Wentylator napędzany przepływem wody: grzejnik i klimakonwektor bez kabla 230 V

Woda w instalacji ma nie tylko ciepło, ma też ciśnienie. W każdym zrównoważonym układzie część tego ciśnienia zawór grzejnikowy celowo marnuje na dławienie. Ta koncepcja zabiera tę energię zaworowi i oddaje ją wentylatorowi, który wymusza ruch powietrza przez wymiennik. Nie trzeba do tego gniazdka, kabla ani zasilacza.

To moja autorska innowacja, wyrosła z kilkunastu lat doświadczeń z kilkuset obiektami. Pierwszą wersję opisałem w artykule Bezprzewodowy wentylator w grzejniku i klimakonwektorze. Tutaj idę dalej: przeliczam bilans mocy, poprawiam błędy z pierwszej wersji i pokazuję, gdzie pomysł ma największy sens.

Skąd ten pomysł

Przy modernizacji budynków pod pompy ciepła ciągle wracają te same dwa problemy:

• Stare grzejniki są za słabe przy niskim parametrze. Po obniżeniu zasilania z 55–70°C do 35–45°C ich moc wyraźnie spada. Zostaje wymiana na większe albo kucie pod podłogówkę.
• Klimakonwektory potrzebują prądu, sterowania i skroplin w każdym pomieszczeniu. W istniejącym budynku każdy kabel i każda rurka to bruzda, koszt i przestój.

W obu przypadkach brakuje tego samego: ruchu powietrza przy wymienniku. Energia na ten ruch jest już w rurach, bo pompa obiegowa wytwarza ciśnienie, a zawory część z niego niszczą. Turbina w miejscu dławika odzyskuje to, co dziś zamienia się w szum na grzybku zaworu.

Jak to działa

Turbina zamiast kryzy nastawy wstępnej

W zrównoważonej hydraulicznie instalacji zawory z nastawą wstępną (kv) dławią nadmiar ciśnienia dyspozycyjnego. Na grzejnikach blisko pompy to zwykle kilka do kilkudziesięciu kPa. Ta energia idzie w szum i ciepło tarcia.

Jeśli rolę elementu dławiącego przejmie regulowana kierownica napływowa z mikroturbiną, opór gałęzi zostaje taki, jak w projekcie. Zmienia się tylko to, na co idzie spadek ciśnienia: zamiast w szum, w obroty wału.

Uwaga: działa to tam, gdzie jest nadmiar ciśnienia do zdławienia. Na najdalszym grzejniku (w obiegu krytycznym) zapasu zwykle nie ma i turbina byłaby dodatkowym oporem. Takie miejsca trzeba wskazać przy doborze.

Sprzęgło magnetyczne i przegroda z dielektryka

Wał turbiny nie przechodzi przez ściankę. Moment przenosi sprzęgło magnetyczne przez szczelną przegrodę, więc nie ma dławnic ani uszczelnień ruchomych, które po latach zaczynają cieknąć.

Tu poprawiam pierwszą wersję artykułu. Pisałem tam o aluminiowych częściach przy magnesach, a aluminium odpada. Nie jest ferromagnetykiem, ale dobrze przewodzi prąd, więc wirujące pole indukuje w nim prądy wirowe (zasada hamulca elektrodynamicznego, tzw. dysk Arago). Przy budżecie rzędu ułamka wata taka przegroda zahamowałaby wirnik prawie do zera. To samo dotyczy stali nierdzewnej. Przegroda musi być dielektrykiem: kompozyt polimerowy (PEEK, PPS, PA z włóknem szklanym) albo ceramika techniczna.

Filtr magnetytowy przed turbiną

W wodzie starszych instalacji krąży magnetyt (Fe₃O₄). Magnesy sprzęgła po stronie mokrej działałyby jak odmulacz i obrosłyby szlamem. Dlatego przed turbiną montujemy kompaktowy filtr siatkowo-magnetyczny z korkiem spustowym. Przy modernizacji pod pompę ciepła taki filtr i tak powinien być w instalacji, ale tu jest warunkiem koniecznym.

Fizyka: ile mocy da się wyciągnąć z rury

Grzejnik 1000 W przy 40/35°C

Przy pompie ciepła i niskim parametrze (ΔT = 5 K) grzejnik 1000 W potrzebuje:

• przepływu: 1000 W / (4186 J/(kg·K) · 5 K) ≈ 0,048 kg/s ≈ 172 l/h (4,8·10⁻⁵ m³/s),
• mocy hydraulicznej przy spadku 15 kPa na turbinie: 4,8·10⁻⁵ m³/s · 15 000 Pa ≈ 0,72 W.

Sprawność mikroturbiny w rurze DN15/DN20 jest niska (małe liczby Reynoldsa, przecieki szczelinowe). Przyjmuję ok. 30–40%, a dla sprzęgła z łożyskami ok. 85%. Na wale zostaje więc rzędu 0,2–0,25 W.

To mało, ale grzejnikowi wystarczy. Lekki wentylator walcowy nie musi tłoczyć powietrza przez filtr. Ma tylko rozbić warstwę przyścienną przy płytach i zwiększyć współczynnik przejmowania ciepła po stronie powietrza. Dla porównania: wentylator komputerowy 120 mm oddaje do powietrza moc tego samego rzędu, czyli dziesiąte części wata. Wentylatorowe nakładki na grzejniki dają przy niskim parametrze przyrost mocy rzędu kilkudziesięciu procent. Ile dokładnie da ta konstrukcja, pokaże dopiero pomiar prototypu.

Przy klasycznym ΔT = 10 K przepływ jest o połowę mniejszy (ok. 86 l/h), więc przy tym samym spadku ciśnienia moc na wale też spada o połowę. Koncepcja najlepiej pasuje do niskich parametrów i dużych przepływów, czyli dokładnie do pomp ciepła.

Co się dzieje, gdy głowica przymyka zawór

W pierwszych szacunkach padło stwierdzenie, że przy 50% przepływu wentylator staje, bo moc turbiny spada ośmiokrotnie. To nieprawda.

• Przy stałej geometrii turbiny spadek ciśnienia rośnie z kwadratem przepływu, więc dostępna moc spada mniej więcej z sześcianem przepływu.
• Ale zapotrzebowanie wentylatora też spada z sześcianem obrotów (prawa podobieństwa wentylatorów).
• Obie strony skalują się tak samo, więc obroty spadają mniej więcej proporcjonalnie do przepływu. Przy połowie przepływu wentylator kręci się z mniej więcej połową prędkości, ciszej i łagodniej.

Wentylator staje dopiero wtedy, gdy moment turbiny nie pokonuje tarcia statycznego: oporu rozruchowego łożysk, momentu zaczepowego sprzęgła i przecieków szczelinowych przy bardzo małym przepływie. Ten próg zależy od konstrukcji i trzeba go wyznaczyć na prototypie. Poniżej progu grzejnik pracuje dalej jako zwykły grzejnik konwekcyjny, czyli najgorsze, co może się stać, to powrót do stanu dzisiejszego.

Daje to naturalną samoregulację bez elektroniki:

• Zimno w pokoju: głowica otwiera zawór, przepływ rośnie, wentylator przyspiesza, pokój szybko się dogrzewa.
• Temperatura osiągnięta: głowica przymyka zawór, obroty spadają proporcjonalnie, a na końcu zostaje cicha konwekcja naturalna.

Klimakonwektor: bilans się domyka, ale ciasno

Włożenie turbiny do klasycznego klimakonwektora 1:1 nie ma sensu. Gęsty wymiennik (lamele co ok. 1,8 mm) z filtrem włókninowym stawia opór rzędu 25–40 Pa i potrzebuje kilku do kilkunastu watów na wentylatorze. Ułamek wata z wody go nie ruszy.

Trzeba przeprojektować wymiennik w stronę belki chłodniczej: lamele co 4–5 mm, więcej miedzi, opór powietrza rzędu 2–4 Pa.

Z bilansu wychodzi prosta reguła kciuka. Przy typowych różnicach temperatur (woda ok. 3 K, powietrze ok. 6 K) objętościowy strumień powietrza jest ok. 1700 razy większy od strumienia wody. Przy łącznej sprawności łańcucha turbina–sprzęgło–wentylator rzędu 15–20% wychodzi:

ok. 10 kPa spadku na turbinie na każdy 1 Pa oporu po stronie powietrza.

Przy 3 Pa daje to ok. 30 kPa, czyli górną granicę tego, co typowo dławi się na zaworach. Bilans się zamyka, ale bez zapasu. Każdy dodatkowy paskal (gęstsza siatka, kurz, skropliny między lamelami) trzeba opłacić kolejnymi kilopaskalami po stronie wody.

Przykład modułu: 150 m³/h powietrza przy 3 Pa i sprawności wirnika 50% wymaga ok. 0,25 W na wale. 50% to założenie optymistyczne dla małego wentylatora walcowego, realnie może być mniej. Taki strumień przy schłodzeniu powietrza o ok. 6 K daje rzędu 300 W chłodu jawnego. Większą moc uzyskamy dłuższym urządzeniem albo kilkoma modułami, a nie mocniejszym wentylatorem.

Co zyskujemy: wymuszony przepływ 0,8–1,0 m/s zamiast konwekcyjnych ok. 0,15 m/s podnosi współczynnik przejmowania ciepła po stronie powietrza kilkukrotnie (z ok. 10 do kilkudziesięciu W/(m²·K)). Z tej samej miedzi dostajemy więc wyraźnie więcej mocy niż z pasywnej belki.

Niskooporowy klimakonwektor 4-rurowy

Dwa tryby chłodzenia

• Chłodzenie suche 16/19°C (większość lata): pracujemy powyżej punktu rosy, wymiennik jest suchy. Źródło chłodu pracuje na wyższej temperaturze wody, więc jego EER jest wyraźnie wyższy niż przy 7/12°C (rzędu 20–30%, zależnie od urządzenia). Można też korzystać z free coolingu z gruntu. Ruch powietrza w strefie przebywania dodatkowo obniża temperaturę odczuwalną (ok. 1 K przy 0,3 m/s).
• Osuszanie 12/16°C (parne dni): gdy punkt rosy przekracza ok. 15°C, obniżamy temperaturę wody i odbieramy wilgoć do tacy ociekowej z grawitacyjnym odpływem. Na pompkę skroplin nie ma budżetu mocy.

Szeroki rozstaw lamel pomaga też przy skroplinach. Długość kapilarna wody to ok. 2,7 mm. Przy lamelach co 1,8 mm krople łączą się w błony między blaszkami i opór powietrza rośnie mniej więcej dwukrotnie. Przy 4–5 mm i powłoce hydrofilowej skropliny spływają cienkim filmem.

Zamiast gęstego filtra włókninowego (+10–15 Pa, poza budżetem) stosujemy rzadką siatkę zatrzymującą kłęby kurzu i włókna, z oporem poniżej 1 Pa. Szeroki rozstaw lamel pozwala łatwo odkurzyć wymiennik.

Jeden wymiennik, zawór 6-drogowy

Zamiast dwóch wymienników (które podwajają opór powietrza i przez pół roku są martwym balastem) układ 4-rurowy spinamy na jednym przewymiarowanym wymienniku przez zawór 6-drogowy. Wystarcza wtedy jedna turbina na wspólnej gałęzi.

Grzanie 28/25°C ──► [ZAWÓR 6-DROGOWY] ◄── Chłodzenie 16/19°C lub 12/16°C
                           │
                 [Filtr magnetytowy]
                           │
                 [Kierownica kv + mikroturbina]
                           │
            [Element termoczuły kierownicy powietrza]
                           │
              [Jeden wymiennik Cu/Al, lamele 4–5 mm]

Duża powierzchnia zaprojektowana pod chłodzenie pozwala zimą grzać bardzo niskim parametrem, ok. 28/25°C. Przy takiej temperaturze zasilania pompa ciepła pracuje z wysokim COP. W sprzyjających warunkach (np. źródło gruntowe) może to być rząd 5–6.

Symetria temperatur: różnica między powrotem grzania (25°C) a powrotem chłodzenia (18–19°C) to tylko kilka kelwinów. W klasycznym układzie 45/35 i 7/12°C to ponad 20 K, a przy 55/45°C ponad 30 K. Do tego strefa martwa w sterowaniu (histereza i 15–30 minut przerwy przed przełączeniem): stojąca woda w wymienniku zbliża się do temperatury pokoju i do powrotu wody lodowej nie trafia ciepły zład. Straty mieszania są pomijalne.

Uwaga praktyczna: klasyczne kulowe zawory 6-drogowe mają duży moment oporu uszczelnień i siłowniki pobierają kilka watów. Przy zasilaniu z energii wody lepiej sprawdzi się zawór odciążony ciśnieniowo (suwakowy lub grzybkowy) z blokadą jednoczesnego otwarcia obu obiegów.

Kierownica powietrza bez silnika

Przy niskiej prędkości nawiewu (ok. 0,8–1,2 m/s) dużą rolę gra wypór termiczny. Kierownicę powietrza przestawia element termoczuły na rurze za zaworem 6-drogowym (kapsułka woskowa albo sprężyna z Nitinolu), połączony cięgnem z żaluzją:

• Chłodzenie (woda poniżej ok. 19°C): kierownica ustawia się poziomo. Chłodne powietrze dzięki efektowi Coandy ślizga się po suficie w głąb pokoju i opada łagodnie, bez przeciągu na karku.
• Grzanie (woda powyżej ok. 25°C): wosk się rozszerza i przestawia kierownicę w dół o 45–60°. Ciepłe powietrze trafia w strefę przebywania ludzi zamiast uciekać pod sufit.

Działa to bez prądu, czujników i silnika krokowego.

Wersja z buforem energii (opis niżej) może mieć kierownicę opcjonalnie zasilaną z baterii: mały siłownik albo mikroserwo zamiast kapsułki lub obok niej. Wosk reaguje na temperaturę wody z opóźnieniem kilku minut i zna tylko dwa położenia. Siłownik ustawi kierownicę od razu po przełączeniu trybu, w dowolnym kącie, według harmonogramu, obecności ludzi albo polecenia z BMS. Koszt energii jest pomijalny: ruch rzędu 0,5 W przez 2 s to ok. 0,3 mWh, czyli kilka przestawień na dobę mieści się w ułamku dobowego budżetu czuwania. Kapsułka woskowa zostaje jako zabezpieczenie: przy pustej baterii kierownica i tak ustawi się sama.

Opcja: bufor energii i LoRaWAN do BMS

Żeby przestawić zawór po tygodniach bez przepływu i utrzymać łączność z BMS, można dodać mały bufor energii:

• Sprzęgło jako prądnica: płaska cewka stojana na zewnątrz przegrody odbiera z wirujących magnesów rzędu 20–40 mW podczas przepływu. To ok. 10% budżetu wału, więc trzeba to uwzględnić w bilansie, a nie traktować jako darmowe.
• Ogniwo LiFePO4 14500 (ok. 600 mAh, 3,2 V, ok. 1,9 Wh) albo kondensator litowo-jonowy (LIC). Oba są znacznie bezpieczniejsze termicznie i trwalsze w płytkich cyklach niż zwykłe Li-Ion.
• Opcjonalnie siłownik kierownicy powietrza z tego samego bufora (ok. 0,3 mWh na przestawienie), z kapsułką woskową jako rezerwą.
• Lokalna pętla PI + LoRaWAN klasy A (868 MHz): urządzenie budzi się co 5–10 minut, wysyła temperaturę i wilgotność, odbiera ewentualną nową nastawę. Średni pobór rzędu 0,15 mW (ok. 3,6 mWh na dobę) daje teoretycznie ponad rok czuwania bez przepływu, przed uwzględnieniem samorozładowania. Jedno przestawienie zaworu (1,5 W przez 20 s) kosztuje ok. 8 mWh.

Ładujemy tylko podczas normalnej pracy grzania lub chłodzenia. Tu kolejna poprawka do pierwszej wersji: pisałem o ładowaniu baterii, „kiedy klimakonwektor nie pracuje, a mamy przepływ wody”. Przepuszczanie wody tylko po to, żeby naładować baterię, przegrzewa lub wychładza pokój i psuje temperaturę powrotu w całym budynku.

Zestawienie z klasycznymi rozwiązaniami

Parametr	Klasyczny FCU 4-rurowy	Belka pasywna	Belka aktywna (indukcyjna)	Hydroaktywny FCU (ta koncepcja)
Chłodzenie	7/12°C	15/18°C	15/18°C	16/19°C sucho / 12/16°C osuszanie
Grzanie	45/35 lub 55/45°C	brak lub 35/30°C	35/30°C	ok. 28/25°C, ten sam wymiennik
Opór powietrza	25–40 Pa	poniżej 1 Pa	2–5 Pa	2–4 Pa (lamele 4–5 mm)
Zasilanie 230 V w pokoju	tak, kilkanaście–kilkadziesiąt W	nie	nie (spręż z centrali)	nie (ułamek wata z przepływu wody)
Komunikacja z BMS	przewodowa	przewodowa do siłownika	przewodowa do siłownika	opcjonalnie LoRaWAN z buforem
Kierownica powietrza	ręczna lub silnik	brak	stałe dysze	termomechaniczna (wosk/Nitinol)
Skropliny	taca + często pompka	niedopuszczalne	niedopuszczalne	taca grawitacyjna w trybie osuszania

Plusy i minusy

Plusy

• Pompa ciepła bez wymiany grzejników. Wymuszony ruch powietrza pomaga utrzymać moc przy obniżonej krzywej grzewczej, bez kucia i bez większych grzejników.
• Zero okablowania w pomieszczeniu. Nie trzeba ciągnąć 230 V, zasilacza ani sterowania do każdego urządzenia.
• Odzysk energii, która i tak jest tracona. Turbina zastępuje dławik zaworu, a nie dokłada się do niego.
• Samoregulacja. Obroty idą za przepływem, a przepływem steruje zwykła głowica termostatyczna.
• Szczelność. Sprzęgło magnetyczne, brak uszczelnień ruchomych.
• Bezpieczna awaria. Gdy wentylator stanie, zostaje zwykły grzejnik albo belka.
• Pompa gruntowa i powietrzna. Niższe zasilanie zimą, wyższy parametr chłodzenia latem. Przy gruncie znacznie dłuższy free cooling z dolnego źródła i regeneracja sond.
• Upgrade istniejących belek. Belka pasywna staje się aktywną bez kanałów i kabla, z mocą szacunkowo 2–3 razy większą i z możliwością grzania.
• Jeden wymiennik na grzanie i chłodzenie przy bardzo niskim i wysokim parametrze, czyli dobre warunki pracy źródła.

Minusy i ryzyka

• Bardzo mały budżet mocy. Ułamek wata wyklucza filtry włókninowe, pompki skroplin i gęste wymienniki. Konstrukcja musi być od początku projektowana pod niski opór.
• Ciasny bilans w klimakonwektorze. Ok. 10 kPa na 1 Pa powietrza, przy 3 Pa to już górna granica typowego dławienia.
• Potrzebny nadmiar ciśnienia. Na obiegu krytycznym (najdalszy odbiornik) turbina byłaby dodatkowym oporem.
• Próg rozruchu. Przy bardzo małym przepływie tarcie statyczne zatrzyma wentylator. Wartość progu trzeba zmierzyć.
• Czystość wody. Filtr magnetytowy jest obowiązkowy i wymaga okresowego czyszczenia.
• Materiały. Przegroda tylko z dielektryka. Aluminium i stal nierdzewna przy magnesach odpadają.
• Przeniesienie napędu na szerokość grzejnika. Rura wchodzi punktowo, a grzejnik ma 60–140 cm. Najlepiej sprawdzi się długi wentylator walcowy wzdłuż dolnej krawędzi. Alternatywa: mikroprądnica i kilka małych wentylatorów BLDC (wtedy wraca elektronika).
• Etap koncepcji. Liczby powyżej to obliczenia rzędu wielkości. Sprawności turbiny i wirnika w tej skali trzeba potwierdzić na prototypie.

Zastosowania

Modernizacja pod pompy ciepła

Największy i najprostszy rynek: wariant grzejnikowy bez elektroniki, z głowicą termostatyczną. Pozwala obniżyć temperaturę zasilania (np. z 55°C do ok. 40–42°C), a w wielu pomieszczeniach zostawić istniejące grzejniki. Najlepiej działa tam, gdzie zawory dławią dziś najwięcej, czyli bliżej pompy. Uzupełnia to typową ścieżkę modernizacji: równoważenie hydrauliczne, obniżenie krzywej, dopiero potem decyzje o wymianie odbiorników.

Koncepcja dobrze pasuje do obu typowych źródeł, gruntowego i powietrznego, bo z obu stron działa ten sam mechanizm: wymuszony ruch powietrza pozwala odbiornikowi oddać tę samą moc przy wodzie bliższej temperaturze pokoju. Zimą to niższe zasilanie, latem wyższa temperatura wody lodowej. Jedno i drugie podnosi sprawność źródła.

Starszy dom jednorodzinny: pompa ciepła bez podłogówki

W starszym domu z grzejnikami liczonymi na 70/55°C pompa ciepła zwykle rozbija się o jedno: przy 40–45°C grzejniki nie dają rady, a podłogówka oznacza kucie posadzek i remont całego parteru. Tu wystarczy najprostszy wariant mechaniczny: grzejnik plus prosty wentylator walcowy wzdłuż dolnej krawędzi, napędzany turbiną na zaworze. Bez elektroniki, bez kabla, bez gniazdka pod oknem. Montaż sprowadza się do wymiany wkładki zaworu i dołożenia listwy z wentylatorem, czyli roboty hydraulika na jedno popołudnie, a nie elektryka i ekipy od posadzek.

Rząd wielkości: moc grzejnika rośnie mniej więcej z potęgą 1,3 różnicy temperatur woda–pokój. Jeśli wymuszony nadmuch podniesie ją o ok. 30% przy tej samej wodzie, tę samą moc dostaniemy przy różnicy temperatur mniejszej o ok. 18%. Przy grzejniku pracującym dziś na średnio 60°C w pokoju 20°C to zejście o ok. 7 K na zasilaniu. Popularna reguła kciuka mówi o 2–3% lepszego SCOP pompy na każdy kelwin niżej, więc w sumie rzędu kilkunastu procent mniej prądu w sezonie, bez ruszania podłóg. Ile dokładnie da nadmuch na konkretnym grzejniku, trzeba zmierzyć na prototypie. Kolejność się nie zmienia: najpierw policzone straty ciepła i najsłabsze pomieszczenie, które wyznacza krzywą grzewczą. Wentylator dokładamy tam, gdzie grzejnik jest za mały, nie wszędzie.

To szansa na łatwe i ekonomiczne przejście z kotła na pompę ciepła w domach, w których do tej pory jedyną uczciwą odpowiedzią było „najpierw podłogówka albo wymiana wszystkich grzejników”.

Pompa gruntowa: znacznie dłuższy free cooling z dolnego źródła

Pompa gruntowa ma w sondach darmowy chłód: latem glikol z dolnego źródła przechodzi przez wymiennik do instalacji i chłodzi budynek bez sprężarki, kosztem samych pomp obiegowych. Klasyczny klimakonwektor na 7/12°C z tego nie skorzysta, bo grunt nie daje 7°C. Niskooporowy klimakonwektor albo belka na 16/19°C potrzebuje wody ok. 16°C, czyli po stronie sond ok. 13–14°C (z zapasem na wymiennik). Grunt na głębokości sond ma zwykle ok. 8–12°C. Odbiór ciepła latem stopniowo go ogrzewa, ale przy wysokim parametrze free cooling może pracować znacznie dłużej w sezonie, zanim trzeba włączyć sprężarkę, a w budynkach o umiarkowanych zyskach ciepła nawet przez całe lato. W parne dni, przy osuszaniu na 12/16°C, i tak wchodzi sprężarka.

Bonus: ciepło oddane latem do gruntu regeneruje pole sond przed zimą, więc pompa startuje w sezon grzewczy z cieplejszym dolnym źródłem. Ile dni free coolingu da się uzyskać, zależy od pola sond, gruntu i obciążenia. To trzeba policzyć dla konkretnego obiektu, ale kierunek jest jednoznaczny.

Przy pompie powietrznej free coolingu nie ma, ale reguła jest ta sama: chłodzenie na 16/19°C zamiast 7/12°C podnosi EER, a grzanie na niższym zasilaniu podnosi COP właśnie w mrozy, kiedy pompa powietrzna ma najtrudniej.

Upgrade belek grzewczo-chłodzących

Belka pasywna ma najniższy opór powietrza ze wszystkich odbiorników (poniżej 1 Pa), ale też najmniejszą moc: ruch powietrza wymusza tylko grawitacja, ok. 0,15 m/s. Belka aktywna (indukcyjna) jest mocniejsza, ale potrzebuje powietrza pierwotnego z centrali, czyli kanałów i spręża. Dołożenie turbiny i wentylatora walcowego robi z belki pasywnej belkę aktywną bez kanałów i bez kabla: wymuszony przepływ 0,8–1,0 m/s podnosi współczynnik przejmowania ciepła kilkukrotnie, a moc z tej samej belki rośnie szacunkowo 2–3 razy (do potwierdzenia pomiarem).

Energetycznie to najwygodniejszy przypadek w całej koncepcji. Przy oporze rzędu 1 Pa potrzeba ok. 10 kPa na turbinie, a więc wyraźnie poniżej typowego zapasu dławienia, nie na jego granicy jak w klimakonwektorze. Do tego dochodzi grzanie. Belka pasywna grzeje słabo, bo ciepłe powietrze zostaje pod sufitem. Wentylator z termomechaniczną kierownicą skierowaną w dół zimą pozwala grzać tym samym wymiennikiem. Ograniczenie zostaje to samo co w każdej belce: chłodzimy wyłącznie na sucho, powyżej punktu rosy, bo belka nie ma tacy na skropliny.

W istniejących biurach to modernizacja bez rozbierania sufitów i bez nowych kanałów: większa moc chłodnicza z tych samych belek, a przy pompie gruntowej z dłuższym free coolingiem.

Chłodzenie wysokim parametrem

Niskooporowy klimakonwektor na 16/19°C łączy komfort i wydajność belki chłodniczej z możliwością osuszania i grzania tym samym wymiennikiem. Pasuje do biur i budynków po termomodernizacji, zwłaszcza tam, gdzie jest free cooling z gruntu albo gdzie prowadzenie kabli do każdego urządzenia jest drogie.

Strefy zagrożone wybuchem (ATEX)

W strefie Ex wariant czysto hydrauliczny nie wnosi do strefy żadnych elementów elektrycznych: do pomieszczenia wchodzą tylko rury z wodą, a pompa i elektryka stoją poza strefą. Elektryczne źródła zapłonu znikają, a z nimi kosztowne wykonanie przeciwwybuchowe silników i okablowania. Nie znaczy to, że certyfikacja znika całkowicie. Wirujący wentylator i łożyska to potencjalne nieelektryczne źródła zapłonu (tarcie, przegrzanie, elektryczność statyczna), które ocenia się według norm dla urządzeń nieelektrycznych. Wariant z buforem i LoRaWAN wprowadza elektronikę z powrotem, więc do stref Ex nadaje się tylko po spełnieniu wymagań dla urządzeń elektrycznych.

To też jedyne miejsce, gdzie ma sens własna pompa obiegowa tylko do napędu wentylatorów. Poza strefą Ex taki łańcuch (prąd → pompa → rura → turbina → sprzęgło → wentylator) ma sprawność rzędu kilkunastu procent. Skoro przy urządzeniu i tak jest 230 V dla pompy, lepiej zasilić wentylator bezpośrednio.

Pomieszczenia mokre

Brak napięcia przy urządzeniu upraszcza też montaż w pomieszczeniach mokrych i tam, gdzie doprowadzenie elektryki jest kłopotliwe.

Podsumowanie

Woda w instalacji niesie więcej, niż dziś wykorzystujemy. W grzejniku przy pompie ciepła turbina na miejscu dławika daje wystarczająco mocy, żeby wspomóc konwekcję. Bilans jest tam realny, a układ reguluje się sam. W klimakonwektorze bilans też się domyka, ale tylko przy wymienniku przeprojektowanym na opór kilku paskali i przy pełnym wykorzystaniu typowego zapasu ciśnienia. Dlatego tam liczy się każdy paskal.

Najwięcej daje tam, gdzie zmienia decyzję inwestycyjną: w starszym domu jednorodzinnym, który dzięki prostemu nadmuchowi przy grzejnikach może przejść na pompę ciepła bez podłogówki, i w biurze z belkami, które bez nowych kanałów i kabli zyskują moc, grzanie i dłuższy free cooling z gruntu.

Następny krok to prototyp i pomiary: sprawność mikroturbiny, próg rozruchu, przyrost mocy grzejnika przy 35–40°C. Wyniki opiszę w kolejnym artykule.

Koncepcja: moja autorska innowacja, wyrosła z kilkunastu lat doświadczeń z kilkuset obiektami. Pierwsza wersja: Bezprzewodowy wentylator w grzejniku i klimakonwektorze.