Aspekt energetyczny

Ekonomia oraz konieczność ochrony środowiska wymuszają coraz wyższe standardy energetyczne budynków.

Zwiększanie izolacyjności przegród zewnętrznych budynku oraz zastosowanie szczelnych okien znacznie poprawia bilans energetyczny budynku. Szczelne okna utrudniają jednak realizację naturalnej wentylacji grawitacyjnej, dlatego wymagane jest zainstalowanie nawiewników okiennych (nawietrzaków), czyli rozszczelnienie budynku. Intensywność wentylacji naturalnej zależna jest od różnicy temperatur. System nie działa przy wyrównanych temperaturach i braku wiatru. Wpływa to na niską efektywność wentylacji w okresie letnim oraz znaczne przekroczenie jej intensywności w okresie zimowym, kiedy straty ciepła są największe.

Niekontrolowany strumień oraz brak możliwości odzysku energii z ciepłego, usuwanego z budynku powietrza, powodują duże straty energetyczne związane z działaniem wentylacji grawitacyjnej. W przypadku współczesnych, dobrze zaizolowanych cieplnie budynków sięgają one 60% całkowitych strat ciepła. Dlatego dla zapewnienia skutecznej i efektywnej energetycznie wentylacji niezbędne jest nie tylko zapewnienie wysokiej sprawności odzysku energii, ale również niskiego zapotrzebowanie na moc elektryczną pobieraną przez wentylatory. Zużycie energii przez wentylatory przetłaczające dany, założony strumień powietrza zależy od oporów przepływu oraz sprawności energetycznej zespołu wentylator-silnik elektryczny.

Wentylacja grawitacyjna (naturalna)

wentulacja naturalna_setler_picWentylacja grawitacyjna (naturalna) wykorzystuje różnicę ciśnień wywołaną różnicą gęstości powietrza lub parciem wiatru. Na skutek działania obu tych mechanizmów następuje przepływ powietrza w budynku. W systemach wentylacji naturalnej świeże powietrze wpływa do budynku przez nieszczelności okien lub specjalne nawiewniki okienne lub ścienne w pomieszczeniach. Następnie, najkrótszą drogą powietrze przedostaje się do kratek wywiewnych zlokalizowanych w pomieszczeniach, w których występuje większa intensywność emisji zanieczyszczeń. Są to zwykle kuchnia, łazienka, WC. Kratki wywiewne połączone są przewodem kominowym z nasadami wentylacyjnymi zainstalowanymi na dachu budynku.

 

wentylacja grawitacyjna_setler

 

Mechanizm

Głównym mechanizmem wymuszającym transport powietrza w systemie wentylacji grawitacyjnej jest różnica gęstości wywołana różnicą temperatur pomiędzy powietrzem zewnętrznym oraz powietrzem w budynku. Zakłada się przy tym, że temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa niż powietrza w pomieszczeniu. Zimne powietrze napływa do budynku i ogrzewa się zmniejszając swoją gęstość. Dzięki temu następuje przepływ powietrza lżejszego do góry. W górnej części pomieszczeń trafia ono do kratki wentylacyjnej, która poprzez kanał wentylacyjny prowadzi do nasady kominowej umieszczonej zewnątrz. Wypływająca masa ciepłego (”zużytego”) powietrza tworzy w budynku podciśnienie, dzięki któremu zasysane jest powietrze z zewnątrz. Proces odbywa się więc kosztem energii cieplnej dostarczanej przez system grzewczy. Może on trwać póki temperatura na zewnątrz jest niższa niż wewnątrz. Innymi słowy, ciepłe powierzchnie wewnątrz budynku działają jak ogrzewacz powietrza. Warunkiem niezbędnym do wymuszenia przepływu jest różnica temperatur. Dodatkowo, zastosowanie odpowiedniej nasady kominowej daje możliwość wspomagania ciągu wentylacyjnego energią wiatru.

Niekontrolowany proces

Wentylacja naturalna jest bardzo zależna od warunków atmosferycznych. Ze względu na możliwość wystąpienia braku czynników napędzających (temperatura, wiatr) bardzo często, szczególnie w okresie letnim wentylacja naturalna nie działa lub wywołuje ciągi odwrotne. Do niekorzystnej sytuacji dochodzi również w okresie zimowym. Największą wadą wentylacji naturalnej, z punktu widzenia strat energii, jest wprowadzanie do budynku w okresie zimowym powietrza o temperaturze sięgającej -20 °C i równoczesne usuwanie na zewnątrz budynku takiej samej ilości powietrza o temperaturze około +20 °C.
Aby możliwe było utrzymanie w pomieszczeniach temperatury +20 °C, system ogrzewania musi podgrzać całą wprowadzaną do budynku porcję powietrza do poziomu +20 °C.

Podsumowanie

Zalety

  • niższe koszty inwestycyjne w porównaniu z systemem wentylacji mechanicznej,
  • nie wymaga dostarczania energii do napędu,

Wady

  • wyższe koszty eksploatacyjne – niekontrolowany strumień powietrza w okresie zimowym (duża różnica temperatur) oraz brak możliwości odzysku energii znacznie zwiększają straty ciepła i tym samym koszty ogrzewania budynku,
  • brak możliwości efektywnej kontroli – regulacji strumienia powietrza,
  • brak możliwości uzdatniania powietrza ( m.in. filtracji, ogrzewania, odzysku ciepła),
  • niski komfort użytkowania ze względu na nawiewanie powietrza zewnętrznego (w okresie zimowym nawet -20 °C) bezpośrednio do pomieszczeń,
  • brak wentylacji lub wywoływanie ciągu wstecznego w okresach przejściowych oraz letnich ze względu na ścisłą zależność od warunków atmosterycznych.

Wentylacja mechaniczna

wentylacja mechaniczna_setler_picWraz ze wzrostem rozwoju społeczeństw oraz poziomu życia zwiększa się intensywność wykorzystania pomieszczeń. Współczesny człowiek, żyjący w mieście spędza w budynkach większość swojego życia. Dlatego obserwujemy dążenie do poprawiania klimatu w budynkach. W warunkach ciągłego wzrostu cen energii rośnie również tendencja do racjonalizacji jej zużycia.

 

wentylacja mechaniczna_setler

Strata ciepła

W latach osiemdziesiątych, w Polsce, strata ciepła budynku związana z wentylacją stanowiła niewielką część całkowitych strat ciepła. Dziś udział strat wentylacyjnych w całościowym bilansie cieplnym budynku sięga 60%. Jest to efektem zmniejszenia innych strat ciepła budynku (okna, dach, ścian zewnętrzne, podłoga). Straty ciepła budynku wynikające z przewodzenia ciepła przez przegrody zewnętrzne są łatwe do ograniczenia poprzez zwiększenie grubości lub jakości izolacji oraz minimalizację mostków cieplnych. Strata ciepła wywołana wentylowaniem pomieszczeń pozostaje niezmienna ponieważ minimalna, higieniczna ilość świeżego powietrza potrzebna człowiekowi jest stała. Dlatego straty ciepła wywołane działaniem instalacji wentylacyjnej sięgają we współczesnych, dobrze ocieplonych budynkach 60% całkowitych strat energii. Koszty ogrzewania w dużym stopniu zależą więc od zastosowanego systemu wentylacji. Powietrze świeże w okresie zimowym ma niską temperaturę, a usuwane z budynku wysoką. Wentylacja z punktu widzenia ogrzewania budynku jest zatem „złem koniecznym”. Wymienione powyżej wartości są oczywiście prawdą, tylko przy założeniu, że nawiewamy do pomieszczenia wymagany strumień powietrza świeżego. Niekontrolowane działanie tych systemów powoduje zwiększenie straty ciepła w zimie, z drugiej zaś wpływa na braki świeżego powietrza w okresie letnim i przejściowym. Problem w tym, że straty ciepła występują tylko w okresie zimowym.

Gospodarowanie energią

Trudno dziś mówić o racjonalnym gospodarowaniu energią w budynku bez wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. W instalacjach wentylacji mechanicznej możliwa jest pełna kontrola strumienia przetłaczanego powietrza, odzysk energii oraz filtracja. Instalacja wentylacji mechanicznej jest droższa od wentylacji naturalnej. Błędem byłoby jednak traktowanie bezpośrednio kosztu wentylacji mechanicznej jako zwiększenia kosztu budynku. W rachunku ekonomicznym należy uwzględnić eliminację przewodów i kominów wentylacji grawitacyjnej (najczęściej murowanych), zmniejszenie powierzchni grzejników oraz wielkości kotła ze względu na mniejszą moc instalacji grzewczej budynku.

Skuteczność wentylacji mechanicznej

Zwrot środków zainwestowanych w system wentylacji mechanicznej następuje po kilku latach, podczas których instalacja będzie służyć zapewniając oszczędności, komfort oraz świeże powietrze. Skuteczność wentylacji mechanicznej oraz oszczędności wynikające z jej zastosowania zależą od poprawnego doboru urządzeń oraz ich sprawności energetycznej.
Oszczędności wynikające z obniżenia zużycia energii potrzebnej do ogrzania przeciętnego domu jednorodzinnego wyniosą rocznie od 1500 do 2500 zł, w zależności od powierzchni użytkowej i rodzaju zastosowanego źródła ciepła.

Podsumowanie

Zalety

  • możliwy odzysk energii ze sprawnością sięgającą 95%,
  • możliwa regulacja i sterowanie strumieniem powietrza – płynna regulacja oraz programowana intensywności wentylacji w poszczególnych porach dnia, dla poszczególnych dni tygodnia,
  • możliwość uzdatnianie powietrza (filtracja, ogrzewanie, nawilżanie),
  • zwiększenie komfortu w budynku poprzez zapewnienie zawsze świeżego powietrza o odpowiedniej temperaturze,
  • prawidłowe użytkowanie eliminuje problem zawilgocenia ścian, pleśni i grzybów,

Wady

  • większe koszty inwestycyjne (zakup centrali, systemu kanałów, nawiewników zwiększa koszt, ale eliminuje koszty związane z kanałami wentylacji grawitacyjnej, zmniejsza powierzchnię grzejników oraz moc kotła)

 

Aspekt higieniczny

Współczesny człowiek większość swojego życia spędza w pomieszczeniach. Dlatego ważne jest, aby sztuczne środowisko wewnątrz budynku było najbardziej jak to możliwe zbliżone do naturalnego.

aspekt ekolowiczny_setler_picJakość powietrza, którym oddychamy jest jednym z najistotniejszych czynników wpływających na nasze zdrowie oraz komfort. Oddychając zużywamy tlen dostarczając do powietrza dwutlenek węgla i parę wodną. Ponadto, w zależności od przeznaczenia pomieszczenia i sposobu jego użytkowania, do powietrza dostaje się szereg zanieczyszczeń gazowych, pyłowych oraz biologicznych pogarszających jego jakość. Z tych względów, zapewnienie prawidłowego funkcjonowania organizmu człowieka w zamkniętej przestrzeni budynku wymaga dostarczania w sposób ciągły 20÷50 m3/h świeżego powietrza dla każdej osoby.

Wzrost stężenia CO2

Dwutlenek węgla jest produktem utlenienia związków organicznych. W budynku powstaje on zwykle na skutek oddychania przebywających w pomieszczeniach osób oraz spalania gazu (kuchnie gazowe, przepływowe ogrzewacze wody). Nadmierne stężenie dwutlenku węgla wiąże się więc zwykle z niedoborem tlenu. Człowiek przebywający w takich warunkach odczuwa złe samopoczucie. Objawami są bóle głowy, zmęczenie, trudności z koncentracją.

Ryzyko kondensacji pary wodnej – temperatura punktu rosy

Powietrze, którym oddychamy można traktować jako mieszaninę powietrza suchego i pary wodnej. Kondensacja pary wodnej zawartej w powietrzu zachodzi na powierzchniach, których temperatura jest niższa od temperatury punktu rosy tego powietrza. Proces ten często obserwujemy w codziennym życiu kiedy spotykamy się z tzw. zaparowaniem okularów czy zaparowaniem szyb w samochodzie. W rzeczywistości to nie para wodna, ale woda powstała na skutek kondensacji pary wodnej pokrywa szyby naszych samochodów czy szkła okularów. Temperatura punktu rosy powietrza w pomieszczeniu jest zależna od temperatury powietrza oraz ilości zawartej w nim pary wodnej. Temperatura punktu rosy wzrasta wraz ze wzrostem zawartości pary wodnej. Kondensacja wody z powietrza może następować, gdy wzrost ilości pary wodnej spowoduje wzrost temperatury punktu rosy powietrza znajdującego się w pomieszczeniu. Przykładem jest łazienka podczas kąpieli. Bez sprawnie działającej wentylacji powietrze w łazience w krótkim czasie osiąga bardzo dużą wilgotność (bliską stanu nasycenia). W tych warunkach każda powierzchnia czy dowolny przedmiot o temperaturze niższej nawet o 1 oC od temperatury powietrza pokrywa się wodą wykroploną z wilgotnego powietrza. Rozwiązaniem problemu kondensacji pary wodnej jest zmniejszenie jej zawartości w powietrzu. Można to zrealizować zapewniając odpowiednią intensywność wentylacji. Nawiewane do pomieszczenia powietrze, o niższej niż w pomieszczeniu łazienki wilgotności, miesza się z powietrzem z pomieszczenia i rozcieńcza stężenie pary wodnej. Wynikowa wilgotność zależy oczywiście od intensywność wentylacji. Efektem kondensacji pary wodnej na powierzchniach przegród budowlanych jest zawilgocenie przegród. Zawilgocone przegrody sprzyjają z kolei szybkiemu rozwojowi pleśni i grzybów. Dlatego obserwujemy je w pierwszej kolejności na powierzchniach ścian łazienki i kuchni. Proces ten wpływa negatywnie na strukturę przegród budowlanych. Wysoki poziom wilgotności jest szczególnie niekorzystny dla znajdujących się w pomieszczeniu elementów wykonanych z drewna ponieważ w ich strukturze mogą powstawać naprężenia powodujące deformację.

Ryzyko zatrucia CO

Tlenek węgla powstaje przy niezupełnym spalaniu i półspalaniu (np. gazu). Spalanie zupełne zachodzi wówczas, kiedy całkowita masa paliwa dostarczana w danej jednostce czasu zostanie utleniona. W warunkach niedostatecznej ilości tlenu następuje proces niezupełnego spalania. Zamiast dwutlenku węgla produktem spalania jest tlenek węgla. Jest to gaz bezbarwny i bezwonny, dlatego trudno zidentyfikować jego obecność bez odpowiednich przyrządów. Po przedostaniu się do krwi blokuje hemoglobinę uniemożliwiając prawidłowe rozprowadzenie tlenu. Pierwszym objawem jest niedotlenienie mózgu prowadzące do utraty przytomności. Dłuższe przebywanie w atmosferze o podwyższonym stężeniu tlenku węgla może powodować trwałe uszkodzenia ośrodkowego układu nerwowego.

Syndrom chorego budynku (SBS – Sick Building Syndrome)

Syndrom chorego budynku to zespół dolegliwości występujący u osób przebywających w pomieszczeniach budynków. Nasilenie tych dolegliwości jest zależne od długości czasu przebywania w budynku. Termin został wprowadzony przez Światową Organizację Zdrowia (WHO) w roku 1986 po tym, jak w latach siedemdziesiątych badania prowadzone w Szwecji, Danii i Wielkiej Brytanii wykazały zbieżne symptomy u osób spędzających większość czasu w budynkach słabo wentylowanych. Kiedy prowadzone w latach dziewięćdziesiątych badania nad przyczynami alergii (SOU 1989:76) wykazały związek zachorowań z SBS, rozpoczęto intensywne badania w zakresie klimatu w budynkach i jego wpływu na zdrowie ludzi. SBS jest wywołany niską jakością powietrza oraz małą ilością powietrza świeżego. Bezpośrednią przyczyną dolegliwości jest powietrze o dużej zawartości dwutlenku węgla i innych produktów oddychania, grzybów, pleśni, zanieczyszczeń gazowych pochodzących z materiałów budowlanych (rozpuszczalniki, farby), dymu tytoniowego, zanieczyszczeń pyłowych, kurzu. Objawy SBS to przede wszystkim bóle głowy, podrażnienie górnych dróg oddechowych, trudności z koncentracją, zmęczenie.

Intensywność wentylacji w budownictwie mieszkaniowym – normy i przepisy

Strumienie powietrza wentylującego pomieszczenia budynków mieszkalnych (PN-83/B-03430).

  • kuchnia z oknem zewnętrznym (kuchenka gazowa) 70 m3/h,
  • kuchnia z oknem zewnętrznym, wyposażona w kuchenkę elektryczną: 30 – 50 m3/h w zależności od ilości mieszkańców,
  • kuchnia bez okna zewnętrznego wyposażona w kuchenkę elektryczną: 50 m3/h,
  • kuchnia bez okna zewnętrznego, wyposażona w kuchenkę gazową, obowiązkowo z mechaniczną wentylacją wywiewną: 70 m3/h,
  • łazienka (z WC lub bez): 50 m3/h,
  • wydzielone pomieszczenie WC: 30 m3/h,
  • pomocnicze pomieszczenie bez okienne: 15 m3/h,
  • pokój mieszkalny oddzielony od pomieszczenia kuchni, łazienki i WC więcej niż dwojgiem drzwi: 30 m3/h.

Inne zalecenia

Strumienie powietrza wentylującego pomieszczenia budynków mieszkalnych (PN-83/B-03430).

  • W okresie nocy strumień powietrza może być zredukowany do 60% projektowanej wydajności,
  • System wentylacji powinien zapewnić możliwość chwilowego zwiększenia strumienia wentylacyjnego w pomieszczeniu kuchni do 120 m3/h.