Projektowanie w budynkach pasywnych instalacji ziębniczej, przygotowania ciepłej wody użytkowej i wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej

W artykule „Projektowanie instalacji sanitarnych w budynkach pasywnych – studium przypadku” w nr. 9/2016 „IB” przedstawiono ogólne zasady projektowania wewnętrznych instalacji sanitarnych w budynkach pasywnych oraz opisano bardziej szczegółowo instalację ogrzewczą.

Instalacja ziębnicza

Dla budynku pasywnego (BP) utrzymanie pożądanych parametrów środowiska wewnętrznego może być trudniejsze latem niż zimą. W okresie letnim należy zapobiec przegrzewaniu się powietrza wewnątrz obiektu [3]. Dochodzi do tego najczęściej w wyniku generowania nadmiernych zysków ciepła zarówno pochodzenia wewnętrznego (zyski od urządzeń, oświetlenia, ludzi), jak i zewnętrznego, których głównym źródłem jest bezpośrednie promieniowanie słoneczne. Ciepło absorbowane przez południowe przeszklenia oraz zakumulowane w obiekcie przy wysokiej szczelności bryły nie ma możliwości naturalnego wydostania się na zewnątrz. Aby temu wyzwaniu sprostać, w pierwszej kolejności należy przeprowadzić analizy mające na celu zniwelowanie nadmiernych zysków ciepła. Duże przeszklenia południowej fasady wymagają odpowiedniego zacienienia za pomocą zewnętrznych systemów zacieniających, takich jak rolety, markizy czy żaluzje. Przegrzaniu środowiska wewnętrznego można zapobiegać, m.in. stosując przegrody oszklone o zmiennych właściwościach, a także przez dobór kolorystyki dachu i pozostałych przegród zewnętrznych oraz sadzenie drzew liściastych lub pnączy czy innej zrzucającej liście roślinności [5].

Ciepło z BP może zostać odebrane przez wykorzystanie naturalnych strategii wspomagania chłodzenia [5]. Przykładem jest zabudowa komina słonecznego przylegającego do południowej fasady budynku. Wysoka temperatura powietrza wewnątrz konstrukcji implikuje wzmożoną naturalną konwekcję płynu, tworząc różnicę ciśnień między wlotem a wylotem powietrza wentylacyjnego. W połączeniu z gruntowym wymiennikiem ciepła lub zabudową zbiornika wodnego może stworzyć system gwarantujący ciągłą i darmową dostawę chłodnego, świeżego powietrza do wnętrza obiektu.

Tradycyjną metodą w Polsce jest jednak zastosowanie aktywnych urządzeń ziębniczych. Przy czym zapotrzebowanie na moc chłodniczą BP zależy od wielu zmiennych, w tym od warunków zewnętrznych, wymaganych parametrów środowiska wewnętrznego, potencjalnych zysków ciepła czy od usytuowania względem stron świata.

Norma PN-EN 12831 [2] w przypadku obliczania obciążenia chłodniczego w Polsce nie ma swego odpowiednika. Co prawda, istnieją w Polsce normy opisujące ten problem [6, 7], niemniej nie zawierają one wytycznych projektowych. Najczęściej na ten cel wykorzystywane są wytyczne niemieckie VDI 2078 [8], rzadziej austriackie ONORM H 6040 [9]. Wytyczne [8] zawierają dwie metody obliczeniowe, metodę skróconą oraz metodę EDV, w której czasochłonnie uzyskane wyniki dla standardowych przypadków są tożsame z metodą uproszczoną. Metoda EDV służy do rozszerzenia zakresu stosowania na praktycznie dowolne warunki brzegowe. Zapotrzebowanie na odprowadzenie nadmiernego ciepła z budynku jest sumą obciążeń chłodniczych pojedynczych pomieszczeń dla określonej krytycznej godziny w roku reprezentatywnym. Celem jego określenia należy stworzyć profil obciążeń chłodniczych całego obiektu, nakładając na siebie profile obciążeń poszczególnych pomieszczeń. Dla BP ze względu na ich wysoką akumulacyjność i dużą pojemność cieplną sytuacja nieco się komplikuje. Doświadczony projektant może przyjąć określoną wartość współczynnika redukcji obliczeniowej mocy chłodniczej. Dokładne oszacowanie obciążeń można uzyskać, przeprowadzając obliczenia numeryczne i symulacje.

Zapotrzebowanie na moc chłodniczą należy określać indywidualnie dla konkretnego przypadku. Dla BP największe obliczeniowe różnice rezultatów otrzymano w zależności od typu przyjętego oszklenia i jego zacienienia, od sposobu wentylacji budynku oraz od wielkości wewnętrznych zysków ciepła, w tym zysków ciepła od urządzeń i oświetlenia, a także ciepła utajonego i jawnego od ludzi. Optymalizacja tych składowych prowadzi do nawet kilkukrotnego obniżenia zapotrzebowania na moc chłodniczą budynku. Autor podjął się pewnego uśrednienia wyników obliczeń (tabl. 1). Przyjęcie podanych wartości jako reprezentatywnych dla ogółu budynków podobnego typu, nie zważając na indywidualne różnice, może prowadzić do znacznych rozbieżności obliczeniowego obciążenia chłodniczego, a następnie maksymalnej mocy chłodniczej urządzenia ziębniczego.

Rys. 1 Kryteria projektowe instalacji wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej (opracowanie we współpracy z biurem architektonicznym Pasywny m2)

Instalacja ciepłej wody użytkowej (c.w.u.)

Zapotrzebowanie ciepła na cele podgrzewania c.w.u. w BP niekiedy znacząco przewyższa zapotrzebowanie ciepła na cele ogrzewcze obiektu. Zapewnienie wysokotemperaturowego czynnika grzewczego jest trudniejsze do uzyskania przy zastosowaniu odnawialnych źródeł energii. Niezwykle istotne jest ograniczenie dyssypacji energii z układów przetwarzania i magazynowania ciepłej wody użytkowej przez zastosowanie wysokoefektywnych urządzeń oraz dobrej jakościowo i o odpowiedniej grubości izolacji termicznej.

Systemy przygotowania c.w.u. można wesprzeć przez zastosowanie technologii solarnych oraz odzysku ciepła z wody zużytej. Ważne jest w BP rozmieszczenie pomieszczeń sanitariatów. W celu ograniczenia długości rurociągów, przez które dyssypuje energia, sanitariaty należy lokalizować zwarcie i możliwie w jak najbliższej odległości od źródła ciepła [1].

Instalacja wentylacji mechanicznej (IWM)

Dobre zarządzanie komfortem klimatycznym obejmuje dostarczenie odpowiedniej ilości świeżego powietrza zewnętrznego, utrzymanie budynku w stanie suchym i czystym oraz tworzenie wewnątrz warunków sprzyjających zdrowiu i bezpieczeństwu użytkowników. Integralnym elementem większości BP jest wysokosprawny układ wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej o strukturze kanałowej. Wybór sposobu dystrybucji powietrza powinien być dobrze przemyślany i skonsultowany z architektem/projektantem na etapie koncepcji BP Celem stosowania IWM jest zapewnienie wysokiej jakości powietrza wewnętrznego, które będzie odczuwane jako świeże, przyjemne i stymulujące. Istnieje złożoność wzajemnych oddziaływań między jakością powietrza wewnętrznego a zdrowiem, wydajnością oraz odczuciem komfortu.

Kolejnym krokiem po określeniu wytycznych i preferencji stron realizujących proces budowlany oraz po wybraniu sposobu dystrybucji powietrza wentylacyjnego jest sporządzenie bilansów jego ilości. W budynkach pasywnych IWM należy projektować, opierając się na kryteriach przedstawionych na rys. 1.

Ilości powietrza wentylacyjnego ustala się na podstawie bilansów czynników szkodliwych, jak: zyski ciepła, wilgoci, ilości emitowanych zanieczyszczeń (np. CO₂, biozanieczyszczeń), wymagania higieniczne lub normowe, pamiętając przy tym, że zawarte w normie PN-83/B-03430 [10] projektowe strumienie objętości powietrza wentylacyjnego należy traktować względnie jako minimalne, nie zaś optymalne. Oszczędności energetyczne czy inwestycyjne nie mogą być dokonywane kosztem redukcji strumienia powietrza świeżego. Passive House Institute (PHI) zaleca przyjmować 30 m³/h świeżego powietrza na osobę przy normalnej pracy IWM z możliwością zwiększenia wydatku na cele przewietrzenia budynku oraz obniżenia do minimalnego poziomu 0,3 h podczas nieobecności użytkowników lub przy niskich temperaturach zewnętrznych celem zapobieżenia przesuszenia powietrza wentylacyjnego. Należy zapewnić kierunek przepływu powietrza od pomieszczeń o mniejszym stopniu zanieczyszczenia do pomieszczeń o większym stopniu zanieczyszczenia [1].

Ważnym elementem IWM w budynkach pasywnych pozwalającym na znaczne ograniczenie dyssypacji energii jest wysokoefektywny wymiennik ciepła o temperaturowej sprawności n > 75%. Podczas certyfikacji obiektów z użyciem programu PHPP rekomendowane jest stosowanie przebadanych przez PHI central wentylacyjnych [1]. Obecnie wielu producentów oferuje rekuperatory mające efektywną sprawność odzysku ciepła > 90%. Brak odzysku ciepła implikuje wzrost ilości ciepła potrzebnego na podgrzanie powietrza świeżego o 20-30 kWh/m²/rok, czyli mniej więcej o tyle, ile wynosi całkowite zapotrzebowanie na ciepło BP Wysoka efektywność wymienników przy jednoczesnym zastosowaniu pasywnego wstępnego podgrzewu powietrza zewnętrznego (do t_C = 1^oC) zapewnia optymalną temperaturę powietrza nawiewanego do budynku (t_N ok. 18-19^oC), zbliżoną do temperatury środowiska wewnętrznego. Dzięki temu nie jest konieczne stosowanie wtórnej nagrzewnicy kanałowej za rekuperatorem na linii nawiewnej do budynku (rys. 2) [4].

Pasywne grzanie/chłodzenie wstępne powietrza zewnętrznego uzyskuje się przez zastosowanie m.in. gruntowych wymienników ciepła (GWC).

Rys. 2 Schemat koncepcyjny układu wentylacji mechanicznej z dodatkowym wymiennikiem ciepła (opracowanie własne)

Tabl. 2 Analiza zastosowania wstępnej nagrzewnicy elektrycznej

W zależności od wyboru konkretnego rozwiązania GWC może pełnić funkcję podgrzewu i stabilizacji wilgotności powietrza czerpanego w okresie zimowym oraz funkcję jego schładzania w okresie letnim, działając jak prosty układ chłodniczy. Zakłada się, że temperatura powietrza przed rekuperatorem (t_C) powinna mieć wartość dodatnią, aby ochraniać powierzchnię wymiennika przed szronieniem [4]. Do tego celu wykorzystać można także nagrzewnicę elektryczną. Dla konkretnego BP wybór sposobu podgrzewu wstępnego powietrza wentylacyjnego powinien być poprzedzony analizą energetyczno-ekonomiczną. W tabl. 2 przedstawiono prostą analizę wyboru wstępnej nagrzewnicy elektrycznej dla nominalnego strumienia powietrza czerpanego V_nom = 300 m³/h oraz przy jego obniżeniu do V_min = 150 m³/h w okresach ujemnych temperatur dla Poznania (wg 30-letnich danych klimatycznych). Zasadne jest stosowanie impulsowych nagrzewnic elektrycznych. Rentowność wykorzystania pasywnego podgrzewu i chłodzenia powietrza czerpanego w GWC można wyznaczyć, posługując się danymi empirycznymi z istniejących BP [1].

Projektując IWM, należy dobierać przekroje kanałów wentylacyjnych zgodnie z zasadą maksymalnych liniowych strat hydraulicznych wynoszących 1 Pa/m.b. kanału podczas normalnej wydajności centrali wentylacyjnej, co implikuje zachowanie niskich prędkości przepływu powietrza (v < 3,0 m/s), a także przekłada się na niższe koszty eksploatacji systemu (poniżej 0,45 Wh/m³). Nieduża prędkość przepływającego powietrza dla kratek wentylacyjnych oraz czerpni i wyrzutni wraz z zastosowaniem tłumików szumu pozwala zachować optymalne warunki akustyczne w budynku (poziom hałasu nie wyższy niż 25 dB) i jego otoczeniu [1].

Podsumowanie

Obecnie się obserwuje wzrost zainteresowania budynkami energooszczędnymi, w tym pasywnymi. W projektowaniu zintegrowanym główny nakład pracy powinien zostać przesunięty z etapu projektu wykonawczego na etap tworzenia koncepcji, od której w głównej mierze zależą podstawowe cechy budynku i jego charakterystyka energetyczna. Wprowadzenie modyfikacji mających na celu poprawę jakości obiektu na dalszych etapach jego powstawania jest możliwe, lecz pole manewru będzie zawężone i wiąże się z wyższymi kosztami wprowadzania potencjalnych zmian.

Optymalizację procesu projektowania wewnętrznych instalacji sanitarnych w BP należy poprzedzić przeprowadzeniem wielopoziomowej analizy wyboru rozwiązania kompromisowego oraz niezbędnych symulacji mających na celu maksymalne wykorzystanie naturalnych strategii ogrzewania i chłodzenia.

Dobór systemów ogrzewczych, ziębniczych i wentylacyjnych oraz ich potencjalna integracja powinny być dostosowane indywidualnie dla konkretnego budynku. Już w fazie opracowywania koncepcji obiektu projektant instalacji sanitarnych wspólnie z architektem powinien przygotować wstępną propozycję działania układów oraz przeanalizować ich techniczne możliwości. Znając szczegółowe wymagania inwestora dotyczące roli systemu, tworzy się matrycę dopuszczalnych rozwiązań i wybiera te najbardziej korzystne, mając na względzie zapewnienie w pierwszej kolejności wysokich parametrów komfortu klimatycznego przy jednoczesnym dążeniu do minimalizacji zużycia energii pierwotnej.

mgr inż. Bartosz Radomski
doktorant, Politechnika Poznańska