2. JAK POPRAWIĆ EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNĄ BUDYNKÓW

Transkrypt

1 WENTYLACJA MECHANICZNA Z ODZYSKIEM CIEPŁA JAKO PODSTAWA BUDOWNICTWA ENERGOOSZCZĘDNEGO Marta KOŚCIELSKA, Maciej ŻYRKOWSKI Opiekun: Dr hab. inż. Mariusz FILIPOWICZ W pracy omówione zostały zagadnienia związane z wentylacją mechaniczną oraz odzyskiem ciepła w kontekście budownictwa energooszczędnego. Autorzy starali się udowodnić wyższość systemów wentylacji mechanicznej nad standardową wentylacją grawitacyjną, oraz wykazać korzyści płynące z użytkowania takich systemów. W pracy przedstawiono także wyniki badań nad centralą wentylacyjną z krzyżowym wymiennikiem ciepła oraz wykonano analizę ekonomiczną takiego urządzenia. 1. BUDOWNICTWO ENERGOOSZCZĘDNE W nowoczesnym budownictwie jednym z najważniejszych parametrów jest tzw. Wskaźnik Efektywności Energetycznej. Oblicza się go w oparciu o dane dotyczące zapotrzebowania danego budynku na ciepło do ogrzewania. Im lepsze wykonanie, tym mniejsze straty ciepła a co za tym idzie wyższy Wskaźnik Efektywności Energetycznej. Popularnym sposobem porównywania klasy energochłonności budynków, jest wyrażanie rocznego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania w litrach oleju opałowego na metr kwadratowy powierzchni. Przyjmuje się, że dla budownictwa z lat zapotrzebowanie to wynosi średnio 20 [l/(m 2 rok)] a dla budownictwa z ostatniej dekady już 12 [l/(m 2 rok)]. Według tej samej nomenklatury, budynki które możemy nazywać energooszczędnymi, nisko-energetycznymi lub pasywnymi potrzebują odpowiednio 8, 4.5 oraz 1.5 [l/(m 2 rok)]. Dla porównania, roczny koszt ogrzewania gazem ziemnym (przyjmując koszt jednej kwh ciepła równy 0,15 zł) powierzchni 100m 2, dla budynku klasy 12 [l/(m 2 rok)] wyniesie 1800zł, dla budynku klasy 8 [l/(m 2 rok)] 1200zł a dla budynku o klasie 4.5 [l/(m 2 rok)] już tylko 675zł. Warto zatem inwestować w nowoczesne technologie pozwalające zmniejszyć energochłonność budynków, aby płacić mniej za ich użytkowanie. [1] 2. JAK POPRAWIĆ EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNĄ BUDYNKÓW Na rys.1. przedstawiono procentowy rozkład strat ciepła w typowym budynku z wentylacją grawitacyjną. Widoczne jest, że największe straty ciepła są udziałem ścian, okien i drzwi oraz wentylacji grawitacyjnej.

2 Drzwi 5% Inne 15% Wentylacja 35% Okna 25% Ściany zewnetrzne 20% Rys.1. Procentowy rozkład strat ciepła dla typowego budynku [2]. Z powyższego wykresu wynika, że najprostszym sposobem zmniejszenia strat ciepła będzie lepsza izolacja termiczna przegród budowlanych, oraz poprawa szczelności stolarki okiennej i drzwi. Tak też w praktyce najczęściej wykonuje się termomodernizację budowli. 3. JAK POPSUĆ WENTYLACJĘ Żeby wytłumaczyć w jaki sposób można popsuć wentylację grawitacyjną, należałoby wpierw wyjaśnić istotę jej działania. System taki opiera swoje funkcjonowanie na różnicy gęstości, którą posiada powietrze dla różnych temperatur. Powoduje to powstanie siły wyporu, która jest motorem napędowym wentylacji grawitacyjnej. W przypadku, gdy na zewnątrz temperatura jest niższa niż w pomieszczeniach, w budynku powstaje podciśnienie które zasysa świeże powietrze wszelkimi możliwymi szczelinami a także przez pory w przegrodach budowlanych. To dlatego wentylacja grawitacyjna nie spełnia swoich funkcji latem, gdy temperatury wewnątrz i na zewnątrz są do siebie zbliżone. Wykonując termomodernizację budynku izolowane są ściany oraz drzwi i okna. Często jednak pozostawiana jest wentylacja grawitacyjna. Dobra izolacja ścian i okien ogranicza niemal do zera wszelkie nieszczelności przez które mogłoby uciekać ciepło, jednak bez tych często niewidocznych dla oka nieszczelności, system wentylacji grawitacyjnej nie będzie działał prawidłowo. W konsekwencji źle działającej wentylacji, użytkownicy budynku narażeni są na niedotlenienie czy też nadmierne zawilgocenie

3 pomieszczeń. To w konsekwencji wpływa na odczuwalny spadek komfortu klimatycznego, oraz nierzadko na zdrowie mieszkańców. Niemożność odprowadzenia nadmiaru wilgoci skutkuje także wykraplaniem się wody w przegrodach budowlanych, oraz sprzyja rozwojowi grzybów i bakterii [3]. 4. WENTYLACJA MECHANICZNA Budując energooszczędne budynki należy zatem, przy dostarczaniu do pomieszczeń świeżego powietrza, skorzystać z pomocy wentylatorów. Takie rozwiązanie nazywane jest wentylacją mechaniczną, lub wymuszoną. Pozwala to na łatwą kontrolę ilości wymienianego powietrza, zastosowanie filtrów oraz odzysku ciepła. Wentylacja taka sprawnie usuwa nadmiar wilgoci, oraz zauważalnie poprawia komfort klimatyczny. Dzięki możliwości zastosowania odzysku ciepła, ulegają redukcji także straty ciepła związane z funkcjonowaniem wentylacji. Do niedogodności związanych z wentylacją mechaniczną, zaliczyć należy konieczność zasilania energią elektryczną. Problem stanowić może również hałas wydawany przez strugę powietrza przepływającego przez kanał wentylacyjny z dużą prędkością. Problem ten nie występuje gdy system wentylacyjny jest dobrze zaprojektowany. Dobranie odpowiednio dużych średnic kanałów i anemostatów, a także odpowiednia izolacja rur pozwalaną w znacznym stopniu ograniczyć przenoszenie hałasów.[4] 5. CENTRALE WENTYLACYJNE I ICH RODZAJE Centrala wentylacyjna jest sercem całego układu wentylacji mechanicznej. Zazwyczaj składa się z dwóch wentylatorów, wymiennika ciepła, filtrów oraz systemu zapobiegającego zamarzaniu skroplin. Centrale wentylacyjne różnią się między sobą rodzajem zastosowanego wymiennika. Najczęściej są to wymienniki przeponowe, w których ciepło wymienia się w procesie przewodzenia. Dla najprostszych konstrukcji przewidziano pojedynczy, krzyżowy wymiennik ciepła. Średnia sprawność takich urządzeń rzadko przekracza 70%. Do bardziej zaawansowanych rozwiązań należą podwójne wymienniki krzyżowe (połączone szeregowo), wymienniki przeciwprądowe, spiralne czy entalpiczne. Najlepsze z nich osiągają do 95% sprawności odzysku ciepła. Z mniej popularnych obecnie wymienników należy wymienić jeszcze wymienniki z płynem pośredniczącym oraz obrotowe. W tych ostatnich ciepłe i zimne powietrze na przemian wtłaczane są do specjalnej obracającej się komory, która odpowiednio akumuluje a następnie oddaje ciepło. Rozwiązanie takie pozwala na lepszy odzysk wilgoci z powietrza niż przy wymiennikach przeponowych. Rys.2 przedstawia schemat działania centrali wentylacyjnej z krzyżowym wymiennikiem ciepła. Z centralami wentylacyjnymi może współpracować tzw. Gruntowy wymiennik ciepła. Idea jego działania polega na wykorzystaniu stałej temperatury gruntu panującej poniżej granicy przemarzania (ok.1m). W zależności od typu wymiennika (rurowy, żwirowy, glikolowy) powietrze przepuszczone przez warstwę gruntu ogrzewa się a następnie podawane jest do centrali wentylacyjnej zamiast chłodniejszego powietrza bezpośrednio z zewnątrz. Zyski z takiego urządzenia szczególnie mocno widoczne są przy temperaturach ujemnych, gdzie przy dobrze zaprojektowanym wymienniku temperatura podawanego powietrza nie powinna spaść poniżej 0 C [5].

4 Rys.2 Schemat działania centrali wentylacyjnej z krzyżowym wymiennikiem ciepła 6. STANOWISKO POMIAROWE, WYNIKI BADAŃ Autorzy publikacji prowadzą badania naukowe dotyczące zagadnień związanych z wentylacją mechaniczną oraz odzyskiem ciepła. Badania są prowadzone w laboratorium wentylacji Wydziału Energetyki i Paliw Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, na średniej wielkości centrali wentylacyjnej VUT 300 MINI firmy DOMUS-VENTS o wydajności znamionowej 300m 3 /h. [6] Z pomiarów wynika, że średnia sprawność temperaturowa badanego wymiennika plasuje się na poziomie 65%, przy czym dla mniejszych wartości prędkości przepływu strugi przez instalację, przyjmuje większe wartości. W praktyce oznacza to, że przy temperaturze zewnętrznej 2 C oraz wewnętrznej 20 C, temperatura powietrza podawanego przez centralę wentylacyjna do pomieszczeń wynosiła ok.15 C. Mniej korzystnie wypadły pomiary wilgotności. W okresie zimowym, przy wilgotności względnej powietrza zewnętrznego wynoszącej ok.60%, po przejściu przez wymiennik zanotowano wilgotność ok.35%, co po dalszym dogrzaniu powietrza do temperatury pokojowej, dało wilgotność względną powietrza w pomieszczeniach na poziomie 25%. Jest to wartość zbyt niska i wymaga stosowania dodatkowych nawilżaczy w okresie zimowym. Odpowiedni poziom wilgoci w pomieszczeniach powinien zawierać się w przedziale 40-60%. Moc wentylatorów zainstalowanych w badanej centrali to łącznie 150 W. Zatem koszt rocznego użytkowania centrali, zakładając że pracuje ona cały czas z wydajnością równą połowie wydajności znamionowej (założenie takie można poczynić uwzględniając zmienność zapotrzebowania na powietrze, ze względu na liczbę osób przebywających w budynku, porę dnia i roku) nie powinien przekroczyć 300zł (przy cenach prądu na 2011 rok). Cena badanego urządzenia wynosi natomiast ok zł netto (dane na grudzień 2010 rok) [6]. Poniżej przedstawiono schemat stanowiska badawczego (rys.3.) oraz przykładowe wyniki pomiarów (rys.4. i rys.5.) prowadzonych na początku 2011 roku.

5 Rys. 3. Widok i opis stanowiska badawczego Rys. 4. Przykładowy rozkład temperatur w badanym wymienniku Exhaust Exhaust Extract Supply Fresh Wilgotność powietrza zewnętrznego Rys. 5. Przykładowy pomiar wilgotności względnej Wilgotność powietrza wewnętrznego

6 7. ANALIZA EKONOMICZNA Często budując wentylację mechaniczną montuje się same wentylatory, nie korzystając tym samym z dobrodziejstw odzysku ciepła. W tym przypadku nie ma możliwości zniwelowania wysokich strat wentylacyjnych (rys.1.). Żeby lepiej to zobrazować, przeprowadzona została analiza ekonomiczna. Założono kubaturę ogrzewanych pomieszczeń równą 300m 3, oraz brak strat ciepła z budynku do otoczenia. Masę powietrza którą należy ogrzać można wyliczyć znając jego gęstość : m = ρv = 1,2[kg/m 3 ] 300[m 3 ] = 360[kg] Ponadto założono, że temperatura wewnątrz pomieszczeń wynosi 20 C, temperatura przed wymiennikiem ciepła 5 C a za wymiennikiem 14 C (co jest zgodne z wynikami przeprowadzanych badań). W przypadku wy korzystania wymiennika ciepła należy zatem podgrzać powietrze o T 1 = 6 C a w przypadku jego braku o T 2 = 15 C. Ciepło właściwe powietrza wynosi c p = 1,006[kJ/(kgK)]. Można zatem policzyć zapotrzebowanie na ciepło w każdym z przypadków: Q 1 = mc p T 1 = 360 1,006 6 = 2172,7[kJ] = 0,6[kWh] Q 2 = mc p T 2 = 360 1, = 5432,4[kJ] = 1,5[kWh] Dalej zakładając, że sezon grzewczy trwa 4320 godzin (6miesięcy) a cena 1kWh ciepła wynosi 0,2 zł (dane na rok 2011 dla ogrzewania gazem ziemnym), można sporządzić następujący bilans kosztów: Z 1 = 0,6 0, = 518,4 zł Z 2 = 1,5 0, = 1296 zł Rys.6. Porównanie średniorocznych kosztów ogrzewania przykładowego budynku, dla systemu wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła (1) oraz bez odzysku ciepła (2).

7 8. PODSUMOWANIE Podsumowując, wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła pozwala w znacznym stopniu ograniczyć straty ciepła przez wentylację. Ponadto umożliwia budowę dobrze zaizolowanych a co za tym idzie energooszczędnych budynków, bez obawy o wystąpienie niepożądanych zjawisk związanych z nieprawidłową wentylacją pomieszczeń. Dobrze zaprojektowany system nie jest uciążliwy w użytkowaniu a także znacząco poprawia warunki komfortu klimatycznego. Istotny wpływ na sprawność odzysku ciepła ma rodzaj zastosowanego wymiennika oraz dobór jego wielkości do potrzeb określonego systemu wentylacyjnego. Niniejszym składamy podziękowanie Panu Dyrektorowi Piotrowi Słomie, Firma Domus & Vents Group Sp. z o.o. Oddział w Rybniku za nieodpłatne przekazanie stanowiska do badań. LITERATURA [1] Jerzy Żurawski: Energochłonność budynków mieszkalnych, Izolacje 2/2008, s [2] (dostęp r.) [3] : O wentylacji co i po co, wzdłuż i w poprzek! (dostęp r.) [4] Klemma Piotr [i inni]: Budownictwo ogólne-fizyka budowli-tom II. Warszawa. Wydawnictwo Arkady ISBN: [5] Rosiński Marian: Odzyskiwanie ciepła w wybranych technologiach inżynierii środowiska. Wyd. 1. Warszawa: Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej ISBN: [6] (dostęp r.) MECHANICAL VENTILATION SYSTEMS AS THE BASE OF MODERN, ENERGY EFFICIENT ARCHTECTURE. Nowadays, energy efficient architecture is much needed. It is that, because prices of common energy recourses are rapidly growing. The paper presents advantages of mechanical ventilation systems, and reasons why in modern architecture, it is a must. In the second part, authors presents an air handling unit with witch a cross flow heat exchanger researches.