Rodzaje energooszczędnej wentylacji

Wentylacja naturalna

Najprostszym rozwiązaniem i najczęściej stosowanym ze względu na koszty inwestycyjne jest wentylacja naturalna. Jej działanie polega na zapewnieniu wymiany powietrza przez: nieszczelności  okienne, nawiewniki okienne sterowane ręcznie, ciśnieniowo lub higrosterowalnie, bądź automatycznie za pomocą urządzeń elektrycznych sterowanych np. czasowo. Wentylacja naturalna (grawitacyjna) [Rys. 36.1. - Schemat działania wentylacji naturalnej.] wykorzystuje zjawisko naturalnego ruchu powietrza wynikającego z różnicy jego gęstości. Zimne, gęstsze powietrze zewnętrzne napływa do pomieszczeń przez nawiewniki (nawietrzaki) i inne nieszczelności budynku i wypiera rzadsze, ciepłe powietrze zużyte. Zużyte powietrze wypływa ponad dach pionowymi kanałami wentylacyjnymi. Wymiana powietrza jest tym intensywniejsza, im większa jest różnica temperatury w. Zaletą wentylacji grawitacyjnej jest to, że do działania nie wymaga energii elektrycznej, a jej pracy nie towarzyszy hałas. Ponadto dobrze sprawdza się w pomieszczeniach, w których pracują kotły z otwartą komorą spalania oraz kominki. Strumienie powietrza usuwanego i nawiewanego równoważą się same - po prostu intensywny ciąg kominowy powoduje zassanie większej ilości powietrza przez nawiewniki. Problemy powoduje nierównomierne działanie tego rodzaju wentylacji - zimą może być nawet zbyt intensywne, a praktycznie ustaje, gdy różnica temperatur w domu i na zewnątrz spada poniżej 10 st. C. Wówczas wymianę powietrza trzeba zapewnić po prostu przez otwarcie okien.
Zastosowanie nawiewników sterowanych ciśnieniowo (Fot. 36.1. i Fot. 36.2.) umożliwia automatyczne ograniczenie maksymalnej wymiany powietrza zimą. Dodatkowo pozwala okresowo obniżyć intensywność wymiany przez możliwość ręcznej regulacji. Możliwe do osiągnięcia oszczędności energii dzięki obniżeniu intensywności wymiany powietrza poprzez sterowanie ręczne wynoszą 5–20%.

Jaki jest czas zwrotu (SPBT) nakładów inwestycyjnych poniesionych na wentylację naturalną z zastosowaniem nawiewników ciśnieniowych lub higrosterowalnych sterowanych dodatkowo ręcznie wynosi 2,5 – 3,5 roku. Tego typu wentylacja jest jednak zależna od warunków atmosferycznych i nie gwarantuje w pełni właściwej jakości powietrza.

Wentylacja mechaniczna wyciągowa. Ruch powietrza wywołany jest przez wentylator wyciągowy, dopływ powietrza świeżego zapewniają zaś nawiewniki - tak samo jak w przypadku wentylacji grawitacyjnej. Mechaniczny wyciąg działa niezależnie od warunków zewnętrznych (temperatury) co daje przewagę nad wentylację grawitacyjną, nie są potrzebne kanały nawiewne, zaś intensywność wymiany powietrza można zmieniać w szerokim zakresie, zmieniając prędkość obrotową wentylatora. Wadą jest także konieczność zasilania energią elektryczną. Awaria zasilania powoduje zatrzymanie wymiany powietrza.
Hybrydowa. To połączenie wentylacji grawitacyjnej i mechanicznej wyciągowej. Wentylator wyciągowy jest zwykle częścią specjalnej nasady kominowej, skonstruowanej tak, by gdy wentylator nie pracuje, nie tamował grawitacyjnego ruchu powietrza. Jeśli naturalny ciąg jest wystarczający, to wentylacja pracuje jako grawitacyjna, jeśli zaś staje się zbyt słaby - uruchamia się wentylator.
Wentylacja mechaniczna
Wentylacja mechaniczna jest niezależna od zewnętrznych warunków atmosferycznych oraz zapewnia zdecydowanie lepszą jakość powietrza w budynku zarówno zimą jak i latem. Latem wentylacja mechaniczna umożliwia skuteczniejsze nocne wychładzanie i w ten sposób może poprawiać mikroklimat pomieszczeń latem. Możliwe do uzyskania oszczędności energii dzięki okresowemu obniżeniu intensywności wymiany powietrza mogą wynieść 20–40%.
Czas zwrotu nakładów poniesionych na wentylację mechaniczną wynosi 6–8 lat.
Jednym z rodzajów wentylacji mechanicznej jest wentylacja z wymiennikiem gruntowym. Pozwala on zimą podgrzać doprowadzane powietrze, a latem je schłodzić. Minimalna temperatura wylotowa przy wymienniku o długości 50 m wynosi ok. 2,2°C, a oszczędności energii – 5–7 GJ/rok, przy wymienniku o długości 100 m minimalna temperatura wylotowa wynosi ok. 4,4°C, a oszczędności energii – 7–10 GJ/rok, ca stanowi 15–30% kosztów. Wentylacja tego typu wymaga zastosowania kanałów wentylacyjnych oraz zapewnienia okresowego ich czyszczenia.
Czas zwrotu (SPBT) nakładów poniesionych na wentylację z wymiennikiem gruntowym wynosi 9–15 lat w zależności od ceny nośnika energii, a w przypadku stosowania klimatyzacji 6,5–9 lat.

Mechaniczna nawiewno-wywiewna. W tym systemie ruch powietrza także jest wymuszony przez wentylatory. Jednak instalacja składa się nie tylko z sieci kanałów wywiewnych, ale i nawiewnych, którymi świeże powietrze jest dostarczane do pomieszczeń. Nawiewniki w przegrodach zewnętrznych (oraz inne nieszczelności) są nie tylko niepotrzebne, ale nawet szkodliwe, bo utrudniają zrównoważenie strumieni powietrza usuwanego i dostarczanego. Kanały wywiewne i nawiewne zwykle zbiegają się w centrali wentylacyjnej, w której znajdują się wentylatory (nawiewny i wyciągowy), filtry oraz najczęściej także wymiennik ciepła (rekuperator) pozwalający odebrać ciepło z powietrza usuwanego i za jego pomocą podgrzać powietrze nawiewane.
Zalety wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej:
możliwości czerpania powietrza z dowolnego miejsca;
powietrze nawiewane może być wstępnie ogrzane przez rekuperator albo podgrzewane lub chłodzone za pomocą gruntowego wymiennika ciepła;
powietrze dostarczane do budynku może być filtrowane, np. z pyłków roślin.
Wady :
sieć kanałów jest dłuższa i bardziej złożona,
zużycie prądu przez wentylatory jest większe,  sieć kanałów, filtry i rekuperator powodują większe opory przepływu;
zwiększa się ryzyko powstania uciążliwego hałasu;
koniczność czyszczenia kanałów.
w przypadku zainstalowania wysokosprawnego wymiennika konieczność stosowania systemu rozmrażania.

Wentylacja z odzyskiem ciepła (rekuperacją)
Rozwiązaniem najkorzystniejszym wydaje się zastosowanie wentylacji z rekuperacją i wymiennikiem gruntowym. Rekuperacja umożliwia odzyskanie 55 do 70% energii z odprowadzanego zużytego powietrza, a zastosowanie jej łącznie z wymiennikiem gruntowym pozwala zwiększyć oszczędności do 75–80% w okresie grzewczym, a także obniżyć koszty związane z konicznością rozmrażania rekuperatora w zimie oraz zmniejszenia ilości energii latem niezbędne na chłodzenie. Układ taki wymaga jednak zastosowania kanałów nawiewnych i odpowiedniej powierzchni wymiennika gruntowego, a co za tym idzie – powierzchni terenu pod taką instalację. Pamiętać też należy, że kanały wentylacyjne w osłonie muszą być właściwie izolowane.

Rekuperator jest to wymienniki ciepła, który przejmuje ciepło z wydmuchiwanego z pomieszczeń powietrza i przekazuje do powietrza nadmuchiwanego.  Znane są rekuperatory:
krzyżowe w których powietrze przepływa przez ustawione do siebie prostopadle kanały. W jednym przepływa ciepłe powietrze wywiewane z zew. ogrzewając rząd kanałów z powietrzem z zewnętrza. Sprawność tego typu rekuperatora waha się od 50-70% odzysku ciepła, stosując jednak dwa wymienniki-szeregowo osiągnąć można sprawność do 90%. Średnioroczna sprawność wymienników krzyżowych sięga maksimum 75%. Wysoka sprawność rekuperacji wiąże się z konicznością ich okresowego rozszraniania.
przeciwprądowe - Kanały powietrza ustawione są równolegle przez co strumień powietrza zimnego skierowany jest w przeciwnym kierunku do ciepłego. Sprawność tego typu rekuperatorów sięga nawet do 95% odzysku ciepła (przy stosowaniu wymienników przeciwprądowych o spiralnym kształcie kanałów). Średnioroczna sprawność tego typu rozwiązań sięga 85%.

Czas zwrotu (SPBT) poniesionych nakładów zależy od zastosowanych rozwiązań i urządzeń oraz od skuteczności rekuperacji. Orientacyjnie koszt instalacji takiej wentylacji w domu jednorodzinnym wynosi 18–24 tys. zł instalacja wentylacji z rekuperacją oraz koszt wymiennika gruntowego który waha się od 15 do 20 tyś zł, a czas zwrotu SPBT = 9 – 16 lat w zależności od cen nośników energii.

Przykład 1:
Przykładowa analiza opłacalności zastosowania wentylacji naturalnej z nawiewnikami ciśnieniowymi oraz wentylacji z rekuperacją o sprawności 85% działającej okresowo .

Zaobacz tabele:

• Tab. 36.1. Efektywnośc energetyczna
• Tab. 36.2. Efektywnośc ekonomiczna

Zastosowanie wentylacji typu "mechaniczna z rekuperatorem o η=85%, działająca okresowo" przyniesie zmniejszenie strat ciepła na wentylację budynku o 9561 kWh rocznie, tj. o 2569,52 zł (86 %), co przy zakładanej trwałości rozwiązania na poziomie 20 lat przyniesie 51390,40 zł oszczędności.
Dodatnia wartość NPV (46506,67 zł) - przy przyjętych parametrach technicznych i ekonomicznych - świadczy o ekonomicznej opłacalności przedsięwzięcia.

Ciekawym rozwiązaniem jest zastosowanie lokalnej wentylacji mechanicznej z rekuperacją. Sprawność rekuperatorów wynosi od 50% do 65%. Rozwiązanie to najlepiej się sprawdza w pomieszczeniach eksploatowanych okresowo o dużym zróżnicowaniu czasowym lub w budynkach podlegających termomodernizacji, w których nie można wybudować kanałów. Świetnie sprawdzają się w budynkach szkolnych i oświatowych, przedszkolach, budynkach użyteczności publicznej, budynkach zabytkowych z niesprawną wentylacją grawitacyjną lub bez niej.

Zobacz

• Rys. 36.3. Zasada działania lokalnej wentylacji z rekuperacją, odzysk ciepła 55%-60%  (Rysunek: archiwum autora)
• Rys. 36.4. Schemat montażu urządzenia podokiennego lokalnej wentylacji z rekuperacją.
• Rys. 36.5. Schemat wentylacji naturalnej (grawitacyjnej – rys 1. ) oraz schemat wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła przez wymiennik ciepła – rys 2. (rysunek z zasobów strony internetowej be-green.pl  – ABC Energooszczędności).
• Rys. 36.6.  Schemat działania gruntowego wymiennika ciepła (materiał ze strony www.agdex.com ).

Zastosowanie gruntowych wymienników ciepła GWC wspomaga pracę rekuperatora minimalizując koniczność rozmrażania rekuperatora lub eliminując koniczność pracy grzałki. Zastosowanie GWC zmniejsza zużycie energii na ogrzewanie od 10% do 20%. W lecie przy poprawnie zaprojektowanym budynku, GWC pozwala zachować odpowiedni mikroklimat bez koniczności chłodzenia.

Przykład 2.
Przykładowa analiza opłacalności zastosowania wentylacji naturalnej z nawiewnikami ciśnieniowymi oraz wentylacji z rekuperacją o sprawności 85% działającej okresowo z wymiennikiem GWC.

Zobacz

• Tab. 36.3. przykład 2 - efektywność energetyczna
• Tab. 36.4. przykład 2 - efektywność ekonomiczna

Zastosowanie wentylacji typu "mechaniczna z rekuperatorem o η=85% i wymiennikiem gruntowym, działająca okresowo" przyniesie zmniejszenie strat ciepła na wentylację budynku o 9901 kWh rocznie, tj. o 2651,98 zł (89 %), co przy zakładanej trwałości rozwiązania na poziomie 20 lat przyniesie 53039,60 zł oszczędności.
Dodatnia wartość NPV (26832,43 zł) - przy przyjętych parametrach technicznych i ekonomicznych - świadczy o ekonomicznej opłacalności przedsięwzięcia.