CZ27646U1 - Klimatizační jednotka - Google Patents

Description

Klimatizační jednotka

Oblast techniky

Technické řešení se týká klimatizační jednotky pro chlazení prostor například v datových centrech, rozvodnách komunikačních technologií, laboratořích a jiných tepelně zatížených technologických prostorách.

Dosavadní stav techniky

Známé klimatizační jednotky pro chlazení rozvoden komunikačních technologií, laboratoří, výrobních prostor, datových center, skladů a jiných tepelně zatížených technologických objektů mohou být uspořádány do tvaru skříně a jsou vybavené soustavou potrubí, výměníkem (kondenzátorem, výpamíkem), ventilátory a chladicím okruhem, přičemž alespoň část soustavy je umístěna ve vnější části budovy.

U klimatizačních jednotek pro technologické účely je podstatnou řízenou veličinou teplota a někdy i podíl vlhkosti obsažené ve vzduchu. Venkovní vzduch se proto musí upravovat dle nároků na kvalitu vzduchu chlazených prostor, což je s rostoucí entalpií venkovních podmínek (atmosférického vzduchu) značně energeticky náročné.

Běžná klimatizační zařízení využívají známé fyzikální principy strojního chlazení, kdy kapalina pri přeměně v páru spotřebuje ekvivalentní množství tepla, jež odnímá svému okolí. Mezi běžná chladivá patří freony, izobutan, atd. Nevýhodou tohoto řešení je vysoká energetická náročnost pro chlazení a odvlhčení zejména při vysokých teplotách a vysoké vlhkosti okolního prostředí (atmosférického vzduchu).

Další klimatizační zařízení využívají volného chlazení se směšováním, též často nazýváno anglickým výrazem „free-cooling“. Tyto klimatizační jednotky jsou výhodné za chladného venkovního prostředí (atmosférického vzduchu) zejména z důvodu energetických úspor. Pro přenos tepla existuje varianta nepřímého volného chlazení a přímého volného chlazení. U přímého volného chlazení se chladný vzduch z venkovního prostředí následně ve vhodném poměru mísí se vzduchem odváděným z vnitřku budovy. U nepřímého volného chlazení se k přenosu chladu dovnitř budovy používá kapalina nebo přímo chladivo. Vezmeme-li v potaz využitelnost těchto dvou variant, nepřímé chlazení je možno vlivem vícenásobných tepelných přestupů použít obvykle k chlazení za venkovních teplot menších než + 3 °C; zatímco variantu přímého chlazení je možno použít obvykle za venkovních teplot menších než + 19 °C. Přičemž teploty použitelnosti se mohou měnit v závislosti na individuálních požadavcích chlazených prostorů. Výhodou klimatizačních jednotek využívajících směšování je energetická úspora, kdy za chladných venkovních teplot nemusejí využívat přídavného topení.

Jiná známá klimatizační zařízení používají, v případech kdy venkovní prostředí (atmosférický vzduch) vykazuje velmi vysokou teplotu, recirkulace již použitého vzduchu nasávaného klimatizační jednotkou. Recirkulace vzduchu přináší úsporu energie v tom, že nemusí být spotřebovávána energie na výrazné ochlazení a odvlhčení venkovního vzduchu. Klimatizační jednotky odvádí přebytečné teplo pomocí okruhů s chladivém ven z budovy, kde je toto chladivo ochlazováno v kondenzátorech nebo chladicích věžích a ochlazená kapalina vracející se zpět do jednotky chladí cirkulující vzduch.

Žádné z výše popsaných zařízení neumožňuje řídit proces chlazení pomocí integrovaného systému klapek, jejichž ovládáním je možno kombinovat metody chlazení v závislosti na okolní entalpií a dosáhnout tak snížení energetické náročnosti na chlazení prostor.

Všechna uvedená zařízení jsou používána v konstrukčním rozložení, kdy část chladicího zařízení je uvnitř budovy a část je vně. Vnější část klimatizačního zařízení představuje zejména chladicí okruh s kondenzátorem, ventilátory, případně dalšími komponenty, které bývají vyvedeny například na střechu nebo fasádu chlazené budovy. Nevýhodou těchto systémů je především nutnost instalovat chladivový okruh mimo budovu. Takováto instalace je z časového hlediska náročná

-1 CZ 27646 Ul a spotřebuje se při ní značné množství materiálu. Další nevýhodou takovýchto zařízení je možnost jejich poškození hrozících z venkovního prostředí - například vandalismus, zcizení nebo poškození přírodními živly. Instalace takovýchto zařízení navíc musí být prováděna specializovanými osobami.

Podstata technického řešeni

Uvedený problém snížení energetické náročnosti klimatizační jednotky na chlazení tepelně zatížených technologických prostor řeší integrovaný systém klapek, který umožňuje usměrňovat proud vzduchu v závislosti na entalpii okolního prostředí. Klimatizační jednotka dále zahrnuje alespoň jeden vstup vzduchu z venkovního prostoru (vně budovy) a alespoň jeden vstup odváděného vzduchu z vnitřku objektu, a dále alespoň jeden výstup odpadního vzduchu do venkovního prostoru (vně budovy) a alespoň jeden výstup přiváděného vzduchu do vnitřku objektu. Klimatizační jednotka dále disponuje ventilátorem přivádějícím vzduch dovnitř objektu, který je ve výhodném provedení umístěn před výstup přiváděného vzduchu do objektu a ventilátorem odvádějícím vzduch z objektu do venkovních prostorů, který je ve výhodném provedení umístěn před výstup odpadního vzduchu.

Součástí klimatizační jednotky je chladicí okruh zahrnující kompresor, výpamík umístěný před výstupem dovnitř objektu a kondenzátor umístěný před výstupem do venkovního prostředí. Chladicí okruh je zcela integrován do skříně klimatizačního zařízení uvnitř objektu.

Technické řešení současně zahrnuje systém klapek, přičemž systém klapek je uzpůsoben k vedení vzduchu od vstupu z venkovního prostoru přes výpamík k výstupu dovnitř objektu, dále k vedení vzduchu od vstupu zevnitř objektu přes výpamík k výstupu dovnitř objektu a také k vedení vzduchu od vstupu zevnitř objektu do prostoru výpamíku, kde je přimícháván ke vzduchu vedoucím od vstupu z venkovního prostora, přičemž část vzduchu vedoucího od vstupu zevnitř objektu je dále vedena k výstupu do venkovního prostora.

Navrhované technické řešení umožňuje automatický výběr energeticky nej výhodnějšího chlazení v závislosti na teplotě a vlhkosti venkovního (atmosférického) vzduchu, kdy proporcionálně otevírá, respektive uzavírá j ednotlivé klapky klimatizační j ednotky.

Navrhované technické řešení je schopné pracovat v režimu strojního chlazení (s řízeným podílem čerstvého vzduchu), přímého volného chlazení a zároveň chlazení cirkulačního vzduchu s plně integrovaným chladivovým okruhem bez použití dalších vnějších chladících okruhů. Klimatizační jednotka umožňuje sloučení těchto tří režimů do jednoho zařízení, aniž by bylo nutné cokoliv montovat mimo budovu, čímž se eliminují vlivy venkovního prostředí a rizika spojená s vandalismem.

Jelikož je chladivový systém plně integrován do klimatizačního systému, je možno okruh otestovat již ve výrobním procesu a není nutná žádná další odborná instalace chladicího okruhu u zákazníka, přičemž se podstatně snižuje náplň chladivá a eliminuje i riziko úniku chladivá z důvodu dlouhého vedení chladivového potrubí přes budovu a vně budovy.

Klimatizační jednotka dle navrhovaného řešení umožňuje v závislosti na okolní entalpii volit energeticky nej výhodnější řešení chlazení. Taktéž je možno jednotku propojit přes běžně dostupné drátové či bezdrátové komunikační sítě, aby byla umožněna vzdálená správa a/nebo monitorování stavu a/nebo koordinace režimu chlazení dle požadavků nadřazeného systému správy budovy.

Klimatizační jednotka dále může zahrnovat senzory koncentrace škodlivin ve vnějším prostředí a/nebo vnitřním prostředí a na základě vyhodnocení těchto dat zvolit vhodný režim. Kdy například za tropických dní, by jednotka z energetického hlediska trvale volila recirkulační chlazení, které by mohlo způsobit zvýšení množství CO₂ v technickém prostora. Obdobně i naopak při detekovaném úniku například explozivních plynů ve vnějším prostředí jednotka bez ohledu na energetickou efektivitu zcela uzavře přístup vnějšího vzduchu dovnitř budovy.

-2CZ 27646 Ul

Přehled obrázků na výkresech

Na obrázku 1 je znázorněno funkční schéma klimatizační jednotky.

Na obrázku 2 je znázorněno funkční schéma klimatizační jednotky v režimu strojního chlazení.

Na obrázku 3 je znázorněno funkční schéma klimatizační jednotky v cirkulačním režimu.

Na obrázku 4 je znázorněno funkční schéma klimatizační jednotky v režimu volného chlazení se směšováním.

Příklady provedení technického řešení

Na obrázku 1 je znázorněno funkční schéma klimatizační jednotky. Klimatizační jednotka je jako celek může být umístěna uvnitř budovy. Veškeré komponenty mohou být umístěny v jedné skříni klimatizační jednotky. Ta může být uzpůsobena k zavěšení, k umístění na zem, případně na zdvojenou podlahu využitou k distribuci vzduchu nebo pro těsnou vestavbu do chlazené technologie. Dále je nutné zajistit spojení s venkovním prostředím vně budovy například pomocí potrubí. Přívodní spojení klimatizační jednotky s venkovním prostředím je napojeno na vstup I venkovního vzduchu do klimatizační jednotky. Za vstupem 1 venkovního vzduchu do klimatizační jednotky je vzduch filtrován pomocí vstupního filtru 2, tak aby byl zbaven nečistot, které jsou nežádoucí pro další prostup klimatizační jednotkou až do chlazeného objektu. Odvodní spojení klimatizační jednotky s venkovním prostředím je napojeno na výstup 15 odpadního vzduchu z klimatizační jednotky. Před výstupem 15 odpadního vzduchu z klimatizační jednotky je umístěn odtahový ventilátor 14 a kondenzátor 13.

Dále je klimatizační jednotka spojena s prostředím uvnitř chlazeného objektu a to buď pomocí potrubí, nebo bez něj (např. jednotka s výstupem vzduchu přímo do objektu nebo jednotka umístěná na zdvojené podlaze, atd.), kdy je například klimatizační jednotka umístěna přímo v chlazené místnosti daného objektu. Před výstupem 7 přiváděného vzduchu z klimatizační jednotky do objektu je přívodní ventilátor 6 a výpamík 5. Výhodnost tohoto uspořádání je popsána níže. Další spojení klimatizační jednotky s chlazeným objektem zajišťuje vstup 10 odváděného vzduchu z objektu do klimatizační jednotky. Za vstupem 10 odváděného vzduchu z objektu do klimatizační jednotky se může nacházet filtr 9 odpadního vzduchu.

Vzduch mezi vstupem 1 venkovního vzduchu do klimatizační jednotky a vstupem 10 odváděného vzduchu z objektu do klimatizační jednotky, a mezi výstupem 7 přiváděného vzduchu z klimatizační jednotky do objektu a výstupem 15 odpadního vzduchu z klimatizační jednotky prostupuje komorami klimatizační jednotky, jehož průchodnost je omezována soustavou klapek. Soustava klapek umožňuje rozdělit vzduchové komory klimatizační jednotky uvnitř klimatizační jednotky na čtyři nezávislé prostory.

Z obrázku 1 je patrné, že v soustavě komor klimatizační jednotky mezi vstupem 1 venkovního vzduchu do klimatizační jednotky a výstupem 7 vzduchu z klimatizační jednotky do objektu, se nachází přívodní klapka 4. Dále mezi výstupem 7 vzduchu z klimatizační jednotky do objektu a vstupem 10 odváděného vzduchu z objektu do klimatizační jednotky se nachází směšovací klapka 8. Mezi vstupem 10 odváděného vzduchu z objektu do klimatizační jednotky a výstupem 15 odpadního vzduchu z klimatizační jednotky se nachází klapka 11 odpadního vzduchu. Mezi výstupem 15 odpadního vzduchu z klimatizační jednotky a vstupem 1 venkovního vzduchu do klimatizační jednotky se nachází obtoková klapka 12.

Výpamík 5, kondenzátor 13 a kompresor 3 jsou dále spojeny potrubím 16 a tvoří chladicí okruh. Všechny části chladicího okruhu jsou plně integrovány do klimatizační jednotky a nevyžadují žádnou další instalaci v místě provozování, neboť se nacházejí v jedné skříni s ostatními komponentami. Ve výhodném provedení je použit kompresor 3 technologie „digital scroll“, nazývaný také jako digitální spirální kompresor s řízeným výkonem.

Celé zařízení klimatizační jednotky je ovládáno mikroprocesorovou jednotkou 17, která zabezpečuje chod klimatizační jednotky a automaticky nastavuje nej výhodnější režim chlazení

-3CZ 27646 Ul v závislosti na entalpii venkovního prostotu. Informace o entalpii může jednotka získat buď ze snímačů teploty a vlhkosti přidružených ke klimatizační jednotce, nebo z dat dostupných přes datovou síť. Klimatizační jednotka umožňuje chod alespoň v následujících režimech: stojní chlazení, volné chlazení, recirkulace.

Režim volného chlazení se používá zejména tehdy, pokud teplota venkovního prostředí je stejná nebo nižší než požadovaná teplota v objektu. Režim strojního chlazení se spouští zejména nikoli však výlučně, pokud teplota venkovního prostředí je vyšší než požadované teplota v objektu. Režim recirkulace se spouští zejména avšak nikoli výlučně, pokud teplota venkovního prostředí je vyšší než požadované teplota v objektu o více než 2 °C. Nastavení mezních hodnot se volí dle požadavků na pracovní teplotu/entalpii v prostoru technologie, která se může výrazně lišit.

Mikroprocesorová jednotka 17 dále umožňuje komunikaci v rámci drátové či bezdrátové komunikační sítě a to v takovém rozsahu, že je schopna poskytnout informace o svém stavu; dále je v rámci této sítě umožněn přístup do klimatizační jednotky, tak aby bylo možné provést vzdálenou správu software, změnu parametrů nebo provozního režimu z nadřazeného systému.

Funkčnost systému klimatizační jednotky v režimu strojního, volného i recirkulačního chlazení a plynulý přechod mezi těmito režimy je umožněn pomocí klapkového systému a výhodnému umístění ventilátoru 6 a výpamíku 5 před výstupem 2 přiváděného vzduchu z klimatizační jednotky do objektu.

Na obrázku 2 je znázorněno schéma strojního chlazení. V režimu strojního chlazení, kdy vzduch proudí přes přívodní klapku 4, je ochlazován na výpamíku 5 a přívodním ventilátorem 6 je vháněn skrz výstup 7 vzduchu z klimatizační jednotky do objektu. Naopak odpadní vzduch proudí přes klapku H odpadního vzduchu do kondenzátoru 13, kde ochladí chladicí medium, a odtahovým ventilátorem 14 je vyhnán skrz výstup 15 odpadního vzduchu z klimatizační jednotky.

Dále toto uspořádání klapek umožňuje chlazení vzduchu při recirkulaci, což je uvedeno na obrázku 3. Vzduch proudí skrz směšovací klapku 8 a následně je ochlazován na výpamíku 5 a přívodním ventilátorem 6 je vháněn skrz výstup 7 vzduchu z klimatizační jednotky do objektu. Naopak teplý venkovní vzduch proudí skrz obtokovou klapku 12 do kondenzátoru 13, kde ochladí chladicí medium, a odtahovým ventilátorem 14 je vyhnán skrz výstup 15 odpadního vzduchu z klimatizační jednotky.

Soustava klapek taktéž umožňuje průchod vzduchu v režimu volného chlazení, tak jak je znázorněno na obrázku 4. V tomto režimu vzduch proudí ze vstupu 10 odváděného vzduchu z objektu do klimatizační jednotky skrz klapku H odpadního vzduchu a současně proudí vzduch z venkovního prostředí ze vstupu 1 venkovního vzduchu do klimatizační jednotky skrz přívodní klapku 4. V tomto režimu může být část odváděného vzduchu skrz směšovací klapku 8 smícháváno s přiváděným vzduchem, čímž je dosaženo přesného řízení teploty vzduchu přiváděného do místnosti i při velmi nízkých teplotách venkovního vzduchu. Smíšený vzduch je následně přívodním ventilátorem 6 vháněn skrz výstup 7 vzduchu z klimatizační jednotky do objektu. Zbylý odpadní vzduch, který není směšován, proudí přes klapku H odpadního vzduchu a odtahovým ventilátorem 14 je vyhnán skrz výstup 15 odpadního vzduchu z klimatizační jednotky. Všechny klapky je možno otevírat plně nebo částečně a tím docílit požadované průchodnosti soustavy.

Klimatizační jednotka dále může zahrnovat senzory koncentrace škodlivin ve vnějším prostředí a/nebo vnitřním prostředí a na základě vyhodnocení těchto dat zvolit vhodný režim. Kdy například za tropických dní, by jednotka z energetického hlediska trvale volila recirkulační chlazení, které by mohlo způsobit zvýšení množství CO2 v technickém prostoru. Na základě hodnot limitních pro lidské zdraví klimatizační jednotka zakáže recirkulační režim do té doby, než se sníží hladina CO2 v objektu na přednastavený limit. Senzor CO2 a případně další žádoucí senzory mohou být umístěny například za vstupem 10 odváděného vzduchu z objektu do klimatizační jednotky. Obdobně může jednotka zahrnovat senzory škodlivin z vnějšího prostředí, které mohou být umístěny například před vstupem i venkovního vzduchu do klimatizační jednotky. Příkladem může být senzor pro detekci úniku explozivních plynů ve vnějším prostředí, kdy jednotka - po naměření limitních hodnot - bez ohledu na energetickou efektivitu zcela uzavře přístup vnějšího vzduchu dovnitř budovy.

-4CZ 27646 Ul

Součástí klimatizační jednotky může být zvlhčovači zařízení, tak aby bylo možno vyhovět nárokům daných technických prostor na relativní vlhkost vzduchu. Klimatizační jednotka může být taktéž vybavena elektrickým ohřívačem vzduchu.

Claims (10)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Klimatizační jednotka se vstupy a výstupy vzduchového rozvodu napojeného na vnitřní prostory a venkovní prostory, zahrnující vstup (1) z venkovního prostoru, vstup (10) odváděného vzduchu z objektu, výstup (15) odpadního vzduchu do venkovního prostoru, výstup (7) přiváděného vzduchu do objektu, přívodní ventilátor (6), odtahový ventilátor (14), kompresor (3), výparník (5) umístěný před výstupem (7) přiváděného vzduchu do objektu, kondenzátor (13) umístěný před výstupem (15) odpadního vzduchu do venkovního prostoru a systém klapek, přičemž systém klapek je uzpůsoben k vedení vzduchu od vstupu (1) z venkovního prostoru přes výpamík (5) k výstupu (7) přiváděného vzduchu do objektu, vyznačující se tím, že systém klapek je dále uzpůsoben k vedení vzduchu od vstupu (10) odváděného vzduchu z objektu přes výpamík (5) k výstupu (7) přiváděného vzduchu do objektu.
2. 2. Klimatizační jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že vstup (1) z venkovního prostom, vstup (10) odváděného vzduchu z objektu, výstup (15) odpadního vzduchu do venkovních prostorů, výstup (7) přiváděného vzduchu do objektu, přívodní ventilátor (6), odtahový ventilátor (14), kompresor (3), výpamík (5), kondenzátor (13) a systém klapek jsou umístěny v jedné skříni umístitelné uvnitř budovy.
3. 3. Klimatizační jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že vstup (1) z venkovního prostom, vstup (10) odváděného vzduchu z objektu, výstup (15) odpadního vzduchu do venkovních prostorů, výstup (7) přiváděného vzduchu do objektu, přívodní ventilátor (6), odtahový ventilátor (14), kompresor (3), výpamík (5), kondenzátor (13) a systém klapek jsou umístěny alespoň ve dvou skříních umístitelných uvnitř budovy.
4. 4. Klimatizační jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že zahrnuje mikroprocesorovou jednotku (17), uzpůsobenou pro automatickou volbu energeticky nejvýhodnějšího programu chlazení v závislosti na entalpii venkovního prostředí.
5. 5. Klimatizační jednotka podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že kompresor (3) je proveden jako digitální spirální kompresor s plynulým řízením výkonu.
6. 6. Klimatizační jednotka podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že zahrnuje zvlhčovač vzduchu.
7. 7. Klimatizační jednotka podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že zahrnuje elektrický ohřívač.
8. 8. Klimatizační jednotka podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že zahrnuje alespoň jeden senzor koncentrace škodlivin ve vnějším prostředí a/nebo vnitřním prostředí.
9. 9. Klimatizační jednotka podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že zahrnuje senzor CO2.
10. 10. Klimatizační jednotka podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že je uvedená mikroprocesorová jednotka (17) uzpůsobena pro vzdálenou správu a/nebo monitorování stavu.