P O L S K I E
Z R Z E S Z E N I E I N Ż Y N I E R Ó W I T E C H N I K Ó W S A N I T A R N Y C H ODDZIAŁ KATOWICE
SZKOLENIE SEMINARYJNE
POLSKIEGO ZRZESZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW SANITARNYCH
ODDZIAŁ W KATOWICACH
Wentylacja naturalna i mechaniczna warunkiem poprawnego użytkowania
obiektów kubaturowych
Prowadzący: prof. Marian B. Nantka
Katowice, 15.04.2014 r.
W entylacja warunkiem poprawnego użytkowania obiektów
Marian B. Nantka
Katedra Ogrzewnictwa, Wentylacji i Techniki Odpylania Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki
Politechnika Śląska
Współczesny człowiek 85-^90 % życia przebywa w pomieszczeniach zamkniętych, w tym znaczną część w mieszkaniach, codziennie zużywając średnio 1 kg pożywienia, 3 kg płynów i około 30 kg powietrza, a więc doprowadzenie do pożądanej wymiany powietrza w przestrzeniach zamkniętych jest potrzebą dominującą. Jest ona także niezbędna ze względu na poprawne spełnianie zadań stawianych przegrodom i technicznemu wyposażeniu budynków. Nawet gdy w budynku nie przebywają użytkownicy, jej brak może doprowadzać do rozwoju pleśni i grzybów niszczących przegrody i sprzęt.
Powietrze jest więc jednym z głównych i tak oczywistych mediów doprowadzanych do budynków, że o jego istotności rzadko się pamięta. W opracowaniu zamieszczono wybrane problemy związane z uczestnictwem wymiany powietrza w kształtowaniu użytkowanych pomieszczeń i budynków.
W ym agan ia w en tylacyjn e
Podstawowe w ym agania wentylacyjne w ynikają z zadań jak ie pow ietrze ma pełnić w budynku. Jest ono nie tylko odpowiedzialne za wymianę pow ietrza oraz jakość powietrza, ale też je st nośnikiem energii (kinetycznej, ciepła, chłodu itp.). Pom ieszczenia mieszkalne zgodnie z aktam i prawnym i zaliczane są do najwyższej kategorii (A), a stosowane materiały, urządzenia i elem enty wyposażenia wewnętrznego, nie pow inny pow odow ać nadmiernego wzrostu stężeń substancji niebezpiecznych dla zdrowia lub stanow iących zagrożenie dla budynku. Ponadto, wentylacja m a nie tylko zapewniać wymianę pow ietrza i jego czystość, ale też w spółuczestniczyć w kreacji param etrów kom fortu wewnętrznego, takich ja k temperatury, wilgotności i prędkość powietrza. Celem wentylacji jest usuwanie nadm iaru zanieczyszczeń wewnętrznych lub ich rozcieńczenie do dopuszczalnych stężeń i zastąpienie ich powietrzem zewnętrznym. Stan higieniczny powietrza i jego jakość, a głównie zawartość tych zanieczyszczeń, jest trudną do przewidzenia w ypadkow ą w pływ u różnych substancji pow stających0 S ą one usuwane na zewnątrz, a następnie wraz z zanieczyszczeniami zewnętrznymi przedostają się do budynku z powietrzem do niego infiltrującym , przy czym w stosunku do niektórych zanieczyszczeń, ja k np. grubszych frakcji pyłu obudow a budynku może mieć niewielkie zdolności filtrujące.
W pom ieszczeniach występować m ogą różne zanieczyszczenia. Do pierwszej grupy zaliczyć m ożna substancje i związki, które naw et w małych stężeniach w ykazują właściwości toksyczne lub stanow ią zagrożenie (np. tlenek węgla, radon). Ich obecność w pom ieszczeniu powinna być elim inow ana lub ograniczona do m inim um , przy czym uzyskać niekoniecznie za pom ocą wentylacji (np. regulacje dotyczące poprawnego spalania i odpowiednie zabezpieczenia, półprzepuszczalne bariery radonow e um ieszczane pod ziem ią itp.). Z punktu widzenia działania w entylacji najistotniejsza je st druga grupa zanieczyszczeń emitowanych przy użytkow aniu pom ieszczeń, a ich stężenia w powietrzu są relatyw nie niskie, ale utrzym ują stosunkowo długo. Do grupy tej zalicza się parę w odną w ydalaną przy oddychaniu i innych procesach, (mycie, suszenie odzieży itp.), dwutlenek węgla i inne zanieczyszczenia powstające w wyniku m etabolizm u ludzi i innych żywych organizm ów. Są one zarówno niewidoczne, ja k i słabo wykrywalne przez użytkowników. Trzecia grupa to zanieczyszczenia
(l) Oznacza to, że trudno jest traktować powietrze zewnętrzne jako świeże, co w wielu lokalnych przypadkach, np. terenów o silnym zanieczyszczeniu przemysłowym i komunikacyjnym, oznacza brak jego przydatności do poprawnej realizacji zadań procesu wymiany powietrza. O tzw. powietrzu świeżym mówić można jedynie w przypadku wykorzystywania wentylacji mechanicznej wyposażonej w urządzenia filtracyjne lub systemów klimatyzacyjnych z możliwością uzdatniania powietrza.
emitowane w w yniku działalności człowieka w dużym natężeniu, ale w krótkim czasie i w określonych m iejscach, które są łatwo identyfikowane (zapachy kuchenne, łazienkowe, para wodna, dym papierosow y itp.). Strumienie powietrza jak ie pow inny być usuwane z pomieszczeń m ożna obliczyć m ożna za pom ocą metod tradycyjnych lub wykorzystujących równowagę zanieczyszczeń w strefie przebywania ludzi oraz ocenianych na podstawie różnych metod w skaźnikowych [5.8]. M etody klasyczne polegają na wykorzystaniu bilansu obciążeń, którym i są substancje zanieczyszczające oraz bilanse ciepła i w ilgoci(2), a obliczanie tych strumieni pow ietrza na podstawie zysków ciepła powinno być dokonywane w okresach osiągania ich m aksym alnych wartości. Strumienie te z tytułu w ystępow ania w pomieszczeniu określonej substancji zanieczyszczającej powietrze (V c), na nadm iar ciepła jaw nego (V q) lub całkowitego oraz nadm iar zysków wilgoci (V w) wynoszą:
p V = I Q z -i V Z Q zc V W
3
c 2 - c , ’ Q CP xp(t2 - t j ’ <3 p(i2 -> ,) ’ w P(X2 - X , ) ’
gdzie: Ci je s t stężen iem danego z a n ieczy szczen ia w pow ietrzu doprow adzanym , C2 to stężen ie tego z a n iec z y szc z e n ia w pow ietrzu usuw anym , F j e s t strum ieniem z a n ieczy szczeń produkow anych w p o m ieszczen iu , cp to ciepło w ła śc iw e pow ietrza w ilg o tn e g o (1 ,0 kJ/kgK ), p to g ę sto ść p ow ietrza (k g /m 3), W je s t strum ieniem m asy w ytw orzonej w p o m ieszczen iu pary w odnej (k g /s), ti, X \ oraz z'/ to od pow iedn io tem peratury (°C ), w ilg o tn o śc i b ezw zg lęd n e (kgH2o/kgp.s) i entalpie (kJ/kg) pow ietrza d op ływ ającego do p o m ieszczen ia , a /?, Jć? oraz i2
d o ty czą tych sam ych param etrów w odniesieniu do pow ietrza z n iego w y p ływ ają ceg o.
Decydujące znaczenie dla obliczenia strumieni pow ietrza usuwanego z pom ieszczeń ma ustalenie zysków ciepła, emitowanej wilgoci i substancji zanieczyszczających. Oprócz ustalenia zysków ciepła istotne jest przyjęcie param etrów pow ietrza doprowadzanego oraz usuwanego z pom ieszczeń, a głównie jego temperatury. Jest to związane z realizowanym rozdziału pow ietrza doprowadzanego i usuwanego, co w ynika z rozm ieszczenia otworów nawiewnych i wywiewnych. Strumienie pow ietrza w entylacyjnego obliczane z powyższej zależności należy korygow ać za pom ocą w spółczynnika O, zależnego od sposobu rozprzestrzeniania się obciążeń w przestrzeni i efektywności wentylacji, czyli wewnętrznego rozdziału pow ietrza, który jest odw rotnością efektywności w entylacji (<2> = l/ś ). Korekta ta polega na pom nożeniu strumieni powietrza przez ten w spółczynnik, o wartościach zmieniających się w granicach 0,74-5,0, a wartości średnie w ynoszą 1-4-1,5 (patrz tabela 1).
N ajwiększa wartość w spółczynnika <Z> (5,0) może wystąpić przy wentylacji wyporowej, gdy do górnej części pom ieszczenia doprowadzane je st pow ietrze o tem peraturze wyższej o około 2 K od tem peratury wewnętrznej. W artości najniższe ( 0 » 1 ) dotyczą wentylacji mieszającej przy prawie zerowej różnicy temperatur. Zależności te przyjm ują postać równania:
V = * * VC , Q , W > m3/S
Jednoznaczne wskazanie typu rozdziału pow ietrza w pom ieszczeniach mieszkalnych z w entylacją naturalną je s t utrudnione, głównie z uwagi na niezorganizow any (chaotyczny) i naturalny napływ pow ietrza zewnętrznego. N iem niej jednak, typow y obraz wewnętrznych przepływów pow ietrza w okresie zimowym, tzn. dopływ pow ietrza przez nieszczelności (2) Zapewnienie odpowiedniego poziomu wilgoci w poszczególnych pomieszczeniach w sezonie grzewczym jest jednym z najistotniejszych wymagań. Przy wyższej temperaturze powietrze zawiera więcej wody, np. powietrze o temperaturze + 20 C zawiera jej około 18 g. Wilgotność względna zależy nie tylko od ilości wody, ale także od temperatury; jeśli 1 m3 powietrza o temperaturze + 20°C zawiera 8,8 g pary wodnej, to jego wilgotność względna wynosi 50 %. Przy temperaturze powietrza +20/22°C wilgotność względna powinna wynosić 304-70%.
Należy pamiętać, że wilgotność ta przy temperaturze poniżej 0°C wynosi około 804-95 %, a po jego podgrzaniu do temperatury + 20°C wilgotność spada do 104-20 %.
w oknach czy też przez um ieszczone w nich otwory nawiewne i wypływ powietrza przez kanały, których otwory wlotowe umieszczone są poniżej sufitów pomieszczeń, sprawia, że wystąpić może każdy ze sposobów rozdziału powietrza, a za najbardziej praw dopodobną uznać m ożna w entylację m ieszającą (<£> = 1,43+2,5).
Tabela 1. W artości w spółczynnika O (efektywność w entylacji w ew n ętrzn ej) Rozdział powietrza wewnętrznego Różnice temperatur,
AT = t, - ti,°C
Współczynnik
<E> = l/e (s = Q /Q ) Wentylacja mieszająca - nawiew i wywiew
powietrza w górnej części przestrzeni
ti — - > — - » < 0 1,0+ 1,1
t2 0 + 2 1,1
2 + 5 1,25
f.
c 2 > 5 1,43+2,5
C < C 1
'-'i — v-'max ^
Wentylacja mieszająca - nawiew powietrza w górnej, a jego wywiew w dolnej części
ti —
C2 < - 5 1,1
0 + - 5 1,0+ 1,1
t C- > 0 1,0
C < C 1 1
'-'i '-'max
- >
Wentylacja wyporowa - nawiew powietrza w dolnej, a jego wywiew w górnej części
- >
> 2 1,43 + 5,0
c 2 0 2 1,1 + 1,43
Cj ^ Cmax
lj '-'I < 0 0,7 + 0,83ti — - >
Dokonywanie obliczeń za pom ocą metod klasycznych dla znacznej liczby zanieczyszczeń jest rzadko w ykonyw ane ze względu na ich kłopotliwość, szczególnie dla trudno uchwytnych pomiarowo substancji zapachowych. Próbą om inięcia tych kłopotów je st m etoda jakościow a, która w prow adza jednostki opisujące emisję dowolnego, wyczuw alnego zanieczyszczenia oraz jego stężenia. Pierw szą z nich jest strum ień zanieczyszczeń wydzielanych przez standardowa osobę do ro słą zwanych biozanieczyszczeniam i, którego jednostką je st 1 o lf (olfaction). D ruga jed n o stk a to stężenie zanieczyszczeń pow ietrza wewnętrznego wywołane obecnością standardow ej osoby (o biozanieczyszczeniach rów nych 1 olf) przy przepływie przez pom ieszczenie 10 dm 3/s powietrza w warunkach ustalonych, zw ana 1 decypolem, przy czym 1 decypol = 0,1 olf7(dm /s). W arunkiem zastosow ania tej m etody jest dysponowanie wartościami określającym i stężenie zanieczyszczeń w ystępujących we wszystkich m iejscach przepływu pow ietrza (w decypolach) i wykorzystanie zależności:
przy czym F to zanieczyszczenia produkowane lub wprowadzane do pom ieszczenia (olf), Ce oraz Ci to stężenia tych zanieczyszczeń panujących odpowiednio w przestrzeni, z której powietrze jest doprow adzane do pomieszczenia i ich w artości m aksym alne (decypol), natomiast <£>to w spółczynnik uwzględniający efektywność wentylacji.
Stężenia Ce i C, nazyw ane są jakością pow ietrza zewnętrznego i wewnętrznego, przy czym jakość pow ietrza zewnętrznego jest przyjm owana dla określonego terenu, a jakość powietrza w ewnętrznego obliczana jest na podstawie przyjętego odsetka osób niezadowolonych (PD - Predicted Dissatisfied), obliczanego z zależności:
Cj = 1 1 2 [ln (P D )-5,98]-4 , d ecyp ol
Ilustracją omawianej m etody są dane przedstawione na ry s.l. W ykorzystanie tej metody ułatw iają kom plety danych bazujących na wynikach wielu prac badawczych dokonywanych w Europie, USA i Japonii na kilku tysiącach osób. Przyjm ując określony procent osób niezadowolonych, m ożna ustalić strumień powietrza, jaki pow inien być w ym ieniany w pomieszczeniu z tytułu pojaw ienia się zanieczyszczeń zapachowych.
j- 40 S P
* 20
0
Rys. 1. Zależność procentu osób niezadowolonych z jakości powietrza dla różnych jego strumieni.
W skaźnikowi PD = 10-E20 %, przyjmowanemu jako tzw. zadaw alająca jakość powietrza, odpowiada w ym iana strum ienia objętości powietrza o w artości 25-fóO m 3/h w odniesieniu do pojedynczej osoby. M etoda budzi wątpliwości dotyczące stosunkow o dużych strumieni powietrza, jak ie należy dostarczyć w celu uzyskania zadaw alającej jakości powietrza w stosunku do w artości przyjmowanych jako m inim alne (20-^30/35 m 3/hxosoba).
Oczywistym w arunkiem niezbędnym dla uzyskania zam ierzonego celu jest wysoka jakość powietrza zew nętrznego, trudna do uzyskania przy stosow aniu popularnych rozwiązań wentylacji naturalnej, zakładającej napływ zanieczyszczonego pow ietrza zewnętrznego (przy dużej szczelności przegród je s t to możliwe jedynie w budynkach z otworam i nawiewnymi lub nawiewno-wywiewnym i system am i wentylacji m echanicznej).
Należy dodać, że do określenia strumieni pow ietrza w entylacyjnego, głównie w obiektach użyteczności publicznej, stosować można m etody wskaźnikow e, bazujących na wykorzystaniu ustalonych w trakcie eksploatacji pom ieszczeń, m inim alnych strumieni powietrza usuwanego lub doprowadzanego, odnoszonych do jednostki powierzchni użytkowej, rzadziej kubatury pomieszczeń i liczby osób, a także wymian powietrza.
Strumienie pow ietrza doprow adzanego w ahają się w odniesieniu do pojedynczej osoby od około 10 m 3/h do 40 m 3/h, a powietrza usuwanego zm ieniają się od 1,25 m 3/hxm 2 (dla pomieszczeń kategorii B i średniego zanieczyszczenia) do 7,2 m 3/hxm 2 (dla pomieszczeń
—i--- 1--- 1--- -—i_____i______ i_
10 20 Y = 30 dm3/s
40 80 V = 120 m 3/h
kategorii A i dużego zanieczyszczenia). W iększe wartości dotyczą wyższego standardu pomieszczeń, w których na każdą osobę przypada 10+15 m 2 powierzchni użytkowej.
Powszechną praktyką n a etapach projektowania i ocen energetycznych je st przyjmowanie określonej wartości w ym iany powietrza. Nie powinno być one podstaw ą do obliczania strumieni pow ietrza w entylacyjnego i potrzeb cieplnych. Zestaw ienia podające wymianę powietrza (patrz przykłady w tabeli 2) m ogą być jedynie wskaźnikiem wynikającym z obliczonych strum ieni powietrza.
Tabela 2. Zalecane wartości wymiany pow ietrza (przykłady) R odzaj i przeznaczenie pomieszczeń W P, l/h
Mieszkania/biura 0,5+1,0/5+8
Sale konferencyjne i wykładowe 6+8
Szkoły (klasy) 3+7
Kościoły/pływalnie, baseny 1.5+4/3+5
Charakterystycznym przykładem zmienności chwilowych w ym agań wentylacyjnych są dane zamieszczone w tabeli 3. Porównano tu wymianę pow ietrza w m ieszkaniu kategorii M4 o powierzchni około 64 m 2, kubaturze 160 m 3, użytkowanym przez 4 osoby i położonym w miejscowości o średnim zanieczyszczeniu (Cc = 0,1 decypol). Param etry zewnętrzne w ynoszą
^ = 0°C, Xe = 3 g/kg, a wewnętrzne tj = +20 °C i X; = 8,8 g/kg). Założono, że użytkowanie pomieszczeń pow oduje w zrost temperatury pow ietrza o 10 K, a także 2 warianty zysków wilgoci; pierw szy przypadek to po 2 osoby odpoczywające i pracujące ze średnią aktywnością, a drugi to przygotow anie posiłku i kąpiel. Założono em isje CO2, CO i NO2 ze źródeł wewnętrznych, a stężenie CO2 w powietrzu zew nętrznym wynosi 400 ppm, N O2 -» 0,01 m g/m 3, a ich wartości dopuszczalne w ynoszą dla CO2 -» 1000 ppm, CO —> 6 m g/m 3, NO2 —> 0,05 m g/m 3. Przyjęto też wariant po 4 osoby niepalące i palące tytoń(3).
Tabela 3. Zestawienie wyników badań (opis w tekście) M etody klasyczne
W yszczególnienie W artości obciążeń V, m 3/h W P, l/h Nadmiar ciepła jawnego, Q, W 200/500 66/165 0,41/1,03
Nadmiar w ilgoci, W, g/h 280/2000 44,3/316 0,28/1,98
Dwutlenek węgla, F, dm3/h 40/100 73,3/183 0,46/1,15
Tlenek węgla, F, mg/h 200/500 36,7/91,7 0,23/0,57
Dwutlenek azotu, F, mg/h 2/5 55/137,5 0,3d/0,86
Metod a jakościowa
Biozanieczyszczenia, o lf 4 12,2 0,08
Jw., lecz 4 osoby palące tytoń, o lf 28 85,3 0,53
Jw., lecz inne zanieczyszczenia, o lf 28 + 0,05x64 = 31,2 95 0,6 M etody wskaźnikow e
Wymaganie ogólne WP - l/h 160 1,00
Wartość ustalona dla 2,4 m3/hxm 2 153 0,96
Uzyskane wyniki w skazują na dużą rozpiętość tak obliczonych strumieni powietrza.
W ymiana pow ietrza ustalona w oparciu o powyższe dane w aha się od 0,08/h (mieszkanie wolne od zanieczyszczeń, nie eksploatow ane urządzenia do przygotow ania posiłków i kąpieli, użytkownicy odpoczyw ający) do około 2/h (w przypadku nadm iaru wilgoci). Pomijając już
(3) Większa wymiana powietrza jest konieczna wówczas, gdy użytkownicy palą tytoń, np. każdy wypalony papieros oznacza konieczność zwiększenia wymiany powietrza o 10-5-15 m3/h.
trudność ja k ą napotka projektant, tak duża zmienność oznacza, że zastosowany w budynku układ wentylacyjny pow inien mieć możliwość dostosowania swej w ydajności do aktualnych potrzeb, a to oznacza rezygnację z wentylacji ciągłej lub duży udział użytkowników (np. okresowe przewietrzanie).
Zasada wentylacji w pom ieszczeniach mieszkalnych sprowadza się do założenia dopływu powietrza zewnętrznego do przestrzeni, zwanych czystymi (np. pokoje mieszkalne), które po asymilacji zanieczyszczeń pow inno być usuwane kanałami wyw iewnym i umieszczonymi w przestrzeniach, zwanych brudnym i, np. kuchnie, pom ieszczenia łazienek i WC lub z innych pomieszczeń bezokiennych (wnęki, garderoby, schowki itp.). Główne wymagania wentylacyjne dotyczą w łaśnie tych strumieni powietrza usuwanego, których arbitralnie przyjęte wartości zestaw iono w tabeli 4. W przypadku w ykorzystyw ania urządzeń gazowych z otw artą kom orą spalania strum ienie te należy zwiększyć o 30 -f 40 m 3/h. Oczywistym jest, że sumaryczne strum ienie pow inny zostać zastąpione równow ażnym i ilościami powietrza doprowadzanego z zewnątrz.
Tabela 4. Strum ienie pow ietrza usuwanego z pom ieszczeń mieszkalnych
Opis pom ieszczenia V KW, niJh
Kuchnia z oknem zewnętrznym, wyposażona w kuchenkę gazową lub węglową(l) 70 Jw., lecz wyposażona w kuchenkę elektryczną w mieszkaniu przeznaczonym dla co
najmniej 3 osób/więcej niż 3 osób 30/50
Kuchnia bez okna zewnętrznego z kuchenką gazową/elektryczną(2) 70/50
Łazienka (z lub bez WC)/oddzielne pomieszczenie WC 50/30
Pomocnicze pomieszczenie bez okna(3,/Pokój mieszkalny(4) 15/30 (1) na czas intensywnego użytkowania zaleca się okresowy wzrost strumienia powietrza do 120 nr7h, (2) obowiązkowa wentylacja mechaniczna, (3) w pomieszczeniach muszą być umieszczone drzwi umożliwiające przepływ powietrza np. za pomocą otworów w dolnej części skrzydła, (4) oddzielony od pomieszczeń kuchni, łazienki i WC więcej niż dwojgiem drzwi i pokój znajdujący się na wyższym poziomie w budynku jednorodzinnym lub w wielopoziomowym mieszkaniu budynku wielorodzinnego.
W efekcie uw zględnienia tych wym agań m ożna wyróżnić 3 kategorie mieszkań, których łączne strumienie pow ietrza wymienianego zestawiono dla różnych w arunków na rys. 2.
W ymiana najm niejszych strum ieni powietrza zużytego o tem peraturze +20°C na zewnętrzne o temperaturze -2 0 °C w m ieszkaniach kategorii 1A, 2A i 3B, w ym aga doprowadzenia ciepła odpowiednio 1,772,5/3,1 kW .
Rys. 2. Porównanie wymaganych strumieni powietrza wentylacyjnego w trzech typach mieszkań (opis w tekście).
Oznaczenia: A, B - bez oraz z uwzględnieniem wzrostu strumienia
. ^ usuwanego z kuchni, C - jw ., lecz
--- typ m ie s z k a n ia --- ^ użytkowanie urządzeń gazowych Całkowite potrzeby w entylacyjne rosną w wyniku dodatkow ego uw zględnienia liczby osób i minimalnej ilości pow ietrza zewnętrznego (20 m 3/h/osobę) i w ykorzystania urządzeń gazowych (35 -t- 40 m 3/h). M aksym alny strumień pow ietrza w ym ienianego w mieszkaniu A (patrz 3A) może sięgać 170 m 3/h, a w mieszkaniu M6 (patrz 3C), a naw et przekraczać
250 m /h. R osną też potrzeby ciepła na podgrzanie powietrza, które przy AT = 40 K w ynoszą 2,9-r3,6 kW. Strumienie w ym ienianego powietrza m ogą być zatem w yznaczone w różny sposób, a jeśli wyniki są rozbieżne, to uwzględniając środowiskowe i zdrowotne wymagania, bezpieczniej je st wybrać w artości wyższe. Warto dodać, że pojaw iły się słabo uzasadnione zalecenia zmierzające do zm niejszania strumienia wymienianego pow ietrza w kuchniach, w których zamiast 70/120 m 3/h wprowadzono wartość 50 m 3/h. W ybór tych wartości jest też istotny z uwagi na ustalanie potrzeb ciepła na podgrzanie pow ietrza wentylacyjnego.
Obecnie określanie tych strum ieni oparte jest jedynie o nom inalne w artości nie mające nic wspólnego z realną w ym ianą powietrza, i najczęściej z potrzebam i, szczególnie w przypadku wentylacji naturalnej. Ustalając wymianę powietrza pam iętać należy o konfliktowości wymagair wentylacyjnych. Pierw sze z nich, nazywane środowiskowym i, w ynikają z zadania wentylacji, jakim je st zapewnienie wymiany na pow ietrze zew nętrzne w ilościach pozwalających na skuteczną ewakuację zanieczyszczeń, co oznacza przyjęcie większych strumieni powietrza. Z kolei drugi aspekt, nazywany energetycznym, oznacza ograniczanie tych strumieni do w artości minimalnych. Poszukiwanie oszczędności energetycznych należy zatem koncentrować nie na zm niejszaniu strumieni powietrza, lecz na regulacji intensywności wymiany powietrza nadążnie do potrzeb. Istotna dla realizacji w ym agań wentylacyjnych ma organizacja przepływ ów pow ietrza oraz rodzaj i rozwiązanie system u wentylacyjnego.
S ystem y realizujące w ym ian ę pow ietrza
Projektant wyposażenia technicznego, a w tym rodzaju w entylacji budynku mieszkalnego, ma teoretycznie do dyspozycji różne układy wentylacji, w spółtw orzone prze odpowiednio dobrane zespoły urządzeń, pozwalające na organizację przepływ ów pow ietrza i zapewniające w ym aganą intensywność zam iany powietrza wewnętrznego na zew nętrzne. W budynkach mieszkalnych celem w entylacji jest głównie dostarczanie tlenu niezbędnego do oddychania i prawidłowego przebiegu procesów spalania, obniżenie zaw artości w ilgoci w powietrzu wewnętrznym i stężeń szkodliwych zanieczyszczeń do poziom u narzuconego aktami prawnymi i akceptowalnego przez użytkowników. Systemy te m ogą być oceniane za pom ocą różnych kryteriów, a do najistotniejszych należy jakość pow ietrza (np. skład chemiczny powietrza, obecność cząstek stałych w powietrzu itp.), jego param etry fizyczne (komfort cieplny i akustyczny) oraz koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Dla zapew nienia pożądanej jakości pow ietrza w budynkach mieszkalnych najistotniejsza je st kontrola źródeł emisji zanieczyszczeń, co dotyczy zarówno m ateriałów budowlanych lub wyposażeniowych, urządzeń realizujących spalanie, jak i układu wentylacji (rodzaj i rozw iązanie układu, kanały wentylacyjne i inne urządzenia). Powszechnym, lecz znacznie mniej efektyw nym sposobem, je st w zrost strum ienia pow ietrza wentylacyjnego. Elim inacji zagrożeń wynikających z obecności zanieczyszczeń pyłow ych lub m ikrobiologicznych sprzyja skuteczna filtracja, unikanie rozpylania wody oraz dezynfekcja.
Uzyskanie kom fortu cieplnego akceptowalnego przez w ysoki odsetek użytkowników, co jed n ak w dużej części dotyczy budynków użyteczności publiczne, w ym aga aby system doprowadzał do pom ieszczeń odpowiedni do potrzeb strumień pow ietrza, będący w stanie usunąć zyski ciepła generowane w pom ieszczeniu i pokrywać ew entualne straty. Ponadto, rozdział powietrza pow inien zapewniać jego równom ierny przepływ przez pomieszczenia, bez stref pojaw iania się dyskom fortu. Z uwagi na różne preferencje użytkow ników układ wentylacji pow inien być wyposażony w zdecentralizowany system regulacji pozwalający dostosować param etry w entylacji do aktualnych i indywidualnych odczuć i potrzeb. Wysoki poziom kom fortu akustycznego m ają systemy wentylacji naturalnej lub system y m echaniczne wyposażone w cichobieżne wentylatory, z jednoczesnym stosow aniem niskich prędkości przepływ u pow ietrza i tłum ików akustycznych. Niskie nakłady inw estycyjne zw iązane są ze stosowaniem system ów prostych, pozbaw ionych skomplikowanych i drogich elementów
1
mechanicznych i elektronicznych. Uzyskaniu niskich kosztów eksploatacyjnych sprzyja zmniejszenie strumieni pow ietrza oraz dostosowanie intensywności w entylacji do lokalnych i czasowych potrzeb, odzyskiw anie ciepła z powietrza usuwanego, tanie źródło ciepła lub energii chłodniczej, w ysoka sprawność energetyczna i m echaniczna stosow anych urządzeń, duża niezawodność i prosta obsługa. Rozwiązanie równocześnie spełniające w szystkie wyżej podane cechy je st trudne do uzyskania(4), a w praktyce systemy stosowane w budynkach mieszkalnych są rzadko efektem świadomego wyboru, a raczej wynikiem przestarzałych przyzwyczajeń i nawyków. Z uwagi na specyfikę budynków m ieszkalnych, decydujące znaczenie m a duża liczba różnego rodzaju param etrów i czynników, które powinny być uwzględniane przy wyborze w entylacji (patrz rys. 3).
Rys. 3. Wybrane parametry i czynniki współdecydujące o wymianie powietrza w budynkach Do najprostszych układów wentylacji i najczęściej stosowanych, n ależą systemy wykorzystujące naturalne siły napędowe, generujące różnice ciśnień na przegrodach, a w efekcie pow odujące wymianę pow ietrza w pom ieszczeniach. N aturalnym i siłami napędowymi są w ypór term iczny (Apwt) i napór wiatru (Apw), które pow odują występowanie na przegrodach budynków różnic ciśnień:
AP« = Pe " P i = H X g(Pe “ Pi ł P „ = pX’ y' 2 = ° -5 c KPe ( » h )x,y,z ' Pa
gdzie: H to wysokość przegrody lub budynku (m), g jest przyspieszeniem ziem skim (9,81 m/s2), p e i pi to gęstości pow ietrza zewnętrznego i wewnętrznego (kg/m 3), Wf, je st prędkością w iatru (m/s) na wysokości h nad poziom em gruntu, Ck to bezw ym iarow y współczynnik konwersji ciśnienia dynam icznego wiatru, wskazujący ja k a część energii kinetycznej wiatru zam ienia się na ciśnienie statyczne w określonym punkcie na przegrodzie budynku, a x, y, z są współrzędnym i określającym i położenie danego punktu na przegrodach.
Dla tak ustalonych różnic ciśnień charakterystyczne je st wystąpienie na pewnej wysokości budynku poziom u ciśnień zerowych, na którym ciśnienia zewnętrzne s ą rów ne wewnętrznym.
Położenie tego poziom u uzależnione od rozkładu powierzchni szczelin lub otw orów wzdłuż wysokości i prędkości wiatru. N a rys. 4 przedstaw iono rozkład zm ian różnic ciśnień dla 4-piętrowego budynku, przy założeniu równom iernego rozkładu pow ierzchni nieszczelności (4) Wybór systemu optymalnego możliwy jest po zastosowaniu technik polioptymalizacji (metoda funkcji metrycznych lub metoda średniej ważonej dla indywidualne sprecyzowanych wag poszczególnych cech).
wzdłuż wysokości przegród. W iatr działający prostopadle do pow ierzchni przegrody zewnętrznej, pow oduje przesunięcie płaszczyzny ciśnień zerowych (poziom 0 - 0) ku górnym piętrom budynku, tym bardziej im w iększa jest prędkość wiatru. W iększa prędkość wiatru powoduje wzrost liczby pomieszczeń, w których zachodzi infiltracja pow ietrza zewnętrznego.
Rys. 4. Rozkłady ciśnień na wysokości budynku (przykład). Oznaczenia: 1 - w = 5 m/s, 2 - w = 3 m/s, 3 - w = 1 m/s, 4 - w = 0 m/s
Podobne zm iany m ają m iejsce gdy pow ierzchnia szczelin w górnej części przegród jest większa niż w dolnej, natom iast w odwrotnej sytuacji linia ciśnień zerowych przesuw a się ku dołowi przegrody. Takie różnice ciśnień s ą rów nież jedynym i siłam i napędowymi w budynkach z naturalną w entylacją bezkanałow ą (rys. 5A). W ym iana pow ietrza odbywa się w wyniku dezorganizow anego przenikania pow ietrza przez nieszczelności w przegrodach i uchylania lub otw ierania okien, a intensywność wentylacji je st wynikiem zm iennych w czasie i przestrzeni oraz losowych zmian sił napędowych. Są to system y charakteryzujące się znaczną w rażliw ością na różne zakłócenia, która cechuje także układy naturalnej wentylacji kanałowej (patrz rys. 5B). Ciśnienia w kanałach są zbliżone do występujących na przegrodach, a to pow oduje że dochodzi do niew ielkich zm ian strumieni powietrza w porównaniu z rozw iązaniam i bezkanałowymi.
Rys. 5. Przepływy powietrza w budynkach z naturalną wentylacją bezkanałową (A) i kanałową (B) Dyspozycyjne ciśnienie czynne (pcz) określa zatem wartości sił pow odujących przepływ powietrza przez kanały i obliczane jest za pom ocą tych sam ych zależności ja k m a to miejsce w przypadku ustalania różnic ciśnień na przegrodach, tzn.:
P c z = h K W ><g l P e - P i i s A P w t + P w ’ Pa (5>27)
gdzie: hKiV to wysokość kanału wentylacyjnego, m ierzona od osi otworu doprowadzającego powietrze do w ylotu z kanału nad dachem budynku (m), g - 9,81 m /s2, a p e i pi to gęstości powietrza zewnętrznego i pow ietrza w kanale (kg/m3).
W w ytycznych projektow ania kanałowej wentylacji naturalnej warunki obliczeniowe sprowadzono do uw zględnienia tylko w yporu termicznego dla różnicy tem peratur powietrza wewnętrznego i zewnętrznego równej 8 K. Przyjm ując tem peraturę wewnętrzną, w ynoszącą średnio + 20°C, w arunek ten odpowiada temperaturze zewnętrznej + 12°C. Nawet, gdyby udałoby się dobrać takie rozwiązanie kanałów, które um ożliwiałoby usuwanie wymaganych strumieni pow ietrza z kolejnych poziom ów budynku, nie tylko teoretycznym efektem spadku temperatury zewnętrznej poniżej + 12°C jest w zrost w ymiany powietrza, sięgający przy temperaturze zewnętrznej przyjm owanych do obliczeń strat ciepła (np. tc = - 20°C) około 250 %. W zrost tem peratury zewnętrznej powyżej + 12°C w ywoła z kolei stopniowy spadek wymiany powietrza, aż do jej zaniku, a nawet możliwe je st odwrócenie kierunku przepływu w kanałach i pojaw ienie się tzw. odwrotnych przepływ ów w kanał ach(5). Ponadto, przy temperaturze zewnętrznej równej około + 12°C, dom inującą siłą napędow ą jest właśnie wiatr.
Ciśnienie czynne pow inno być wystarczające dla pokonania oporów przepływu powietrza przez kanały (ApKw), zwiększonych o straty ciśnienia przy napływ ie pow ietrza zewnętrznego przez nieszczelności w oknach lub otwory nawiewne:
2 r h
P c z « A p Kw = 0, 5 x VKw x Pi + KW^ + A p n , Pa
gdzie: v / ^ j e s t prędkością pow ietrza w kanale (m/s), dz to jego średnica (m), p, jest gęstością powietrza (kg/m ), to suma współczynników oporów miejscow ych, X to bezwymiarowy współczynnik tarcia, Apn to opory przepływu przez szczeliny okienne lub otwory nawiewne (Pa), a /zA^jest w ysokością kanału wywiewnego (m).
Powyższa zależność, z uwzględnieniem nom inalnego w yporu term icznego (AT = 8 K), jest podstaw ą do obliczenia pola powierzchni kanałów wywiewnych. N ależy jednak pamiętać, że usunięcie pow ietrza je s t możliwe tylko wtedy, gdy zostanie ono doprow adzone z zewnątrz.
W związku z naturalną i trudną do przewidzenia zm iennością sil napędowych, zmianie ulega też strumień pow ietrza przepływający kanałami zależny od organizacji dopływu powietrza zewnętrznego. Przy napływ ie powietrza przez okna o zalecanych, m aksym alnych wartościach w spółczynników przenikania powietrza równych 1,0 m 3/hm przy 1 daPa, wym iana powietrza koresponduje z jej brakiem (patrz rys. 6), a charakterystycznym je st częste występowanie wstecznych przepływ ów w jednym z kanałów wywiewnych.
Uzyskane w arunki użytkow ania pom ieszczeń z kanałow ą w entylacją naturalną i oknami o zalecanej w artości w spółczynnika przenikania pow ietrza s ą dalekie od pożądanych. Średnia wymiana pow ietrza w m ieszkaniach badanego budynku 4-piętrow ego zm ienia się od 0,2/h (parter) do poniżej 0,1/h (4 piętro). W ymaganie usuw ania strum ieni pow ietrza z kuchni i łazienek w ilościach 70 i 50 m 3/h nie jest spełniony naw et w m ieszkaniu położonym na parterze budynku, w którym strumienie te osiągają wartości co najmniej o połowę mniejsze od wartości zalecanych. Fakt ten jest wynikiem napływ u do m ieszkań małych strumieni powietrza zew nętrznego, a wiec nadmiernej herm etyzacji zewnętrznej powłoki budynku. Nie jest dotrzym any w arunek napływu niezbędnych strum ieni pow ietrza przypadających na je d n ą osobę (20 m 3/h), a w najlepszym przypadku do pokoju m ieszkalnego z dwoma osobami położonego na parterze budynku napływa 15-^17 m 3/h.
(5) Wynika to ze zmienności grawitacyjnych ciśnień dyspozycyjnych wzdłuż wysokości kanałów (budynków).
Przykładowo, dla przestrzeni położonych na parterach budynków ciśnienie to jest największe, zaś dla przestrzeni położnych na najwyższych piętrach - najmniejsze. Uwzględnienie tej zmienności wymagałoby wykorzystania niestosowanej w praktyce zmiany przekrojów lub zmian oporów przepływu przez kanały.
Rys. 6. Wymiana powietrza w mieszkaniach 4-piętrowego budynku (w styczniu).
Oznaczenia: 1, 2 i 3 - parter, drugie
1 97 193 289 385 j CZWarte piętro
--- numer godziny--- >-
Wśród typowych zanieczyszczeń występujących w budynkach mieszkalnych stanowiących o jeg o stanie higienicznym wymienić należy głównie parę w odną i dwutlenek węgla. N a rys. 7 zestaw iono zmiany strumieni powietrza, stężeń dwutlenku węgla i zawartość wilgoci w pom ieszczeniu m ieszkania położonego na parterze, a więc uprzywilejowanego pod względem wentylacji dzięki najdłuższym kanałom. Co najmniej kilkakrotne przekroczenie stężeń CO2 i w ysoka zawartość pary wodnej w pow ietrzu w skazują jednoznacznie na możliwość w ystępow ania negatywnych odczuć co do jakości pow ietrza wewnętrznego, a podwyższona w ilgotność pow ietrza powoduje, że nie dotrzym yw ane są parametry powietrza dla zapewnienia pożądanego kom fortu cieplnego.
16 A 12
UD 8 M
X"
4
1 97 193 289 385 1 97 193 289 385
--- numer godziny--- >>■ numer godziny->-
Rys. 7. Strumienie objętości powietrza (1), zmiany i wartości średniodobowe stężeń C 0 2 (2, 3) oraz zmiany i wartości średniodobowe zawartości wilgoci (4 i 5) w wybranym pomieszczeniu położonym na parterze budynku 4-piętrowego (w styczniu)
Ponadto, w trakcie okresowego wietrzenia w pom ieszczeniach panują przeciągi, a w okresie letnim napływ ają do nich z zewnątrz różne zanieczyszczenia pyłowe, a w tym także pyły alergizujące. Efektyw ność tych rozwiązań zależy głów nie od wysokości kanałów), a wymiana pow ietrza w m ieszkaniach położonych na najw yższych piętrach w okresach bezwietrznych m oże być m ała lub jej brak. W ymianę tą m ożna zwiększyć jedynie przez rozszczełnianie okien lub w yposażanie ich w otwory nawiewne. Ich stosowanie powszechnie uznano za praw idłow y sposób doprowadzania pow ietrza do pom ieszczeń nie tylko z kanałow ą w entylacją naturalną. Przykładem w pływ u otw orów nawiewnych o stałej wydajności 50 m 3h dla 1 daPa są dane przedstawione na rys. 8 dla pom ieszczenia położonego na parterze w budynku 4-piętrow ego. Bezpośrednim efektem je st w zrost wymiany pow ietrza do 0,5-f-l,4/h w pom ieszczeniach położonych na parterze i 0,65/h na 4 piętrze. Jednocześnie występuje 3-f4 krotny spadek stężeń CO2 i około 2 krotny spadek zaw artości wilgoci.
n u m e r g o d z i n y > - n u m e r g o d z i n y ---> -
Rys. 8. Strumienie objętości powietrza (1) oraz zmiany i wartości średniodobowe stężeń CO2 (opis jak na rys. 7)
Strumień dostarczanego pow ietrza przez nawiewniki sterowane ręcznie zależy od położenia przysłony regulowanej przez użytkowników. Takie założenie w ym aga świadomości i częstej ingerencji ze strony użytkownika, a w praktyce polega na ich przypadkowym otwieraniu lub zam ykaniu, co niewiele się różni od mało skutecznego rozszczelniania okien.
Ponadto, stosowanie otw orów nawiewnych może pogorszyć izolacyjność akustyczną oraz zwiększać koszty inwestycyjne i koszty eksploatacyjne (w iększy strum ień powietrza), tym bardziej że układy takie uzupełniane są zazwyczaj nasadami w yw iewnym i eliminującymi w dużej części w steczny ruch powietrza w kanałach. W przypadku otw orów nawiewnych dostosowujących sw ą intensywność do potrzeb wynikających z użytkow ania pomieszczeń, ja k np. nawiewniki higrosterow ane, koszty te m ożna zm niejszyć o 5 -2 0 % , a czas zwrotu nakładów tego rozw iązania w budynku jednorodzinnym w ynosi 3-h5 lat(6). W systemach wentylacji naturalnej do podgrzewania powietrza zew nętrznego, podobnie jak to m a miejsce przy zastosowaniu wywiewnej wentylacji m echanicznej, w ykorzystyw ane jest centralne ogrzewanie.
Stosowanie w entylacji mechanicznej wywiewnej w ym aga popraw nego doboru ciśnienia wytwarzanego przez w entylator w stosunku do oporów przepływ u przez poszczególne otwory wywiewne, a także rozw iązania dopływu powietrza do pom ieszczeń. Przy spełnieniu tych wymagań działanie system u je s t w części uniezależnione od w arunków pogodowych (patrz rys. 9), a wym ieniane strum ienie powietrza pozw alają na skuteczne usuwanie zanieczyszczeń na przestrzeni całego roku. Zastosowanie mechanicznej w entylacji wywiewnej oznacza w zrost kosztów inw estycyjnych i eksploatacyjnych, poniew aż koszty napędu wentylatorów i ogrzania zazwyczaj w iększych strumieni powietrza. W entylatory stanow ią źródło hałasu, który w przypadku niew łaściw ego wytłumienia m ogą być uciążliw e dla użytkowników.
W zależności od ich liczby i lokalizacji otworów nawiew nych, m o g ą pojawiać się lokalne przeciągi w pom ieszczeniach o m ałych wymiarach jakim i s ą m ieszkania. Dzięki okresowemu obniżeniu intensywności w ym iany powietrza uzyskane oszczędności ciepła mogą wynieść 10-^20%, a czas zw rotu nakładów inwestycyjnych dla budynku jednorodzinnego wynosi 6-t-lO lat.
(6) Nawiewniki te są tak skonstruowane, że powietrze zewnętrzne nie styka się bezpośrednio z czujnikiem, dzięki czemu uwzględniane są warunki wewnętrzne. Zastosowanie nawiewników i kratek wywiewnych sterowanych wilgotnością powietrza daje możliwość automatycznego ograniczenia strumienia powietrza wtedy, gdy poziom wilgotności nie jest nadmiernie wysoki. Za ich wykorzystaniem przemawia duża korelacja między stężeniami metabolicznego dwutlenku węgla i zawartością wilgoci w powietrzu pomieszczeń, co oznacza że pojawienie się użytkowników oraz towarzyszący im wzrost stężenia C 02 i wilgoci powoduje uchylenie otworu. Wadą nawiewników higrosterowanych jest to, że ich działanie jest niezależne od zmian wyporu termicznego. Ponadto, z uwagi na wewnętrzną budowę, nawiewniki mają na ogół dość duże rozmiary, co niekorzystnie wpływa na estetykę okna.
--- n u m e r g o d z in y --->
Rys. 9. Zmienność strumieni objętości powietrza wymienianego w mieszkaniach 4 piętrowego budynku z oknami o współczynniku przenikania powietrza równym 1,0 m3/mh dla 1 daPa (styczeń). Oznaczenia: A - dopływ powietrza zewnętrznego, B - nasada z wentylatorem, C - kanał zbiorczy, D - odgałęzienie, E - uzbrojenie otworu wyw iew nego
System w entylacji mechanicznej wywiewnej um ożliwia w prow adzanie układów regulacji automatycznej od najprostszych (dwunastawnych), do urządzeń zaaw ansow anych o działaniu ciągłym(7). Jako sygnały w ejścia dla układów regulacji m o g ą być wykorzystane różne parametry (np. w ilgotność pow ietrza lub zawartość dwutlenku węgla), co znacznie podraża koszty systemu.
Największe m ożliw ości kształtowania klim atu wewnętrznego pom ieszczeń i kreowania odpowiedniej jakości pow ietrza niezależnie od uw arunkowań architektonicznych m ają układy mechanicznej w entylacji naw iew no-w yw iew nej. M ożliwe je st uzyskanie postulowanej hermetyzacji budynków i skutecznej realizacji oszczędności energii. M ogą być one wyposażone w osobne układy kanałów nawiewnych i w yw iewnych, które tw orzą system tzw. wentylacji zbilansow anej, ale rozwiązaniami najbardziej atrakcyjnym i są układy wyposażone w urządzenia pozw alające na odzysk ciepła z pow ietrza usuwanego na zewnątrz.
Posiadają one m ożliw ość filtracji pow ietrza dostarczanego z zew nątrz w zależności od stosowanych urządzeń dodatkowych. Typowe filtry w arstw ow e są w stanie usunąć z powietrza jedynie w iększe pyłki kwiatowe i grube cząsteczki pyłu m etalurgicznego oraz m ają ograniczoną skuteczność, szczególnie w przypadku pojaw iania się drobnych ziaren pyłu, dymu, sadzy czy m gły olejowej. Opcjonalne rozw iązania przew idują instalowanie w centralach także filtrów antyalergicznych, lecz nawet dokładne filtry nic usuną dymu papierosowego, bakterii i wirusów. Oprócz oczyszczania pow ietrza, filtry chronią wymiennik przed zabrudzeniem, jed n ak przedostające się pyły i inne drobiny unoszone w powietrzu, osiadające na często w ilgotnych ściankach urządzenia, m ogą pow odow ać nie tylko spadek współczynnika przenikania ciepła wymiennika, ale pow odow ać niedrożność lub spadek prędkości powietrza, a w efekcie obniżenie jego sprawności tem peraturow ej. Poza wysokimi kosztami inwestycyjnym i i eksploatacyjnym i oraz długiego czasu zw rotu nakładów,
<7) Do rozwiązań mechanicznych należy także wentylacja nawiewna, rzadko stosowana i nie objęta krajowymi aktami prawnymi. Napływ powietrza odbywa się do pokojów przez otwory nawiewne zlokalizowane w dolnych częściach przegród zewnętrznych, w górnych częściach ścian wewnętrznych lub zamontowanych w dolnej części klatki schodowej, a do usuwania powietrza wykorzystane są kanały naturalne. Zorganizowanie napływu powietrza od strony ścian zewnętrznych, wymaga zastosowania układu kanałów prowadzonych w podłogach pomieszczeń, wykorzystania uzbrojeń otworów nawiewnych, umieszczonych nad podłogą pomieszczeń (np.
osłon) i rozbudowania systemu o funkcję ogrzewania i filtracji powietrza. Koszty inwestycyjne tych rozwiązań są nieco większe od nakładów mechanicznej wentylacji wywiewnej, a czas zwrotu o parę łat większy.
sięgającego 10+20 lat, je d n ą z wad może być stosunkowo duża głośność pracy. W ady tej pozbawione są rozw iązania zdecentralizowane, których m ogą dostosowywać parametry powietrza do indywidualnych odczuć. Rozwiązania te m ogą realizow ać także ich ogrzewanie, a nawet wykorzystywać źródła energii odnawialnej (patrz rys. 10). W ydajność stosowanych aparatów grzewczo-wentylacyjnych wynosi 100+130 m 3/h, a przy sprawności 85+95%
zużyw ają energię elektryczną w ilości 34+94 W. Urządzenie w yposażone je st w ręczne sterowniki z kilkustopniow ą regulacją wydajności powietrza, kontrolę czystości filtrów, a przy pobieraniu pow ietrza z zewnętrz, zabezpieczeniem przed zam arzaniem .
Rys. 10. Zdecentralizowana wentylacja mechanicznej wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła. Oznaczenia: 1 - czerpnia powietrza, 2 - nawiew powietrza, 3 - programator, 4 - mieszkaniowy agregat cieplno-wentylacyjny, 5 - w yw iew powietrza, 6 - gruntowy wymiennik ciepła
Rozwiązanie to posiada rów nież funkcję nastawy w ydajności pow ietrza i przełącznik na pracę w okresie letnim. Zaletą takiego rozwiązania jest rów nież niska głośność pracy (około 30 dB), możliwość ingerencji użytkow ników i łatwy pom iar zużywanej energii. Systemy tej wentylacji pozw alają uzyskać 15+30 % oszczędności energii, a prosty czas zwrotu nakładów ocenia się na 9+14 lat. Korzyści z takiej wentylacji indywidualnej to m .in. krótkie i łatwo dostępne do inspekcji i czyszczenia przewody, możliwość regulacji zgodnie z potrzebami, rów nom ierny rozkład oszczędności pomiędzy lokalami w jednym budynku dzięki indywidualnem u w ym iennikow i ciepła oraz duża elastyczność instalacji i rozbudowy systemu, niższe nakłady inwestycyjne, brak konieczności budow y sieci kanałów i wysoki kom fort w okresie letnim.
Centralne i indywidualne system y wentylacji mechanicznej naw iewno-wywiewnej są w stanie zapewnić pożądane param etry pow ietrz i w ym aganą jeg o jakość, lecz wiąże się to ze znacznymi nakładam i inw estycyjnym i i eksploatacyjnymi, a ponadto system y wentylacji mechanicznej w ym agają napraw i okresowej konserwacji. Ze w zględu n a różne wielkości budynku i rodzaje ich w yposażenia trudno je st ocenić koszt w ykonania w entylacji. Najwięcej danych w tym zakresie dotyczy budynków jednorodzinnych (w w w .cozaile.pl). Dla wentylacji naturalnej czasem w ystarczą np. tylko dw a przewody (z kilkom a kanałam i każdy), potrzebne do kotła centralnego ogrzew ania i kominka. Przewody w entylacyjne m og ą być murowane z cegły lub wykonane z gotow ych kanałów (osłoniętych np. w ełną m in eraln ą i płytą gipsową).
Dodatkowo trzeba zapłacić za naw iew niki okienne lub ścienne 50 zł (najprostsze) okienne, od
100 zł (nawiewniki ścienne ciśnieniowe) lub 200 zł (nawiewniki ścienne higrosterowane).
W budynku o powierzchni 120-5-150 m 2 potrzebne jest 5 nawiewników, a zatem łączny ich koszt waha się w granicach 250-5-1000 zł. Na koszt wykonania w takim budynku mechanicznej wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła składa się centrala wentylacyjna z rekuperatorem o wydajności około 400 m3/h (4000-5-8000 zł), izolowane przewody wentylacyjne wykonane z aluminium lub z tw orzyw o długości około 20 m (600 zł), 8 sztuk anem ostatów metalowych, malowanych proszkowo (200^-700 zł) oraz czerpnia i wyrzutnia pow ietrza (po 30-5-200 zł), co daje w sumie 5000-5-10000 zł (robocizna wynosi 2500-5-4000 zł). Całkowity koszt wykonania klimatyzacji w budynku jednorodzinnym 0 powierzchni użytkowej około 150 m2, może wahać się od około 20000 zł (robocizna to 5500 zł) do około 30000 zł (robocizna sięga 8800 zł).
W przypadku stosowania system ów wentylacji mechanicznej bilanse energetyczne są dodatkowo obciążone energią zużyw aną przez wentylatory na przetłaczanie pow ietrza przez układy kanałów w entylacyjnych i urządzenia składowe którą obliczyć m ożna z zależności:
V, x Ap E nw s N = - £ 5., W
W 11 X I I
w p
• • • 3
gdzie: Vjr to średnia w artość strum ienia pow ietrza przetłaczanego przez w entylatory (m /h), Apc je st różnicą ciśnienia całkowitego w króćcach tłocznych i ssaw nych wentylatorów (Pa), natomiast rjw i rjp to sprawności odpowiednio wentylatorów i przekładni silniki-wentylatory.
M inim alizacja zużycia energii na przepływ powietrza kanałam i w entylacyjnym i oznacza konieczność zm niejszania oporów przepływu powietrza, korzystania z wentylatorów 1 skutecznego przekazyw ania m ocy z silnika na wentylator o w ysokich sprawnościach oraz sensowne ograniczenia strum ienia powietrza. W prowadzono ograniczenie zużycia energii elektrycznej w odniesieniu do 1 m przetłaczanego powietrza. Przykładow o w systemach wentylacyjnych ze stałym strumieniem powietrza wentylacyjnego, jako m aksym alną wartość tego w skaźnika przyjęto 2,5 kJ/m 3. W rozwiązaniach ze zmiennym strum ieniem dopuszcza się w zrost tego w skaźnika o 30%, niezależnie od działania i regulacji stosowanych wentylatorów.
Za charakterystyczne dla działania wentylacji uznać m ożna przedstaw ione poniżej wybrane wyniki analizy dokonanej dla typowego 3 piętrowego budynku m ieszkalnego (patrz rys. 11). W ysokość budynku to 14 m, kubatura wynosi 5077 m 3, a sum aryczna powierzchnia powłoki zewnętrznej, liczoną razem z pow ierzchnią stropu nad piw nicą i dachu to 3900 m2.
Przegrody zew nętrzne budynku spełniają wym agania wysokiej izolacyjności cieplnej i szczelności na przepływ powietrza, np. w spółczynnik przenikania pow ietrza dla stolarki budowlanej je st równy 0,5 m 3/m h dla 1 daPa. Badany budynek alternatywnie wyposażano w 3 wersje układów wentylacji. Pierw szą z nich jest rozw iązanie z naturalnym układem indywidualnych kanałów w ywiewnych o wym iarach 14x14 cm. W drugiej wersji w oknach zam ontowano higrosterowane otwory nawiewne (AMO/22). T rzecią w ersją je st system mechanicznej w entylacji naw iew no-w yw iew nej z odzyskiem ciepła, o nazw ie A ir Excellent (rys. 11 B). Jest to układ m odułowy i składa się z płaskich przew odów um ieszczonych w sufitach, o wym iarach 50x100 m m o maksym alnym przepływie pow ietrza 30-5-35 m /h, centrali, rozdzielaczy itd. Centrala posiada urządzenia do regulacji stałego przepływu, energooszczędne wentylatory o łopatkach wygiętych do tyłu oraz zapew nia m inim alny poziom u hałasu. Badań dokonano dla okresu całego roku za pom ocą program u IDA/ICE/4.
Główne rezultaty porów nań dla dw óch wersji wentylacji zebrano w tabeli 5. W ynika z nich, że zastosowanie otw orów naw iew nych może poprawić jakość pow ietrza w ewnętrznego lecz towarzyszy tem u znaczny w zrost potrzeb cieplnych na podgrzanie pow ietrza w entylacyjnego sięgający 80 %.
W yszczególnienie W ersja 1 W ersja 2
Wymiana powietrza, l/h 0,2-0,3 0,5 -0 ,9
Ciepło do podgrzania powietrza, kW 45,4 83,5
Całkowite/sezonowe potrzeby cieplne, kW/MJ 74,7/177992 123,1/968882
Rys. 12. M iesięczne dostawy energii na cele oświetlenia (1), chłodzenia (2), pracy urządzeń klimatyzacyjnych (3), ogrzewania (4), wody użytkowej (5) i urządzeń domowych (6)
Rys. 13. Zużycie energii w centrali na ogrzewanie (1), chłodzenie (2), odzysk ciepła i chłodu (3 i 4), przez wentylatory (5) Jednocześnie sum aryczne potrzeby cieplne rosną o 64 %, a energetyczne potrzeby sezonowe około 5 razy. Param etry wykorzystanej centrali wentylacyjnej z odzyskiem ciepła w trzeciej z analizow anych wersji systemu zebrano na rys. 12-17.
Rys. 11. Widok i rzut piętra budynku (M l, M2, M3 - mieszkania, KL - klatka schodowa, PP - przedpokój, PI, P2, P3 - pokoje, K - kuchnie, Ł - łazienki, 1 - nawiew powietrza, 2 - jw ., lecz wywiew, 3 - centrala Renovent Excellent z rekuperatorem
Tabela 5. Przepływy powietrza i potrzeby cieplne w badanym budynku
Rys. 14. Temperatury w kotle i chłodnicy.
Oznaczenia: 1, 2 - woda chłodząca zasilająca i powrotna, 3 i 4 - woda chłodząca na zasilaniu i powrocie, 5 i 6 - woda grzewcza na zasilaniu i powrocie, 7 - zasilanie kotła, 8 - woda grzewcza z centrali
1010
Podobne w yniki uzyskać m ożna dla wszystkich pom ieszczeń, a przykładem m ogą być wybrane rezultaty obliczeń zestawione w tabelach 6 i 7 dotyczące pom ieszczenia łazienki mieszkania M l położonego na parterze. W efekcie sezonowe potrzeby na ogrzewanie badanego budynku w y no szą 232800 MJ.
Rys. 15. Zmiany mocy grzewczej oraz chłodniczej. Oznaczenia: 1 - wężownica chłodząca, 2 - chłodnica, 3 - wężownica grzewcza, 4 - grzewcza kotła, 5 i 6 - idealna moc chłodnicza i grzewcza, 7 - woda użytkowa
Rys. 16. Zmiany temperatur zewnętrznych (1) i na zasilaniu i powrucie w centrali (2, 3)
Rys. 17. Zmiany przepływów powietrza na zasilaniu (1) i powrocie z centrali (2)
-20
v i y i i i
x
, x i i i i i v 1Tabela 6. Bilans energii dla łazienki badanego m ieszkania (kW h)
M iesiąc Straty Zyski
SZ SW O W M N PP L WW OS
VI -90,1 -39,5 34,6 -272,2 -28,5 40,0 392,6 17,4
VIII -80,1 -41,1 21,6 -280,8 -26,5 41,4 404,2 17,9
X -146,5 -46,4 -61,6 -265,2 -4,6 43,8 415,6 18,4
XII -217,2 -31,9 -124,1 -237,9 -5,0 45,8 409,9 18,2
II -206,6 -27,0 -106,4 -214,3 -4,9 41,3 369,5 16,4
IV -161,0 -41,9 -30,8 -256,6 -5,2 42,1 398,3 17,7
Ogrzewanie -700,0 -152,4 -238,2 -1090,8 -14,1 207,1 1173,6 52,0
Chłodzenie -653,3 -218,4 -75,8 -1285,6 -119,0 183,7 2313,3 102,6
SZ - ściany zewnętrzne (z mostami ciep - przepływy powietrza , L - ludzie, WW
nymi), SW - ściany wewnętrzne, O - okna, WMN - wentylacja, PP - wyposażenie wewnętrzne, OŚ - oświetlenie.
Tabela 7. Przenikanie ciepła przez przegrody w łazience badanego mieszkania(kW h) M iesiąc
...r
Ściany Sufit Podłoga Okno M ostki cieplne
VI -16,5 -6,9 -48,0 -51,2 -18,7
VIII -14,6 -2,8 -45,5 -47,6 -17,2
X -44,5 -24,2 -41,4 -94,9 -36,3
XII -74,6 -49,0 -40,8 -136,0 -52,8
I -69,8 -48,4 -38,6 -128,7 -49,8
III -45,8 -33,7 -47,5 -89,2 -34,1
V -1,6 -1,3 -4,0 -1,8 -0,6
Ogrzewanie -253.6 -81.7 -163.8 -527.2 -201.0
Chłodzenie -139.6 -152.6 -258.2 -272.0 -102.8
W potrzebach tych 195990 M J zużyte jest dla centrali wentylacyjnej, prawie 250 MJ do napędu wentylatorów, 0,85 M J do napędu pomp, a łączne potrzeby energii sięgają około 429000 MJ. W efekcie przeprowadzonych analiz stwierdzono, że droższe rozwiązanie mechanicznej w entylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła pozwala, przy pominięciu kosztów napraw, na znaczny spadek kosztów eksploatacji.
Rozwiązaniami znacznie tańszym i konkurującymi z układam i omówionej wentylacji mechanicznej je st w entylacja wspom agana lub hybrydowa. Strategia pracy tego rozwiązania polega na autom atycznym włączaniu tego podsystem u, który w danej chwili nadaje się do realizacji określonych zadań. Przy układach hybrydowych w entylacja naturalna zapewnia wymianę pow ietrza tak długo, ja k jest w stanie spełnić w ym agania. W momencie, gdy nie może sprostać zadaniom , automatycznie włączana je st w entylacja m echaniczna. Jest to zatem wentylacja w spom agana przez w entylator wywiewny w łączany gdy różnica ciśnień między otoczeniem zew nętrznym , a wnętrzem budynku je st zbyt m ała dla zapew nienia odpowiedniej wymiany powietrza. G łów ną tego zaletą jest m ożliwość spadku zużycia energii napędowej, uzyskiwane zarówno przez projektowanie trasy kanałów o niskich stratach ciśnienia, jak i wykorzystanie naturalnych sił napędowych. W okresach przejściow ych, gdy nie m a potrzeby schładzania lub ogrzew ania powietrza zewnętrznego, dopływ a ono do pomieszczeń w ilościach w iększych n iż w okresie lata lub zimy. Powyższa zasada wydaje się być szczególnie przydatna dla w entylacji pom ieszczeń mieszkalnych. System dostosow uje się w miarę automatycznie do okresów , w trakcie których pom ieszczenia są nieużytkowane i ma możliwość intensyfikacji w ymiany powietrza w przypadku pow rotu użytkowników. Oznacza to rezygnację z układów realizujących stałą wymianę pow ietrza i zastąpienie ich systemami pozwalającymi na uzyskanie zmiennych strumieni pow ietrza, tak aby przy wzroście sprawności energetycznej uzyskać jednocześnie postulow aną popraw ę jakości pow ietrza wewnętrznego. R ealizow ane je st zazwyczaj przez sterowane nadążne do zmian wilgotności
powietrza, uznaną za param etr charakteryzujący wystarczająco dobrze stan powietrza wewnętrznego. Postulaty te stały się podstaw ą do opracowania higrosterowanej wentylacji hybrydowej (patrz schem at um ieszczony na rys. 18). Powietrze zewnętrzne jest dostarczane za pom ocą naw iew ników higrosterowanych (1 na rys. 18) do pokoi mieszkalnych, a jego usuwanie odbywa się z kuchni, łazienek, pom ieszczeń WC, przez higrosterowane kratki wywiewne (2 na rys. 18).
3 4
Rys. 18. Zasada działania wentylacji hybrydowej (opis w tekście)
Zachowując uprzednio uszczelnione istniejące kanały w entylacji naturalnej i umieszczając na nich higrosterowane otw ory wywiewne, w ylot główny kanału uzbrajany jest w nasady z niskooporowym w entylatorem (4 na rys. 18), w yłączanym gdy warunki pozw alają na działanie wentylacji naturalnej, a uruchomianym po wysłaniu impulsu z czujnika wskazującego brak ruchu powietrza w kanale. Nasady te m o g ą być um ieszczone na kanale, spełniającym rolę kolektora słonecznego i podnoszącego tem peraturę powietrza wywiewanego, a tym sam ym wydłużając okres działania w entylacji naturalnej. S ą one umieszczane na głów nym wylocie powietrza i zakończone w yw ietrzakam i, eliminującym w trakcie silnego naporu wiatru tłoczenie pow ietrza kanałam i do pomieszczeń. Innym rozwiązaniem są system y ogrzewania powietrznego.
S ystem y kom inow e i sp alin o w e
W przypadku w yposażenia budynków w kotłownie w ew nętrzne będą one wyposażone w układy kominowe (patrz rys. 19). Istotność wpływu ich rozw iązań na wymianę powietrza w budynku, szczególnie z uw agi na ich szczelność, wymaga znajom ości głównych wymagań odnośnie w yposażania kotłow ni i rozwiązań kanałów dym ow ych (spalinowych).
Rys. 19. Wentylacja i usuwanie spalin z kotłowni wbudowanej [5.5]. Oznaczenia: 1 - kocioł, 2 - kanał dymowy (czopuch), 3 - kanał kominowy, 4 - napływ powietrza zewnętrznego (np. kanał zetowy), 5 - otwór w yw iew ny połączony do kanału wentylacyjnego, 6 - nasada na wylocie z kanału kominowego (umieszczona na wysokości h > 0,6 m nad najwyższym punktem dachu)
Kotłownia taka pow inna posiadać kanał wywiewny o powierzchni równej 25 % pola przekroju komina, lecz nie mniejszej niż 200 cm2. Dobrze jest, gdy otwory nawiewne zlokalizowane są nad podłogą kotłowni, zaś otwory w yw iewne pod jej sufitem i w bezpośrednim sąsiedztw ie kom ina (5 na rys. 19), przy czym zależy to od rodzaju paliwa.
Gdy stosowane są kotły gazowe, wówczas napływ i odpływ pow ietrza wentylacyjnego musi odbywać się bezpośrednio przez przegrodę zewnętrzną, a w yjątkiem są kotły z zam kniętą kom orą spalania. Podstaw ow ą funkcją komina (3 na rys. 19) je st odprowadzenie produktów spalania na zewnątrz, przy czym istotną rolę pełni tu odcinek przew odu łączącego króciec wylotu spalin z kotła zw any czopuchem (2). Powinien on łączyć kotły z kom inem w sposób szczelny. Główne w ym agania dotyczące czopuchów sprowadzić m ożna do zalecenia jego izolowania termicznego, spadku w kierunku kotła wynoszącym co najmniej 5 % oraz długości nie przekraczającej 7 m.
Zadaniem kom ina je st także doprowadzenie (zassanie) pow ietrza niezbędnego do spalania. M a to m iejsce przy wykorzystaniu kotłów z tzw. naturalnym ciągiem, zależnym od różnicy tem peratury pow ietrza zewnętrznego i tem peratury spalin na poziomie wylotu z komina. Siła ciągu pokonuje sumaryczne opory przepływ u spalin przez kocioł, kanał dymowy (czopuch) i kanał kominowy. W kotłach z paleniskiem nadciśnieniowym, opór w kotle (po stronie spalin) pokonywany jest przez palnik. D la konkretnego budynku do dyspozycji jest szereg danych wstępnych, takich ja k m oc cieplna kotła oraz wysokość komina (Hk na rys. 19). Jeżeli nie m ożna przyjąć wysokości kom ina lub gdy należy sprawdzić czy siła jego ciągu je st w ystarczająca dla poprawnego działania układu usuw ania spalin przez kom in o danej w ysokości Hk wykorzystuje się zależność:
Hk = —— — , m Pe “ Ps
gdzie: Pst to statyczna siła ciągu kominowego będąca podciśnieniem na wlocie spalin do kom ina (w Pa), zaś p e i p s to gęstości powietrza zewnętrznego i spalin.
Jeżeli siła ciągu nie je s t w ystarczająca dla poprawnego funkcjonow ania układu, wtedy konieczne jest zw iększenie wysokości komina. Celem dalszych obliczeń je st dobór pola przekroju komina lub, dla założonej powierzchni komina, określenie największego natężenia tego ciągu. Mając w ysokość kom ina m ożna obliczyć powierzchni przekroju (Ak):
_ 2 , 6xQk 2 K /77~" ’
m"V K
gdzie: (J ^ je st w ydajnością cieplną kotła węglowego (kW ), a w to w spółczynnik korekcyjny o wartościach zależnych od rodzaju paliwa i wynoszący 900 (dla drew na), 1400 (dla węgla),
1600 (dla koksu) i około 1800 (dla paliw ciekłych i gazowych).
D la kotłów gazow ych lub olejowych przekrój kom ina m ożna obliczyć z zależności:
Ak = 1 5xQk/ Hk , c m 2
Powyższe zależności s ą w zoram i uproszczonymi, a uzyskiw ane pola przekroju kominów są najczęściej zbyt duże w stosunku do wymagań. Precyzyjniejsze obliczenia tego przekroju uzyskać można uw zględniając przepływ masowy spalin (m), a m ianow icie:
m
A = --- 5— , m2
K p X V
S
przy czym ms to m asow y przepływ spalin (kg/s), vs je st średnią prędkością ich przepływu (wartość zalecana 0,5-M m /s), a p s to gęstość właściwa spalin, któ rą do obliczeń wstępnych przyjmuje się 0,7-H),8 kg/m 3; m asow y przepływ spalin oszacować z przybliżonego wzoru:
_ (0,50+ 0,65)
s 1000 x Q K ’ k8/s
Orientacyjne dane dotyczące strumienia masowego spalin w zależności od mocy cieplnej wybranych kotłów, a także strat ciśnienia w tych kotłach przedstaw iono na rys. 20.
20 50 100 200 500
---moc cieplna kotłów, k W --- V
Rys. 20. Zależność strumienia masy spalin (ms) od mocy cieplnej i strat ciśnienia w wybranych kotłach [5.5], Oznaczenia: 1 - kocioł na paliwo stałe, 2 - kocioł gazowy (bez dmuchawy), 3 - kocioł olejowy, 4 - jw . lecz z dmuchawą, 5 - niezbędne ciśnienie w kominie
Gęstość spalin m ożna obliczać w sposób teoretyczny, z rów nania p m = pu(Tu/Tsm), gdzie p u jest gęstością w łaściw ą spalin w warunkach umownych, tzn. dla bezwzględnej temperatury umownej Tu = 2 7 3 ,15K, zaś Tm to bezwzględna średnia tem peratura spalin w kominie (K).
Średnia gęstość spalin zależna je st od średniej temperatury spalin (tsm) i współczynnika przenikania ciepła przez ścianki komina (Uk), a temperaturę ścianki wynosi:
ts m = t p n + l ^ ( l - e - K) , " C
gdzie: tpn to tem peratura powietrza napływającego do pom ieszczenia (przyjm owana około +15°C), tsw jest tem peraturą spalin na wlocie do komina (°C), a AT to tzw. współczynnik chłodzenia komina, w yrażony stosunkiem:
K Hk xUk xO m s X C"'
przy czym O je st w ew nętrznym obwodem kanału spalinowego (m), a cw to właściwa pojemność cieplna (rów na około 1050 J/kgK).
Orientacyjne wartości w spółczynników przenikania ciepła zebrano w tabeli 8 (są one zależne też od przekroju kom ina i prędkości przepływu spalin). D ysponując powyższymi danymi i funkcją e 'K, m ożna także obliczyć temperaturę spalin odpływ ających z kom ina (O,.):
t s w = t p n + ( t W s - t p „ ) x e - \ 0 C
przy czym tws to tem peratura spalin dopływ ających do komina (°C).
