Wentylacja w budynkach pasywnych

Budynek pasywny jest budynkiem, wewnątrz którego komfort cieplny może być osiągnięty bez udziału systemów grzewczych lub klimatyzacyjnych – dom ogrzewa i chłodzi się wyłącznie pasywnie (Adamson 1987 i Feist 1988). Warunkowane jest to niskim rocznym zapotrzebowaniem na ciepło do ogrzania budynku mniejszym 20 kWh/(m2 rok) (w Niemczech 15 kWh/(m2 rok).

Taka wartość zapotrzebowania na ciepło wynika z zastosowania bardzo dobrze zaizolowanych przegród zewnętrznych, specjalnej konstrukcji okien oraz wysoko sprawnej mechanicznej wentylacji.

Niezbędnym elementem każdego budynku pasywnego, pozwalającym na znaczne ograniczenie strat ciepła, jest mechaniczna wentylacja nawiewno-wywiewna dostosowująca swoją wydajność do aktualnego zapotrzebowania na świeże powietrze. Najważniejszym elementem instalacji wentylacyjnej jest wysoko-sprawny wymiennik ciepła, w którym powietrzu nawiewanemu zostaje przekazana duża część ciepła odzyskana z powietrza wywiewanego. Wymiennik ten powinien charakteryzować się wysoką sprawnością powyżej 80 % i niskim zużyciem energii elektrycznej. Powietrze zewnętrzne można doprowadzać do budynku poprzez wymiennik gruntowy, w którym podgrzewa się ono w czasie zimy i chodzi latem.

Wentylacja nawiewno-wywiewna budynku pasywnego ma charakter ukierunkowany. Świeże powietrze zostaje doprowadzone bezpośrednio do przestrzeni wspólnej z jadalnią i sypialni. W pomieszczeniach tych znajduję się każdorazowo, co najmniej jedna kratka nawiewna. Powietrze usuwane jest z kuchni, łazienek i sypialni na piętrze, w których umieszczone są kratki wywiewne. Dzięki temu w mieszkaniu ma miejsce ukierunkowany przepływ powietrza: świeże powietrze dociera najpierw do głównych pomieszczeń mieszkalnych. Przepływa ono następnie poprzez strefę pośrednią do pomieszczeń wilgotnych, w których panuje relatywnie wysoka krotność wymian, co umożliwia np. szybkie wysychanie mokrych ręczników. Dzięki zasadzie ukierunkowanego przepływu świeże powietrze zostaje wykorzystane w optymalny sposób.

Budynki pasywne charakteryzuje bardzo niskie zapotrzebowania na ciepło dlatego można je ogrzewać przy wykorzystaniu ogrzewania powietrznego. Podgrzewając świeże powietrze nawiewane do pomieszczeń dziennych, biurowych, dziecinnych i sypialni, można doprowadzić ciepło potrzebne do ich ogrzania. Typowe centrale wentylacyjne wykorzystują do podgrzania powietrza nagrzewnice elektryczne. Ich lokalizacja zależy od pełnionej funkcji. Nagrzewnice wstępne są umieszczane przed wymiennikiem krzyżowym i chronią go przed niebezpieczeństwem szronienia. Nagrzewnice właściwe zlokalizowane są za wymiennikiem krzyżowym. Zastosowanie nagrzewnicy o mocy 3 – 5 kW może w pełni pokryć zapotrzebowanie budynku pasywnego na ciepło.

Często spotykanym rozwiązaniem są również tzw. urządzenia kompaktowe, które pełnią jednocześnie rolę centrali wentylacyjnej, instalacji grzewczej oraz odpowiadają za przygotowanie ciepłej wody użytkowej. Ich konstrukcja jest oparta o pompę ciepła, która wykorzystuje pozostałe w powietrzu wywiewnym z budynku ciepło do ogrzania c.w.u.. Urządzenia kompaktowe mogą korzystać z odnawialnych źródeł energii np. dzięki współpracy z kolektorami słonecznymi.

Centrala wentylacyjna z odzyskiem ciepła

Głównym elementem instalacji wentylacyjnej budynku pasywnego jest wysoko-sprawny wymiennik ciepła, zwany też rekuperatorem, w który zachodzi odzyskanie ciepła z usuwanego, zużytego powietrza. Brak odzysku spowodowałby, że strata ciepła na wentylację wyniosłaby od 20 do 30 kWh/(m2 rok), czyli więcej niż całkowite zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku.

Nowoczesne wymienniki pozwalają na odzyskanie od 65 % do 95 % ciepła z usuwanego powietrza. Zapewniają jednocześnie szczelne oddzielenie strumienia powietrza usuwanego od nawiewanego, zużywają niewiele energii elektrycznej i charakteryzują się cichą pracą. Dzięki wysokiej sprawności odzysku ciepła, straty ciepła na wentylację są małe, co jest warunkiem koniecznym dla prawidłowego funkcjonowania budynku pasywnego.

Wysoka efektywność wymiennika pozwala równocześnie na ogrzanie powietrza nawiewanego do temperatury zbliżonej do temperatury powietrza wewnętrznego. Dzięki temu nawiewane powietrze nie jest już „zimne“. Daje to możliwość, razem z wysoką izolacyjnością przegród zewnętrznych i okien, zapewnienia użytkownikom budynku wysokiego komfortu cieplnego.

Stosowane w budynkach pasywnych wymienniki powinny charakteryzować się sprawnością odzysku ciepła, 80 % i niskim poborem mocy elektrycznej. Pozostałe parametry techniczne takie jak, wymagany spręż dyspozycyjny oraz wydatek określa się na podstawie punktu pracy instalacji.

Oblicza się go przyjmując maksymalną ilość powietrza wentylacyjnego, Vn m3/h oraz obliczeniowe całkowitych straty ciśnienia, pc Pa (całkowita strata ciśnienia dla instalacji nawiewnej powinna być równa stracie instalacji wywiewnej przy uwzględnieniu strat w gruntowym wymienniku ciepła). Ze względu na ewentualne nieszczelności układu oraz niedokładność oszacowania strat ciśnienia, zaleca się podwyższenie obu wielkości przeciętnie o od 5 do 10 %. Uzyskany punkt pracy przenosi się na wykres charakterystyk pracy wymiennika co pozwala na wyznaczenie wymaganej prędkości obrotowej wentylatorów, 1/s i poboru mocy elektrycznej, N kW.

Gruntowy wymiennik ciepła

Jednym z elementów instalacji wentylacyjnej budynku pasywnego jest gruntowy wymiennik ciepła. Świeże powietrze dopływające do pomieszczeń jest w nim wstępnie podgrzewane w zimie i chłodzone w lecie.

Ze względu na akumulację ciepła w otaczającym gruncie, wymiana ciepła w wymienniku gruntowym ma charakter nieustalony. Dodatkowym zadaniem przy obliczaniu wymienników gruntowych jest właściwe ujęcie trójwymiarowej wymiany ciepła w gruncie. W literaturze opisywanych jest kilka modeli fizycznych wymiennika gruntowego. Większość autorów rozważa jednowymiarowy przepływ ciepła – albo w kierunku promieniowym od powierzchni rury, albo w kierunku prostopadłym do powierzchni Ziemi.

Przygotowanie powietrza wentylacyjnego

Zadaniem mechanicznej wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła jest doprowadzenie powietrza zewnętrznego do pokojów mieszkalnych i usunięcie powietrza zużytego powietrza wewnętrznego. Dążenie do jak największego ograniczenia strat ciepła, wykluczona bezpośrednie nawiewanie świeżego, zimnego powietrza. Proces przygotowania powietrza wentylacyjnego ma na celu jego ogrzanie i/lub stabilizację jego wilgotności.

W omawianej instalacji podgrzewanie powietrza nawiewanego jest dwuetapowe. Składa się z wstępnego ogrzania w wymienniku gruntowym i właściwego w wymienniku krzyżowym. Proces ten przebiega przy stałej wilgotności bezwzględnej powietrza nawiewanego. Ochładzanie powietrza wywiewanego może powodować wykroplenie zawartej w nim pary wodnej. W przypadku wykroplenia obok ciepła jawnego powietrza wywiewanego odzyskiwane jest również ciepło utajone zawarte w parze wodnej. Przy czym oba strumienie powietrza są od siebie szczelnie oddzielone, a powstające skropliny nie powodują zwiększenia wilgotności względnej powietrza nawiewanego. W wymienniku krzyżowym zachodzi proces wymiany energii bez wymiany masy.

W celu przedstawienia procesów towarzyszących przygotowaniu powietrza wentylacyjnego na wykresie i–x Mollliera konieczne jest określenie parametrów jego punktów charakterystycznych. Temperaturę powietrza nawiewanego za rekuperatorem można obliczyć wykorzystując wzór na sprawność temperaturową odzysku ciepła:

W celu przedstawienia procesów towarzyszących przygotowaniu powietrza wentylacyjnego na wykresie i–x Mollliera konieczne jest określenie parametrów jego punktów charakterystycznych. Temperaturę powietrza nawiewanego za rekuperatorem można obliczać wykorzystując wzór na sprawność temperaturową odzysku ciepła:

W przypadku, gdy temperatura powietrza nawiewanego za wymiennikiem gruntowym jest niższa od temperatury punktu rosy powietrza usuwanego z budynku, na powierzchniach wymiennika krzyżowego dochodzi do wykroplenia pary wodnej.

Wilgoć ta w zetknięciu z powietrzem, którego temperatura jest niższa od zera powoduje szronienie rekuperatora. Jest to zjawisko niekorzystne powodujące spadek sprawności odzysku ciepła i wzrost oporów przepływu przez wymiennik krzyżowy. Zastosowanie wstępnego podgrzania nawiewanego powietrza zewnętrznego w wymienniku gruntowym zapobiega szronieniu rekuperatora. Dzięki temu nawet dla warunków obliczeniowych temperatura powietrza przed wymiennikiem rekuperatora nie spada poniżej zera.

Wykorzystanie w instalacji wentylacyjnej gruntowego wymiennika ciepła pozwala nie tylko na ogrzanie powietrza wentylacyjnego w zimie, ale również na jego schłodzenie w okresie lata. Jest to efekt zbliżony do uzyskiwanego w instalacjach klimatyzacyjnych. Powietrze nawiewane może być schłodzone w gruntowym wymienniku ciepła nawet o 15 K. Procesowi temu może towarzyszyć wykroplenie się zawartej w powietrzu nawiewanym pary wodnej, czego konsekwencją będzie zmiana wilgotności bezwzględnej powietrza wentylacyjnego. Powstające skropliny muszą być odprowadzane z wymiennika, gdyż obecność wody może sprzyjać rozwojowi mikroorganizmów i pogorszeniu jakości powietrza nawiewanego. Aby umożliwić swobodny spływ skroplin gruntowy wymiennik ciepła musi być ułożony ze spadkiem.

Wentylacja nawiewno-wywiewna - eksploatacja

Wykorzystanie możliwości mechanicznej wentylacja nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła i wstępnym podgrzaniem powietrza zewnętrznego w wymienniku gruntowym, jest możliwe tylko przy prawidłowej eksploatacji. Niewłaściwe użytkowanie może doprowadzić do zmniejszenia oszczędności energetycznych, a nawet spowodować zwiększenie zapotrzebowania na energię elektryczną oraz skrócenie żywotności jej poszczególnych elementów. Aby do tego nie dopuścić należy uzależnić sposób użytkowania instalacji od temperatury powietrza zewnętrznego, która decyduje o sposobie eksploatacji układu wymiennik krzyżowy – wymiennik gruntowy.

Na podstawie przedstawionego na Rys.5 przykładowego wykresu eksploatacyjnego mechanicznej wentylacji nawiewno-wywiewna z odzyskiem ciepła i wstępnym podgrzaniem powietrza zewnętrznego w wymienniku gruntowym, można wyróżnić następujące okresy eksploatacyjne:

   * te poniżej 8 oC - powietrze zewnętrzne przepływa przez wymiennik gruntowy podgrzewa się, a następnie w wymienniku krzyżowym odbiera ciepło od powietrza usuwanego; temperatura powietrza nawiewanego do pomieszczeń jest niższa od temperatury wewnętrznej; eksploatowane są oba urządzenia (wymiennik gruntowy i wymiennik krzyżowy).

   * te (8 ; 20) oC - wymiennik gruntowy nie jest eksploatowany; powietrze zewnętrzne dopływa bezpośrednio do rekuperatora, gdzie odbiera ciepło od powietrza usuwanego w wymienniku krzyżowym; temperatura powietrza nawiewanego do pomieszczeń jest nieznacznie niższa od temperatury wewnętrznej.

   * te (20; 24) oC - wymiennik gruntowy nie jest eksploatowany; od temperatury 20 oC wymiennik krzyżowy pracuje w ustawieniu letnim; powietrze nawiewne do pomieszczeń ma temperaturę powietrza zewnętrznego.

   * te od 24 oC - powietrze zewnętrzne przepływa przez wymiennik gruntowy, gdzie się ochładza; następnie dociera do pomieszczeń mija ąc wymiennik krzyżowy; temperatura powietrza nawiewanego jest niższa od temperatury powietrza zewnętrznego; instalacja wentylacyjna pełni rolę „taniej klimatyzacji”.

Oszacowanie efektów energetycznych

Maksymalną ilość ciepła możliwą do uzyskania z gruntu i odzyskania w rekuperartorze w okresie zimy oraz maksymalną ilość chłodu możliwą do uzyskania z gruntu w okresie lata oszacowano na podstawie następującego wzoru:

Oszacowania energii możliwej do uzyskania z gruntu i odzyskania w wymienniku rekuperatora niezbędne są godzinowe dane pogodowe. Niestety, w Polsce brak jest odpowiednich norm dla wentylacji zawierających wartości entalpiogodzin dla poszczególnych stref klimatycznych kraju. Fakt ten spowodował konieczność opracowania takich danych na potrzeby obliczeń.

Wykorzystano w tym celu dane pogodowe dla standardowego roku uzyskane z stacji meteorologicznej Warszawa-Okęcie. Do obliczeń przyjęto średnią wilgotność względną dla danej temperatury zewnętrznej oraz częstość jej występowania w czasie roku. Na tej podstawie określono entalpię powietrza zewnętrznego oraz liczbę entalpio-godzin dla poszczególnych miesięcy i roku. Wyniki obliczeń przedstawiono na wykresach.

Uzyskane wartości entalpii powietrza dla danej temperatury zewnętrznej oraz zależności przedstawione na wykresie eksploatacyjnym pozwoliły na obliczenie wartości entalpii powietrza wentylacyjnego dla poszczególnych przemian. Przebieg zmienności entalpii został przedstawiony na entalpowym wykresie eksploatacyjnym.

Entalpowy wykres eksploatacyjny oraz częstość występowania poszczególnych wartości entalpii powietrza zewnętrznego w czasie roku wykorzystano do oszacowania maksymalnej ilości ciepła i chłodu możliwych do uzyskania z gruntu oraz odzyskania w wymienniku rekuperatora.

Do obliczeń przyjęto następujące założenia:

   * gruntowy wymiennik ciepła jest eksploatowany w sezonie grzewczym do

     te = 8 ^oC,

   * wymiennik krzyżowy jest eksploatowany w sezonie grzewczym do te = 17 oC,

   * instalacja wentylacyjna pracuje w sposób ciągły.

Maksymalna temperatura eksploatacji wymiennika krzyżowego wynika z faktu, że entalpia powietrza zewnętrznego dla temperatury 18 oC jest większa od entalpii powietrza wewnętrznego.

W konsekwencji przeprowadzonych obliczeń otrzymano następujące wyniki:

   * maksymalna ilość ciepła możliwa do uzyskania z gruntowego wymiennika ciepła 3 207 kWh/rok,

   * maksymalna ilość ciepła możliwa do odzyskania w rekuperatorze 7 354 kWh/rok, maksymalna ilość chłodu możliwa do uzyskania z gruntowego wymiennika ciepła 235 kWh/rok.

Rzeczywistą ilość energii, którą można uzyskać z gruntowego wymiennika ciepła i odzyskać w rekuperatorze będzie mniejsza o wartości maksymalnej. Wynika to z faktu, że instalacja wentylacyjna nie działa w sposób ciągły. W konsekwencji zmianie ulegną wartości entalpiogodzin dla poszczególnych miesięcy oraz roku. Nowe wartości obliczono dla następujących założeń:

   * suma częstości występowania entalpii dla danego miesiąca musi być mniejsza bądź równa całkowitemu czasowi pracy instalacji wentylacyjnej dla danego miesiąca; wynika to z założonego sposobu użytkowania budynku.

   * entalpiogodziny sumowano od wartości minimalnych entalpii powietrza zewnętrznego.

W konsekwencji przeprowadzonych obliczeń otrzymano następujące wyniki:

   * ciepło uzyskane z gruntowego wymiennika ciepła 2 703 kWh/rok,

   * ciepło odzyskane w wymienniku krzyżowym 4 304 kWh/rok,

   * chłód uzyskany z gruntowego wymiennika ciepła 217 kWh/rok.

W celu określenia względnego udziału ciepła uzyskanego w gruncie i odzyskanego w rekuperatorze w stosunku do całkowitej straty ciepła na wentylację przeprowadzono obliczenia dla tzw. instalacji odniesienia. Otrzymane wyniki posłużył do oszacowania oszczędności ekonomicznych. Do obliczeń przyjęto następujące założenia:

   * instalację odniesienia charakteryzuje tak sama ilość powietrza wentylacyjnego i taki sam czas pracy jak instalację referencyjną,

   * rolę gruntowego wymiennika ciepła pełni w instalacji odniesienia nagrzewnica elektryczna o sprawności 100 %, cena energii elektrycznej 0,38 zł/kWh,

   * pozostałą ilości ciepła potrzebną do dogrzania powietrza wentylacyjnego do temperatury panującej wewnątrz budynku dostarcza kocił gazowy o sprawności 90 %, opalany gazem o wartości opałowej 35 MJ/m3 i cenie 1,1 zł/m3.

W konsekwencji przeprowadzonych obliczeń otrzymano następujące wyniki:

   * całkowita strat ciepła na wentylację 7 376 kWh/rok,

   * względny udział ciepła uzyskanego z gruntu 37 %,

   * względny udział ciepła odzyskanego w wymienniku krzyżowym 58 %,

   * łączne pokrycie zapotrzebowania na ciepło do wentylacji 95 %,

   * koszt energii elektrycznej 1 027 zł/rok, koszt gazu 541 zł/rok,

   * oszczędność 1 568 zł/rok

Podsumowanie

Projektowanie i wykonywanie instalacji wentylacyjnych w budynkach pasywnych jest zadaniem zbliżonym do projektowania instalacji standardowych.

Różnice wynikają z dążenia do ograniczenia strat ciepła. Dlatego należy zastosować wentylację mechaniczną nawiewno- wywiewną z odzyskiem ciepła i wstępnym podgrzewem nawiewanego powietrza w gruntowym wymienniku ciepła.

Wymienniki gruntowe ze względu na prostą konstrukcję i istniejące wytyczne projektowe nie stanowią problemu pod względem wykonawczym. Są jednak ciągle rozwiązaniem mało popularnym w Polsce, pomimo udokumentowanych przykładów ich zastosowania. Prowadzone badania wykazują ponadto, że ilość uzyskiwanego z gruntu ciepła jest czasem większa od wartości obliczeniowych. Nie obserwuje się obniżenia jakości powietrza wentylacyjnego.

Problemu projektowego nie stanowi także wybór odpowiedniej centrali wentylacyjnej z odzyskiem ciepła. Na rynku dostępne są bowiem urządzenia charakteryzujące się wysokimi sprawnościami, cichą pracą oraz małym zapotrzebowaniem na energię elektryczną.

Główną, przyczyną rzadkiego stosowania rozwiązań energooszczędnych w instalacjach wentylacyjnych wydaje się być brak informacji dla instalatorów i przykładowych projektów.

Panuje przekonanie, że rozwiązania takie są drogie i ekonomicznie nieopłacalne. Istnieje, więc konieczność popularyzacji w środowisku projektantów i wykonawców rozwiązań konstrukcyjnych zmierzających do maksymalnego ograniczenia strat ciepła na wentylację.

Źródło: www.ekoenergia.polska-droga.pl