Szczelne budynki: niekontrolowana i kontrolowana wentylacja (cz.2)

Główne cele wentylacji w budynku to dostarczenie tlenu niezbędnego do oddychania ludzi, obniżenie zawartości wilgoci w powietrzu, obniżenie stężeń zanieczyszczeń gazowych i pyłowych emitowanych przez człowieka do akceptowalnych poziomów i w niektórych przypadkach dostarczenie tlenu do zapewnienia prawidłowego przebiegu spalania do kotłów z otwartą komorą spalania. Zastosowanie wentylacji naturalnej (grawitacyjnej) w nowych budynkach w praktyce nie pozwala na pełne zrealizowanie założonych celów.
Od wielu lat widoczna jest (już nieodwracalna) tendencja budowania coraz bardziej szczelnych budynków. Aby zminimalizować straty ciepła, stosuje się obecnie coraz bardziej szczelne okna, drzwi. Odbywa się kosztem realnego spadku efektywności działania grawitacyjnego systemu wentylacyjnego i braku odpowiedniej wymiany powietrza, która jest niezbędna dla zdrowia i bezpieczeństwa. Nawet prawidłowo zaprojektowana wentylacja grawitacyjna nie działa prawidłowo przez znaczną część roku. Realna intensywność działania wentylacji grawitacyjnej zależy przede wszystkim od  warunków pogodowych. W przypadku wentylacji grawitacyjnej realna krotność wymiany powietrza w budynku zależy od wpływów zewnętrznych czynników atmosferycznych, takich jak: temperatura powietrza otaczającego oraz prędkość wiatru. Gdy temperatura na zewnątrz maleje względem temperatury w budynku, w sposób liniowy rośnie intensywność wentylacji (tzn. trzykrotny wzrost różnicy pomiędzy temperaturą wewnętrzną i zewnętrzną budynku powoduje trzykrotny wzrost krotności wymiany powietrza). Gdy na zewnątrz wieje silny wiatr to intensywność wymiany powietrza rośnie w kwadracie zmiany prędkości wiatru, tzn. trzykrotny wzrost prędkości wiatru powoduje dziewięciokrotny wzrost krotności wymiany powietrza w budynku. Oznacza to, że przez długie okresy (w zasadzie większość roku) nie występuje wystarczająca wentylacja. Osoby przebywające w niedostatecznie wentylowanych pomieszczeniach  mogą odczuwać bóle głowy, senność i często mają problemy z koncentracją. Zwykle jest to efekt zbyt dużej zawartości CO₂ w powietrzu. Drugim bardzo istotnym zagadnieniem jest konieczność odprowadzenia wilgoci i ryzyko powstania szkodliwej pleśni.

Pory roku a minimalne krotności wymian

Zakładając, że  temperatura graniczna ogrzewania budynku wynosi 12^oC (nowy budynek energooszczędny) i obłożenie osobowe 50 m² powierzchni ogrzewanej na osobę, w obliczeniach rocznego bilansu energii można przyjąć w obliczeniach wartość wymiany powietrza ok. 0,3 h^-1.

W okresach przejściowych (wiosna, jesień) ze względu na duża wilgotność powietrza istnieje potrzeba zwiekszenia krotności wymiany powietrza. Jeżeli w okresie zimowym dla obłożenia osobowego budynku na poziomie 50 m² powierzchni ogrzewanej na osobę minimalna krotność wymiany wynosi 0,2 h^-1 , to w okresie np. kwietnia powinna ona wzrosnąć dwukrotnie (ok. 0,4 h^-1). W przypadku wentylacji grawitacyjnej oznacza to, że przy stosunkowo wysokiej temperaturze zewnętrznej (słaby efekt grawitacyjny) okna często są stale uchylone, co z kolei oznacza nadmierne zwiększenie strat ciepła wentylacji. Aby zapewnić wymianę powietrza w danym pomieszczeniu na poziomie 0,5 h^-1 należałoby w odstępie dwóch godzin otwierać okno na oścież na okres 5 minut. Przy stale uchylonym oknie realna krotność wymiany powietrza pomieszczeń może przekroczyć wartość 2,0 h^-1 a przy mocniejszym wietrze osiągnąć nawet wartość 10,0 h^-1. Wentylacja grawitacyjna nie jest wentylacją w pełni regulowaną. Nowoczesne rozwiązania wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła opierają się o płynne regulowanie wydajnością wentylacji w oparciu o pomiary wilgotności lub CO₂ w powietrzu pobieranym z pomieszczeń. Takie rozwiązania pozwala na znaczne oszczędności ciepła i energii elektrycznej, gdyż wymiana powietrza przy niższych temperaturach może być wyraźnie zmniejszona do wymaganego minimum higienicznego (p. rys. 2).

Rzeczywiste zachowanie użytkowników budynków

Rzeczywiste zachowanie użytkowników budynków w zakresie używania wentylacji bywają różnorakie, ale warty podkreślenia jest fakt niewielkiego poziomu wiedzy użytkowników budynków na temat nadmiernego zużycia ciepła spowodowanego działaniem wentylacji grawitacyjnej. Za słaba wentylacja w pomieszczeniu – za mała wymiana powietrza przy cały czas zamkniętych oknach – może prowadzić do kosztownych szkód spowodowanych zbyt dużą wilgotnością np. wykwity grzyba pleśni na zimnych i wilgotnych powierzchniach ścian. Z kolei część mieszkańców w okresie grzewczym ma uchylone na stałe okna. Takie zachowanie się mieszkańców, związane zapewne z dążeniem do zapewnienia prawidłowej wentylacji prowadzi do znacznego wzrostu zużycia ciepła. Niestety często zdarza się też mieszkańcom regulowanie temperatury pomieszczeń (gdy jest za wysoka temperatura pomieszczenia) poprzez otwieranie okien, a nie poprzez ustawienie prawidłowej temperatury na termostacie grzejnikowym. Wzrost temperatury w pomieszczeniu o 2 K np. z 20^oC do 22^oC) powoduje przyrost kosztów ogrzewania o około 12%. W przypadku „regulowania” temperatury za pomocą stale uchylonego o okna, może powodować to wzrost kosztów ogrzewania nawet o ponad 100%.

Zbyt duże stężenia CO₂ w powietrzu w budynkach

Wiele badań naukowych wskazuje, że nad ranem w sypialni z zamkniętymi drzwiami i oknami, stężenie CO₂ w powietrzu gwałtownie przyrasta. (rys. 7). Stężenie CO₂ bywa nawet 6-8-krotnie większe w stosunku do średniej zawartości w powietrzu atmosferycznym (ok. 400 ppm CO₂). Szczególnie w  dużych skupiskach ludzi następuje szybki przyrost stężenia CO₂. W klasach szkolnych z typową wentylacją grawitacyjną, po 30 minutach lekcji zawartość CO₂ wzrasta nawet 10-krotnie, przekraczając wartość 4000 ppm.  Już wzrost zawartości CO₂ powyżej 1500 ppm powoduje szybki spadek koncentracji czy odczucie senności osób. Aby móc efektywnie prowadzić zajęcia lekcyjne powinno się po każdej lekcji szeroko otworzyć okna, przynajmniej na parę minut.
Stężenie objętościowe CO₂ równe 600 ppm jest przeciętną granicą odczucia świeżego powietrza. W przypadku sal pooperacyjnych wytyczne VDI zalecają nieprzekraczanie wartości 1000 ppm.

W czasie snu, gdy stężenia CO₂ w powietrzu sypialni nad ranem przekracza wartość 3000 ppm CO₂  (rys. 4) powoduje w konsekwencji odczucie braku wypoczynku i złe samopoczucie następnego dnia. Wg niektórych prac medycznych może się to również wiązać również ze zjawiskiem bezdechu, bólami głowy oraz innymi poważnymi konsekwencjami medycznymi.

Wymagane strumienie powietrza wentylacyjnego dla osób w budynku zależą przede wszystkim od ilości wydychanego dwutlenku węgla (aktywności człowieka), ale także od zawartości CO₂ w powietrzu atmosferycznym i dopuszczalnego maksymalnego stężenia CO₂ w powietrzu.
Dobrym przykładem wpływu opisanych czynników są poniższe obliczenia.
Założono, że dopuszczalne stężenie CO₂ w powietrzu w pomieszczeniu wynosi 1000 ppm. Ilość wydychanego CO₂ w zależności od czynności osób podano w tabeli 2.

Ilość wydychanego CO2 w zależności od rodzaju czynności człowieka

Jeżeli przyjmiemy, że powietrze atmosferyczne zawiera stężenie objętościowe CO₂ na poziomie ok. 400 ppm (obszar poza dużymi miastami),  to dla ilości wydychanego CO₂  12 l. /h dla okresu snu, obliczenia zapotrzebowania strumienia powietrza wygląda następująco :
0,012 [m³/h na osobę] / (0,001 – 0,0004 [m³/m³]) = 20  m³/h na osobę.

W przypadku lekkiej pracy biurowej  (24 l. C02 na godzinę ) wynosi ono:
0,024 [m³/h na osobę] / (0,001 – 0,0004 [m³/m³]) = 40  m³/h na osobę.

W dużych miastach np. Warszawie czy Krakowie odnotowuje się wzrost stężenia dwutlenku węgla w świeżym powietrzu na poziomie 450-600 ppm. Przyjmując wartość stężenia CO₂ równą 600 ppm i po ponownym wykonaniu obliczenia przy niezmienionych założeniach, otrzymujemy:

0,012 [m³/h na osobę] / (0,001 – 0,0006 [m³/m³]) = 30 m³/h na osobę oraz
0,024 [m³/h na osobę] / (0,001 – 0,0006 [m³/m³]) = 60 m³/h na osobę

Zapewnienie w sposób ciągły, tak znacznych strumieni powietrza wentylacyjnego w budynkach z wentylacją grawitacyjną w sposób ciągły i w pełni kontrolowany jest zdaniem autora w praktyce nie do osiągnięcia.
W przypadku gdy realny strumień powietrza wentylacyjnego w pomieszczeniu wynosi np. 10 m³/h, to w przypadku osoby śpiącej stężenie objętościowe CO₂ w pomieszczeniu wzrośnie do 1900 ppm (zakładając, że w powietrzu atmosferycznym wynosi ona 400 ppm – poza miastami) i do 2100 ppm  (analogicznie 600 ppm – duże miasto).

Już w XIX wieku szwedzki profesor higieny Elias Heyman (1829-1889) z Instytut Karolinska ze Sztokholmu, po przeprowadzeniu badań nad realnym działaniem wentylacji w domach i szkołach twierdził, że wentylacja grawitacyjna nie jest w stanie zapewnić odpowiedniej jakości powietrza wewnątrz budynków.

Trzeba przyznać, że w przypadku nowych budynków z  instalacjami grawitacyjnymi istnieją już efektywniejsze rozwiązania. Powietrze wentylacyjne w nowych budynkach ze szczelnymi oknami doprowadzane jest przez nawiewniki powietrza z funkcją automatycznej regulacji nawiewu, np. nawiewniki higrosterowalne. Również kratki wywiewne mogą wyposażone być w takie układy regulacji, dzięki czemu efektywność wentylacji wzrasta, a zapotrzebowanie na energię wyraźnie maleje.
To rozwiązanie nie zapewnia jednak w sposób ciągły stałej wymaganej jakości powietrza (np. poziomu stężenia CO₂ w pomieszczeniach).

 Ciągle brak klas energetycznych budynków…

 W projekcie rozporządzenie z 25.09.2013 w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynków… zapowiedziano wprowadzenie klas energetycznych budynków. Miały one zależeć od wartości wskaźnika rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP  dla c.o. i c.w.u. [kWh/(m²rok)]. Aby dom jednorodzinny mógł uzyskać klasę energetyczną A miał zużywać mniej niż 60 kWh/(m² rok) energii pierwotnej na jednostkę powierzchni ogrzewanej rocznie. W przypadku obiektu z instalacją chłodzenia zużycie to miało być mniejsze od 70 kWh/(m² rok).
Przykładowe (proponowane pierwotnie i ostatecznie niewprowadzone!) klasy energetyczne dla budynku jednorodzinnego, wyposażonego w system grzewczy, wentylacyjny i przygotowania ciepłej wody użytkowej podane są w tabeli 3.

Niestety w najnowszym projekcie rozporządzenia ze stycznia 2014 r. Ministerstwo Infrastruktury i Rozwoju wycofało się (na razie) z pomysłu wprowadzenia klas energetycznych budynków. Można by sądzić, że wprowadzenie klas energetycznych spowodowałoby to, że klienci zainteresowani budową nowych obiektów jeszcze mocniej zwracaliby uwagę na energooszczędne budownictwo.

Wymogi EP w 2014, 2017 i 2021 r dla nowych budynków w Polsce

Nowe warunki techniczne budynków, które weszły w życie 1 stycznia 2013 roku, przewidują dalsze zmniejszanie zapotrzebowania nowych domów na energię pierwotną  (EP – energia pozyskiwana bezpośrednio z zasobów nieodnawialnych, potrzebna do ogrzania obiektu i do przygotowania ciepłej wody). Od 2014 roku zapotrzebowanie na EP w nowych budynkach jednorodzinnych nie może być większe niż 120 kWh/(m²rok). Na rok 2017 przewiduje się obniżenie maksymalnego wskaźnika EP do wartości  95 kWh/(m²rok). W  roku 2021 wartość EP będzie wynosić maksymalnie 70 kWh/m²rok.
Europejska Dyrektywa EPBD narzuca od 2021 r. konieczność budowy budynków (w tym domów jednorodzinnych) o tzw. o niemal zerowym zużyciu energii. Bardzo interesujące jest to, że polska definicja takich budynków jest związana z EP o wartości nie 0 kWh/(m² rok), a aż 70 kWh/(m² rok) w 2021 roku.

Znaczenie rozwiązania wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła widać również przy porównaniu zużycia energii pierwotnej w budynku jednorodzinnym dla technologii grzewczych w przykładowym budynku referencyjnym. (obliczenia wstępne bez 100% gwarancji poprawności)
Na rys. 5 pokazano porównanie wskaźników EP (c.o. + c.w.u.) dla różnych technologii grzewczych przy niezmienionych założeniach

• Budynek dwukondygnacyjny 10 x 12 m, dach dwuspadowy A/V = 0,67
• Lokalizacja Warszawa (temperatura projektowa zewnętrzna -20^oC)
• Roczne zapotrzebowanie ciepła użytkowego dla c.o. 39 kWh/m² rok (w przypadku wentylacji grawitacyjnej wartość ta wynosi 74 kWh/m²)
  • Współczynnik przenikania okien U = 0,9 [W/(m²K)]
  • Współczynnik przenikania ścian zewnętrznych 0,2 [W/(m²K)]
  • Współczynnik przenikania poddasza  0,15 [W/(m²K)]
  • W przypadku zastosowania wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, założono że infiltracja powietrza dla budynku wynosi 0,05 h^-1 (założono że wartość infiltracji 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 w budynku wentylacji grawitacyjnej.
    • Współczynnik przenikania podłogi na gruncie 0,3 [W/(m²K)]
    • Zapotrzebowanie c.w.u. ok. 4000 kWh/rok

W perspektywie kolejnych 5-7 lat należy spodziewać znacznego spadku współczynnika nakładu energii pierwotnej w_i dla energii elektrycznej. Tak się stało np. w Niemczech, gdzie wartość w_i w ciągu 10 lat spadnie z 3,0 do 1,8 (w 2016 roku). Autor jest przekonany że do roku 2020 w Polsce wartość w_i dla energii elektrycznej spadnie z 3,0 do ok. 2,4. Jest to związane z przewidywanym „zazielenieniem” się produkcji energii elektrycznej w Polsce. Obecnie, aby uzyskać 1 kWh energii elektrycznej należy zużyć 3 kWh energii pierwotnej. W przyszłości wartość ta spadnie do 2,4.

Oznaczałoby to, że pozycja sprężarkowych elektrycznych pomp ciepła pokazana na rys. 5 uległaby dalszemu polepszeniu się o 20%. Pokazanym przykładzie zarówno zastosowanie pompy ciepła typu solanka/woda (gruntowa),  jak i typu powietrze/woda pozwoliłyby osiągnąć klasę energetyczną A budynku. Wg aktualnych analiz w ciągu najbliższych kliku lat nastąpi też zwiększenie efektywności pomp ciepła (COP, a w konsekwencji SCOP) o kolejne 10-15%.

 Porównanie kosztów rocznych opisanych rozwiązań

 Aby móc poprawnie policzyć koszty finansowania i porównać alternatywne rozwiązania o różnych okresach użytkowania elementów instalacji, można użyć metody całkowitych równoważnych kosztów rocznych.  Uznanym i powszechnie stosowanym w Niemczech narzędziem, używanym w przypadku analizy ekonomicznej całkowitych równoważnych kosztów rocznych dla porównania różnych technologii grzewczych są wytyczne Związku Inżynierów Niemieckich VDI 2067. Na całkowite koszty roczne składają się koszty zużycia energii, koszty kapitałowe (zakłada się wzięcie standardowo oprocentowanego kredytu) oraz koszty konserwacji (napraw, części zamiennych i przeglądów).
W kosztach kapitałowych ujęte są różne okresy użytkowania poszczególnych elementów instalacji np. pompa ciepła 20 lat, dolne źródło 50 lat, pomieszczenie kotłowni 40 lat itd. W tym celu nakłady inwestycyjne są przedstawiane w postaci stałych, rocznych kosztów kapitałowych. Koszty inwestycyjne mnoży się przez współczynnik równoważnych kosztów rocznych lub współczynnik opłaty rocznej, którego wartość zależy od okresu użytkowania określonego elementu inwestycji oraz od stopy procentowej i okresu kredytu.
W opisywanym przykładzie koszt roczny pomp ciepła typu solanka/woda wraz z wentylacją mechaniczną z odzyskiem ciepła jest porównywalny z rocznym kosztem kotła gazowego kondensacyjnego w budynku z wentylacją naturalną (rys. 6). Przy czym koszty inwestycyjne pompy ciepła (na początku inwestycji) są znacząco wyższe, koszty eksploatacji wyraźnie niższe (nawet o 45-50%). W inwestycji w gazowy kocioł kondensacyjny z instalacją z kolektorami słonecznymi do c.w.u. i rekuperacją roczne koszty znacznie przewyższają koszty roczne pomp ciepła z rekuperacją.
Najbardziej optymalnym rozwiązaniem jest zastosowanie pompy ciepła powietrze/woda z systemem wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła (rekuperacją).
Udział kosztów serwisu (napraw i części zamiennych i przeglądów) pomp ciepła pokazany na wykresie, bierze się z przyjętej metodologii wytycznych VDI 2067, która zakłada, że roczne koszty napraw (konserwacji) są na poziomie ok. 1-2% kosztów inwestycyjnych.
Szwajcarskie badania pomp ciepła FAWA pokazują, że koszty roczne napraw i przeglądów dla pomp ciepła są wyraźnie niższe i nie przekraczają wartości 1% rocznie.

 Klasy energetyczne budynku (energia pierwotna EP czy użytkowa EU a może energia końcowa EK?

W projekcie rozporządzenia o certyfikacji energetycznej budynków z połowy 2013 roku zakładano, że klasy energetyczne będą opierać się o zużytą energię pierwotną na cele centralnego ogrzewania i ciepłej wody. Po wielu głosach krytyki ostatecznie MIR wycofało się z takiego pomysłu. Takie kryterium dla systemu etykiet energetycznych budynków byłoby kompletnie niezrozumiałe dla potencjalnych użytkowników budynku. Zdaniem autora jedynym w pełni zrozumiałym kryterium może być uzależnienie klas energetycznych budynków od zużytej energii końcowej EK. Przykład takiego rozwiązania wdrożonego na rynku niemieckim pokazany jest na rys. 7 wraz z odpowiednim zastosowaniem różnych technologii grzewczych. Charakterystyki energetyczne budynków i klasy energetyczne budynków w Niemczech od 2016 roku, będą opierać o zużytą energię końcową. Nowe świadectwa charakterystyki energetycznej budynków będą też zawierać klasy energetyczne budynków, podobnie jak sprzęt AGD czy inne urządzenia zużywające energię. Klasy energetyczne zaczynają się od klasy A+, a kończą na klasie H.  Najwyższe klasy energetyczne A+ pozwoli osiągnąć zastosowanie sprężarkowych zasilanych elektrycznie pomp ciepła, w tym również sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze/woda. Stosunkowo wysokie klasy energetyczne A pozwoli osiągnąć zastosowanie gazowych pomp ciepła i układów hybrydowych np. kocioł gazowy z pompą ciepła typu powietrze/woda. W przypadku pozostałych technologii, bez zastosowania wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła w budynku trudno będzie uzyskać wysokie klasy energetyczne budynku, takie jak A czy B. Należy mieć nadzieję, że również w Polsce wprowadzone zostaną klasy energetyczne budynków w oparciu o zużytą energię końcową. Również przeprowadzona dyskusja branżowa wskazuję, że to rozwiązanie jest też najbardziej prawdopodobne i do zastosowania w Polsce.

Literatura i źródła (niektóre zawierają linki do plików w internecie)

1)      Kati Jagnow „Verfahren zur energetischen und wirtschaftlichen Bewertung von Qualitätssicherungsmaßnahmen in der Heizungsanlagentechnik.” 2004
2)      Wolff, Jagnow, Halper, Ullrich, Felduntersuchungen zur Begrenzung des natürlichen und erzwungenen Transmissions- und Lüftungswärmeverbrauchs…, 2002
3)      Projekt rozporządzenie z 25.09.2013 w sprawie metodologii  obliczanie charakterystyki energetycznej budynków…
4)      Wytyczne VDI 2067 cz. 1 i własny arkusz obliczeniowy zgodny z VDI 2067
5)      Arkusz obliczeniowy strumieni powietrza i stężenia CO₂ dla różnej aktywności osób
6)      Program komputerowy CASAnowa wersja 3.
7)      Analiza wymagań techniczno-budowlanych dotyczących ochrony cieplnej budynków, celem ustalenia wymagań minimalnych w zakresie charakterystyki energetycznej i przedstawienia propozycji zmian zgodnie z dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków – Etap II – Opracowanie końcowe
8)      Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej w sprawie badań i pomiarów czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz. U. nr 79/1998) z późniejszymi zmianami.
9)      Pettenkofer und Voit, Untersuchungen über den Stoffverbrauch des normalen Menschen, Zeitschrift für Biologie, 1866, 2, p. 459
10)  ASHRAE Standard 62-2001, Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality.  American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers