Wentylacja fasadowa

Przeszklenie budynku i wiele urządzeń biurowych powodują wystąpienie olbrzymich zysków ciepła w pomieszczeniach. Klasyczna scentralizowana instalacja wentylacyjna musi transportować duże ilości powietrza wentylacyjnego zdolnego do odebrania zysków ciepła.

Skutkiem są duże wymiary przewodów wentylacyjnych, znaczne zapotrzebowanie na przestrzenie techniczne (stropy podwieszone, szyby wentylacyjne, w których będą prowadzone kanały wentylacyjne, oraz maszynownie), a także zużycie energii elektrycznej związanej z transportem powietrza od czerpni, przez centralę wentylacyjną lub klimatyzacyjną, przewodami do obsługiwanych pomieszczeń, a następnie do wyrzutni.

Coraz częściej stosowanym sposobem odbierania dużych zysków ciepła jest wykorzystanie belek chłodzących w wersji aktywnej (ze zintegrowanym nawiewem uzdatnianego w centrali powietrza w ilości co najmniej higienicznej) lub w wersji biernej z oddzielną instalacją wentylacyjną. Zatem także wtedy, gdy zyski ciepła odbierane są przez instalację wodną belek, konieczne są przewody wentylacyjne (choć o mniejszych wymiarach) prowadzone przez cały budynek do pomieszczeń.

Sposobem na „pozbycie się” przewodów powietrznych, ograniczenie do niezbędnego minimum przestrzeni technicznych dla wentylacji i klimatyzacji, a także indywidualizację warunków klimatycznych w poszczególnych pomieszczeniach oraz szybkie zmiany w wyposażeniu technicznym w przyszłości, z możliwością indywidualnego naliczania kosztów eksploatacyjnych, może stać się zdecentralizowany system wentylacji przez fasadę budynku.

Lokalizacja urządzeń fasadowych

W zależności od potrzeb urządzenia wentylacji fasadowej mogą być stosowane w wentylacji naturalnej i mechanicznej, realizować podstawowe procesy uzdatniania powietrza lub służyć do klimatyzacji niepełnej (bez nawilżania powietrza).

Są one umieszczane w obrębie fasady lub bezpośrednio z nią powiązane technicznie [5]. Transport powietrza nawiewanego i wywiewanego lub tylko nawiewanego (zależnie od koncepcji rozdziału powietrza w obiekcie) odbywa się przez fasadę. A zatem uzyskuje się najkrótszą drogę transportu uzdatnionego powietrza wentylacyjnego z zewnątrz do pomieszczenia.

W odróżnieniu od systemów wentylacji z zastosowaniem wentylokonwektorów, przez które przepływa (w przeważającej większości urządzeń) powietrze z pomieszczenia ochładzane lub ogrzewane w tych urządzeniach, a powietrze zewnętrzne przynajmniej w ilości higienicznej jest dostarczane przez odrębny system wentylacyjny, urządzenia fasadowe mogą pracować tylko z wykorzystaniem powietrza zewnętrznego (wariant I) lub z powietrzem zewnętrznym w ilości higienicznej mieszającym się z powietrzem obiegowym czerpanym z pomieszczenia (wariant II).

A zatem w budynku z wentylacją fasadową wykonaną jako wariant I i II nie są potrzebne przewody wentylacyjne prowadzone przez cały budynek i nie jest stosowane centralne uzdatnianie powietrza wentylacyjnego, czyli niepotrzebna jest maszynownia wentylacyjna.

Takie rozwiązanie wpływa istotnie na wysokość kondygnacji i całego budynku (zbędne są przestrzenie techniczne w stropie podwieszonym do prowadzenia przewodów wentylacyjnych). Urządzenia fasadowe znajdują także zastosowanie jako uzupełnienie centralnego systemu wentylacji [6].

Urządzenia fasadowe montowane są głównie pod parapetem jako podokienne lub w przestrzeni podpodłogowej (rys. 1). Zainstalowane jako podokienne montowane mogą być pod parapetem lub przed nim albo w górnej części czy z boku okna. Jednostki podłogowe montowane są w przestrzeni podwójnej podłogi, w miejscu przylegającym do fasady. To ostatnie rozwiązanie sprawdza się w przypadku budynków całkowicie przeszklonych.

Fasadowe urządzenia wentylacyjne mogą być wykonywane jako ścienne wraz z elementem fasady jako jej prefabrykowany element z jednostką wentylacyjną [6].

Rozwiązania urządzeń fasadowych

Urządzenia fasadowe zapewniające pełne uzdatnienie powietrza zbudowane są z czterech modułów o następujących funkcjach [6]:

• moduł powietrza nawiewanego,
• moduł wymiennika ciepła,
• moduł powietrza wywiewanego,
• wymiennik do odzysku ciepła lub moduł powietrza wtórnego.

Moduł powietrza nawiewanego zawiera następujące elementy lub urządzenia wentylacyjne [6]:

• wentylator nawiewny promieniowy,
• tłumik hałasu,
• klapa zwrotna – przeciwdziała wstecznemu przepływowi powietrza, gdy powstaje silne podciśnienie po stronie zewnętrznej przegrody,
• przepustnica odcinająca z siłownikiem – po wyłączeniu urządzenia fasadowego jej zadaniem jest zapobieganie niekontrolowanemu przepływowi powietrza, prowadzącemu do bardzo szybkiego podgrzania lub wychłodzenia budynku (w zależności od pory roku),
• dokładny filtr powietrza klasy F7 (wg [4]),
• regulator przepływu – nie dopuszcza do przekroczenia wymaganego strumienia powietrza w przypadku wystąpienia zmiennych w trakcie użytkowania urządzenia oporów przepływu powietrza przez filtr (wynikających ze zwiększającego się obłożenia pyłem) oraz zmiennego ciśnienia wiatru na fasadę.

W module wymiennika ciepła znajduje się chłodnica lub nagrzewnica powietrza wraz z armaturą (zawory regulacyjne z siłowniami, zawory odcinające, czujnik temperatury powietrza nawiewanego) oraz opcjonalnie taca kondensatu. Stosowane są wymienniki pracujące w systemie dwu- lub czterorurowym.

To drugie rozwiązanie pozwala na indywidualizację parametrów powietrza w każdym z pomieszczeń przez, w zależności od potrzeb, ogrzewanie lub chłodzenie z zastosowaniem odrębnych obiegów wodnych. W systemie dwururowym przez wszystkie urządzenia w budynku lub te podłączone do wspólnych instalacji wodnych przepływa woda grzejna albo chłodząca.

Moduł powietrza wywiewanego składa się z:

• filtra zgrubnego oczyszczającego powietrze wywiewane z pomieszczenia klasy G3 (wg [4]),
• tłumika hałasu,
• wentylatora promieniowego,
• klapy zwrotnej,
• przepustnicy odcinającej.

Do odzysku ciepła służy krzyżowy wymiennik ciepła z przepustnicą na obejściu, które wykorzystywane jest w okresie przejściowym oraz w zimie w celu uniknięcia oszronienia wymiennika.

Moduł powietrza wtórnego realizuje recyrkulację powietrza z pomieszczenia. W czasie nieobecności użytkowników urządzenie fasadowe może pracować w trybie dyżurnym i wówczas przez moduł mieszania transportowane będzie jedynie powietrze wewnętrzne, które przepływając przez wymiennik ciepła, uzyska wymaganą temperaturę powietrza nawiewanego.

Przykładowe wymiary jednostek [3]:

• pozioma, zamontowana pod parapetem, może mieć długość 0,9–1,1 m i zajmuje w pokoju obszar o szerokości 0,2–0,3 m w rzucie,
• podpodłogowa, pod podnoszoną podłogą, ma długość do 1,25 m i szerokość 0,6–0,65 m, w tym 0,3 m zajmuje czerpnia i wyrzutnia powietrza zewnętrznego; pozostała część jednostki (0,3–0,35 m) jest wzmocniona, zatem nie ulegnie zniszczeniu, nawet gdy będzie się po niej chodzić, i przysłonięta przez podwójną podłogę; wysokość jednostki to 0,18–0,25 m – wielkość ta określa wymaganą minimalną wysokość podwójnej podłogi,
• pionowa, zintegrowana ze ścianą, jest zazwyczaj wykonywana na potrzeby danego projektu i obiektu; charakteryzuje się niewielką grubością (model dostępny w handlu: 0,16 m) i może być zintegrowana ze ścianą zewnętrzną.

Poniżej podano przykładowe dane techniczne urządzenia fasadowego podokiennego zamieszczone w [1]:

• maksymalny strumień objętości powietrza nawiewanego/wywiewanego wynosi 53 l/s dla jednego urządzenia, czyli ok. 190 m³/h,
• temperatura powietrza nawiewanego w lecie wynosi 18°C (przy temperaturze i wilgotności względnej powietrza zewnętrznego odpowiednio: 32°C i 40%),
• maksymalna wydajność chłodnicza to 720 W (przy recyrkulacji powietrza realizowanej z powietrzem zewnętrznym stanowiącym 33% całkowitego strumienia powietrza wentylacyjnego wymagana wydajność chłodnicza wynosić będzie 200 W, a dla powietrza wewnętrznego o temperaturze 26°C: 520 W),
• temperatura wody chłodzącej na zasileniu i odpływie z chłodnicy: 14/17°C,
• przepływ wody chłodzącej: 200 l/h,
• temperatura powietrza nawiewanego w zimie: 36°C (przy temperaturze powietrza zewnętrznego –15°C),
• maksymalna wydajność cieplna: 1200 W (przy recyrkulacji powietrza realizowanej z powietrzem zewnętrznym stanowiącym 33% całkowitego strumienia powietrza wentylacyjnego wymagana wydajność cieplna będzie wynosić 500 W, a dla powietrza wewnętrznego o temperaturze 22°C: 920 W),
• temperatura wody grzewczej na zasileniu i odpływie z nagrzewnicy: 50/40°C,
• przepływ wody grzewczej: 90 l/h,
• dopuszczalne opory przepływu powietrza przez wymiennik ciepła: 16 barów,
• skuteczność odzysku ciepła w wymienniku krzyżowym płytowym: ok. 50%,
• strumień powietrza nawiewanego:
  - na I biegu wentylatora: 30 l/s (110 m³/h),
  - na II biegu: 42 l/s (150 m³/h),
  - na III biegu: 53 l/s (190 m³/h),
• poziom dźwięku w odległości 1,5 m od urządzenia przy równoważnej powierzchni pochłaniania wynoszącej 15 m² Sabine podczas pracy wentylatora na II biegu: 38 dB(A),
• wytłumienie dźwięku przenikającego z zewnątrz do pomieszczenia przy całkowicie otwartych przepustnicach powietrza zewnętrznego i wywiewanego: 52 dB,
• ciężar: 50 kg.

Jako rozwiązania urządzeń fasadowych z realizacją wybranych procesów uzdatniania powietrza z podziałem na miejsce ich montażu  w [6] zaproponowano:

1.jednostki podokienne:

• • nawiewne lub wywiewne dla wentylacji naturalnej,
  • nawiewne lub wywiewne dla wentylacji mechanicznej z izolacją akustyczną i cieplną,
  • nawiewno-wywiewne dla wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, opcjonalnie z wymiennikiem na potrzeby ogrzewania lub chłodzenia powietrza,
  • nawiewne dla wentylacji mechanicznej z materiałem zmiennofazowym,
  • z możliwością recyrkulacji powietrza, z wymiennikiem ciepła,
  • nawiewno-wywiewne dla wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła oraz recyrkulacją powietrza i wymiennikiem ciepła na potrzeby ogrzewania lub chłodzenia powietrza,
  • nawiewne dla wentylacji mechanicznej z recyrkulacją powietrza

2. jednostki podłogowe:

• • nawiewno-wywiewne dla wentylacji mieszającej z odzyskiem ciepła z wymiennikiem na potrzeby ogrzewania lub chłodzenia powietrza,
  • nawiewne dla wentylacji mechanicznej z recyrkulacją powietrza i wymiennikiem ciepła na potrzeby ogrzewania lub chłodzenia powietrza,
  • recyrkulacyjne dla wentylacji mechanicznej bez dopływu powietrza zewnętrznego, z recyrkulacją powietrza i wymiennikiem ciepła na potrzeby ogrzewania lub chłodzenia powietrza.

Materiał zmiennofazowy (będący wkładem w akumulatorze ciepła) wykorzystywany jest do naturalnego chłodzenia powietrza. Jest to parafina albo sól uwodniona o temperaturze topnienia 20–25°C [6]. Podczas przemiany fazowej materiał pobiera dużą ilość ciepła przy stałej temperaturze, sam ulega stopnieniu, a w nocy ponownie krystalizacji. Akumulatory ciepła można stosować z powodzeniem w budynkach o obciążeniu cieplnym do 60 W/m².

Dobór urządzeń fasadowych

Urządzenia fasadowe stosowane w nowych lub modernizowanych obiektach są zazwyczaj specjalnie zaprojektowane i skonstruowane na potrzeby danego budynku. Poza koniecznymi informacjami dotyczącymi budowy i konstrukcji fasady budynku oraz obciążenia cieplnego podczas projektowania fasadowych systemów wentylacji konieczna jest znajomość warunków wietrzności wraz z oddziaływaniem sąsiednich budynków.

Zgodnie z [5] przy doborze wentylatora musi zostać uwzględnione zjawisko parcia wiatru na fasadę budynku. W przypadku wyraźnego układu nawietrznej i zawietrznej strony budynku może dochodzić do silnych poprzecznych przepływów wewnątrz pomieszczeń, w których zainstalowano jednostki fasadowe i dalej, przez budynek.

Podczas doboru chłodnic należy zwrócić uwagę na wyższą temperaturę powietrza zewnętrznego przy ścianie budynku w stosunku do mas powietrza bardziej od niej oddalonych (chociaż w wyniku odpowiedniego projektu fasady zjawisko to może być znacznie ograniczone). Istotne jest również staranne wybranie lokalizacji czerpni urządzeń fasadowych ze względu na jakość powietrza zewnętrznego.

W trakcie doboru urządzenia fasadowego należy obliczyć [6]:

• zyski i straty ciepła w celu określenia mocy grzewczych i chłodniczych wymienników ciepła,
• różnicę temperatury pomiędzy powietrzem nawiewanym i świeżym do doboru wymiennika ciepła i agregatu chłodniczego z uwzględnieniem wzrostu temperatury powietrza na powierzchni fasady budynku (wzór 1) [6]:

gdzie:

Q – moc cieplna lub chłodnicza [W],

V·– strumień objętości powietrza nawiewanego [l/s lub m³/h],

t_naw – temperatura powietrza nawiewanego [°C],

t_zew – temperatura powietrza zewnętrznego [°C],

D_tF – przyrost temperatury powietrza na powierzchni fasady [K],

c_p – ciepło właściwe powietrza [1,0 kJ/kg],

r – ciężar właściwy powietrza [1,2 kg/m³].

Ograniczenia stosowania, zalety i wady wentylacji fasadowej

Tak jak wszystkie urządzenia techniczne także urządzenia fasadowe mają pewne ograniczenia stosowania:

• fasadowe urządzenia wentylacyjne są przeznaczone głównie do pracy w systemie chłodzenia suchego (odbieranie ciepła jawnego), przy temperaturze wody przepływającej przez chłodnicę wyższej od temperatury punktu rosy dla uzdatnianego powietrza zewnętrznego. Mimo to w urządzeniach montowana jest tacka kondensatu do jego zbierania, gdy nastąpi chwilowy spadek temperatury poniżej temperatury punktu rosy. Z czasem zgromadzony kondensat odparowuje [6],
• zimą nawilżanie powietrza w systemach fasadowych jest niemożliwe (w przypadku konieczności nawilżania powietrza należy przewidzieć w pomieszczeniach odrębne nawilżacze),
• aby nie dopuścić do przekroczenia w pomieszczeniu dopuszczalnego poziomu dźwięku pochodzącego od urządzeń wyposażenia technicznego, ograniczone muszą zostać wielkości strumieni powietrza przepływających przez to urządzenie,
• w razie konieczności odprowadzenia dużych zysków ciepła (wg [5] ³ 50 W/m²) wydajność chłodnicza urządzeń może być niewystarczająca,
• w przypadku pomieszczeń o ograniczonej szerokości fasady i przy dużej liczbie użytkowników wentylacja fasadowa nie będzie mogła być jedynym sposobem przygotowania i rozdziału powietrza, należy więc rozważyć możliwość zastosowania np. aktywnych sufitowych belek chłodzących w części środkowej dużego pomieszczenia [6],
• maksymalna głębokość pomieszczenia (lub zasięg strumienia przy rozmieszczeniu jednostek np. wzdłuż dwóch ścian zewnętrznych pomieszczenia) wynosi 5–7 m [6],
• urządzenia fasadowe nie nadają się do stosowania w pomieszczeniach czystych [6].

Natomiast do zalet systemu wentylacji fasadowej należą [3,6]:

• regulacja temperatury i strumienia powietrza nawiewanego indywidualnie w każdym pomieszczeniu lub obszarze,
• w systemie 4-przewodowym (nagrzewnica/chłodnica) indywidualny wybór pomiędzy ogrzewaniem i chłodzeniem,
• czas pracy urządzenia związany z okresem wykorzystywania danego pomieszczenia – w porównaniu z systemem scentralizowanej wentylacji mniejsze zużycie energii i koszty eksploatacji,
• system wyłącza się automatycznie, gdy nie jest używany lub gdy otwarte są okna,
• zastosowanie odzysku ciepła,
• wysoka sprawność wentylatorów związana z małą energochłonnością systemu powodująca uzyskanie niskiego wskaźnika mocy właściwej,
• zmniejszenie przestrzeni technicznych na potrzeby wentylacji,
• brak przewodów wentylacyjnych (lub przewody o mniejszych wymiarach),
• możliwe odrębne rozliczanie się użytkowników/najemców lokali,
• zadowolenie użytkowników związane z możliwością indywidualnej regulacji parametrów powietrza i jego ilości oraz otwierania okien.

Z kolei wadami takiego systemu są [3]:

• problemy z hałasem wywołanym pracą jednostek fasadowych oraz przeciągiem – przy przepływie maksymalnego strumienia powietrza,
• zwiększona liczba czynności w trakcie eksploatacji i konserwacji oraz wymiany filtrów powietrza,
• brak możliwości nawilżania i osuszania powietrza przez urządzenie fasadowe (gdy są to procesy niezbędne, konieczne jest wykorzystanie dodatkowych urządzeń zainstalowanych w pomieszczeniu),
• wpływ warunków w środowisku zewnętrznym na pracę urządzenia fasadowego (można zastosować czerpnię z zabezpieczeniem przed wpływem warunków atmosferycznych lub odpowiednio ukształtować wlot powietrza zewnętrznego, a dobór czerpni przeprowadzić dla prędkości powietrza 2 m/s, rys. 2),
• ograniczenie strefy pracy użytkowników ze względu na występowanie tzw. strefy oddziaływania strumienia nawiewanego wokół urządzenia fasadowego o zasięgu wynoszącym 1–1,5 m (rys. 3).

Rozdział powietrza

W pomieszczeniach z wentylacją fasadową można zaprojektować następujące sposoby rozdziału powietrza (rys. 4):

• zdecentralizowany nawiew powietrza przez urządzenia fasadowe – scentralizowany wywiew powietrza przez wywiewniki umieszczone pod sufitem,
• zdecentralizowany nawiew i wywiew powietrza przez to samo urządzenie fasadowe z funkcją doprowadzenia i uzdatnienia powietrza zewnętrznego oraz usuwania powietrza zużytego.

Niezależnie od lokalizacji urządzenia fasadowego (podokienne lub podpodłogowe) strumień powietrza jest nawiewany w sposób wyporowy. Przy nawiewie powietrza przez kratkę podłogową lub obudowę jednostki uzyskuje się prędkość wynoszącą do 2,0 m/s. W wyniku indukcji powietrza z otoczenia prędkość nawiewanego strumienia powietrza szybko się zmniejsza i do obszaru przebywania użytkowników napływa strumień powietrza o charakterze wyporowym [6].

Porównanie instalacji scentralizowanych i zdecentralizowanych

W tabeli 1 i 2 zamieszczono porównanie scentralizowanego i zdecentralizowanego (fasadowego) systemu wentylacji.

Literatura

1. Cooling and heating. Facade ventilation unit FG-L, katalog techniczny Krantz Komponentem, Aachen, 10.2002.
2. Franzke U., Heidenreich R., Ehle A., Ziller F., Comparison between Decentralised and Centralised Air Conditioning Systems (Summary), ILK Dresden, wyd. Trox Technik, 2003.
3. Gruner M. (red.), The Potential of Façade-Integrated Ventilation Systems in Nordic Climate. Advanced decentralised ventilation systems as sustainable alternative to conventional systems, NTNU, 1.07.2012.
4. PN-EN 779:2012 Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej. Określanie parametrów filtracyjnych (oryg.).
5. Recknagel H., Sprenger E., Schramek E.R., Kompendium wiedzy: ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo, Wyd. Omni Scala, Wrocław 2008.
6. Systemy powietrzno-wodne w wentylacji i klimatyzacji. Poradnik projektanta, Trox Technik, 2009.