Praktyczne aspekty projektowania energooszczędnych systemów wentylacyjnych

Ogrzewanie i wentylacja to główne składniki całkowitego zużycia energii w polskim budownictwie, co pokazano na rys. 1, opracowanym na podstawie raportu ITB z roku 2003 [28], zaprezentowanym wcześniej w artykule [9]. Z danych GUS [43] wynika, że na przestrzeni ponad 15 lat o ile udział procentowy ogrzewania i wentylacji w strukturze zużycia energii ogółu gospodarstw domowych zmniejszył się o ok. 6% (rys. 2), to jego zużycie wyrażone w jednostkach energii było praktycznie niezmienne i wynosiło odpowiednio: w roku 2002 – 544 PJ, w 2009 – 550 PJ, w 2012 – 541 PJ, w 2015 – 527 PJ i w 2018 – 543 PJ. Według danych GUS w 2002 roku było w Polsce 13,3 mln gospodarstw domowych, a w 2018 – 14,4 mln. Ich liczba wzrosła zatem o 1,1 mln, a zużycie energii na ogrzewanie (i wentylację) wyrażone ilościowo pozostało na tym samym poziomie. Może to świadczyć m.in. o tym, że mieszkania są bardziej energooszczędne w zakresie ogrzewania i wentylacji. Jednak potencjał oszczędności energii na ogrzewanie i wentylację jest nadal wysoki i wymagania dla nowych budynków, które obowiązują od początku 2021 roku, sprzyjają stosowaniu rozwiązań energooszczędnych i energoefektywnych oraz zwiększających komfort i jakość wentylacji.

Skuteczne i energooszczędne systemy wentylacji są coraz istotniejsze w budownictwie dążącym do standardu prawie zeroenergetycznego (nZEB). Wskazują na to m.in. wnioski zawarte w artykule na temat przemian strukturalnych systemów HVAC w przyszłości [37]. Składa się na to wiele czynników, a najważniejsze z nich to rosnące wymagania odnośnie do izolacyjności cieplnej oraz szczelności powietrznej obudowy budynku. Pierwszy czynnik (ustawowy wzrost izolacyjności cieplnej przegród) sprawia, że rośnie udział zapotrzebowania na ciepło do wentylacji w stosunku do zapotrzebowania na ciepło na cele pokrycia strat przez przenikanie, co pokazano na rys. 3.

Drugi czynnik (wymagana zwiększona szczelność powietrzna budynków) wynika z pierwszego – budynki dobrze zaizolowane termicznie muszą być jednocześnie szczelne, ponieważ w ich przypadku nawet niewielki strumień powietrza infiltrującego znacząco zwiększa całkowite zapotrzebowanie na energię użytkową (patrz rys. 4 i komentarz do niego).

Współczesne budynki muszą być dobrze zaizolowane, co wynika z wymagań Warunków Technicznych (WT) [44]. Aby w takich budynkach uzyskać zamierzony efekt jak największej energooszczędności, należy zadbać o ich wysoką szczelność powietrzną. Warunki Techniczne zalecają również, żeby wysoka była szczelność powietrzna obudowy budynku, zdefiniowana wskaźnikiem n50 (1,5 h–1 dla budynków z wentylacją mechaniczną oraz 3 h–1 dla budynków z wentylacją grawitacyjną). Aby w budynkach szczelnych uzyskać komfort cieplny i odpowiednią jakość powietrza, należy zapewnić niezawodną intensywność przewietrzania (wymianę powietrza). W praktyce jest to możliwe jedynie dzięki zastosowaniu systemów wentylacji mechanicznej. Systemy wentylacji naturalnej działały skutecznie w budynkach starego typu z nieszczelną stolarką okienną, a obecnie wymagają zastosowania dodatkowych elementów nawiewnych (są to najczęściej nawiewniki okienne) oraz samoczynnych lub mechanicznych urządzeń do wspomagania ciągu kominowego (nasady kominowe). Elementy te nie tylko zwiększają koszt inwestycyjny, są też przyczyną zwiększonego zużycia energii w okresach, w których zapotrzebowanie na świeże powietrze jest mniejsze niż aktualna wydajność systemu wentylacji naturalnej (np. w okresach niskich temperatur powietrza zewnętrznego lub/i intensywnego wiatru). Nie umożliwiają one również odzyskiwania ciepła z powietrza usuwanego, co jest bardzo istotną zaletą systemów wentylacji mechanicznej w kontekście racjonalizacji zużycia energii wymuszonej prawnie przez Warunki Techniczne, kontroli dystrybucji powietrza oraz sterowania wydajnością w funkcji potrzeb. Wydajność i uzyskiwany rozdział powietrza zależą w przypadku wentylacji naturalnej od warunków pogodowych, a nie są zaprojektowane. Nie odpowiadają zatem realnym potrzebom użytkowników budynków. Co prawda technicznie możliwe jest, żeby wentylacja naturalna była realizowana w sposób kontrolowany dzięki zastosowaniu okien otwieranych za pomocą siłowników połączonych z systemem zarządzania budynkiem, jednak rozwiązania takie nie są obecnie popularne i wentylację naturalną można uznać za niekontrolowaną. Trzeba mieć jednak na uwadze, że rozwój systemów sterowania i wzrost popularności algorytmów zarządzających pracą takich systemów mogą sprawić, iż kontrola ta będzie możliwa, jednak pozostałe wymienione wady systemów wentylacji naturalnej pozostaną niezmienne.

Wyniki obliczeń wskaźnika zapotrzebowania na energię użytkową na cele wentylacji przedstawione w artykule [9] wskazują, że w zależności od przeznaczenia budynku wartość tego wskaźnika waha się w zakresie od ok. 30 do ok. 50 kWh/m²/rok w przypadku zastosowania wentylacji grawitacyjnej oraz w zakresie od ok. 4,5 do ok. 7 kWh/m²/rok w przypadku zastosowania wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła na poziomie 75%. Wymagania WT nie dotyczą jednak wskaźnika zapotrzebowania na energię użytkową, ale wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną (EP). Analizy charakterystyki energetycznej różnych budynków [45] pokazują, że największy wpływ na wartość wskaźnika EP ma obecnie wybór odpowiedniego źródła ciepła. Bez zastosowania jego odpowiedniego typu nie jest możliwe spełnienie wymagań WT dotyczących wskaźnika EP, a sama wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła już nie wystarczy. Skuteczna wentylacja jest jednak ważnym elementem współczesnych budynków, ponieważ zapewnia świeże powietrze, a zatem zdrowe warunki przebywania ich użytkownikom, zabezpieczając także przed nadmierną wilgotnością i syndromem chorego budynku (SBS – Sick Building Syndrome). Systemy wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła wydają się więc rozwiązaniem obowiązkowym, a nie opcjonalnym, które powinno pojawić się w budynkach spełniających wymagania WT (dobrze zaizolowanych, szczelnych powietrznie i energooszczędnych).

Energooszczędne systemy wentylacyjne

Utrzymaniu komfortu cieplnego w budynku sprzyjają następujące czynniki [9]: wysoka izolacyjność cieplna przegród, duża pojemność cieplna budynku oraz wysoka szczelność powietrzna obudowy. W obiektach takich zminimalizowane jest ryzyko kondensacji pary wodnej na zimnych powierzchniach przegród zewnętrznych (nawet w miejscach tzw. mostków termicznych), a szczytowe zyski lub straty ciepła są zniwelowane, co umożliwia zastosowanie źródeł ciepła i chłodu o mniejszej mocy. Dopiero kiedy zalecenia te zostaną spełnione, zastosowanie energooszczędnego systemu wentylacji może skutkować satysfakcjonującym obniżeniem zapotrzebowania na energię. W przeciwnym wypadku efekt może być nieznaczny, a z pewnością niewspółmierny do poniesionego nakładu finansowego. W artykule [9] przedstawiono wytyczne odnośnie do projektowania systemów wentylacji w budynkach energooszczędnych, są to: wentylacja kontrolowana, szczelny budynek, dobór strumienia powietrza, wentylacja na żądanie, odzysk ciepła, systemy zdecentralizowane oraz wykorzystanie źródeł odnawialnych. Zasadność tych postulatów omówiono szczegółowo poniżej, trzy ostatnie zagadnienia zostaną omówione w kolejnym artykule.

Wentylacja kontrolowana

System wentylacji powinien być niezależny od czynników zewnętrznych, tzn. zapewniać wymagany ze względów higienicznych lub technologicznych strumień świeżego powietrza niezależnie od warunków pogodowych. W praktyce jest to możliwe głównie dzięki zastosowaniu wentylacji mechanicznej: nawiewnej, wywiewnej lub nawiewno-wywiewnej (ewentualnie wentylacji hybrydowej, tzn. naturalnej, wspomaganej mechanicznie jedynie okresowo). Warto nadmienić, że dobrze zaprojektowany system wentylacji powinien nie tylko umożliwić dostarczenie odpowiedniej ilości świeżego powietrza, ale również zapewnić jego odpowiedni rozdział, tzn. powinno ono trafić do strefy przebywania ludzi, obejmując swoim zasięgiem możliwie największą przestrzeń pomieszczenia, przy zachowaniu akceptowalnej przez użytkowników prędkości i temperatury. Wiele projektowanych obecnie systemów ma wady polegające na niewłaściwym doborze systemu rozdziału powietrza, np. przepływ powietrza z elementu nawiewnego do wywiewnego przebiega z pominięciem strefy przebywania ludzi. Innym często spotykanym problemem jest nieuwzględnienie nieizotermicznego przepływu powietrza w pomieszczeniu, kiedy ciepłe powietrze w warunkach letnich samoistnie unosi się w okolice sufitu, nie trafiając do strefy przebywania ludzi. Jeszcze innym problemem może być niewłaściwy zasięg strugi powietrza, który zmienia się w sposób niekontrolowany w przypadku zastosowania prostych elementów nawiewnych wraz ze zmianą strumienia powietrza dostarczanego przez system wentylacji.

Wszystko to skutkuje krzywdzącymi opiniami użytkowników, twierdzących, że systemy wentylacji mechanicznej są nieskuteczne, a jedynym sposobem poprawy warunków użytkowania budynku jest otwieranie okien, co w rezultacie niweczy wysiłek ustawodawcy oraz inwestorów włożony w zmniejszenie zużycia energii w budownictwie. Często można się spotkać również z opinią, że wentylacja mechaniczna wymaga poniesienia dodatkowych kosztów eksploatacyjnych (np. na wymianę filtrów czy napędzanie wentylatorów) i wcale nie przynosi znaczących oszczędności w rocznych kosztach ogrzewania budynku. Stwierdzenia te nie są jednak poparte wynikami badań przeprowadzonych w porównywalnych warunkach, a jedynie indywidualnymi spostrzeżeniami. W takich sytuacjach zwykle nie uwzględnia się faktu, że przy wentylacji naturalnej użytkownicy nie wietrzyli pomieszczeń i przebywali w niezdrowych warunkach (wysokie stężenie CO2 oraz/lub zwiększona wilgotność powietrza), a po zamontowaniu systemu wentylacji mechanicznej strumień powietrza wzrósł, w związku z czym komfort oraz warunki higieniczne uległy poprawie. Co więcej, w przypadku modernizacji budynku polegającej na zamontowaniu centrali wentylacyjnej z systemem kanałów nie dba się o zapewnienie odpowiedniej szczelności powietrznej obudowy budynku, a istniejące już kanały wentylacji naturalnej nie są zaślepiane. W istotny sposób zmniejsza to oszczędność energii. W kwestii kosztu filtrów komentarz wydaje się niepotrzebny, ponieważ to oczywiste, że filtracja powietrza jest dodatkową zaletą wentylacji mechanicznej i naturalnie wiąże się z koniecznością poniesienia dodatkowych kosztów. Dostarczanie do budynków powietrza oczyszczonego ma szczególne znaczenie, biorąc pod uwagę złą jakość powietrza zewnętrznego w Polsce w okresie zimowym.

Szczelność powietrzna

Zgodnie z artykułem [9], aby osiągnąć zapotrzebowanie na energię użytkową do wentylacji na poziomie 3–7 kWh/m²/rok (wartość konieczna do osiągnięcia standardu budynków pasywnych i nZEB), należy uzyskać szczelność powietrzną budynku n₅₀ < 0,6 h–1. Warto zwrócić uwagę, że łatwiej osiągnąć wymaganą szczelność powietrzną w budynkach wielkokubaturowych niż w obiektach o wysokiej wartości współczynnika A/V, na co wskazują wnioski z referatów i artykułów [2, 19, 22, 26, 27, 29, 36, 40]. Dobra szczelność powietrzna skutkuje małą ilością powietrza infiltrującego, które wpływa do budynku z ominięciem systemu odzysku ciepła (tzn. musi zostać podgrzane zimą np. z –20 do 20°C, zamiast z 15 do 20°C jak w przypadku przepłynięcia przez system odzysku ciepła).

W Warunkach Technicznych przedstawione zostały zalecane wartości wskaźnika szczelności n₅₀. Dla budynków wyposażonych w wentylację grawitacyjną szczelność powietrzna powinna wynosić n₅₀  3,0 h–1, natomiast dla budynków wyposażonych w wentylację mechaniczną nawiewno-wywiewną – n₅₀  1,5 h–1. We współczesnych, dobrze zaizolowanych budynkach szczelność powietrzna istotnie wpływa na ich energooszczędność, znacznie bardziej niż wtedy, gdy wartość współczynnika przenikania ciepła dla ściany zewnętrznej wymagana przez WT wynosiła > 0,3 W/(m².K).

Dla zobrazowania wpływu wskaźnika szczelności n50 na wartość energii użytkowej budynku wykonano obliczenia zapotrzebowania na energię użytkową do celów ogrzewania i wentylacji dla budynku jednorodzinnego (połowa „bliźniaka”), wyposażonego w wentylację grawitacyjną. Przyjęto następujące dane wejściowe do obliczeń:

• liczba kondygnacji nadziemnych: 3,
• budynek niepodpiwniczony,
• powierzchnia ogrzewana: 240 m²,
• kubatura ogrzewana: 650 m³,
• liczba mieszkańców: 6 osób,
• liczba mieszkań w całym „bliźniaku”: 2,
• strumień powietrza wentylacyjnego wg metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku [34]: 280 m³/h,
• rodzaj wentylacji: naturalna,
• źródło ciepła: centralny gazowy kocioł kondensacyjny niskotemperaturowy dla każdego mieszkania,
• sprawność instalacji c.o.: 0,85,
• sprawność instalacji c.w.u.: 0,50,
• lokalizacja: Poznań.

Analizowany obiekt jest budynkiem istniejącym. Ma częściowo ocieplone przegrody zewnętrzne. Współczynniki przenikania ciepła zmierzono doświadczalnie, a następnie obliczono średni współczynnik przenikania ciepła dla wszystkich przegród zewnętrznych, który wyniósł 0,4 W/(m² · K). W budynku zamontowane są okna o współczynniku przenikania ciepła 1,6 W/(m² · K).

W celu zobrazowania wpływu wskaźnika szczelności na zapotrzebowanie na energię użytkową budynku przyjęto trzy warianty obliczeniowe:

• wariant I – średni współczynnik przenikania ciepła przegród nieprzezroczystych: 0,4 W/(m² · K), przezroczystych: 1,6 W/(m² · K),
• wariant II – średni współczynnik przenikania ciepła przegród nieprzezroczystych: 0,4 W/(m² · K), przezroczystych: 0,9 W/(m² · K),
• wariant III – średni współczynnik przenikania ciepła przegród nieprzezroczystych: 0,2 W/(m² · K), przezroczystych: 0,9 W/(m² · K).

Dla każdego wariantu założono różne wskaźniki szczelności obudowy:

• n₅₀ = 5,0 h^–1 – współczynnik zmierzony dla budynku istniejącego,
• n₅₀ = 3,0 h^–1 – współczynnik zalecany dla budynków z wentylacją grawitacyjną,
• n₅₀ = 1,5 h^–1 – współczynnik zalecany dla budynków z wentylacją mechaniczną nawiewno-wywiewną,
• oraz dodatkowo, dla wariantu o najlepszych parametrach termicznych obudowy, n₅₀ = 0,6 h^–1, czyli wskaźnik zalecany dla budynków o standardzie pasywnym lub nZEB.
   

W wariancie I zmniejszenie wskaźnika szczelności n₅₀ nie wpływa znacząco na wartość energii użytkowej. Przy stosunkowo wysokich stratach ciepła przez przenikanie (0,88 W/(m² · K)), mimo zmniejszania się udziału infiltracji w stratach ciepła na wentylację (z 37 do 15%) wartość energii użytkowej zmniejszyła się jedynie o 10%. Dla budynków z obudową zewnętrzną o wysokich współczynnikach przenikania ciepła nie ma większego znaczenia, jak szczelna będzie obudowa zewnętrzna.

Można mieć wątpliwości natury praktycznej: czy dla budynku źle zaizolowanego jest w ogóle możliwe uzyskanie wysokiej szczelności, czy też jest to jedynie przypadek hipotetyczny, przyjęty do obliczeń w celu zobrazowania pewnej prawidłowości. W wariancie III, w którym obudowa zewnętrzna ma bardzo dobre parametry termiczne, spełniające wymagania Warunków Technicznych na rok 2021, przyjęcie niższego wskaźnika szczelności n₅₀ wpływa znacząco na zmniejszenie zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji. W obliczeniach uzyskano obniżenie wskaźnika EU o 35% (przy zapewnieniu wskaźnika szczelności 0,6 h^–1 w stosunku do wskaźnika szczelności 5 h–1). Przy dobrze zaizolowanych przegrodach zewnętrznych uzyskanie wskaźnika n₅₀ na poziomie 3 h^–1, a nawet 1,5 h^–1 jest stosunkowo łatwe (nie wymaga szczególnych zabiegów technicznych podczas budowy, choć nie powinno być bagatelizowane). Uzyskanie współczynników szczelności na poziomie < 0,6 h–1 wymaga jednak staranności przy wykonywaniu wszelkich przejść instalacyjnych, elektrycznych i technicznych).

Powyższa analiza pokazuje, że im lepiej zaizolowane są przegrody zewnętrzne, tym bardziej należy zwracać uwagę na jakość ich wykonania. Poprzez niedokładne wykonanie elementów budynku można pogorszyć wskaźnik szczelności, co powoduje większe zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji, a w efekcie trudności w spełnieniu wymagań WT w zakresie wskaźnika nieodnawialnej energii pierwotnej EP. Gdy w budynku o dobrych parametrach termicznych obudowy (zgodnych z wymogami WT na rok 2021) uzyska się wskaźnik szczelności 5 h^–1, podczas gdy założony projektowo wynosił 1,5 h^–1, wartość energii użytkowej będzie wyższa o 13 kWh/(m² · rok), czyli przy założonych parametrach budynku spowoduje zwiększenie wskaźnika EP o niemal 17 kWh/(m² · rok), co w przypadku wartości maksymalnej wynoszącej 70 kWh/(m² · rok) stanowi aż 24%.

Należy pamiętać, że szczelność obudowy budynku jest możliwa do sprawdzenia dzięki wykonaniu testu szczelności. Chcąc uzyskać miarodajne wyniki, zmierzoną wartość należy uwzględnić w obliczeniach charakterystyki energetycznej budynku na potrzeby świadectwa. Jest to parametr tak istotny, że dla każdego budynku zaleca się wykonanie testu szczelności, a nawet zapisanie w umowie z wykonawcą maksymalnej wartości n₅₀, jaka może zostać uzyskana podczas testu po realizacji obiektu (aby rzeczywiste zużycie energii nie było znacząco większe niż wartość projektowana, żeby system wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła działał skutecznie i efektywnie, a w budynku można było osiągnąć komfort cieplny).

Dobór strumienia powietrza wentylacyjnego

Zaleca się, aby przy projektowaniu systemów wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła przyjmować szczytowy (nominalny) strumień powietrza wentylacyjnego o wielkości 30 m³/h/osobę, tzn. wynikający z kryterium higienicznego i norm wentylacyjnych [9]. Taka wartość powoduje, że przy typowej aktywności użytkowników i stężeniu CO₂ w powietrzu zewnętrznym na poziomie ok. 400 ppm, stężenie dwutlenku węgla w pomieszczeniach nie będzie przekraczało komfortowej wartości ok. 1000 ppm. Przyjmowanie większych strumieni powietrza wiąże się ze zwiększoną energochłonnością systemu wentylacji, ponieważ nadmiarowe powietrze trzeba ogrzać lub schłodzić, a także przetransportować do poszczególnych pomieszczeń. Skutkuje to zwiększonymi kosztami inwestycyjnymi (większe centrale wentylacyjne, większe średnice przewodów wentylacyjnych oraz armatury regulacyjnej itd.), jak również zwiększonymi kosztami eksploatacyjnymi (większe koszty tłoczenia i zwiększone zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną, ponieważ wentylatory są napędzane energią elektryczną, dla której wskaźnik nakładu energii pierwotnej jest w Polsce równy 3).

Zwiększone strumienie powietrza są stosowane zwykle w celu zapewnienia tzw. chłodzenia powietrznego. Można jednak wykazać, że z energetycznego punktu widzenia (szczególnie energii pierwotnej) jest to rozwiązanie niewłaściwe. Do chłodzenia powinno się stosować niezależne systemy wodne (np. belki i sufity chłodzące) czy stropy aktywowane termicznie [13,14,30,35,41,42] lub freonowe (systemy split, multi-split lub systemy tzw. wody lodowej czy w innej nomenklaturze wody chłodniczej). Strumień powietrza wentylacyjnego powinno się zwiększać ponad wartość wynikającą z kryterium higienicznego jedynie wtedy, kiedy wymaga tego technologia (np. zastosowanie dygestoriów w laboratoriach chemicznych, co opisano w artykułach [3,4,5,10,38,39]). Chłodzenie pomieszczeń powietrzem powinno być realizowane tylko w przypadku, kiedy jego duża ilość wynikająca z kryterium higienicznego jest wystarczająca, aby odebrać zyski ciepła (teatry, kina, sale wykładowe i inne podobne pomieszczenia przeznaczone do użytkowania przez dużą grupę osób i zwykle pozbawione okien, a co za tym idzie – o małych zyskach od promieniowania słonecznego). W typowych systemach wentylacji mechanicznej z możliwością dochłodzenia za pomocą sprężarkowych urządzeń chłodniczych zwiększanie strumienia powietrza wentylacyjnego w celu odebrania latem zysków ciepła jest rozwiązaniem nieenergooszczędnym, ponieważ wiąże się z dodatkowymi kosztami inwestycyjnymi (większe kanały, większe centrale, a więc większe zużycie energii do ich produkcji), jak również ze zwiększonymi kosztami energetycznymi i finansowymi związanymi z przetłaczaniem większej ilości powietrza, niż jest to potrzebne ze względów higienicznych.

Dobór strumienia powietrza wentylacyjnego a jego wartość podawana do obliczeń charakterystyki energetycznej

Wytyczne dotyczące doboru strumienia powietrza wentylacyjnego zaprezentowane powyżej odnoszą się do zagadnień projektowania systemów wentylacyjnych i nie mogą być wprost przeniesione do obliczeń charakterystyki energetycznej. Ideą stosowania metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynków [34] było zapewnienie porównywalności wyników, otrzymywanych dla podobnych obiektów, ale liczonych przez różne osoby. Można dzięki temu porównywać różne budynki pod względem zużycia energii. W praktyce okazuje się, że aby spełnić wymagania WT, nie można przenieść danych wprost z projektu systemu wentylacji do charakterystyki energetycznej.

Zaprojektowany strumień powietrza wentylacyjnego ma wpływ na zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji. W metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku wskazane jest, aby jako strumień powietrza wentylacyjnego przyjmować wskaźnik wyrażony w m³/s na m² powierzchni ogrzewanej budynku. W tym celu należy skorzystać z tabel, w których zestawiono wartości strumienia powietrza zewnętrznego, jakie powinny być przyjmowane w zależności od przeznaczenia budynku. Strumienie te wynoszą od 0,32 · 10^–3 dla budynków mieszkalnych do 0,56 · 10–3 m³/(s.m²) dla budynków użyteczności publicznej. Formalnie rzecz biorąc, w obliczeniach charakterystyki energetycznej można wykorzystywać wartości projektowanego strumienia powietrza, jednak uzyskane wyniki nie będą mogły posłużyć do obiektywnego porównania różnych budynków. Przyjęcie projektowych wartości strumienia powietrza wentylacyjnego skutkuje zazwyczaj zawyżonymi wskaźnikami rocznego zużycia energii. W celu zapewnienia porównywalności wyników dla różnych budynków wskazane jest korzystanie z tabel z metodologii, mając na uwadze, że wartości te nie zawsze (a nawet często) oddają rzeczywiste strumienie powietrza projektowane. W zależności od sposobu eksploatacji budynku mogą jednak dobrze odzwierciedlać średnie „typowe” warunki użytkowania systemu wentylacji.

Dla analizowanego budynku mieszkalnego strumień powietrza wentylacyjnego obliczony według wskaźnika z metodologii (0,32 · 10–3 m³/(s.m²)) wynosi 280 m³/h, co w przeliczeniu na jedną osobę daje 46,7 m³/h, czyli więcej, niż wymagają normy wentylacyjne. Zagęszczenie użytkowników tego budynku jest bardzo małe i wynosi 40 m²/osobę.

Dla budynku biurowego, w celu uzyskania wymaganej wartości strumienia powietrza wentylacyjnego wynoszącego 30 m³/(h/osobę), przyjmując wskaźnik zgodny z metodologią obliczania charakterystyki energetycznej, zagęszczenie osób musiałoby wynosić 15 m²/osobę. Wskaźnik ten obejmuje nie tylko powierzchnię biurową, ale całą powierzchnię ogrzewaną budynku. O ile zagęszczenie obliczone dla budynku jednorodzinnego wydaje się zbyt małe, o tyle w przypadku budynków biurowych jest ono za duże (większe niż stosowane w rzeczywistości). Należy zatem odróżnić dane dotyczące strumienia powietrza wentylacyjnego przyjmowane do projektowania systemu wentylacji od danych przyjmowanych do obliczeń charakterystyki energetycznej. Uzasadnione wydaje się nieurealnianie danych przyjmowanych do obliczeń charakterystyki energetycznej, ponieważ może to powodować niespełnienie wymagań WT w zakresie obliczeniowych wartości EP, których progi zostały ustalone przy założeniu przyjmowania strumieni wprost z tabel prezentowanych w metodologii sporządzania świadectw charakterystyki energetycznej.

Wentylacja sterowana zapotrzebowaniem/obciążeniem (DCV)

Strumień powietrza wentylacyjnego dobrany według zasad przedstawionych powyżej odpowiada najwyższemu (szczytowemu) zapotrzebowaniu. W większości obiektów szczytowe zapotrzebowanie występuje rzadko, przez większość czasu użytkowania jest ono cząstkowe i wynika ze zmiennej liczby użytkowników i/lub przyjętego harmonogramu użytkowania. Na przykład budynki biurowe są najczęściej użytkowane do godz. 18, a większość sal wykładowych do godz. 15, chociaż niektóre zajęcia mogą się odbywać nawet do godz. 21:40. Podobnie jest w szkołach: lekcje zwykle nie odbywają się we wszystkich salach naraz, a nawet jeśli tak się zdarza, to w każdej sali (lekcyjnej, wykładowej) znajduje się różna liczba osób, inna od maksymalnej zakładanej w projekcie. Wszystko to sprawia, że w przypadku systemów, w których utrzymuje się stały przepływ powietrza, ponosi się niepotrzebnie koszty energetyczne i finansowe związane z jego transportem (energia elektryczna do napędu wentylatorów) oraz obróbką termiczną (grzanie, chłodzenie, ewentualnie nawilżanie lub osuszanie), niezależnie od tego, czy nominalny strumień powietrza jest w danym momencie potrzebny, czy też nie.

Z tego powodu coraz częściej stosuje się systemy automatyki i sterowania polegające na czasowym (np. nocnym) obniżeniu wydajności układu, co sprzyja uzyskaniu oszczędności energetycznych i finansowych. W bardziej zaawansowanych rozwiązaniach przyjmuje się godzinowy harmonogram pracy systemu z uwzględnieniem dni tygodnia, świąt itp. Zabiegi te pozwalają zmniejszyć energochłonność i koszty obsługi systemów wentylacji, które jednak nadal nie spełniają oczekiwań pod względem możliwości dopasowania się do aktualnych, chwilowych potrzeb.

Najlepszym rozwiązaniem są w tej sytuacji systemy wentylacji DCV (demand controlled ventilation), w których strumień powietrza wentylacyjnego sterowany jest w funkcji obciążenia, np. koncentracji CO₂, wilgotności względnej, liczby osób itp. Najlepiej sterować strumieniem powietrza wentylacyjnego dla każdego z pomieszczeń budynku niezależnie. Często spotyka się również systemy, w których sygnał sterujący pochodzi z jednego wybranego pomieszczenia, tzw. reprezentatywnego (mniejsze koszty inwestycyjne poniesione na czujniki oraz automatykę, a także mniej skomplikowany proces programowania). Zwykle jednak nie jest możliwe wytypowanie adekwatnego pomieszczenia reprezentatywnego i finalnie system dopasowuje się do wymagań najmniej korzystnych, aby usatysfakcjonować wszystkich użytkowników. Możliwość sterowania strumieniem powietrza dla każdego z pomieszczeń osobno wiąże się ze zwiększonymi nakładami inwestycyjnymi spowodowanymi koniecznością stosowania regulatorów przepływu VAV oraz czujników obciążenia danego pomieszczenia. Regulatory VAV są niezbędne, ponieważ samo zmniejszenie strumienia powietrza w centrali wentylacyjnej powoduje rozregulowanie hydrauliczne instalacji, tzn. strumienie powietrza nie docierają do poszczególnych pomieszczeń w tych samych proporcjach, jakie były założone w projekcie dla przepływu nominalnego (maksymalnego). Proces projektowania staje się zatem bardziej wymagający również dlatego, że przy doborze elementów systemu wentylacji należy uwzględnić zmienną ilość powietrza wypływającego z nawiewników w taki sposób, aby pomimo mniejszych prędkości przepływu przy obciążeniu cząstkowym trafiało ono nadal niezawodnie do strefy przebywania ludzi, z odpowiednim zasięgiem i prędkością. W każdym z pomieszczeń powinno się umożliwić użytkownikom przesterowanie systemu w pewnym wąskim zakresie, tak aby zrealizować funkcję chwilowego przewietrzania lub zmniejszenia strumienia powietrza w zależności od subiektywnego odczucia komfortu, niezależnego od zaprogramowanego algorytmu sterowania.

Wszystko to sprawia, że znacznie łatwiej projektuje się i steruje systemami wentylacji zdecentralizowanej, które są pozbawione długich sieci kanałów rozdzielczych, dzięki czemu mogą być mniej energochłonne. Zwiększone koszty zakupu oddzielnych urządzeń wentylacyjnych w takich systemach mogą być częściowo skompensowane przez mniejszy koszt zakupu zminimalizowanego systemu dystrybucji powietrza oraz brak drogich elementów regulacyjnych typu VAV.

Wentylacja zdecentralizowana

Zaletą wentylacji zdecentralizowanej jest oszczędność energii dzięki dobremu dopasowaniu wydajności do realnych potrzeb oraz łatwej i szybkiej regulacji. Niestety wyrażenie wspomnianych oszczędności za pomocą liczb może być skomplikowane. Co więcej, metodologia obliczania charakterystyki energetycznej ani nie zachęca do uwzględniania sposobu sterowania pracą systemu wentylacji, ani nie ma wbudowanych mechanizmów preferowania rozwiązań zdecentralizowanych. Możemy więc mówić o potencjale tego typu rozwiązań w zakresie oszczędzania energii w trakcie eksploatacji, jednak efekt ten nie jest widoczny w obliczeniowej charakterystyce energetycznej budynku ani nie doprowadzi do uzyskania zmniejszonych wartości wskaźnika EP. W efekcie, zdaniem autorów, systemy zdecentralizowane nie są wystarczająco promowane przez wymagania prawne znajdujące się w aktualnych WT, pomimo że mają znaczący potencjał w zakresie zmniejszania energochłonności budynków.

Dopasowanie wydajności systemu wentylacji do aktualnych potrzeb najłatwiej można zapewnić właśnie dzięki systemom wentylacji zdecentralizowanej. Opierają się one na zastosowaniu jednego lub kilku urządzeń służących do wentylacji jednego pomieszczenia, lub grupy pomieszczeń (wówczas konieczne jest, by były to pomieszczenia o podobnej charakterystyce użytkowania oraz podobnym obciążeniu zyskami ciepła/wilgoci itd.). W systemach takich kanały wentylacyjne są krótkie albo nie ma ich wcale. Użytkownicy mają możliwość regulacji pracy systemu z poziomu pomieszczenia w pewnym z góry narzuconym zakresie, a ten działa tylko wtedy, kiedy są oni obecni (w pozostałych przypadkach załącza się na minimum).

Wszystko to sprzyja niskiej energochłonności. Dodatkową zaletą takich systemów jest możliwość ich łatwego montażu w budynkach już istniejących, szczególnie tych, w których przeprowadzono termomodernizację polegającą na dociepleniu ścian zewnętrznych oraz wymianie stolarki okiennej, powodującą uszczelnienie ich obudowy, a zatem obniżenie wydajności wentylacji grawitacyjnej (obniżenie jakości powietrza wewnętrznego). Systemy te wydają się dobrym rozwiązaniem dla budynków edukacyjnych w kontekście raportowanej w wielu artykułach niskiej jakości powietrza w obiektach tego typu [15,16,23,24,25,31].

W kolejnym artykule omówione zostaną m.in.: ­wymagania dot. systemów wentylacji dla budynków mieszkalnych, wykorzystanie OZE i gruntowych wymienników ciepła oraz stosowanie wentylacji zdecentralizowanej w aspekcie wymagań zawartych w WT

Literatura

1. Amanowicz Ł., Influence of geometrical parameters on the flow characteristics of multi-pipe earth-to-air heat exchangers – experimental and CFD investigations „Applied Energy” (226), 2018, p. 849–861
2. Amanowicz Ł., Górka A., Szymański M., Górzeński R., Pomiary szczelności powietrznej dużego budynku na przykładzie Term Maltańskich, I Ogólnopolska Konferencja „Air-Tight – szczelność powietrzna budynków”, Poznań, 23.04.2015
3. Amanowicz Ł., Górzeński R., Szymański M., Wentylacja – ważny element w kontekście energooszczędności laboratoriów, „Laboratorium” (9–10), 2016, s. 49–55
4. Amanowicz Ł., Filipiak M., Ratajczak K., Weryfikacja skuteczności działania dygestoriów laboratoryjnych w świetle normy PN-EN 14175, „Instal” 1, 2017, s. 39–44
5. Amanowicz Ł., Filipiak M., Ratajczak K., Badania odbiorowe instalacji wentylacyjnej w laboratorium z dygestoriami wg normy PN-EN 14175, „Instal” (382) 3, 2017, s. 34–40
6. Amanowicz Ł., Ratajczak K., Szczechowiak E., Badania jednorurowych systemów wentylacyjnych pod kątem oceny mieszania się strumieni powietrza w czerpni i wyrzutni, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” 50/6, 2019, s. 231–238
7. Amanowicz Ł., Ratajczak K., Szczechowiak E., Analiza możliwości stosowania systemu wentylacji zdecentralizowanej w budynkach edukacyjnych, „Instal” 10, 2019, s. 20–26
8. Amanowicz Ł., Ratajczak K., Szczechowiak E, Stosowanie rekuperatorów ściennych w budynkach nowych i modernizowanych cieplnie w świetle aktualnych wymagań prawnych, „Rynek Instalacyjny” 11, 2019, s. 58–62
9. Amanowicz Ł., Szczechowiak E., Zasady projektowania systemów wentylacji budynków energooszczędnych, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” 48/2, 2017, s. 72–78
10. Amanowicz Ł., Szymański M., Górzeński R., Systemy wentylacji laboratoriów – wymagania projektowe, studium przypadku, „Laboratorium” 3–4, 2017, s. 14–18
11. Amanowicz Ł., Wojtkowiak K., Badania eksperymentalne wpływu zmian sposobu zasilania powietrznego gruntowego wymiennika ciepła typu rurowego na jego charakterystykę przepływową. Część 1. Równomierność rozpływu, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” 41/6, 2010, s. 208–212, 220
12. Amanowicz Ł., Wojtkowiak J., Badania eksperymentalne wpływu zmian sposobu zasilania powietrznego gruntowego wymiennika ciepła typu rurowego na jego charakterystykę przepływową. Część 2. Straty ciśnienia, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” 41/7–8, 2010, s. 208–212, 220
13. Amanowicz Ł., Wojtkowiak J., Badania wydajności cieplnej aluminiowego, sufitowego panelu grzewczo-chłodzącego, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” 47/10, 2016, s. 413–417
14. Amanowicz Ł., Wojtkowiak J., Experimental investigations of thermal performance improvement of aluminum ceiling panel for heating and cooling by covering its surface with paint, E3S Web Conf. Vol. 44, 2018, 10th Conference on Interdisciplinary Problems in Environmental Protection and Engineering EKO-DOK 2018
15. Basińska M., Michałkiewicz M., Zmienność mikrobiologicznego zanieczyszczenia powietrza oraz stężenia pyłu wewnątrz i na zewnątrz wybranej poznańskiej szkoły, „Inżynieria Ekologiczna” 50, 2016, s. 17–25
16. Basińska M., Michałkiewicz M., Górzeński R., Stan systemu wentylacyjnego w budynku edukacyjnym i jego wpływ na jakość powietrza – analiza przypadku, „Rynek Instalacyjny” 9, 2016, s. 74–84
17. Basińska M., Michałkiewicz M., Ratajczak K., Impact of physical and microbiological parameters on proper indoor air quality in nursery, „Environment International”, 132, 2019, p. 105098-1–105098-14
18. Chmielewski K., Amanowicz Ł., Bezprzeponowe powietrzne gruntowe wymienniki ciepła w układach wentylacji mechanicznej, „Rynek Instalacyjny” 5, 2017, s. 76–80
19. Kosiński P., Pozorna szczelność powietrzna budynków, I Ogólnopolska Konferencja „Air-Tight – szczelność powietrzna budynków”, Poznań, 23.04.2015
20. Kostka M., Wymagania ekoprojektu dla systemów wentylacyjnych, „Rynek Instalacyjny” 5, 2016, s. 47–52
21. Kostka M., Szulgowska-Zgrzywa M., Obliczenia energetyczne gruntowych rurowych wymienników ciepła, „Rynek Instalacyjny” 6, 2015, s. 64–68
22. Laine K., Airtightness improvement of structures to improve indoor air quality, Proceedings 36–45, 35th AIVC Conference „Ventilation and airtightness in transforming the building stock to high performance”, Poznań, 24–25.09.2014
23. Laska M., Dudkiewicz E., Research of CO2 concentration in naturally ventilated lecture room, International Conference on Advances in Energy Systems and Environmental Engineering (ASEE17), Wrocław, Poland, July 2–5, 2017, Kaźmierczak B. et al. [Eds. Les Ulis]: EDP Sciences, 2017, art. 00099, p. 1–8 (E3S Web of Conferences, ISSN 2267–1242, Vol. 22)
24. Laska M., Dudkiewicz E., Thermal comfort study in naturally ventilated lecture room based on questionnaire survey, Proceedings of 10th Windsor Conference: Rethinking Comfort: Cumberland Lodge, Windsor, UK, 12th–15th April 2018/ed. by Luisa Brotas et al., Windsor: NCEUB: p. 634–648
25. Ludwiczak A., Ratajczak K., Wentylacja placówek dydaktyczno-edukacyjnych. Przegląd wybranych polskich i zagranicznych wymagań dotyczących strumienia powietrza i stężenia CO2, „Rynek Instalacyjny” 3, 2018, s. 24–29
26. Nowak-Dzieszko K., Analiza wad obudowy budynku w trakcie badań, I Ogólnopolska Konferencja „Air-Tight – szczelność powietrzna budynków”, Poznań, 23.04.2015
27. Pereira P.F., Almeida R.M.S.F., Ramos N.M.M., Sousa R., Testing for building components contribution to airtightness assessment, Proceedings 322–330, 35th AIVC Conference „Ventilation and airtightness in transforming the building stock to high performance”, Poznań, 24–25.09.2014
28. Pogorzelski J.A., Kasperkiewicz K., Geryło R., Budynki wielkopłytowe – wymagania podstawowe. Zeszyt 11. Oszczędność energii i izolacyjność cieplna przegród. Stan istniejący budynków wielkopłytowych, ITB, Warszawa 2003
29. Pyszczek T., Projektowanie budynków szczelnych powietrznie, I Ogólnopolska Konferencja „Air-Tight – szczelność powietrzna budynków”, Poznań, 23.04.2015
30. Radomski B., Jaskulska J., Integracja systemów wentylacyjnych i grzewczo-chłodzących dla budynków pasywnych jednorodzinnych, „Rynek Instalacyjny” 11, 2016, s. 51–56
31. Ratajczak K., Łochyński S., Jakość powietrza w budynku użytkowanym jako żłobek, „Rynek Instalacyjny” 10, 2017, s. 54–60
32. Rosiński M., Odzyskiwanie ciepła w wybranych technologiach inżynierii środowiska, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008
33. 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 (Dz.Urz. UE L 337/8 z 25.11.2014)
34. 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)
35. Sinacka J., Szczechowiak E., Modelowanie przepływu ciepła w budynku ze stropami i sufitami grzewczo-chłodzącymi, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” (49) 7, 2018, s. 271–278
36. Szczechowiak E., Budownictwo energooszczędne a szczelność powietrzna, I Ogólnopolska Konferencja „Air-Tight – szczelność powietrzna budynków”, Poznań, 23.04.2015
37. Szczechowiak E., Przemiany strukturalne systemów HVAC w budynkach przyszłości, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” 46 (1), 2015, s. 30–36
38. Szymański M., Amanowicz Ł., Ratajczak K., Górzeński R., Instalacje HVAC laboratoriów chemicznych – wyposażenie techniczne. Wentylacja ogólna, „Rynek Instalacyjny” 11, 2015, s. 59–66
39. Szymański M., Amanowicz Ł., Ratajczak K., Górzeński R., Instalacje HVAC laboratoriów chemicznych – wyposażenie techniczne. Wentylacja technologiczna, „Rynek Instalacyjny” 12, 2015, s. 56–60
40. Szymański M., Górka A., Górzeński R., Large buildings airtightness measurements using ventilation systems, Proceedings 712–720, 35th AIVC Conference „Ventilation and airtightness in transforming the building stock to high performance”, Poznań, 24–25.09.2014
41. Wojtkowiak J., Amanowicz Ł., A method of cooling capacity enhancement of ceiling panel, E3S Web of Conferences Volume 116 (2019), International Conference on Advances in Energy Systems and Environmental Engineering (ASEE19)Wrocław, Poland, June 9–12, 2019, Sayegh M.A., Danielewicz J., Jouhara H., Kaźmierczak B., Kutyłowska M. and Piekarska K. (Eds.)
42. Wojtkowiak J., Amanowicz Ł., Mróz T., A new type of cooling ceiling panel with corrugated surface – Experimental investigation, „International Journal of Energy Research”, 2019, p. 1–12
43. Zużycie energii w gospodarstwach domowych w 2018 r., GUS, Warszawa 2019
44. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2002, nr 75, poz. 690 z późn. zm.)
45. Jak spełnić wymagania, jakim powinny odpowiadać budynki od 2021 roku? Ogrzewanie i wentylacja w warunkach technicznych, POBE, 2020

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!