O systemach wentylacji z rekuperacją i ich wspomaganiu, jak GWC

Idealny system wentylacji, poza wymianą powietrza zużytego na świeże, powinien być jak najbardziej energooszczędny. Bliskie ideału są rozwiązania wentylacji mechanicznej współpracujące z gruntowymi wymiennikami ciepła, przede wszystkim takimi, które znacznie ograniczają straty wentylacyjne, a także mają właściwości pro-zdrowotne, poprawiające jakość powietrza czerpanego z zewnątrz.
 

Każdy z nas większość swojego życia spędza w budynkach: w domu, miejscu pracy, uczelni, szkole itd. W związku z tym troska o jakość powietrza, którym oddychamy jest bardzo ważna. Zastosowanie skutecznej wentylacji jest koniecznością, z pożytkiem dla zdrowia naszego i naszej rodziny. Coraz ostrzejsze przepisy budowlane wymuszają na projektantach i producentach stosowanie rozwiązań ograniczających zużycie energii. Efektem tego jest wznoszenie szczelnych budynków, ze stale polepszanych materiałów budowlanych, zwykle z większymi przeszkleniami od strony południowej, które w części rekompensują chwilowe straty ciepła w okresie zimowym. Zwiększenie energooszczędności obiektów jest priorytetem, ale nie zapominajmy przy tym o najważniejszym: zapewnieniu zdrowych warunków środowiskowych w obiekcie.

Skutki złej jakości powietrza (IAQ) w budynku

Szacuje się, że dorosły człowiek potrzebuje w ciągu doby aż ponad 25 kg powietrza. Jest to wartość kilkakrotnie większa niż dobowe zapotrzebowanie na jedzenie i picie (!). Jeżeli dołożymy do tego fakt, że obecnie ponad 25% populacji Europy to alergicy oraz to, że mamy coraz większy problem z czystością powietrza zewnętrznego, okaże się, że kwestia jakości powietrza w budynku powinna być sprawą równie ważną jak kwestia oszczędności energii.

Każde pomieszczenie (budynek), w którym przebywają ludzie jest źródłem emisji zanieczyszczeń. Są to dwutlenek węgla, para wodna, lotne związki organiczne (LZO), kurz, pył i inne. LZO mogą stanowić 60% wszystkich substancji zanieczyszczających atmosferę, a 73% z nich znajduje się na liście związków rakotwórczych. Znajdują się w szeregu produktów używanych w domach, uwalniają się do atmosfery z dysz samochodów. Z łatwością zmieniają swój stan skupienia i przedostają się do powietrza już w temperaturze pokojowej. Mogą powodować dyskomfort sensoryczny, podrażnienia skóry, oczu, nosa, zawroty głowy czy nudności.

Dwutlenek węgla jest również jednym z wiodących zanieczyszczeń powietrza. Wysokie stężenie CO2 niekorzystnie wpływa na zdolność koncentracji oraz samopoczucie użytkowników. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) ustaliła maksymalny dopuszczalny próg stężenia CO2 w pomieszczeniach gdzie przebywają ludzie na poziomie 1000 ppm (0,1%). Ilość dwutlenku węgla w powietrzu zewnętrznym na ogół wynosi 300… 400 ppm (0,03%… 0,04%). Większa wartość występuje w obszarach przemysłowych i miastach. Natomiast w powietrzu wydychanym stężenie CO2 wynosi około 40 000… 50 000 ppm (4%… 5%). Stężenie wyższe niż 5000 ppm (0,5%) działa szkodliwie na organizm ludzki.

Ważną kwestią jest również wilgotność. Zbyt duża ilość pary wodnej prowadzi zazwyczaj do jej wykroplenia na chłodniejszych przegrodach, co prowadzi do zawilgocenia ścian i rozwoju bakterii, grzybów i pleśni.

Wentylacja z rekuperacją

Wentylacja w budynkach powinna być wymuszona i ukierunkowana. Nawiewy należy lokalizować w pomieszczeniach czystych (sypialnie, pokoje dzienne, gabinety, itp.), natomiast wywiewy w tzw. pomieszczeniach brudnych (łazienki, WC, kuchnie, garderoby, itp.). Dlatego, aby system działał prawidłowo, niezbędne jest opracowanie dokumentacji projektowej. Tutaj trzeba wziąć pod uwagę indywidualne cechy obiektu oraz wymagania użytkowników. Planując instalację wentylacyjną, należy kierować się nie tylko położeniem budynku względem stron świata, ale również wewnętrznym układem pomieszczeń.

Każdy projekt wentylacji z rekuperacją powinien dążyć (w myśl przepisów) do możliwie dużego ograniczenia zużycia energii. Nie dotyczy to zresztą tylko wentylacji, ale każdej instalacji zużywającej energię. Aby sprostać wyśrubowanym przepisom, projektanci decydują się na radykalne ograniczenie dopływu świeżego powietrza zewnętrznego (do minimum higienicznego). Minimalizacja ilości świeżego powietrza wentylacyjnego nie zawsze wystarczająco zmniejsza zużycie energii. Dochodzi jednak do znacznego pogorszenia mikroklimatu w obiekcie oraz obniżenia komfortu użytkowników, w związku z czym zdarza się, że użytkownicy próbują w inny sposób doprowadzić do jego poprawy, na przykład poprzez otwarcie okien w sezonie grzewczym. Jako podpowiedź odnośnie zalecanych ilości powietrza wentylacyjnego może służyć norma PN-EN 15251, „Kryteria środowiska wewnętrznego, obejmujące warunki cieplne, jakość powietrza wewnętrznego, oświetlenie i hałas”.


Wybór odpowiedniej centrali wentylacyjnej

Sercem systemu wentylacji mechanicznej jest centrala wentylacyjna. Rynek wentylacyjny jest bogaty w różne konstrukcje wymiennika do odzysku ciepła, sposoby wykonania, wielkości, sposoby montażu – wszystko po to, by dopasować się do potrzeb klientów i zagwarantować efektywną i energooszczędną pracę.

Istnieje jednak szereg funkcjonalności i parametrów, które powinien spełniać każdy rekuperator:
+ wysoki odzysk ciepła,
+ niski pobór energii elektrycznej przez wentylatory,
+ automatyczny, 100% szczelny bypass,
+ możliwość płynnej i niezależnej regulacji wydajności nawiewu i wywiewu,
+ możliwość współpracy z GWC.

Inne przydatne cechy rekuperatora, na które warto zwrócić uwagę, to czynniki związane z cichą pracą, kompaktową budową (niewielkie wymiary i waga) oraz rozbudowanymi możliwościami automatyki. Przydatną funkcjonalnością może okazać się również sterowanie zdalne z urządzenia mobilnego.
Konstrukcja samego wymiennika do odzysku ciepła może być bardzo różna.
Przy wyborze rekuperatora warto sprawdzić, czy wymiennik ciepła charakteryzuje duża czynna powierzchnia wymiany ciepła, a co się z tym wiąże wysoka realna sprawność odzysku ciepła (dla wymienników przeciwprądowych nawet do 95%). Dla porównania maksymalna sprawność odzysku ciepła dla ich poprzedników – wymienników krzyżowych wynosi 75%. W obu rodzajach wymienników strumienie powietrza nie mieszają się między sobą, dzięki czemu mogą być stosowane w zdecydowanej większości obiektów. Poprzez odseparowanie strumieni powietrza od siebie w wymiennikach przeciwprądowych nie odzyskuje się wilgoci z powietrza zużytego. Unika się w ten sposób ryzyka kumulowania na ewentualnym materiale higroskopijnym wymiennika bakterii czy wirusów oraz uciążliwych zapachów z powietrza usuwanego. W wymiennikach przeciwprądowych, w skutek wysokiego odzysku ciepła, może wykraplać się większa ilość kondensatu (w porównaniu do wymienników krzyżowych). Ilość kondensującej wilgoci jest zależna od temperatury zewnętrznej oraz wilgotności i temperatury powietrza usuwanego. Zimą, w okresie ujemnej temperatury, powietrze zewnętrzne przepływając przez wymiennik, może doprowadzić do zamarznięcia kondensatu. Gwałtownie maleje wtedy sprawność odzysku ciepła i rosną opory przepływu powietrza, co może powodować rozbilansowanie strumieni powietrza. Aby zapobiec tym negatywnym zjawiskom, producenci proponują stosowanie wstępnych nagrzewnic powietrza. Z kolei praca tych nagrzewnic generuje dodatkowe koszty eksploatacyjne i podnosi zużycie energii przez obiekt. Między innymi z tego względu skutecznym sposobem na zoptymalizowanie pracy systemu wentylacyjnego jest połączenie go z gruntowym wymiennikiem ciepła.

Optymalne rozwiązanie, czyli GWC

Zabezpieczenie rekuperatora zimą jest tylko jedną z zalet zastosowania GWC.
Na rynku dostępne są trzy rodzaje gruntowych wymienników ciepła: żwirowy, rurowy i płytowy. Idea pracy polega na wymianie energii między przepływającym powietrzem a buforem GWC (w zależności od budowy: żwirem, ścianą rury bądź odpowiednio przygotowanym podłożem). Najbardziej skuteczny gruntowy wymiennik ciepła (czyli taki, w którym cała objętość powietrza ma kontakt z „buforem”) jest w stanie podnieść temperaturę powietrza o ponad 20oC w okresie zimowym, tym samym skutecznie zabezpieczając wymiennik ciepła w centrali przez szronieniem. Należy pamiętać o odpowiednim doborze wielkości urządzenia w taki sposób, aby zapewnić temperaturę na wyjściu z GWC powyżej 0oC nawet podczas ekstremalnych mrozów. Czyli w przypadku np. wymiennika rurowego należy obliczyć (posiłkując się na przykład programami doboru producentów) wymaganą długość rury dla uzyskania temperatury na wyjściu 0oC lub lekko powyżej dla temperatury obliczeniowej zewnętrznej. W przypadku wymiennika płytowego będzie to ilość płyt (powierzchnia) GWC.

W okresie letnich upałów wydajny gruntowy wymiennik ciepła jest w stanie skutecznie ochłodzić powietrze wentylacyjne do temperatury nawet 16oC. W ten sposób GWC może zapewnić nawet 80% zapotrzebowania na chłód obiektu. Dostarczanie chłodu do budynku jest praktycznie darmowe, bowiem pobieramy go z „bufora” GWC.

Idea pozyskiwania energii przez GWC opiera się na pozyskiwaniu ciepła/chłodu z głębokości, dla których temperatura gruntu w roku jest praktycznie stała i zbliżona do średniej rocznej temperatury powietrza zewnętrznego. Dla warunków polskich jest to wartość +8… + 10oC. Praktycznie stała temperatura utrzymuje się na głębokościach 7.. 10 m pod poziomem terenu. Wiadomo, że wszystkie GWC montowane są dużo płyciej: 0,7… 2 m pod terenem. Na tej głębokości temperatura gruntu jest zmienna. Przykładowo, dla 1 metra może osiągać wartości ujemne zimą i nawet + 23oC latem. Skuteczność wymiany cieplnej i efektywnego grzania/chłodzenia powietrza wentylacyjnego w takich warunkach byłaby dyskusyjna. Z tego powodu każdy GWC powinien być odizolowany od warunków zewnętrznych (panujących nad terenem). Należy zawsze pamiętać o położeniu izolacji termicznej nad GWC. W ten sposób wynosimy izotermy gruntu pod powierzchnię izolacji, tym samym symulując jego głębokie posadowienie.

Dobrym sposobem na zweryfikowanie jakości i skuteczności pracy gruntowego wymiennika ciepła jest sprawdzenie, czy istnieją dla niego rzeczywiste wykresy temperatury (pracy). Opomiarowany GWC, działający w rzeczywistych warunkach dostarczy większej wiedzy nt. jego skuteczności niż symulacje czy programy komputerowe.

Kompleksowy system wentylacyjny będący połączeniem GWC i wysokosprawnej centrali wentylacyjnej powinien pracować na większym strumieniu powietrza niż typowo projektowany system rekuperacji. Standardowo, dla domu jednorodzinnego strumień powietrza dobiera się na 0,5-krotności wymiany, gdyż ta wartość zabezpiecza spełnienie minimalnych wymagań higienicznych zgodnie z polskimi normami. Dla systemu GWC + centrala wentylacyjna dobrą praktyką jest dobranie wielkości systemu na 1-krotność wymiany powietrza w budynku. Nie należy obawiać się wzrostu kosztów eksploatacyjnych, jeżeli spełnionych jest kilka warunków:
– straty ciśnienia na GWC są niewielkie (nie więcej niż 50 Pa dla domu jednorodzinnego),
– w okresie zimowym temperatura na wyjściu za GWC nie spada poniżej 0oC,
– rekuperator jest wyposażony w wentylatory EC i wysokosprawny wymiennik do odzysku ciepła.

Podsumowanie

Nowoczesne systemy wentylacyjne to kompleksowe rozwiązania, które mają za zadanie dostarczyć do budynku świeże powietrze przy optymalizacji kosztów eksploatacyjnych dla zimy i lata. Dlatego dobrym uzupełnieniem rekuperacji jest zastosowanie gruntowego powietrznego wymiennika ciepła. Podczas wyboru rodzaju GWC i doborze do konkretnego obiektu pamiętać należy o kilku zasadach:
• wybierać urządzenia, w których następuje praktycznie 100% wymiana ciepła z gruntem/złożem GWC,
• sprawdzić czy istnieją rzeczywiste pomiary skuteczności działania urządzenia (wykresy temperatury zewnętrznej i odpowiadającej jej temperatury za GWC),
• tak dobrać wielkość urządzenia, aby zimą temperatura na wyjściu nie spadała poniżej 0oC,
• kompletny system (GWC z centralą wentylacyjną) dobierać na nie mniej niż 1-krotność wymian.
Biorąc pod uwagę fakt, że żyjemy w coraz szczelniejszych budynkach i spędzamy w nich prawie 90% czasu, nie dziwi, że sprawa skutecznej wymiany powietrza i jego jakości jest sprawą priorytetową.

Porównanie różnych systemów wentylacji, czyli o ich efektywności energetycznej

Rozważmy, jakie korzyści może nieść ze sobą zastosowanie w budynku wentylacji mechanicznej z gruntowym wymiennikiem ciepła w porównaniu do wentylacji mechanicznej bez żadnego odzysku ciepła.
Poniższe obliczenia przeprowadzono dla centrali z wymiennikiem przeciwprądowym oraz jednego z typów gruntowego wymiennika ciepła: płytowego, bezprzeponowego.

Założenia:
– budynek jednorodzinny o powierzchni ogrzewanej 120 m2,
– strumień powietrza (zgodnie z PN-EN 15251): 300 m3/h,
– sprawność odzysku ciepła centrali wentylacyjnej: 85%.

Straty ciepła przez wentylację w sezonie grzewczym:
1. Brak wymiennika do odzysku ciepła: ok. 10 000 kWh; 83 kWh/m2.
2. Centrala wentylacyjna z odzyskiem ciepła + wstępna nagrzewnica elektryczna: ok. 6100 kWh; 50,8 kWh/m2.
3. Kompleksowy system: centrala wentylacyjna z odzyskiem ciepła + GWC: tylko ok. 1000 kWh; 8,3 kWh/m2.
W przykładzie nie uwzględniono regulacji strumieni powietrza, która w nowoczesnych systemach jest już standardem. Przy ustawieniu odpowiedniego programu dobowego (np. redukcji strumienia o 50% podczas nieobecności użytkowników) można dodatkowo obniżyć straty ciepła przez wentylacje do wartości ok. 7,1 kWh/m2.
Z powyższych wyliczeń wynika, że zastosowanie wysokosprawnej centrali wspomaganej przez sprawdzony GWC może przynieść wymierne korzyści w postaci obniżenia kosztów eksploatacyjnych.
Jeżeli cała objętość powietrza wentylacyjnego ma kontakt z buforem GWC oraz następuje praktycznie 100% wymiana ciepła z gruntem, wówczas również w okresie letnim można mówić o ograniczeniu kosztów, tym razem związanych z chłodzeniem budynku.

Instalnews - bezpłatny biuletyn e-czasopisma InstalReporter 1/2018 12/2017 4/2017