Wpływ konfiguracji centrali wentylacyjnej i źródła ciepła na wskaźniki EU i EP domu jednorodzinnego

Typowym rozwiązaniem instalacyjnym dla niskoenergetycznych budynków jednorodzinnych staje się system wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. Zalecenie montażu takiego systemu dość często jest wynikiem przyjętej metody klasyfikacji energochłonności budynków jedynie na podstawie wskaźnika zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji – EU_co [kWh/(m² rok)] oraz dążeniem do zmniejszenia kosztów eksploatacji. Wskaźnik EU_co zgodnie z obowiązującymi w Polsce przepisami [1] uwzględnia wpływ odzysku ciepła w systemie wentylacji i trudno jest bez jego zastosowania osiągnąć wartość poniżej 40 kWh/(m²rok), zalecaną dla budynków niskoenergetycznych. W wyniku tego system wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła uznawany jest za rozwiązanie gwarantujące niską energochłonność obiektów budowlanych. Niestety, sytuacja jest nieco bardziej złożona, niż to pokazuje ocena budynku przeprowadzana jedynie na podstawie wartości wskaźnika EU_co.

Założenia do analizy

W artykule przeprowadzono obliczenia zapotrzebowania na energię użytkową, końcową i pierwotną przykładowego budynku. Jako przedmiot analizy wybrano dom jednorodzinny o powierzchni użytkowej 164 m², zlokalizowany w II strefie klimatycznej okresu zimnego. Ponieważ zapotrzebowania na ciepło na pokrycie strat statycznych i wentylacyjnych są ze sobą ściśle związane, przeprowadzone dalej analizy obejmują wszystkie aspekty pracy systemu grzewczego budynku: wentylację, ogrzewanie i, w przypadku określania wskaźnika EP, przygotowanie c.w.u.

W tabeli 1 zaprezentowano podstawowe parametry charakteryzujące analizowany budynek jednorodzinny. Cechuje się on bardzo dobrymi wskaźnikami w zakresie izolacyjności cieplnej, prostą bryłą o znacznym przeszkleniu, w dużej części od strony południowej, oraz strumieniem powietrza wentylującego wynoszącym 250 m³/h, określonym na podstawie normy PN-83/B-03430 wraz ze zmianą PN-83/B-03430/Az3 [2].

Do analizy wybrano następujące źródła ciepła dla budynku:

• kondensacyjny kocioł gazowy,
• pompa ciepła solanka/woda,
• pompa ciepła powietrze/woda
• oraz kocioł opalany biomasą.

Sprawności systemów grzewczych oraz zapotrzebowanie na energię elektryczną pomocniczą dla systemów c.o. i c.w.u. określono w oparciu o dane zawarte w rozporządzeniu w sprawie certyfikacji energetycznej [1] i zestawiono w tabeli 2.

Obliczenia zapotrzebowania na energię wykonano dla dwóch systemów wentylacji: naturalnej oraz mechanicznej z odzyskiem ciepła – w przypadku której szczegółowej analizie poddano przykładowe, powszechnie spotykane konfiguracje centrali wentylacyjnej oraz nastawy układu automatycznej regulacji.

Analizowane konfiguracje opisano w tabeli 3, a schematy systemów przedstawiono na rys. 1 i rys. 2.

Dla systemów wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła założono zabezpieczenie wymiennika przed zamarzaniem za pomocą elektrycznej nagrzewnicy wstępnej (rozwiązania 2, 3, 5) lub by-passu okresowo zmniejszającego sprawność odzysku energii (rozwiązanie 3, 4, 6).

Zabezpieczenie przed zamarzaniem uruchamiane jest w momentach, kiedy temperatura powietrza wypływającego z wymiennika po stronie wywiewu, mierzona czujnikiem temperatury Ct_w, spada poniżej wartości zadanej Θ_WYWR i jednocześnie na zewnątrz panuje ujemna temperatura.

Podczas przeprowadzania analizy założono również, że strumień powietrza doprowadzony do budynku w systemie wentylacji naturalnej (rozwiązanie 1) jest analogiczny do strumienia dostarczanego mechanicznie.

Ze względu na ścisły związek pomiędzy wydajnością wentylacji naturalnej i stale zmieniającą się różnicą temperatury pomiędzy wnętrzem budynku a otoczeniem jest to uproszczenie, którego nie sposób jednak uniknąć ze względu na trudny do opisania charakter tego zjawiska.

Energię elektryczną pomocniczą dla systemu wentylacji obliczono na podstawie symulacji pracy centrali wentylacyjnej, a sposób prowadzenia analizy opisano w dalszej części artykułu.

Metoda obliczeń

Metoda obliczenia zapotrzebowania na energię użytkową, końcową i pierwotną dla analizowanego budynku przyjęta została za rozporządzeniem w sprawie certyfikacji energetycznej [1], jednak dla dokładnej analizy wpływu efektywności systemu wentylacji na zapotrzebowanie na energię dla budynku metoda przytoczona w polskich przepisach nie jest wystarczająca.

Zaznaczyć należy, że problem zbyt dużych uogólnień dotyczy wszystkich systemów instalacyjnych, jednak w niniejszym opracowaniu skupiono się na zagadnieniach dotyczących wentylacji z odzyskiem energii, przybliżając efektywność źródeł ciepła za pomocą wskaźników podawanych w rozporządzeniu [1].

W artykule analiza efektywności pracy centrali wentylacyjnej oparta została na metodzie A zaproponowanej w normie PN-EN ISO13790 [3]. Obliczeń dokonano dla godzinowych danych meteorologicznych dla Wrocławia udostępnionych na stronie internetowej Ministerstwa Infrastruktury.

Dla układów zabezpieczonych nagrzewnicą wstępną minimalna temperatura wlotowa na rekuperator (ΘZEW,R) obliczona została z bilansu ciepła pomiędzy nawiewem a wywiewem, tak aby zapewnić na wywiewie (ΘWYW,R) z centrali temperaturę zadaną. ΘZEW,R wyznaczono odpowiednio jako 2,4°C (dla ΘWYW,R = 5°C) oraz –3,5°C (dla ΘWYW,R = 0°C). Uwzględniając w ten sposób konieczność okresowego podnoszenia temperatury przed rekuperatorem, obliczono zapotrzebowanie na energię dla nagrzewnicy wstępnej:

  (1)

Uwzględniając rzeczywistą temperaturę przed rekuperatorem, temperatura powietrza za rekuperatorem (ΘNAW,R) obliczana była z przekształcenia równania opisującego temperaturową sprawność wymiennika do odzysku ciepła:

  (2)

Następnie, jeśli takie były założenia układu automatycznej regulacji, obliczano zapotrzebowanie na energię do ogrzania powietrza od temperatury za rekuperatorem (ΘNAW,R) do temperatury zadanej nawiewu (ΘNAW), obliczając tym samym energię dla nagrzewnicy wtórnej:

  (3)

Dla układów zabezpieczonych przez by-pass temperatura wlotowa na rekuperator (ΘZEW,R) przyjmowana była zawsze jako temperatura zewnętrzna (ΘZEW). Temperatura powietrza za rekuperatorem (ΘNAW,R), podobnie jak w powyższym przypadku, obliczana była z przekształcenia równania opisującego temperaturową sprawność wymiennika do odzysku ciepła (2).

Z bilansu ciepła pomiędzy nawiewem a wywiewem wyliczano strumień powietrza prowadzonego przez obejście rekuperatora i przez rekuperator, tak aby utrzymać zadaną temperaturę na wywiewie (ΘWYW,R), odpowiednio 5°C lub 0°C. Następnie obliczano rzeczywistą temperaturę za rekuperatorem (ΘNAW,R) wynikającą ze zmieszania strumienia ciepłego przechodzącego przez rekuperator i chłodnego płynącego przez obejście.

W kolejnym kroku wyliczano energię niezbędną do dogrzania powietrza do temperatury zadanej nawiewu (ΘNAW), obliczając tym samym energię dla nagrzewnicy wtórnej, zgodnie z równaniem (3).

Należy tutaj wspomnieć, że nie każda centrala wentylacyjna przeznaczona do użytku domowego umożliwia częściowe uchylenie by-passu. Najprostsze urządzenia działają na zasadzie całkowitego przełączania przepływu powietrza pomiędzy obejściem a wymiennikiem do odzysku ciepła.

Przyjęte założenie przedstawia sytuację korzystniejszą z punktu widzenia minimalizacji zapotrzebowania na energię niezbędną do uzdatniania powietrza dostarczanego do pomieszczeń.

Dane temperaturowe dla wyznaczenia czynnika bve zostały obliczone w kroku godzinowym i uśrednione dla kolejnych miesięcy analizy. Obliczenia czynnika korekty temperatury bve dla strumienia powietrza wentylacyjnego dokonano na podstawie wzoru:

  (4)

Czynnik bve, wyznaczony w kroku miesięcznym, posłużył do obliczenia współczynnika przenoszenia ciepła przez wentylację w kolejnych miesiącach analizy:

  (5)

W kolejnym kroku obliczono przenoszenie ciepła przez wentylację dla każdego miesiąca analizy:

  (6)

Wyniki analizy

Wpływ konfiguracji systemu wentylacji budynku na wskaźnik EUco

W analizowanym budynku uwzględnienie w obliczeniach systemu wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła w miejsce wentylacji naturalnej powoduje bardzo dużą zmianę wartości współczynnika EUco. Budynek, w którym nie uwzględniono odzysku ciepła, charakteryzuje się wskaźnikiem Euco = 54,1 kWh/(m2 rok).Uwzględnienie wpływu centrali wentylacyjnej pozwala uzyskać dom energooszczędny o wskaźniku EUco zdecydowanie poniżej 40 kWh/(m2 rok), co zestawiono w tabeli 4.

Wyniki zestawione w tabeli 4 obrazują fakt, że posługując się metodą A podaną w normie 13790 [3], uzyskuje się różne wartości wskaźnika EUco dla rożnych konfiguracji centrali wentylacyjnej. Jest to skutkiem różnych wartości temperatury powietrza nawiewanego za centralą wentylacyjną, a metoda uwzględnia we wskaźniku bve właśnie temperaturę powietrza za jego centralnym uzdatnianiem.

Zaletą takiego podejścia obliczeniowego jest precyzyjna informacja o ilości energii użytkowej, jaka ma być dostarczona do budynku przez system c.o. Oczywiście należy pamiętać, aby w dalszych obliczeniach uwzględnić energię pomocniczą na pracę wentylatorów, systemu odszraniania oraz energię dla nagrzewnicy wtórnej, co w normie [3] jest wyraźnie zaznaczone.

Rozporządzenie [1] nie opisuje dokładnie metody postępowania przy uwzględnieniu wpływu odzysku ciepła na zapotrzebowanie na energię użytkową.

W polskich przepisach zaleca się, aby w obliczeniach czynnika bve uwzględnić efektywność rekuperatora. Brakuje jednak precyzyjnych informacji o tym, jak tę efektywność obliczyć lub przyjąć. Może to prowadzić do wielu nieścisłości w interpretacji wskaźnika EUco, który w zależności od przyjętej metody obliczeniowej (norma [3] proponuje również inny sposób obliczania, określany jako metoda B) może oznaczać i uwzględniać nieco inne potrzeby energetyczne. Zgodnie z metodą A będzie to energia, jaką trzeba dostarczyć bezpośrednio do pomieszczenia poprzez system grzewczy.

Szczególnie w przypadku domów jednorodzinnych jest to prawidłowe podejście obliczeniowe. Zazwyczaj centrala wentylacyjna w takim obiekcie nie będzie miała zaawansowanej automatyki umożliwiającej reagowanie nagrzewnicy wtórnej na temperaturę w pomieszczeniu. Tym samym energia dostarczana do centrali wentylacyjnej nie powinna być elementem ujmowanym w stosunku zysków do strat ciepła i uwzględniana przy obliczaniu efektywności wykorzystania wewnętrznych i słonecznych zysków ciepła w pomieszczeniu.

W związku z brakiem precyzyjnych informacji w rozporządzeniu [1] powszechnym działaniem jest przyjmowanie efektywności pracy centrali równej sprawności temperaturowej rekuperatora, co w szczególności przy równie częstym pomijaniu efektów pracy nagrzewnic wstępnej oraz wtórnej prowadzi do błędów w obliczeniu zapotrzebowania na energię użytkową, a w rzeczywistości do istotnego niedoszacowania zapotrzebowania na energię elektryczną pomocniczą.

Wskaźnik EP budynku

Rozważając wartość wskaźnika EP dla budynku wyposażonego w wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła, należy uważnie przyglądać się rozwiązaniu zabezpieczenia przed zamrożeniem oraz nastawie temperatury na nagrzewnicy wtórnej (szczególnie w przypadku takim jak analizowany, czyli nagrzewnicy elektrycznej). Zgodnie z PN-EN ISO 13790 [3] jeżeli rekuperator jest wyłączony lub wymiennik ciepła został ominięty, aby zapobiec ryzyku szronienia rekuperatora, należy to odpowiednio uwzględnić w dostarczanych danych oraz dodatkowa energia, np. do odmrażania i energia potrzebna do wentylatorów, powinna być dodana oddzielnie. Pomijanie wpływu sposobu pracy tych systemów na wynik obliczeń nie jest działaniem prawidłowym.

Na rys. 3 pokazano wartości wskaźnika EP dla różnych konfiguracji systemu grzewczo-wentylacyjnego, uwzględniające również energię dla systemu przygotowania c.w.u.

W zależności od zastosowanego źródła ciepła różne są efekty wprowadzenia systemu wentylacji mechanicznej.

W przypadku kotła gazowego oraz pompy ciepła powietrze/woda pozytywny efekt, czyli obniżenie wskaźnika EP, widoczny jest dla każdej konfiguracji. Dla kotła opalanego biomasą tylko najbardziej energooszczędna centrala wentylacyjna (rozwiązanie 6) pozwala uzyskać wartość wskaźnika EP lepszą niż dla rozwiązania 1.

W przypadku pompy ciepła solanka/woda rozwiązanie 3 pogarsza wskaźnik EP, pozostałe powodują jego poprawę.

Jednocześnie widoczne jest, że analizowany budynek wyposażony w wentylację naturalną i zasilany z kotła gazowego kondensacyjnego nie spełnia kryterium wymaganego przez WT 2014 [5], czyli wskaźnik EP mniejszy od 120 kWh/(m²rok).

Tylko część konfiguracji spełnia wymogi WT 2017 [5], czyli EP mniejsze od 95 kWh/(m²rok). Jedynie układy z kotłem opalanym biomasą zapewniają spełnienie przez obiekt wytycznych WT 2021 [5], czyli EP mniejsze od 70 kWh/(m²rok).

Podsumowanie

Wentylacja budynku mieszkalnego jest ważnym elementem bezpośrednio wpływającym na poziom komfortu oraz samopoczucie mieszkańców. Obliczeniowo ująć można aspekty ekonomiczne i ekologiczne pracy instalacji powietrznej, jednak aspektów związanych z komfortem, jakością powietrza czy organizacją wymiany powietrza już tak łatwo uwzględnić się nie da. Nie sposób również ocenić obliczeniowo wpływu dokładności i jakości wykonania instalacji oraz wpływu użytkownika na pracę systemu wentylacyjnego.

Autorki pragnęły zwrócić uwagę na to, że całościowa i poprawna analiza pracy systemu wentylacji mechanicznej może dać wyniki znacząco odbiegające od uzyskiwanych w sytuacji, w której pobieżnie analizuje się efekty pracy rekuperatora – przyjmując jego sprawność temperaturową zamiast efektywności energetycznej, pomijając wpływ systemu przeciwzamrożeniowego na efekty energetyczne, prowadząc analizy na danych sezonowych, a nie miesięcznych czy, najlepiej, godzinowych.

W zakresie szczegółowych wniosków artykuł dotyczy jedynie przykładowego domu jednorodzinnego przy założonych warunkach jego użytkowania. Natomiast w zakresie ogólnych problemów analizy pracy systemów wentylacji zawarty materiał dobrze ilustruje fakt, że pobieżne traktowanie obliczeń wentylacji w budynkach może prowadzić do dużych nieścisłości w otrzymywanych wynikach.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 3 czerwca 2014 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2014, poz. 888).
2. PN-83/B-03430 Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania wraz ze zmianą PN-83/B-03430/Az3, luty 2000.
3. PN-EN ISO 13790 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczenia zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia.
4. PN-EN ISO 13789 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Współczynniki wymiany ciepła przez przenikanie i wentylację. Metoda obliczania.
5. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2013, poz. 926).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!