Wentylacja z rekuperacją w domach jednorodzinnych

W budynkach jednorodzinnych oprócz strat lub zysków ciepła przez przegrody zewnętrzne i od źródeł zewnętrznych występują wewnętrzne zyski ciepła, wilgoci i zanieczyszczeń gazowych, pochodzące np. od ludzi oraz powstające w kuchni, łazience lub w.c. w trakcie ich normalnej eksploatacji. Nadmierna ilość wilgoci w pomieszczeniach sprzyja rozwojowi bakterii, grzybów i pleśni oraz powoduje powstawanie nieprzyjemnych zapachów. Gromadzące się dwutlenek węgla i inne zanieczyszczenia pogarszają jakość powietrza wewnętrznego, a zatem i samopoczucie mieszkańców. Z tych właśnie powodów obiekty te powinny być wentylowane, tzn. musi być do nich doprowadzony i odprowadzony pewien strumień objętości powietrza zewnętrznego.

Przepisy dotyczące działania wentylacji a zalecenia praktyczne

Polska Norma [1] obliguje projektantów do zapewnienia wentylacji w budynkach mieszkalnych. Służy ona przede wszystkim do usuwania wilgoci i zanieczyszczeń gazowych, dlatego też nosi nazwę wentylacji higienicznej lub bytowej. Jej zadaniem nie jest ogrzewanie pomieszczeń w zimie czy ich klimatyzowanie w lecie, dlatego nie należy jej mylić z ogrzewaniem powietrznym lub klimatyzacją powietrzną budynku. Musi ona natomiast współpracować w okresie zimowym z dowolnym systemem ogrzewania budynku, a w okresie letnim z ewentualną klimatyzacją, służącą do chłodzenia powietrza wewnętrznego, np. urządzeniami klimatyzacji powietrzno-wodnej (klimakonwektory, belki chłodzące) [2, 3] lub powietrzno-freonowej (split, multisplit) [2].

Strumienie objętości odprowadzonego powietrza powinny wynosić co najmniej [1]:

• z kuchni – w zależności od wyposażenia od 50 do 70 m³/h, z możliwością okresowego zwiększenia do 120 m³/h;
• z łazienki (z c. lub bez) – 50 m³/h;
• z wydzielonego w.c. – 30 m³/h;
• z pomocniczego pomieszczenia bezokiennego – 15 m³/h;
• z pokoju mieszkalnego oddzielonego od kuchni, łazienki i w.c. więcej niż dwojgiem drzwi lub pokoju znajdującego się na wyższym poziomie domu jednorodzinnego – 30 m³/h.

Powietrze doprowadza się do pokojów oraz kuchni z oknem zewnętrznym. Zgodnie z rozporządzeniem [4] strumień powietrza zewnętrznego doprowadzanego do pomieszczeń mieszkalnych powinien odpowiadać wymaganiom normy [1] i być równy wartości strumienia objętości powietrza odprowadzanego, musi jednak być nie mniejszy niż 20 m³/h na osobę przewidywaną na pobyt stały. Sumaryczny strumień objętości powietrza wentylacyjnego dla typowego domu jednorodzinnego wynosi zatem od 200 do 250 m³/h.

Z praktyki eksploatacji domów jednorodzinnych wynika jednak, że w okresie zimowym jest wskazane ograniczenie strumienia objętości powietrza wentylacyjnego, zwłaszcza nocą, przy niskiej temperaturze powietrza zewnętrznego. Nawiewane powietrze zewnętrzne ma wtedy bardzo małą zawartość wilgoci, co po podgrzaniu do temperatury wymaganej w pomieszczeniu przekłada się na obniżenie wilgotności względnej powietrza wewnętrznego nawet do około 10%. Im większy strumień nawiewanego powietrza, tym większy strumień masy wody jest potrzebny do dowilżenia tego powietrza do zalecanej minimalnej wilgotności względnej, czyli około 30%. Z kolei w lecie jest wskazana intensywniejsza wentylacja, z tą jednak uwagą, że doprowadzenie w upalne dni powietrza zewnętrznego wiąże się ze wzrostem temperatury wewnątrz budynku. Dlatego też pożądane jest wtedy zmniejszenie strumienia objętości powietrza nawiewanego i intensyfikacja wentylacji w chłodniejszym okresie nocnym.

>>> Wentylacja mechaniczna w budynkach mieszkalnych wielorodzinnych

>>> Wentylacja z funkcją chłodzenia

>>> Pompy ciepła – efektywność, moc oraz obowiązki użytkowników i monterów

Tradycyjne rozwiązania wentylacji z możliwości ich modernizacji

Tradycyjnym rozwiązaniem wentylacji higienicznej w domach jednorodzinnych jest tzw. wentylacja grawitacyjna, będąca odmianą wentylacji naturalnej. Usuwanie powietrza zachodzi przez naścienne kratki wywiewne, lokalizowane w pomieszczeniach, w których wydzielają się wilgoć i zanieczyszczenia (rys. 1). Podłączone są one do kanałów wentylacyjnych wyprowadzonych nad dach budynku (każda kratka do oddzielnego kanału). W kanale tym w wyniku różnicy temperatury powietrza wewnątrz i zewnątrz budynku oraz działania wiatru wytwarza się ciąg kominowy. Powoduje to zasysanie powietrza z pomieszczenia, w którym wytwarza się podciśnienie. Wywołuje ono z kolei dopływ powietrza z zewnątrz, przez nieszczelności w oknach, drzwiach lub specjalnie do tego celu przewidziane nawiewniki okienne w przypadku szczelnych okien, do wszystkich pomieszczeń, w których te otwory się znajdują. Powietrze do pomieszczeń bezokiennych z kratkami wywiewnymi dopływa natomiast przez kratki kontaktowe w drzwiach lub szczeliny pod skrzydłami drzwiowymi.

Rys. 1. Rozmieszczenie otworów nawiewnych i wywiewnych przy wentylacji grawitacyjnej na jednej kondygnacji domu jednorodzinnego [5]

Przy takim rozwiązaniu w okresie zimowym dopływające powietrze zewnętrzne jest zimne i ciepło, które musi być dostarczone na jego ogrzewanie, stanowi istotną część zapotrzebowania na ciepło dla budynku. Działanie takiej wentylacji jest silnie uzależnione od warunków atmosferycznych: temperatury powietrza i prędkości wiatru. W okresie letnim jest wyraźnie osłabione lub nawet zachodzi odwrócenie kierunku przepływu powietrza, tzw. cofka. Utrudniona jest też regulacja strumienia objętości nawiewanego i wywiewanego powietrza. Są to podstawowe wady tego rozwiązania.

Rys. 2. System wspomagania wentylacji grawitacyjnej domu jednorodzinnego [7]

W istniejących domach można przeprowadzić modernizację powodującą poprawę działania wentylacji grawitacyjnej:

• w celu zwiększenia i regulacji ciągu kominowego okresowo stosuje się mechaniczne wspomaganie przepływu przez niskoenergetyczne hybrydowe nasady wentylatorowe [6] lub turbowenty (rys. 2, szczegół A), zainstalowane na wylocie kanału wywiewnego;
• w celu ograniczenia wypływu powietrza przez kratki wywiewne do wartości normowych stosuje się stabilery (rys. 2, szczegół B);
• w celu regulacji strumienia objętości powietrza dopływającego do pomieszczeń stosuje się nawiewniki okienne lub ścienne: ciśnieniowe, higrosterowane lub dwusystemowe [6];
• aby zapobiec nawiewaniu zimnego powietrza do pomieszczeń, instaluje się nawietrzaki np. wewnątrzścienne z grzałką elektryczną (rys. 2, szczegół C);
• w celu poprawy jakości powietrza wewnętrznego stosuje się nawiewniki antysmogowe, wyposażone w filtry zatrzymujące pyły PM10 i PM2,5 [8].

Żadne z tych rozwiązań nie zapewnia jednak oszczędności energii niezbędnej do ogrzania powietrza zewnętrznego w zimie. Dla przykładowego domu jednorodzinnego z wymaganym strumieniem objętości powietrza wentylacyjnego 220 m³/h zapotrzebowanie na jego ogrzanie od temperatury obliczeniowej powietrza zewnętrznego –20^oC do temperatury powietrza w pomieszczeniu +21^oC wynosi około 3 kW. Należy zatem rozważyć, zwłaszcza w nowo budowanych lub remontowanych budynkach, zastosowanie innego rozwiązania – wentylacji mechanicznej. Dzięki temu stanie się możliwe w zimie ograniczenie zapotrzebowania na ciepło do ogrzania powietrza wentylacyjnego.

W domach jednorodzinnych mogą być stosowane dwa rodzaje takich instalacji: scentralizowana i zdecentralizowana.

W każdej z nich uzdatnianie powietrza wentylacyjnego w zimie bazuje głównie na wykorzystaniu odzysku ciepła z powietrza usuwanego z pomieszczeń. Należy jednak zaznaczyć, że rozporządzenie [4] nie przewiduje obowiązku wyposażania instalacji wentylacyjnych o wydajności mniejszej niż 10 000 m³/h w urządzenie do odzysku ciepła (dalej: UOC). Również rozporządzenie [9] nie nakłada takiego obowiązku na systemy wentylacji mieszkaniowej.

Scentralizowana wentylacja mechaniczna z rekuperacją

Aby było możliwe wykorzystanie odzysku ciepła, instalacja wentylacji mechanicznej w domu jednorodzinnym musi być dwustronna, nawiewno-wywiewna, a przewody powietrza nawiewanego i usuwanego muszą być doprowadzone do UOC (rys. 3). Zgodnie z normowymi zasadami powietrze powinno być doprowadzone do pomieszczeń czystych, czyli przede wszystkim pokojów, a odprowadzane z pomieszczeń zanieczyszczonych: kuchni, łazienki, w.c., garderoby itp. Urządzenie do odzysku ciepła lokalizuje się w pomieszczeniach pomocniczych, typu garaż, pomieszczenie gospodarcze, bądź na poddaszu budynku. Schemat prowadzenia przewodów i lokalizacji nawiewników i wywiewników oraz UOC pokazano dla przykładowej instalacji wentylacyjnej na rys. 4. Koszty wykonania instalacji wentylacyjnej tego typu są porównywalne z kosztami budowy zbędnych wówczas kanałów wentylacji grawitacyjnej.

Rys. 3. Uproszczony schemat instalacji wentylacyjnej z rekuperatorem [10]

Rys. 4. Schemat instalacji wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z rekuperatorem na jednej kondygnacji domu jednorodzinnego [11]

Rekuperatory stosowane w układach scentralizowanych

W budynkach jednorodzinnych do odzysku ciepła stosuje się obecnie głównie rekuperatory, czyli UOC, w których wymiana ciepła między powietrzem usuwanym a zewnętrznym następuje przez przeponę, bez kontaktu i mieszania obu strumieni powietrza. Ma to istotny wpływ na zachowanie czystości powietrza nawiewanego. Wśród tych urządzeń przeważają rekuperatory z bezpośrednią wymianą ciepła, zazwyczaj płytowe: krzyżowe (rys. 5a) i przeciwprądowe (rys. 6a). Ich wypełnienie wykonane jest z płyt, najczęściej z tworzyw sztucznych, w odpowiedniej obudowie. Strumienie powietrza zewnętrznego i usuwanego przepływają naprzemiennie obok siebie w przestrzeniach między płytami, przez które następuje wymiana ciepła. W wymiennikach krzyżowych przepływy te krzyżują się pod kątem prostym (rys. 5b). W wymiennikach przeciwprądowych strumienie powietrza płyną równolegle w przeciwnych kierunkach (rys. 6b). Najzimniejsze powietrze zewnętrzne kontaktuje się z ochłodzonym już powietrzem usuwanym, co poprawia warunki wymiany ciepła. Z powodu trudności konstrukcyjnych UOC tego typu zazwyczaj wykonuje się jako wydłużone wymienniki krzyżowe (rys. 6b), a zatem w rzeczywistości występuje w nich przepływ mieszany.

Rekuperatory pracują w układzie małych central wentylacyjnych, w których zainstalowano jeszcze wentylatory nawiewny i wywiewny, najczęściej promieniowe, oraz filtry powietrza zewnętrznego i usuwanego (rys. 5 i 6).

Rys. 5. Centrala wentylacyjna z rekuperatorem płytowym krzyżowym: a) widok, b) schemat i wartości temperatury strumieni powietrza (oprac. autorki wg [12])

Rys. 6. Centrala wentylacyjna z rekuperatorem płytowym przeciwprądowym: a) widok, b) schemat i wartości temperatury strumieni powietrza (oprac. autorki wg [12])

Parametrem charakteryzującym pracę UOC jest sprawność cieplna. Jest to stosunek przyrostu temperatury powietrza zewnętrznego do spadku temperatury powietrza usuwanego, jaki nastąpiłby przy wyrzucaniu go na zewnątrz bez działania rekuperatora [13]. Metodyka określania wartości tego parametru dla UOC w budynku mieszkalnym podana jest w [9]. Nie ma natomiast w aktualnych polskich przepisach [4] dolnego ograniczenia wartości tego parametru, a w europejskich [9] jest jedynie podana wartość dla budynków niemieszkalnych (73%). Według danych producentów sprawność rekuperatorów krzyżowych ma wartość około 75%, natomiast wymienników przeciwprądowych osiąga nawet 95%. Stosuje się też rozwiązanie w postaci połączonych szeregowo dwóch wymienników krzyżowych [11], co pozwala na uzyskanie sprawności do 92%. Wartości te mają istotny wpływ na wartość ciepła odzyskanego w UOC.

Na rys. 5b i 6b pokazano wartości temperatury strumieni powietrza przepływających przez rekuperator krzyżowy o sprawności 75% i przeciwprądowy o sprawności 90% dla zimowych warunków obliczeniowych w III strefie klimatycznej. Na tej podstawie oceniono oszczędności ciepła potrzebnego do ogrzania powietrza wentylacyjnego, jakie daje zainstalowanie rekuperatora w tych warunkach we wspomnianym wcześniej domu jednorodzinnym. Wynoszą one dla wymiennika krzyżowego 2,32 kW, czyli 77% zapotrzebowania na ciepło, a dla wymiennika przeciwprądowego odpowiednio 2,78 kW i 93%. Od tych wartości należy oczywiście odjąć wartości mocy wentylatorów wywołujących przepływ powietrza w instalacjach nawiewnej i wywiewnej, które są stosunkowo niewielkie. Gdy uwzględni się jeszcze nakłady energetyczne na odmrażanie rekuperatora lub zapobieganie zaszronieniu, to w okresie sezonu grzewczego oszczędność ciepła na ogrzanie powietrza wentylacyjnego wynosi około 50%.

Rys. 7. Zamarznięte kanaliki rekuperatora krzyżowego [15]

Szronienie rekuperatorów i sposoby zapobiegania

W przypadku gdy średnia temperatura powierzchni wymiany ciepła od strony powietrza zewnętrznego jest niższa od temperatury punktu rosy powietrza wywiewanego, ochładzanie tego powietrza przebiega z wykropleniem wilgoci, co przyczynia się do poprawy sprawności wymiany ciepła nawet do 30% [14]. Jeśli jednak w wyniku ochłodzenia temperatura powietrza usuwanego spadnie poniżej zera, zachodzi niekorzystne zjawisko zaszronienia rekuperatora (rys. 7). Powoduje ono zwiększenie oporów przepływu powietrza przez UOC, a w skrajnej sytuacji jego całkowite zablokowanie. Zwiększone jest też ryzyko zniszczenia wymiennika. W wymiennikach krzyżowych niebezpieczeństwo to dotyczy szczególnie narożnika usytuowanego między wlotem powietrza zewnętrznego i wylotem powietrza usuwanego („zimny róg”) – rys. 8a. W wymienniku przeciwprądowym kontakt z najzimniejszym powietrzem następuje na samym końcu kanału powietrza wywiewanego („zimny prostokąt”) – rys. 8b [16]. Graniczna temperatura powietrza zewnętrznego, przy której rozpoczyna się proces zamarzania skroplin, jest tym wyższa, im wyższa jest sprawność cieplna UOC. Nie należy więc dążyć do nadmiernego zwiększania wartości tego parametru.

Rys. 8. Rozmieszczenie stref zamarzania po stronie powietrza usuwanego w rekuperatorze: a) krzyżowym, b) przeciwprądowym [16]

Do usuwania powstałego zaszronienia wykorzystuje się obejście (by-pass) wymiennika, w które UOC zgodnie z [9] obowiązkowo powinno być wyposażone. Jednak jak wskazuje doświadczenie, powoduje to pogorszenie sprawności odzysku ciepła i nie zawsze w pełni zabezpiecza przed zamarzaniem. Najlepiej jest zapobiegać zaszronieniu. Osiąga się to przez zastosowanie wstępnej nagrzewnicy elektrycznej powietrza zewnętrznego, co wiąże się z dodatkowym nakładem energetycznym.

Dlatego też zalecanym rozwiązaniem, zapobiegającym w pełni szronieniu UOC, jest zastosowanie w zimie do wstępnego ogrzania powietrza zewnętrznego powyżej 0^oC gruntowego wymiennika ciepła, działającego na zasadzie płytkiej geotermii. W domach jednorodzinnych mogą być stosowane wymienniki powietrzne lub z czynnikiem pośredniczącym, bezprzeponowe lub przeponowe, zlokalizowane obok budynku albo wewnątrz jego obrysu. Szczegółowe informacje o takich rozwiązaniach można znaleźć w pracy [17].

>>> Rekuperacja powietrza w układach wentylacji

>>> Bezprzewodowe systemy wentylacyjno-klimatyzacyjne

>>> Gruntowe wymienniki ciepła stosowane w wentylacji i klimatyzacji

Działanie rekuperatorów i gruntowych wymienników ciepła w okresie letnim

Latem w naszych warunkach klimatycznych rekuperatory nie są w stanie w istotnym stopniu schłodzić powietrza zewnętrznego. Z tego powodu, biorąc także pod uwagę wymagane zwiększenie mocy wentylatora na przepływ powietrza przez rekuperator, ich działanie może być nieopłacalne. Zaleca się zatem, aby powietrze zewnętrzne było kierowane przez obejście rekuperatora [13]. Natomiast gruntowe wymienniki ciepła można wykorzystać w okresie letnim do schłodzenia powietrza zewnętrznego o około 15–16 K, co może się okazać wystarczające do zapewnienia w budynku komfortu cieplnego bez działania klimatyzacji [1, 17].

Zdecentralizowana wentylacja mechaniczna

Zainstalowanie opisanych układów centralnych wentylacji domów jednorodzinnych jest często utrudnione w przypadku istniejących obiektów ze względu na brak wystarczającej przestrzeni oraz zbyt małą wysokość pomieszczeń. Montaż takich systemów w istniejącej aranżacji wnętrza wymaga również wykonania znaczących przeróbek. Pojawia się dylemat, jak rozprowadzić i ukryć przewody. Z tego powodu dużo łatwiejsze do zastosowania podczas modernizacji domów jednorodzinnych są zdecentralizowane systemy wentylacji mechanicznej, zwane też rekuperacją rozproszoną.

Głównymi elementami składowymi tych systemów są niewielkie UOC ścienne, zamontowane w przegrodach zewnętrznych budynków, oddzielnie dla każdego z pomieszczeń. Daje to możliwość indywidualnej regulacji wentylacji. Mogą one działać na zasadzie rekuperatora przeciwprądowego, którego budowa i zasada działania są przedstawione na rys. 9. Dzięki dwóm wentylatorom powietrze usuwane z pomieszczenia i nawiewane przepływają jednocześnie przeciwprądowo przez miedziany wymiennik ciepła, nie mieszając się. Sprawność cieplna takich UOC wynosi około 92–93%.

Rys. 9. Wewnątrzścienny rekuperator przeciwprądowy wraz z przepływami strumieni powietrza usuwanego i nawiewanego [18]

Stosuje się też rozwiązania działające na zasadzie wymiennika regeneracyjnego typu push-pull (rys. 10). W jednym cyklu pracy, trwającym około 70 s, przez wymiennik przepływa powietrze usuwane z pomieszczenia, które oddaje ciepło do ceramicznej masy akumulacyjnej. Następnie zachodzi zatrzymanie i zmiana kierunku obrotów wentylatora. W drugim cyklu jest zasysane chłodne powietrze zewnętrzne, które odbiera ciepło od masy akumulacyjnej. Dzięki takiemu przebiegowi cykli strumienie powietrza nie mieszają się ze sobą. Zalecane jest montowanie takich urządzeń parami w dwóch sąsiednich pomieszczeniach albo na dwóch przeciwległych ścianach dużego pokoju. Wtedy można je tak zsynchronizować, że kiedy jeden wymiennik jest w cyklu nawiewu, to drugi pracuje w cyklu wywiewu i pomieszczenia są przez cały czas w pełni wentylowane.

Rys. 10. Budowa wewnątrzściennego regeneratora jednorurowego z ceramicznym wkładem akumulacyjnym [19]

Montaż takich UOC jest bardzo prosty, wymaga jedynie wywiercenia otworów w ścianach zewnętrznych. Należy jednak pamiętać, że zgodnie z dobrą praktyką oraz z rozporządzeniem [4] w pomieszczeniu, w którym jest zastosowana wentylacja mechaniczna, nie można stosować wentylacji grawitacyjnej ani hybrydowej. Z tego powodu, gdy rozproszone UOC są zamontowane w pomieszczeniach z kratkami wentylacji grawitacyjnej (np. łazienkach, kuchniach), powinny one zostać przesłonięte. To samo dotyczy nawiewników okiennych, które również mogą zaburzyć działanie systemu wentylacji [19].

dr hab. inż. Barbara Lipska
Politechnika Śląska
Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki
Katedra Ogrzewnictwa, Wentylacji i Techniki Odpylania

Literatura

1. PN-B-03430:1983/Az3:2000 Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej – Wymagania.

2. B. Lipska, Z. Trzeciakiewicz, Projektowanie wentylacji i klimatyzacji. Zagadnienia zaawansowane, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2018.

3. B. Lipska, Belki chłodzące – nowoczesne urządzenia końcowe w klimatyzacji powietrzno-wodnej, „Przewodnik Projektanta” nr 2/2022.

4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 w sprawie warunków technicznych, jakim powinny podlegać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. nr 75 poz. 690 z późn. zm.).

5. www.darco.pl.

6. www.aereco.com.pl.

7. www.dobrawentylacja.pl.

8. www.oknoplast.pl.

9. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1253/2014 z dnia 7 lipca 2014 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla systemów wentylacyjnych.

10. www.wentylacyjny.pl.

11. www.pro-vent.pl.

12. www.proventis.pl.

13. B. Lipska, Projektowanie wentylacji i klimatyzacji. Podstawy uzdatniania powietrza, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2018.

14. S Anisimov, A. Jedlikowski, D. Pandelidis, Performance analysis and safe operating conditions for the cross-flow heat exchanger used for energy recovery from exhaust air in ventilation systems, Applied Energy 2015.

15. A. Jedlikowski, D. Pandelidis, M. Karpuk, Zamarzanie rekuperacyjnych wymienników ciepła, cz. 1, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2015.

16. A. Jedlikowski, D. Pandelidis, M. Karpuk, Zamarzanie rekuperacyjnych wymienników ciepła, cz. 2, „Rynek Instalacyjny” nr 7-8/2015.

17. B. Lipska, Gruntowe wymienniki ciepła stosowane w wentylacji i klimatyzacji, „Przewodnik Projektanta” nr 1/2022.

18. www.hvacpr.pl.

19. www.alnor.com.pl.