Porównanie dwóch technologii kanałów wentylacji mechanicznej w domu jednorodzinnym

Okrągłe przewody i kształtki produkowane są zgodnie z normą PN-EN 1506:2007 Wentylacja budynków. Przewody proste i kształtki wentylacyjne z blachy o przekroju kołowym. Wymiary [7]. Kanały przeznaczone do instalacji wentylacyjnych wykonywane są zazwyczaj w zakresie średnic 80–1600 mm, z blachy ocynkowanej, aluminiowej lub kwasoodpornej.

W budynkach o szczególnych wymaganiach, np. basenach lub obiektach przemysłu spożywczego, do budowy kanałów wentylacyjnych stosowana jest blacha kwasoodporna z dodatkiem molibdenu. Grubości blach dla typowych kanałów zależą od średnicy przewodu i wynoszą od 0,5 do 1,5 mm. Kanały wentylacyjne o średnicy 250 mm i więcej są dodatkowo karbowane, co powoduje ich zwiększoną odporność na ciśnienie [1].

Prostokątne przewody i kształtki wykonywane są zgodnie z normą PN-EN 1505:2001 Przewody proste i kształtki wentylacyjne z blachy o przekroju prostokątnym [6]. Standardowe wymiary dowolnego boku tego typu kanałów wynoszą 130–2500 mm.

Średnica hydrauliczna określana jest w odniesieniu do przewodu o przekroju prostokątnym jako średnica przewodu o przekroju kołowym, przy której występuje taki sam spadek ciśnienia jak przy jednakowych wartościach strumienia przepływu powietrza i współczynniku tarcia.

Natomiast średnica równoważna określana jest w przypadku przewodu o przekroju prostokątnym jako średnica kanału o przekroju kołowym, przy której występuje taki sam spadek ciśnienia przy jednakowych wartościach strumienia przepływu powietrza i współczynnika tarcia [1].

Inne typy kanałów nie były rozpatrywane w artykule.

Opis obiektu

Dom jednorodzinny, w którym zaprojektowano analizowaną wentylację mechaniczną, składa się z dwóch kondygnacji oraz poddasza, gdzie zlokalizowano centralę wentylacyjną. Na parterze znajduje się pokój dzienny, jadalnia połączona z kuchnią oraz łazienka, a na piętrze trzy sypialnie i druga łazienka. W części podpiwniczonej umieszczono pralnię i kotłownię (ta kondygnacja nie jest wentylowana). Zestawienie analizowanych pomieszczeń w budynku podano w tabeli 1.

Założono wybór takich średnic kanałów okrągłych i prostokątnych, by centrala wentylacyjna w obu przypadkach pochodziła od tego samego producenta, miała takie same parametry.

Wymaga to zastosowania odpowiedniego wzoru na średnicę równoważną, co pozwoli obliczyć wymiary kanału prostokątnego odpowiadające kanałowi okrągłemu. Zamiast korzystać ze wzoru, można się opierać na tabelach, w których danemu kanałowi okrągłemu odpowiada konkretny kanał prostokątny. Dobór elementów prostokątnych na podstawie wzoru na średnicę równoważną ułatwia porównanie dwóch technologii przy takich samych stratach ciśnień.

Obliczenia

Wentylacja jest z natury nieenergooszczędna, dlatego zdaniem autorów należy przewidzieć taki strumień powietrza, który zapewni dobrą jakość środowiska w pomieszczeniach mieszkalnych, tym bardziej że spędzamy w nich najwięcej czasu.

Autorzy posiłkowali się normą PN-EN 13779 [9] dla budynków niemieszkalnych, która zaleca typowy zakres od 22 do 54 m³ (wartości standardowe 29–72 m³) dla pomieszczeń o jakości powietrza od wysokiej do umiarkowanej, wartość 30 m³/h została przez nich przyjęta do obliczeń i zawiera się w obu zakresach.

Na wstępie obliczamy: bilans zanieczyszczeń od wilgoci oraz dwutlenku węgla, zyski ciepła od ludzi, oświetlenia, nasłonecznienia oraz urządzeń, a także krotność wymian powietrza w pomieszczeniu. Następnie liczymy strumień powietrza potrzebnego do usunięcia zbędnych zysków ciepła oraz poszczególnych zanieczyszczeń.

Kolejnym krokiem jest obliczenie strumienia powietrza przy uwzględnieniu liczby osób przebywających w budynku. Przyjęto strumień powietrza świeżego o wartości 30 m3/h przypadający na jedną osobę, który ma zapewnić komfortowe warunki użytkowania pomieszczeń. Do odprowadzania zysków ciepła w okresie letnim przewidziano zastosowanie klimatyzatorów.

Największe zanieczyszczenia powietrza w budynku pochodzą od ciepła wytwarzanego przez ludzi, oświetlenie, urządzenia, nasłonecznienie przez okna i w skrajnych wypadkach mogą wynieść nawet  3723 W. Do usunięcia tych zanieczyszczeń należałoby użyć dużego strumienia świeżego powietrza, wymagającego zastosowania instalacji o znacznych średnicach przewodów wentylacyjnych oraz dużej mocy centrali wentylacyjnej.

Kanały o większych średnicach trudno umieścić w tak małym obiekcie, jakim jest dom jednorodzinny. Ponadto przy zastosowaniu do usunięcia ciepła samej wentylacji trudno regulować parametry nawiewanego powietrza. Ze względu na powyższe utrudnienia do usuwania zysków ciepła posłuży oddzielny układ chłodzenia z jednostkami ściennymi.

Zaproponowane rozwiązanie składa się z klimatyzatora multisplit z czterema jednostkami wewnętrznymi ściennymi oraz jednej jednostki zewnętrznej. Minimalny strumień powietrza na potrzeby higieniczne zostanie dostarczony dzięki pracy instalacji wentylacyjnej, natomiast w okresach ciepłych do usunięcia znacznych zysków ciepła posłuży dodatkowy układ chłodzący.

Kolejnym największym czynnikiem do usunięcia z budynku jest wilgoć – jej wartość może wynieść 855 g/h, zatem potrzebny byłby strumień powietrza o wielkości 238 m3/h. Przyjętą wartość obliczono dla maksymalnego wydatku centrali przy 10 osobach. Zastosowany układ chłodzenia multisplit, którego zadaniem jest usunięcie największych zysków ciepła w okresie letnim, jest w stanie usunąć również wilgoć. Zimą do odebrania wilgoci wystarczy praca wentylacji.

Do określenia objętości strumienia powietrza wentylacyjnego dostarczanego do budynku przyjęto zapotrzebowanie na minimalny strumień powietrza na osobę oraz minimalne wartości strumienia powietrza ze względu na pomieszczenia znajdujące się na piętrze. Minimalny strumień powietrza w pomieszczeniu na parterze przyjęto jako 30 m³/h na osobę, przy założeniu, że maksymalna liczba osób przebywających w budynku okresowo to 10.

Goście przebywają na parterze w jadalni i salonie. Z tego wynika, że należy zapewnić tam 300 m³/h świeżego powietrza. Natomiast na piętrze dobrano po 40 m³/h dostarczane do trzech pokoi, by spełnić kryteria minimalne i zapewnić odpowiedni strumień powietrza dla dwóch osób przebywających w każdym pokoju. Wymagany strumień powietrza nawiewanego wyniesie:

Strumień powietrza, jaki należy dostarczyć do budynku, wynosi zatem 420 m³/h i dla tej wielkości zaprojektowano instalację wentylacyjną nawiewną oraz wywiewną.

Po określeniu zapotrzebowania na strumień powietrza nawiewanego dobieramy średnice kanałów wentylacyjnych okrągłych, uwzględniając prędkość przepływu powietrza w przewodach. Następnie obliczamy straty ciśnień miejscowe oraz liniowe.

Jak wspomniano wcześniej, do zaprojektowania instalacji wentylacyjnej na kanałach prostokątnych użyto wzoru na średnicę równoważną, która pozwala na dobór odpowiedniej wielkości kanałów prostokątnych o wymiarach a i b, odpowiadających danej średnicy dla kanału okrągłego. Dzięki temu nie zmienią się obliczenia oporów na danych odcinkach, dodatkowo centrala wentylacyjna pozostanie ta sama ze względu na takie same straty ciśnienia [10]:

gdzie:
d* – średnica równoważna, mm;
a – wysokość boku kanału prostokątnego, mm;
b – szerokość boku kanału prostokątnego, mm.

Przykład: Dla kanału prostokątnego o wymiarach: a×b = 100×82 mm średnica równoważna kanału okrągłego wynosi 100 mm.

Metoda polega na podstawianiu do wzoru takich wartości a i b, aby średnica równoważna była jak najbardziej przybliżona do średnicy kanału okrągłego. W tabeli 2 podano wymiary kanałów prostokątnych odpowiednie dla założonych średnic równoważnych.

Zważywszy na fakt, że przy tak małej inwestycji i małych średnicach kanałów producenci nie produkują takich elementów jak zawory nawiewne, wyciągowe itp., przy prostokątnym kształcie kanałów końcowe elementy instalacji pozostały w technologii okrągłej.

Dobór urządzeń

Centrala wentylacyjna

Dobrano centralę, której wydajność wynosi 420 m³/h przy sprężu ok. 150 Pa [4]. Najważniejsze cechy tego urządzenia:

• centrala z odzyskiem ciepła;
• obsługuje obiekty o pow. do 200 m²;
• maksymalna wydajność: 480 m³/h;
• hybrydowy wymiennik przeciwprądowo­‑krzyżowy;
• sprawność odzysku ciepła: 92%;
• montaż poziomy lub pionowy;
• system antyzamrożeniowy.

Centrala jest wyposażona w czujniki CO₂, które kontrolują zawartość dwutlenku węgla w usuwanym powietrzu. Dzięki nim urządzenie automatycznie ustawia wydajność rekuperatora, który odpowiada za wielkość strumienia dostarczanego powietrza oraz zarządza w sposób optymalny energią elektryczną. Centrala ma dodatkowo czujnik wilgoci, który określa zawartość pary wodnej w usuwanym powietrzu. Jeżeli wartość ta zostanie przekroczona, wydajność centrali jest automatycznie zwiększana.

Zastosowany w centrali wymiennik przeciwprądowo-krzyżowy umożliwia odzysk ciepła nawet do 92%. Całość jest obsługiwana za pomocą pilota, na którym dokonywany jest odczyt, służy on też do zadawania parametrów pracy.

Ustawić można następujące parametry pracy automatycznej; temperatura wewnętrzna, wymagana wilgotność względna oraz maksymalne stężenie CO₂. Ponadto urządzenie wentylacyjne wyposażone jest w filtry kieszeniowe cząstek drobnych odpowiadające za czystość powietrza doprowadzanego do pomieszczenia [4].

Urządzenia klimatyzacyjne

Do usuwania zysków ciepła zaproponowano system multisplit inwerter składający się z:

• jednostki zewnętrznej o mocy chłodniczej 2,2–10 kW, mocy grzewczej 2,8–11,0 kW, z maksymalnym poborem mocy 3,5/3,75 kW, w cenie 5700 zł,
• jednostki wewnętrznej ściennej o mocy chłodniczej 3,5 kW, mocy grzewczej 3,8 kW, w cenie 1050 zł,
• trzech jednostek wewnętrznych ściennych o mocy chłodniczej 2,1 kW, mocy grzewczej 2,6 kW, w cenie 800 zł/szt.
• Koszt montażu razem z materiałami wyniesie 3000 zł, zatem całkowity koszt dostawy i montażu urządzeń to 12 150 zł.
•  

Jednostka wewnętrzna ścienna jest w stanie obsłużyć wszystkie pomieszczenia na parterze ze względu na moc, jaką dysponuje, oraz brak przegród budowlanych. Na piętrze należy zastosować w każdym pokoju oddzielny klimatyzator ścienny.

Zaproponowany system ma dwa tryby pracy – może chłodzić lub ogrzewać pomieszczenia. Dodatkowo każde urządzenie wyposażone jest w oddzielny pilot, dzięki któremu można w danym pomieszczeniu ustawić indywidualną temperaturę schładzania. Kolejną zaletą systemu chłodzenia jest możliwość osuszania powietrza.

Porównanie obu kanałów

Wyprodukowanie 1 mb. rury okrągłej trwa znacznie krócej niż kanału prostokątnego. Przykładowo wykonanie kanału prostokątnego o wymiarach 400×600 mm o długości 2 mb. trwa 15–20 min, w tym samym czasie maszyna jest w stanie wyprodukować 60 mb. kanału okrągłego o średnicy 560 mm.

Waga kanału okrągłego jest o ok. 25% mniejsza niż prostokątnego. Mniejszy ciężar przewodu przekłada się na łatwiejszy montaż i mniejsze obciążenie całej instalacji. Jedną z wad kanału okrągłego jest jego jednowymiarowość. Kanały prostokątne dzięki dwuwymiarowości ich przekroju można łatwo dopasować do miejsca montażu i zamaskować w razie potrzeby.

Czas i automatyka produkcji przekłada się na koszty – cena kanału okrągłego jest niższa niż kanału prostokątnego. Dodatkową zaletą kanału okrągłego jest mniejsze zapotrzebowanie na izolację niż w przypadku kanału prostokątnego. Można również kupić kanały okrągłe preizolowane, dzięki czemu ich montaż jest jeszcze szybszy.

Wnioski

Na podstawie wykonanych obliczeń, doboru i zestawienia kosztów obydwu technologii dla projektowanego domu jednorodzinnego stwierdzono, że tańsze pod względem inwestycyjnym jest rozwiązanie oparte na kanałach okrągłych.

Przewody o przekroju kołowym łatwiej i szybciej się montuje ze względu na ich mniejszą wagę, dodatkowo mają one mniejszą powierzchnię, przez co potrzebują mniej materiału izolacyjnego.

W przypadku kanałów prostokątnych takie elementy jak redukcje, kolana i trójniki są droższe z racji bardziej złożonego procesu produkcji. Na rys. 1–3 przedstawiono różnice w cenach poszczególnych elementów instalacji. Wszystkie podane ceny są cenami katalogowymi dla klienta indywidualnego i nie zawierają podatku VAT.

Wiele zamieszania może powodować sposób obliczania strumienia powietrza wentylacyjnego. Obowiązujące normy nie są spójne i wybór kryterium zależy od projektanta. Obecnie nie istnieje praktycznie wentylacja bez chłodzenia powietrza, dlatego można znacznie obniżyć koszty inwestycyjne i eksploatacyjne instalacji, odrzucając kryterium zysków ciepła.

Zyski ciepła należy przeanalizować tylko pod kątem doboru chłodnicy powietrza. Nie należy jednak obniżać wielkości strumienia powietrza wentylacyjnego, kierując się przesłankami ekonomicznymi. Można oszczędzić, zmieniając kształt przewodu, a nie ograniczając wielkość strumienia powietrza wentylacyjnego.

Literatura

1. Alnor, Wentylacyjne kanały i kształtki prostokątne, katalog wyrobów, 2013.
2. ANSI/ASHRAE Standard 62 Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality.
3. Centrowent, katalog wyrobów, 2013.
4. http://www.reku.net.pl/rekuperator-vort-prometeo-hr-400.html.
5. PN-83/B-03430 Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania.
6. PN-EN 1505:2001 Przewody proste i kształtki wentylacyjne z blachy o przekroju prostokątnym. Wymiary.
7. PN-EN 1506:2007 Wentylacja budynków. Przewody proste i kształtki wentylacyjne z blachy o przekroju kołowym. Wymiary.
8. PN-EN 15251 Kryteria środowiska wewnętrznego, obejmujące warunki cieplne, jakość powietrza wewnętrznego, oświetlenie i hałas.
9. PN-EN 13779:2008 Wentylacja budynków niemieszkalnych. Wymagania dotyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji.
10. Recknagel H., Sprenger E., Schramek E.R., Kompendium ogrzewnictwa i klimatyzacji, Omni Scala, Wrocław 2008.
11. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!