Odnotowywane w ostatnich latach coraz bardziej upalne i dłuższe lata oraz rosnące zainteresowanie użytkowników sprawiają, że branża klimatyzacji przeżywa aktualnie dynamiczny rozwój. Napędzają go dodatkowo proekologiczne zmiany w prawie oraz promowanie „zielonych rozwiązań”. Ciągły postęp techniczny w zakresie nowych technik chłodzenia, jak i rozwoju dotychczasowych urządzeń i systemów sprawia, że ilość oferowanych na rynku technologii jest szeroka jak nigdy wcześniej. Niejednokrotnie jej wielkość wprawia w zakłopotanie nawet specjalistów branżowych.

Warto zatem w formie przystępnego vademecum uporządkować aktualną wiedzę na temat dostępnych rozwiązań zarówno dla mieszkań i domów, jak i małych i dużych lokali komercyjnych takich jak sklepy, restauracje, biurowce czy hotele. Jakie opcje urządzeń i systemy klimatyzacji są dostępne? Jaka jest ich zasada działania? Czym się charakteryzują, jakie posiadają zalety i cechy oraz kiedy się sprawdzą? O czym powinien pamiętać zarówno inwestor jak i wykonawca przy realizacji inwestycji? O tych zagadnieniach piszę w niniejszym, dwuczęściowym, opracowaniu. W pierwszej części skupimy się na podaniu ogólnych informacji i omówieniu rozwiązań zintegrowanych. W drugiej części skupimy się na bardziej zaawansowanych, dzielonych systemach.

Klimatyzacja, klimatyzator i system klimatyzacji
Budowę uporządkowanej wiedzy warto zacząć od fundamentalnych pojęć i określeń. Ogólnym pojęciem klimatyzacji nazywane są powszechnie wszelkie procesy przetwarzania oraz kształtowania parametrów powietrza w pomieszczeniach, tak aby osiągnąć warunki komfortu dla przebywających w nich ludzi (klimatyzacja komfortu) lub zapewnić optymalne warunki dla prowadzenia procesów przemysłowych i technologicznych (klimatyzacja przemysłowa, precyzyjna). W przypadku klimatyzacji komfortu powszechnie kontrolowana jest temperatura powietrza, natomiast zdarza się również zarządzanie wilgotnością powietrza w pomieszczeniu (częściej osuszanie niż nawilżanie). Sporadycznie lub w specjalistycznych pomieszczeniach (np. szpitale) spotkać można również oczyszczanie powietrza. Urządzeniem, które realizuje te procesy jest klimatyzator. W przypadku grupy współpracujących ze sobą urządzeń, tworzących jeden układ możemy mówić o systemie klimatyzacji. Dodatkowo warto wspomnieć, że w potocznym użyciu pojęcie klimatyzacji wykorzystywane jest często jako określenie procesu chłodzenia lub układu realizującego ten proces (np. samochód z klimatyzacją).

Podział rozwiązań klimatyzacyjnych
Rozwiązania klimatyzacyjne, w zależności od przyjętego kryterium podzielić możemy na różne typy, co przedstawione zostało na rysunkach 2–4. Pod względem technologii zdecydowana większość układów klimatyzacyjnych oparta jest na pracy sprężarki (kompresora) oraz obiegu chłodniczym. Nazywamy je klimatyzacją sprężarkową. Inną grupą mogą być rozwiązania absorpcyjne, które zamiast mechanicznego sprężania czynnika chłodniczego bazują na jego pochłanianiu przy niskim ciśnieniu w tzw. absorberze. Układ absorbera, warnika i dodatkowych elementów zastępuje zatem kompresor, przy czym pozostałe elementy jak parownik i skraplacz pozostają niezmienne. Rozwiązania te są jednak bardzo rzadko spotykane w klimatyzacji, a stosunkowo częściej wykorzystywane w komercyjnym chłodnictwie. Grono producentów oraz techników specjalizujących się w rozwiązaniach absorpcyjnych jest również stosunkowo wąskie.

Biorąc pod uwagę sposób wymiany ciepła rozwiązania można podzielić na układy bezpośredniego odparowania ciepła oraz systemy wykorzystujące tzw. wodę lodową. W pierwszych z nich ciepło z dolnego źródła (przy chłodzeniu jest to powietrze w pomieszczeniu, przy ogrzewaniu jest to powietrze zewnętrzne) pobierane jest bezpośrednio przez czynnik chłodniczy, który poza zwiększeniem swojej temperatury również odparowuje. Podobnie czynnik bezpośrednio oddaje ciepło do źródła górnego (przy chłodzeniu jest to powietrze zewnętrzne, przy ogrzewaniu jest to powietrze w pomieszczeniu) zmniejszając swoją temperaturę oraz ulegając skropleniu. Systemy wody lodowej, poza czynnikiem chłodniczym, wykorzystują również drugi czynnik roboczy jakim jest woda (R718) lub roztwór wodny np. glikolu etylenowego. W takich układach ciepło wymieniane jest z powietrzem zewnętrznym bezpośrednio przez czynnik chłodniczy (pobieranie oraz oddawanie ciepła w zależności od trybu, jak opisano wyżej). Z kolei z powietrzem w pomieszczeniach ciepło wymienia czynnik roboczy jakim najczęściej jest woda. Oba układy, tj. chłodniczy i wodny połączone są dodatkowym wymiennikiem ciepła. Schemat układu wody lodowej przedstawia rysunek 1.

Jeżeli chodzi o przeznaczenie, to układy klimatyzacji podzielić można na klimatyzację komfortu i układy precyzyjne. Zasadniczo różnią się one poziomem dokładności utrzymywania zadanych parametrów. Podczas gdy dla urządzeń komfortu dopuszcza się odchył temperatury panującej w pomieszczeniu od nastawy do około +/- 2~3°C, urządzenia klimatyzacji precyzyjnej potrafią kontrolować temperaturę powietrza z dokładnością 1°C, a czołowe maszyny nawet 0,5°C. Ponadto nierzadko umożliwiają one utrzymywanie wilgotności powietrza w obsługiwanym pomieszczeniu. Urządzenia komfortu dedykowane są zapewnieniu komfortu cieplnego ludziom przebywającym w pomieszczeniach, podczas gdy szafy klimatyzacji precyzyjnej obsługują najczęściej bardziej wymagające pomieszczenia techniczne (np. serwerownie) lub specjalne (laboratoria, archiwa, biblioteki). Urządzenia te charakteryzują się ponadto zazwyczaj dużą mocą chłodniczą, rzędu kilkunastu – kilkudziesięciu kilowatów. Z tego też względu znacznie częściej na rynku spotkać można urządzenia pierwszego typu.

Zasada działania klimatyzacji sprężarkowej
Jak wcześniej wspomniano najczęściej stosowanymi rozwiązaniami są układy pracujące w oparciu o mechaniczne sprężanie czynnika chłodniczego. Ich zasada działania przedstawiona została na rysunku 6. Sercem układu jest kompresor, którego zadaniem jest sprężanie czynnika chłodniczego krążącego w układzie. Przykładowy kompresor przedstawia rysunek 5. Następnie czynnik o wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem trafia do skraplacza, gdzie oddaje ciepło do powietrza zewnętrznego ulegając ochłodzeniu i skropleniu. Przepływ powietrza przez wymiennik zapewnia praca wentylatora. Ciekły czynnik o niskiej temperaturze trafia do elementu rozprężnego, gdzie jego ciśnienie zostaje zmniejszone. Następnie w parowniku czynnik pobiera ciepło od powietrza zewnętrznego (ochładzając je) zwiększając swoją temperaturę oraz odparowując, zamykając cykl.

Najpopularniejsze systemy klimatyzacji
Jak wcześniej wspomniano najczęściej spotykanymi systemami i urządzeniami klimatyzacyjnymi są układy sprężarkowe, komfortu. Jeżeli chodzi natomiast o trzecie kryterium podziału (sposób wymiany ciepła) to oba rozwiązania (bezpośredniego odparowania oraz wody lodowej) są powszechnie stosowane w zależności od wymogów oraz warunków i wymagań obiektu. Niejednokrotnie o wyborze danego rozwiązania decyduje kalkulacja kosztów inwestycyjnych oraz eksploatacyjnych.

Systemy i urządzenia bezpośredniego odparowania
Systemy i urządzenia klimatyzacyjne bezpośredniego odparowania, jak wspomniano wcześniej, wykorzystują jeden obieg czynnika chłodniczego. Aktualnie na rynku najczęściej spotykanym czynnikiem roboczym jest R32 (difluorometan). Spotyka się natomiast również układy wykorzystujące R410a (mieszanina 50% R32 oraz 50% R125). Są to najczęściej systemy o dużej mocy lub urządzenia produkowane kilka lub kilkanaście lat temu. Czynnik ten jest powszechnie wykorzystywany w układach VRF o mocy powyżej kilkunastu kilowatów. W nowszych urządzeniach stosuje się ponadto R290 (propan), którym napełnia się urządzenia hermetycznie zamknięte takie jak klimatyzatory typu monoblok (np. przenośne).

Urządzenia i systemy bezpośredniego odparowania realizujące utrzymanie komfortu w pomieszczeniach dzieli się ze względu na konstrukcję na monobloki i splity (ang. „dzielony”). Grupa monobloków obejmuje klimatyzatory zwarte w jednym urządzeniu wewnętrznym. Splity natomiast składają się z jednostki wewnętrznej oraz zewnętrznej połączonych instalacją czynnika chłodniczego. Głównymi podzespołami jednostki wewnętrznej jest wymiennik ciepła (przy chłodzeniu pełniący rolę parownika) oraz wentylator. Jednostka zewnętrzna zbudowana jest natomiast między innymi z kompresora, elementu rozprężnego (zawór rozprężny lub kapilara), wymiennika ciepła (przy chłodzeniu jest skraplaczem) oraz wentylatora. Najczęściej spotykanymi monoblokami są klimatyzatory przenośne, okienne, a także stacjonarne (ścienne lub konsole) bez jednostki zewnętrznej. Wśród splitów natomiast wyróżnić można maszyny tzw. single split (ang. pojedynczy split), multi split (ang. wielo-split) oraz systemy VRF (ang. variable refrigerant flow – o zmiennym przepływie czynnika). W urządzeniach pojedynczych jedna jednostka wewnętrzna połączona jest z jedną jednostką zewnętrzną. Układy multi wykorzystują jedną jednostkę zewnętrzną do obsługi kilku jednostek wewnętrznych. Najczęściej liczba jednostek w pomieszczeniach w takim układzie nie przekracza 5–7 urządzeń (w zależności od producenta). Systemy VRF jest to natomiast odmiana układów multi, która jedną jednostką zewnętrzną obsługiwać może nawet do 60–80 jednostek wewnętrznych. Schemat podziału systemów i urządzeń komfortu bezpośredniego odparowania przedstawia rysunek 7. Jeżeli chodzi o wykorzystywane jednostki wewnętrzne, to zarówno w układach single i multi split, jaki i w układach VRF najczęściej dzielą się one ze względu na konstrukcję. Najpopularniejszymi są modele ścienne, kasetonowe i kanałowe. Ich podstawowy podział przedstawia rysunek 8. Ciekawym rozwiązaniem są również klimatyzatory mobilne typu split, w których obie jednostki, połączone elastyczną instalacją chłodniczą wyposażone są w kółka i mogą być przemieszczane.

Klimatyzatory typu monoblok
Urządzenia komfortu typu monoblok to najczęściej klimatyzatory przenośne. Są one konstruowane jako hermetycznie zamknięte. W związku z przepisami dotyczącymi redukcji wykorzystywania szkodliwych dla środowiska czynników chłodniczych, do krajów Unii Europejskiej importowane są urządzenia na R290 (propan). W związku z brakiem konieczności montażu oraz hermetycznie wykonanym układem chłodniczym sprzedaż tego typu urządzeń prowadzona jest często bezpośrednio do użytkowników końcowych, nawet przez Internet.

Wśród zalet klimatyzatorów przenośnych (rysunek 9) wymienić należy fakt, że jak wspomniano wyżej, są to urządzenia typu plug-in (ang. przenośny, podłączany do gniazdka elektrycznego), które nie wymagają specjalistycznego montażu, stąd ich pełne uruchomienie może wykonać użytkownik końcowy. Zasadniczą przewagą nad innymi rozwiązaniami jest ich mobilność, dzięki czemu mogą być w łatwy sposób przemieszczane między pomieszczeniami, a nawet przewożone i uruchamiane w dowolnym miejscu. Dodatkowo są to stosunkowo tanie rozwiązania.

Wadą klimatyzowania pomieszczenia urządzeniem przenośnym jest wytwarzany w pomieszczeniu stosunkowo wysoki hałas. W przeciwieństwie do maszyn typu split w rozwiązaniu tym kompresor pracuje bowiem wewnątrz pomieszczenia, stąd poziom ciśnienia akustycznego pracy sięga (w zależności od producenta i modelu) około. 50–60 dB(A). Pomimo braku konieczności zaawansowanego montażu klimatyzatora wymaga on przede wszystkim odprowadzenia gorącego powietrza z pomieszczenia na zewnątrz. Do urządzenia dokładany jest zazwyczaj w standardzie elastyczny przewód o średnicy około 125–150 mm. Najczęściej powietrze odprowadza się poprzez uchylone okno wyposażone w specjalną materiałową uszczelkę, lub do kratki wentylacyjnej. Ponadto urządzenie wymaga regularnego opróżniania zbiornika skroplin lub wykonania tymczasowego odprowadzenia kondensatu. Klimatyzatory przenośne mają także ograniczoną wydajność i efektywność chłodzenia między innymi ze względu na wytwarzanie podciśnienia w pomieszczeniu i naturalny napływ gorącego powietrza z zewnątrz, zyski ciepła pomieszczenia od rury wyrzutowej gorącego powietrza, która zazwyczaj nie jest izolowana oraz zyski ciepła choćby od kompresora. Wydajności urządzeń przenośnych zazwyczaj nie przekraczają 3,5 kW przez co dedykowane są one do stosunkowo niewielkich pomieszczeń.

Z opisanych wyżej względów klimatyzatory przenośne zazwyczaj stosowane są w miejscach, gdzie nie ma możliwości montażu klimatyzatora typu split. Przykładem mogą być zabytkowe budynki, gdzie chroniące je przepisy uniemożliwiają instalację jednostki zewnętrznej. Dodatkowo na takie rozwiązanie nierzadko decydują się najemcy lokali, którzy nie chcą inwestować w systemy stacjonarne w nieruchomościach, których nie są właścicielami.

Klimatyzatory okienne (rysunek 10) to druga grupa urządzeń typu monoblok. Modele te aktualnie najczęściej spotykane są w ulicznych kioskach, czy kontenerach budowalnych. Aktualnie ze względu na stosunkowo małe zainteresowanie ich wybór na rynku jest niewielki. Urządzenia te, szeroko stosowane np. w Stanach Zjednoczonych, mogą być wstawiane w okno. W przypadku kontenerów nierzadko montowane są w specjalnie wyciętym otworze w ścianie. W porównaniu do klimatyzatorów przenośnych nie wymagają wtedy odprowadzenia gorącego powietrza dodatkową rurą. Ze względu na sposób montażu należy je jednak traktować raczej jako urządzenia stacjonarne. Do ich zalet z całą pewnością można zaliczyć stosunkowo niską cenę oraz łatwość montażu. Dodatkowo ze względu na fakt, że większość urządzenia (w tym kompresor) znajdują się na zewnątrz pomieszczenia są one dla użytkownika cichsze niż klimatyzatory przenośne. Według danych producentów poziom ciśnienia akustycznego osiąga ok. 45–50 dB(A). Urządzenia okienne występują jednak w niewielkich mocach, do ok 3,5 kW.

Ciekawym rozwiązaniem, zdobywającym coraz większą popularność, są klimatyzatory stacjonarne bez jednostki zewnętrznej (rysunek 11). Są to urządzenia podobne do modeli przenośnych. Różnią się od nich natomiast sposobem montażu, gdyż wymagają montażu na ścianie zewnętrznej budynku, przez którą odprowadzają gorące powietrze. Najczęściej występują one w formie konsoli wieszanej na ścianie. Najistotniejszą kwestią przy montażu takiego urządzenia jest wykonanie w ścianie zewnętrznej otworu o średnicy zazwyczaj ok. 150–200 mm. Otwór zakończony jest na elewacji budynku estetyczną kratką, którą nierzadko maluje się w kolorze elewacji przez co jest praktycznie niewidoczna. Urządzenia te podobnie jak modele przenośne charakteryzuje podobny poziom ciśnienia akustycznego oraz zakres mocy jak klimatyzatory okienne. Są one jednak zdecydowanie bardziej estetyczne. Nie wymagają również montażu w oknie lub wykonywania tak dużego otworu w przegrodzie pomieszczenia jak modele okienne. Klimatyzatory stacjonarne bez jednostki zewnętrznej najczęściej stosuje się w budynkach zabytkowych, gdzie ochrona konserwatorska nie pozwala na montaż jednostki zewnętrznej, a ingerencja w elewację powinna być jak najmniejsza.