Wodne nagrzewnice powietrza – charakterystyka nowoczesnych modeli i rozwiązania poprawiające ich efektywność

Wodne nagrzewnice powietrza są zdecydowanie najpopularniejszymi urządzeniami grzewczo-nadmuchowymi, stosowanymi w pomieszczeniach o średniej i dużej kubaturze, czyli najczęściej w halach produkcyjnych, magazynach, halach wystawowych i sportowych czy też supermarketach. Potrafią szybko i skutecznie zapewnić oczekiwany komfort cieplny. W ostatnich latach ich konstrukcja i efektywność zostały istotnie ulepszone i podniesione dzięki wprowadzeniu ciekawych nowoczesnych rozwiązań.

Konstrukcja i zasada działania nagrzewnic wodnych

Urządzenia te cieszą się rosnącą popularnością nie tylko z uwagi na swoją efektywność, łatwą dostępność (szeroka oferta rynkowa) i coraz niższe koszty konieczne do poniesienia na początku inwestycji, ale też ze względu na niezwykle prostą konstrukcję i zasadę działania. Nagrzewnice realizują ogrzewanie nadmuchowe, czyli proces, w którym powietrze omywa wymiennik ciepła, pobiera z niego energię cieplną, po czym Wodne nagrzewnice powietrza są zdecydowanie najpopularniejszymi urządzeniami grzewczo-nadmuchowymi, stosowanymi w pomieszczeniach o średniej i dużej kubaturze, czyli najczęściej w halach produkcyjnych, magazynach, halach wystawowych i sportowych czy też supermarketach. Potrafią szybko i skutecznie zapewnić oczekiwany komfort cieplny. W ostatnich latach ich konstrukcja i efektywność zostały istotnie ulepszone i podniesione dzięki wprowadzeniu ciekawych nowoczesnych rozwiązań.

Wodne nagrzewnice powietrza – charakterystyka nowoczesnych modeli i rozwiązania poprawiające ich efektywność już nagrzane, zostaje skierowane przy pomocy wentylatora do określonych stref wewnątrz pomieszczenia lub budynku. Jest to niejako wymuszona konwekcja, znajdująca zastosowanie głównie w budynkach wielkokubaturowych (przemysł, budynki użyteczności publicznej), choć można spotkać się z tym rozwiązaniem również w mniejszych obiektach typu: sklepy, garaże, warsztaty, myjnie samochodowe. Jak sama nazwa sugeruje, medium podającym ciepło dla wodnych nagrzewnic jest ciepła lub gorąca woda dostarczana z reguły z kotła (również kondensacyjnego), choć ostatnio coraz częściej kocioł zastępowany jest pompą ciepła, czyli kolejnym niskotemperaturowym źródłem energii cieplnej. Jak z powyższego wynika, wodne nagrzewnice mogą współpracować z bardzo różnymi źródłami ciepła o różnej charakterystyce.
Ograniczeniem jest tu nie tyle minimalna, co maksymalna temperatura medium grzewczego, która dla niektórych modeli nagrzewnic może sięgać 120ºC bądź nawet 130ºC, przy maksymalnym ciśnieniu roboczym podawanej wody nie przekraczającym wartości w okolicach 1,5 MPa. Warto zauważyć, że coraz częściej nagrzewnice wodne obok funkcji ogrzewania realizują również funkcję schładzania pomieszczenia, co osiągane jest przez układy dualne, czyli nagrzewnice posiadające drugie źródło wody – tym razem jednak wody lodowej.

Omówienie konstrukcji typowej nagrzewnicy wodnej jest zarazem drogą do prześledzenia jej cyklu pracy. Początek ma miejsce w momencie, gdy wentylator nawiewa pobrane podciśnieniowo powietrze bezpośrednio na wymiennik ciepła, który powinien być nim omywany równomiernie na całej swojej powierzchni. Drugi etap to przejście powierza przez wymiennik. Istotnymi parametrami są tu prędkość przepływu powierza przez wymiennik i jego temperatura, która powinna odbiegać od temperatury medium w wymienniku (powinna być niższa) – w przeciwnym razie moc grzewcza nagrzewnicy drastycznie się obniży. Następnym etapem jest skierowanie już nagrzanego w wymienniku strumienia powietrza do wnętrza pomieszczenia, przy czym po drodze można wpłynąć na kierunek jego dystrybucji stosując często bardzo estetyczne nakładki w postaci żaluzji kierunkowych. Warto przy tym zauważyć, że wpływ na kierunek nawiewu osiąga się również poprzez zdeterminowanie kąta ustawienia urządzenia na konsoli, która nieraz pozwala na regulację (obrót) nagrzewnicy w zakresie np. 120º w poziomie i jednocześnie nawet do 45º w pionie.

Powyższy opis wymienia trzy najważniejsze elementy konstrukcyjne nagrzewnic, w których w ostatniej dekadzie zastosowano rozwiązania zdecydowanie podnoszące efektywność tych urządzeń: zarówno rozumianą jako skuteczność podczas pracy, jak też rozumianą jako efektywność energetyczna czy też energooszczędność. Tymi podzespołami są wentylator, wymiennik ciepła oraz nakładki wpływające na kierunki nawiewu powietrza. Do tej listy dopisać należy ponadto nie wspomniane do tej pory elementy, związane z automatyką i elektroniką. Zmiany jakie zaszły w nich wszystkich – udoskonalenia konstrukcyjne, jak też funkcjonalne – opisuje kolejny rozdział.

Podzespoły i rozwiązania sprzyjające zwiększaniu efektywności nagrzewnic wodnych

Sercem każdej nagrzewnicy jest zawsze ten sam duet: wentylator i wymiennik ciepła. Do niedawna wentylatory napędzane były standardowymi szczotkowymi silnikami AC (prądu zmiennego), których awaryjność oraz pobór energii były zawsze znacząco wysokie, co zarazem przekładało się na przeciętną sprawność urządzenia. Z punktu widzenia podnoszenia ekonomiki pracy nagrzewnic od początku istotną kwestią była możliwość wpływania na moc, a więc i prędkość obrotową wentylatora, stąd szybkie wejście na rynek wentylatorów o kilku stopniach pracy – często trzech. Przy większym zapotrzebowaniu na ciepłe powietrze wentylatory te przełączane były – z reguły manualnie – na wyższy bieg, co pociągało za sobą zwiększony pobór energii. Oczywiście wentylatory, te dawniej jak i obecnie stosowane, zawsze muszą być dopasowane do wielkości wymiennika i całej nagrzewnicy – ich wielkość i moc musi pokonywać opory przepływu powietrza na wymienniku i zarazem gwarantować skuteczny i oczekiwany zasięg strumienia powietrza. Rozwój technologii wytwarzania napędów poszedł w międzyczasie m.in. w kierunku elektronicznie komutowanych silników (bezszczotkowe napędy EC łączące cechy AC i DC), które nie tylko cechują się wyższą sprawnością, nie tylko pobierają znacznie mniej energii, ale też świetnie nadają się do współpracy z systemami automatyki sterowanej komputerowo i pozwalają na całkowicie bezstopniowe regulowanie ich prędkości obrotowej.

Ich zastosowanie w wentylatorach wodnych nagrzewnic było tylko kwestią czasu, a gdy już do tego doszło, fakt ten dosłownie zrewolucjonizował te urządzenia. Zmiana prędkości nawiewanego powietrza poprzez zmianę prędkości obrotowej wentylatora to podstawowy i najskuteczniejszy sposób na regulację mocy grzewczej całej nagrzewnicy. Możliwość kontrolowania tego parametru w sposób bezstopniowy (w dodatku coraz częściej poprzez urządzenia elektroniczne współpracujące z wentylatorem dzięki zastosowaniu sterowanej cyfrowo automatyki) zapewniło właśnie użycie modulowanych silników EC. To zdecydowanie jedno z najznamienitszych usprawnień zwiększających efektywność nagrzewnic na przestrzeni ostatniej dekady. Innym usprawnieniem, często pomijanym w publikacjach branżowych, jest zniwelowanie hałasu generowanego przez wentylatory – zarówno poprzez zmniejszenie hałasu wytwarzanego przez napęd, jak też poprzez udoskonalenie geometrii samych wirników (zwanych czasem śmigłem). Jest to usprawnienie nie tyle odczuwalne w zwiększonej efektywności tych urządzeń, co raczej przekładające się na komfort osób pracujących i przebywających w halach ogrzewanych przez nowoczesne nagrzewnice (supermarkety, duże hale handlowe itp.).,

Wymiennik ciepła jest podzespołem, który nie tyle wpływa na efektywność elektryczną nagrzewnicy, co na efektywność wymiany ciepła. Dzisiejsze wymienniki są konstruowane tak, by powierzchnia lamelek, czyli powierzchnia wymiany energii cieplnej, była jak największa i zarazem rozkład przepływu powietrza kształtował się jak najrównomierniej. Sporym usprawnieniem stało się przejście na materiały o zwiększonym współczynniku przewodzenia, takie jak miedź i aluminium, którym nie przeszkadza ewentualna dodatkowa powłoka antykorozyjna. Jednak największe usprawnienie wymusiło stopniowe przechodzenie użytkowników nagrzewnic z wysokotemperaturowych źródeł ciepła na źródła niskotemperaturowe, a więc wspomniane wcześniej piece kondensacyjne i pompy ciepła. Sytuacja ta sprawiła, że na rynku pojawiły się wymienniki o specjalnie zmodyfikowanej geometrii, pozwalającej na skuteczne ogrzewanie powietrza energią cieplną pochodzącą z niskotemperaturowego czynnika grzewczego. Chodzi tu o początkowo dwustopniowe, a dziś najczęściej trzystopniowe, czy raczej trzyrzędowe wymienniki ciepła, bardzo skuteczne przy temperaturach czynnika nie sięgających czasem nawet 50ºC. Warto zauważyć w tym miejscu, że najlepiej z niskotemperaturowymi źródłami ciepła współpracują nagrzewnice małej i średniej wielkości, zaś te o największej wydajności i przeznaczone do bardzo dużych obiektów wymagają jednak wody o temperaturze od 70 do nawet 90ºC na zasilaniu.

Zwiększona efektywność wodnych nagrzewnic powietrza zależy również od sposobu wykonania obudowy tych urządzeń, czy raczej dokładności jej spasowania z wszystkimi pozostałymi komponentami. Chodzi tu o wyeliminowanie sytuacji takich, jak niepożądane przedmuchy poza głównym ciągiem grzewczym, które mogą pojawić się zarówno na froncie, jak i po bokach nagrzewnicy. Nieszczelne zamknięcie wymiennika to straty ciepła i zmniejszenie wydajności całego układu. Na uwagę zasługuje też wprowadzenie nowych i lżejszych materiałów, z jakich wykonuje się obudowy i przednie maskownice nagrzewnic, ze spienionym polipropylenem na czele. Materiał ten jest bardzo lekki – pozwala obniżyć masę urządzenia nawet o 15-20% w porównaniu z obudowami ze stali – a ponadto jest odporny w wysokim stopniu na udary. Spieniony PP nie pochłania też tak dużo ciepła, jak miało to miejsce w przypadku tradycyjnych obudów z blachy stalowej i bardzo łatwo go formować, co dało projektantom nowe pole do popisu (atrakcyjne wzornictwo).

Do przełomowych wręcz usprawnień w świecie nagrzewnic wodnych należy też zaliczyć powiązanie ich z systemami automatyki sterowanej cyfrowo z poziomu centralki, czy manipulatora ściennego, jak też coraz częściej tabletu bądź smartfona z zainstalowaną specjalnie dedykowaną aplikacją. W prasie branżowej pisze się często o wprzęgnięciu nagrzewnic w systemy BMS (Building Management System), czyli systemy całościowego sterowania budynkiem. Przykładem takich systemów jest choćby Modbus RTU, KNX czy Dali, które pozwalają powiązać funkcje nagrzewania pomieszczeń z innymi funkcjami i instalacjami. W praktyce najczęściej jest to sprzężenie systemu nadzoru nad nagrzewnicami z systemami wentylacji, sterowania oknami, roletami, oświetleniem LED itd. Ogromną korzyścią płynącą z takich systemów jest możliwość sterowania zachowaniem nagrzewnic w sytuacjach kryzysowych. W przypadku ulotnienia się groźnego gazu lub innej lotnej substancji w hali produkcyjnej, bądź wybuchu pożaru w centrum handlowym, automatyka wyłącza wentylatory i odcina w ten sposób dostawy tlenu lub po prostu wyłącza ruch powietrza który powoduje zbyt szybie rozprzestrzenianie groźnych oparów chemicznych. Najważniejszą jednak korzyścią płynącą z automatyki powiązanej z nagrzewnicami powietrza jest po prostu komfort i wygoda. System sterujący w sposób inteligentny zarządza nagrzewnicami i uwalnia nas od myślenia o nich.

Co więcej – robi to o wiele lepiej, gdyż nieprzerwanie godzinami monitoruje sytuację w ogrzewanym pomieszczeniu, reagując natychmiast w maksymalnie efektywny sposób. Uwadze czytelnika nie powinny też umknąć kwestie związane z montażem nagrzewnic. Świetnym usprawnieniem wpływającym na efektywność działania tych urządzeń, stało się wprowadzenie specjalnych obrotowych konsoli, które umożliwiły łatwy montaż nagrzewnic praktycznie w każdym miejscu: pod stropem, na ścianie, wsporniku, słupie itd. Co jednak najważniejsze – konsole te umożliwiły obrócenie nagrzewnicy w określonym zakresie kątowym, lub wręcz obrócenie całkowicie wokół własnej osi, a ponadto ustawienie urządzenia pod wybranym przez administratora kątem, który łatwo można w każdej chwili zmienić.

Nagrzewnice i energooszczędność

Nie ma chyba tak bardzo wpływającego na energooszczędność podzespołu, zastosowanego w nowoczesnych nagrzewnicach wodnych, jak oszczędny silnik EC napędzający wentylator. Silniki te pobierają nawet do 35-40% mniej energii niż tradycyjne silniki AC, zachowując przy tym identyczną skuteczność. Ich wysoka sprawność (do 95%) i energooszczędność wynika z wyeliminowania w ich konstrukcji klasycznego komutatora i zastąpienia go układem elektronicznym. Silniki te świetnie współpracują z automatyką, która dała możliwość zwiększenia energooszczędności nagrzewnic poprzez zaoferowanie funkcji modulowanego sterowania pracą wentylatora. Kwestia jest bardzo oczywista: automatyczne dopasowanie wydajności wentylatora do aktualnego zapotrzebowania na ciepło (poprzez wykorzystanie sterowników płynnie zmieniających wydajność napędu w zakresie od zera do 100% mocy) zmniejsza dodatkowo zużycie energii elektrycznej, co w połączeniu z wcześniej opisanymi atrybutami silników EC, potęguje jeszcze bardziej efekt energooszczędności. Regulacja poziomu ciepła we wnętrzu pomieszczenia, w wykonaniu inteligentnych systemów sterowania, często polega na szybkim i intensywnym dogrzewaniu z pracą wentylatora na maksymalnych obrotach, po czym przejściu w tryb minimalnej wydajności pozwalającej skutecznie podtrzymać osiągniętą temperaturę przez dłuższy czas. Praktyka wykazuje, że takie zarządzanie pracą urządzenia prowadzi do uzyskania kolejnych oszczędności na polu energetyki. Automatyka pozwala też wprogramować odpowiednie cykle dobowe lub tygodniowe, co dodatkowo może wpłynąć na racjonalizowanie wykorzystania nagrzewnic powietrza, przy jednoczesnym dopasowaniu ich pracy do specyfiki obiektu. W skali roku wszystkie powyżej opisane rozwiązania mogą wygenerować znaczące i odczuwalne w budżecie oszczędności z tytułu zmniejszonego zużycia energii elektrycznej. Nie powinno więc nikogo dziwić stale wzrastające zainteresowanie implementacją automatyki do systemów sterowania ogrzewaniem nadmuchowym, pozostające w mocnej korelacji z gwałtownym wzrostem zainteresowania najpopularniejszymi odmianami systemów BMS.

Podsumowanie

Nie wspomnianym do tego momentu czynnikiem, sprzyjającym wzrostowi efektywności wodnych nagrzewnic powietrza, jest wysoka jakość podzespołów, komponentów i procesów produkcyjnych. Inwestor chcąc być pewnym, że wybrał dobrze, musi poruszać się w obrębie najwyżej notowanych, renomowanych marek produktowych, w których stosowanie norm jakościowych i najlepszych rozwiązań technologiczno-materiałowych to oczywistość. Jakość ma swoją cenę, lecz inwestycja w nagrzewnice powietrza to inwestycja długofalowa, która daje wystarczająco dużo czasu produktom topowych wytwórców na zwrot poniesionych kosztów, a następnie już wyłącznie na generowanie oszczędności.

Łukasz Lewczuk
Na podstawie materiałów publikowanych przez:
Sonniger Polska Sp. z o.o. Sp. k.,
Flowair Głogowski i Brzeziński Sp.j.,
VTS Polska Sp. z o.o.,
Nabilaton Sp. z o.o.,
Reventon Group Sp. z o.o.