we współczesnym budownictwie

Transkrypt

1 Marta KOŚCIELSKA, II rok Maciej ŻYRKOWSKI, II rok Wydział: Międzywydziałowa Szkoła Energetyki Akademia Górniczo-Hutnicza KN Caloria Energooszczędne systemy wentylacyjno-klimatyzacyjne we współczesnym budownictwie 1. Wentylacja We współczesnym budownictwie wentylacja stanowi ważny element każdego projektu. Jej głównym zadaniem jest doprowadzenie świeżego i odprowadzenie zużytego powietrza. Systemy wentylacyjne projektowane są indywidualnie do każdego budynku, ponieważ często sposób wentylacji jest zależny od przeznaczenia budynku i jego pomieszczeń, od jego wielkości a nawet lokalizacji. Sprawnie działająca wentylacja ma znaczący wpływ na nasze zdrowie i samopoczucie. Jeszcze do niedawna stosowana była głównie wentylacja grawitacyjna, obecnie jednak, coraz częściej montuje się wentylację mechaniczną. 1.1 Wentylacja grawitacyjna Wentylacja grawitacyjna działa na skutek naturalnego ruchu powietrza spowodowanego różnicą temperatury wewnątrz i na zewnątrz domu. Różnica temperatury powoduje powstanie siły wyporu, dzięki której powietrze z pomieszczeń wypływa przez pionowe kanały wentylacyjne. Na ruch powietrza ma wpływ także wiatr, który może tak pomagać jak i przeszkadzać w działaniu wentylacji. Największą zaletą wentylacji grawitacyjnej jest automatyka jego działania, największą wadą duże straty ciepła wywiewanego przez kanały wentylacyjne. W dzisiejszych czasach budynki są o wiele lepiej izolowane niż kiedyś, okna są szczelniejsze i niemal w ogóle nie przepuszczają powietrza. Z jednej strony zapobiega to stratom ciepła, z drugiej jednak ogranicza skuteczność wentylacji. Tak samo ograniczają tę skuteczność niesprzyjające warunki pogodowe. W lecie kiedy temperatura na zewnątrz jest zbliżona do temperatury wewnątrz, mechanizm przestaje działać poprawnie. Wszystko to sprawia, że obecnie wiele budynków nie ma zapewnionej wystarczającej wentylacji. Jest to bardzo groźne zjawisko, mogące powodować syndrom chorego budynku, czyli szereg dolegliwości wynikających ze zbyt małej ilości świeżego powietrza lub z jego złej 1/15

2 jakości. Dolegliwości te to m.in. senność, ogólne zmęczenie, nudności, bóle i zawroty głowy, ale także większą skłonnością do przeziębień, a nawet zaniki pamięci. Wszystko to sprawia że coraz częściej montujemy w naszych domach systemy wentylacji mechanicznejj. 1.2 Wentylacja mechaniczna Wentylacja mechaniczna charakteryzuje się wysoką skutecznością działania. W odróżnieniu od wentylacji grawitacyjnej pozwala na pełną kontrolę ilości dostarczanego do pomieszczeń powietrza. Dzięki możliwości stosowanie filtrów pozwala również na kontrolę jakości powietrza. Ponadto jej działanie nie zależy od warunków atmosferycznych. Wentylacja mechaniczna pozwala na odzysk ciepła z wyprowadzanego na zewnątrz powietrza poprzez podłączenie do systemu wentylacyjnego rekuperatora lub innego wymiennika. Podstawową wadą tego systemu jest potrzeba dostarczania energii elektrycznej, co może stanowić znaczny problem przy długotrwałych awariach sieci elektrycznej. Zalety Wady Grawitacyjna Brak konieczności dostarczania energii Prostota działania Wysokie straty ciepła Niska skuteczność Zależność od warunków atmosferycznych Mechaniczna Odzysk Ciepła Duża skuteczność niezależnie od warunków atmosferycznych Szerokie możliwości regulacji Potrzeba dostarczenia energii elektrycznej 2. Odzysk ciepła Istnieje wiele sposobów, by odzyskać ciepło tracone w procesie wentylacji. Można zastosować wymienniki obrotowe, bądź z płynem pośredniczącym, jednak najczęściej stosowany jest wymiennik krzyżowy - rekuperator. Jest to urządzenie przy użyciu którego następuje wymiana powietrza. Powietrze z wewnątrz wylatuje osobnym kanałem, oddając przy tym swoje ciepło powietrzu napływającemu z zewnątrz. Powietrze z rekuperatora jest rozprowadzane dalej przez system wentylacyjny do poszczególnych pomieszczeń. System taki pozwala na kontrolę wymiany powietrza i poprawia znacznie jego jakość dzięki możliwości montowania filtrów. Ponadto, w lecie, dzięki zastosowaniu gruntowego wymiennika ciepła możemy otrzymać funkcję chłodzenia. Do wad zaliczyć trzeba spore rozmiary samego rekuperatora a także 2/15

3 stałe koszty wynikające z niemal nieustannej pracy wentylatora. Wadą może być również konieczność dodatkowego dogrzewania powietrza wpływającego do rekuperatora, jednak w nowszych urządzeniach tego typu problem został rozwiązany. źródło: 3. Wykorzystanie ciepła zawartego w ziemi Do wspomagania systemów wentylacji mechanicznej coraz częściej wykorzystuje się ciepło zawarte w ziemi. Padające promienie słoneczne ogrzewają grunt, i tak na głębokości ok. 1,5 metra panuje niemal niezmienna temperatura co można a nawet należy wykorzystać. Jak to przedstawia załączony wykres, większe korzyści można uzyskać jeżeli w ziemi występuje wilgoć która zwiększa pojemność cieplną gruntu. źródło: 3/15

4 Ciepło to można wykorzystać poprzez tak zwane gruntowe wymienniki ciepła. Zasada ich działania jest niezwykle prosta. Polega na przepuszczeniu przeponowo lub bezprzeponowo czynnika odbierającego lub oddającego ciepło do złoża gruntowego. 4. Gruntowy wymiennik ciepła Gruntowy wymiennik ciepła, to konstrukcja pozwalająca na czerpanie energii zgromadzonej w gruncie, lub oddawanie do gruntu nadmiaru energii. System wentylacyjny bardzo dobrze współpracuje z gruntowymi wymiennikami ciepła które dodatkowo dogrzewają powietrze kierowane do rekuperatora zimą, bądź schładzają powietrze kierowane bezpośrednio do wentylacji latem. Dzięki zastosowaniu takiego rozwiązania zimą odzyskana zostaje znaczna część energii która zostaje bezpowrotnie utracona podczas tradycyjnego wietrzenia. Ponadto dzięki kontrolowanemu przepływowi powietrza można łatwo ustalić ilość świeżego powietrza dostarczanego do pomieszczeń, co nie jest możliwe w przypadku wentylacji grawitacyjnej i nieszczelnej stolarki okiennej. Natomiast latem dzięki zastosowaniu gruntowego wymiennika ciepła powietrze nawiewane jest chłodniejsze niż powietrze na zewnątrz. Otrzymamy w ten sposób wentylację z funkcją chłodzenia, co może być nieocenione w upalne dni. Lato Zima źródło: Przykładowo, jak widać na rysunku, zimą zamiast nawiewać do centrali wentylacyjnej mroźne powietrze o temperaturze -15 C, mo żna przepuścić je najpierw przez wymiennik i uzyskać temperaturę wylotową przykładowo 2 C. Latem sytuacja b ędzie odwrotna, gorące powietrze przepływając przez wymiennik ochłodzi się. W obu przypadkach korzyść jest oczywista. 4/15

5 4.1 Rurowy wymiennik ciepła Jest to pierwszy z wynalezionych wymienników i zarazem najprostszy w konstrukcji. W najprostszej wersji jest to zakopane w ziemi kilkadziesiąt metrów cienkościennej rury na końcu której znajduje się czerpnia powietrza. Większa długość zakopanej rury to większa powierzchnia wymiany cieplnej ale z drugiej strony większe opory przepływu, czyli większe koszty energii potrzebnej na przetłoczenie powietrza. Do budowy zamiast kolanek 90 powinno się stosować dwa kolanka 45, a ilość zakrętów powinna być jak najmniejsza w celu zmniejszenia oporów przepływu. źródło: źródło: Zasada działania Zasada działania rurowego wymiennika ciepła jest bardzo prosta. Powietrze przepływając przez rurę odbiera ciepło zgromadzone w gruncie. Wykorzystywane jest przy tym zjawisko przewodzenia cieplnego. Sprawność instalacji zależeć będzie od pojemności cieplnej gruntu oraz od grubości i materiału rury wymiennika. 5/15

6 4.1.2 Budowa Rurę zakopuje się na głębokości ok. 1-2 metrów. Korzystną sytuacją będzie występowanie wód gruntowych. Rura powinna posiadać nieznaczny spadek a w najniższym miejscu odprowadzenie ewentualnie wykroplonej wilgoci. Dalej powietrze podawane jest do rekuperatora. Rurowy wymiennik ciepła spełni swoją rolę jeżeli będzie dobrze zaprojektowany i precyzyjnie wykonany. Na pewno warto rozważyć jego zainstalowanie gdy na obszarze instalacji występują wysokie wody gruntowe. Najczęściej stosowane sposoby ułożenia rur wymiennika przedstawione zostały na rysunkach: źródło: Na wykresach pokazana została praca wymiennika w zimie i w lecie. Jak widać, temperatura powietrza opuszczającego wymiennik jest niemal stała przez cały sezon i nie zmienia się nawet przy długotrwałych mrozach bądź też upałach. źródło: 6/15

7 Prostym przykładem obliczenia potrzebnej długości wymiennika rurowego jest wykorzystanie programu reklamowego 'Rehau Awadukt'. Program ten może policzyć minimalną temperaturę na wylocie wymiennika dla zadanych parametrów, lub obliczy minimalną długość wymiennika przy zadanej temperaturze minimalnej. 4.2 Żwirowy wymiennik ciepła Jednym z najczęściej stosowanych gruntowych wymienników ciepła jest tak zwany żwirowiec. Jak wskazuje nazwa, idea jego działania polega na przepuszczeniu powietrza przez złoże żwiru który bardzo dobrze akumuluje ciepło. Wymienniki ten jest stosunkowo wydajny jednak złoże trzeba regenerować. W praktyce, oznacza to np. działanie przez ok. 8 godzin i tyle samo czasu na regenerację. Nie jest to jednak wielki problem przy odpowiednim rozplanowaniu czasu pracy złoża. Jeżeli możemy sobie pozwolić na dwa oddzielne złoża żwirowca, będą one mogły funkcjonowały na zmianę. Można zbudować dwa wymienniki obok siebie i zamontować mechanizm, który będzie pobierał powietrze z jednego lub drugiego złoża. W chwilach kiedy powietrze nie przepływa przez GWC, rekuperator korzysta z dodatkowej czerpni zamontowanej na ścianie budynku. źródło: 7/15

8 źródło: źródło: Watro również zaznaczyć, że stwierdzona została biologiczna czystość powietrza wychodzącego z wymiennika nawet po wielu latach korzystania ze złoża. Powietrze dostarczane do systemu wentylacyjnego jest nawilżone i nie wymaga użycia dodatkowych filtrów, które są niezbędne w wymiennikach innego typu Zasada działania Powietrze pobierane z czerpni przetłaczane jest przy pomocy wentylatora do wymiennika a następnie podziurawionymi rurami trafia do złoża gdzie przechodząc przez żwir ogrzewa się bądź też ochładza. Przy pomocy identycznych podziurawionych rur 8/15

9 powietrze jest zbierane i doprowadzane dalej do wentylacji Budowa Rury ułożone w złożu posiadają specjalne otwory przez które powietrze przedostaje się do złoża gdzie odbiera lub oddaje ciepło. Należy wspomnieć iż tego typu wymiennika nie stosujemy w przypadku występowania wysokich wód gruntowych. Na położonym złożu instaluje się system zraszający w celu utrzymania stałej wilgotności. GWC żwirowy buduje się kiedy poziom wód gruntowych jest stale niski a okoliczna gleba nie jest gliniasty czy ilasta. Jeżeli woda jest wyżej, należy podnieść całość tak żeby nie uległa zalaniu, grunt powyżej złoża wypiętrzyć, aby wierzchnia warstwa ziemi była dostateczna, a warstwę izolującą poprowadzić w sposób umożliwiający przedłużenie izoterm znajdujących się na odpowiedniej głębokości. 4.3 Płytowy wymiennik ciepła Jest to wymiennik bezprzeponowy o budowie modułowej. Umieszczany jest płytko pod powierzchnią gruntu, na podsypce z płukanego żwiru i piasku. Wymiennik ten musi być umieszczony powyżej wód gruntowych. Ponadto utrzymuje optymalną wilgotność powietrza kierowanego do wentylacji. Samodzielna budowa jest niemal niemożliwa, ponieważ firma Provent produkująca wymiennik zastrzegła sposób budowy w urzędzie patentowym. źródło: 9/15

10 4.4 Ziemny wymiennik ciepła Alternatywą dla obu zaprezentowanych wynalazków jest ziemny wymiennik ciepła. Jest to jedna z nowszych metod wykorzystania naturalnej energii. Instalacja ta najlepiej sprawdza się z sytuacji gdy wody gruntowe znajdują się płytko pod powierzchnią. Umieszczając wymiennik na poziomie wód gruntowych, można znacznie ograniczyć niezbędną powierzchnię instalacji. Możliwość budowy wymiennika na poziomie wód gruntowych, jest jego dużą zaletą. Teren podmokły nie tylko nie przeszkadza tak jak ma to miejsce np. w wymienniku żwirowym, tu jest on wręcz zaletą, dzięki której można znacznie ograniczyć koszty budowy wymiennika i jego minimalną powierzchnię Zasada działania Zasada działania tego wymiennika jest nieco inna niż wymiennika żwirowego czy rurowego. Nie ma tu bezpośredniej wymiany ciepła pomiędzy gruntem i powietrzem. Medium transportującym energię jest płyn w rurce. W warunkach zimowych w trakcie obiegu płyn odbiera energię z gruntu. Powietrze zasysane w czerpni przepływa przez wymiennik typu woda powietrze, gdzie odbierana jest energia zgromadzona w płynie. Powietrze ogrzewa się, po czym jest dostarczane do rekuperatora. Latem ciepłe powietrze przepływając przez wymiennik oddaje energię do płynu i ochładza się. Płyn w rurce odbiera energię z przepływającego powietrza po czym oddaje ją do gruntu. Wymiennik typu woda-powietrze źródło: 10/15

11 źródło: Budowa Wymiennik budowany jest w sposób zbliżony do budowy kolektora płaskiego pompy ciepła W ziemi na głębokości poniżej poziomu przemarzania gruntu zakopana jest rurka wypełniona wodą lub roztworem glikolu. Przy użyciu małej pompy płyn w rurce wprawiany jest w ruch. Sposób ułożenia rurki jest niemal dowolny, najczęściej wykorzystywane modele przedstawione zostały na schemacie. 11/15

12 4.5 Inne typy gruntowych wymienników ciepła Istnieją także inne sposoby budowania wymienników. Na obrazku pokazane zostało rozwiązanie w którym rurka z glikolem ułożona została na dnie stawu. Rozwiązanie to pozwala korzystać przez cały rok ze stałej temperatury na dnie zbiornika, która powinna wynosić ok. 4-8 st. źródło: Innym ciekawym pomysłem jest wykorzystanie studni i urządzenie w niej mechanizmu znanego z chłodni kominowych. Woda jest wypompowywana na pewną 12/15

13 wysokość i rozpylana na specjalnych sitkach. Powietrze poruszające się w przeciwprądzie odbiera ciepło od kropel. Niewątpliwą zaleta takiego rozwiązania jest bardzo duża powierzchnia wymiany ciepła pomiędzy powietrzem a kroplami wody a co za tym idzie jej wysoka skuteczność. Ponadto dzięki takiemu rozwiązaniu można uzyskać naturalny filtr antyalergiczny i nawilżacz w jednym. Jest to jednak bardzo nowatorski pomysł i wymaga on jeszcze gruntownego przetestowania. Najważniejsze pytanie dotyczyć będzie czystości powietrza wewnątrz studni. 13/15

14 4. Podsumowanie GWC rurowy GWC żwirowy Zalety Duża powierzchnia wymiany Prostota działania Niskie opory przepływu Może być wykorzystany przy wysokich wodach gruntowych Dobry kiedy nie ma wód gruntowych Duża skuteczność wymiany ciepła Zajmuje mało miejsca Wady Odprowadzenia skroplin Niezbędne dokładne wykonanie Potrzeba częstej regeneracji GWC ziemny Uniwersalny Niskie koszty rur Brak problemów z czystością złoża Straty energii w wymienniku ciecz-powietrze Podsumowując, wymienniki ciepła służą do wspomagania systemów wentylacji w budynkach. Dzięki wykorzystaniu odnawialnej energii z otoczenia można znacznie ograniczyć koszty ogrzewania. Nie ma jednak jednoznacznej recepty które z wymienionych urządzeń lepiej sprawdzi się w danych warunkach. W Polsce wciąż jest to zdecydowanie nowość i nie wszyscy w sposób profesjonalny umieją zaprojektować takie instalacje. Istotne jest aby każdy budynek i każdy projektowany wymiennik potraktować indywidualnie dobierając wielkość i parametry w zależności od kubatury budynku, ilości przebywających w nim osób oraz rodzaju gruntu w którym ma znaleźć się wymiennik. Jeśli wszystkie te parametry zostaną uwzględnione, można dobrać najlepszy wymiennik, a wtedy korzyści z pozyskanej energii będą niewymierne. Warto również pamiętać, że korzystając z takich rozwiązań technologicznych chronimy środowisko naturalne. Przedstawione wymienniki są jedynie przykładami. Każdy sposób budowy, który pozwala na wykorzystanie energii z gruntu przy niskim zużyciu energii, jest dobry. 14/15

15 5. Literatura Czasopismo Rynek Instalacyjny, numery: Marzec 2006 Marzec 2007 Grudzień 2008 Ryszard Tytko - Odnawialne Źródła Energii Strony internetowe: /15