Eksploatacja central wentylacyjnych a dotacje dla domów energooszczędnych

Wytyczne techniczne określające podstawowe wymagania niezbędne do osiągnięcia oczekiwanych standardów energetycznych budynku, które warunkują otrzymanie dotacji na budowę, są niezwykle restrykcyjne w porównaniu do wymagań, do których przyzwyczaiło nas polskie prawo.

Warunki przedstawione przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej dotyczące systemów centralnego ogrzewania, wentylacji oraz ciepłej wody użytkowej są dużo ostrzejsze od obecnie funkcjonujących w odniesieniu do istniejących instalacji.

W tabeli 1 przedstawiono minimalne wymagania techniczne dla osiągnięcia oczekiwanych standardów energetycznych, które spełnić musi budynek mieszkalny, aby mieć szansę uzyskania dofinansowania z NFOŚiGW (wg założeń 3. Programu Priorytetowego). Wymogi określono dla dwóch typów budynków: NF15 i NF40, o których wspominają wytyczne.

Standard NF15 dla budynku jednorodzinnego oznacza, że mamy do czynienia z obiektem o bardzo niskim zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania wnętrza (£15 kWh/(m² · rok)), w którym komfort termiczny zapewniają pasywne źródła ciepła, a budynek nie potrzebuje autonomicznego, aktywnego systemu ogrzewania. Budynek spełniający wymagania dla NF15 jest w rzeczywistości domem pasywnym.

Z kolei pod pojęciem NF40 kryje się budynek niskoenergetyczny o zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania wnętrza na poziomie £40 kWh/(m² · rok). Taki budynek wymaga już aktywnego systemu ogrzewania, najlepiej z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii. Zarówno budynek NF15, jak i NF40 nie mają prawa bytu bez wysokosprawnej wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z urządzeniem odzyskującym ciepło z powietrza wywiewanego, często współpracującej z wymiennikiem gruntowym lub pompą ciepła.

Zagadnieniem, o którym należałoby wspomnieć przy okazji wprowadzania wspomnianych wymagań, są rzeczywiste warunki pracy central wentylacyjnych w domach niskoenergetycznych i pasywnych. Parametrem, który w wymaganiach NFOŚiGW wzbudza największe wątpliwości u projektantów, wykonawców, a także producentów tych urządzeń, jest wymagana bardzo wysoka sprawność wymiennika do odzysku ciepła.

Obecnie polskie prawo mówi o obowiązku stosowania odzysku ciepła w systemach, w których strumień powietrza wentylującego wynosi co najmniej 2000 m³/h, przy czym jego sprawność powinna wynosić nie mniej niż 50%. W przypadku domów jednorodzinnych tak duże strumienie powietrza w rzeczywistości nie występują, a wymagania NFOŚiGW mówią o odzysku ciepła na poziomie 85–93%.

Idea jest oczywiście jak najbardziej słuszna, natomiast pewien niepokój wzbudza aktualna oferta producentów central wentylacyjnych. I nie chodzi tutaj o samą sprawność wymiennika, ponieważ na rynku dostępne są konstrukcje, które tym wymaganiom są w stanie sprostać, ale o jego budowę.

Jeśli przejrzymy ofertę wymienników stosowanych w centralach domowych, na pierwszy plan wysuną się wymienniki krzyżowe oraz wymienniki krzyżowo-przeciwprądowe. O ile pierwsze z nich ze względu na sprawność sięgającą 50–70% w rozważanym przypadku nie mają szans spełnić wymagań NFOŚiGW, drugie zasługują na większą uwagę.

Wymienniki krzyżowo-przeciwprądowe podzielić można na rekuperatory i tzw. wymienniki entalpijne. Jeśli ich konstrukcja pozwala jedynie na wymianę ciepła jawnego, a uniemożliwia wymianę wilgoci pomiędzy strumieniami powietrza nawiewanego i wywiewanego, mówimy o rekuperatorach.

Wymienniki takie zbudowane są najczęściej z płyt aluminiowych lub stalowych. Jeśli materiał, z którego wykonany jest wymiennik, umożliwia wymianę ciepła całkowitego, a zatem również strumienia wilgoci, mamy do czynienia z wymiennikiem entalpijnym (lub regeneratorem). Wymienniki takie wykonuje się z celulozy z dodatkiem soli hydrofilowych.

Proces odzysku ciepła w wymienniku rekuperacyjnym

Przyjrzyjmy się teraz procesowi odzysku ciepła w okresie zimowym w standardowym wymienniku rekuperacyjnym. Strumień powietrza nawiewanego do pomieszczeń ulega ogrzaniu na skutek przekazania ciepła z powietrza wywiewanego poprzez przeponę wymiennika (rys. 1).

W każdych warunkach, gdy powierzchnia ścianki wymiennika ma niższą temperaturę od punktu rosy powietrza usuwanego, następuje wykroplenie wilgoci zawartej w powietrzu wywiewanym. Co za tym idzie, w okresie występowania ujemnych temperatur zewnętrznych należy się liczyć z możliwością wystąpienia szronienia wymiennika. Proces zamarzania wody w szczelinach doprowadzić może do częściowego bądź całkowitego zablokowania przepływu powietrza usuwanego z budynku.

Najczęstszą metodą zabezpieczenia przed niekorzystnym efektem zamarzania jest zastosowanie obejścia wymiennika, tzw. by-passu, lub wstępne podgrzanie powietrza zewnętrznego w nagrzewnicy. Niekiedy wykorzystuje się również chwilowe ograniczenie dopływu powietrza zewnętrznego do wymiennika poprzez wyłączenie wentylatora nawiewnego.

Zabezpieczenie przeciwzamrożeniowe wymiennika przeciwprądowego realizowane poprzez by-pass uruchamiane jest wtedy, gdy temperatura wskazana przez czujnik temperatury na powietrzu usuwanym C_wk spadnie poniżej nastawy (standardowo 5°C). Wiąże się to najczęściej z koniecznością zastosowania nagrzewnicy o stosunkowo dużej mocy po stronie powietrza nawiewanego do pomieszczeń. 

Schemat podłączenia wymiennika krzyżowo-przeciwprądowego z nagrzewnicą wodną przed wlotem do pomieszczenia przedstawiono na rys. 2. Nagrzewnica ta – wodna lub elektryczna – uwzględniać musi chwilowe spadki sprawności wymiennika, okresowo nawet do 0%.

Zastosowanie nagrzewnicy wodnej do utrzymywania temperatury powietrza nawiewanego wymaga doprowadzenia do centrali przewodów grzewczych wraz z niezbędną dla tego obiegu armaturą (zawory regulacyjne, odcinające itp.) oraz zastosowania zabezpieczenia przeciwzamrożeniowego. 

Zastosowanie nagrzewnicy elektrycznej będzie się z kolei wiązało z podłączeniem instalacji elektrycznej, zastosowaniem zabezpieczeń przeciwprzegrzaniowych oraz zwiększeniem kosztów eksploatacyjnych.

Kolejną metodą jest okresowe zatrzymanie wentylatora nawiewnego. O wadach tego typu zabezpieczenia przed oszronieniem wymiennika do odzysku ciepła można pisać wiele. Po pierwsze, wyłączenie tylko wentylatora nawiewnego będzie powodowało podciśnienie w pomieszczeniach i dopływ nieuzdatnionego powietrza zewnętrznego wszystkimi możliwymi nieszczelnościami. 

W przypadku budynków o niewielkim zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania spowoduje to bardzo szybkie wychłodzenie pomieszczeń z powodu braku wystarczającego nadmiaru mocy grzewczej do podgrzania powietrza infiltrującego do budynku. 

Po drugie, jeśli automatyka zostanie tak zaprogramowana, że zatrzymanie obu wentylatorów odbywać się będzie jednocześnie (co ochroni przed napływem powietrza zewnętrznego bezpośrednio do budynku), ograniczenie wymiany powietrza narazi budynek na tzw. syndrom chorego budynku (SBS – Sick Building Syndrome).

W konsekwencji długotrwałych mrozów może się okazać, że dom jest niedostatecznie wentylowany, zawilgocony, a stąd już tylko krok do powstania pleśni i rozwoju grzybów.

W budownictwie jednorodzinnym powszechnie stosowaną metodą ochrony przed zamarzaniem jest zastosowanie nagrzewnicy wstępnej. Urządzenie to podgrzewa powietrze napływające do wymiennika odzysku ciepła do bezpiecznej temperatury, eliminując możliwość wystąpienia szronu po drugiej stronie wymiennika (od strony powietrza wywiewanego). 

Najczęściej stosowane są w tym celu nagrzewnice elektryczne. Schemat takiego rozwiązania przedstawiono na rys. 3. Urządzenie to wraz z wysokosprawnym wymiennikiem umożliwia osiągnięcie na tyle wysokiej temperatury nawiewu, że nagrzewnica wtórna jest w systemie zbędna. 

Według wytycznych do układów automatycznej regulacji i sterowania podawanych przez producentów central nagrzewnica elektryczna uruchamia się po spadku temperatury powietrza usuwanego za wymiennikiem poniżej zadanej wartości. Tak jak w przypadku rozwiązania z by-passem jest to zazwyczaj nastawa 5°C. 

W przypadku wysokosprawnych wymienników wskazanych przez wytyczne NFOŚiGW pojawienie się takiego wskazania czujnika Cwk może mieć miejsce przy dodatnich temperaturach zewnętrznych. Wynika więc z tego, że nagrzewnica elektryczna musiałaby pracować przez cały okres występowania ujemnych temperatur zewnętrznych.

Rozwiązania alternatywne

Jakie mamy inne możliwości ochrony przeciwzamrożeniowej wymienników do odzysku ciepła? Zgodnie z zapewnieniem producentów wymiennika krzyżowo-przeciwprądowego entalpijnego obecność soli o właściwościach higroskopijnych w rekuperatorze celulozowym umożliwia wymianę ciepła całkowitego. W kartach katalogowych znaleźć można informacje o ok. 60-proc. sprawności odzysku wilgoci. 

Istnieje więc możliwość, że podczas pracy centrali w pomieszczeniach z niewielką wilgotnością względną, a takich warunków należy się spodziewać w większości domów jednorodzinnych ogrzewanych w okresie zimowym, para wodna zawarta w powietrzu usuwanym zostanie przekazana do powietrza zewnętrznego, zanim nastąpi oszronienie.

Kiedy powietrze usuwane będzie z pomieszczeń o dużej wilgotności względnej, co również może się zdarzać w budownictwie jednorodzinnym (gdy dom zamieszkują entuzjaści gotowania, długich kąpieli w wannie lub częstego korzystania z prysznica bądź rodziny z małymi dziećmi – duże ilości prania suszonego w domu), niebezpieczeństwo pojawienia się zjawiska szronienia bardzo wzrasta.

Innym rozwiązaniem, które pełnić może między innymi funkcję zabezpieczenia wymiennika przez zamarzaniem, jest zastosowanie przeponowego bądź bezprzeponowego wymiennika gruntowego (rys. 4). Metoda ta jest bardziej ekologiczna od wspomnianych powyżej i umożliwia dodatkowo, w zależności od rozwiązania i pory roku, ogrzewanie, chłodzenie, nawilżanie bądź osuszanie powietrza. 

W zależności od wybranego rozwiązania koszt wykonania wymiennika gruntowego może się znacznie różnić. Decydujące są warunki wodno-gruntowe na działce oraz możliwości finansowe inwestora. Wykonanie wymiennika ze złożem żwirowym metodą gospodarczą wiąże się z kosztami na poziomie kilku tysięcy złotych, natomiast wymiennik gwarantujący szczelność na działkach z wysokim poziomem wód gruntowych, dodatkowo wykonany ze specjalnych rur z powłoką antybakteryjną kosztować może nawet kilka razy więcej.

Zalecane jest też wykonanie dodatkowej, np. ściennej, czerpni powietrza pracującej w okresach przejściowych. Jeśli chodzi o koszty eksploatacyjne, praca wymiennika gruntowego wiąże się z koniecznością zwiększenia sprężu wentylatora nawiewnego o ok. 100–150 Pa. NFOŚiGW w swoich wymaganiach wspomina o konieczności stosowania wymienników gruntowych, jednak tylko w przypadku domów pasywnych zlokalizowanych w IV i V strefie klimatycznej Polski. 

Kolejną możliwością zwiększenia temperatury powietrza dostarczanego do wymiennika odzysku ciepła jest zastosowanie pompy ciepła wykorzystującej energię zawartą w powietrzu usuwanym z obiektu. 

Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest obniżenie kosztów eksploatacyjnych wynikających z pracy standardowej nagrzewnicy elektrycznej. Schemat systemu wentylacyjnego z odzyskiem energii z powietrza wywiewanego na wymienniku krzyżowo-przeciwprądowym z obejściem typu by-pass i pompą ciepła przedstawiono na rys. 5.

Nagrzewnica wtórna (schematy na rys. 3–5) może zostać usunięta z układu w przypadku zastosowania wysokosprawnego odzysku ciepła (sprawność temperaturowa ponad 85%). Temperatura powietrza nawiewanego nie spadnie w takim rozwiązaniu poniżej bezpiecznego poziomu ~14°C. Możliwe jest wówczas zaprojektowanie układu, w którym wentylacyjne straty ciepła pokrywane będą przez układ grzewczy budynku.

Zagadnienie parametrów powietrza osiąganych podczas pracy układu wentylacyjnego współpracującego z wymiennikiem gruntowym lub pompą ciepła jest bardzo szerokie i jego rozwinięcie wymagałoby osobnej publikacji. 

Podsumowanie

W artykule opisano wymagania dotyczące wentylacji mechanicznej warunkujące otrzymanie dotacji na budowę budynku niskoenergetycznego lub pasywnego. Przedstawiono metody standardowego zabezpieczenia wymienników do odzysku ciepła z powietrza wywiewanego przed szronieniem, ponieważ praca tej części instalacji w wielu przypadkach decydować będzie o spełnieniu wymogów NFOŚiGW.

W następnym artykule, który ukaże się w RI 6/2013, wykazane zostanie, że do spełnienia wymagań koniecznych do uzyskania dotacji nie wystarczy znaleźć producenta gwarantującego wysoką sprawność wymiennika do odzysku ciepła i zastosować wentylatory o niewielkim zużyciu energii elektrycznej. 

Przedstawiona zostanie analiza eksploatacji instalacji wentylacyjnych o typowych parametrach pracy oraz wymaganych w wytycznych NFOŚiGW, a także korelacja pomiędzy współczynnikiem nakładu energii elektrycznej do pracy wentylacji a przeciwzamrożeniowym zabezpieczeniem wymiennika. 

Literatura

1. Dopłaty do kredytów na domy energooszczędne. Wymagania techniczne dla budynków, www.nfosigw.gov.pl.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!