Instalacje wentylacyjne i klimatyzacyjne. Energooszczędność – przepisy

Energooszczędne rozwiązania w centralach wentylacyjno-klimatyzacyjnych. Przepisy krajowe i dyrektywy europejskie

Opisane w artykule Centrale wentylacyjno-klimatyzacyjne. Energooszczędność aspekty energooszczędności znajdują odzwierciedlenie w rozporządzeniu krajowym i rozporządzeniu Komisji Europejskiej w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE ustanawiającej ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią [N3]. Odnośnie do układu odzysku ciepła (UOC) rozporządzenie Ministra Infrastruktury [N1] wymaga, aby w instalacjach wentylacji mechanicznej ogólnej nawiewno-wywiewnej lub klimatyzacji komfortowej o wydajności 500 m³/h i więcej (…) stosować urządzenia do odzyskiwania ciepła o sprawności temperaturowej co najmniej 50% lub recyrkulację, gdy jest to dopuszczalne. Wymagań tych można nie stosować w przypadku instalacji używanych krócej niż przez 1000 godzin w roku. Tak niska wymagana wartość sprawności temperaturowej wynika z intencji prawodawcy, aby umożliwić stosowanie w instalacjach glikolowych wymienników z medium pośredniczącym, które mają niską wartość tego parametru. Są one jednak przydatne w sytuacjach, gdy centrala wywiewna jest zlokalizowana w dużej odległości od nawiewnej lub zachodzi potrzeba eliminacji przecieku powietrza wywiewanego do nawiewanego, np. dla pomieszczeń, w których nie jest dozwolona recyrkulacja powietrza.

Fot. stock.adobe
 

Równolegle obowiązujące rozporządzenie Komisji UE [N4] dotyczy prawie wszystkich instalacji, z wyjątkiem rzadko spotykanych urządzeń o mocy poniżej 30 W, pracujących w temperaturze poniżej -40^oC i powyżej +100^oC, a także w warunkach sprzyjających wybuchowi lub służących jedynie zapewnieniu bezpieczeństwa pożarowego. Rozporządzenie przewiduje podział systemów wentylacji mechanicznej na przeznaczone dla obiektów mieszkalnych i niemieszkalnych, co warunkuje również taki sam podział central pracujących w tych systemach. Przez systemy dla obiektów mieszkalnych (systemy wentylacji mieszkaniowej – (SWM) rozumie się instalacje o wydajności centrali do 250 m³/h lub do 1000 m³/h, jeśli producent deklaruje, że urządzenie jest przeznaczone wyłącznie dla budynków mieszkalnych. Natomiast systemy dla obiektów niemieszkalnych (SWNM) mają wydajność central powyżej 1000 m³/h lub powyżej 250 m³/h, jeśli producent nie deklaruje ich przeznaczenia dla budynków mieszkalnych. Wszystkie systemy dwukierunkowe DSW (czyli nawiewno-wywiewne) muszą być wyposażone w UOC. Nie przewiduje się stosowania recyrkulacji, chociaż nie ma informacji o jej zakazie.

W odniesieniu do SWNM zapisany jest warunek minimalnej sprawności cieplnej wszystkich urządzeń do odzysku ciepła w systemach wentylacyjnych dwustronnych (nawiewno-wywiewnych), z wyjątkiem UOC z medium pośredniczącym 73%, a urządzeń z medium pośredniczącym 68%. Pojawiają się sygnały, że stosowane dotąd najczęściej w centralach wymienniki krzyżowo-płytowe nie spełniają tego wymagania i muszą być wycofane lub udoskonalone. Zastępuje się je też wymiennikami przeciwprądowymi, charakteryzującymi się wyższą sprawnością. Są problemy z uzyskaniem wymaganej wartości tego parametru przez wymienniki glikolowe. Aby ją osiągnąć, konieczna jest przebudowa tych wymienników [8] lub zmniejszenie prędkości czołowej przepływu powietrza, co się wiąże ze zwiększeniem przekroju poprzecznego centrali. Duża rozbieżność wartości tego wskaźnika między zapisami przepisów krajowych a europejskich wynika także zapewne ze sposobu jego określania. Sprawność odzysku ciepła wg rozporządzenia Komisji (UE) [N4] dla SWNM określana jest dla warunków suchych, przy zrównoważonym przepływie obu strumieni masy powietrza, przy różnicy temperatury między strumieniem powietrza usuwanego i świeżego równej 20 K. Natomiast polski prawodawca [N1] sposobu tego nie definiuje, co każe się domyślać, że chodzi o wartość średnią w ciągu okresu stosowania odzysku ciepła. Należy jednak zauważyć, że nadmierne zwiększanie sprawności temperaturowej układu odzysku ciepła sprowadza niebezpieczeństwo zamarzania wymiennika po stronie powietrza wywiewanego, co z kolei powoduje pojawienie się nakładów energetycznych na odszranianie i powinno to być każdorazowo sprawdzone przy doborze UOC. Rozporządzenie Komisji (UE) [N4] przewiduje, że wszystkie UOC muszą być wyposażone w obejście odzysku ciepła po stronie powietrza zewnętrznego, pozwalające na regulację wydajności wymiennika, a także dające możliwość usuwania zaszronienia w przypadku jego wystąpienia (rys. 4). W regenaratorach obrotowych funkcję tę pełni regulator obrotów rotora.

Rys. 4 Sposób realizacji obejścia UOC na przykładzie wymiennika krzyżowo- -płytowego [6]

W przypadku systemów wentylacji w budynkach mieszkalnych sprawa odzysku ciepła uwzględniona jest przez ograniczenie wartości jednostkowego zapotrzebowania energii (JZE). Jest to wskaźnik zawierający informacje o przypadającej rocznie na 1 m² powierzchni pomieszczenia lub budynku sumie pobranej ilości energii elektrycznej do napędu wentylatorów i energii grzewczej zużywanej do odszraniania wymiennika, pomniejszonej o energię odzyskaną w efekcie stosowania UOC. Obecnie wymagane jest, aby wartość JZE dla klimatu umiarkowanego nie przekraczała -20 kWh/(m²/rok). Szczegółowe informacje o procedurze obliczania JZE znajdują się w załączniku VIII do rozporządzenia Komisji (UE) [N4].

Odnośnie do drugiego aspektu oszczędności energii w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych rozporządzenie Ministra Infrastruktury [N1] zaleca ograniczenie wartości jednostkowej mocy wentylatora, czyli mocy odniesionej do jednostkowej wydajności wentylatora i wyrażonej w kW/(m³/s). Przy obliczaniu sprężu wentylatora, potrzebnego do określenia jego mocy, uwzględnione powinny być w tym przypadku straty ciśnienia zarówno w centrali, jak i w pozostałych częściach instalacji. Wartości maksymalne tego parametru w zależności od rodzaju wentylatora i instalacji zestawione są w tab. 1.

Tab. 1. Maksymalne wartości mocy właściwej wentylatora [N1]

Dopuszcza się zwiększenie mocy właściwej wentylatora w przypadku zastosowania filtrów i UOC wymienionych w tab. 2.

Tab. 2. Dodatkowa moc właściwa wentylatorów [N1]

Nieco inne podejście do ograniczenia mocy wentylatora prezentuje rozporządzenie Komisji UE [N4] dla systemów SWNM. Wprowadzone jest pojęcie wewnętrznej jednostkowej mocy wentylatora (JMW) części pełniących funkcje wentylacyjne, wyrażonej w W/(m³/s). Oznacza to, że przy jej wyznaczeniu uwzględnia się tylko moc elektryczną potrzebną do pokonania oporów przepływu powietrza przez urządzenia wchodzące w skład tzw. konfiguracji wzorcowej. Dla instalacji nawiewno-wywiewnej obejmuje ona obudowę, wentylatory nawiewny i wywiewny, czyste filtry „bardzo dokładny” na nawiewie i „dokładny” na wywiewie (opisane w załączniku IX do rozporządzenia) oraz UOC, niezależnie od rzeczywistej konfiguracji centrali. Maksymalną wartość JMW oblicza się każdorazowo zgodnie ze wzorami podanymi w załączniku III do rozporządzenia [N4]. Zależy ona od wartości znamionowego wydatku powietrza (tylko dla wydajności mniejszej lub równej 2 m³/s), od rodzaju UOC (z podziałem na urządzenia z medium pośredniczącym i pozostałe), nadwyżki sprawności termicznej UOC nad wymaganą minimalną oraz uwzględnia korektę związaną z rzeczywiście zainstalowanym filtrem.

W przypadku systemów SWM rozporządzenie to nie podaje wymagań odnośnie do wartości maksymalnych JMW.

Dla poprawy efektywności wykorzystania mocy wentylatora w rozporządzeniu zapisane jest wymaganie wyposażenia wszystkich central wentylacyjnych w napęd wielobiegowy (silnik wentylatora, który może pracować co najmniej z trzema różnymi stałymi prędkościami oraz z prędkością zerową w trybie spoczynku) albo w układ bezstopniowej regulacji prędkości obrotowej wentylatora. Ponadto biorąc pod uwagę fakt dużego wpływu zanieczyszczenia filtrów na wzrost oporów przepływu powietrza w instalacji, rozporządzenie wymaga stosowania w centralach wentylacyjnych z filtrem mechanizmów wizualnego ostrzegania o konieczności wymiany filtra lub alarmu w systemie sterowania, które się włączają, jeżeli strata ciśnienia w filtrze przekracza maksymalną dopuszczalną stratę końcową.

Zobacz: Rekuperacja powietrza w układach wentylacji

Rodzaje central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych

Z punktu widzenia energooszczędności oprócz podziału na centrale do obiektów mieszkalnych i niemieszkalnych istotne jest zróżnicowanie central ze względu na zastosowany sposób odzysku ciepła. Wyróżnia się centrale z jednostopniowym i wielostopniowym odzyskiem ciepła. Do tej pierwszej grupy zalicza się centrale z recyrkulacją powietrza wywiewanego, dopuszczane jedynie przez przepisy krajowe (rys. 5a) oraz UOC, którymi najczęściej są wymienniki krzyżowo-płytowe (rys. 5b) lub wymienniki obrotowe (rys. 5c).

Rys. 5. Centrale z jednostopniowym odzyskiem ciepła: a) z recyrkulacją w wykonaniu basenowym [6], b) z wymiennikiem krzyżowym [9], c) z wymiennikiem obrotowym [6] 1 – obudowa, 2 – wentylator, 3 – wymiennik obrotowy, 4 – układ sterowania, 5 – filtr, 6 – chłodnica, 7 – nagrzewnica, 8 – wymiennik krzyżowy, 9 – komora mieszania

Złożona budowa central z drugiej grupy służy zwiększeniu odzysku ciepła w systemie. Przykładem takich rozwiązań może być układ dwustopniowy z rurkami ciepła i recyrkulacją, pokazany na rys. 6a, lub trójstopniowy: wymiennik krzyżowo-płytowy, recyrkulacja i pompa ciepła (rys. 6b).

Rys. 6. Centrale z wielostopniowym odzyskiem ciepła w wykonaniu basenowym: a) z grawitacyjnymi rurkami ciepła i recyrkulacją, b) z wymiennikiem krzyżowo-płytowym, recyrkulacją i pompą ciepła [6] 1 – obudowa, 2 – wentylator, 5 – filtr, 7 – nagrzewnica, 8 – wymiennik krzyżowo-płytowy, 9 – komora mieszania, 10 – pompa ciepła, 11 – rurki cieplne
 

Sprawdź: Odzysk energii – ciepła i chłodu w instalacjach wentylacyjno-klimatyzacyjnych
 

Są również inne kryteria podziału central, związane tylko pośrednio z energooszczędnością. Ze względu na lokalizację wyróżnia się centrale:

• standardowe (fot. 1a) – ustawione na podłodze maszynowni wentylacyjnej;
• podwieszane (fot. 1b) – pod sufitem, raczej o małych wymiarach poprzecznych obudowy;
• dachowe (fot. 1c) – charakteryzujące się m.in. większą grubością izolacji obudowy, zblokowaniem z czerpnią i wyrzutnią powietrza oraz zabezpieczeniem przeciw opadom atmosferycznym.

Fot. 1. Sposoby lokalizacji central: a) standardowa [9], b) podwieszana [10], c) dachowa [11]

Ze względu na przeznaczenie oprócz standardowych wyróżnia się centrale specjalnego wykonania:

• centrale basenowe, które ze względu na wymagane parametry powietrza w hali pływalni powinny uwzględniać recyrkulację powietrza wywiewanego [4] i być zabezpieczone przed działaniem chloru (rys. 5a i 6);
• centrale higieniczne, przeznaczone do pomieszczeń czystych, takich jak np. obiekty służby zdrowia, charakteryzujące się m.in. gładkim wykonaniem obudowy od strony wewnętrznej, możliwością podglądu, łatwym dostępem do czyszczenia i wysoką skutecznością zastosowanych filtrów (fot. 2).

Fot. 2. Wykonanie centrali w wersji higienicznej [12]

Instalacje wentylacyjne i klimatyzacyjne. Energooszczędność – normy i przepisy

• N1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny podlegać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 75, poz. 690, z późn. zm. – tekst jednolity obowiązujący od dnia 1 stycznia 2018 r.).
• N2. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 26 września 1997 r. w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy (tekst jednolity z 28 sierpnia 2003 r., Dz.U. z 2003 r. Nr 169, poz. 1650, z późn. zm.).
• N3. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE z dnia 21 października 2009 r. ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią.
• N4. 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.

Literatura

1. B. Lipska, Projektowanie wentylacji i klimatyzacji. Urządzenia i przewody, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2018.
2. B. Lipska, Projektowanie wentylacji i klimatyzacji. Podstawy uzdatniania powietrza, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2018.
3. A. Pełech, Wentylacja i klimatyzacja. Podstawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
4. B. Lipska, Z. Trzeciakiewicz, Projektowanie wentylacji i klimatyzacji. Zagadnienia zaawansowane, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2018.
5. www.klingenburg.pl
6. www.frapol.com
7. www.spc-hvac.co.uk
8. J. Muller, Praktyczne konsekwencje wymagań dyrektywy ErP w projektowaniu wentylacji, „Rynek Instalacyjny” nr 1-2/2018.
9. www.dospel.com
10. www.klimor.pl
11. www.climagold.com
12. www.bartoszwentylacja.com.pl

dr hab. inż. Barbara Lipska