Efektywność działania wentylacji naturalnej i możliwości jej usprawnienia

Jednym z podstawowych kryteriów komfortu użytkowania lokali mieszkalnych są warunki wewnętrzne. Decydują o nich przede wszystkim właściwie zaprojektowane i wykonane przegrody budowlane (w tym stolarka okienna) czy odpowiednio dobrana i wykonana instalacja grzewcza i wentylacyjna.

We wznoszonych budynkach mieszkalnych stosuje się najczęściej wentylację grawitacyjną. Prawidłowo zaprojektowana oraz wykonana [1] powinna zapewniać ciągłą wymianę powietrza.

Przepływ powietrza wywoływany jest różnicą ciśnień powstającą na skutek różnicy temperatury na zewnątrz i wewnątrz budynku oraz działania wiatru. Niestety coraz częściej w nowych budynkach mieszkalnych wentylacja grawitacyjna nie działa prawidłowo. Konsekwencją są takie zjawiska, jak kondensacja powierzchniowa i pleśń, niekorzystnie wpływające na komfort życia i zdrowie mieszkańców. W artykule podjęto próbę odpowiedzi na pytanie o przyczynę tej sytuacji oraz możliwości rozwiązania problemu.

Analizie poddano zespół mieszkalnych budynków komunalno-socjalnych z funkcją usługowo-handlową zaprojektowany w 2009 roku. W jego skład wchodzi pięć obiektów zaprojektowanych w tej samej technologii (oznaczonych na potrzeby artykułu jako F, G, H, J i K).

Wszystkie budynki są podpiwniczone. Każdy ma cztery kondygnacje nadziemne (parter i trzy pietra). Na parterze, piętrach pierwszym, trzecim i czwartym znajdują się cztery lokale mieszkalne, a na drugim piętrze – trzy. Większość lokali ma balkony. Przegrody zewnętrzne budynków zostały wykonane z bloczków silikatowych ocieplonych styropianem. Niewielkie fragmenty ścian zewnętrznych mają konstrukcję żelbetową, także ocieploną styropianem.

Analiza skarg mieszkańców

Przed wykonaniem badań przeprowadzono analizę zgłaszanych przez mieszkańców skarg. Głównym problemem jest parowanie szyb w oknach oraz obecność w mieszkaniu pleśni spowodowana dużą wilgocią. Zgłaszane problemy oraz liczba skarg w danym budynku zostały przedstawione na wykresie (rys. 1).

Po pojawieniu się skarg w lokalach zamontowano nawiewniki okienne, których wcześniej nie było. Niestety opinie kominiarskie potwierdziły, że wentylacja grawitacyjna nadal nie działa prawidłowo pomimo zastosowania tych urządzeń.

Ocena dokumentacji projektowej

Ocena zgodności zastosowanych rozwiązań z obowiązującymi w roku 2009 przepisami przeprowadzona została na podstawie udostępnionej dokumentacji. Stwierdzono, że zarówno projekt wykonawczy, jak i dokumentacja powykonawcza nie zawierają projektu wentylacji, pomimo że obowiązek projektowania wentylacji grawitacyjnej został wprowadzony rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniającym rozporządzenie w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego. W rozporządzeniu tym czytamy, że wprowadza się następujące zmiany: w § 11 w ust. 2: a) pkt 7 otrzymuje brzmienie: „rozwiązania zasadniczych elementów wyposażenia budowlano-instalacyjnego, zapewniające użytkowanie obiektu budowlanego zgodnie z przeznaczeniem, w szczególności instalacji i urządzeń budowlanych: sanitarnych, ogrzewczych, wentylacji grawitacyjnej, grawitacyjnej wspomaganej i mechanicznej, chłodniczych, klimatyzacji, gazowych, elektrycznych, telekomunikacyjnych, piorunochronnych, a także sposób powiązania instalacji obiektu budowlanego z sieciami zewnętrznymi wraz z punktami pomiarowymi, założenia przyjęte do obliczeń instalacji oraz podstawowe wyniki tych obliczeń, z uzasadnieniem doboru, rodzaju i wielkości urządzeń, przy czym należy przedstawić:

a) dla instalacji ogrzewczych, wentylacyjnych, klimatyzacyjnych lub chłodniczych – założone parametry klimatu wewnętrznego z powołaniem przepisów techniczno-budowlanych oraz innych przepisów w tym zakresie,

b) dobór i zwymiarowanie parametrów technicznych podstawowych urządzeń ogrzewczych, wentylacyjnych, klimatyzacyjnych i chłodniczych oraz określenie wartości mocy cieplnej i chłodniczej oraz mocy elektrycznej związanej z tymi urządzeniami“.

Ponadto stwierdzono, że odcinki kanałów wentylacyjnych są prowadzone częściowo poziomo, a dopuszcza się jedynie odchylenie przewodu od pionu o kąt 30 stopni zgodnie z normą PN-89/B-10425 [2]. Z kolei usytuowanie wylotów kanałów wentylacyjnych wywiewnych jest niezgodne z przepisami WT [7], które przywołują rozwiązania zawarte w normie PN-B-10425 [2] (rys. 2).

Przy usytuowaniu kominów obok przeszkody, przy dachach wgłębionych, do prawidłowego działania ich wyloty powinny się znajdować co najmniej na poziomie górnej krawędzi przeszkody (dla kominów usytuowanych w odległości od 1,5 do 3,0 m od tej przeszkody). Analizowane budynki mają stropodach płaski zwieńczony attyką. Część wylotów kominów znajduje się w odległości 2,48 m od ścianki attykowej, ich wyloty znajdują się 0,48 m poniżej górnej krawędzi tej ścianki.

Jak stwierdzono na podstawie analizy dostępnej dokumentacji i inwentaryzacji, wyloty kominów wentylacyjnych nie spełniają wymagań normy PN-B-10425:1989 [2]. W celu usunięcia tej niezgodności w „Projekcie usprawnienia wentylacji grawitacyjnej” z września 2014 zaproponowano przebudowę kominów. Miała ona polegać na ich podwyższeniu o 1 m oraz dodaniu nasad typu Turbowent dla najkrótszych kanałów obsługujących lokale na najwyższej kondygnacji. Zaproponowane rozwiązanie usuwa niezgodność z normą, lecz nie przyczynia się do znaczącej poprawy działania wentylacji grawitacyjnej w budynku. Przeprowadzone pomiary oraz obliczenia udowodniły, że również dla dłuższych kanałów wywiewnych ciąg jest niewystarczający i nie zapewnia uzyskania wymaganych normą PN-83/B-03430 [3] strumieni powietrza wentylacyjnego. Przebudowę taką należy uznać za bezcelową i zastosować inne rozwiązanie gwarantujące, że wentylacja będzie działać prawidłowo.

Wymagana i obliczeniowa wydajność systemu wentylacji

W celu analizy obecnej sytuacji oraz zaproponowania rozwiązania usprawniającego działanie wentylacji wykonano obliczenia teoretyczne oraz badania rzeczywistej wydajności wentylacji grawitacyjnej w budynkach.

Etapem przygotowawczym było określenie wymaganych strumieni powietrza wentylacyjnego dla poszczególnych lokali. Strumień określono jako maksymalną wartość z sumy:

a) strumieni powietrza wywiewanego zgodnie z PN 83/B-03430:Az 2000 [3] (norma wycofana, jednak obowiązująca w chwili projektowania budynków). Pomieszczeniami, z których powietrze jest usuwane, w analizowanych lokalach są: wydzielona łazienka oraz wydzielona kuchnia z oknem i kuchnią elektryczną;

b) strumieni powietrza nawiewanego. Strumień przypadający na 1 osobę – w przypadku osób niepalących – to 20 m³/h.

Wartość ta wynosi od 80 do 200 m³/h. Średnie wartości dla poszczególnych mieszkań zostały przedstawione w tab. 1.

Obliczenia polegały na:

• określeniu teoretycznej wielkości strumienia powietrza usuwanego przez pionowe kanały wentylacyjne wykonane z kształtek ceramicznych o średnicy 0,15 m, wielkość ta zależy głównie od wysokości czynnej kanałów,
• obliczeniu wielkości strumienia powietrza wentylacyjnego dla układu nawiewniki, kratki i kanał wentylacyjny, obliczenia te wykonano na podstawie równania Bernoulliego z uwzględnieniem miejscowych strat ciśnienia występujących na nawiewnikach (przyjęto x = 2,0), kratkach i kolankach oraz strat liniowych występujących w kanałach.

Kalkulację przeprowadzono dla temperatury powietrza zewnętrznego 12°C, temperatury powietrza w kuchni 20°C i temperatury w łazience 24°C.

Wyniki przeprowadzonych obliczeń oraz porównanie strumienia teoretycznego z obliczeniowym podano w tab. 2.

Jak widać, strumień obliczeniowy jest około pięciokrotnie mniejszy od teoretycznego. Porównanie wymaganego strumienia powietrza wentylacyjnego (tab. 1) z obliczeniowym pokazuje, że brakująca ilość powietrza wynosi od 65 do 91%. Można zatem stwierdzić, że w żadnym z lokali istniejący system wentylacji grawitacyjnej nie jest w stanie zapewnić wymaganej wydajności dla warunków obliczeniowych.

Badania wydajności systemu wentylacji

Badania przeprowadzone w lokalach obejmowały:

• określenie strumienia powietrza usuwanego przez kanały wywiewne grawitacyjne (tab. 3) – pomiary wykonywano przy oknach zamkniętych i wszystkich nawiewnikach w pozycji otwartej,
• określenie panujących wewnątrz lokali parametrów powietrza wewnętrznego – temperatury i wilgotności względnej,
• określenie liczby i sposobu użytkowania nawiewników,
• określenie skuteczności przepływu powietrza w lokalu mieszkalnym – szczeliny pod drzwiami, kratki wyrównawcze,
• ocenę drożności i sposobu wykonania kanałów wentylacyjnych i kratek,
• dokumentację niekorzystnych zjawisk powstałych w lokalach mieszkalnych.

Przeprowadzone badania pokazały, że w żadnym z lokali wentylacja grawitacyjna nie działała prawidłowo.

Porównanie wymaganego strumienia powietrza wentylacyjnego (tab. 1) ze strumieniem zmierzonym pokazuje, że brakująca ilość powietrza wynosi od 54 do 82%.

Uzyskana różnica jest zbliżona do różnicy obliczeniowej wynoszącej 65–91%.

Przyczyny niesprawności wentylacji

Dla prawidłowego działania systemu wentylacji grawitacyjnej konieczne jest spełnienie trzech warunków.

• Dopływ powietrza przez otwory wentylacyjne

Na podstawie przeprowadzonych badań oraz analizy dostępnej dokumentacji stwierdzono następujące wady:

liczba zastosowanych nawiewników okiennych jest niewystarczająca dla zapewnienia wymaganego strumienia powietrza wentylacyjnego. W przypadku jednego lokalu stwierdzono całkowity brak nawiewników; mieszkańcy okresowo zamykają nawiewniki, co znacząco ogranicza przepływ powietrza. Przeprowadzone badania ankietowe wskazują, że robi tak połowa mieszkańców; w wielu przypadkach stwierdzono, że otwory wylotowe nawiewników są zasłonięte przez rolety wewnętrzne, co skutkuje brakiem przepływu powietrza przez nawiewniki.

• Dopływ powietrza do pomieszczeń, z których jest ono usuwane

Badania i analiza dokumentacji umożliwiły stwierdzenie następujących wad:

1. w części lokali szczeliny pod drzwiami wewnętrznymi są zbyt małe. Zgodnie z normą PN-83 B-03430:Az2000 [3] „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.” Dla skrzydła o szerokości 0,8 m szczelina pomiędzy dolną krawędzią drzwi a podłogą powinna mieć min. 1 cm wysokości;
2. wielkość kratek w drzwiach do łazienek jest czasami zbyt mała. Dotyczy to w szczególności drzwi, które zostały wymienione przez mieszkańców (fot. 1). Powierzchnia otworu lub szczeliny w drzwiach do łazienki powinna wynosić co najmniej 200 cm2. Zbyt małe otwory utrudniają dopływ powietrza do łazienek.

• Uzyskanie odpowiedniego ciągu wentylacyjnego

Badania i analiza dokumentacji umożliwiły stwierdzenie następujących wad:

długość i przekrój kanałów wentylacyjnych wywiewnych są zbyt małe dla zapewnienia odpowiedniego ciągu wentylacyjnego. Dotyczy to w szczególności kanałów w lokalach na ostatniej kondygnacji – ich długość wynosi jedynie 0,45 m; wyloty kominów są usytuowane niezgodnie z normą, co przy silnym wietrze powoduje powstawanie turbulencji zaburzających ciąg; poziome odcinki kanałów wywiewnych zwiększają opory przepływu powietrza, co prowadzi do zmniejszenia ciągu wentylacyjnego; część kratek wywiewnych w kuchniach i łazienkach jest wyposażona w siatki, na których osadzają się zabrudzenia. Niektóre są całkowicie niedrożne, co uniemożliwia usuwanie powietrza (fot. 2). Część mieszkańców zainstalowała wentylatory wywiewne lub podłączyła okapy wywiewne w kuchni (do pojedynczego kanału wentylacyjnego znajdującego się w pomieszczeniu). Takie rozwiązania również utrudniają usuwanie powietrza w momencie, gdy wentylatory lub okapy nie pracują.

Niespełnienie nawet jednego z powyższych warunków może spowodować, że wentylacja grawitacyjna nie będzie działać prawidłowo.

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych badań oraz obliczeń można wnioskować, że wentylacja grawitacyjna wykonywana nawet zgodnie z aktualnymi wymaganiami nie działa poprawnie. Różnice między strumieniem wentylacyjnym wymaganym a rzeczywistym sięgają niejednokrotnie 100% (wentylacja jest w takim przypadku niesprawna w 100%). Bardzo dużym problemem wynikającym z braku działania wentylacji jest występowanie dużej wilgotności powietrza wewnętrznego (sięgającej nawet ponad 80%). Na skutek tak wysokiej wilgotności występuje bardzo duże ryzyko powstania powierzchniowej oraz międzywarstwowej kondensacji pary wodnej. Prowadzi to do powstawania i rozwoju pleśni.

Usprawnienie działania wentylacji grawitacyjnej w istniejących budynkach mieszkalnych jest możliwe na różne sposoby. Do najprostszych rozwiązań można zaliczyć:

• zwiększenie efektywności istniejącej wentylacji grawitacyjnej,
• wprowadzenie mechanicznej wentylacji wywiewnej,
• zastosowanie wentylacji hybrydowej.

Zwiększenie efektywności istniejącej wentylacji grawitacyjnej jest możliwe, ale wiązałoby się z koniecznością zastosowania rozwiązań trudnych do wprowadzenia ze względów technicznych. Jak wykazały badania i obliczenia, ciąg kominowy jest zbyt słaby dla zapewnienia odpowiedniego strumienia powietrza wentylacyjnego. Żeby go zwiększyć, konieczne byłoby wydłużenie istniejących kominów. Niestety nawet dla kondygnacji, na której długość kominów wynosi ok. 9,65 m, ciąg jest niewystarczający, należałoby też wprowadzić dodatkowe nawiewniki. Teoretycznie, żeby wentylacja mogła działać przy różnicy 10 Pa, należy zainstalować dodatkowo 1–5 nawiewników na lokal. Większa liczba nawiewników byłaby trudna do zamontowania, szczególnie w lokalach mających tylko dwa okna.

Zastosowanie wentylacji mechanicznej pozwoliłoby na uzyskanie wymaganych strumieni powietrza wentylacyjnego. Rozwiązanie takie może się jednak wiązać z koniecznością wykonania nowych kanałów wywiewnych w całym budynku – wyższe wymagania dotyczące szczelności kanałów. Wentylacja pracowałaby również przy większej różnicy ciśnień niż naturalna, co mogłoby spowodować „wianie z nawiewników”. W przeciwieństwie do wentylacji grawitacyjnej byłaby ona jednak niezależna od warunków pogodowych. Zastosowanie wentylacji mechanicznej wiąże się z dodatkowym zużyciem energii przez wentylatory i ryzykiem wystąpienia hałasów od wentylatorów.

Wentylacja hybrydowa stanowi połączenie wentylacji grawitacyjnej z mechaniczną, 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 usuwanie wymaganego strumienia powietrza przez cały rok;
• niski koszt eksploatacji – w nasadach hybrydowych stosuje się energooszczędne wentylatory, które działają okresowo – wspomagają uzyskanie różnicy ciśnienia tylko w sytuacji, gdy ciąg naturalny jest za słaby. W przeciwieństwie do wentylacji mechanicznej wytwarzana jest jedynie 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.

Podsumowując, należy stwierdzić, że w obecnie projektowanych i wznoszonych budynkach należy odchodzić od wentylacji grawitacyjnej na rzecz wentylacji hybrydowej lub mechanicznej. Zastosowanie wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła w połączeniu z wysoką szczelnością powietrzną budynku może także procentować wyższym standardem energetycznym budynku [5, 6].

Literatura

1. Firląg S., Miszczuk A., Szczelność powietrzna budynków energooszczędnych a instalacje, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2015, s. 56–62.
2. PN-89/B-10425 Przewody dymowe, spalinowe i wentylacyjne murowane z cegły. Wymagania techniczne i badania przy odbiorze.
3. PN-83 B-03430:Az2000 Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania.
4. Opracowanie własne.
5. Miszczuk A., Żmijewski K., Analiza budynków o niskim zapotrzebowaniu na energię, „Materiały Budowlane” nr 1/2015,, s. 24–27.
6. Węglarz A., Budownictwo energooszczędne w Polsce, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2009, s. 24–27.
7. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690, z późn. zm.).