Energooszczędne systemy wentylacyjno-klimatyzacyjne

Marta KOŚCIELSKA, II rok
Maciej ŻYRKOWSKI, II rok
Wydział: Międzywydziałowa Szkoła Energetyki
Akademia Górniczo-Hutnicza
KN „Caloria”
Energooszczędne systemy wentylacyjno-klimatyzacyjne
we współczesnym budownictwie
1. Wentylacja
We współczesnym budownictwie wentylacja stanowi ważny element każdego
projektu. Jej głównym zadaniem jest doprowadzenie świeżego i odprowadzenie zużytego
powietrza. Systemy wentylacyjne projektowane są indywidualnie do każdego budynku,
ponieważ często sposób wentylacji jest zależny od przeznaczenia budynku i jego
pomieszczeń, od jego wielkości a nawet lokalizacji. Sprawnie działająca wentylacja ma
znaczący wpływ na nasze zdrowie i samopoczucie. Jeszcze do niedawna stosowana była
głównie wentylacja grawitacyjna, obecnie jednak, coraz częściej montuje się wentylację
mechaniczną.
1.1 Wentylacja grawitacyjna
Wentylacja
grawitacyjna
działa
na
skutek
naturalnego
ruchu
powietrza
spowodowanego różnicą temperatury wewnątrz i na zewnątrz domu. Różnica temperatury
powoduje powstanie siły wyporu, dzięki której powietrze z pomieszczeń wypływa przez
pionowe kanały wentylacyjne. Na ruch powietrza ma wpływ także wiatr, który może tak
pomagać jak i przeszkadzać w działaniu wentylacji. Największą zaletą wentylacji
grawitacyjnej jest automatyka jego działania, największą wadą – duże straty ciepła
wywiewanego przez kanały wentylacyjne.
W dzisiejszych czasach budynki są o wiele lepiej izolowane niż kiedyś, okna są
szczelniejsze i niemal w ogóle nie przepuszczają powietrza. Z jednej strony zapobiega to
stratom ciepła, z drugiej jednak ogranicza skuteczność wentylacji. Tak samo ograniczają tę
skuteczność niesprzyjające warunki pogodowe. W lecie kiedy temperatura na zewnątrz
jest zbliżona do temperatury wewnątrz, mechanizm przestaje działać poprawnie. Wszystko
to sprawia, że obecnie wiele budynków nie ma zapewnionej wystarczającej wentylacji.
Jest to bardzo groźne zjawisko, mogące powodować syndrom chorego budynku, czyli
szereg dolegliwości wynikających ze zbyt małej ilości świeżego powietrza lub z jego złej
1/15
jakości. Dolegliwości te to m.in. senność, ogólne zmęczenie, nudności, bóle i zawroty
głowy, ale także większą skłonnością do przeziębień, a nawet zaniki pamięci. Wszystko to
sprawia że coraz częściej montujemy w naszych domach systemy wentylacji
mechanicznejj.
1.2 Wentylacja mechaniczna
Wentylacja mechaniczna charakteryzuje się wysoką skutecznością działania. W
odróżnieniu od wentylacji grawitacyjnej pozwala na pełną kontrolę ilości dostarczanego do
pomieszczeń powietrza. Dzięki możliwości stosowanie filtrów pozwala również na kontrolę
jakości powietrza. Ponadto jej działanie nie zależy od warunków atmosferycznych.
Wentylacja mechaniczna pozwala na odzysk ciepła z wyprowadzanego na zewnątrz
powietrza poprzez podłączenie do systemu wentylacyjnego rekuperatora lub innego
wymiennika. Podstawową wadą tego systemu jest potrzeba dostarczania energii
elektrycznej, co może stanowić znaczny problem przy długotrwałych awariach sieci
elektrycznej.
Grawitacyjna
Zalety
Wady
Brak konieczności dostarczania
energii
Prostota działania
✗ Wysokie straty ciepła
✗ Niska skuteczność
✗ Zależność od warunków
atmosferycznych
Mechaniczna
Odzysk Ciepła
Duża skuteczność niezależnie od
warunków atmosferycznych
Szerokie możliwości regulacji
✗ Potrzeba dostarczenia energii
elektrycznej
2. Odzysk ciepła
Istnieje wiele sposobów, by odzyskać ciepło tracone w procesie wentylacji. Można
zastosować wymienniki obrotowe, bądź z płynem pośredniczącym, jednak najczęściej
stosowany jest wymiennik krzyżowy - rekuperator.
Jest to urządzenie przy użyciu którego następuje wymiana powietrza. Powietrze z
wewnątrz wylatuje osobnym kanałem, oddając przy tym swoje ciepło powietrzu
napływającemu z zewnątrz. Powietrze z rekuperatora jest rozprowadzane dalej przez
system wentylacyjny do poszczególnych pomieszczeń. System taki pozwala na kontrolę
wymiany powietrza i poprawia znacznie jego jakość dzięki możliwości montowania filtrów.
Ponadto, w lecie, dzięki zastosowaniu gruntowego wymiennika ciepła możemy otrzymać
funkcję chłodzenia. Do wad zaliczyć trzeba spore rozmiary samego rekuperatora a także
2/15
stałe koszty wynikające z niemal nieustannej pracy wentylatora. Wadą może być również
konieczność dodatkowego dogrzewania powietrza wpływającego do rekuperatora, jednak
w nowszych urządzeniach tego typu problem został rozwiązany.
źródło: www.signoria.pl
3. Wykorzystanie ciepła zawartego w ziemi
Do wspomagania systemów wentylacji mechanicznej coraz częściej wykorzystuje
się ciepło zawarte w ziemi. Padające promienie słoneczne ogrzewają grunt, i tak na
głębokości ok. 1,5 metra panuje niemal niezmienna temperatura co można a nawet należy
wykorzystać. Jak to przedstawia załączony wykres, większe korzyści można uzyskać jeżeli
w ziemi występuje wilgoć która zwiększa pojemność cieplną gruntu.
źródło: www.solis.pl
3/15
Ciepło to można wykorzystać poprzez tak zwane gruntowe wymienniki ciepła.
Zasada ich działania jest niezwykle prosta. Polega na przepuszczeniu przeponowo lub
bezprzeponowo czynnika odbierającego lub oddającego ciepło do złoża gruntowego.
4. Gruntowy wymiennik ciepła
Gruntowy wymiennik ciepła, to konstrukcja pozwalająca na czerpanie energii
zgromadzonej w gruncie, lub oddawanie do gruntu nadmiaru energii. System wentylacyjny
bardzo dobrze współpracuje z gruntowymi wymiennikami ciepła które dodatkowo
dogrzewają powietrze kierowane do rekuperatora zimą, bądź schładzają powietrze
kierowane bezpośrednio do wentylacji latem. Dzięki zastosowaniu takiego rozwiązania
zimą odzyskana zostaje znaczna część energii która zostaje bezpowrotnie utracona
podczas tradycyjnego wietrzenia. Ponadto dzięki kontrolowanemu przepływowi powietrza
można łatwo ustalić ilość świeżego powietrza dostarczanego do pomieszczeń, co nie jest
możliwe w przypadku wentylacji grawitacyjnej i nieszczelnej stolarki okiennej. Natomiast
latem dzięki zastosowaniu gruntowego wymiennika ciepła powietrze nawiewane jest
chłodniejsze niż powietrze na zewnątrz. Otrzymamy w ten sposób wentylację z funkcją
chłodzenia, co może być nieocenione w upalne dni.
Lato
Zima
źródło: www.rehau.pl
Przykładowo, jak widać na rysunku, zimą zamiast nawiewać do centrali
wentylacyjnej mroźne powietrze o temperaturze -15°C, mo żna przepuścić je najpierw
przez wymiennik i uzyskać temperaturę wylotową przykładowo 2°C. Latem sytuacja b ędzie
odwrotna, gorące powietrze przepływając przez wymiennik ochłodzi się. W obu
przypadkach korzyść jest oczywista.
4/15
4.1 Rurowy wymiennik ciepła
Jest to pierwszy z wynalezionych wymienników i zarazem najprostszy w konstrukcji.
W najprostszej wersji jest to zakopane w ziemi kilkadziesiąt metrów cienkościennej
rury na końcu której znajduje się czerpnia powietrza. Większa długość zakopanej rury
to większa powierzchnia wymiany cieplnej ale z drugiej strony większe opory przepływu,
czyli większe koszty energii potrzebnej na przetłoczenie powietrza. Do budowy zamiast
kolanek 90° powinno si ę stosować dwa kolanka 45°, a ilo ść zakrętów powinna być jak
najmniejsza w celu zmniejszenia oporów przepływu.
źródło: www.gwc.com
źródło: www.dom.gazeta
4.1.1 Zasada działania
Zasada działania rurowego wymiennika ciepła jest bardzo prosta. Powietrze
przepływając przez rurę odbiera ciepło zgromadzone w gruncie. Wykorzystywane jest przy
tym zjawisko przewodzenia cieplnego. Sprawność instalacji zależeć będzie od pojemności
cieplnej gruntu oraz od grubości i materiału rury wymiennika.
5/15
4.1.2 Budowa
Rurę zakopuje się na głębokości ok. 1-2 metrów. Korzystną sytuacją będzie
występowanie wód gruntowych. Rura powinna posiadać nieznaczny spadek a w
najniższym miejscu odprowadzenie ewentualnie wykroplonej wilgoci. Dalej powietrze
podawane jest do rekuperatora. Rurowy wymiennik ciepła spełni swoją rolę jeżeli będzie
dobrze zaprojektowany i precyzyjnie wykonany. Na pewno warto rozważyć jego
zainstalowanie gdy na obszarze instalacji występują wysokie wody gruntowe.
Najczęściej stosowane sposoby ułożenia rur wymiennika przedstawione zostały na
rysunkach:
źródło:www.instalacjebudowlane.pl
Na wykresach pokazana została praca wymiennika w zimie i w lecie. Jak widać,
temperatura powietrza opuszczającego wymiennik jest niemal stała przez cały sezon i nie
zmienia się nawet przy długotrwałych mrozach bądź też upałach.
źródło: www.signoria.pl
6/15
Prostym przykładem obliczenia potrzebnej długości wymiennika rurowego
jest wykorzystanie programu reklamowego 'Rehau Awadukt'. Program ten może
policzyć minimalną temperaturę na wylocie wymiennika dla zadanych parametrów,
lub obliczy minimalną długość wymiennika przy zadanej temperaturze minimalnej.
4.2 Żwirowy wymiennik ciepła
Jednym z najczęściej stosowanych gruntowych wymienników ciepła jest tak zwany
żwirowiec. Jak wskazuje nazwa, idea jego działania polega na przepuszczeniu powietrza
przez złoże żwiru który bardzo dobrze akumuluje ciepło. Wymienniki ten jest stosunkowo
wydajny jednak złoże trzeba regenerować. W praktyce, oznacza to np. działanie przez ok.
8 godzin i tyle samo czasu na regenerację. Nie jest to jednak wielki problem przy
odpowiednim rozplanowaniu czasu pracy złoża. Jeżeli możemy sobie pozwolić na dwa
oddzielne złoża żwirowca, będą one mogły funkcjonowały na zmianę. Można zbudować
dwa wymienniki obok siebie i zamontować mechanizm, który będzie pobierał powietrze z
jednego lub drugiego złoża. W chwilach kiedy powietrze nie przepływa przez GWC,
rekuperator korzysta z dodatkowej czerpni zamontowanej na ścianie budynku.
źródło: www.instalacjebudowlane.com
7/15
źródło: www.rekuperatory.pl
źródło: www.forum.muratordom.pl
Watro
również
zaznaczyć,
że
stwierdzona została biologiczna czystość
powietrza wychodzącego z wymiennika
nawet po wielu latach korzystania ze złoża.
Powietrze
dostarczane
wentylacyjnego
jest
do
nawilżone
systemu
i
nie
wymaga użycia dodatkowych filtrów, które
są niezbędne w wymiennikach innego
typu.
4.2.1 Zasada działania
Powietrze pobierane z czerpni przetłaczane jest przy pomocy wentylatora do
wymiennika a następnie podziurawionymi rurami trafia do złoża gdzie przechodząc przez
żwir ogrzewa się bądź też ochładza. Przy pomocy identycznych podziurawionych rur
8/15
powietrze jest zbierane i doprowadzane dalej do wentylacji.
4.2.2 Budowa
Rury ułożone w złożu posiadają specjalne otwory przez które powietrze przedostaje
się do złoża gdzie odbiera lub oddaje ciepło. Należy wspomnieć iż tego typu wymiennika
nie stosujemy w przypadku występowania wysokich wód gruntowych. Na położonym złożu
instaluje się system zraszający w celu utrzymania stałej wilgotności.
GWC żwirowy buduje się kiedy poziom wód gruntowych jest stale niski a okoliczna
gleba nie jest gliniasty czy ilasta. Jeżeli woda jest wyżej, należy podnieść całość tak żeby
nie uległa zalaniu, grunt powyżej złoża wypiętrzyć, aby wierzchnia warstwa ziemi była
dostateczna, a warstwę izolującą poprowadzić w sposób umożliwiający przedłużenie
izoterm znajdujących się na odpowiedniej głębokości.
4.3 Płytowy wymiennik ciepła
Jest to wymiennik bezprzeponowy o budowie modułowej. Umieszczany jest płytko
pod powierzchnią gruntu, na podsypce z płukanego żwiru i piasku. Wymiennik ten musi
być umieszczony powyżej wód gruntowych. Ponadto utrzymuje optymalną wilgotność
powietrza kierowanego do wentylacji.
Samodzielna budowa jest niemal niemożliwa, ponieważ firma Provent produkująca
wymiennik zastrzegła sposób budowy w urzędzie patentowym.
źródło: www.wymiennikgruntowy.pl
9/15
4.4 Ziemny wymiennik ciepła
Alternatywą dla obu zaprezentowanych wynalazków jest ziemny wymiennik ciepła.
Jest to jedna z nowszych metod wykorzystania naturalnej energii. Instalacja ta najlepiej
sprawdza się z sytuacji gdy wody gruntowe znajdują się płytko pod powierzchnią.
Umieszczając wymiennik na poziomie wód gruntowych, można znacznie ograniczyć
niezbędną powierzchnię instalacji.
Możliwość budowy wymiennika na poziomie wód gruntowych, jest jego dużą
zaletą. Teren podmokły nie tylko nie przeszkadza tak jak ma to miejsce np. w wymienniku
żwirowym, tu jest on wręcz zaletą, dzięki której można znacznie ograniczyć koszty budowy
wymiennika i jego minimalną powierzchnię.
4.4.1 Zasada działania
Zasada działania tego wymiennika jest nieco inna niż wymiennika żwirowego czy
rurowego. Nie ma tu bezpośredniej wymiany ciepła pomiędzy gruntem i powietrzem.
Medium transportującym energię jest płyn w rurce.
W warunkach zimowych w trakcie obiegu płyn odbiera energię z gruntu. Powietrze
zasysane w czerpni przepływa przez wymiennik typu woda – powietrze, gdzie odbierana
jest energia zgromadzona w płynie. Powietrze ogrzewa się, po czym jest dostarczane do
rekuperatora. Latem ciepłe powietrze przepływając przez wymiennik oddaje energię do
płynu i ochładza się. Płyn w rurce odbiera energię z przepływającego powietrza po czym
oddaje ją do gruntu.
Wymiennik typu woda-powietrze
źródło: www.dospel-comfort.com
10/15
źródło: www.xenergy.pl
4.4.2 Budowa
Wymiennik budowany jest w sposób zbliżony do budowy kolektora płaskiego pompy
ciepła W ziemi na głębokości poniżej poziomu przemarzania gruntu zakopana jest rurka
wypełniona wodą lub roztworem glikolu. Przy użyciu małej pompy płyn w rurce wprawiany
jest w ruch.
Sposób ułożenia rurki jest niemal dowolny, najczęściej wykorzystywane modele
przedstawione zostały na schemacie.
11/15
4.5 Inne typy gruntowych wymienników ciepła
Istnieją także inne sposoby budowania wymienników. Na obrazku pokazane zostało
rozwiązanie w którym rurka z glikolem ułożona została na dnie stawu. Rozwiązanie to
pozwala korzystać przez cały rok ze stałej temperatury na dnie zbiornika, która powinna
wynosić ok. 4-8 st.
źródło: www.solarus.pl
Innym ciekawym pomysłem jest wykorzystanie studni i urządzenie w niej
mechanizmu znanego z chłodni kominowych. Woda jest wypompowywana na pewną
12/15
wysokość i rozpylana na specjalnych sitkach. Powietrze poruszające się w przeciwprądzie
odbiera ciepło od kropel. Niewątpliwą zaleta takiego rozwiązania jest bardzo duża
powierzchnia wymiany ciepła pomiędzy powietrzem a kroplami wody a co za tym idzie jej
wysoka skuteczność. Ponadto dzięki takiemu rozwiązaniu można uzyskać naturalny filtr
antyalergiczny i nawilżacz w jednym. Jest to jednak bardzo nowatorski pomysł i wymaga
on jeszcze gruntownego przetestowania. Najważniejsze pytanie dotyczyć będzie czystości
powietrza wewnątrz studni.
13/15
4. Podsumowanie
Zalety
Wady
GWC
rurowy
✔ Duża powierzchnia wymiany
✔ Prostota działania
✔ Niskie opory przepływu
✔ Może być wykorzystany przy
wysokich wodach gruntowych
✗
✗
Odprowadzenia skroplin
Niezbędne dokładne wykonanie
GWC
żwirowy
✔ Dobry kiedy nie ma wód
gruntowych
✔ Duża skuteczność wymiany
ciepła
✔ Zajmuje mało miejsca
✗
Potrzeba częstej regeneracji
GWC
ziemny
✔ Uniwersalny
✔ Niskie koszty rur
✔ Brak problemów z czystością
złoża
✗ Straty energii w wymienniku
ciecz-powietrze
Podsumowując, wymienniki ciepła służą do wspomagania systemów wentylacji w
budynkach. Dzięki wykorzystaniu odnawialnej energii z otoczenia można znacznie
ograniczyć koszty ogrzewania. Nie ma jednak jednoznacznej recepty które z
wymienionych urządzeń lepiej sprawdzi się w danych warunkach. W Polsce wciąż jest to
zdecydowanie nowość i nie wszyscy w sposób profesjonalny umieją zaprojektować takie
instalacje.
Istotne jest aby każdy budynek i każdy projektowany wymiennik potraktować
indywidualnie dobierając wielkość i parametry w zależności od kubatury budynku, ilości
przebywających w nim osób oraz rodzaju gruntu w którym ma znaleźć się wymiennik. Jeśli
wszystkie te parametry zostaną uwzględnione, można dobrać najlepszy wymiennik, a
wtedy korzyści z pozyskanej energii będą niewymierne. Warto również pamiętać, że
korzystając z takich rozwiązań technologicznych chronimy środowisko naturalne.
Przedstawione wymienniki są jedynie przykładami. Każdy sposób budowy, który
pozwala na wykorzystanie energii z gruntu przy niskim zużyciu energii, jest dobry.
14/15
5. Literatura
Czasopismo „Rynek Instalacyjny”, numery:
Marzec 2006
Marzec 2007
Grudzień 2008
Ryszard Tytko - „Odnawialne Źródła Energii”
Strony internetowe:
http://forum.muratordom.pl
www.rynekinstalacyjny.com.pl
www.rekuperator.pl
www.wentylacja.com.pl
www.agdex.com
15/15