Zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych wentylacji mechanicznej w budownictwie jednorodzinnym

Zastosowanie wentylacji mechanicznej w budownictwie jednorodzinnym wiąże się z chęcią zapewnienia jej stałej skuteczności w ciągu całego roku oraz ze zmniejszeniem zapotrzebowania na energię niezbędną do ogrzewania powietrza doprowadzanego do wnętrza budynku.

O ile spełnienie pierwszego założenia jest stosunkowo łatwe (przepływ stałego strumienia powietrza wywoływany jest pracą wentylatorów), to realizacja drugiego nie jest już wcale tak prosta i oczywista.

Wydawać by się mogło, że panaceum na wszystkie problemy związane z kosztami pracy wentylacji jest zastosowanie odzysku ciepła z powietrza wywiewanego w wysokosprawnych wymiennikach, najczęściej krzyżowo-przeciwprądowych lub obrotowych.

Niestety nie zawsze w praktyce się to udaje. Trzeba pamiętać, że niewłaściwie zaprojektowany system wentylacji mechanicznej może generować koszty przewyższające koszt pracy wentylacji naturalnej.

Analiza pracy wentylacji mechanicznej

Na potrzeby artykułu przeprowadzono analizę całorocznej pracy popularnych rozwiązań wentylacji mechanicznej stosowanych w budownictwie jednorodzinnym. W oparciu o wyniki analizy określono koszty uzdatniania i transportu powietrza wentylującego.

Przeanalizowano pięć różnych układów wentylacyjnych o wydajności 300 m3/h, wykorzystujących:

1. odzysk ciepła w wymienniku o sprawności 80% oraz wtórne uzdatnianie powietrza w nagrzewnicy wodnej,
2. odzysk ciepła w wymienniku o sprawności 80% oraz wtórne uzdatnianie powietrza w nagrzewnicy elektrycznej,
3. wstępne uzdatnianie powietrza w nagrzewnicy elektrycznej, odzysk ciepła w wymienniku o sprawności 80% oraz wtórne uzdatnianie powietrza przez instalację centralnego ogrzewania,
4. wstępne uzdatnianie powietrza w gruntowym wymienniku ciepła (GWC), odzysk ciepła w wymienniku o sprawności 80% oraz wtórne uzdatnianie powietrza przez instalację centralnego ogrzewania,
5. odzysk ciepła w wymienniku o sprawności 80%, wtórne uzdatnianie powietrza w nagrzewnicy elektrycznej i przez system centralnego ogrzewania.

Zabezpieczeniem wymiennika do odzysku ciepła w każdym analizowanym rozwiązaniu jest czujnik temperatury umieszczony na wypływie powietrza z wymiennika po stronie wywiewu, ze standardową nastawą 5°C. Czujnik ten powoduje zmniejszenie sprawności odzysku ciepła w razie osiągnięcia temperatury nastawy.

Rozwiązanie to jest popularne w systemach wykorzystujących wymienniki krzyżowo-przeciwprądowe do odzysku ciepła, gdzie powoduje stopniowe otwieranie by-passu urządzenia. W domowych układach wentylacyjnych z wymiennikami obrotowymi, mniej narażonymi na zamarzanie, czujnik ten może mieć niższą nastawę i powoduje najczęściej zmniejszenie wydajności wentylatora nawiewnego lub zwiększenie wywiewnego.

Rozwiązanie to nie jest korzystne, gdyż prowadzi do okresowego powstawania podciśnienia w budynku i napływu do jego wnętrza zimnego powietrza zewnętrznego. Z tego powodu system ograniczający dostarczanie powietrza do budynku nie został poddany analizie.

W wariantach instalacji 3–5 poprzez wtórne uzdatnianie powietrza przez system centralnego ogrzewania należy rozumieć rozwiązanie bez dodatkowej nagrzewnicy za odzyskiem ciepła. W układzie takim powietrze po uzdatnieniu w wymienniku dostarczane jest wprost do pomieszczenia, straty ciepła wynikające z potrzeby jego ogrzewania w okresie zimowym przewidziane zostały w projekcie instalacji grzewczej i są przez nią kompensowane, a koszt tego uzdatniania został uwzględniony w wykonywanej analizie.

Do wykonania analizy pracy oraz obliczenia kosztów eksploatacyjnych omawianych systemów przyjęto ponadto następujące założenia:

• lokalizacja budynku – Wrocław, II strefa klimatyczna okresu zimowego,
• ogrzewanie powietrza nawiewanego do temperatury 20°C,
• dla rozwiązania 5 temperatura powietrza za nagrzewnicą elektryczną wynosi 15°C, dodatkowe koszty ogrzewania według ceny energii pochodzącej z systemu grzewczego budynku,
• temperatura powietrza wypływającego z GWC w okresie zimowym jest równa 0°C,
• współczynniki poboru mocy elektrycznej wentylatorów to 0,4 W/(m³/h) – dwa wentylatory o mocy 120 W każdy (maksymalny współczynnik poboru mocy elektrycznej dopuszczalny w wytycznych dla dopłat do budownictwa niskoenergetycznego i pasywnego Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej [1]),
• wzrost mocy elektrycznej wentylatora nawiewnego dla systemu z wymiennikiem gruntowym związany z dodatkowymi stratami na przepływie powietrza wynosi 40%,
• moc elektryczna pompy obiegowej dla rozwiązania z nagrzewnicą wodną to 25 W,
• wentylacja pracuje przez całą dobę w ciągu całego roku (8760 h),
• brak wewnętrznych i zewnętrznych zysków ciepła w budynku,
• koszt 1 kWh energii elektrycznej to 0,60 zł,
• koszt 1 kWh energii grzewczej z instalacji centralnego ogrzewania to 0,25 zł (gaz ziemny).

W kosztach użytkowania nie uwzględniono wydatków serwisowych, gdyż w przypadku wszystkich analizowanych systemów są one analogiczne, a ich zmniejszenie lub wyeliminowanie jest właściwie niemożliwe.

Całoroczne koszty pracy

Na rys. 1 przedstawiono całoroczne koszty pracy analizowanych systemów wentylacyjnych. Na kwoty te składają się koszty uzdatniania powietrza (ogrzewania), transportu powietrza (praca dwóch wentylatorów) i w przypadku systemu 1 transportu czynnika grzewczego (praca pompy obiegowej). Największy wpływ na ogólne koszty pracy ma proces uzdatniania powietrza wentylującego.

W systemach 1–3 oraz 5 transport powietrza wymaga takiego samego nakładu finansowego. Natomiast w systemie 4 ze względu na opory wymiennika gruntowego koszt ten wzrósł o ok. 250 zł rocznie, co stanowi 20% kwoty określonej dla pozostałych rozwiązań.

Najwyższymi kosztami użytkowania charakteryzuje się system 2, w którym po odzysku ciepła w wysokosprawnym wymienniku powietrze ogrzewane jest do temperatury 20°C przez nagrzewnicę elektryczną. Z kolei najtańszym w eksploatacji rozwiązaniem jest układ 4, w którym powietrze przed dostarczeniem do pomieszczenia uzdatniane jest wstępnie w wymienniku gruntowym.

Ze względu na wysoką temperaturę powietrza uzyskiwaną po procesie odzysku ciepła, wynoszącą przy temperaturze obliczeniowej aż 16°C, w rozwiązaniu tym nie ma konieczności stosowania dodatkowego ogrzewania powietrza w nagrzewnicy wodnej lub elektrycznej. Podobną sytuację można zaobserwować w systemie 3, gdzie dzięki wstępnemu ogrzewaniu powietrza na nagrzewnicy elektrycznej za wymiennikiem do odzysku ciepła uzyskiwana jest podobna temperatura.

Dla rozwiązań tych w kosztach przedstawionych na rys. 1 uwzględniono koszty ogrzewania powietrza do temperatury 20°C przez system grzewczy budynku.

Koszty pracy systemów wentylacyjnych odniesione do rozwiązania najdroższego przedstawiono na rys. 2. Zgodnie z przeprowadzonymi obliczeniami zastosowanie rozwiązania, w którym nagrzewnica elektryczna nie ogrzewa powietrza wentylującego do stałej temperatury 20°C, może przynieść oszczędności ok. 700–1000 zł rocznie, co stanowi nawet 35% całkowitych kosztów pracy instalacji wentylacyjnej.

W przedstawionym przykładzie obliczeniowym wyraźnie widać, że najmniejszym kosztem uzdatniania powietrza charakteryzuje się system wykorzystujący GWC. Pod względem kosztów ogólnych na tle rozwiązań 1, 3 i 5 nie wypada on już jednak tak korzystnie. Pozwala na zaoszczędzenie do 300 zł rocznie, co nie w każdym rozwiązaniu będzie akceptowalne ze względu na wysoki koszt wykonania wymiennika.

Pamiętać należy jednak, że budynek, dla którego przygotowano analizę, zlokalizowany został we Wrocławiu, który na tle wielu miast w Polsce charakteryzuje się dość łagodnym klimatem. Systemu z wymiennikiem gruntowym nie należy deprecjonować, ponieważ w przypadku obiektów zlokalizowanych w bardziej surowym klimacie, wykorzystujących wymienniki płytowe (krzyżowe i krzyżowo-przeciwprądowe), przynosi on dużo bardziej wymierne korzyści finansowe.

Najdroższy w użytkowaniu system 2 jest dość często spotykany w rozwiązaniach przeznaczonych dla budownictwa jednorodzinnego. Jest najprostszy w projektowaniu, ponieważ nie wymaga uwzględnienia dodatkowych strat ciepła w systemie centralnego ogrzewania. Ustalenie za nagrzewnicą elektryczną stałej temperatury powietrza na poziomie 20°C generuje jednak największe koszty jego uzdatniania spośród przedstawionych rozwiązań.

Konkurencją dla tego rozwiązania jest system 5, w którym również zastosowano nagrzewnicę elektryczną, jednak podgrzewa ona powietrze tylko do 15°C. Różnica w kosztach eksploatacyjnych tych dwóch systemów wynosi ponad 25%, a inwestycyjnie nie wymaga właściwie dodatkowych nakładów finansowych.

Uwzględnienie niewielkiej nadwyżki mocy w systemie grzewczym, wynoszącej w tym przypadku 500 W dla całego budynku, nie stanowi zwykle problemu ani projektowego, ani wykonawczego.

Różnica w kosztach użytkowania tych dwóch bardzo podobnych systemów wentylacyjnych związana jest z czasem pracy nagrzewnicy elektrycznej w ciągu roku. Na rys. 3 i 4 przedstawiono przeciętny czas występowania danych temperatur zewnętrznych we Wrocławiu, określony na podstawie danych klimatycznych dla obszaru Polski służących do obliczeń energetycznych budynków [2]. 

Na wykresach zaznaczono obszary, w których do uzdatniania powietrza wykorzystywana jest nagrzewnica elektryczna (zakres czerwony) oraz centralne ogrzewanie (zakres zielony). Zgodnie z rysunkami w pierwszym przypadku nagrzewnica elektryczna pracuje przez większą część roku. Co prawda jej moc wraz ze wzrostem temperatury zewnętrznej ulega zmniejszeniu, jednak liczba godzin pracy, w szczególności w zakresie temperatur 0–18°C, generuje największe sumaryczne zużycie energii. 

W drugim rozwiązaniu, podczas najdłużej panujących temperatur zewnętrznych, nagrzewnica elektryczna już nie pracuje, ponieważ odzysk ciepła w wysokosprawnym wymienniku zapewnia powyżej temperatury powietrza zewnętrznego 0°C osiągnięcie temperatury nawiewu wynoszącej 15°C i więcej. Przez większą część roku powietrze dogrzewane jest przez system centralnego ogrzewania, w którym koszt 1 kWh energii jest blisko 2,5-krotnie mniejszy od kosztu energii elektrycznej.

Temperatura powietrza nawiewanego

Rys. 4 pokazuje, że koszt pracy omawianego systemu z nagrzewnicą elektryczną ściśle zależy od końcowej temperatury uzdatniania powietrza w tym urządzeniu. Wykorzystana na potrzeby artykułu temperatura 15°C nie jest jedyną możliwą do ustalenia. Na rys. 5 przedstawiono zależność całkowitych kosztów użytkowania układu wentylacyjnego od temperatury powietrza opuszczającego nagrzewnicę elektryczną.

Zgodnie z obliczeniami koszty eksploatacyjne systemu w zakresie temperatur 10–16°C nie ulegają gwałtownym zmianom. Powyżej tej temperatury cena użytkowania układu wentylacji wyraźnie wzrasta. Ze względów użytkowych, biorąc pod uwagę komfort osób przebywających w pomieszczeniach, dla lokalizacji nawiewników w suficie lub bezpośrednio pod nim zalecana końcowa temperatura powietrza uzdatnianego w nagrzewnicy elektrycznej powinna wynosić 12–15°C.

W tym miejscu należałoby przypomnieć, że podczas przeprowadzania analizy założono brak zysków ciepła w budynku. Jeżeli w okresie grzewczym w obiekcie występują zyski ciepła spowodowane np. pracą urządzeń elektrycznych czy promieniowaniem słonecznym, zmniejsza się ilość energii dostarczanej z systemu centralnego ogrzewania. 

W przypadku ustalenia temperatury powietrza dostarczanego przez system wentylacji mechanicznej na stałym poziomie 20°C nagrzewnica elektryczna pracuje ze zwiększoną mocą nawet wtedy, gdy jest to zupełnie niepotrzebne, bo w budynku pojawia się dodatkowa „darmowa” energia.

Wskazówki projektowe

Na co należy zatem zwrócić uwagę, projektując system wentylacji mechanicznej dla budynku jednorodzinnego, by zapewnić niskie koszty jego użytkowania oraz komfort użytkowników pomieszczeń?

Odzysk ciepła – w centralach wentylacyjnych stosowane są najczęściej wysokosprawne wymienniki do odzysku ciepła, jednak przy ich wyborze należy bacznie przyjrzeć się stosowanemu przez producenta zabezpieczeniu przeciwzamrożeniowemu. Im wymiennik lepiej odzyskuje ciepło, tym bardziej narażony jest na wystąpienie oblodzenia na wypływie powietrza usuwanego z urządzenia. Kwestia ta została już dokładnie omówiona we wcześniejszych publikacjach [3, 4]. 

Wymienniki obrotowe są urządzeniami najmniej narażonymi na zamarzanie. Ich automatyka nie powinna powodować zmniejszenia strumienia powietrza nawiewanego, a jeśli tak jest, powinno to następować przy niskiej temperaturze zewnętrznej (np. wg niektórych producentów przy –15°C). Projektanci instalacji powinni wówczas przewidzieć dla takiego rozwiązania dodatkową moc grzewczą na ogrzewanie powietrza, które napływać będzie na skutek podciśnienia z zewnątrz, przez nieszczelności konstrukcji budynku. 

Dla urządzeń z wymiennikami krzyżowo-przeciwprądowymi należy zdecydowanie unikać okresowego ograniczania strumienia powietrza nawiewanego. Najlepszym rozwiązaniem byłoby zastosowanie urządzenia, niezależnie od typu zastosowanego wymiennika, którego zabezpieczenie przed zamarzaniem powoduje okresowe zmniejszenie sprawności odzysku ciepła i dodatkowo przemyślanej metody ogrzewania powietrza doprowadzanego do pomieszczeń.

Warto zwrócić uwagę, że zmniejszenie nastawy temperatury uruchamiającej zabezpieczenie przeciwzamrożeniowe do 3°C pozwoli na obniżenie kosztów użytkowania systemu 5 o dodatkowe 150 zł rocznie, czyli o ok. 7%, bez jakiegokolwiek nakładu inwestycyjnego.

GWC – gruntowy wymiennik ciepła pozwala na eliminację problemu zamarzania wymiennika do odzysku i polecany jest szczególnie dla budynków zlokalizowanych w surowym klimacie. Jest to również rozwiązanie najmniej wrażliwe na zmianę warunków zewnętrznych, więc przedstawione w artykule koszty eksploatacyjne można odnieść także do innych miast na terenie Polski. 

W przeprowadzonej analizie nie przewidziano chłodzenia pomieszczeń, a więc nie brano pod uwagę obniżenia temperatury powietrza do ok. 20°C podczas jego przepływu przez GWC w okresie letnim. Nie określono zatem zysków energii z tytułu pracy tego wymiennika, które należy zakwalifikować jako dodatkowy atut tego rozwiązania. 

Ponieważ w zimie temperatura powietrza opuszczającego wymiennik do odzysku ciepła w takim rozwiązaniu może okresowo powodować uruchomienie zabezpieczenia przeciwzamrożeniowego nawet wtedy, kiedy takie niebezpieczeństwo nie występuje, należy w przypadku zastosowania GWC zmniejszyć nastawę czujnika temperatury uruchamiającego zabezpieczenie przeciwzamrożeniowe, jeśli jest taki stosowany, do maks. 3°C.

Źródło ciepła – należy przede wszystkim minimalizować wykorzystanie energii elektrycznej do uzdatniania powietrza. Różnica w kosztach eksploatacyjnych przedstawionych w artykule jest ściśle związana z różnymi cenami energii elektrycznej oraz tej pochodzącej z systemu grzewczego budynku. Podczas projektowania instalacji wentylacyjnych należy wziąć pod uwagę rodzaje źródeł energii, którymi dysponuje inwestor. 

Im droższa będzie energia pochodząca z systemu grzewczego, tym różnica w kosztach użytkowania przedstawionych systemów wentylacyjnych będzie mniejsza i zbliżona do kosztów rozwiązania 2.

Podsumowanie

Żeby system wentylacji mechanicznej nie generował nieuzasadnionych kosztów eksploatacyjnych, należy: 

• zastosować racjonalne zabezpieczenie wymiennika do odzysku ciepła przed zamarzaniem, w tym wyeliminować okresowe ograniczanie strumienia powietrza nawiewanego lub zwiększenie strumienia wywiewanego,
• rozważyć zastosowanie gruntowego wymiennika ciepła do wstępnego uzdatniania powietrza,
• ograniczyć wykorzystanie energii elektrycznej do ogrzewania powietrza, a w maksymalnym stopniu wykorzystać tańsze źródło ciepła,
• jeśli stosowana jest nagrzewnica elektryczna, ograniczyć temperaturę uzdatnianego w niej powietrza do 12–15°C (w przypadku lokalizacji nawiewników w górnej strefie pomieszczenia), a pozostałe ciepło niezbędne do jego podgrzewania uwzględnić w instalacji grzewczej budynku.

Literatura

1. Dopłaty do kredytów na domy energooszczędne. Wymagania techniczne dla budynków, www.nfosigw.gov.pl.
2. Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków, www.transport.gov.pl.
3. Kostka M., Zając A., Eksploatacja central wentylacyjnych a dotacje dla domów energooszczędnych, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2013.
4. Kostka M., Zając A., Dopłaty do domów energooszczędnych a zużycie energii elektrycznej na wentylację mechaniczną, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2013.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!