Climatstore

Artykuł Dodaj artykuł

Wentylacja budynków mieszkalnych: odzysk ciepła z usuwanego powietrza i z energii geotermalnej

Niegdyś wentylacji nie poświęcano szczególnej uwagi ze względu na liczne nieszczelności w budynkach oraz brak powszechnej świadomości na temat zagrożeń dla ludzkiego zdrowia wynikających z oddychania zanieczyszczonym powietrzem. 

mgr inż. Natalia KOŁACIŃSKA
Wydział Mechaniczny
Politechnika Gdańska

Niegdyś wentylacji nie poświęcano szczególnej uwagi ze względu na liczne nieszczelności w budynkach oraz brak powszechnej świadomości na temat zagrożeń dla ludzkiego zdrowia wynikających z oddychania zanieczyszczonym powietrzem.

W obecnych czasach kładzie się szczególny nacisk na wysoką efektywność energetyczną w budownictwie, która nie tylko pozwala ograniczyć wydatki, lecz także, dzięki idei powtórnego wykorzystania energii odpadowej, minimalizuje niekorzystny wpływ eksploatacji budynku na środowisko. Prawidłowy dobór systemu wentylacji w domu jednorodzinnym wymaga od jego projektanta oraz użytkownika znajomości zasady działania instalacji oraz różnych metod zarówno wentylacji, jak i odzysku ciepła.

1. WENTYLACJA BUDYNKÓW MIESZKALNYCH

1.1 Przegląd systemów wentylacji

Wentylację definiuje się jako wymianę powietrza między budynkiem a otoczeniem zewnętrznym, polegającą na usuwaniu powietrza zużytego i doprowadzaniu powietrza świeżego o określonej temperaturze. Podstawowym zadaniem wentylacji jest zapewnienie odpowiednich warunków cieplno-wilgotnościowych oraz higieniczno-zdrowotnych wpływających na organizm ludzki. Odbywa się to przez poprawienie stanu i składu chemicznego powietrza w pomieszczeniu.

Wentylacja budynków mieszkalnych powinna działać w sposób ciągły zapewniając stałą wymianę powietrza, dostarczać powietrze do wszystkich pomieszczeń oraz posiadać możliwość regulacji w celu dostosowania się do warunków pogodowych oraz okoliczności panujących w domu. Ogólny podział systemów wentylacji przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1. Ogólny podział systemów wentylacji (opr. wł. na podst. [1, 2])
Rys. 1. Ogólny podział systemów wentylacji (opr. wł. na podst. [1, 2])

Wentylację ze względu na obszar działania, dzieli się na wentylację ogólną, wentylację miejscową oraz wentylację lokalizującą. Wentylacja ogólna polega na równomiernej wymianie powietrza w całej kubaturze pomieszczenia. Wentylacja miejscowa obejmuje tylko wydzielony obszar pomieszczenia, w którym należy zapewnić odpowiedni stan powietrza. Zadaniem wentylacji lokalizującej jest usuwanie zanieczyszczonego lub gorącego powietrza w miejscu jego powstawania i zastępowanie go powietrzem świeżym.

Wśród wentylacji ogólnej wyróżnia się wentylację mechaniczną oraz wentylację naturalną. Na skutek różnicy gęstości powietrza, wynikającej z różnicy jego temperatury, między wnętrzem budynku a środowiskiem zewnętrznym powstaje różnica ciśnienia. Dzięki niej masy powietrza w sposób samoczynny wpływają do i wypływają z obiektu dążąc do wyrównania ciśnienia. Na intensywność takiej wentylacji wpływ ma przede wszystkim znaczna różnica temperatury między pomieszczeniem a otoczeniem oraz oddziaływanie wiatru, dzięki któremu możliwe jest osiągnięcie większej różnicy ciśnienia. Podstawowymi mechanizmami naturalnej wymiany powietrza między budynkiem a środowiskiem są procesy infiltracji oraz eksfiltracji. W wyniku dążenia do wyrównania ciśnienia między obiektem a środowiskiem zewnętrznym, przez nieszczelności w przegrodach budowlanych następuje samoczynny wypływ oraz napływ powietrza. Do innych sposobów wentylacji pomieszczeń zalicza się przewietrzanie przez otwieranie okien i drzwi lub aerację, czyli ciągłą wymianę powietrza przez specjalnie zaprojektowane otwory nawiewne oraz wywiewne z funkcją dowolnej regulacji przepływu.

Ostatnim rodzajem wentylacji naturalnej jest wentylacja grawitacyjna realizowana przez zastosowanie pionowych przewodów wentylacyjnych. Wymiana powietrza jest zapewniana dzięki różnicy temperatur wewnątrz i na zewnątrz budynku. Wentylacja grawitacyjna (rys. 2a) może być dodatkowo wspomagana przez wywietrzniki umieszczone na dachu budynku.

Rozwiązania systemu wentylacji w budynku mieszkalnym - wentylacja naturalna grawitacyjna Rozwiązania systemu wentylacji w budynku mieszkalnym - wentylacja mechaniczna wywiewna
Rys. 2. Rozwiązania systemu wentylacji w budynku mieszkalnym [3]: a) wentylacja naturalna grawitacyjna, b) wentylacja mechaniczna wywiewna

Wywietrzniki w celu wentylacji wykorzystują ruch wiatru, którego obecność umożliwia osiągnięcie większej różnicy ciśnień i zasysanie powietrza do wnętrza obiektu. Jednak w przypadku pogody bezwietrznej obecność wywietrzników powoduje dodatkowe opory przepływu powietrza pogarszające skuteczność działania wentylacji (wywietrzniki wykorzystując efekt naporu wiatru zasysają powietrze z otworów wentylacyjnych). Projektowanie systemu wentylacji naturalnej powinno być uwarunkowane przez położenie budynku względem kierunku wiatru. W pomieszczeniach szczególnie zanieczyszczonych lub o znacznej emisji pary wodnej, otwory wywiewne powinny znajdować się na dachu w strefie podciśnienia wywołanego przez wiatr, co pokazano na rysunku 3.

Rys. 2. Rozwiązania systemu wentylacji w budynku mieszkalnym [3]: a) wentylacja naturalna grawitacyjna, b) wentylacja mechaniczna wywiewna
Rys. 3. Przepływ powietrza wokół budynku omywanego przez wiatr [1]

W chłodnych strefach klimatycznych wentylacja naturalna może powodować zbyt intensywne wyziębianie budynków. Z kolei w obszarach cieplejszych ze względu na zbliżone temperatury otoczenia i wnętrza budynku nie występuje wystarczająca różnica ciśnienia stanowiąca siłę napędową wymiany powietrza zużytego na świeże. W niektórych przypadkach może to prowadzić również do niepożądanego ogrzewania się pomieszczeń przez otwory wentylacyjne. Obecnie w nowoczesnych realizacjach w celu ograniczenia strat ciepła, projektuje się szczelne budynki mieszkalne, w których wymiana powietrza przez nieszczelności jest niewystarczająca. Wówczas konieczne jest zastosowanie ogólnej wentylacji mechanicznej z zastosowaniem urządzeń mechanicznych napędzanych elektrycznie, która zapewnia dopływ powietrza świeżego do budynku oraz wyprowadzenie z jego wnętrza zanieczyszczeń i nadmiaru wilgoci.

Do wentylacji mechanicznej zalicza się wentylację nawiewną, która polega na doprowadzeniu powietrza do pomieszczenia w sposób wymuszony. Wówczas tworzy się w nim nadciśnienie powodujące wypływ powietrza przez nieszczelności lub specjalne otwory w sposób naturalny. Analogicznie działa wentylacja wywiewna (rys. 2b) polegająca na mechanicznym usuwaniu powietrza zużytego. W wyniku panującego w pomieszczeniu podciśnienia, powietrze świeże samoczynnie napływa przez nieszczelności i otwory w przegrodach. Połączeniem wyżej wymienionych sposobów jest wentylacja nawiewnowywiewna charakteryzująca się zorganizowanym przepływem powietrza w obu kierunkach. Zasada działania wentylacji nawiewno-wywiewnej została przedstawiona na rysunku 4.

Rys. 3. Przepływ powietrza wokół budynku omywanego przez wiatr [1]
Rys. 4. Schemat ideowy jednoprzewodowego systemu wentylacji o zmiennej temperaturze powietrzanawiewanego i otwartym przepływie powietrza [1]: Cz – czerpnia powietrza, 1 – kanał
czerpalny, 2 – przepustnica odcinająca, F – filtr powietrza, N – nagrzewnica, WN – wentylator
nawiewny, Ctp – czujnik temperatury w pomieszczeniu, Rtp – regulator temperatury powietrza, Z –
zawór regulacyjny, S – siłownik, TA – tłumik akustyczny, 3 – przewód nawiewny, 4 – nawiewniki,
5 – kanał wywiewny, WW – wentylator wywiewny, 6 – przepustnica, Wy – wyrzutnia powietrza
zanieczyszczonego

 

 

Głównym zadaniem zrównoważonej wentylacji mechanicznej jest utrzymywanie właściwej czystości powietrza oraz niedopuszczenie do nadmiernego wzrostu jego temperatury w okresie ciepłym. Jednak w niektórych przypadkach urządzenia wentylacyjne mogą w okresie zimnym pełnić również funkcję ogrzewania. Mówi się wtedy o urządzeniach z nagrzewnicą powietrza nawiewanego. Urządzenia tego typu stosowane są zazwyczaj w obiektach przemysłowych, w których wydzielane są znaczne ilości zanieczyszczeń. Ogrzewanie grzejnikowe obecne w budynku nie jest w stanie pokryć strat ciepła związanych z wentylacją, co mogłoby prowadzić do wyziębiania obiektu. Cechą charakterystyczną urządzeń z nagrzewnicą jest stała wartość temperatury powietrza nawiewanego. Innym rozwiązaniem pozwalającym na znaczne ograniczenie kosztów ponoszonych na ogrzewanie powietrza nawiewanego, są urządzenia wentylacyjne z funkcją recyrkulacji powietrza. Sposób ten zakłada skierowanie części powietrza wywiewanego z pomieszczenia wentylowanego do komory mieszania, w której łączy się ono z chłodnym powietrzem świeżym. Następnie zmieszane powietrze o temperaturze wyższej od temperatury powietrza zewnętrznego jest nawiewane do budynku. Należy jednak pamiętać, że w obiektach, w których wydzielają się substancje toksyczne lub łatwopalne, uciążliwe zapachy lub pył, rozwiązanie to jest niedozwolone.

Cechą charakterystyczną wentylacji mechanicznej jest utrzymywanie strumienia przepływu powietrza na stałym poziomie lub jego regulacja. W przypadku regulacji strumienia powietrza dostarczanego do pomieszczenia przy zachowaniu stałej jego temperatury mówi się o urządzeniach o zmiennym strumieniu powietrza wentylującego VAV (ang. Variable Air Volume).

W obszarach klimatu cieplejszego urządzenia wentylacyjne zapewniające wyłącznie wymianę powietrza w budynku mogą okazać się niewystarczające. Bardziej rozbudowane układy zapewniające nie tylko wentylację i dogrzewanie powietrza, lecz także jego chłodzenie nazywa się urządzeniami klimatyzacji komfortu. Klimatyzacja jest formą uzdatniania powietrza realizowaną przez utrzymywanie właściwej temperatury, wilgotności i wymiany powietrza przy uwzględnieniu jego czystości.

Przed przystąpieniem do projektowania systemów wentylacji należy określić wymagania prawne stawiane parametrom powietrza wentylacyjnego w obiekcie, a także uwzględnić przepisy dotyczące rozmieszczenia elementów instalacji oraz sieci przewodów wentylacyjnych.

1.2 Przepisy prawne

Przepisy zawarte w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2014 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [4] regulują zagadnienia dotyczące projektowania instalacji wentylacyjnych. Według polskiego prawa wentylacja powinna uwzględniać równowagę między ekonomią a aspektami ochrony środowiska, czyli zapewniać odpowiedni stan powietrza wewnątrz pomieszczenia przy zachowaniu racjonalnego zużycia energii.

Wytyczne do projektowania systemów wentylacji obejmują:

  • lość powietrza świeżego, powietrza usuwanego oraz powietrza recyrkulacyjnego;
  • organizację przepływu powietrza przez pomieszczenie obejmującego doprowadzenie, rozdział i wyprowadzenie powietrza;
  • sposób ograniczenia hałasu oraz drgań;
  • dobór oraz rozmieszczenie elementów instalacji i urządzeń, a także przewodów wentylacyjnych.

Powietrze powinno mieć odpowiednią czystość, temperaturę, wilgotność oraz prędkość przepływu przy zachowaniu wymagań Polskich Norm, warunków bezpieczeństwa pożarowego oraz wymagań akustycznych.

Wentylacja jest niezbędna w strefach przebywania ludzi, w pomieszczeniach bez otwieranych okien oraz w innych obiektach, gdzie konieczne jest zapewnienie właściwego stanu powietrza ze względów technologicznych oraz bezpieczeństwa.

W budynkach, w których uzyskanie odpowiedniej jakości środowiska wewnętrznego za pomocą wentylacji grawitacyjnej jest niemożliwe, należy zastosować wentylację mechaniczną. W pomieszczeniach z wentylacją mechaniczną zabrania się stosowania wentylacji grawitacyjnej oraz wentylacji hybrydowej.

Wentylację awaryjną, czyli dodatkową wentylację wywiewną stosuje się w budynkach, w których istnieje prawdopodobieństwo wydzielania się substancji toksycznych lub substancji stwarzających zagrożenie wybuchem. Wentylacja awaryjna musi posiadać możliwość uruchamiania zarówno  z  wewnątrz,  jak i z zewnątrz pomieszczenia. W przypadku miejscowego wydzielania substancji szkodliwych w wyniku procesów technologicznych, można zastosować odciągi miejscowe współpracujące z wentylacją ogólną. W przypadku każdego rodzaju wentylacji należy zapewnić możliwość regulacji wydajności wentylatora.

Polska Norma [5] określa wymagania stawiane systemom wentylacji ze względu na ilość powietrza doprowadzanego do obiektu. W budynkach mieszkalnych strumień powietrza świeżego powinien wynosić co najmniej 20 m3/h na osobę, przy czym stała liczba osób przebywających w budynku jest uwzględniona w jego projekcie. W przypadku pomieszczeń zakładów pracy stan strumienia powietrza zewnętrznego odpowiada wymaganiom zgodnym z przepisami o bezpieczeństwie i higienie pracy. W przypadku, gdy powietrze zewnętrzne jest zanieczyszczone, konieczne jest jego oczyszczenie przed wprowadzeniem do budynku. Przepis ten nie obowiązuje w odniesieniu do budynków jednorodzinnych, mieszkalnych w zabudowie zagrodowej czy budynków rekreacji indywidualnej.

W budynkach z pomieszczeniami o różnym stopniu zanieczyszczenia powietrza, kierunek przepływu powietrza powinien przebiegać od pomieszczeń mniej zanieczyszczonych do pomieszczeń bardziej zanieczyszczonych. W budynkach mieszkalnych należy zapewnić kierunek przepływu powietrza od pokoi do pomieszczeń higieniczno-sanitarnych. Garaże oraz pomieszczenia gospodarcze, w których nie przebywają ludzie mogą być wentylowane powietrzem z innych pomieszczeń, z wyłączeniem kuchni i łazienek. Przepisy zabraniają łączenia ze sobą przewodów wentylacyjnych pomieszczeń zwyczajnych z przewodami pomieszczeń strefy zagrożenia wybuchem czy pomieszczeń specjalnych o nietypowych wymaganiach sanitarnych.

Budynki użyteczności publicznej oraz hale produkcyjne muszą mieć zapewnioną wentylację mechaniczną okresową umożliwiającą jej wyłączenie poza okresem użytkowania pomieszczeń. W przypadku obecności źródeł zanieczyszczeń, pary wodnej lub miejsc wydzielania ciepła, powinno się zapewnić stałą wentylację lub wentylację okresową regulowaną poziomem stężenia zanieczyszczeń czy ilości wydzielanego ciepła.

Obecne w pomieszczeniu inne urządzenia pobierające powietrze nie powinny stanowić przeszkody na drodze przepływu powietrza ani obniżać skuteczności wentylacji. Występujące w pomieszczeniu urządzenia gazowe pobierające powietrze z wewnątrz i grawitacyjnie odprowadzające spaliny przewodami kominowymi oraz paleniska na paliwo stałe lub płynne eliminują możliwość zastosowania mechanicznej wentylacji wyciągowej. W wyżej wymienionych sytuacjach zaleca się stosowanie zrównoważonej wentylacji nawiewno-wywiewnej lub wentylacji nadciśnieniowej.

 

Wytyczne zawarte w omawianym rozporządzeniu [4] mówią także o wymaganiach odnoszących się do odzysku ciepła z wentylacji. Odzyskiwanie ciepła z powietrza wywiewanego jest obligatoryjne w przypadku systemów zrównoważonej wentylacji mechanicznej o wydajności nie mniejszej niż 500 m3/h i o sprawności temperaturowej co najmniej 50% dla układów odzysku ciepła. Przepisy nakazują wykorzystanie zabezpieczeń mających na celu ograniczenie przenikania ciepła między strumieniami powietrza wymieniającymi ciepło obecnymi w układach odzysku ciepła. W przypadku płytowych wymienników ciepła lub rurek ciepła dopuszczalne przenikanie objętości strumienia powietrza wywiewanego wynosi 0,25%, a w przypadku obrotowego wymiennika ciepła 5%. Zastosowanie recyrkulacji powietrza jest dozwolone, gdy pomieszczenie wentylowane jest pozbawione bakterii chorobotwórczych, substancji trujących lub nieprzyjemnych zapachów. Wielkość zalecanego strumień powietrza zewnętrznego jest określana na podstawie wymagań higienicznych.

Rozporządzenie ściśle określa dozwolone możliwości rozmieszczenia czerpni oraz wyrzutni powietrza. Umiejscowienie czerpni i wyrzutni powinno umożliwiać ich zabezpieczenie przed warunkami atmosferycznymi oraz oddalenie od stref zagrożenia wybuchem. Lokalizacja czerpni powinna być uwarunkowana możliwością pobieranie najczystszego powietrza w znacznej odległości od wyrzutni powietrza, a także z dala od chłodni kominowych lub innych podobnych obiektów. Przepis nie obowiązuje w przypadku zblokowanych urządzeń wentylacyjnych z rozdziałem strumieni powietrza wyprowadzanego z wyrzutni i powietrza doprowadzanego do czerpni. Powietrze usuwane przez wyrzutnie powinno zostać oczyszczone przed uwolnieniem do atmosfery, a w przypadku powietrza zanieczyszczonego uwalnianego do środowiska należy zapewnić właściwą odległość wyrzutni od okien i drzwi. Lokalizacja wyrzutni nie powinna mieć wpływu na ludzkie zdrowie ani konstrukcję budynku. Rozporządzenie określa minimalne odległości między wyrzutnią a czerpnią. Wyrzutnia i czerpnia umiejscowione na dachu budynku mieszkalnego, powinny być oddalone od siebie o co najmniej 10 m przy wyrzucie poziomym i 6 m przy wyrzucie pionowym, a wyrzutnia powinna znajdować się co najmniej 1 m powyżej czerpni [4].

Projekt kanałów wentylacyjnych powinien uwzględniać maksymalne ciśnienie w instalacji, a materiały konstrukcyjne przewodów powinny być dobrane na podstawie warunków w nich panujących oraz właściwości przepływającego przez nie powietrza. Dodatkowo przewody wykonane z blachy nie powinny wykazywać zbyt dużych ugięć oraz powinny odpowiadać klasie A szczelności. Przewody powinny być izolowane cieplnie, zabezpieczone przed uszkodzeniami mechanicznymi, a także wyposażone w otwory rewizyjne.

Instalacja wentylacji mechanicznej powinna umożliwiać ich kontrolę, konserwację, naprawy i wymianę. Za pomocą filtrów należy zabezpieczać instalację przed zanieczyszczeniami. Nakazuje się wyposażanie obiegów recyrkulacyjnych w przepustnice umożliwiające regulację strumienia przepływu powietrza. Nawilżacze powietrza powinny być zabezpieczone przed przeciekiem wody oraz przenoszeniem wody do wnętrza instalacji.

Zgodnie z rozporządzeniem należy stosować mało energochłonne wentylatory przy jednoczesnym zachowaniu sprawności odzysku ciepła nie mniejszej niż 50%. Przepisy podają maksymalne dopuszczalne wartości mocy właściwej wentylatorów w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych oraz maksymalne dopuszczalne zwiększenie mocy wentylatora. Wartości dopuszczalne zestawiono w tabelach 1 oraz 2.

Konstrukcja budynków użyteczności publicznej powinna zezwalać na otwieranie okien obejmujących co najmniej połowę wymaganej powierzchni. Otwieranie oraz regulacja stopnia otwarcia okien i drzwi w budynkach użyteczności publicznej powinna być nieskomplikowana. Obiekty ze szczelnymi oknami i drzwiami ograniczającymi procesy infiltracji i eksfiltracji powietrza powinny być wyposażone w mechaniczną wentylację nawiewną.

Tabela 1. Moc właściwa wentylatorów stosowanych w instalacjach wentylacyjnych [4]

Typ wentylatora Zastosowanie wentylatora

Maksymalna moc właściwa wentylatora [kW/(m³/s)]

Wentylator nawiewny Instalacja klimatyzacji lub wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła 1,60
Instalacja klimatyzacji
lub wentylacji nawiewno-wywiewnej bez odzysku ciepła oraz wentylacji nawiewnej
1,40
Wentylator wywiewny Instalacja klimatyzacji lub wentylacji nawiewno- wywiewnej z odzyskiem ciepła 1,00
Instalacja wentylacji nawiewno- wywiewnej bez odzysku ciepła 1,00
Instalacja wywiewna 0,80


Tabela 2. Dopuszczalne zwiększenie mocy wentylatora [4]

Dodatkowe elementy instalacji wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej

Dodatkowa moc właściwa wentylatora [kW/(m³/s)]
Dodatkowy stopień filtracji powietrza 0,3
Dodatkowy stopień filtracji powietrza z filtrami klasy H10 i wyższej 0,6
Filtry do usuwania gazowych zanieczyszczeń powietrza 0,3
Wysoko skuteczne urządzenie do odzysku ciepła (sprawność temperaturowa
>90%)
0,3

1.3 Podsumowanie

Stosowanie wentylacji naturalnej powoduje niekontrolowaną wymianę ciepła między otoczeniem a budynkiem, która zwykle prowadzi do wyziębiania obiektu zimą oraz jego ogrzewania latem. Z tego powodu stosuje się zrównoważoną wentylację mechaniczną wykorzystującą energię z zewnątrz do napędu urządzeń wymuszających stały przepływ powietrza. Przepisy prawne odnośnie wentylacji oraz odzysku ciepła z powietrza usuwanego określają precyzyjnie wszystkie zasady dotyczące projektowania instalacji. Prawo narzuca minimalne odległości między poszczególnymi elementami systemu, które muszą zostać zapewnione przez projektanta. Odzyskiwanie ciepła z powietrza usuwanego do otoczenia jest obowiązkowe w przypadku systemów zrównoważonej wentylacji mechanicznej o wydajności co najmniej 500 m3/h i o sprawności temperaturowej co najmniej 50% dla układów odzysku ciepła. Zgodnie z prawem należy stosować w układach wentylatory energooszczędne o mocy właściwej nie przekraczającej 1,6 kW/(m³/s).

 

2. METODY ODZYSKU CIEPŁA Z UKŁADU WENTYLACJI

W celu poprawy efektywności energetycznej budynków coraz częściej stosuje się metody odzysku pozwalające wykorzystać energię zakumulowaną w ciepłym powietrzu wywiewanym z pomieszczeń. Na rysunku 5 przedstawiono ogólny podział rozwiązań technicznych umożliwiających odzysk ciepła z wentylacji.

Rys. 5. Ogólny podział metod odzysku ciepła z wentylacji (opr. wł. na podst. [1, 2])
Rys. 5. Ogólny podział metod odzysku ciepła z wentylacji (opr. wł. na podst. [1, 2])

2.1 Odzysk ciepła w układach bez medium pośredniczącego

W centralach wentylacyjnych z odzyskiem ciepła najczęściej spotyka się rekuperatory lub wymienniki regeneracyjne. W wymiennikach tych, zaliczanych do układów bez medium pośredniczącego, przekazywanie ciepła odbywa się bez udziału dodatkowego czynnika roboczego. Rekuperatory wyposażone są w nieruchomą, nieprzepuszczalną przeponę rozdzielającą strumienie powietrza nawiewanego do i wywiewanego z pomieszczenia. Rozporządzenie [4] dopuszcza maksymalne przecieki powietrza wywiewanego do powietrza nawiewanego wynoszące 0,25%. Krzyżowo-płytowe wymienniki ciepła zbudowane są z zestawu płyt. Przez utworzone między płytami szczeliny w sposób krzyżowy przepływają dwa strumienie powietrza, co zostało pokazane na rysunku 6.

Rys. 6. Zasada działania krzyżowo-płytowego wymiennika ciepła z przykładowymi wartościami temperatury dla zimy [6]
Rys. 6. Zasada działania krzyżowo-płytowego wymiennika ciepła z przykładowymi wartościami temperatury dla zimy [6]

Oprócz różnicy temperatury między strumieniami powietrza oraz natężenia ich przepływu, na sprawność odzysku ciepła wpływa budowa wymiennika krzyżowo-płytowego oraz rodzaj materiałów, z jakich został on wykonany. Chociaż tworzywa sztuczne charakteryzują się gorszym przewodnictwem cieplnym w porównaniu do metali, wykazują większą odporność na czynniki agresywne. Kolejnym sposobem poprawy sprawności jest zwiększenie powierzchni wymiany ciepła przez zmniejszenie rozstawu lamel czy zastosowanie wkładek lub przetłoczeń. Niestety stosowanie tych metod skutkuje zwiększeniem oporów przepływu powietrza. Innym, udoskonalonym typem rekuperatorów są wymienniki przeciwprądowo-płytowe, w których wymiana ciepła zachodzi między strumieniami powietrza przepływającymi równolegle i przeciwprądowo. Charakteryzują się one wyższą sprawnością odzysku ciepła oraz mniejszym ryzykiem zaszronienia. Wymienione zalety można przypisać także wymiennikowi spiralnemu przeznaczonemu do odzysku ciepła. Wymiennik tego typu wykonany w kształcie cylindra zbudowany jest ze zwiniętych w spiralę arkuszy blachy.

Wymiana ciepła między przeponami spiralnymi odbywa się w przeciwprądzie. Na rysunku 7 przedstawiono wymienniki: przeciwprądowo-płytowy (a) oraz spiralny (b).

Rys. 7. Zasada działania rekuperatora [7, 8]: a) wymiennik przeciwprądowo-płytowy, b) wymiennik
Rys. 7. Zasada działania rekuperatora [7, 8]:
a) wymiennik przeciwprądowo-płytowy, b) wymiennik

Zasadniczą zaletą rekuperatorów jest ich prostota konstrukcyjna oraz brak elementów ruchomych, dlatego stosunkowo rzadko ulegają one awarii. Z uwagi na brak konieczności doprowadzania energii do napędu, jak to ma miejsce w przypadku regeneracyjnych wymienników ciepła, eksploatacja rekuperatorów jest tańsza. Również koszt ich zakupu jest stosunkowo niski. Do wad krzyżowo-płytowych wymienników ciepła zalicza się niską wartość sprawności odzysku ciepła, która kształtuje się na poziomie ok. 60% [2], zwiększone ryzyko zaszronienia powierzchni wymiany ciepła, a także dość duże wymiary. Przeciwprądowo-płytowe oraz spiralne wymienniki ciepła oferują znacznie wyższe wartości sprawności odzysku ciepła oscylujące w granicach 70-90% [2], a także zmniejszone ryzyko zaszronienia. Jednak ich przewaga w tym zakresie została okupiona zwiększonymi gabarytami.

 

Drugą grupę rozwiązań bez medium pośredniczącego reprezentują regenracyjne wymienniki ciepła o działaniu cyklicznym. Temperatura masy akumulacyjnej wymiennika wzrasta w wyniku odbierania ciepła od strumienia powietrza wywiewanego z budynku. Następnie zakumulowane ciepło zostaje przekazane do strumienia powietrza świeżego. Materiał akumulacyjny ochładza się a nagrzane powietrze trafia do wnętrza wentylowanego budynku. W układach tych odzysk ciepła jest realizowany na dwa sposoby: w obrotowych oraz w nieobrotowych wymiennikach ciepła.

Regenerator obrotowy (rys. 8) składa się z napędzanego silnikiem elektrycznym, ruchomego wirnika z wypełnieniem metalowym umożliwiającego wymianę ciepła między powietrzem wywiewanym i powietrzem nawiewanym. Gdy połowa przekroju wirnika znajduje się w świetle kanału powietrza o wyższej temperaturze, następuje tam przekazywanie ciepła do masy akumulacyjnej. Jednocześnie druga, nagrzana w poprzednim cyklu, połowa przekroju wirnika oddaje ciepło do strumienia powietrza o niższej temperaturze.

Rys. 8. Zasada działania regeneracyjnego obrotowego wymiennika ciepła z przykładowymi wartościami temperatury dla zimy [8]
Rys. 8. Zasada działania regeneracyjnego obrotowego wymiennika ciepła z przykładowymi wartościami temperatury dla zimy [8]

Regeneracja może być także realizowana przez odpowiednią organizację kierunków przepływu dwóch strumieni powietrza za pomocą zestawu przepustnic z mechanizmem napędowym. Wymiennik regeneracyjny nieobrotowy posiada dwa bloki materiałów akumulacyjnych, przez które naprzemiennie przepływają strumienie powietrza wentylacyjnego. Gdy w jednym bloku zachodzi przekazywanie ciepła od masy akumulacyjnej do strumienia powietrza, w drugim bloku miejsce ma proces odwrotny. Po przesterowaniu przepustnic następuje przełączenie kanałów powietrza.

W porównaniu do rekuperatorów, regeneracyjny obrotowy wymiennik ciepła charakteryzuje się wyższą sprawnością odzysku ciepła oraz mniejszymi wymiarami. Również ryzyko zaszronienia powierzchni wymiennika jest stosunkowo niewielkie. W układach tych możliwy jest odzysk nie tylko ciepła, ale i wilgoci, a wydajność wymiennika może być płynnie regulowana przez zmianę prędkości obrotowej wirnika. Niestety, urządzenia te są droższe z uwagi na złożoność konstrukcji oraz obecność części ruchomych, które dodatkowo zwiększają koszty eksploatacyjne z racji konieczności doprowadzania energii do napędu wirnika. Co więcej, takie urządzenia nie mogą być stosowane we wszystkich typach obiektów ze względu na trudności w zapewnieniu ich szczelności. Istnieje ryzyko przenikania zapachów, a nawet związków trujących ze strumienia powietrza wywiewanego do strumienia powietrza nawiewanego. Nieruchomy regenerator w tym obszarze osiąga lepsze wyniki, ponieważ uszczelnienie nieruchomych bloków akumulacyjnych jest mniej kłopotliwe. W regeneratorach nieruchomych można uzyskać jeszcze wyższą sprawność odzysku ciepła z powodu wydłużonego czasu kontaktu powietrza z masą akumulacyjną, co niesie za sobą konieczność zakupu aparatu o znacznie większych gabarytach.

Wszystkie zaprezentowane w powyższym punkcie wymienniki odzysku ciepła mogą pracować w dwojaki sposób: w trybie letnim oraz w trybie zimowym. W czasie zimy temperatura powietrza zewnętrznego jest przeważnie zbyt niska, aby mogło ono być bezpośrednio wprowadzone do obiektu. Dzięki wymiennikom odzysku ciepła możliwe jest złagodzenie efektu jego wyziębiania. Wówczas koszty poniesione na ogrzewanie budynku ulegną znacznemu zredukowaniu. Powietrze świeże odbiera energię zmagazynowaną w ogrzanym powietrzu wywiewanym z pomieszczenia. Stosując odzysk ciepła w okresie przejściowym, tj. wiosną lub jesienią, możliwa jest całkowita rezygnacja z nagrzewania powietrza świeżego przed jego wprowadzeniem do budynku, ponieważ zostanie osiągnięta dostatecznie wysoka temperatura nawiewu.

Z kolei w sezonie letnim korzyść wynikająca ze stosowania odzysku ciepła w układach wentylacyjnych może okazać się jeszcze większa ze względu na wyższe koszty klimatyzacji budynków w porównaniu do kosztów ich ogrzewania. W upalne dni temperatura powietrza wywiewanego z budynku jest znacznie niższa od temperatury panującej na zewnątrz. Wówczas w wymienniku ciepła gorące powietrze świeże oddając ciepło ochładza się, a następnie zostaje wprowadzone do pomieszczenia.

 

3. ODZYSK CIEPŁA Z ENERGII GEOTERMALNEJ

Gruntowe wymienniki ciepła umożliwiają jeszcze bardziej efektywną wentylację budynku dzięki wykorzystaniu zawartej w gruncie energii cieplnej w sezonie grzewczym oraz chłodu w okresie letnim. Na rysunku 9 schematycznie zobrazowano zasadę działania gruntowego wymiennika ciepła w zależności od pory roku. Dzięki stałej temperaturze gruntu przez cały rok, latem gorące powietrze zewnętrzne jest chłodzone oraz osuszane przed doprowadzeniem do budynku. Z kolei w czasie zimy działanie wymiennika jest odwrotne.

Powietrze o bardzo niskiej temperaturze jest wstępnie ogrzewane za pomocą ciepła gruntu przed doprowadzeniem do budynku.

Rys. 9. Schemat ideowy systemu wentylacji z gruntowym wymiennikiem ciepła [9] w okresie letnim (a) oraz zimowym (b)
Rys. 9. Schemat ideowy systemu wentylacji z gruntowym wymiennikiem ciepła [9] w okresie letnim (a) oraz zimowym (b)

W okresie przejściowym dzięki zastosowaniu gruntowego wymiennika ciepła w połączeniu z wysoko efektywną wentylacją mechaniczną z odzyskiem ciepła z wywiewanego powietrza wentylacyjnego możliwa jest całkowita rezygnacja z energochłonnego wtórnego dogrzewania powietrza nawiewanego, co prowadzi do znacznego obniżenia kosztów eksploatacyjnych. Dodatkowo w czasie ostrych mrozów zastosowanie gruntowego wymiennik ciepła umożliwia optymalną pracę układu wentylacji dzięki ograniczeniu ryzyka zamarzania wymienników odzysku ciepła.

Medium transportującym energię może być powietrze lub roztwór wodny glikolu polietylenowego. Rozróżnia się dwa podstawowe typy gruntowych wymienników ciepła: przeponowe oraz bezprzeponowe. Przeponowe gruntowe wymienniki ciepła charakteryzują się warstwą oddzielającą grunt od medium przekazującego energię, np. wymienniki rurowe. Drugą grupę reprezentują wymienniki, w których medium ma bezpośredni kontakt z gruntem, np. wymienniki żwirowe lub wymienniki płytowe.

Jedną z nielicznych wad gruntowego wymiennika ciepła stanowi jego znaczna powierzchnia, dlatego omawiane rozwiązanie jest niedostępne dla posiadaczy niewielkich działek budowlanych. Kolejną niedogodność stanowi dość wysoka cena tego rozwiązania, a także koszty jego instalacji w podłożu.

PODSUMOWANIE

Odpowiednio zaprojektowany systemu wentylacji mechanicznej dla domu jednorodzinnego z zastosowaniem odzysku ciepła z gruntu oraz z powietrza usuwanego z budynku, pozwala zaoszczędzić znaczne ilości energii w całym okresie jego eksploatacji. Oszczędność ta nie tylko zwiększa efektywność energetyczną pojedynczego gospodarstwa domowego, ale również przynosi korzyści w ujęciu globalnym przez odciążenie krajowego systemu elektroenergetycznego.

Nie sposób jednoznacznie określić najlepszej metody odzysku ciepła. Każde z omówionych rozwiązań niesie ze sobą szereg zarówno wad, jak i zalet. Dobór odpowiedniego układu wentylacji z odzyskiem ciepła powinien być przeprowadzony indywidualnie dla konkretnego budynku z zachowaniem obowiązujących przepisów prawnych. Istotną zaletą układów odzysku ciepła jest możliwość czerpania z nich korzyści zarówno w sezonie grzewczym, jak i w sezonie letnim.

Źródłem „darmowej” energii może być nie tylko powietrze wentylacyjne, lecz także ciepło zakumulowane w gruncie. Dzięki swojej prostej konstrukcji i zasadzie działania, gruntowe wymienniki ciepła stanowią niezawodny sposób wstępnego ogrzewania lub chłodzenia powietrza wentylacyjnego. Należy nadmienić, że wzbogacenie układu wentylacji z odzyskiem ciepła o gruntowy wymiennik ciepła nie tylko pozwala zaoszczędzić energię, ale również eliminuje ryzyko zamarzania elementów centrali wentylacyjnej.



LITERATURA
  1. Pełech A., Wentylacja i klimatyzacja – podstawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013
  2. Staniszewski D., Targański W., Odzysk ciepła w instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych. Wyd. IPPU MASTA, Gdańsk 2007
  3. budujemy.dom.pl (dostęp: grudzień 2016 r.)
  4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2014 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
  5. PN-83B-03430 (Az3:2000). Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej – Wymagania.
  6. instalszop.pl (dostęp: styczeń 2017r.)
  7. oszczędny.budynek.pl (dostęp: styczeń 2017 r.)
  8.  hvacr.pl (dostęp: styczeń 2017 r.)
  9. klimaprojekt.pl (dostęp: styczeń 2017 r.)

Artykuł został dodany przez firmę

I.P.P.U.MASTA Spółka z o.o.

MASTA oferuje kompleksowy zakres usług w dziedzinie klimatyzacji, wentylacji i chłodnictwa. Przez prawie 27 lat działalności zrealizowała ponad 500 tematów obejmujących pełne wykonawstwo instalacji chłodniczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. 

Zapoznaj się z ofertą firmy


Inne publikacje firmy


Podobne artykuły