| Wentylacja w budynkach |
Niezbędnym elementem każdego budynku, pozwalającym na znaczne ograniczenie strat ciepła, jest mechaniczna wentylacja nawiewno-wywiewna dostosowująca swoją wydajność do aktualnego zapotrzebowania na świeże powietrze.Najważniejszym elementem instalacji wentylacyjnej jest wysokosprawny wymiennik ciepła, w którym powietrzu nawiewanemu zostaje przekazana duża część ciepła odzyskana z powietrza wywiewanego.Wymiennik ten powinien charakteryzować się wysoką sprawnością powyżej 80 % i niskim zużyciem energii elektrycznej.
Wentylacja nawiewno-wywiewna w budynku ma charakter ukierunkowany. Świeże powietrze zostaje doprowadzone bezpośrednio do przestrzeni wspólnej z jadalnią i sypialni. W pomieszczeniach tych znajduję się każdorazowo, co najmniej jedna kratka nawiewna. Powietrze usuwane jest z kuchni, łazienek i sypialni na piętrze, w których umieszczone są kratki wywiewne. Dzięki temu w mieszkaniu ma miejsce ukierunkowany przepływ powietrza: świeże powietrze dociera najpierw do głównych pomieszczeń mieszkalnych. Przepływa ono następnie poprzez strefę pośrednią do pomieszczeń wilgotnych, w których panuje relatywnie wysoka krotność wymian, co umożliwia np. szybkie wysychanie mokrych ręczników. Dzięki zasadzie ukierunkowanego przepływu świeże powietrze zostaje wykorzystane w optymalny sposób. 
Centrala wentylacyjna z odzyskiem ciepłaGłównym elementem instalacji wentylacyjnej budynku jest wysokosprawny wymiennik ciepła, zwany też rekuperatorem, w który zachodzi odzyskanie ciepła z usuwanego, zużytego powietrza. Brak odzysku spowodowałby, że strata ciepła na wentylację wyniosłaby od 20 do 30 kWh/(m2a), czyli więcej niż całkowite zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku. Nowoczesne wymienniki pozwalają na odzyskanie od 65 % do 95 % ciepła z usuwanego powietrza. Zapewniają jednocześnie szczelne oddzielenie strumienia powietrza usuwanego od nawiewanego, zużywają niewiele energii elektrycznej i charakteryzują się cichą pracą. Dzięki wysokiej sprawności odzysku ciepła, straty ciepła na wentylację są małe, co jest warunkiem koniecznym dla prawidłowego funkcjonowania budynku. Wysoka efektywność wymiennika pozwala równocześnie na ogrzanie powietrza nawiewanego do temperatury zbliżonej do temperatury powietrza wewnętrznego. Dzięki temu nawiewane powietrze nie jest już „zimne“. Daje to możliwość, razem z wysoką izolacyjnością przegród zewnętrznych i okien, zapewnienia użytkownikom budynku wysokiego komfortu cieplnego. Stosowane w budynkach wymienniki powinny charakteryzować się sprawnością odzysku ciepła, ....80 % i niskim poborem mocy elektrycznej. Pozostałe parametry techniczne takie jak, wymagany spręż dyspozycyjny oraz wydatek określa się na podstawie punktu pracy instalacji. Oblicza się go przyjmując maksymalną ilość powietrza wentylacyjnego, Vn m3/h oraz obliczeniowe całkowitych straty ciśnienia, Ápc Pa (całkowita strata ciśnienia dla instalacji nawiewnej powinna być równa stracie instalacji wywiewnej przy uwzględnieniu strat w gruntowym wymienniku ciepła). Ze względu na ewentualne nieszczelności układu oraz niedokładność oszacowania strat ciśnienia, zaleca się podwyższenie obu wielkości przeciętnie o od 5 do 10 %. Uzyskany punkt pracy przenosi się na wykres charakterystyk pracy wymiennika co pozwala na wyznaczenie wymaganej prędkości obrotowej wentylatorów i poboru mocy elektrycznej, N kW. Gruntowy wymiennik ciepła Jednym z elementów instalacji wentylacyjnej budynku powinien być, gruntowy wymiennik ciepła. Ze względu na akumulację ciepła w otaczającym gruncie, wymiana ciepła w wymienniku gruntowym ma charakter nieustalony. Dodatkowym zadaniem przy obliczaniu wymienników gruntowych jest właściwe ujęcie trójwymiarowej wymiany ciepła w gruncie. W literaturze opisywanych jest kilka modeli fizycznych wymiennika gruntowego. Większość autorów rozważa jednowymiarowy przepływ ciepła – albo w kierunku promieniowym od powierzchni rury, albo w kierunku prostopadłym do powierzchni Ziemi. Poniżej do obliczeń powierzchni wymiennika gruntowego zaadoptowano metodę IGSHPA (The International Ground Source Heat Pump Association Method) doboru wymienników gruntowych współpracujących z pompami ciepła, w publikacji „Design/data manual for closed-loop ground-coupled heat pump systems” autorstwa J.E. Bose, J.D. Parker i F.C. McQuiston. Długość wymiennika gruntowego można obliczyć korzystając ze wzoru: Zakłada się, że temperatura powietrza za wymiennikiem gruntowym t1 powinna mieć wartość > 0 °C. Warunek ten chroni rekupeartor przed szronieniem powierzchni wymiennika krzyżowego zapewniając efektywną pracę.
Opór cieplny przenikania ciepła przez ściankę rury wymiennika jest sumą oporu cieplnego przejmowania ciepła od wewnętrznej ścianki do powietrza i oporu przewodzenia ciepła przez ściankę rury wymiennika:
Współczynnik przejmowania ciepła (alfa) wyznacza na podstawie teorii wymiany ciepła w przewodach przy przepływie wymuszonym. Decydujący wpływ na wartość współczynnika ma rodzaj ruchu, który zależy od średnicy wewnętrznej i prędkości przepływającego nim powietrza. Prędkość przepływu powinna być na tyle duża by wywołać ruch turbulentny intensyfikujący wyminę ciepła i zmniejszający opór przejmowania. Jednocześnie nadmierne zwiększenie prędkości może doprowadzić do znacznego wzrostu całkowitej strat ciśnienia w wymienniku i spowodować konieczność dobrania centrali wentylacyjnej o większej mocy.
Korzystając z zaprezentowanej procedury obliczeniowej wyznaczono powierzchnie wymiany (długość) gruntowego wymiennika ciepła dla przykładowego budynku. Wymiennik umieszczono pod budynkiem na głębokości 2 m a jego rolę pełni rura kanalizacyjna z PVC-U O 200/3,9, przy czym do obliczeń przyjęto następujące założenia:
Przygotowanie powietrza wentylacyjnegoZadaniem mechanicznej wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła jest doprowadzenie powietrza zewnętrznego do pokojów mieszkalnych i usunięcie powietrza zużytego powietrza wewnętrznego. Dążenie do jak największego ograniczenia strat ciepła, wykluczona bezpośrednie nawiewanie świeżego, zimnego powietrza.Proces przygotowania powietrza wentylacyjnego ma na celu jego ogrzanie i/lub stabilizację jego wilgotności. W omawianej instalacji podgrzewanie powietrza nawiewanego jest dwuetapowe. Składa się z wstępnego ogrzania w wymienniku gruntowym i właściwego w wymienniku krzyżowym. Proces ten przebiega przy stałej wilgotności bezwzględnej powietrza nawiewanego. Ochładzanie powietrza wywiewanego może powodować wykroplenie zawartej w nim pary wodnej. W przypadku wykroplenia obok ciepła jawnego powietrza wywiewanego odzyskiwane jest również ciepło utajone zawarte w parze wodnej. Przy czym oba strumienie powietrza są od siebie szczelnie oddzielone, a powstające skropliny nie powodują zwiększenia wilgotności względnej powietrza nawiewanego. W wymienniku krzyżowym zachodzi proces wymiany energii bez wymiany masy.
W celu przedstawienia procesów towarzyszących przygotowaniu powietrza wentylacyjnego na wykresie i–x Mollliera konieczne jest określenie parametrów jego punktów charakterystycznych. Temperaturę powietrza nawiewanego za rekuperatorem można obliczyć wykorzystując wzór na sprawność temperaturową odzysku ciepła:
Wilgoć ta w zetknięciu z powietrzem, którego temperatura jest niższa od zera powoduje szronienie rekuperatora. Jest to zjawisko niekorzystne powodujące spadek sprawności odzysku ciepła i wzrost oporów przepływu przez wymiennik krzyżowy. Zastosowanie wstępnego podgrzania nawiewanego powietrza zewnętrznego w wymienniku gruntowym zapobiega szronieniu rekuperatora. Dzięki temu nawet dla warunków obliczeniowych temperatura powietrza przed wymiennikiem rekuperatora nie spada poniżej zera.
Jest to efekt zbliżony do uzyskiwanego w instalacjach klimatyzacyjnych. Powietrze nawiewane może być schłodzone w gruntowym wymienniku ciepła nawet o 15 K. Procesowi temu może towarzyszyć wykroplenie się zawartej w powietrzu nawiewanym pary wodnej, czego konsekwencją będzie zmiana wilgotności bezwzględnej powietrza wentylacyjnego. Powstające skropliny muszą być odprowadzane z wymiennika, gdyż obecność wody może sprzyjać rozwojowi mikroorganizmów i pogorszeniu jakości powietrza nawiewanego. Aby umożliwić swobodny spływ skroplin gruntowy wymiennik ciepła musi być ułożony ze spadkiem.
Wentylacja nawiewno-wywiewna - eksploatacjaWykorzystanie możliwości mechanicznej wentylacja nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła i wstępnym podgrzaniem powietrza zewnętrznego w wymienniku gruntowym, jest możliwe tylko przy prawidłowej eksploatacji. Niewłaściwe użytkowanie może doprowadzić do zmniejszenia oszczędności energetycznych, a nawet spowodować zwiększenie zapotrzebowania na energię elektryczną oraz skrócenie żywotności jej poszczególnych elementów. Aby do tego nie dopuścić należy uzależnić sposób użytkowania instalacji od temperatury powietrza zewnętrznego, która decyduje o sposobie eksploatacji układu wymiennik krzyżowy – wymiennik gruntowy.
Oszacowanie efektów energetycznychMaksymalną ilość ciepła możliwą do uzyskania z gruntu i odzyskania w rekupeartorze w okresie zimy oraz maksymalną ilość chłodu możliwą do uzyskania z gruntu w okresie lata oszacowano na podstawie następującego wzoru:
Oszacowania energii możliwej do uzyskania z gruntu i odzyskania w wymienniku rekuperatora niezbędne są godzinowe dane pogodowe. Niestety, w Polsce brak jest odpowiednich norm dla wentylacji zawierających wartości entalpiogodzin dla poszczególnych stref klimatycznych kraju. Fakt ten spowodował konieczność opracowania takich danych na potrzeby obliczeń.
Uzyskane wartości entalpii powietrza dla danej temperatury zewnętrznej oraz zależności przedstawione na wykresie eksploatacyjnym pozwoliły na obliczenie wartości entalpii powietrza wentylacyjnego dla poszczególnych przemian. Przebieg zmienności entalpii został przedstawiony na entalpowym wykresie eksploatacyjnym.
W konsekwencji przeprowadzonych obliczeń otrzymano następujące wyniki:
W konsekwencji przeprowadzonych obliczeń otrzymano następujące wyniki:
W celu określenia względnego udziału ciepła uzyskanego w gruncie i odzyskanego w rekuperatorze w stosunku do całkowitej straty ciepła na wentylację przeprowadzono obliczenia dla tzw. instalacji odniesienia. Otrzymane wyniki posłużył do oszacowania oszczędności ekonomicznych. Do obliczeń przyjęto następujące założenia:
Podsumowanie
Wymienniki gruntowe ze względu na prostą konstrukcję i istniejące wytyczne projektowe nie stanowią problemu pod względem wykonawczym. Są jednak ciągle rozwiązaniem mało popularnym w Polsce, pomimo udokumentowanych przykładów ich zastosowania. Prowadzone badania wykazują ponadto, że ilość uzyskiwanego z gruntu ciepła jest czasem większa od wartości obliczeniowych. Nie obserwuje się obniżenia jakości powietrza wentylacyjnego. Problemu projektowego nie stanowi także wybór odpowiedniej centrali wentylacyjnej z odzyskiem ciepła. Na rynku dostępne są bowiem urządzenia charakteryzujące się wysokimi sprawnościami, cichą pracą oraz małym zapotrzebowaniem na energię elektryczną.
Mam nadzieję, że przedstawione w tej pracy wytyczne projektowe i eksploatacyjne układu wymiennik gruntowy-wymiennik krzyżowy przyczynią się do większego zainteresowania energooszczędnymi instalacjami wentylacyjnymi.
|
