Wodne nagrzewnice powietrza i nowoczesne rozwiązania w nich stosowane

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

    wodne nagrzewnice powietrza i nowoczesne rozwiazania w nich stosowane 1024x748 - Wodne nagrzewnice powietrza i nowoczesne rozwiązania w nich stosowane
    Fot. 1. Dzięki optymalnym konsolom mocującym nagrzewnice można umieścić dosłownie
    wszędzie

    Wodne nagrzewnice powietrza – czym są i jak działają

    Nagrzewnice oparte o wodę realizują ogrzewanie nadmuchowe, czyli proces, w którym powietrze omywa wymiennik ciepła, pobiera z niego energię cieplną, po czym 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 dużych pomieszczeniach mieszkalnych. Urządzenia te cieszą się w ostatnich latach 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 zarysowaną powyżej zasadę działania.

    wodne nagrzewnice powietrza i nowoczesne rozwiazania w nich stosowane2 - Wodne nagrzewnice powietrza i nowoczesne rozwiązania w nich stosowane
    Fot. 2. Inteligentny sterownik T-box
    wprzęga nagrzewnice w systemy BMS.

    Konstrukcja typowej nagrzewnicy wodnej uwidacznia sposób jej działania, który ma charakter pewnego cyklu. Początek ma miejsce w momencie, gdy wentylator nawiewa pobrane podciśnieniowo powietrze bezpośrednio na wymiennik ciepła,w którym znajduje się ciepłe medium i który powinien być omywany powietrzem w sposób równomierny 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), gdyż jeśli obie temperatury są zbliżone do siebie, wówczas moc grzewcza nagrzewnicy obniża się i zmierza do zera. 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 10-20º w pionie. Wracając do wymiennika i tego, co przez niego przepływa: oczywiście medium dostarczającym ciepło dla wodnych nagrzewnic jest ciepła bądź gorąca woda.

    wodne nagrzewnice powietrza i nowoczesne rozwiazania w nich stosowane3 - Wodne nagrzewnice powietrza i nowoczesne rozwiązania w nich stosowane
    Fot. 3. Konsola montażowa nagrzewnic Volcano oferuje płynną regulację kąta nachylenia.

    Jest ona dostarczana z reguły z kotła (również kondensacyjnego), choć ostatnio coraz częściej kocioł zastępowany jest pompą ciepła, czyli kolejnym niskotemperaturowym źródłem energii cieplnej. Oznacza to, że wodne nagrzewnice mogą współpracować z bardzo różnymi źródłami ciepła o rozmaitej charakterystyce. Wbrew pozorom, ograniczeniem nie jest tu minimalna, lecz 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 jednocześnie zauważyć, że coraz częściej nagrzewnice wodne przejmują również funkcję schładzania pomieszczenia, co osiągane jest przez układy dualne, czyli warianty urządzeń wyposażone w drugie źródło wody, którym jest woda lodowa. Powyższy opis wymienił trzy najważniejsze elementy konstrukcyjne nagrzewnic, w których w ostatniej dekadzie zastosowano nowoczesne i innowacyjne rozwiązania. To właśnie one między innymi wpłynęły na zwiększenie efektywności tych urządzeń, a więc podniesienie ich skuteczności podczas pracy, przy jednoczesnej maksymalizacji ich energooszczędności, co w efekcie dało wzrost efektywności energetycznej tych urządzeń. Tymi podzespołami są wentylator, wymiennik ciepła, nakładki wpływające na kierunek nawiewu powietrza oraz nie wspomniane do tej pory elementy, związane z automatyką i elektroniką. Udoskonalenia konstrukcyjne i funkcjonalne, jakie pojawiły się na tych wszystkich polach, sprawiły, że znaczenie tych urządzeń gwałtownie wzrosło i coraz więcej inwestorów decyduje się na ich wykorzystanie przy ogrzewaniu swoich pomieszczeń, zarówno średnio jak i wielkogabarytowych.

    wodne nagrzewnice powietrza i nowoczesne rozwiazania w nich stosowane4 - Wodne nagrzewnice powietrza i nowoczesne rozwiązania w nich stosowane
    Fot. 4. Napędy stosowane dziś w wentylatorach
    są niewielkie i ciche.

    Najnowocześniejsze rozwiązania stosowane w wodnych nagrzewnicach powietrza

    Wentylator i wymiennik ciepła to dwa najważniejsze podzespoły w każdej nagrzewnicy, dlatego to one ewoluowały najsilniej w ostatniej dekadzie i w ich obrębie dostrzec można najwięcej innowacyjnych rozwiązań. Zacznijmy od tego drugiego, przypominając pro forma, że wymiennik ciepła jest podzespołem, który ma decydujący wpływ na efektywność wymiany ciepła. Dzisiejsze nowoczesne 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. Ta nowa sytuacja wymusiła pojawienie się na rynku wymienników o specjalnie zmodyfikowanej geometrii, pozwalającej na skuteczne ogrzewanie powietrza energią cieplną pochodzącą z niskotemperaturowego czynnika grzewczego. Dlatego najnowocześniejsze dziś wymienniki to te trzyrzędowe (początkowo 2-rzędowe), które osiągają wysoką skuteczność 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 80ºC do nawet 120-130ºC na zasilaniu oraz minimum 60ºC na powrocie.

    wodne nagrzewnice powietrza i nowoczesne rozwiazania w nich stosowane5 1024x754 - Wodne nagrzewnice powietrza i nowoczesne rozwiązania w nich stosowane
    Fot. 5. Średniej wielkości nagrzewnica zaspokaja potrzeby cieplne niewielkiego warsztatu.

    Drugi z podzespołów stanowiących serce każdej nagrzewnicy, to oczywiście wentylator wraz ze swoim napędem. Wentylatory przeszły jeszcze głębsze zmiany niż wymienniki ciepła, można wręcz śmiało powiedzieć, iż przeszły rewolucję. Oczywiście wszystkie one, 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. Jednak to co je odróżnia, to stosowany obecnie napęd i wynikające z niego implikacje, a właściwie korzyści. 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 czasem producenci zaczęli je modyfikować, poszukując bardziej ekonomicznych rozwiązań, wprowadzając wentylatory z klasycznymi szczotkowymi silnikami, lecz już o kilku stopniach pracy – często trzech (niskie / średnie / wysokie obroty). Chodziło o to, by przy większym zapotrzebowaniu na ciepłe powietrze, wentylatory te można było przełączyć – początkowo manualnie, a potem z użyciem automatyki – na wyższy bieg. Jednak praca na najwyższej prędkości nadal pociągała za sobą zwiększony pobór energii. Rozwój technologii konstruowania 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 i zarazem mniej skomplikowaną konstrukcją, 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.

    wodne nagrzewnice powietrza i nowoczesne rozwiazania w nich stosowane6 - Wodne nagrzewnice powietrza i nowoczesne rozwiązania w nich stosowane
    Fot. 8. Sterownik dla serii Volcano wyposażony jest w czytelny ekran LCD.

    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, co wynika ze szczególnych cech tych napędów – cech wartych krótkiego omówienia. Po pierwsze, modulowane silniki EC 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. Po drugie, odznaczają się wyższą trwałością i żywotnością (jedynym zużywalnym elementem silnika są jego łożyska) oraz mniejszymi rozmiarami przy tej samej mocy co silniki AC i mniejszym hałasem dzięki wyeliminowaniu szczotek węglowych. Po trzecie zaś, silniki te świetnie współpracują z automatyką, która umożliwiła wprowadzenie 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.

    Innym usprawnieniem w obrębie wentylatorów, na jakie warto zwrócić uwagę, jest zniwelowanie hałasu przez nie generowanego. Chodzi tu zarówno o zmniejszenie hałasu wytwarzanego przez napęd, jak też tego wytwarzanego przez same wirniki, co osiągnięto poprzez udoskonalenie geometrii śmigieł. Jest to usprawnienie odczuwalnie przekładające się na komfort osób pracujących i przebywających w halach ogrzewanych przez nowoczesne nagrzewnice (supermarkety, duże hale handlowe itp.). Na uwagę zasługują też nowe rozwiązania w obrębie materiałów, z jakich wykonuje się obudowy i przednie maskownice tych urządzeń. Wiodący producenci korzystają dziś z nowych i lekkich materiałów, takich jak m.in. spieniony polipropylen, który jest bardzo lekkim materiałem (pozwala obniżyć masę urządzenia nawet o 15-20% w porównaniu z obudowami ze stali), a ponadto cechuje się wysoką odpornością 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 okazję do popisu na polu wzornictwa. Zmianom uległ też sposób wykonania obudów w nowoczesnych nagrzewnicach, a raczej metody i dokładność ich spasowania z wszystkimi pozostałymi komponentami. Postęp na tym polu wyeliminował sytuacje takie, jak niepożądane przedmuchy poza głównym ciągiem grzewczym, które mogą pojawić się zarówno na froncie, jak i po bokach nagrzewnicy. Już dawno zauważono, że nawet drobne nieszczelności na zamknięciu wymiennika prowadzą do wymiernych strat ciepła i zmniejszenia wydajności całego układu, dlatego problem wyeliminowano natychmiast po tym, jak rozwój technologii na to pozwolił. 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 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 nagrzewnicami 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.

    Sposób montowania i regulowania położenia nagrzewnic to kolejna przestrzeń, w której dokonał się ogromny postęp. Chyba najważniejszym usprawnieniem w tej materii 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 obracanie nagrzewnic w sporych zakresach kątowych, lub wręcz całkowite obracanie ich wokół własnej osi. Do tego doszła regulacja ustawienia tych urządzeń pod wybranym przez administratora kątem, który łatwo można w każdej chwili zmienić. Wszystko to pozwala na kierowanie wydmuchiwanego powietrza dokładnie w taki sposób, jaki jest w określonej sytuacji najoptymalniejszy.

    Podsumowanie

    Rozwój wodnych nagrzewnic powietrza nabrał prędkości i wciąż trwa, obejmując coraz mocniej inne aspekty, takie jak komunikacja i współpraca z systemami BMS. Nadchodząca rewolucja w postaci Internetu Rzeczy zapewne i tych urządzeń nie ominie, co oznacza, że warto śledzić ten rynek i to co na nim się dzieje, gdyż niejedno jeszcze nas zaskoczy. Póki co warto pamiętać – to uwaga dla przyszłych inwestorów – że chcąc być pewnym, iż wybierze się dobrze, należy poruszać się w obrębie najwyżej notowanych, renomowanych marek produktowych, w których stosowanie norm jakościowych i najlepszych rozwiązań technologiczno-materiałowych to oczywistość.

    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.,
    Reventon Group Sp. z o.o.
    oraz Nabilaton Sp. z o.o

    UDOSTĘPNIJ
    Poprzedni artykułFachowy Instalator 5/2019
    Następny artykułOświetlenie w nowoczesnym wnętrzu

    ZOSTAW ODPOWIEDŹ

    Please enter your comment!
    Please enter your name here