Wybrane aspekty eksploatacyjne systemów wentylacji nawiewno-wywiewnej w budynku niskoenergetycznym

Powietrze ulega zanieczyszczeniu ze względu na szereg procesów zachodzących w pomieszczeniach, jak np. metabolizm, działanie promieniowania słonecznego, emisja związków lotnych z materiałów budowlanych czy obecność różnych substancji.

Niezawodna praca systemów wentylacyjnych zapewnia dobre samopoczucie użytkowników oraz prawidłową eksploatację obiektu. W związku z tym konieczna jest bieżąca kontrola i nadzór nad pracą tych systemów oraz szybkie usuwanie pojawiających się nieprawidłowości i usterek.

W nowoczesnym budownictwie o obniżonym zapotrzebowaniu na ciepło do ogrzewania stosuje się powszechnie systemy wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z rekuperacją. Umożliwiają one regulowanie ilości powietrza nawiewanego i wywiewanego.

Głównym elementem takiego systemu jest centrala wentylacyjna, na którą składają się:

• dwa wentylatory (wentylator wyciągowy i wentylator nawiewny)
• oraz wymiennik ciepła.

Dzięki wymiennikowi można odzyskać ciepło, które wykorzystywane jest do ogrzewania pomieszczeń budynku w okresie grzewczym.

Obiektem badań był system wentylacji nawiewno-wywiewnej zainstalowany w budynku biurowym spełniającym standardy budynku pasywnego, czyli o zapotrzebowaniu na energię do 15 kWh/(m²rok) według wytycznych KAPE zgodnych ze standardem NFOŚiGW [1].

• Jest to sześciokondygnacyjny budynek użyteczności publicznej składający się z pomieszczeń biurowych, sal konferencyjnych, laboratoriów technologicznych, pomieszczeń technicznych i socjalnych, kuchni i sanitariatów.
• Konstrukcja budynku jest zwarta, co pozwala przeciwdziałać powstawaniu mostków termicznych.
• Duża liczba okien o wysokiej izolacyjności pozwala wykorzystać zyski ciepła pochodzące od naturalnego światła.
• Budynek wyposażony jest w system wentylacji nawiewno-wywiewnej z rekuperacją.
• Do jego ogrzania i chłodzenia wykorzystuje się system złożony z pionowych sond geotermalnych (o głębokości 50–70 m), pomp ciepła oraz stropów grzewczo-chłodzących.
• Do podgrzewania ciepłej wody użytkowej stosuje się próżniowe kolektory słoneczne, a do wytwarzania energii elektrycznej – panele fotowoltaiczne.

Charakterystyka systemów wentylacyjnych

W budynku zainstalowanych zostało pięć niezależnych systemów wentylacji nawiewno-wywiewnej z rekuperacją: NW1, NW2, NW3 i NW4 z rekuperatorami obrotowymi oraz NW5 z rekuperatorem krzyżowym.

• Centrale te współpracują z obiegami ogrzewania i chłodzenia budynku.
• Poza rekuperatorem w centrali wentylacyjnej znajdują się również nagrzewnica i chłodnica, które w zależności od warunków atmosferycznych dogrzewają lub schładzają powietrze nawiewane. System taki wspomaga osiągnięcie odpowiednich temperatur, kiedy sama rekuperacja nie wystarcza.

Każdy z systemów ma centralę wentylacyjną, która obsługuje daną część budynku.

Systemy od NW1 do NW4 połączone są przede wszystkim z pomieszczeniami biurowymi, salami konferencyjnymi oraz pomieszczeniami socjalnymi, natomiast system NW5 obsługuje głównie sanitariaty i pomieszczenia gospodarcze.

W tab. 1 zestawiono wydajności, jakie mogą osiągnąć instalacje, odpowiednio dla powietrza nawiewanego i wywiewanego z centrali.

Ze względów poznawczych autorzy zdecydowali na przedstawienie najciekawszych aspektów eksploatacji central.

Ograniczono się do krótkiej analizy pracy systemów NW1, NW3, NW4 oraz NW5, a bardziej szczegółowo przedstawiono wyniki pomiarów dla systemu NW2.

Sterowanie nastawieniem wartości strumienia odbywa się automatycznie.

Analiz dokonano na podstawie stabelaryzowanych wartości pomiarowych z systemu BMS budynku.

Analizę strumieni objętościowych nawiewu i wywiewu, jakie są osiągane przez systemy wentylacji w budynku, przeprowadzono w oparciu o dane pomiarowe zebrane w odstępach godzinowych przez rok, od 1 sierpnia 2015 do 31 lipca 2016 roku.

Analiza pracy centrali NW1

W okresie od początku czerwca do połowy września 2015 roku średnia temperatura powietrza wynosiła powyżej 20°C.

Szczególnie upalny był lipiec i sierpień, więc aby zachować odpowiedni komfort, należało intensywnie wentylować biurowiec. Dlatego w sierpniu 2015 strumień wentylacyjny w tym systemie sięgał niemal 9000 m³/h, pomimo że zapotrzebowanie obliczeniowe na powietrze nawiewane wynosi 8100 m³/h (rys. 1).

Strumień wywiewu utrzymywał się na stałym poziomie, kilkukrotnie korygowany był z przyczyn eksploatacyjnych związanych z wymaganiami najemców powierzchni biurowych. Jedynym wyjątkiem jest gwałtowny spadek z 8152 do 1457 m³/h, a następnie wzrost aż do 9419 m³/h i ponowny spadek do stabilnego poziomu ok. 8000 m³/h.

Te gwałtowne zmiany i zakłócenia pracy centrali spowodowane były prowadzonymi w tym okresie pracami konserwatorskimi.

Czytaj też: Ograniczenie zapotrzebowania na energię do wentylacji pomieszczeń handlowych centralnymi strefowymi urządzeniami wentylacyjnymi >>>

Charakterystyka systemów wentylacyjnych

Analiza pracy systemu NW2

Dla ilustracji pracy systemu NW2 posłużono się trzema przypadkami:

• jednym z okresu zimowego (grzania) – jest to strumień wywiewu w styczniu 2016
• oraz dwoma z okresu letniego (chłodzenia) – strumienie nawiewu i wywiewu w sierpniu 2015.

Na podstawie wykresów strumieni nawiewu i wywiewu stwierdzono, że system działał niezawodnie od sierpnia 2015 do połowy maja 2016 (rys. 2).

Wartość strumienia utrzymywała się na stałym poziomie ok. 9000 m³/h dla nawiewu i 8500 m³/h dla wywiewu do 25 listopada 2015 oraz ok. 8500 m³/h dla nawiewu i 8000 m³/h dla wywiewu od tego dnia.

Zmiana ta była związana z korektą nastaw dokonaną po wstępnym okresie eksploatacji systemu. W tym dniu o godzinie 10 wystąpił skok strumienia do wartości 9600 m³/h, co było spowodowane wspomnianymi wcześniej (w opisie NW1) pracami konserwatorskimi i chwilowymi zakłóceniami w sterowaniu.

Te nietypowe sytuacje zostaną szczegółowo omówione na dalszych przykładach.

Jak widać na rys. 3, praca systemu wentylacji ma charakter cykliczny:

• W dni robocze wentylacja jest uruchamiana o godzinie 0:00 i wyłączana o godzinie 18:00.
• W dni wolne od pracy wentylacja nie pracuje.

Osiągnięcie zadanego strumienia nie następuje od razu – wentylacja jest uruchamiana bardzo wcześnie i przez pierwsze cztery godziny pracuje z ok. 40-proc. wydajnością, ponieważ w budynku nie znajdują się jeszcze ludzie. W tym czasie powietrze jest wymieniane, aby możliwe było osiągnięcie wysokiego komfortu, ale bez niepotrzebnego zużywania energii. Następnie system osiąga zadaną wydajność nominalną na średnim poziomie 8545 m³/h.

Analiza przedstawionego wykresu wskazuje, że 6 sierpnia o godzinie 6:00 wartość strumienia znacząco się obniżyła, do 5384 m³/h. Był to efekt niegroźnej awarii, która została szybko usunięta i nie miała wpływu na dalsze działanie wentylacji.

Niepokojące wydaje się także nieustanne działanie systemu w okresie od 8 do 11 sierpnia, wolnym od pracy. Wynikało to jednak nie z awarii, ale z zaplanowanych wcześniej prób. Centralę celowo pozostawiono w trybie pracy ciągłej, ponieważ prowadzone były badania porównawcze parametrów klimatu wewnętrznego podczas nieobecności pracowników (8 i 9 sierpnia) oraz normalnych dni pracy (10 i 11 sierpnia).

W przypadku strumieni nawiewu (rys. 4) sytuacja wygląda analogicznie, a osiągają one podobne wartości jak wywiew.

Wykres na rys. 5 pokazuje poprawne działanie systemu NW2. Nie występują żadne przeskoki wartości strumienia ani wydłużenie bądź skrócenie czasu działania instalacji. Tak samo wygląda charakterystyka strumienia nawiewu dla tej centrali.

Widoczna na rys. 1 cykliczność działania systemu została wyraźnie zaburzona w czerwcu 2016, co szczegółowo obrazuje wykres przedstawiony na rys. 6.

Przez kilkanaście dni, od północy 7 czerwca do 20 czerwca, centrala działała bez przerwy. Potem nastąpiła przerwa, w czasie gdy centrala powinna pracować.

O godzinie 16 system włączył się i pracował ciągle kolejne trzy dni, do godziny 21 w dniu 23 czerwca, po czym o północy 23 czerwca powróciła cykliczność pracy systemu.

Podobnie wyglądała sytuacja ze strumieniem nawiewu.

Taki tryb pracy może bardzo niekorzystnie działać na system. Praca ciągła nie jest konieczna w tego typu budynkach i wiąże się jedynie z niepotrzebną stratą energii.

Zakłócenia w pracy central były konsekwencją prac nad rozbudową systemu automatyki budynkowej analizowanego obiektu w maju i czerwcu.

W trakcie tych prac następowało odłączenie i powtórne włączenie różnych instalacji do BMS, testowanie systemu i jego ujednolicanie, korekta nastaw itp. Działania te powodowały okresowe zakłócenia pracy różnych instalacji lub brak rejestracji parametrów pracy.

System NW3

System ten pracował cyklicznie z wyłączeniami nocnymi. Kilkukrotnie w trakcie normalnej pracy występowały spadki strumienia do zera (rys. 7) i powrót do wartości zadanej, co wygląda na niekontrolowane wyłączanie się systemu.

Jednak najbardziej zwraca uwagę przejście w ciągły tryb pracy centrali, który trwał nieprzerwanie od 13 maja do 23 czerwca, przy jednoczesnym zmniejszeniu wartości strumienia nawiewu z 6000 na 5000 m³/h.

Po tym okresie wentylacja działała cyklicznie do końca analizowanego okresu. Podobnie sytuacja wyglądała dla strumienia nawiewu. Przyczyna była taka sama jak w przypadku centrali NW2.

System NW4

W przypadku nawiewu system ten przez cały rok działa cyklicznie, zmieniając jedynie zadany strumień w przedziale od 6000 do 7000 m³/h. W trakcie pracy centrali występują pojedyncze spadki wartości strumienia i powroty do wcześniejszego stanu.

System NW5

System ten tym się różni od czterech pozostałych, że centrala wentylacyjna wyposażona jest w rekuperator krzyżowy zamiast obrotowego.

Centrala obsługuje znacznie mniejszą liczbę pomieszczeń, głównie sanitariaty, zatem zapotrzebowanie na wentylowane powietrze jest w tym wypadku mniejsze.

Instalacja ta działa praktycznie bezawaryjnie. Podobnie jak w przypadku NW4, wystąpiły jedynie nieliczne zakłócenia.

Wartości strumieni wynoszą od 4500 do 5000 m³/h zarówno dla nawiewu, jak i wywiewu, pokrywając tym samym przez cały rok zapotrzebowanie na powietrze wentylowane.

Podsumowanie i wnioski

W artykule przedstawiono analizę funkcjonowania systemu nawiewno-wywiewnej wentylacji mechanicznej w przykładowym budynku użyteczności publicznej.

Czas pracy central wentylacyjnych oraz osiągane wartości strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego pozwoliły ocenić, czy instalacje działają poprawnie.

• Niewielka liczba zaburzeń dobrze świadczy o doborze i wykonaniu instalacji.
• Kontrolowane zmiany wartości strumieni powietrza wentylacyjnego pozwalają na zmniejszenie strat ciepła w okresie zimowym.

Należy przy tym pamiętać, że nie tylko system wentylacji wpływa na komfort cieplny w budynku. Badany obiekt wykorzystuje dodatkowo do ogrzewania i chłodzenia stropy aktywne.

W trakcie eksploatacji wystąpiły chwilowe zakłócenia zarejestrowane przez system automatyki budynkowej BMS. Niektóre wynikały z planowych prób i testów, ale zdarzały się też sytuacje niepożądane, będące efektem awarii bądź prowadzonych prac.

System BMS pozwalał na bieżący nadzór nad pracą central wentylacyjnych, dzięki czemu wszelkie stany awaryjne mogły zostać natychmiast zidentyfikowane. Czas reakcji odpowiednich służb technicznych jest bardzo ważny, ponieważ konsekwencją takich zaburzeń jest większe zużycie energii.

Systemy wentylacji nawiewno-wywiewnej w omawianym budynku dobrze spełniają swoją funkcję. Poza przedstawioną analizą danych autorzy mogą potwierdzić z własnego doświadczenia, że pomieszczenia są dobrze wentylowane i przebywanie w nich nie ma negatywnego wpływu na samopoczucie.

Warto także wspomnieć o roli, jaką odgrywa wentylacja mechaniczna w oczyszczaniu powietrza skażonego pyłami pochodzącymi z niskiej emisji.

W sezonie zimowym 2016/2017 ze względu na warunki atmosferyczne smog był bardziej odczuwalny niż w latach poprzednich. Na skutek zwiększonej ilości pyłów w atmosferze konieczne było dokonanie wymiany filtrów w centrali wentylacyjnej w odstępie miesięcznym (w styczniu i lutym), podczas gdy zwykle wykonuje się tę czynność dwa razy w roku.

Literatura

1. Określenie podstawowych wymogów, niezbędnych do osiągnięcia oczekiwanych standardów energetycznych dla budynków mieszkaniowych oraz sposobu weryfikacji projektów i sprawdzenia wykonanych domów energooszczędnych. Etap I. Wytyczne do weryfikacji projektów budynków mieszkalnych, zgodnych ze standardem NFOŚiGW, Krajowa Agencja Poszanowania Energii S.A., Warszawa, 23 sierpnia 2012, http://www.nfosigw.gov.pl/gfx/ees/userfiles/files/inteligentne_sieci_energetyczne/wytyczne_do_programu_domow_energooszczednych.pdf.
2. Malicki M., Wentylacja i klimatyzacja, PWN, Warszawa 1980.
3. Dane pomiarowe z systemu BMS budynku.

Czytaj też: Odzysk ciepła i chłodu z powietrza wentylacyjnego >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!