Ograniczenie zużycia energii na wentylację w domach jednorodzinnych

Książka pt. „Kompleksowa termomodernizacja budynków jednorodzinnych” omawia zagadnienia termomodernizacji – od wyjaśnienia celowości i podstawowych pojęć, przez kwestie prowadzenia termomodernizacji, aż po analizę potencjalnych zysków. Jej celem jest zachęcanie właścicieli budynków jednorodzinnych do podejmowania kompleksowych działań termomodernizacyjnych, a uczestników tego procesu – m.in. projektantów, wykonawców i instalatorów – wyposażenie w niezbędną wiedzę.

Jednym z zagadnień, które omówiono w książce, jest wentylacja w domach jednorodzinnych. Wentylacja ma w procesie termomodernizacji kluczowe znaczenie, gdyż jednym z podstawowych kryteriów komfortu użytkowania jednorodzinnych budynków mieszkalnych są warunki wewnętrzne. O warunkach tych decydują przede wszystkim właściwie zaprojektowane i wykonane przegrody budowlane oraz odpowiednio dobrana i wykonana instalacja grzewcza i wentylacyjna. Wentylacja jest projektowanym, zamierzonym, mniej (grawitacyjna) lub bardziej (mechaniczna) kontrolowanym procesem wymiany powietrza. Prawidłowo zaprojektowana i wykonana powinna zapewniać ciągłą wymianę powietrza wewnątrz budynku.

Przepływ powietrza w budynku powinien mieć charakter ukierunkowany. Świeże powietrze doprowadzane jest bezpośrednio do sypialni, pokojów dziennych, pokojów gościnnych itp. W pomieszczeniach tych powinny być umiejscowione nawiewniki świeżego powietrza. Zanieczyszczone powietrze usuwane jest głównie z kuchni i łazienek, gdzie umieszczone są kratki wywiewne. Przepisy krajowe (wycofana norma PN-B-03430:1983/Az3:2000) wskazują, że minimalny poziom powietrza usuwanego powinien wynosić odpowiednio dla:

• kuchni z kuchenką gazową: 70 m³/h;
• kuchni z kuchenką elektryczną: 50 m³/h;
• łazienki: 50 m³/h;
• wydzielonej toalety: 30 m³/h;
• pomieszczenia bez okien: 15 m³/h.

Umożliwia to zapewnienie w budynku ukierunkowanego przepływu powietrza. Świeże powietrze dociera najpierw do głównych pomieszczeń mieszkalnych, następnie przepływa przez strefę pośrednią do pomieszczeń wilgotnych, w których panuje relatywnie wysoka krotność wymian, co pozwala na np. szybkie wysychanie mokrych ręczników. Dzięki zasadzie ukierunkowanego przepływu świeże powietrze jest wykorzystane w optymalny sposób. W celu prawidłowego działania wentylacji niezbędna jest możliwość przepływu powietrza pomiędzy poszczególnymi pomieszczeniami.

Zgodnie z wycofaną normą (nie ma nowej) PN-B-03430:1983/Az3:2000: „Powietrze z pokojów mieszkalnych powinno być odprowadzane przez otwory wyrównawcze umieszczone ponad drzwiami lub w ich górnej części lub przez otwory wywiewne. Dopuszcza się odprowadzanie powietrza przez szczeliny pomiędzy dolną krawędzią drzwi a podłogą. Przekrój netto otworów lub szczelin powinien wynosić co najmniej 80 cm²”. W drzwiach do łazienki powierzchnia otworu lub szczeliny powinna wynosić co najmniej 200 cm².

Nieprawidłowo zaprojektowana oraz wykonana wentylacja powoduje m.in. występowanie dużej wilgotności względnej powietrza wewnętrznego (sięgającej nawet ponad 80%). Na skutek tak wysokiej wilgotności zachodzi bardzo duże ryzyko wystąpienia powierzchniowej (np. parowanie szyb w oknach) oraz międzywarstwowej kondensacji pary wodnej. Prowadzi to do powstania i rozwoju pleśni, co niekorzystnie wpływa na komfort i bezpieczeństwo mieszkańców [1].

Objawem złej pracy systemu wentylacyjnego mogą być: zmęczenie, podrażnione błony śluzowe, choroby układu oddechowego czy częste bóle głowy. Zapewnienie skutecznej wentylacji to aspekt bardzo istotny również ze względu na duży udział (dochodzący do 68% [2]) strat ciepła na podgrzanie powietrza wentylacyjnego w całkowitych stratach ciepła w budynku.

W budynkach jednorodzinnych stosowany jest najczęściej jeden z trzech dostępnych systemów wentylacji: grawitacyjny, hybrydowy lub mechaniczny.

Czytaj też: Wentylacja budynków edukacyjnych – problemy z jakością powietrza wewnętrznego >>

Wentylacja grawitacyjna

To najczęściej wykorzystywany rodzaj wentylacji w istniejących domach jednorodzinnych. Jej działanie opiera się na zasadzie ruchu powietrza w pionowym przewodzie kominowym wywoływanego przez różnicę temperatur pomiędzy wnętrzem a środowiskiem zewnętrznym oraz różnicy ciśnień wywołanej wiatrem. Do prawidłowego działania wentylacji (rys. 1) konieczne jest zapewnienie stałego dopływu niezbędnej ilości powietrza z zewnątrz (np. przez nawiewniki zamontowane w ramach okiennych). Strumień nawiewanego świeżego powietrza jest niekontrolowany i uzależniony głównie od warunków atmosferycznych (temperatury, prędkości i kierunku wiatru).
Zaletami wentylacji grawitacyjnej są:

• niski koszt wykonania, jeśli projekt domu pozwala na zgrupowanie kanałów wentylacyjnych w jednym lub dwóch kominach;
• niski koszt eksploatacji, ze względu na fakt, że nie wykorzystuje ona żadnych urządzeń mechanicznych, które potrzebują energii (niepotrzebna jest energia elektryczna do ich zasilania);
• brak urządzeń, które mogą się psuć lub hałasować.

Największą jednak wadą wentylacji naturalnej jest brak kontroli strumienia powietrza wentylacyjnego podczas jej działania. Objawia się to:

• słabym działaniem wentylacji w trakcie lata – jest to skutek niewystarczającej lub odwrotnej różnicy temperatury między wnętrzem budynku a jego otoczeniem;
• bardzo intensywnym działaniem wentylacji w okresie występowania bardzo niskich temperatur podczas zimy, co może prowadzić do nadmiernego wychładzania pomieszczeń;
• możliwością występowania odwróconego ciągu w przewodach wywiewnych, co jest zjawiskiem bardzo niebezpiecznym szczególnie w razie stosowania urządzeń z otwartą komorą spalania (kuchenki i podgrzewacze gazowe, kominki, kotły c.o.).

Do najczęściej popełnianych błędów projektowo-wykonawczych oraz użytkowych w przypadku wentylacji grawitacyjnej można zaliczyć:

1. Brak dostatecznego dopływu świeżego powietrza przez nawiewniki. Jest to spowodowane:

• wykonaniem niedostatecznej liczby lub brakiem nawiewników okiennych niezbędnych do zapewnienia wymaganego strumienia powietrza wentylacyjnego;
• okresowym zamykaniem przez mieszkańców nawiewników, co znacząco ogranicza przepływ powietrza;
• zamykaniem w sposób szczelny okien niewyposażonych w nawiewniki;
• nieświadomym zasłanianiem (np. roletami wewnętrznymi) przez mieszkańców otworów wylotowych nawiewników, co skutkuje brakiem przepływu powietrza.

2. Brak przepływu powietrza pomiędzy pomieszczeniami, do których napływa świeże powietrze, a pomieszczeniami, z których jest ono usuwane. Jest to spowodowane brakiem lub wykonaniem zbyt małych kratek wyrównawczych lub szczelin pod drzwiami wewnętrznymi.

3. Brak odpowiedniego ciągu wentylacyjnego. Do najczęściej występujących błędów można zaliczyć:

• nieprawidłowo wyprowadzone wyloty kominów, co powoduje powstanie (przy silnym wietrze) turbulencji zaburzających ciąg. Wysokość wyniesienia komina ponad powierzchnię dachu uzależnione jest od typu dachu (dach płaski/skośny) oraz rodzaju jego pokrycia (rys. 2a, b, c). Przy usytuowaniu kominów obok przeszkody, przy dachach wgłębionych (rys. 2d), do prawidłowego ich działania wyloty powinny się znajdować co najmniej 0,3 m nad poziomem górnej krawędzi przeszkody (dla kominów usytuowanych w odległości do 1,5 m od tej przeszkody), w przypadku odległości większej niż 3,0 m wysokość komina może być mniejsza;
• zbyt małą długość i przekrój kanałów wentylacyjnych wywiewnych. Problem ten dotyczy w szczególności kanałów w pomieszczeniach na ostatniej kondygnacji, np. poddaszu, których długość bardzo często wynosi jedynie kilkadziesiąt centymetrów;
• prowadzenie odcinków kanałów wentylacyjnych częściowo poziomo (dopuszcza się jedynie odchylenie przewodu od pionu o kąt 30 stopni zgodnie z normą PN-89/B-10425), co powoduje zwiększenie oporów przepływu powietrza;
• wyposażenie kratek wywiewnych w siatki, na których osadzają się zabrudzenia. Na skutek braku dbałości o ich czystość może to prowadzić do ich całkowitej niedrożności, co uniemożliwia przepływ powietrza (fot. 1);
• instalowanie, w przypadku gdy tylko jeden kanał wentylacyjny występuje w pomieszczeniu, wentylatorów wywiewnych (działających okresowo) lub podłączanie okapów w kuchni. Działanie to utrudnia usuwanie powietrza w momencie, gdy wentylatory lub okapy nie pracują.

Występowanie nawet jednego z powyższych warunków może spowodować, że wentylacja grawitacyjna nie będzie działać prawidłowo. W przypadku nieprawidłowo działającej wentylacji grawitacyjnej istnieje możliwość jej usprawnienia na różne sposoby. Do najprostszych rozwiązań można zaliczyć:

• zwiększenie efektywności istniejącej wentylacji grawitacyjnej poprzez eliminację występujących błędów (wymienionych powyżej), np. montaż odpowiedniej liczby nawiewników okiennych w sytuacji, gdy okna są nowe i ich nie posiadają;
• zastosowanie wentylacji hybrydowej;
• wprowadzenie mechanicznej wentylacji wywiewnej.

Modernizacja wentylacji grawitacyjnej w istniejącym budynku polegająca na zastosowaniu wentylacji mechanicznej może się wiązać z koniecznością wykonania nowych kanałów wywiewnych w już istniejącym budynku ze względu na wyższe wymagania dotyczące szczelności kanałów. Wentylacja mechaniczna pracuje również przy większej różnicy ciśnień niż naturalna, co może wywoływać „wianie z nawiewników”. Zastosowanie wentylacji mechanicznej wiąże się również z dodatkowym zużyciem energii przez wentylatory i ryzykiem wystąpienia hałasów od wentylatorów.

Wentylacja mechaniczna wywiewna i hybrydowa

Wentylacja wywiewna ma na celu usprawnianie działania wentylacji grawitacyjnej poprzez zastosowanie wentylatora (wentylatora w danym pomieszczeniu, hybrydowej nasady kominowej bądź centralnego wentylatora wywiewnego dla wszystkich kanałów wentylacyjnych), wymuszającego ruch powietrza w kanałach kominowych służących do usuwania zużytego powietrza. Tak samo jak w przypadku wentylacji grawitacyjnej, do prawidłowego działania niezbędne jest doprowadzenie do pomieszczeń powietrza z zewnątrz, w ilości odpowiadającej objętości powietrza wywiewanego.

System wentylacji mechanicznej wywiewnej (rys. 3) ma wiele zalet w stosunku do wentylacji grawitacyjnej.

Przede wszystkim zapewnia stałą wymaganą wymianę powietrza niezależnie od warunków atmosferycznych, dzięki której możliwe jest zachowanie odpowiedniej wilgotności powietrza (poniżej 45%). Odpowiednia wilgotność powietrza ogranicza np. rozmnażanie się roztoczy zimą i pozytywnie wpływa na kondycję środowiska wewnętrznego.

Wentylacja hybrydowa stanowi połączenie wentylacji grawitacyjnej z wentylacją mechaniczną (rys. 4), zapewniając w budynku odpowiednią jakość powietrza niezależnie od pory dnia i warunków atmosferycznych. Podstawowymi zaletami wentylacji hybrydowej są:

• niezależność od warunków pogodowych – wentylacja hybrydowa zapewnia uzyskanie wymaganego strumienia powietrza przez cały rok;
• niski koszt eksploatacji – w nasadach hybrydowych stosuje się energooszczędne wentylatory, które działają jedynie okresowo – wspomagają uzyskanie różnicy ciśnienia tylko w sytuacji, gdy ciąg naturalny jest za słaby. W przeciwieństwie do wentylacji mechanicznej wytwarzana jest tylko niewielka różnica ciśnienia – na poziomie 10 Pa;
• możliwość montażu w istniejącym budynku – system wentylacji hybrydowej można wprowadzić w istniejącym budynku bez potrzeby wykonywania nowych lub dodatkowych kanałów wentylacyjnych.

Czytaj też: Wpływ systemu regulacji zysków słonecznych na zużycie energii chłodniczej i elektrycznej oraz komfort oświetlenia światłem naturalnym >>

Wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła

Wentylacja nawiewno-wywiewna z odzyskiem ciepła (rys. 5) jest odmianą wentylacji mechanicznej i pozwala na znaczne ograniczenie strat ciepła na wentylację. W skład takiej instalacji wchodzi czerpnia świeżego powietrza, kanały nawiewne (doprowadzające świeże powietrze do pokoi), kanały wywiewne (odprowadzające zanieczyszczone powietrze z łazienek, kuchni i pomieszczeń niewyposażonych w okna), wyrzutnia powietrza oraz centrala wentylacyjna z filtrami powietrza, wentylatorami oraz jednym lub kilkoma wymiennikami ciepła (rys. 6) [4].

Wymiennik ciepła zbudowany jest najczęściej z kilku ułożonych równolegle płyt, między którymi przepływają dwa strumienie powietrza – ciepły wywiewany i zimny nawiewany do budynku. Płyty wymiennika przewodzą ciepło między strumieniami powietrza. Efektywność energetyczna instalacji wentylacyjnej zależy w największym stopniu od sprawności odzysku ciepła z powietrza wywiewanego (dostępne na rynku centrale pozwalają na odzyskanie od 65 do 95% ciepła [5]) i ilości energii elektrycznej zużywanej przez centralę. Na rynku dostępne są centrale wentylacyjne z wymiennikami: krzyżowymi, przeciwprądowymi, krzyżowo-przeciwprądowymi oraz obrotowymi. Do najczęściej stosowanych, w szczególności w budynkach jednorodzinnych, należą wymienniki przeciwprądowe, które różnią się między sobą budową, a co za tym idzie, również sprawnością odzysku ciepła (rys. 7).

Wymiennik ciepła zastosowany w rekuperatorze może działać w dwie strony: zimą ogrzewać, a latem schładzać powietrze doprowadzane do pomieszczeń. Wentylacja zapewnia stałe doprowadzanie do budynku świeżego powietrza zewnętrznego i usuwanie zużytego powietrza wewnętrznego. Decydujący wpływ na komfort użytkowania budynku ma stała wymiana powietrza (niezależnie od panujących warunków atmosferycznych), ponieważ nie prowadzi to do nadmiernego wzrostu stężeń zanieczyszczeń gazowych, takich jak dwutlenek węgla czy para wodna. Dodatkowo centrale wentylacyjne z reguły mają kilka prędkości obrotowych wentylatorów, pozwala to na zmianę wydajności zgodnie z potrzebami. Gdy potrzebna jest wyższa wydajność, wystarczy włączenie wyższego biegu – ręcznie lub automatycznie. Zwiększenie wydajności zaleca się, gdy w domu powstaje więcej zanieczyszczeń, na przykład podczas gotowania, kąpieli, suszenia, prania lub wizyty gości. Dzięki zastosowaniu elektronicznych programatorów można ustawić kilka cykli pracy centrali przewidzianych na różne pory dnia. Automatyka sterująca może być podłączona do różnego rodzaju czujników badających parametry powietrza wewnątrz budynku (np. stężenie CO₂ lub wilgotności powietrza).

Wykorzystywane w centrali wentylacyjnej filtry umożliwiają eliminację z powietrza nawiewanego do pomieszczeń zanieczyszczeń mikrobiologicznych, np. zarodników grzybów pleśniowych oraz zanieczyszczeń pyłowych, np. kurzu, zmniejszając tym samym ryzyko alergii.

Wadą wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła jest możliwość występowania hałasu emitowanego przez wentylatory oraz zbyt szybki przepływ powietrza w kanałach i nawiewnikach, jak również możliwość przedostawania się dźwięków pomiędzy pomieszczeniami za pośrednictwem systemu wentylacji. Aby zapobiec temu zjawisku, należy stosować tłumiki pomiędzy pomieszczeniami oraz przed i za centralą wentylacyjną. Jeżeli system wentylacji jest prawidłowo zaprojektowany (odpowiednio dobrane prędkości powietrza oraz przekroje kanałów) i wykonany (odpowiednio dobrane mocowania kanałów wentylacyjnych), instalacja nie będzie źródłem dodatkowego hałasu w budynku.

W zależności od rodzaju budynku oraz jego przeznaczenia system wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła można zrealizować w różny sposób. W budynkach mieszkalnych jednorodzinnych stosuje się najczęściej system indywidualny. Oznacza to, że każdy dom wyposażony jest we własną centralę wentylacyjną z odzyskiem ciepła.

Jednym z dodatkowych elementów systemu wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła może być gruntowy wymiennik ciepła. Wykorzystuje on zakumulowane w gruncie ciepło do podgrzania w zimie powietrza zewnętrznego do temperatury ok. 0°C. Latem przepływające przez gruntowy wymiennik ciepła powietrze jest chłodzone o od 10 do 15°C, co daje efekt zbliżony do instalacji klimatyzacyjnej. W najprostszym wykonaniu funkcję wymiennika pełni rura z tworzywa sztucznego o średnicy 150–200 mm i długości 30–50 m, ułożona na głębokości 1,5–2 m pod powierzchnią gruntu.

Zakres prac i koszty

Zalety wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła (głównie możliwość ograniczenia do minimum straty ciepła na wentylację) powodują, że instalacje te wykorzystywane są w procesie głębokiej termomodernizacji budynków.

Straty energii ze względu na wykorzystywaną wentylację zależą od przyjętego rozwiązania. Największe występują w przypadku wentylacji grawitacyjnej. W celu oszacowania wielkości zapotrzebowania na energię niezbędną do podgrzania powietrza wentylacyjnego przyjęto do analizy istniejący dwukondygnacyjny budynek jednorodzinny o powierzchni 107 m². Obiekt wyposażony jest w wentylację grawitacyjną. Zmiana systemu wentylacji wiąże się z nakładami finansowymi.

W przypadku zmiany w istniejącym budynku wentylacji z grawitacyjnej na hybrydową – należy dokonać montażu:

• nawiewników okiennych,
• kominowych nasad hybrydowych,
• sterownika i stabilerów.

W przypadku zastosowania wentylacji hybrydowej przyjęto średnie zmniejszenie strumienia powietrza wentylacyjnego o 20% w stosunku do wentylacji naturalnej. Szacunkowy koszt modernizacji to 4650 zł. Roczne zapotrzebowanie na energię pomocniczą wyniesie 40 kWh/rok [6].

Czytaj też: Urządzenia do kontroli rozprzestrzeniania się dymu i ciepła >>

W razie zmiany wentylacji na mechaniczną nawiewno-wywiewną z odzyskiem ciepła należy dokonać montażu:

• nawiewników i wywiewników wraz z kanałami wentylacyjnymi,
• centrali rekuperacyjnej,
• czerpni i wyrzutni,
• sterownika.

W przypadku zastosowania wentylacji mechanicznej przyjęto średnią sprawność odzysku ciepła z wentylacji na poziomie 90% w stosunku do wentylacji naturalnej. Szacunkowy koszt modernizacji to 25 000 zł. Roczne zapotrzebowanie na energię pomocniczą wyniesie 394,2 kWh [6]. Wykorzystując wentylację hybrydową, redukcja zapotrzebowania na energię użytkową ze względu na podgrzanie powietrza wentylacyjnego mieści się w przedziale 4–10% w odniesieniu do wentylacji grawitacyjnej. Przy zastosowaniu wentylacji z odzyskiem ciepła oszczędność jest wyższa i wynosi od 10 do 50%.

Podsumowując, można stwierdzić, że w obecnie termomodernizowanych budynkach należy odchodzić od wentylacji grawitacyjnej na rzecz wentylacji hybrydowej lub mechanicznej. Zastosowanie wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła w połączeniu z podwyższeniem szczelności powietrznej przegród [7], uzyskanym podczas ich docieplenia, może skutkować osiągnięciem znaczących oszczędności energii. Daje to również możliwość przeprowadzenia termomodernizacji do standardu niemal zeroenergetycznego i znaczącego ograniczenia wpływu budynku na środowisko naturalne [8].

Literatura

1. Firląg Szymon, Miszczuk Artur, Działanie wentylacji grawitacyjnej w ocenie mieszkańców, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 8/2017, s. 340–344.
2. Firląg Szymon, Miszczuk Artur, Efektywność działania wentylacji naturalnej i możliwości jej usprawnienia, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2016, s. 68–72.
3. PN-B-10425:1989 Przewody dymowe, spalinowe i wentylacyjne murowane z cegły – Wymagania.
4. Grygier Grzegorz, Szyperski Paweł, Wytyczne dla instalacji wentylacyjnej z odzyskiem ciepła (systemu rekuperacji) w domach jednorodzinnych, Stowarzyszenie Polska Wentylacja, 2011.
5. Miszczuk Artur, Identyfikacja i charakterystyka niekontrolowanego przepływu powietrza w budynkach energooszczędnych, rozprawa doktorska, 2018.
6. Firląg Szymon, Raport BPIE, Określenie wymagań dla termomodernizacji budynków mieszkalnych jednorodzinnych do standardu NZEB w warunkach polskich.
7. Firląg Szymon, Miszczuk Artur, Szczelność powietrzna budynków energooszczędnych a instalacje, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2015, s. 56–62.
8. Król Piotr, Firląg Szymon, Węglarz Arkadiusz, Zintegrowana ocena wpływu budynku jednorodzinnego na środowisko, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2013, s. 20–25.