W nowych, energooszczędnych budynkach stało się już niejako normą zastosowanie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła (rekuperacją). Głównymi powodami korzystania z tych rozwiązań są nie tylko znaczne oszczędności energii, konieczność ograniczenia zużycia energii pierwotnej, ale również spełnienie wymogów higienicznych w budynkach. Czy planowane nowe standardy zużycia energii pierwotnej w budownictwie jednorodzinnym w Polsce zmuszą nas do powszechnego stosowania w najbliższych latach wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła? Jaka będzie rola pomp ciepła w nowych budynkach w najbliższych latach?
Znaczenie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła w budynkach jednorodzinnych
W artykule porównano klika rozwiązań wentylacji w budynku jednorodzinnego o powierzchni ogrzewanej 200 m2. Obliczenia przeprowadzono za pomocą programu komputerowego CASAnowa (rys. 1). Program dokonuje obliczeń w oparciu o normę PN EN 832. Pozostałe założenia są następujące:
- budynek dwukondygnacyjny 10 m x 12 m, dach dwuspadowy A/V = 0,67;
- lokalizacja Warszawa (zewnętrzna temperatura projektowa -20oC);
- współczynnik przenikania ciepła okien U = 0,9 [W/(m2K)]*;
- współczynnik przenikania ciepła ścian zewnętrznych 0,2 [W/(m2K)] (izolacja o grubości około 12 cm)*;
- współczynnik przenikania ciepła poddasza 0,15 [W/(m2K)] (izolacja o grubości około 25 cm)*;
- współczynnik przenikania ciepła podłogi na gruncie 0,3 W/(m2K)] (izolacja o grubości około 12 cm)*;
- w przypadku zastosowania w budynku wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, założono że infiltracja powietrza dla budynku wynosi 0,05 h-1 (założono że wartość infiltracji powietrza wynosi 0,7 h-1 dla n50w teście 50 Pa) oraz sprawność odzysku ciepła 80% (dla wentylacji mechanicznej);
- roczny współczynnik wymiany powietrza 0,5 h-1 w przypadku zastosowania wentylacji (naturalnej) grawitacyjnej jak i wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła;
- roczne zapotrzebowanie ciepła użytkowego dla c.o. 39 kWh/m2 rok (w przypadku wentylacji grawitacyjnej wartość ta wynosi 74 kWh/m2;
- zapotrzebowanie c.w.u. ok. 4000 kWh/rok (200 litrów c.w.u. o temperaturze 50oC na dobę, ograniczona czasowo cyrkulacja c.w.u.).
*podane wartości współczynnik przenikania ciepła będą uznawane przez Warunki Techniczne za maksymalne od 1 styczna 2021 roku.
Przeanalizowano 3 przypadki A, B, C zgodnie z tabelą 1.
We wszystkich przypadkach (A, B, C) straty ciepła przez przenikanie przegród (przez ściany, okna, podłogi, dach) są takie same (rys. 2). Istotna różnica występuje tylko po stronie strat ciepła związanych z wentylacją i zapotrzebowaniu ciepła na c.o.. W porównywanym przypadku A (wentylacja grawitacyjna z krotnością wymiany powietrza 0,5 h-1) wynoszą one ok. 60 kWh/(m2rok) . W przypadku C (wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła o sprawności rocznej 80%) tylko 18 kWh/(m2rok).
Warto dodać, że gdyby wartość średnioroczna krotności wymiany powietrza w systemie wentylacji grawitacyjnego wynosiła 0,7, to wentylacyjne straty ciepła wzrosłaby do 84 kWh/(m2rok . Dla wartości krotności wymiany powietrza równej 1,0 byłoby to już ponad 119 kWh/(m2 rok).
Rzeczywiste i projektowe różnice w zużycia ciepła w budynkach jednorodzinnych (dla różnych rodzajów wentylacji)
Po uwzględnieniu zysków ciepła wewnętrznych i słonecznych w omawianym budynku zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku (energia użytkowa) wynosi odpowiednio (tabela 2 i rys 3).
Realne roczne zużycie ciepła na centralne ogrzewanie w budynku z wentylacją mechaniczną z odzyskiem ciepła w porównaniu z zużyciem ciepła budynku z wentylacją grawitacyjną jest mniejsze ok. 30% (przypadek A i C). Podchodząc do zagadnienia zużycia ciepła od strony rocznego bilansu energii na c.o. (dotyczy to przede wszystkim obliczeń w certyfikatach energetycznych budynków) te różnice mogą sięgać nawet 50% (porównując przypadek A i przypadek C – rys. 3).
Rzeczywiste różnice w rocznym zużyciu ciepła na c.o. zależą jednak w dużym stopniu od sposobu użytkowania budynku z wentylacją grawitacyjną. Jeżeli średnia krotność wymiany powietrza (w sezonie grzewczym) w budynku jednorodzinnym wyniosłaby nie 0,3 h-1 lecz np. 0,7 h-1 (częste otwieranie okien lub ciągle uchylone okna w budynku) to zapotrzebowanie użytkowe ciepła na c.o. budynku wzrosłoby z 54 kWh/(m2 rok) aż do 96 kWh/m2rok.
Oznaczałoby to że dobrane urządzenie grzewcze np. pompa ciepła gruntowa i jej dolne źródła może być za małe. W takiej sytuacji oszczędność z zastosowania wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła była na poziomie nie ok. 30% czy 50%, a prawie 60%.
Praktyka wskazuje, że szczególnie przy zastosowaniu pomp ciepła gruntowych jako monowalentnego źródła ciepła dla budynku ma to istotne znaczenie.
Dla przypadku projektowego A wyliczone zapotrzebowanie mocy na c.o. zgodnie z normą PN-EN 12831 wynosi ok. 10 kW (dla temperatury -20oC). W przypadku C wynosi tylko około 6 kW. Wiąże się w tym pierwszym przypadku w konsekwencji z dużą różnicą nakładów na wykonanie dolnego źródło ciepła (np. pionowy gruntowy wymiennik ciepła) i na zakup samej pompy ciepła. W opisywanym przykładzie różnica nakładów inwestycyjnych może wynosić ok. 50% kosztów wykonania systemu wentylacyjnego z odzyskiem ciepła.
Jeszcze lepiej jest to widoczne w większych obiektach ogrzewanych pompą ciepła. Dla przykładu w budynku o powierzchni ogrzewanej 500 m2, zakładając wymianę powietrza 0,5 h-1 zapotrzebowanie projektowe ciepła może wynosić około 22 kW, w przypadku zastosowania wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepłą wartość ta nie przekracza 10 kW.
W tym przykładzie różnica nakładów inwestycyjnych na pompę ciepła i dolne źródło przewyższa nakłady związane wykonaniem wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. Do tego należy ciągle pamiętać o blisko 50% różnicy w kosztach eksploatacyjnych dla centralnego ogrzewania.
Można też zaryzykować tezę, że dalsze zwiększanie izolacyjności budynku (np. grubości izolacji, izolacyjności okien) bez poprawnego rozwiązania systemu wentylacji mija się z sensem.
Autor jest przekonany (zapewne może to potwierdzić sporo doświadczonych instalatorów pomp ciepła), że przy zastosowaniu pompy ciepła korzystającej z energii w gruncie (geotermalnej), rozwiązanie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła jest idealnym uzupełnieniem instalacyjnym i zwiększa bezpieczeństwo poprawnej pracy instalacji grzewczej z pompą ciepła, a szczególnie dolnego źródła ciepła pompy ciepła.