Kompleksowa termomodernizacja budynku WBiIŚStan techniczny instalacji grzewczo-wentylacyjnych przed termomodernizacją i możliwości poprawy ich efektywności

Wybór rodzaju systemu grzewczego, wentylacyjnego czy klimatyzacyjnego w danym obiekcie zależy od wielu czynników. Nierozerwalnie związany jest z zastosowanym źródłem ciepła i chłodu, które wpływa na rodzaj (woda/powietrze) i parametry (temperatura/schłodzenie) czynnika. Mamy obecnie do dyspozycji wiele rozwiązań technicznych, różniących się pod względem materiałowym i regulacyjnym [6].

W trakcie kompleksowej termomodernizacji obiektów jednym z elementów, którego sprawność może ulec znacznej poprawie, jest system grzewczo-wentylacyjny. Wybór odpowiedniego systemu wentylacji dużych obiektów użyteczności publicznej powinien uwzględniać szereg czynników, między innymi:

• rodzaj pomieszczeń i ich funkcje,
• wymagane parametry powietrza zewnętrznego doprowadzanego do określonych pomieszczeń,
• typ urządzeń do odzyskiwania ciepła z powietrza usuwanego z pomieszczeń,
• warunki techniczne, jakie muszą spełniać przewody i urządzenia instalacji wentylacyjnej.

Projekt instalacji wentylacyjnej obiektów użyteczności publicznej stanowi podstawę do określenia nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacyjnych. Nakłady inwestycyjne na system wentylacji mogą stanowić nawet 30% ogólnych nakładów, zatem konieczne jest zoptymalizowanie układów instalacyjnych.

Nieprawidłowo zaprojektowana instalacja wentylacyjna w dużym obiekcie nie będzie spełniać swojej funkcji, może natomiast generować dodatkowe koszty eksploatacyjne wynikające z konieczności jej utrzymania, konserwacji i użytkowania.

Strumień powietrza dostarczanego do pomieszczenia zależeć będzie od przyjętego sposobu wentylacji i metody obliczeń [7]. W celu wybrania sposobu ogrzewania i chłodzenia najlepiej wykonać bilans cieplny obiektu [8].

Bardzo częstym problemem w salach dydaktycznych jest zbyt duże stężenie dwutlenku węgla. Dopuszczalne stężenie w pomieszczeniach zamkniętych, takich jak sale dydaktyczne, wynosi 1000 ppm [9, 10, 11].

Ogólnie rzecz ujmując, dwutlenek węgla w salach dydaktycznych jest produktem przemiany materii ludzi. To gaz nietrujący, ale wysoki poziom CO₂ wpływa bezpośrednio na chwilowy lub długotrwały stan zdrowia użytkowników pomieszczeń i znacząco obniża ich sprawność umysłową (zmęczenie, senność, rozkojarzenie) [12].

Charakterystyka obiektu

Budynek Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Białostockiej składa się obecnie z dwóch części: dwupiętrowej A oraz parterowej B [18, 19]. Kubatura całkowita obiektu wynosi ok. 63 tys. m³ [13]. Powierzchnia ogrzewana części A to 8058 m², kubatura 24 266 m³, bloku B odpowiednio 7187 m² i 22 091 m³ [14].

Zgodnie z wykonanymi według obowiązujących norm obliczeniami projektowe obciążenie cieplne budynku w stanie istniejącym wynosi ok. 638 kW, a sezonowe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania w sezonie standardowym bez uwzględnienia wentylacji mechanicznej i sprawności systemu grzewczego to blisko 3000 GJ/rok. Po uwzględnieniu sprawności systemu grzewczego teoretyczne zużycie energii wzrasta do ok. 4800 GJ [13]. Zakres planowanej termomodernizacji opisano w [18, 19].

Charakterystyka istniejącego systemu grzewczego

Instalacja centralnego ogrzewania w części A została zaprojektowana ponad trzydzieści lat temu [15] jako instalacja dwururowa pompowa z rozdziałem dolnym o parametrach 95/70°C. Przewody wykonano z rur stalowych czarnych. W piwnicy są one prowadzone pod stropami pomieszczeń w otulinie z waty szklanej w płaszczu gipsowo-klejowym (fot. 1).

W większości pomieszczeń znajdują się grzejniki członowe żeliwne osłonięte obudowami drewnianymi (fot. 2). W czasie funkcjonowania obiektu instalacja była częściowo modernizowana. Większość grzejników na parterze oraz w kilku pomieszczeniach na drugim piętrze obiektu została wymieniona na płytowe (fot. 3). Sieć odpowietrzającą zastąpiono odpowietrznikami automatycznymi montowanymi w najwyższych punktach pionów na drugim piętrze. Przy grzejnikach zamontowane zostały zawory termostatyczne. Na klatkach schodowych i korytarzach zastosowano grzejniki rurowe ożebrowane (fot. 4).

W części B instalacja c.o. została wykonana kilka lat później, jednak od początku jej funkcjonowania pojawiały się problemy z niedogrzewaniem części pomieszczeń. Zastosowano tu grzejniki płytowe i rury stalowe.

Charakterystyka istniejącej wentylacji

Obecnie w części B budynku WBiIŚ wentylacja mechaniczna składa się z 23 układów nawiewno-wywiewnych z oddzielnymi centralami umieszczonymi w dwóch maszynowniach zlokalizowanych w wysokich piwnicach, żaden z układów nie ma odzysku ciepła. Ponadto w obiekcie tym znajduje się sześć układów nawiewnych z odciągami miejscowymi w laboratoriach specjalistycznych, trzy układy wywiewne z sanitariatów i jeden układ nawiewno-wywiewny z odzyskiem ciepła w auli [16].

Ze względu na zbliżający się kompleksowy remont system wentylacji mechanicznej obiektu nie był poddawany konserwacjom. Niesprawne są obecnie silniki niektórych wentylatorów, odcięte części instalacji lub przemarznięte nagrzewnice, co spowodowało wyłączanie układów wentylacyjnych zimą i w okresach przejściowych.

W auli budynku A zainstalowano w 2012 r. wentylację mechaniczną nawiewno-wywiewną, a w salach wykładowych na piętrach znajduje się wentylacja mechaniczna nawiewno-wywiewna wykonana podczas budowy obiektu, obecnie niesprawna. W pokojach nauczycieli i w sekretariatach oraz w salach laboratoryjnych, w których nie są używane odczynniki chemiczne ani biologiczne, funkcjonuje jedynie wentylacja grawitacyjna.

Na fot. 5 widać przekrój poprzeczny kanału w demontowanej obecnie instalacji – jego zanieczyszczenia i deformacje. W komorze kurzowej z sekcją filtrów (od zwężki do wentylatora – fot. 6) na ściankach przewodu jest zbita warstwa kurzu i innych zanieczyszczeń grubości ok. 1,5 mm. Na fot. 7 pokazano zanieczyszczenia na elemencie stropu podwieszanego pod kratką wywiewną.

Planowana termomodernizacja

W przypadku instalacji centralnego ogrzewania w części A planowana jest wymiana starych grzejników członowych żeliwnych i rurowych ożebrowanych na płytowe, przy zachowaniu parametrów pracy instalacji, która w dalszym ciągu będzie zasilana z węzła cieplnego w piwnicy budynku. Jest to spowodowane wcześniejszą wymianą części grzejników na parterze, przy przyjęciu parametrów pracy 95/70°C.

Wszystkie grzejniki będą wyposażone w zawory termostatyczne. Istniejące obudowy drewniane zostaną zdemontowane. Wymiana leżaków w piwnicach powinna zostać wykonana z wykorzystaniem dotychczasowych tras przewodów. Wszystkie przewody zostaną zaizolowane zgodnie z obowiązującymi przepisami. Taki zakres termomodernizacji zwiększy efektywność przesyłu i przekazywania ciepła do pomieszczeń oraz możliwości regulacji [17].

W części B instalacja po modernizacji będzie zasilana ze zmodernizowanego węzła cieplnego współpracującego z gruntową pompą ciepła (pionowe wymienniki gruntowe). W związku z obniżeniem parametrów instalacji wszystkie grzejniki zostaną wymienione. W części pomieszczeń zlokalizowanych na parterze planuje się wykonanie ogrzewania podłogowego z rur wielowarstwowych z tworzywa sztucznego i aluminium. Instalacja wyposażona zostanie w zawory regulacyjne, częściowo z głowicami programowalnymi.

W ramach termomodernizacji wymienione zostaną wszystkie istniejące układy wentylacyjne, łącznie z przewodami instalacji wentylacyjnej. Jest to wskazane ze względów higienicznych i ekonomicznie uzasadnione. Czyszczenie i konserwacja oraz zmiana położenia istniejących kanałów jest nieopłacalna, dlatego stare kanały zostaną zdemontowane, a w ich miejsce wykonane nowe.

Koszt kanałów stanowi ok. 10% kosztów inwestycji. Wentylacja mechaniczna realizowana będzie za pomocą central nawiewno-wywiewnych z odzyskiem ciepła w większości posadowionych na dachu, co umożliwi wykorzystanie pomieszczeń na inne cele, zgodnie z obecnymi potrzebami użytkownika obiektu. W projektowanych układach wentylacyjnych znajdować się będzie pięć różnych wymienników:

• rurowy gruntowy,
• płytowy gruntowy,
• obrotowy,
• przeciwprądowy,
• krzyżowy w centrali wewnątrz budynku (bez rurek ciepła ze względu na ich wysokie koszty).

W przyszłości będą na nich przeprowadzane badania porównawcze. Wentylacja mechaniczna miejscowa zostanie częściowo zmodernizowana z wykorzystaniem istniejących wentylatorów dachowych – nie starszych niż 5 lat, wymienione też zostaną stare, wyeksploatowane lub niesprawne odciągi.

Planowane jest również zamontowanie urządzeń do odzysku ciepła we wszystkich centralach nawiewno-wywiewnych oraz automatyczne sterowanie w zależności od chwilowych potrzeb.

W największych centralach strumień powietrza kierowany będzie na podstawie stężenia CO2 w pomieszczeniu – zastosowany zostanie system kontrolowanej wentylacji (DCV), tzw. „wentylacji na żądanie”. Pozwoli on zmniejszyć zużycie energii na uzdatnianie powietrza. Stały monitoring stężenia dwutlenku węgla umożliwi zmniejszenie liczby wymian powietrza w pomieszczeniu, a tym samym zużycia energii.

W przypadku szkół potencjał oszczędności szacuje się na 10–50%, w porównaniu do takich samych pomieszczeń z systemem HVAC bez kontroli CO₂.

Podsumowanie

Zaplanowane przedsięwzięcia modernizacyjne w obrębie instalacji centralnego ogrzewania umożliwią wyeliminowanie problemów z niedogrzewaniem części obiektu przy jednoczesnym przegrzewaniu innych pomieszczeń. Modernizacja w obrębie źródeł ciepła, wymiana grzejników, części przewodów, ich izolacji termicznej, pełna regulacja systemu pozwoli zwiększyć sprawności cząstkowe (wytwarzania, regulacji, dystrybucji i wykorzystania ciepła), a co za tym idzie sprawność całkowitą i obniżyć koszty eksploatacyjne.

Przy stosunkowo niewielkich nakładach inwestycyjnych (ok. 1 800 000 zł) modernizacja systemu wentylacyjnego powinna przynieść obniżenie kosztów eksploatacyjnych o ok. 32,8% i znacznie poprawić jakość powietrza w pomieszczeniach. Dzięki zastosowaniu odzysku ciepła znacznie obniży się energochłonność instalacji wentylacyjnych, a tym samym budynku. Czas zwrotu kosztów inwestycji szacuje się na ok. 8–9 lat.

Praca finansowana w ramach prac statutowych Politechniki Białostockiej S/WBIiŚ/4/2014 oraz realizowana w ramach projektu „Badanie skuteczności aktywnych i pasywnych metod poprawy efektywności energetycznej infrastruktury z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii” w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Podlaskiego na lata 2007–2013 Osi Priorytetowej I. Wzrost innowacyjności i wspieranie przedsiębiorczości w regionie Działania 1.1 Tworzenie warunków dla rozwoju innowacyjności.B – DO-120.362/40/14

Literatura

1.  Krawczyk D.A., Theoretical and real effect of thermal modernization – a case study, „Energy and Buildings” No. 81, 2014
2.  Stolarski M., Krzyżaniak M., Graban Ł., Evoluation of energy-related and economic aspects of heating a family house with dendromass in North-east Poland, „Energy and Building” No. 43, 2010.
3.  Liao Z., Dexter A.L., An experimental study on an inferential control scheme for optimizing the control of boilers in multi-zone heating system, „Energy and Buildings” No. 37, 2005.
4.  Zhang T., Siebers P.O., Aickelin U., A three-dimensional model of residential energy consumer archetypes for local energy policy design in the UK, „Energy Policy” No. 47, 2012.
5. Rosas-Flores A., Rosas-Flores D., Galvez A.M., Saturation, energy consumption, CO₂ emission and energy efficiency from urban and rural households appliances in Mexico, „Energy and Buildings” No. 43, 2011.
6. Krawczyk D.A., Instalacje c.o. w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej, „Polski Instalator” nr 3/2013.
7. Jargiło J., Gładyszewska-Fiedoruk K., Porównanie dwóch technologii kanałów wentylacji mechanicznej w domu jednorodzinnym, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2014.
8.  Katalog firmy DLK.
9. ASHRAE Standard 62-1989 Ventilation for acceptable Indoor Air Quality, Atlanta 1989.
10. The Right to Healthy lndoor Air, Report on a WHO Meeting, Bilthoven 2000.
11. PN-EN 13779:2008 Wentylacja budynków niemieszkalnych. Wymagania dotyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji.
12. Gładyszewska-Fiedoruk K., Krawczyk D.A., Jakość powietrza w gabinetach lekarskich a zużycie energii, „COW” nr 6/2013.
13. Sadowska B., Piotrowska-Woroniak J., Audyt energetyczny budynku Wydziału Budownictwa Politechniki Białostockiej, NAPE S.A., Białystok 2012.
14. Projekt wykonawczy. Zakres: przebudowa instalacji centralnego ogrzewania i instalacji zimnej wody, SOLARSYSTEM s.c. M. Łapa, Białystok 2014.
15. Projekt techniczny instalacji c.o. Budynek A. Instytut Budownictwa Lądowego, Biuro Projektów Budownictwa Ogólnego BUDPOL, Warszawa 1979.
16.  Projekt wykonawczy. Zakres: przebudowa instalacji wentylacji mechanicznej, SOLARSYSTEM s.c. M. Łapa, Białystok 2014.
17. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2008 nr 201, poz. 1238, z późn zm.).
18. Sadowska B., Święcicki A., Sarosiek W., Kompleksowa termomodernizacja budynku WBiIŚ. Cz. 1. Stan istniejący na podstawie dokumentacji archiwalnej i pomiarów, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2014.
19. Święcicki A., Sadowska B., Sarosiek W., Kompleksowa termomodernizacja budynku WBiIŚ. Cz. 2. Plan inwestycji z analizą potencjału efektów termomodernizacji, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2014.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!