Odzyskiwanie ciepła z wentylacji - rekuperacja

Wysokie koszty energii mobilizują wszystkich do jej oszczędzania. Dlatego warto wiedzieć, że straty ciepła zimą w dużym stopniu są powodowane przez wentylację. Wraz z powietrzem usuwanym z pomieszczeń tracimy także ciepło. Na wentylację może przypadać od 30 do 60 % wszystkich strat. W starych domach, w których znaczna część ciepła uciekała przez zimne przegrody, straty wentylacyjne stanowiły mniejszy udział w całości.

Im ściany, dach i okna są cieplejsze, tym rola strat wentylacyjnych w całym bilansie energetycznym rośnie. Często jest to więc powodem nadmiernego uszczelniania budynku, co ma doprowadzić do zmniejszenia intensywności jego wentylowania. W efekcie znacznie pogarsza się jakość powietrza w pomieszczeniach, a przede wszystkim nadmiernie wzrasta wilgotność powietrza sprzyjająca rozwojowi grzybów i pleśni.

Rozsądne jest więc znalezienie kompromisu pomiędzy oszczędzaniem energii a właściwą wentylacją pomieszczeń. O taki kompromis trudno, gdy dom jest wentylowany w sposób naturalny. Możliwości są ograniczone. Rozwiązaniem jest zastosowanie systemu wentylacji nawiewno-wywiewnej z centralą wentylacyjną (rekuperatorem) odzyskującą ciepło. System wentylacji nawiewno-wywiewnej odróżnia się od systemu wywiewnego tym, że wentylatory nie tylko usuwają powietrze z budynku, ale również w jego miejsce dostarczają świeże powietrze zewnętrzne. Powietrze jest czerpane z zewnątrz i systemem kanałów wentylacyjnych dostarczane do pokoi. Inne kanały, wywiewne, usuwają zanieczyszczone powietrze z kuchni, toalet, łazienki i garderoby, a więc zgodnie z zasadami wentylacji budynku.

System wentylacji nawiewno-wywiewnej pozwala na zachowanie pełnej kontroli nad wymianą powietrza. Ma to duże znaczenie nie tylko ze względu na jakość powietrza lecz również dla ograniczania strat ciepła poprzez wentylację. System wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej daje możliwość odzyskania znacznej ilości ciepła z powietrza usuwanego z budynku. Głównym elementem systemu jest centrala wentylacyjna. Centrala składa się z wentylatorów i wymiennika ciepła, popularnie jest nazywana rekuperatorem. Zasilane energią elektryczną rekuperatory pozwalają odzyskać przeciętnie 50-80% ciepła z powietrza usuwanego z budynku. Energię odzyskuje się ogrzewając chłodne powietrze czerpane z zewnątrz ciepłem z powietrza usuwanego z pomieszczenia. Dzięki temu powietrze doprowadzane do pomieszczenia nie wychładza go zbyt intensywnie, a tym samym potrzeba mniej energii na podtrzymanie temperatury.

Rekuperatory są konstruowane w taki sposób, że zużyte, usuwane powietrze nie miesza się ze świeżym, zasysanym do budynku.

W domach jednorodzinnych stosuje się najczęściej tzw. rekuperatory krzyżowe. Wymiennik ciepła jest w nich zbudowany z kilku ułożonych równolegle płyt, między którymi przepływają dwa strumienie powietrza - ciepły wywiewany i zimny nawiewany do budynku. Płyty wymiennika przewodzą ciepło między strumieniami powietrza. Strumienie powietrza przepływają we wzajemnie prostopadłych kierunkach.

W centralach wentylacyjnych można także spotkać wymienniki obrotowe (regeneratory), w których powietrze przechodzi przez wirujący bęben. W tego typu wymiennikach obydwa strumienie powietrza minimalnie się mieszają. Wstępne ogrzewanie powietrza świeżego przez usuwane z budynku jest skuteczne gdy temperatura na zewnątrz nie spada poniżej -10 stopni. Gdy temperatura zewnętrzna jest niższa, nawiewanie powietrza bez dodatkowego podgrzania mogłoby być niezbyt komfortowe dla mieszkańców i nadmiernie wychładzać pomieszczenia. Aby dodatkowo podgrzewać powietrze zewnętrzne w rekuperatorach montuje się elektryczne grzałki. Włączają się one automatycznie. Na wymienniku ciepła z reguły wykrapla się wilgoć. Jest to normalne zjawisko, dlatego jest przewidziany sposób usuwania skroplin. Trafiają one do specjalnego pojemnika, który należy co pewien czas opróżniać lub rekuperator należy połączyć z kanalizacją w budynku. Skraplająca się na wymienniku woda może zimą zamarzać. Dlatego urządzenia są wyposażone w system rozmrażający. Może on działać w różny sposób, zależnie od konstrukcji.

Centrale wentylacyjne wymieniają powietrze w budynku w sposób ciągły. Z reguły mają kilka prędkości obrotowych wentylatorów pozwalających na zmianę wydajności zgodnie z potrzebami. Gdy potrzebna jest wyższa wydajność wystarczy włączenie wyższego biegu - ręczne lub automatycznie. Zwiększenie wydajności zaleca się gdy w domu powstaje więcej zanieczyszczeń, na przykład podczas gotowania, kąpieli, suszenia prania lub wizyty gości. Dzięki zastosowaniu elektronicznych programatorów można ustawić kilka cykli pracy centrali przewidzianych na różne pory dnia. Automatyka sterująca może być podłączona do różnego rodzaju czujników badających parametry powietrza wewnątrz budynku. Detektory mogą reagować na poziom zanieczyszczeń na przykład podwyższoną wilgotność lub zawartość dwutlenku węgla. Automatyka pozwala kontrolować temperaturę nawiewanego powietrza, informować użytkownika o uszkodzeniach urządzenia, przypominać o czynnościach serwisowych. Najbardziej zaawansowane centrale wentylacyjne można podłączyć do sieci komputerowej i za pomocą komputera PC kontrolować i sterować praca całego układu. Takie rozwiązania choć dosyć kosztowne stosuje się w tak zwanych inteligentnych budynkach. Latem gdy temperatura powietrza w domu jest czasami niższa niż na zewnątrz, rekuperator może częściowo schładzać powietrze zewnętrzne doprowadzane do mieszkania. Z kolei gdy nie chcemy aby ciepłe powietrze wewnętrzne podgrzewało to, które wpada z zewnątrz (na przykład nocą), w systemie wentylacji nawiewno-wywiewnej można zamontować kanał omijający wymiennik. Powietrze nawiewane można skierować do zastępczego kanału za pomocą ręcznej przepustnicy lub może nas w tym zastąpić urządzenie automatyczne.

Doprowadzenie powietrza do budynku

Powietrze jest zasysane z zewnątrz przez tak zwaną czerpnię. Czerpnię należy umieścić w odpowiedniej odległości od komina, wyprowadzenia odpowietrzeń kanałów kanalizacyjnych i wyrzutni powietrza (zakończenia kanału usuwającego powietrze z budynku). Montuje się ją najczęściej na ścianie budynku, w miejscu gdzie powietrze jest możliwie czyste. Najlepiej zlokalizować ją na ścianie północnej. Wtedy powietrze zasysane latem jest najchłodniejsze. Warto także rozważyć możliwość umieszczenia czerpni w pewnej odległości od budynku, na przykład w ogrodzie. Czerpnia znajdująca się w cieniu, osłonięta roślinami przed kurzem będzie dostarczać czyste i chłodne (latem) powietrze. Instalację wentylacyjną w budynku łączy się z czerpnią za pomocą kanału podziemnego. Przy tej okazji można wybudować gruntowy wymiennik ciepła. Dzięki temu można wykorzystać grunt do wstępnego podgrzewania powietrza nawiewanego zimą oraz schładzania latem, wykorzystując to, że na głębokości około 1,5 metra ziemia ma stałą temperaturę (około 10 stopni). Zimą uzyska się dzięki temu dodatkowe oszczędności energii, a latem poprawi komfort w budynku.

Najprostszy gruntowy wymiennik ciepła to odporna na korozję rura, na przykład ze stali ocynkowanej, pvc lub kamionkowa, zakopana odpowiedniej głębokości. Należy przy tym pamiętać, że rura musi być wyżej niż wody gruntowe, które mogłyby się do niej przedostać. Jeżeli nie można zakopać rury zbyt głęboko należy nad nią ułożyć warstwę materiału termoizolacyjnego, która będzie chronić grunt przed nagrzewaniem latem i schładzaniem zimą. Średnica rury powinna być przynajmniej taka sama, jak króćców w centrali wentylacyjnej. Zastosowanie większej średnicy spowoduje wolniejszy przepływ powietrza w rurze, a tym samym poprawi skuteczność wymiany ciepła z gruntem. Długość rury powinna być odpowiednio duża, około 30-50 metrów. W praktyce rura może na przykład opasywać fundament budynku. W takim rozwiązaniu wykorzystuje się wykop, który trzeba wykonać podczas wznoszenia budynku, a tym samym zaoszczędzić na kosztach robocizny.

Gruntowy wymiennik można także zbudować w inny sposób. Pod ziemią wykonuje się tak zwane złoże żwirowe. Powietrze czerpane z zewnątrz przechodzi przez warstwę żwiru, gdzie pobiera lub oddaje ciepło. Z takiego wymiennika nie może jednak korzystać w sposób ciągły. Co mniej więcej 12 godzin powietrze należy kierować inną drogą ponieważ złoże musi wymienić ciepło z otaczającym go gruntem. Decydując się na jeden z opisanych typów wymiennika gruntowego należy odpowiednio dobrać centralę wentylacyjną. Trzeba bowiem uwzględnić opory przepływu na jakie dodatkowo natrafia czerpane powietrze. Opory te zależą od długości zastosowanych podziemnych kanałów i wielkości złoża żwirowego. Rekuperator dostosowany do czerpania powietrza bezpośrednio z otoczenia budynku może się w takiej sytuacji okazać za mało wydajny. Rozwiązanie polegające na zastosowaniu wymiennika gruntowego ma jednak również wadę. W okresach przejściowych, czyli wiosną i jesienią temperatura powietrza na zewnątrz może być wyższa niż temperatura gruntu. Wtedy niepotrzebnie powietrze zewnętrzne jest schładzane w podziemnym kanale, a tym samym zmniejsza się wydajność rekuperatora. Dlatego konieczne jest zastosowanie w instalacji specjalnej przepustnicy i dodatkowej czerpni pobierającej powietrze bezpośrednio z otoczenia budynku.

Czystość powietrza

Powietrze przechodzące przez centralę wentylacyjną jest filtrowane, co pozwala zatrzymać większość stałych zanieczyszczeń znajdujących się w powietrzu. Aby oczyszczanie powietrza było skuteczne, filtry należy regularnie czyścić lub wymieniać - przynajmniej 4 razy w roku. Jest to ważne również dla zapewnienia optymalnych warunków pracy urządzenia, które wraz ze stopniowym zanieczyszczaniem filtrów traci wydajność. Filtry oczyszczają nie tylko powietrze zewnętrzne ale także usuwane. Jest to konieczne dla ochrony wymiennika ciepła. Projektując instalację wentylacji należy przewidzieć, że okap kuchenny nie może być włączony do systemu. Powietrze z okapu trzeba usuwać z budynku bezpośrednio. Tłuszcze znajdujące się w oparach mogłyby bardzo szybko zanieczyścić filtry i wymiennik ciepła.

Kanały wentylacyjne

W budynku z wentylacją nawiewno-wywiewną powietrze jest rozprowadzane kanałami wentylacyjnymi. Kanały nawiewne dostarczają świeże powietrze do pokoi. Kanały wywiewne usuwają zużyte powietrze z kuchni, łazienki, toalety i pomieszczeń bezokiennych. Kanały nawiewne i wywiewne łączą się z centralą wentylacyjną. Na zakończeniach kanałów są montowane kratki lub anemostaty. Anemostaty pozwalają regulować przepływ powietrza, a tym samy służą do ustalenia właściwych przepływów w poszczególnych pomieszczeniach.Ponieważ ruch powietrza w kanałach wentylacyjnych jest wywoływany przez wentylatory centrali, można je umieścić w domu w sposób najlepiej odpowiadający konstrukcji budynku. W domach parterowych najłatwiej poprowadzić je na nieużytkowym poddaszu. Można je także ukryć w stropie lub w ścianach.

Kanały najłatwiej zamontować w nowobudowanym domu. Najlepiej przewidzieć to już na etapie projektu architektonicznego. Należy przy tym pamiętać, że jeżeli kanały będą miały bardzo dużo załamań, będzie konieczne dobranie centrali wentylacyjnej o większej wydajności, która pozwoli pokonać duże opory przepływu powietrza. Kanały ułożone w nieogrzewanych przestrzeniach muszą być zaizolowane termicznie, aby zapobiec niepotrzebnym stratom ciepła oraz wykraplaniu wilgoci. Kanały można wykonać z giętkich lub sztywnych przewodów metalowych albo elastycznych z tworzywa sztucznego. Najczęściej stosuje się kanały okrągłe, czasem, gdy jest mało miejsca można wykorzystać prostokątne. Trzeba sobie jednak zdawać sprawę, że kanały płaskie powodują większe opory przepływu niż okrągłe. Też należy to uwzględnić przy doborze centrali.

Montaż centrali

Centralę można ulokować w dowolnym miejscu. Należy jedynie zastanowić się nad możliwością rozprowadzenia kanałów. Centrale najczęściej montuje się w piwnicy lub na strychu. Ponieważ urządzenia trzeba co pewien czas czyścić i kontrolować, warto zapewnić łatwy dostęp do nich. Nie należy też zapominać, że wentylatory, jak każde urządzenie mechaniczne hałasują. Dlatego powinny być oddzielone akustycznie od części mieszkalnej domu. Dla skutecznej ochrony przed hałasem bardzo ważną rolę odgrywają elastyczne połączenia centrali z kanałami wentylacyjnymi oraz tak zwane tłumiki akustyczne zakładane w kanałach. Wybierając centralę warto dowiedzieć się jak duży hałas emituje. Aby ograniczyć hałas wywoływany przez instalację trzeba także prawidłowo dobrać parametry pracy całej instalacji, między innymi prędkości przepływu powietrza.

Oszczędności energetyczne

Trudno jest jednoznacznie i precyzyjnie podać jaką oszczędność energii można uzyskać dzięki zastosowaniu wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. Każdy typ wymiennika ma inną sprawność zależną od jego konstrukcji. Sprawność nie jest wielkością stałą. Zmienia się między innymi w zależności od różnicy temperatury na zewnątrz i wewnątrz, wilgotności powietrza, proporcji powietrza nawiewanego i wywiewanego. Obliczając potencjalne oszczędności energetyczne trzeba też uwzględnić zużycie prądu przez samą centralę. W bilansie energetycznych można analizować wielkość mocy cieplnej, jaką może zaoszczędzić konkretne urządzenie, zamiast oszczędności procentowych. Niezależnie od wyników obliczeń można mieć pewność, że centrale wentylacyjne z odzyskiem ciepła pozwalają oszczędzać energię i po pewnym czasie z pewnością oszczędności zrównoważą nakłady inwestycyjne. Decydując się na założenie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła należy zadbać o jak największą szczelność okien i drzwi zewnętrznych. Dzięki temu zapobiegnie się przedostawaniu się przez nie powietrza w sposób niekontrolowany, a więc niekontrolowanym stratom ciepła. Ograniczy się też ilość zanieczyszczeń.

Koszty instalacji

Na cenę kompletnej instalacji składa się kilka elementów. Najważniejsze z nich to: - centrala wentylacyjna - średnie ceny od 3000 do 6000 zł - kanały i kształtki wentylacyjne, anemostaty, elementy uzupełniające i montażowe - dla domu jednorodzinnego średniej wielkości (100 - 200 m²) to wydatek rzędu 2500 - 5000 zł - montaż - średnio 2000 - 4000 zł, może znacznie się zmienić w zależności od skomplikowania instalacji i konstrukcji budynku. Precyzyjną wycenę można zrobić znając dokładne założenia projektowe i oczekiwania inwestora. Ceny central mogą przekraczać nawet 10000 zł, a cena zależy nie tylko od wielkości urządzenia, ale także od jego wyposażenia, automatyki i marki. Podobnie robocizna i elementy kanałów wentylacyjnych. Im bardziej skomplikowana instalacja, a budynek wymaga stosowania szczególnie pracochłonnych przeróbek, tym koszt wyższy.Stosując wentylację mechaniczną można także zrezygnować z budowania tradycyjnych kominów, w których normalnie umieszcza się kanały wentylacji grawitacyjnej. Dzięki temu zaoszczędzone pieniądze można przeznaczyć na zakup rekuperatora, a przy okazji zyskuje się dodatkową powierzchnię użytkową w budynku.

Wybór centrali

Decydując się na zakup centrali wentylacyjnej należy projektantowi lub sprzedawcy przedstawić nasze potrzeby i preferencje oraz pokazać dokumentację projektową budynku. Urządzenie do konkretnego domu dobiera się przede wszystkim pod względem wydajności czyli do zaplanowanej wymiany powietrza. Uwzględnia się przede wszystkim ilości powietrza usuwanego z poszczególnych pomieszczeń. Można też wziąć pod uwagę liczbę osób, które będą stale mieszkały w domu lub korzystały z budynku. Jeżeli dom jest duży, a mieszkają w nim dwie osoby, to centrala będzie zupełnie inna niż gdy w niewielkim domu mieszka kilka osób. Nie bez znaczenia są też zwyczaje mieszkańców. Jeżeli w domu pali się papierosy warto przewidzieć bardziej intensywną wentylację, a przynajmniej jej okresowe intensyfikowanie. Po dobraniu wielkości centrali można wziąć pod uwagę jej sprawność i wielkość zużycia energii elektrycznej. Warto także sprawdzić jaki powoduje hałas. Oferowane urządzenia mogą różnić się wyposażeniem, łatwością obsługi (na przykład wymiana bądź czyszczenie filtrów), dostępnością serwisu.

Uwaga na bezpieczeństwo

W pomieszczeniach z wentylacją mechaniczną panuje różne ciśnienie (nadciśnienie lub podciśnienie). Może to spowodować zakłócenia w działaniu grzewczych urządzeń gazowych z otwartą komorą spalania oraz w kominkach z otwartym paleniskiem. Dlatego ważne jest aby w takich wypadkach odpowiednio wyregulować instalację, to znaczy zrównoważyć nawiew i wywiew.