Drukuj
Nadrzędna kategoria: Artykuły tematyczne

Schowek01Po 2019 r. dyrektywy unijne będą wymuszały projektowanie budynków tzw. zero energetycznych (nnZEB – nearly zero-energy buildings) lub pasywnych. W obiektach takich szczególną uwagę należy zwrócić na obliczenia strat ciepła i krotności wymian powietrza na godzinę. Jeśli budynek pasywny lub energooszczędny z wysokosprawnym odzyskiem ciepła ma nieszczelności, wówczas jego zapotrzebowanie na energię do ogrzewania może wzrosnąć ponad ustalony poziom.


W przypadku wentylacji mechanicznej nieszczelności instalacji powodują, że powietrze nie dociera do miejsca przeznaczenia, a także rośnie obciążenie wentylatorów, układów chłodniczych i grzewczych. Pogarsza się zatem efektywność energetyczna całego systemu wentylacji. Spróbujmy przeanalizować różne aspekty tego faktu.


Wymagania prawne


W świetle wymagań prawnych, wentylację mechaniczną należy stosować w budynkach, w których utrzymanie odpowiednich parametrów środowiska powietrznego nie jest możliwe przy wykorzystaniu standardowej wentylacji grawitacyjnej. W wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej powietrze napływa do pomieszczeń i jest potem z nich usuwane kanałami. Ruch powietrza wymuszają wentylatory. W instalacji można regulować ilość powietrza wymienianego w obiekcie, ograniczając odpowiednio szybkość wymiany, gdy w budynku jest niewiele osób, bądź intensyfikować wymianę powietrza, gdy osób jest znacznie więcej. Osiągnięcie wysokiego standardu energetycznego budynku energooszczędnego nie jest możliwe bez sprawnej wentylacji mechanicznej z odSchowek02zyskiem ciepła. Sprawna instalacja to nie tylko działający system – ale też taki, który spełnia obowiązujące normy.
Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE z dnia 21 października 2009 r., wprowadzona m.in. Rozporządzeniem Komisji (UE) nr 1253/2014, wskazuje, że w odniesieniu do systemów wentylacyjnych najważniejszym parametrem związanym z wpływem na środowisko jest zużycie energii elektrycznej w fazie użytkowania. To podkreślenie „w fazie użytkowania" jest wielce znaczące. Ceny nośników energii ze źródeł tradycyjnych będą stale rosły. Oznacza to, że w określonej perspektywie czasowej przedmiotem weryfikacji będzie nie tylko deklaratywna wielkość zużycia, ale także ustalona poprzez pomiary rzeczywista wartość zużycia energii.

Schowek03


Chociaż powszechne pomiary rzeczywistej wartości zużycia energii przez system wentylacyjny to zapewne odległy horyzont czasowy, to już dziś inwestorzy, przy zbyt wysokich opłatach za energię, mogą żądać potwierdzenia pomiarami deklarowanej w projekcie energooszczędności.

 

Kontrole eksploatacyjne instalacji wentylacyjnych są ważne także w kontekście jakości higieniczno-sanitarnej powietrza dostarczanego do pomieszczeń. W przypadku dużych instalacji kwestię kontroli eksploatacyjnej regulują stosowne przepisy, natomiast w domowych instalacjach konieczne jest raczej racjonalne podejście.

Okresowe przeglądy instalacji Schowek04powinny być okazją do weryfikacji poprawności jej działania. Wszelkie wady – zarówno wykonawcze, jak i powstające w czasie eksploatacji powinny być wówczas usuwane. Dyrektywy UE zmierzają w kierunku certyfikacji wyrobów, tak by inwestor mógł łatwo sprawdzić, czy komponenty systemu wentylacji są odpowiedniej jakości i jaki mają wpływ na energochłonność instalacji. Do dnia 1 stycznia 2017 r. eksperci UE powinni ustalić, czy w świetle postępu technicznego konieczne jest ustanowienie wymogów dotyczących stopnia przecieków powietrza. Dziś można sformułować kilka wstępnych spostrzeżeń wiążących nieszczelności ze zużyciem energii i podawanym w dyrektywie ErP tzw. jednostkowym wskaźnikiem zużycia energii. Nasze rozważania ograniczymy do systemów wentylacyjnych o wydajnościach do 1000 m3/h.

Nieszczelności w instalacjach


Podstawowym źródłem nieszczelności w instalacjach wentylacji są przewody wentylacyjne. Nieszczelności pojawiają się na:

W krajowej praktyce instalacyjnej wciąż jeszcze stosowaną klasą szczelności przewodów jest klasa A. Zgodnie z PN-EN 12237:2005, w tej klasie wartość granicznego wskaźnika nieszczelności dla okrągłych przewodów i kształtek wentylacyjnych oblicza się według zależności:
Schowek05
Przy ciśnieniu dyspozycyjnym 200 Pa graniczna wartość przecieku wynosi 85 l/s lub około 306 m3/h. W pracy [1] wykazano, że przy wskazanym wyżej przecieku w systemie wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła o wydajności 1000 m3/h aż około 30% wydajności centrali musi być przeznaczone na pokrycie niedoboru wynikającego z nieszczelności! Aby straty energii były akceptowalne, wielkość przecieków może wynosić poniżej 3% całkowitego strumienia powietrza w instalacji. Odpowiada to klasie szczelności przynajmniej B. W związku z tym zazwyczaj projektanci z góry zakładają, że przewody są szczelne i by zapobiec ewentualnym późniejszym komplikacjom, przyjmują obliczeniowo wydajności większe o np. 10%.


Tymczasem wiadomo, że zapotrzebowanie na moc jest tym mniejsze, im mniejszy jest strumień, a zwłaszcza im mniejsze są straty ciśnienia w instalacji. Dla instalacji wentylacyjnych sterowanie prędkością obrotową wentylatora w funkcji strumienia nie jest możliwe, ponieważ powietrze nie krąży w układzie zamkniętym, a dodatkowo niemal zawsze wymagane jest minimalne ciśnienie statyczne przed skrzynkami nawiewnymi lub nawiewnikami. Aby zapewnić minimalne ciśnienie przy wycieku (zmniejszającym się przepływie), silnik musi pracować z większą prędkością.


Rzeczywisty punkt pracy wentylatora leży na przecięciu charakterystyk przyrostu ciśnienia wentylatora z charakterystyką instalacji. Punkt ten ustalony jest tak, aby przy określonej liczbie wymian powietrza wentylator pracował w optymalnym – ze względu na sprawność – punkcie P (rys. 2).


Szacowanie kosztów i strat. Nowoczesne układy automatyki systemów wentylacji realizują często strategię dostarczania zmiennej ilości powietrza (odpowiednio do zasilenia budynku oraz liczby p obsługiwanych pomieszczeń) i wówczas koszty przygotowania powietrza można oszacować z zależności:
Schowek01
Dla konkretnej instalacji i przyjętego systemu sterowania możliwe jest symulacyjne obliczenie zwiększonych kosztów przygotowania powietrza spowodowanych przeciekami. Ze wzoru (1) wynika, że przeciek może (w zależności od sterowania) generować dodatkowe koszty związane ze zwiększoną, nieplanowaną liczbą wymian powietrza. Rośnie także wartość VnxΔpxn, wpływając bezpośrednio na koszt dostarczenia powietrza przez wentylatory.


Jednostkowe zużycie energii a nieszczelności


Jest oczywiste, że zużycie energii przez systemy wentylacyjne nie może być rozpatrywane jedynie przez podanie całkowitej ilości energii elektrycznej zużywanej (np. rocznie) na potrzeby pracy urządzenia. Aby wiarygodnie ocenić energochłonność, trzeba uwzględnić szereg dodatkowych czynników, takich jak np. odzysk ciepła/chłodu, ale też efektywność sterowania silnikami wentylatorów czy ilość energii grzewczej zużywanej rocznie do odszraniania. Taką miarą energochłonności jest zdefiniowane w Rozporządzeniu Komisji UE (dokument nr 1253/2014, załącznik VIII) jednostkowe zużycie energii na potrzeby wentylacji w przeliczeniu na m2 ogrzewanej powierzchni pomieszczenia mieszkalnego lub budynku (w skrócie: JZE, a w literaturze anglojęzycznej: SEC – Specific Energy Consumption).
Sposób wyliczania JZE podaje wzór:ygunvk


Szacowanie strat energii. Spróbujmy oszacować wpływ nieszczelności na wartość jednostkowego zużycia energii. Wyrażenie służące do obliczenia JZE rozdzielić można na trzy części opisujące (patrz wzór powyżej): energię elektryczną pobieraną przez napędy wentylatorów, energię odzyskaną i pochodzącą z rekuperacji ciepła oraz energię zużytą na oszranianie. Ponieważ Qdefr odnosi się tylko do systemów dwukierunkowych z przeponowym wymiennikiem ciepła, dla uproszczenia dalszych rozważań przyjmiemy, że Qdefr = 0. Dalej wprowadźmy oznaczenia:
hvjgk
Wartości domyślne qnet to 1,3 (m3/h)m2, zaś qref to 2,2 (m3/h)m2, a dla uproszczenia przyjmiemy dalej:
qnet = 1 (m3/h)m2
qref = 2 (m3/h)m2.
Jeżeli wskaźnik MISC zinterpretujemy następująco (interpretacja własna autorów):
MISC = 1; przyjmując 100% obiegu powietrza + przeciek 0%;
MISC = 1,1; przyjmując 100% obiegu powietrza + przeciek 10% (np. dla kanałów w klasie szczelności B);
MISC = 1,21; przyjmując 100% obiegu powietrza + przeciek z infiltracją w budynku 21%;
MISC dla omówionego przykładu z artykułu [1] wynosi 1,306; 100% obiegu powietrza + przeciek 30,6%.

Wartość jednostkowego zużycia JPM zależy od wielu czynników, tym niemniej można założyć, że jest on wprost proporcjonalny do przecieku i przyrasta liniowo, zatem gdy:
JPM = 1; oznacza to pobór mocy dla 100% obiegu powietrza + pobór dla przecieku 0%;
JPM = 1,1; pobór dla 100% obiegu powietrza + pobór dla przecieku 10% (np. dla kanałów w klasie szczelności B);
JPM = 1,21; pobór dla 100% obiegu powietrza + pobór dla przecieku z infiltracji 21%;
JPM = 1,306; pobór dla 100% obiegu powietrza + pobór dla przecieku 30,6% (z przykładu).

Zatem wartości JZE dla wskazanych wyżej przecieków można oszacować w sposób następujący:

         JZE = (1,1 A + B ∙ C) 1,1 – 2 ∙ B (4)

         JZE = (1,21 A + B ∙ C) 1,21 – 2 ∙ B (5)

         JZE = (1,306 A + B ∙ C) 1,306 – 2 ∙ B (6)

 

ggjjg

Przyjmując stałość wprowadzonych zależności A, B, C (wzory 1,2,3) i porównując oszacowania (4), (5), (6), łatwo zauważyć, że wzrost przecieków powoduje znaczące powiększenie obliczeniowej wartości JZE, bowiem rośnie w kwadracie waga składnika A, a ponadto liniowo waga iloczynu B ∙ C. Im wartość 2 ∙ B będzie większa od pierwszego członu wyrażeń (4-6), tym instalacja jest efektywniejsza energetycznie. Dla omawianego wcześniej przykładu przy przecieku równym 306 m3/h wartość JZE wzrasta zatem ponad 30% w stosunku do JZE obliczonego dla instalacji bez przecieków!

Tak znaczne zmiany jednostkowego zużycia energii spowodowane przeciekami są tym groźniejsze, że pojawiają się często w okresie pogwarancyjnym. Praktyka wskazuje, że instalacje wentylacyjne w eksploatowanych już budynkach z reguły osiągają niższe oceny efektywności energetycznej niż to pierwotnie zakładano.


Porównanie wskaźnika JZE dla różnych budynków. Przykładowo w artykule Theoretical and real ventilation heatlosses and energy performance in low energy buildings [2] analizowano sześć budynków mieszkalnych, z których tylko jeden był zbudowany w 1985 r., a pozostałe były modernizowane w latach 2006-2015 (tabela 1).
Pomiary wykazały, że

Dla pozostałych budynków uzyskano następujące wyniki:

Przedstawione wyniki wskazują, że o wartości JZE decyduje wiele czynników i pomimo nowoczesnego systemu sterowania wentylacją cała instalacja może okazać się energochłonną. Z drugiej strony przemyślana wentylacja naturalna może zapewniać nawet klasę B.


Dzielmy się opiniami


Zważywszy, że według niektórych szacunków aż około 40% konsumowanej energii zużywana jest w budynkach, wskaźniki związane z energochłonnością budynku będą miały kluczowe znaczenie w ocenie zgodności wyrobów użytych do konstrukcji eksploatowanych obiektów z wymogami UE. Niewypełnianie wytycznych dyrektyw unijnych prowadzi do niezgodności danego produktu z dyrektywą, co w następstwie będzie skutkowało nakładaniem kar na użytkowników lub wycofaniem wyrobów niezgodnych z dyrektywą (lub dyrektywami) z eksploatacji.

Literatura:
[1] A. Świderski, C. Wronkowski, Szczelność powietrzna instalacji
wentylacyjnych, Cyrkulacja 29- 2015
[2] Flourentzos Flourentzou1, Samuel Pantet, Theoretical and
real ventilation heatlosses and energy performance in low energy
buildings, http://www.aivc.org/sites/default/files/63_0.pdf
dostęp 12.06.2017.

 

Autorzy: dr. inż. Leszek Moszczyński, mgr. inż. Cezary Wronkowski