Wewnętrzne przecieki powietrza w centralach wentylacyjnych

Zadaniem wentylacji mechanicznej jest skuteczna wymiana zużytego powietrza wewnętrznego dzięki zakładanej ilości powietrza zewnętrznego. Jednym z problemów podczas realizacji tego celu są przecieki powietrza występujące w sieci kanałów oraz w centralach wentylacyjnych. Przecieki w centralach dzielą się na zewnętrzne (przez obudowę) oraz wewnętrzne pomiędzy strumieniami powietrza, przede wszystkim w sekcji wymiennika do odzysku ciepła. O ile zagadnienie nieszczelności w przewodach wentylacyjnych oraz zewnętrznych przecieków w centralach jest uregulowane w wielu normach [8,10,11,12,13], o tyle kwestia przecieków wewnętrznych może wymagać większej uwagi przy projektowaniu, doborze i rozruchu urządzeń. W Polsce rozporządzenie w sprawie warunków technicznych [5] określa co prawda w § 151.2 dopuszczalne przecieki dla wymienników płytowych i obrotowych, nie podaje jednak normy odniesienia, co w praktyce ogranicza możliwość stosowania i weryfikacji tych wymogów.

Wewnętrzne przecieki w centralach wentylacyjnych mogą powodować:

• zwiększone zużycie energii elektrycznej,
• niedostarczenie zakładanej ilości powietrza zewnętrznego do pomieszczeń, a tym samym pogorszenie jakości powietrza wewnętrznego (indoor air quality – IAQ).

Kolejną istotną kwestią, związaną z bezpieczeństwem epidemiologicznym w kontekście trwającej pandemii COVID-19, jest ograniczanie potencjalnego ryzyka transmisji infekcji drogą powietrzną [3].

Zazwyczaj zarówno przy projektowaniu, jak i regulacji instalacji przyjmuje się, że przecieki wewnętrzne w centralach nie występują bądź są pomijalnie małe. W rzeczywistości jednak w przypadku nieprawidłowo zaprojektowanych i źle wyregulowanych urządzeń przecieki wewnętrzne mogą być istotne i ich wpływ nie powinien być ignorowany.

Problem przecieków wewnętrznych dotyczy najczęściej urządzeń wyposażonych w wymienniki obrotowe, jeśli nie zostaną zastosowane odpowiednie rozwiązania mające na celu minimalizację tego zjawiska. Wymienniki obrotowe mają szereg zalet, takich jak wysoki odzysk ciepła, niskie opory przepływu, odzysk wilgoci, odporność na zamarzanie czy kompaktowe wymiary, są jednak najbardziej podatne na przecieki. Biorąc pod uwagę fakt, że zgodnie ze statystykami rynkowymi Eurovent Market Intelligence ok. 45% central instalowanych na terenie UE jest wyposażonych w wymienniki obrotowe, skala problemu jest istotna.

Wskaźnik przecieków wewnętrznych

Do określania przecieków wewnętrznych w wymienniku regeneracyjnym powszechnie stosuje się wskaźniki EATR i OACF. Zostały one określone w normie PN-EN 16798-3 [6] i od wielu lat wykorzystywane są w programie certyfikacji Eurovent dla obrotowych wymienników ciepła.

Ulepszone definicje tych wskaźników podane zostały w projekcie nowelizacji normy prEN 308 [7], której publikacja spodziewana jest w 2022 roku. Norma ta zakłada, że EATR i OACF będą miały zastosowanie również do wymienników płytowych, jeśli przeciek mierzony statyczną metodą ciśnieniową będzie przekraczał 3%. Ponadto norma wprowadza procedurę badania wymiennika zabudowanego w centrali, co oznacza, że przecieki występujące poza samym wymiennikiem również będą uwzględnione.

Definicje tych wskaźników są następujące:

OACF (Outdoor Air Correction Factor) to stosunek pomiędzy strumieniem masowym powietrza zewnętrznego (ZEW) i strumieniem masowym powietrza nawiewanego (NAW). Dostarcza on informacji nt. sumy (po obu stronach wymiennika) przecieków pomiędzy strumieniami powietrza. Wartość OACF > 1 oznacza przeciek ze strony nawiewu na stronę wywiewu. Wartość OACF < 1 oznacza przeciek ze strony wywiewu na stronę nawiewu. OACF jest funkcją różnicy ciśnień (p_22 – p₁₁).

EATR (Exhaust Air Transfer Ratio) to stosunek ilości powietrza wywiewanego w strumieniu powietrza nawiewanego do strumienia powietrza nawiewanego, z uwzględnieniem przenoszenia powietrza w obracającym się wirniku (carry over). Określa on poziom zanieczyszczenia powietrza nawiewanego powietrzem wywiewanym. EATR jest funkcją różnicy ciśnień (p_22 – p₁₁), a jego wartość mierzy się za pomocą gazu znacznikowego.

Pomiędzy EATR i OACF istnieje korelacja. Gdy OACF spada poniżej 1,0–1,05, to EATR zaczyna gwałtownie rosnąć. Przy wysokim OACF EATR dąży do 0%, nie osiągając jednak tej wartości ze względu na zjawisko carry over. Zredukowanie EATR do wartości bliskiej 0% jest możliwe dzięki zastosowaniu sektora czyszczącego.

Ogólna charakterystyka przecieków wewnętrznych w wymienniku obrotowym przy zbilansowanych przepływach i bez sektora czyszczącego dla różnych zakresów ∆p_22–11 przedstawiona została na rys. 3–5.

Zdecydowana większość producentów wymienników obrotowych (w tym wszyscy certyfikowani przez Eurovent) podaje wartości EATR i OACF dla swoich produktów. Większość producentów central wentylacyjnych również pokazuje te parametry przy doborach swoich urządzeń. Oczekuje się, że znowelizowane rozporządzenie Komisji (EU) 1254/2014 [4] zostanie opublikowane w 2022 roku i wprowadzi wymóg przedstawiania EATR i OACF w dokumentacji technicznej i przy doborach central wentylacyjnych. Prawdopodobne jest również, że rozporządzenie to określi dopuszczalne wartości EATR i OACF.

Typowe wartości EATR i OACF

Wartości EATR i OACF zależą przede wszystkich od umiejscowienia wentylatora nawiewnego i wyciągowego w centrali.

Obydwa wentylatory za wymiennikiem

Zdecydowanie najkorzystniejszą z punktu widzenia minimalizacji przecieków wewnętrznych jest konfiguracja z obydwoma wentylatorami umieszczonymi za wymiennikiem w kierunku przepływu powietrza (rys. 6).

Przy takiej konfiguracji występuje zwykle nieznacznie wyższe ciśnienie po stronie nawiewu. Zależy to oczywiście również od oporu przepływu w poszczególnych kanałach. Praktyka pokazuje jednak, że różnica p_22–11 może być ujemna i potrzebne jest zastosowanie dodatkowych środków, aby zrównoważyć ciśnienie i zminimalizować EATR. Typowe wartości OACF i EATR dla tej konfiguracji w zależności od ∆p_22–11 pokazuje tabela 1.

Obydwa wentylatory po stronie budynku

Z kolei zdecydowanie najgorszą z punktu widzenia przecieków wewnętrznych jest konfiguracja z obydwoma wentylatorami zlokalizowanymi od strony budynku.

Wentylator wyciągowy powoduje w większości przypadków znaczne nadciśnienie po stronie wywiewu (p_22–11 jest ujemne). W tym przypadku EATR jest wysoki, a OACF poniżej 1,0. Typowe wartości OACF i EATR dla tej konfiguracji pokazuje tabela 2.

Ze względów konstrukcyjnych przy takiej konfiguracji centrala może być zazwyczaj bardziej kompaktowa i krótsza, a tym samym tańsza. Z tego powodu układ ten wybierany jest przez projektantów i inwestorów dążących do optymalizacji kosztowej. Dodatkowo w przypadku urządzeń montowanych na zewnątrz często korzysta się z odstępstwa w Warunkach Technicznych i stosuje „zintegrowaną” czerpnio-wyrzutnię, zakładając, że zapewni ona skuteczny rozdział strumieni powietrza (co jest często dalekie od prawdy). Pozwala to na eliminację kanałów powietrza zewnętrznego i wyrzutowego i dodatkowe obniżenie kosztów inwestycji. Nie bierze się jednak pod uwagę, że (jak pokazuje tabela 2) centrala zaprojektowana jako nawiewno-wywiewna bez recyrkulacji w praktyce może realizować recyrkulację na poziomie nawet 25% (a przy uwzględnieniu mieszania na „zintegrowanej” czerpnio-wyrzutni jeszcze większym). Stawia to pod dużym znakiem zapytania możliwość dostarczenia do budynku zakładanych ilości powietrza zewnętrznego wymaganych przepisami.

Inne lokalizacje wentylatorów

Pozostałe dwie możliwe konfiguracje, czyli z obydwoma wentylatorami po stronie zewnętrznej lub z obydwoma wentylatorami przed wymiennikiem, występują raczej rzadko i charakteryzują się niskim przeciekiem powietrza usuwanego do powietrza nawiewanego (EATR), ale przy wysokiej wartości OACF (do 1,5).

Wpływ OACF i EATR na zużycie energii, projektowanie i regulację systemu

Jak pokazano powyżej, nawet przy najkorzystniejszej konfiguracji wentylatorów wewnętrzne przecieki mogą być istotne. Oznacza to, że strumienie powietrza na poszczególnych króćcach centrali będą inne niż projektowane strumienie powietrza wentylacyjnego dostarczanego i usuwanego z budynku.

Biorąc pod uwagę, że zadaniem urządzenia wentylacyjnego jest dostarczenie do budynku wymaganej ilości powietrza zewnętrznego, przy wysokich wartościach EATR i OACF powinno się uwzględnić kompensację strumieni powietrza na wszystkich przyłączeniach centrali.

Skorygowane strumienie można obliczyć z następujących zależności:

q_NAWkor = q_NAW · (1+ EATR)

q_WYWkor = q_WYW + q_NAW · EATR

q_ZEWkor = q_NAWkor · OACF

q_WYRkor = q_WYWkor + q_NAWkor · (OACF – 1)

Przykładowo dla EATR = 5% i OACF = 1,1 po kompensacji przepływ powietrza nawiewanego i wywiewanego wzrośnie o 5%, a przepływ powietrza zewnętrznego i wyrzutowego o 15,5%.

Taka kompensacja zapewniająca dostarczenie zakładanej ilości powietrza zewnętrznego ma oczywisty wpływ na wzrost zużycia energii elektrycznej do napędu wentylatorów. Skorygowany pobór mocy wynikający ze zwiększonych przepływów oraz zwiększonych oporów wewnętrznych centrali i spadków ciśnień w sieci kanałów powinien zostać uwzględniony przy doborze centrali.

Zwiększenie poboru mocy zależy każdorazowo od parametrów urządzenia i jego punktu pracy. Można jednak orientacyjne przyjąć, że dla konfiguracji wzorcowej [4], obejmującej dwa wentylatory, wymiennik od odzysku ciepła i filtry powietrza, przy sprężu zewnętrznym 200 Pa, EATR = 5% i OACF = 1,1, pobór mocy wentylatora nawiewnego wzrośnie o ok. 9%, a wentylatora wyciągowego o ok. 29%. Przekłada się to odpowiednio na wzrost SPFV o ok. 19% i SFPwew na poziomie 28%. Są to liczby, które trudno zlekceważyć w bilansie energetycznym.

Przecieki wewnętrzne należy również odpowiednio uwzględnić przy rozruchu i regulacji instalacji. Jest to szczególnie istotne przy konfiguracji z obydwoma wentylatorami po stronie budynku (rys. 7), gdzie wewnętrzny przeciek powietrza wywiewanego do powietrza nawiewanego może dochodzić do 25%. Nawet jeśli zakładany wydatek centrali zostanie potwierdzony pomiarami na kanale nawiewnym i wywiewnym, w rzeczywistości do budynku może zostać dostarczone jedynie 75% zakładanej ilości powietrza zewnętrznego. Przy takiej konfiguracji zalecane jest skontrolowanie przepływów powietrza zewnętrznego i wyrzutowego.

Minimalizacja przecieków wewnętrznych

Pozycja wentylatorów

Zasadniczym warunkiem zapewnienia niskich przecieków wewnętrznych w centralach z wymiennikiem obrotowym jest odpowiednia lokalizacja wentylatorów. Najbardziej zalecana jest konfiguracja z obydwoma wentylatorami za wymiennikiem (rys. 6). Umożliwia ona łatwe zbilansowanie różnicy ciśnień dla zminimalizowania EATR i uzyskania niskiego OACF.

Zbilansowanie ciśnień

Kolejnym krokiem jest zapewnienie odpowiedniej różnicy pomiędzy stroną nawiewu i wywiewu. Optymalna ∆P_22–11 dla ograniczenia EATR i OACF mieści się w zakresie 0–20 Pa (wyższe ciśnienie po stronie nawiewu). W razie potrzeby, przy konfiguracji wentylatorów jak na rys. 6, wartość taką należy ustalić przy rozruchu urządzenia za pomocą dławienia po stronie wywiewu (np. przepustnicą lub przesłoną perforowaną) bądź przez odpowiednie zwymiarowanie kanałów wywiewnych. Rozwiązaniem może być też zastosowanie filtra wywiewnego o wyższym spadku ciśnienia. Dla pozycji wentylatorów jak na rys. 7 dławienie w celu zbilansowania ciśnień nie jest możliwe.

Odpowiednie zastosowanie sektora czyszczącego

Sektor czyszczący jest elementem wymiennika obrotowego pozwalającym na zminimalizowanie przecieku spowodowanego przenoszeniem powietrza przy obrocie rotora (carry over) do wartości poniżej 0,5%. Dla skutecznego działania sektor ten musi zostać odpowiednio zlokalizowany, a jego kąt prawidłowo ustawiony (jeśli jest regulowany), zgodnie z wytycznymi producenta.

Należy pamiętać, że jeśli nadciśnienia po stronie wywiewu nie da się wyeliminować, sektor czyszczący powoduje zwiększenie przecieku i nie należy go stosować. Zasadę działania sektora czyszczącego i jego wpływ na EATR oraz OACF pokazano na rys. 8.

Uszczelnienia rotora

Kolejnym czynnikiem mającym wpływ na ograniczenie przecieków są prawidłowe uszczelnienia rotora (obwodowe i belki dzielącej). Z czasem uszczelnienia ulegają zużyciu, a ich efektywność spada. Z tego względu uszczelnienia należy regularnie kontrolować zgodnie z zaleceniami producenta, a w razie potrzeby wymienić. Dobrej jakości uszczelnienie pozwala uzyskać OACF na poziomie znacznie poniżej 1,1, do wartości bliskiej 1,0 (przy ∆p_22–11 > 0).

Oczekiwane zmiany normatywne oraz prawne

Wspomniana wcześniej norma PN-EN 308 z 1997 roku jest w trakcie nowelizacji, a publikacja zaktualizowanej wersji spodziewana jest w 2022 roku. Wprowadzi ona ulepszone metody określania EATR i OACF oraz nowe procedury badania parametrów wymienników zamontowanych w centralach wentylacyjnych, w tym wartości OACF i EATR.

Trwa również rewizja rozporządzenia Komisji (EU) 1253/2014, które określa minimalne wymagania ekoprojektu dla central wentylacyjnych wprowadzanych na rynek Unii Europejskiej. Oczekuje się, że znowelizowane rozporządzenie wprowadzi obowiązek deklarowania wartości OACF i EATR dla central wentylacyjnych do budynków niemieszkalnych (w zależności od wyboru producenta – o wydatku powyżej 250 lub 1000 m³/h) oraz zdefiniuje ich dopuszczalne wartości. Możliwe jest również, że wprowadzony zostanie wymóg korygowania wewnętrznej jednostkowej mocy wentylatorów (SFP_wew) ze względu na wewnętrzne przecieki. Publikacja zaktualizowanego rozporządzenia spodziewana jest w ciągu najbliższych dwóch lat.

Podsumowanie i wnioski

Wewnętrzne przecieki w centralach wentylacyjnych z wymiennikiem odzysku ciepła (w szczególności obrotowym) mogą mieć istotny wpływ na ograniczenie efektywnie dostarczanego do budynku strumienia powietrza zewnętrznego (pogorszenie IAQ) i zwiększone zużycie energii do napędu wentylatorów. Dla zminimalizowania przecieków wewnętrznych i ich konsekwencji przy projektowaniu i rozruchu instalacji należy dążyć do osiągnięcia prawidłowych wartości EATR (optymalnie poniżej 1%) oraz OACF (optymalnie w zakresie 1,0–1,05). W tym celu należy zwrócić uwagę na prawidłową lokalizację wentylatorów (optymalnie: obydwa za wymiennikiem) oraz prawidłowe wyregulowanie różnicy ciśnień ∆p_22–11 (optymalnie: 0–20 Pa), mając na względzie fakt, że zwymiarowanie spadków ciśnienia w poszczególnych podłączonych do centrali kanałach również przyczynia się do zbilansowania ciśnień wokół wymiennika. Należy również zwrócić uwagę na prawidłową lokalizację i ustawienie sektora czyszczącego (minimalizacja EATR) oraz jakość i stan uszczelnień wymiennika obrotowego (OACF).

Nie wolno także zapominać, że do określenia wartości EATR i OACF konieczna jest znajomość oporów przepływu oddzielnie w przewodach po stronie budynku oraz po stronie zewnętrznej.

Literatura

1. Eurovent 17/11 – 2015, Guidelines for Heat Reco­very, https://eurovent.me/?q=content/eurovent-1711-2015-guidelines-heat-recovery (dostęp: 12.01.2020).
2. Eurovent 6/15 – 2020, Air leakages in Air Handling Units. Guidelines for improving indoor air quality and correcting performance, https://eurovent.eu/?q=content/eurovent-615-2021-air-leakages-air-handling-units-first-edition
3. REHVA COVID-19 Guidance – version 4.0, How to operate HVAC and other building service systems to prevent the spread of the coronavirus (SARS-CoV-2) disease (COVID-19) in workplaceshttps://www.rehva.eu/activities/covid-19-guidance (dostęp: 12.01.2020).
4. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1253/2014 z dnia 7 lipca 2014 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla systemów wentylacyjnych (tekst skonsolidowany: https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2014/1253/2020-07-30?locale=pl, dostęp: 12.01.2020).
5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2002, nr 75, poz. 690, z poźn. zm.).
6. PN-EN 16798-3:2017-09E Charakterystyka energetyczna budynków. Wentylacja budynków. Część 3: Wentylacja budynków niemieszkalnych. Wymagania dotyczące właściwości systemów wentylacji i klimatyzacji pomieszczeń (Moduł M5-1, M5-4).
7. prEN 308:2020 (E) Heat exchangers – Test procedures for establishing performance of air to air and flue gases heat recovery devices.
8. PN-EN 1886:2008E Wentylacja budynków. Centrale wentylacyjne i klimatyzacyjne. Właściwości mechaniczne.
9. PN-EN 12599: 2013-04E Wentylacja budynków. Procedury badań i metody pomiarowe dotyczące odbioru wykonanych instalacji wentylacji i klimatyzacji.
10. PN-EN 1507:2007 Wentylacja budynków. Przewody wentylacyjne z blachy o przekroju prostokątnym. Wymagania dotyczące wytrzymałości i szczelności.
11. PN-EN 17192:2019-01E Wentylacja budynków. Sieć przewodów. Przewody niemetalowe. Wymagania i metody badań.
12. PN-EN 13180:2004 Wentylacja budynków. Sieć przewodów. Wymiary i wymagania mechaniczne dotyczące przewodów giętkich.
13. PN-EN 12237:2005 Wentylacja budynków. Sieć przewodów. Wytrzymałość i szczelność przewodów z blachy o przekroju kołowym.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!