Współpraca wentylacji mechanicznej z GWC w budynku pasywnym

Niezbędnym wyposażeniem każdego budynku pasywnego, pozwalającym na znaczne ograniczenie strat ciepła, jest mechaniczna wentylacja nawiewno-wywiewna dostosowująca swoją wydajność do aktualnego zapotrzebowania na świeże powietrze. Najważniejszym elementem instalacji wentylacyjnej jest wysokoefektywny wymiennik ciepła, w którym powietrzu nawiewanemu zostaje przekazana duża część ciepła odzyskana z powietrza wywiewanego. Wymiennik ten powinien charakteryzować się temperaturową sprawnością powyżej 80% i niskim zużyciem energii elektrycznej. Powietrze zewnętrzne można doprowadzać do budynku poprzez wymiennik gruntowy, w którym podgrzewa się ono podczas zimy, a latem chłodzi.

Budynki pasywne charakteryzują się bardzo niskim współczynnikiem zapotrzebowania na ciepło i moc grzewczą. Pozwala to na rezygnację z konwencjonalnych systemów grzewczych; ich rolę przejmuje instalacja wentylacyjna. Nawiewane powietrze jest w tym przypadku nośnikiem ciepła i można je podgrzać maks. do 52°C. Wyższa temperatura powoduje przypiekanie kurzu na powierzchni nagrzewnicy. Strumień powietrza wentylacyjnego dla typowego budynku pasywnego wynosi średnio 1 m³/h na 1 m² powierzchni użytkowej. Ilość ta, z jednej strony pozwala na spełnienie warunków higienicznych, z drugiej zaś nie prowadzi do nadmiernego spadku wilgotności wewnątrz budynku.

Na podstawie maksymalnej temperatury powietrza oraz jego strumienia można obliczyć maksymalną moc grzewczą instalacji wentylacyjnej. Wartość ta wynosi 10 W na 1 m² powierzchni użytkowej i jest przyjmowana jako jedno z najważniejszych kryteriów, które musi być spełnione przez budynek pasywny. Osiągnięcie takiego standardu energetycznego umożliwia rezygnację z tradycyjnej instalacji grzewczej. Zastosowanie za centralą wentylacyjną nagrzewnicy powietrza o mocy 1,5÷2 kW pozwala na ogrzanie domu o powierzchni użytkowej 150÷200 m².

Często spotykanym rozwiązaniem są również tzw. urządzenia kompaktowe, które pełnią jednocześnie rolę centrali wentylacyjnej, systemu grzewczego oraz odpowiadają za przygotowanie ciepłej wody użytkowej. Sercem urządzenia jest niewielka sprężarkowa pompa ciepła wykorzystująca, jako dolne źródło ciepła, powietrze usuwane z budynku oraz powietrze zewnętrzne. Moc grzewcza pompy wynosi ok. 1,5 kW, co wystarcza do przygotowania c.w.u. oraz ogrzania powietrza wentylacyjnego.

Centrala wentylacyjna z odzyskiem ciepła

Głównym elementem instalacji wentylacyjnej budynku pasywnego jest nawiewno-wywiewna centrala wentylacyjna z odzyskiem ciepła. Brak odzysku spowodowałby, że strata ciepła na wentylację wyniosłaby 20÷30 kWh/(m²a), czyli więcej niż całkowite zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku. Nowoczesne centrale pozwalają na odzyskanie 65÷95% ciepła z usuwanego powietrza. Zapewniają jednocześnie szczelne oddzielenie strumienia powietrza usuwanego od nawiewanego, zużywają niewiele energii elektrycznej, a ich cechą charakterystyczną jest cicha praca.

Wysoka efektywność wymiennika pozwala równocześnie na ogrzanie powietrza nawiewanego do temperatury zbliżonej do wartości temperatury powietrza wewnętrznego. Dzięki temu nawiewane powietrze nie jest już „zimne”. Razem z wysoką izolacyjnością przegród zewnętrznych i okien zapewnia to użytkownikom budynku wysoki komfort cieplny.

Stosowane w budynkach pasywnych centrale wentylacyjne powinny charakteryzować się sprawnością odzysku ciepła: η > 80% i niskim poborem mocy elektrycznej. Pozostałe parametry techniczne, takie jak: wymagany spręż dyspozycyjny oraz wydatek określa się na podstawie punktu pracy instalacji. Oblicza się go, przyjmując maksymalną ilość powietrza wentylacyjnego (Vn [m3/h]) oraz obliczeniowe całkowite straty ciśnienia (Dpc [Pa]). Całkowita strata ciśnienia dla instalacji nawiewnej powinna być równa stracie instalacji wywiewnej przy uwzględnieniu strat w gruntowym wymienniku ciepła. Ze względu na ewentualne nieszczelności układu oraz niedokładność oszacowania strat ciśnienia zaleca się podwyższenie obu wielkości przeciętnie o 5÷10%. Uzyskany punkt pracy przenosi się na wykres charakterystyk pracy wymiennika, co pozwala na wyznaczenie wymaganej prędkości obrotowej wentylatorów (ω [1/s]) i poboru mocy elektrycznej (N [kW]). 

Gruntowy wymiennik ciepła

Jednym z elementów instalacji wentylacyjnej budynku pasywnego jest gruntowy wymiennik ciepła. Świeże powietrze dopływające do pomieszczeń jest w nim wstępnie podgrzewane w zimie, a latem chłodzone. Ze względu na akumulację ciepła w otaczającym gruncie, wymiana ciepła w wymienniku gruntowym ma charakter nieustalony. Dodatkowym zadaniem, przy obliczaniu wymienników gruntowych, jest właściwe ujęcie trójwymiarowej wymiany ciepła w gruncie.

W literaturze opisywanych jest kilka modeli fizycznych wymiennika gruntowego. Większość autorów rozważa jednowymiarowy przepływ ciepła: albo w kierunku promieniowym od powierzchni rury, albo w kierunku prostopadłym do powierzchni Ziemi.

Poniżej do obliczeń powierzchni wymiennika gruntowego zaadoptowano metodę IGSHPA (The International Ground Source Heat Pump Association Method) doboru wymienników gruntowych współpracujących z pompami ciepła [1]. Długość wymiennika gruntowego można obliczyć, korzystając ze wzoru:

gdzie:

Q_W – wymagana moc wymiennika [W],

R_P – opór przenikania ciepła przez ściankę rury wymiennika [m·K/W],

R_G – opór cieplny gruntu [m·K/W],

F_H – współczynnik cykliczności pracy wymiennika,

ΔT_ln – średnia logarytmiczna różnica temperatur [K].

Wymaganą moc gruntowego wymiennika ciepła oblicza się z równania:

gdzie:

V_n – ilość nawiewanego powietrza wentylacyjnego [m³/h],

ρ – gęstość powietrza (dla t_śr = (t1 + te)/2) [kg/m³].

c_p – ciepło właściwe powietrza (dla t_śr) [kJ/kg · K],

t₁ – temp. powietrza za wymiennikiem gruntowym [°C],

t_e – obliczeniowa temp. powierza zewnętrznego [°C].

Zakłada się, że temperatura powietrza za wymiennikiem gruntowym t₁ powinna mieć wartość ≥ 0°C. Warunek ten chroni rekuperator przed szronieniem powierzchni wymiennika krzyżowego, zapewniając efektywną pracę. Dlatego, do obliczeń wymaganej mocy wymiennika gruntowego należy przyjmować t1 ≥ 0°C. Przyjęcie większej wartości spowoduje wydłużenie długości wymiennika i doprowadzi do wzrostu kosztów inwestycyjnych.

Opór cieplny przenikania ciepła przez ściankę rury wymiennika jest sumą oporu cieplnego przejmowania ciepła od wewnętrznej ścianki do powietrza i oporu przewodzenia ciepła przez ściankę rury wymiennika:

Opór przejmowania ciepła od wewnętrznej ścianki oblicza się, korzystając ze wzoru:

gdzie:

dw – średnica wewnętrzna rury wymiennika [m],

αi – współczynnik przejmowania ciepła dla powietrza od strony wewnętrznej ścianki wymiennika [W/m²K].

Współczynnik przejmowania ciepła αi wyznacza się na podstawie teorii wymiany ciepła w przewodach przy przepływie wymuszonym. Decydujący wpływ na wartość współczynnika ma rodzaj ruchu, który zależy od średnicy wewnętrznej i prędkości przepływającego powietrza. Prędkość przepływu powinna być na tyle duża, by wywołać ruch turbulentny intensyfikujący wymianę ciepła i zmniejszający opór przejmowania. Jednocześnie nadmierne zwiększenie prędkości może doprowadzić do znacznego wzrostu całkowitej straty ciśnienia w wymienniku i spowodować konieczność dobrania centrali wentylacyjnej o większej mocy.

Opór przewodzenia ciepła przez ściankę wymiennika można obliczyć ze wzoru:

gdzie:

λsc – współczynnik przewodzenia ciepła ścianki rury wymiennika [W/mK],

dz – średnica zewnętrzna rury wymiennika [m].

Opór przejmowania ciepła dla gruntu wyznacza się ze wzoru:

gdzie:

λgr – współczynnik przewodzenia ciepła gruntu [W/m·K],

I(Xdz) – wartość funkcji dla X = dz,

I(X2H) – wartość funkcji dla X = 2H, gdzie

H – odległości osi wymiennika od powierzchni gruntu [m].

Wartość funkcji I(X) oblicza się na podstawie:

• dla 0 < X ≤ 1 – wzór (7)*)
• dla 1 ≤ X < ∞

Współczynnik cykliczności pracy gruntowego wymiennika ciepła oblicza się, korzystając z równania:

gdzie:

t – całkowity czas pracy wymiennika dla najzimniejszego miesiąca (lub najcieplejszego dla lata) [h],

n – liczba dni w tym miesiącu.

Wartość średniej logarytmicznej różnicy temperatur pomiędzy powietrzem płynącym w wymienniku a otaczającym go gruntem można wyznaczyć ze wzoru:

gdzie:

tg1 – temp. gruntu otaczającego początek wymiennika [°C],

tg1 – temp. gruntu otaczającego koniec wymiennika [°C].

Przygotowanie powietrza wentylacyjnego

Zadaniem mechanicznej wentylacji nawiewno wywiewnej z odzyskiem ciepła jest doprowadzenie powietrza zewnętrznego do pomieszczeń mieszkalnych i usunięcie zużytego powietrza wewnętrznego. W procesie tym musi być jak największe ograniczenie strat ciepła, a także wykluczone jest bezpośrednie nawiewanie świeżego, zimnego powietrza. Proces przygotowania powietrza wentylacyjnego ma na celu jego ogrzanie i/lub stabilizację jego wilgotności.

W omawianej instalacji podgrzewanie powietrza nawiewanego jest dwuetapowe. Składa się ze wstępnego ogrzania w wymienniku gruntowym i właściwego w wymienniku krzyżowym. Proces ten przebiega przy stałej wilgotności bezwzględnej powietrza nawiewanego. Ochładzanie powietrza wywiewanego może powodować wykroplenie zawartej w nim pary wodnej. W przypadku wykroplenia, obok ciepła jawnego powietrza wywiewanego, odzyskiwane jest również ciepło utajone zawarte w parze wodnej. Przy czym oba strumienie powietrza są od siebie szczelnie oddzielone, a powstające skropliny nie powodują zwiększenia wilgotności względnej powietrza nawiewanego. W wymienniku krzyżowym zachodzi proces wymiany energii bez wymiany masy.

W celu przedstawienia procesów towarzyszących przygotowaniu powietrza wentylacyjnego na wykresie i–x Mollliera konieczne jest określenie parametrów jego punktów charakterystycznych. Temperaturę powietrza nawiewanego za rekuperatorem można obliczyć, wykorzystując wzór na sprawność temperaturową odzysku ciepła:

gdzie:

η – sprawność temperaturowa odzysku ciepła [%],

t₁ – temp. powietrza nawiewanego przed rekuperatorem [°C],

t₂ – temp. powietrza nawiewanego za rekuperatorem [°C],

t₃ – temp. powietrza wywiewanego przed rekuperatorem [°C].

Entalpię powietrza usuwanego za rekuperatorem można obliczyć z bilansu energetycznego wymiennika:

gdzie:

i₁ – entalpia powietrza nawiewanego za wymiennikiem gruntowym [kJ/kg],

i₂ – entalpia powietrza nawiewanego za rekuperatorem [kJ/kg],

i₃ – entalpia powietrza usuwanego przed rekuperatorem [kJ/kg],

i₄ – entalpia powietrza usuwanego za rekuperatorem [kJ/kg].

Całkowita sprawność odzysku ciepła jest to część ciepła odzyskana w wymienniku, w stosunku do ilości ciepła, którą można odzyskać teoretycznie.

W przypadku, gdy temperatura powietrza nawiewanego za wymiennikiem gruntowym jest niższa od temperatury punktu rosy powietrza usuwanego z budynku, na powierzchniach wymiennika krzyżowego dochodzi do wykroplenia pary wodnej. Wilgoć ta w zetknięciu z powietrzem, którego temperatura jest niższa od zera, powoduje szronienie rekuperatora. Jest to zjawisko niekorzystne, wpływające na spadek sprawności odzysku ciepła i wzrost oporów przepływu przez wymiennik krzyżowy. Zastosowanie wstępnego podgrzania nawiewanego powietrza zewnętrznego w wymienniku gruntowym zapobiega szronieniu rekuperatora. Dzięki temu nawet dla warunków obliczeniowych temperatura powietrza przed wymiennikiem rekuperatora nie spada poniżej zera.

Wykorzystanie w instalacji wentylacyjnej gruntowego wymiennika ciepła pozwala nie tylko na ogrzanie powietrza wentylacyjnego w zimie, ale również na jego schłodzenie w okresie lata. Jest to efekt zbliżony do uzyskiwanego w instalacjach klimatyzacyjnych. Powietrze nawiewane może być schłodzone w gruntowym wymienniku ciepła nawet o 15 K. Procesowi temu może towarzyszyć wykroplenie się zawartej w powietrzu nawiewanym pary wodnej, czego konsekwencją będzie zmiana wilgotności bezwzględnej powietrza wentylacyjnego.

Powstające skropliny muszą być odprowadzane z wymiennika, gdyż obecność wody może sprzyjać rozwojowi mikroorganizmów i pogorszeniu jakości powietrza nawiewanego. Aby umożliwić swobodny spływ skroplin, gruntowy wymiennik ciepła musi być ułożony ze spadkiem oraz wyposażony w studzienkę umożliwiającą ich odprowadzanie.

Eksploatacja wentylacji nawiewno-wywiewnej

Wykorzystanie możliwości mechanicznej wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła i wstępnym podgrzaniem powietrza zewnętrznego w wymienniku gruntowym jest uwarunkowane prawidłową eksploatacją. Niewłaściwe użytkowanie może doprowadzić do zmniejszenia oszczędności energetycznych, a nawet spowodować zwiększenie zapotrzebowania na energię elektryczną oraz skrócenie żywotności jej poszczególnych elementów. Aby do tego nie dopuścić, należy uzależnić sposób użytkowania instalacji od temperatury powietrza zewnętrznego, która decyduje o sposobie eksploatacji układu wymiennik krzyżowy – wymiennik gruntowy.

Na podstawie przedstawionego na rys. 5. przykładowego wykresu eksploatacyjnego mechanicznej wentylacji nawiewno-wywiewna z odzyskiem ciepła i wstępnym podgrzaniem powietrza zewnętrznego w wymienniku gruntowym, można wyróżnić następujące okresy eksploatacyjne:

• t_e poniżej 8°C – powietrze zewnętrzne przepływając przez wymiennik gruntowy podgrzewa się, a następnie w wymienniku krzyżowym odbiera ciepło od powietrza usuwanego; temperatura powietrza nawiewanego do pomieszczeń jest niższa od temperatury wewnętrznej; eksploatowane są oba urządzenia (wymiennik gruntowy i wymiennik krzyżowy),
• t_e ∈ (8; 20)°C – wymiennik gruntowy nie jest eksploatowany; powietrze zewnętrzne dopływa bezpośrednio do centrali wentylacyjnej, gdzie odbiera ciepło od powietrza usuwanego w wymienniku krzyżowym; temperatura powietrza nawiewanego do pomieszczeń jest nieznacznie niższa od temperatury wewnętrznej,
• t_e ∈ (20; 24)°C – wymiennik gruntowy nie jest eksploatowany; od temp. 20°C wymiennik krzyżowy pracuje w ustawieniu letnim; powietrze nawiewne do pomieszczeń ma temperaturę powietrza zewnętrznego,
• t_e od 24°C – powietrze zewnętrzne przepływa przez wymiennik gruntowy, gdzie się ochładza; następnie dociera do pomieszczeń mijając wymiennik krzyżowy; temperatura powietrza nawiewanego jest niższa od temperatury powietrza zewnętrznego; instalacja wentylacyjna pełni rolę „taniej klimatyzacji”.

Oszacowanie efektów energetycznych

Maksymalna ilość ciepła uzyskana z gruntu w okresie lata jest możliwa do oszacowania na podstawie następującego wzoru:

gdzie:

V_n – ilość nawiewanego powietrza wentylacyjnego [m³/h],

r – gęstość powietrza wentylacyjnego [kg/m³],

h_g – liczba entalpiogodzin określana zależnie od okresu eksploatacji [kJ · h/kg].

Liczbę entalpiogodzin w przypadku szacowania maksymalnej ilości ciepła i chłodu uzyskanego z gruntu można obliczyć, korzystając ze wzoru:

gdzie:

i₁ – entalpia powietrza za gruntowym wymiennikiem ciepła [kJ/kg],

i_e – entalpia powietrza zewnętrznego [kJ/kg],

z – częstość występowania danej entalpii powietrza zewnętrznego [h].

Liczbę stopniodni w przypadku szacowania ilości ciepła odzyskanego w rekuperatorze oblicza się ze wzoru:

gdzie:

i2 – entalpia powietrza za rekuperatorem [kJ/kg].

W przypadku temperatury zewnętrznej większej od temperatury gruntu należy przyjąć i1 = ie.

Oszacowania energii możliwej do uzyskania z gruntu i odzyskania w wymienniku rekuperatora niezbędne są godzinowe dane pogodowe. Niestety, w Polsce brak jest odpowiednich norm dla wentylacji zawierających wartości entalpiogodzin dla poszczególnych stref klimatycznych kraju. Fakt ten powoduje konieczność każdorazowego opracowania takich danych na potrzeby wykonywanych obliczeń.

Podsumowanie

Projektowanie i wykonywanie instalacji wentylacyjnych w budynkach pasywnych jest zadaniem zbliżonym do projektowania instalacji standardowych. Jedyne różnice wynikają z dążenia do maksymalnego ograniczenia strat ciepła i kosztów eksploatacyjnych. Dlatego w polskich warunkach klimatycznych należy uznać za uzasadnione stosowanie w budynkach pasywnych systemów wentylacyjnych współpracujących z gruntowymi wymiennikami ciepła.

Wymienniki te, ze względu na prostą konstrukcję i istniejące wytyczne projektowe, nie stanowią problemu pod względem wykonawczym. Prowadzone badania wykazują, że ilość uzyskiwanego z gruntu ciepła jest czasem większa od wartości szacunkowych.

Literatura

1. Bose J. E., Parker J. D., McQuiston F. C., Design/data manual for closed-loop ground-coupled heat pump systems, ASHRAE, Atlanta 1985.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!