Projektowanie instalacji HVAC to proces wymagający nie tylko zapewnienia odpowiedniej ilości powietrza, ciepła i chłodu, ale też połączenia instalacji i budynku w jednolity, spójny system, zapewniający komfort i niskie zużycie energii. Projektant musi zaprojektować czasem niezwykle skomplikowane maszynownie wentylacyjne, współpracujące z różnymi źródłami ciepła i chłodu wykorzystującymi energię ze źródeł odnawialnych. Aby wszystko działało sprawnie i wydajnie, a przede wszystkim oszczędnie, musi być regulowane za pomocą odpowiedniego systemu automatyki. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy dokładnie znana jest specyfika danego budynku oraz przeznaczenie poszczególnych pomieszczeń w nim się znajdujących. 

Projektant musi znać m.in. liczbę osób, które będą korzystać z danej przestrzeni, rodzaj wykonywanej przez nich pracy oraz urządzenia, jakie będą używane. Jest to potrzebne nie tylko ze względu na podstawowe obliczenia zysków ciepła, ale także do szukania oszczędności w zużyciu energii i jak największego wykorzystania energii odnawialnej.

Wentylacja DCV

Jedną z technologii pozwalających osiągnąć te cele jest Demand Controlled Ventilation, czyli tzw. wentylacja na żądanie. Polega ona na dostosowywaniu parametrów powietrza, głównie strumienia, do aktualnych warunków w pomieszczeniu. Charakteryzuje przede wszystkim systemy wentylacji o zmiennym przepływie powietrza, tzn. VAV, i najczęściej wykorzystuje czujniki ruchu lub stężenia CO₂. Wentylacja na żądanie najlepiej sprawdza się w pomieszczeniach o dużym zróżnicowaniu przebywania osób w ciągu doby, np. w salach konferencyjnych. Czujniki CO2 służą tu jako miernik liczby osób na danej przestrzeni i komunikują się z regulatorem powietrza zamontowanym na kanale. W ten sposób dostosowuje się ilość powietrza do aktualnego zapotrzebowania. 

Pomieszczenia takie, jak sale konferencyjne w biurowcach czy poczekalnie w obiektach służby zdrowia, mogą być projektowane na bardzo różną liczbę osób. Przykładowo dla 18 osób przy założeniu minimalnej ilości powietrza higienicznego, tj. 30 m³/h, należałoby przyjąć 540 m³/h na jedno pomieszczenie – to bardzo dużo. Biorąc pod uwagę, że czasem inwestor z przyzwyczajenia i dla własnej wygody udostępnia przewymiarowane założenia, np. zawyżoną liczbę użytkowników, w pomieszczeniu, zamiast 18 będzie najczęściej przebywać osób 6 czy 7. Stosuje się wtedy regulatory VAV wspierane przez czujniki CO₂, można także przyjąć współczynnik jednoczesności przebywania ludzi.

Detektory dwutlenku węgla

Zastosowanie wentylacji sterowanej przez czujniki CO2 pozwala uzyskać nie tylko oszczędności eksploatacyjne, ale także, a może przede wszystkim, zapewnić dobrą jakość powietrza wewnętrznego. Wprawdzie dwutlenek węgla nie jest uznawany za substancję trującą, jednak jego wysokie stężenie w pomieszczeniu utrudnia skupienie się i powoduje uczucie zmęczenia i senności. 

Typowe stężenie CO₂ w powietrzu zewnętrznym wynosi ok. 350–450 ppm. Poziom maksymalny zalecany przez standard ASHRAE 62-1989 to 1000 ppm. Jest to także maksymalne dopuszczalne stężenie CO2 w Szwecji, Japonii i Kanadzie [1]. W pomieszczeniach biurowych zaleca się, aby poziom dwutlenku węgla nie przekraczał 800 ppm. W Polsce rozporządzenie w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy stanowi, że najwyższe dopuszczalne stężenie (NDS) wynosi dla CO₂ 5000 ppm. Jest to wartość średnia ważona stężenia, którego oddziaływanie na pracownika w ciągu ośmiogodzinnego czasu pracy nie powinno spowodować ujemnych zmian w jego stanie zdrowia oraz stanie zdrowia jego przyszłych pokoleń. Długotrwałe przebywanie w pomieszczeniu o takiej zawartości dwutlenku węgla w powietrzu spowoduje uczucie ogólnego zmęczenia, dyskomfortu i podenerwowania, może nawet wywoływać uczucie załamania. 

Rozporządzenie określa też NDSCh, czyli najwyższe dopuszczalne stężenie chwilowe, które wynosi 15 000 ppm. Stężenie to nie powinno spowodować ujemnych zmian w stanie zdrowia pracownika, jeżeli występuje w środowisku pracy nie dłużej niż 15 minut i nie częściej niż dwa razy w czasie zmiany roboczej, w odstępie nie krótszym niż godzina.

Przy projektowaniu biur zwraca się uwagę na zapewnienie odpowiedniej jakości powietrza, ponieważ wpływa ona na wydajność pracowników. W budynkach użyteczności publicznej, szczególnie w szkołach, wciąż za mało dokłada się starań, by zadbać o właściwe parametry powietrza, w tym stężenie CO₂. Dzieci łatwo się dekoncentrują, kiedy w klasie jest duszno. Skutecznym rozwiązaniem jest zastosowanie czujników, które informują o poziomie dwutlenku węgla i umożliwiają utrzymanie świeżego powietrza na wymaganym poziomie. Kontrolery stężenia CO₂ przeznaczone są do selektywnego pomiaru stężenia tego gazu w zakresie do 2000 lub 3000 ppm. Pozwalają także ograniczyć koszty podgrzania i ochłodzenia powietrza ze względu na dostosowanie strumienia powietrza do faktycznego zapotrzebowania.

Regulatory VAV

Regulatory VAV stanowią jeden z podstawowych elementów składowych instalacji wentylacji o zmiennym przepływie powietrza. Aby pracowały efektywnie, musi zostać zapewniona większa prędkość powietrza na kanale niż standardowe 3–4 m/s. Jednak obecnie dostępne są także takie modele regulatorów, które działają nawet przy prędkości powietrza 0,6 m/s. Zaleca się jednak przyjmowanie do doboru regulatora ok. 6 m/s, tak aby mógł on lepiej i dokładniej regulować przepływ powietrza. Zasada działania regulatora wykorzystuje kryzę lub zwężkę pomiarową z otworami umieszczonymi po stronie napływu i wypływu powietrza pomiędzy przepustnicą. Zmierzoną wartość różnicy ciśnienia pomiędzy napływem a wypływem przetwornik zmienia w sygnał sterujący i wysyła do regulatora, który porównuje to z wartością zadaną wynikającą z krzywej regulacji. W przypadku jakiegokolwiek odchylenia generowany jest sygnał sterujący do siłownika przepustnicy, która reguluje ilość przepływającego powietrza. 

Dostępne na rynku regulatory VAV mają możliwość regulacji strumienia powietrza w zakresie od 10 do 100%. Nie stosuje się ich jednak do instalacji o małych przepływach powietrza. Jest to nieopłacalne, a ich działanie byłoby nieefektywne ze względu na niedokładny pomiar. Ponieważ regulatory pracują przy nieco wyższych prędkościach powietrza niż standardowo zalecane w kanale, dodatkowo muszą być doposażone w tłumiki montowane po stronie pomieszczenia, zarówno na nawiewie, jak i wywiewie z instalacji. Zalecane jest stosowanie jak największych odcinków prostych za i przed regulatorem ze względu na zakłócenia pomiarowe, jakie mógłby wywołać ruch turbulentny. 

Regulatory VAV są stosowane przede wszystkim, by oszczędnie dostosować parametry powietrza do poszczególnych pomieszczeń, a także przy nierównomiernym rozłożeniu obciążeń szczytowych w budynku – czyli gdy jedno pomieszczenie jest zupełnie puste, a inne zapełnione w całości. Stosuje się je także w miejscach, gdzie konieczne jest utrzymanie stałej różnicy ciśnienia pomiędzy sąsiadującymi pomieszczeniami. Przykładem mogą być obiekty służby zdrowia i np. sale zabiegowe czy operacyjne. Sterowanie takim regulatorem odbywa się z nastawą ciągłą, czyli zależną od sygnału sterującego 0...10 V lub 2…10 V. Takim regulatorom można także narzucić nastawę, by pełniły funkcję nawiewu ze stałym strumieniem powietrza. To jedno z kilku możliwych położeń przepustnicy: zamknięta, otwarta, V_min, V_max lub V_śr będące wartością strumienia powietrza z przedziału minimum i maksimum. Jest to przydatne, gdy chcemy utrzymywać stały strumień powietrza niezależnie od wahań ciśnienia. 

Oszczędności, jakie można uzyskać, stosując regulację stałociśnieniową, szacuje się na ok. 15% przy zyskach ciepła od ludzi, a 40% przy zyskach od słońca. W systemach o regulowanym ciśnieniu, czyli VAV, oszczędności te są większe i sięgają 40% dla zysków od ludzi oraz niemal 90% dla słonecznych [2]. Należy zatem pamiętać, że możliwość uzyskania oszczędności jest ściśle związana ze zmiennymi zyskami występującymi w danym obiekcie.

Energooszczędne rozwiązania dla procesów w centrali

Przy projektowaniu instalacji wentylacji jednym z podstawowych zagadnień jest dobór odpowiednich parametrów powietrza wewnętrznego i zewnętrznego. Jest to niełatwe szczególnie dla lata ze względu na dużą różnorodność, jaką charakteryzuje się wakacyjna aura. Przyjmując do doboru centrali wentylacyjnej warunki zewnętrzne 30°C i 50% wilgotności, nie bierzemy pod uwagę najbardziej niekorzystnego wariantu, czyli powietrza przed burzą, o dużej zawartości wilgoci. Najwięcej energii zużywa się wówczas na ochłodzenie i przede wszystkim osuszenie takiego powietrza. Nie uwzględnia się tego jednak w obliczeniach, ponieważ przypadki takie są sporadyczne i wpływają na komfort osób przebywających w pomieszczeniach przez krótki czas. Nie ma powodu, aby dla parametrów występujących klika razy w miesiącu letnim dobierać cały układ chłodniczy, gdyż będzie on później nieefektywny podczas eksploatacji. 

Jeśli chodzi o parametry wewnętrzne, najczęściej są one dobierane ze względu na przeznaczenie pomieszczeń. Dla ich grupy ustala się jedną temperaturę i wilgotność, a parametry te mają zostać osiągnięte dzięki procesom odbywającym się w centrali wentylacyjnej. Jest to podejście jak najbardziej prawidłowe, nie uwzględnia jednak zysków ciepła, które mogą być bardzo różne w ciągu doby. Dlatego warto uzależnić temperaturę nawiewanego powietrza od warunków panujących w pomieszczeniu i wedle indywidualnej charakterystyki ustawiać zadaną wartość powietrza nawiewanego. Znając profil kształtowania się zysków ciepła w ciągu doby, można w miarę łatwo regulować pracę centrali. Ważne, aby układ automatyki miał możliwość zamontowania czujnika temperatury i wilgoci na kanale wywiewnym, bo do tych wartości system sterowania będzie odnosił nastawioną temperaturę nawiewu [2]. 

Pamiętać jednak należy, że takie rozwiązanie jest odpowiednie tylko w systemach wentylacyjnych, w których wszystkie pomieszczenia mają zbliżone wartości zysków ciepła w ciągu doby. Nowoczesne budownictwo to obecnie rozległe i wysokie biurowce, najczęściej w całości oszklone, i pomieszczenia o podobnym przeznaczeniu mogą mieć różne zyski od słońca. Ustawienie jednej temperatury powietrza nawiewanego dla całego budynku czy piętra może powodować brak komfortu w niektórych pomieszczeniach. 

Rozwiązaniem, jakie można tu zastosować, jest centrala wentylacyjna z wymiennikiem ciepła o wysokiej sprawności, która zapewnia jedynie minimalne parametry komfortu, oraz zamontowane w pomieszczeniach jednostki wewnętrzne, które w zależności od zapotrzebowania będą odbierać zyski ciepła lub ogrzewać. Przykładowo zastosować można centralę z obrotowym wymiennikiem ciepła, gdyż umożliwia on odzysk ciepła oraz wilgoci i osiąga przy tym wysoką sprawność. Dodatkowo centrala taka może być wyposażona w pompę ciepła, która latem schłodzi powietrze za wymiennikiem, a zimą ogrzeje. Dzięki temu chłodnica i nagrzewnica kanałowa mogą mieć mniejsze moce, a w niektórych przypadkach można z nich nawet zrezygnować. Przykładowo dla centrali o wydatku 9000 m³/h w trybie grzania, przy temperaturze przed pompą ciepła –5°C, uzyskana moc grzewcza całej pompy wynosi ok. 100 kW, zakładając temperaturę nawiewanego powietrza na poziomie 23°C. Zużycie prądu przez sprężarkę wynosi ok. 6 kW. Centrale takie bardzo dobrze sprawdzają się w przypadku dużych systemów, gdzie wydatek powietrza przekracza 5000 m³/h. W innych systemach też montuje się pompy ciepła, ale przynoszą one mniejsze korzyści energetyczne. Projektując system oparty na takiej centrali oraz dodatkowych jednostkach w pomieszczeniach, można ustawić wartość temperatury nawiewu na 18°C, a jako element końcowy instalacji zamontować belki chłodzące. 

Obecnie na rynku dostępne są już rozwiązania hybrydowe, które łączą dużą efektywność odbioru zysków z cichą pracą. To tzw. belki hybrydowe, które wyposażone są w wentylator i mogą pracować na trzech biegach. Są przy tym ciche i dobrze sprawdzają się w biurach. Rozwiązanie to pozwala nie tylko oszczędzić energię na obróbkę powietrza w centrali, ale także zapewnić komfort w pomieszczeniach i to dla każdego indywidualnie. Dodatkowo belki mogą być sterowane przez czujniki ruchu czy CO2, tak aby załączały się wtedy, gdy ktoś przebywa w pomieszczeniu. Należy zadbać o to, by utrzymać temperaturę powietrza w zakresie dopuszczalnym przy minimalnych kosztach eksploatacji [2]. Oznacza to utrzymanie górnej granicy temperatury powietrza z dopuszczalnego zakresu w przypadku chłodzenia, a przy ogrzewaniu – dolnej. 

Dodatkowe możliwości ograniczenia zużycia energii

Poszukując oszczędności, należy brać pod uwagę nawet najdrobniejsze szczegóły, bo dzięki uwzględnieniu wszystkich możliwości można uzyskać spore efekty energetyczne. Jednym z przykładów jest zintegrowanie instalacji wentylacji i ogrzewania. Sterując temperaturą w pomieszczeniu, należy zdecydować na przykład, która instalacja powinna zareagować jako pierwsza, jeśli zimą będzie za ciepło i konieczne będzie obniżenie temperatury. Ze względu na szybkość reakcji, a tym samym jakość regulacji, najpierw należy obniżyć temperaturę nawiewu, a następnie zmniejszyć temperaturę ogrzewania grzejnikowego. Kolejnym sposobem na oszczędność jest chłodzenie nocne latem. Instalacja wentylacji działa wtedy na pełnym strumieniu świeżego powietrza i nawiewa powietrze o parametrach równych tym panującym na zewnątrz. Innym sposobem jest otwieranie okien na całą noc. Zyski ciepła powstałe w trakcie funkcjonowania budynku w ciągu dnia akumulują się w jego konstrukcji i uwalniają w nocy przez kilka godzin. Oszczędnym sposobem na ich odebranie jest właśnie nocne wietrzenie. Z kolei w okresie zimowym poza godzinami pracy obiektu należy zapewnić jedynie minimalną temperaturę powietrza, która nie będzie powodować wykroplenia wilgoci [2]. Jednocześnie wartość ta nie powinna być zbyt niska, tak aby szybko można było osiągnąć zadaną temperaturę, gdy do obiektu dotrą jego użytkownicy. Jest to tzw. ogrzewanie dyżurne, które można przyjąć na poziomie ok. 12°C. 

Dobrze jest też wziąć pod uwagę, jak bardzo niedotrzymanie zadanych parametrów może być kosztowne dla danego obiektu, i porównać z kosztami przygotowania powietrza. Należy w tym celu określić wartość odchyłek regulacji obliczonych przez lokalne pomieszczeniowe sterowniki [2]. Okazuje się, że utrzymywanie za wszelką cenę wartości zadanej na stałym poziomie jest nieopłacalne. Lepiej pozwolić na swobodne wahania temperatury w określonym zakresie, ponieważ nie wpływa to znacząco na komfort, a zwiększa możliwości oszczędności. Metoda ta określana jest jako procedura ZEB (Zero Energy Brand) [2]. Można za jej pomocą np. obniżyć wartość zadaną temperatury nawiewu, uwzględniając przy tym zyski ciepła, dzięki którym powietrze w pomieszczeniu będzie utrzymywać się na poziomie, jaki chcemy osiągnąć. Tym samym obniżając o 1°C temperaturę nastawianą, zmniejszamy moce zamówione urządzeń bez uszczerbku na komforcie użytkowników pomieszczeń. Oszczędności zużycia energii możliwe do osiągnięcia przy zyskach ciepła 10% wynoszą również ok. 10%, a przy zyskach na poziomie 20% – 14,5%. Jeszcze większe oszczędności można uzyskać przy chłodzeniu. Zwiększenie zadanej temperatury o 1°C może dać nawet 30% oszczędności [2].

Najlepsze efekty oszczędności zużycia energii przez instalację wentylacji można osiągnąć dzięki współpracy z innymi instalacjami w budynku. Wszystko powinno być kontrolowane przez system BMS, który może na bieżąco monitorować zmiany, jakie zachodzą w obiekcie, i na nie reagować. Skutkuje to zoptymalizowaniem funkcjonowania obiektu, który należy obecnie rozpatrywać jako jeden spójny organizm. Współdziałanie poszczególnych elementów składowych, urządzeń i instalacji, jest kluczem do uzyskania oszczędności bez obniżania komfortu. 

Literatura

1. Chmielewski K., Świeże powietrze w domu, szkole i pracy, „Budownictwo i Inżynieria Środowiska” nr 2/2011.
2. Zawada B., Zasady energooszczędnego sterowania w systemach wentylacji i klimatyzacji, materiały seminaryjne Forum Wentylacja – Salon Klimatyzacja 2019, Stowarzyszenie Polska Wentylacja.
3. Zawada B., Układy sterowania w systemach wentylacji i klimatyzacji, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2006.
4. Materiały producentów czujników CO2, regulatorów VAV oraz central wentylacyjnych.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!