Integracja systemów wentylacyjnych i grzewczo-chłodzących dla budynków pasywnych jednorodzinnych

Nowo powstające budynki mieszkalne powinny być projektowane w taki sposób, by zaspokoić równocześnie wiele kryteriów, dotyczących m.in. zużycia energii, efektywności energetycznej czy zapewnienia optymalnych warunków komfortu klimatycznego środowiska wewnętrznego.

Spełnienie powyższych wymagań można osiągnąć poprzez projektowanie obiektów zgodnie ze standardem budownictwa pasywnego, cechującego się wartością wskaźnika zapotrzebowania na energię użytkową (Eu) do celów ogrzewania i wentylacji wynoszącą nie więcej niż 15 kWh na m² rocznie, która jest jednym z czterech głównych kryteriów (tab. 1) wymaganych dla procesu certyfikacji obiektu przez Passive House Institute (PHI) [1, 2, 3].

Każdy budynek pasywny powinien cechować się m.in.:

• wysoką izolacyjnością cieplną przegród zewnętrznych: U ≤ 0,15 W/(m²·K),
• minimalizacją wpływu liniowych mostków termicznych (≤ 0,01 W/m·K),
• zaizolowaną stolarką okienną (U ≤ 0,8 W/(m²·K)), o dobrym wskaźniku całkowitej przepuszczalności energii słonecznej (g_n ≈ 0,5),
• instalacją wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła o sprawności temperaturowej h_temp ≥ 75 %.

W celu szerszego stosowania rozwiązań wykorzystujących energię odnawialną w 2015 roku Passive House Institute wprowadził klasy energetyczne (rys. 1 (patrz: zdjęcie główne) i tab. 2).

Podstawowym kryterium dla każdej klasy jest wspomniane zapotrzebowanie na energię użytkową do celów ogrzewania i wentylacji nieprzekraczające 15 kWh/(m²·rok), natomiast wielkość wprowadzonej odnawialnej energii pierwotnej wyznacza kolejne kategorie [2, 3].

Budynek klasy PH Classic to tradycyjny budynek pasywny, znany i praktykowany od lat, dla którego kryterium „zapotrzebowanie na energię pierwotną” zostało zastąpione "zapotrzebowaniem na odnawialną energią pierwotną" i ustalone na nieprzekraczalnym poziomie 60 kWh/(m²·rok). Klasa PH Plus charakteryzuje obiekt zdolny "wyprodukować" przynajmniej o 15 kWh/(m²·rok) więcej energii, niż zużywa na cele własne dla bilansowania netto rocznego, natomiast klasa PH Premium cechuje budynki dodatnioenergetyczne, generujące z otoczenia znacznie większą ilość energii niż zapotrzebowanie, jakim się charakteryzują.

Pasywne systemy energetyczne angażują komponenty struktury budynku w procesach pozyskania, magazynowania, rozprowadzenia i zachowania energii, zarówno ciepła, jak i chłodu, stąd należy dbać o jej prawidłowy przepływ.

Świadome i konsekwentne zachowanie użytkownika pozwala na minimalizację kosztów eksploatacji obiektu pasywnego z zachowaniem wysoce zadowalających parametrów środowiska wewnętrznego w okresie całego roku.

Dla budynków o dobrze przemyślanej strukturze i zaizolowanej bryle to sposób użytkowania oraz zakres wyposażenia w instalacje sanitarne i elektryczne determinują rzeczywiste ilości dyssypowanej energii pierwotnej.

Spełnienie szeregu kryteriów możliwe jest przy utworzeniu systemu grzewczego z możliwością chłodzenia oraz jego integracji z instalacją wentylacji mechanicznej z równoczesną optymalizacją zużycia energii pierwotnej. Proponowane rozwiązania dotyczące wewnętrznych instalacji sanitarnych powoli stają się standardem i mają na celu spełnienie wysokich wymagań indywidualnych, stawianych coraz częściej przez użytkowników zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju.

W artykule przedstawiono rozwiązanie zintegrowanego systemu grzewczo-chłodzącego z układem wentylacji mechanicznej, zapewniającego komfort klimatyczny w budynku pasywnym zgodnie z określonym na podstawie wcześniej przeprowadzonej ankiety modelem preferencji inwestora indywidualnego. Dla przyszłego właściciela i jednocześnie użytkownika obiektu priorytetem jest zapewnienie wysokiego komfortu. Kryterium to dominowało nad innymi, m.in. związanymi z kosztami inwestycyjnymi.

System ogrzewczy z funkcją chłodzenia

Podstawową rolą systemów komfortu każdego budynku jest zapewnienie w jego obrębie parametrów komfortu cieplnego [5, 6]. Komfort cieplny, zapewniający warunki dobrego samopoczucia, to taki stan otoczenia, w którym równowaga cieplna organizmu ludzkiego zachowana jest przy minimalnym obciążeniu jego układu termoregulacyjnego. Cechy fizjologiczne i psychologiczne pozwalają człowiekowi zaadaptować się do otaczających go warunków. U jednych ludzi następuje to szybciej i w większym zakresie niż u pozostałych.

Odczuwanie komfortu zależy od płci, wieku, kondycji fizycznej czy rodzaju pracy. Stymuluje on wydajność, efektywność i koncentrację, pozwala na osiągnięcie właściwych sobie zdolności intelektualnych i manualnych. Ponieważ poszczególni użytkownicy pomieszczenia zazwyczaj różnią się cechami fizjologicznymi oraz mogą mieć nieco inne wymagania, warunki komfortu cieplnego są zróżnicowane. Zmiana temperatury w budynku może zwiększyć akceptację danej grupy ludzi, jednocześnie zmniejszając ją ze strony innej grupy.

Zapewnienie optymalnych warunków wewnętrznych jest głównym celem stosowania większości układów ogrzewczych i klimatyzacyjnych, co w konsekwencji wywiera wpływ na konstrukcję budynków, dobór materiałów, a tym samym na cały przemysł budowlany. Od wielu lat prowadzi się liczne badania tego zagadnienia.

Optymalne parametry pozwalające zachować komfort cieplny przy ustalonym wydatku energetycznym organizmu i rodzaju odzieży dla poszczególnych pór roku powinny być przyjmowane na podstawie zakresu podanego w tab. 3

Na skutek różnic biologicznych nie ma możliwości uzyskania stanu zadowolenia u wszystkich osób przebywających w pomieszczeniu o danym mikroklimacie. Należy jednak dążyć do uzyskania optymalnych warunków komfortu cieplnego, to znaczy stanu, w którym możliwie największa liczba osób odczuwać będzie stan komfortu.

Moc grzewcza źródła ciepła budynku mieszkalnego związana jest z jego potrzebami dotyczącymi ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Dla obiektów pasywnych jednorodzinnych zapotrzebowanie na ciepło na cele przygotowania c.w.u. jest często wyższe od zapotrzebowania na cele ogrzewcze.

Obliczenia obciążeń grzewczych w Polsce przeprowadza się zgodnie z normą PN-EN 12831 [7]. Należy zwrócić uwagę, że przytoczona norma w obliczeniach cieplnych nie uwzględnia potencjalnie występujących wewnętrznych oraz zewnętrznych zysków ciepła, które są bardzo ważne i istotne w przypadku budownictwa pasywnego.

Jednorodzinne budynki pasywne oraz obecnie wznoszone obiekty o niemal zerowym zużyciu energii cechują się zapotrzebowaniem na moc grzewczą dla warunków obliczeniowych rzędu 20–30 W/m2 (zgodnie z PN-EN 12831). Ta niewielka ilość energii może zostać dostarczona do obiektu poprzez rozwiązania bazujące m.in. na pompach ciepła czy innych źródłach energii odnawialnej.

Niezbędne ciepło dystrybuuje się za pomocą czynnika grzewczego o niskiej temperaturze zasilania, schodzącej często poniżej 30°C. Obniżenie temperatury zasilania o 1°C w przypadku pomp ciepła prowadzi do wzrostu ich efektywności o 2,5%.

Do obliczeń obciążeń chłodniczych budynków mieszkalnych w Polsce najczęściej wykorzystywane są wytyczne niemieckie VDI 2078 [8], rzadziej austriackie ÖNORM H 6040 [9].

Moc źródła chłodu wymiaruje się, wyznaczając sumę obciążeń chłodniczych całego obiektu, nakładając na siebie profile obciążeń poszczególnych pomieszczeń dla określonej krytycznej godziny w roku reprezentatywnym, natomiast zdolność odbioru ciepła instalacji z pomieszczeń wyznacza się lokalnie.

Podobnie jak podczas obliczeń obciążeń grzewczych, zapotrzebowanie na moc chłodniczą jest zależne od wielu zmiennych, m.in. typu przyjętego oszklenia i jego zacienienia, sposobu wentylacji budynku, wielkości wewnętrznych i zewnętrznych zysków ciepła.

Narzędziem pomocnym w fazie projektowania obiektów pasywnych, służącym do ich optymalizacji, a następnie weryfikacji, jest Pakiet Planowania Budynków Pasywnych, z ang. Passive House Planning Package (PHPP) [10].

Narzędzie to umożliwia przeprowadzenie obliczeń obciążenia grzewczego i chłodniczego (tab. 4), a także zapotrzebowania na ciepło oraz chłód dla różnych stref klimatycznych.

W przejrzysty sposób można dzięki niemu wykonać szereg symulacji energetycznych projektowanego obiektu.

Źródłem ciepła oraz chłodu dla budynku pasywnego może być pompa ciepła solanka/woda z wymiennikiem swobodnego chłodzenia (chłodzenie pasywne) – rys. 2.

Zaleca się, by podstawową funkcję dystrybucji ciepła pełniło ogrzewanie płaszczyznowe o niskim parametrze zasilania tz = 30–35°C, np. płyta grzewcza czy stropy aktywowane termicznie.

Ten sam system może być użyty podczas odbioru ciepła z budynku w okresie letnim. Przy dużej powierzchni wymiany ciepła czynnikiem chłodniczym jest woda instalacyjna o wysokim parametrze zasilania, rzędu 16–18°C, chłodzona dzięki wykorzystaniu układu pasywnego chłodzenia.

Układ taki polega na odbiorze ciepła z budynku poprzez płaszczyzny chłodzące i oddaniu go dolnemu źródłu ciepła pompy ciepła. Dodatkową korzyścią tego rozwiązania jest zwiększenie temperatury solanki, co podnosi efektywność podgrzewu ciepłej wody użytkowej w okresie letnim.

Instalacja pasywnego chłodzenia z wykorzystaniem instalacji ogrzewania płaszczyznowego w rozpatrywanym przypadku zdolna jest do odbioru od 15 do 25 W/m2 ciepła z budynku, a w przypadku bezpośredniej ekspozycji na słońce do 40 W/m2.

Dla obiektów pasywnych z dobrze zaprojektowaną ochroną przeciwsłoneczną oraz przy racjonalnym pod względem energetycznym zachowaniu użytkownika (np. ograniczenie otwierania okien w czasie upalnego dnia, zasłanianie żaluzji w okresie największych zysków słonecznych, zredukowanie wewnętrznych zysków ciepła, nocne chłodzenie i przewietrzanie itd.) system pasywnego chłodzenia będzie wystarczający w celu zapewnienia oczekiwanych parametrów termicznych środowiska wewnętrznego nawet przy bardzo wysokich temperaturach zewnętrznych i silnym nasłonecznieniu.

Układ wentylacji mechanicznej

Niezbędnym elementem każdego budynku pasywnego, gwarantującym odpowiednią jakość powietrza wewnętrznego, jest układ wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła, pozwalający na znaczne ograniczenie zapotrzebowania na ciepło w celu podgrzewu powietrza czerpanego, rzędu 20–30 kWh/m².

Projektowanie kanałowej dystrybucji powietrza powinno zostać przemyślane i skonsultowane z architektem już na etapie koncepcji obiektu, przy przyjmowaniu odpowiedniej lokalizacji otworów nawiewnych oraz wywiewnych.

Ilość powietrza wentylacyjnego ustala się w oparciu o bilanse czynników szkodliwych, jak zyski ciepła i wilgoci, ilość emitowanych zanieczyszczeń (np. CO₂, biozanieczyszczeń), wymagania higieniczne lub normowe, pamiętając przy tym, żeby zawarte w PN-83/B-03430 [11] strumienie objętości powietrza wentylacyjnego traktować jako minimalne, nie zaś optymalne.

PHI zaleca sporządzanie bilansów powietrznych przy przyjmowaniu 30 m³/h świeżego powietrza na osobę podczas normalnej pracy instalacji wentylacji mechanicznej, z możliwością obniżenia strumienia do minimalnego poziomu 0,3 wym./h podczas nieobecności użytkowników czy w przypadku skrajnie niskich temperatur zewnętrznych w celu zmniejszenia zużycia energii oraz zapobieżenia przesuszeniu powietrza wentylacyjnego [2].

W celu zwiększenia możliwości odbioru ciepła z budynku dodatkowo można wyposażyć układ wentylacji mechanicznej w wymiennik ciepła woda/powietrze zintegrowany z układem źródła ciepła i chłodu (rys. 3 i rys. 4). Wydajność takiego systemu zależy od ilości i jakości schładzanego powietrza nawiewanego do obiektu.

W rozpatrywanym przypadku (V_naw = 450 m³/h) maksymalna moc jawnego odbioru zysków ciepła instalacji wentylacji mechanicznej przy granicznej temperaturze powietrza nawiewanego T_naw = 16°C wynosi ok. 1,2 kW dla temperatury wewnętrznej T_wew = 24°C, co przekłada się na wskaźnik odbioru ciepła wynoszący ok. 5 W/m² powierzchni budynku.

Wtórny wymiennik ciepła zlokalizowany za rekuperatorem pełni dwojaką funkcję – oprócz prostego układu chłodniczego w okresie letnim zimą umożliwia szybki podgrzew budynku poprzez nawiewanie powietrza o wyższej wartości temperaturowej (np. T_naw = 30°C).

W przypadku zastosowania centrali wentylacyjnej z krzyżowym wymiennikiem ciepła rekomenduje się, by powietrze doprowadzane do rekuperatora cechowało się temperaturą o wartości dodatniej, co chroni wymiennik przed szronieniem. W tym celu proponuje się zastosować impulsową elektryczną nagrzewnicę wstępną.

Powietrze zewnętrzne po przejściu przez nagrzewnicę i centralę wentylacyjną kanałem nawiewnym przepływa przez tłumik hałasu oraz dodatkowy wymiennik ciepła (jeśli został zastosowany), a następnie doprowadzane jest siecią kanałów do odpowiednich pomieszczeń poprzez nawiewniki, dysze strumieniowe lub anemostaty nawiewne.

Powietrze kolejno rozchodzi się poprzez kratki transferowe lub podcięcia w drzwiach do stref przejściowych, dostając się do pomieszczeń „brudnych”, skąd jest wyciągane poprzez kratki lub anemostaty wywiewne. Zapewniony zostaje w ten sposób kierunek przepływu powietrza od pomieszczeń o mniejszym stopniu zanieczyszczenia powietrza do pomieszczeń o większym. Kanałami wywiewnymi powietrze po przebyciu przez filtr oraz tłumik hałasu oddaje zimą energię powietrzu zewnętrznemu, a następnie zostaje wyrzucone poprzez wyrzutnię poza obszar budynku.

Podczas projektowania układu wentylacji mechanicznej należy zwracać uwagę na zachowanie niskich prędkości przepływającego powietrza, zgodnie z nieprzekraczalną zasadą maksymalnych liniowych oporów hydraulicznych instalacji wynoszących 1 Pa/mb., które wraz z tłumikiem szumu zapewnią optymalne warunki akustyczne w pomieszczeniach, a odpowiednio dobrane ilości strumienia powietrza świeżego gwarantują w nich wysoką jakość środowiska wewnętrznego.

Integracja układu wentylacji mechanicznej z systemem ogrzewczym z funkcją chłodzenia

Poprzez zastosowanie dla systemu wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej nagrzewnicy/chłodnicy wtórnej powietrza, wpiętej do układu źródła ciepła oraz chłodu zgodnie ze schematem (rys. 4), uzyskuje się integrację obu systemów, zwiększającą możliwość utrzymania optymalnego komfortu klimatycznego w budynku.

Tak zintegrowany układ wentylacji mechanicznej z systemem ogrzewczym może realizować m.in. funkcję szybkiego dogrzewu powietrza wewnętrznego poprzez jego bezpośrednie ogrzanie i wymianę w krótkim czasie. Opcja ta umożliwia także zastosowanie nocnego obniżenia temperatury w pomieszczeniach w celu zwiększenia komfortu użytkowników podczas snu lub zmniejszenia kosztów eksploatacyjnych systemu grzewczego.

Integracja układu wentylacji mechanicznej ze źródłem chłodu zwiększa możliwości utrzymania komfortowych warunków środowiska wewnętrznego nawet podczas wysokich temperatur powietrza zewnętrznego, umożliwia utrzymanie stałego lub zwiększonego strumienia powietrza nawiewanego do budynku w okresie letnim, pełniąc przy tym funkcję prostego układu schładzającego, zapobiegając nadmiernemu przegrzaniu budynku w sposób aktywny. Rozbudowa systemu wentylacji mechanicznej poprzez aplikację układu nawilżania pozwala uzyskać system pełnej klimatyzacji.

Dla konkretnego budynku pasywnego decyzja o integracji systemów wentylacyjnych i grzewczo-chłodzących powinna być poprzedzona analizą energetyczno-ekonomiczną. Nie należy dążyć do łączenia układów, w przypadku gdy nie jest to wsparte oszczędnością w zużyciu energii pierwotnej, poprawą komfortu klimatycznego wewnątrz obiektu czy przesłankami czysto ekonomicznymi.

Podsumowanie i wnioski

W celu optymalizacji procesu projektowania każdego budynku energooszczędnego, pasywnego czy zeroenergetycznego powinno się przeprowadzić już w fazie koncepcji wielopoziomową analizę wyboru kompromisowego rozwiązania oraz niezbędne symulacje. Analizy budynków uwzględniające wyłącznie preferencje inwestora, wsparte bilansem energetycznym lub niekiedy analizą kosztów inwestycyjnych, mogą się okazać niewystarczające do stworzenia obiektu optymalnego, spełniającego szereg wybranych kryteriów decyzyjnych.

Dobór systemu grzewczo-wentylacyjnego z funkcją chłodzenia powinien być dostosowany indywidualnie do konkretnego budynku. Już w fazie opracowywania koncepcji obiektu projektant instalacji wspólnie z architektem powinien przygotować wstępną propozycję działania układu oraz przeanalizować jego techniczne możliwości.

Znając szczegółowe wymagania inwestora dotyczące roli systemu, tworzy się matrycę dopuszczalnych rozwiązań i wybiera najbardziej korzystne, mając na uwadze utrzymanie w pierwszej kolejności pożądanych parametrów komfortu klimatycznego środowiska wewnętrznego przy jednoczesnym dążeniu do minimalizacji zużycia energii pierwotnej, w drugiej kolejności natomiast względy ekonomiczne.

Literatura

1. www.pibp.pl.
2.  www.passiv.de.
3.  Kriterien für den Passivhaus-, EnerPHit- und PHI-Energiesparhaus-Standard, Passivehaus Institut, 2015.
4.  Jaskulska J., Radomski B., Rzeźnik I., Figielek A., Analiza parametrów budynku dostosowanego do standardu pasywnego według kryteriów Passive House Institute, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2016.
5.  Fanger P.O., Komfort cieplny, Arkady, 1974.
6. Fanger P.O., Popiołek Z., Wargocki P., Środowisko wewnętrzne. Wpływ na zdrowie, komfort i wydajność pracy, Gliwice 2003.
7.  PN-EN 12831 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego, 2006.
8.  VDI 2078 Berechnung der thermischen Lasten und Raumtemperaturen (Auslegung Kühllast und Jahressimulation), 2015.
9. ÖNORM H 6040 Lüftungstechnische Anlagen – Kühllastberechnung. Berechnung der sensiblen und latenten Kühllast sowie der sommerlichen Temperaturgänge von Räumen und Gebäuden (Nationale Ergänzungen zu ÖNORM EN 15255 und ÖNORM EN ISO 13791), 2012.
10. Passive House Planning Package PHPP, Energy balance and Passive House Design Tool for quality approved Passive Houses and EnerPHit retrofits, PHI, 2016.
11. PN-83/B-03430 Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej, 2000.