstalowanie jednego systemu belek chłodzących na obwodzie budynku (gdzie różnice temperatur mogą być największe), a drugiego we wnętrzu budynku, aby lepiej kontrolować temperaturę w całej konstrukcji.

Przyjęcie

Wielousługowa belka chłodząca jest stosunkowo nową formą belki chłodzącej. Opracowany w 1996 roku, zawiera okablowanie komputerowe i elektryczne, oświetlenie, czujniki wykrywania ruchu i zraszacze w jednostce belki chłodzącej. Wielousługowa belka chłodząca została po raz pierwszy zainstalowana w Barclaycard w Northampton w Anglii , ale od tego czasu jest używana w siedzibach Lloyd's Register ( Londyn ), Airbus UK ( Bristol ) i Greater London Authority ; Riverside House (Londyn); Empress State Building (Londyn); 55 Baker Street (Londyn) i 101 New Cavendish Street (Londyn).

Od 2007 r. Systemy HVAC z belkami chłodzącymi były stosowane szerzej w Australii i Europie niż w Stanach Zjednoczonych. Jednak od 2020 r. System był coraz częściej używany na rynkach amerykańskich. W Australii system został po raz pierwszy użyty w 30 The Bond w Sydney, który był pierwszym budynkiem w Australii, który uzyskał ocenę 5 gwiazdek ABGR. Systemy HVAC z belką chłodzącą zostały zastosowane w Heathrow Terminal 5 i Constitution Center (największy prywatny budynek biurowy w Waszyngtonie). System był również powszechnie używany w Harvard Business School , Wellesley College oraz w amerykańskiej centrali firmy farmaceutycznej AstraZeneca .

przypisy

• Awbi, Hazim B. Wentylacja budynków. Florencja, Ky.: Taylor i Francis, 2003.
• Beggs, Clive. Energia: zarządzanie, zaopatrzenie i ochrona . Londyn: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2009.
• Geary, Mateusz. Wstępna ostateczna propozycja: przeprojektowanie systemu mechanicznego i szerokie tematy. Szpital Butler Memorial: Nowa wieża szpitalna. Starszy projekt zwieńczenia — opcja mechaniczna. Szkoła Inżynierii. Uniwersytet Stanowy Pensylwanii. 10 grudnia 2010.
• Gelfand, Lisa i Freed, Eric Corey. Zrównoważona architektura szkolna: projektowanie dla szkół podstawowych i średnich. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2010.
• Hall, F. i Greeno, Roger. Podręcznik usług budowlanych. Londyn: Butterworth-Heinemann, 2009.
• Hamilton, D. Kirk i Watkins, David H. Projekt oparty na dowodach dla wielu typów budynków. Hoboken, NJ: John Wiley and Sons, 2009.
• Zając, Mikołaj i Rybak, Piotr. „Biuro spekulacyjne w Milton Keynes”. W architekturze, mieście, środowisku: Proceedings of PLEA 2000. Koen Steemers, wyd. Londyn: James & James, 2000.
• Hundy, GF; Trott AR; i Welch, T. Chłodnictwo i klimatyzacja. Boston: Butterworth-Heinemann/Elsevier, 2008.
• Levermore, GJ Systemy zarządzania energią w budynkach: zastosowania w niskoenergetycznych systemach HVAC i kontroli naturalnej wentylacji. Florencja, Ky.: Taylor i Francis, 2000.
• Mumovic, Dejan i Santamouris, M. Podręcznik zrównoważonego projektowania i inżynierii budynków: zintegrowane podejście do energii, zdrowia i wydajności operacyjnej. Sterling, Wirginia: Earthscan, 2009.
• Oughton, DR; Hodkinson, S. i Faber, Oscar. Ogrzewanie i klimatyzacja budynków Faber & Kell. Londyn: Butterworth-Heinemann, 2008.
• Sisle, Ellen; Leonarda, Pawła; i Weiss, Jonathan A. Zrównoważony projekt laboratoriów badawczych: planowanie, projektowanie i eksploatacja. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2010.