Instalacje zintegrowane w budynkach pasywnych (cz. 2)

Rosnące wśród architektów i inwestorów zainteresowanie budownictwem pasywnym zmusza do przekazywania oraz poszerzania zasobu wiedzy związanej z funkcjonowaniem instalacji wentylacji i ogrzewania w budynkach pasywnych.

Jakkolwiek są one zbliżone do układów tradycyjnych, jednak muszą charakteryzować się wysokimi sprawnościami i uwzględniać wiele nietypowych oddziaływań. Ze względu na wpływ instalacji na budynki, znacznie większy w przypadku budynków pasywnych, ewentualne błędy projektowe mogą prowadzić do wadliwego funkcjonowania układów i niezachowania parametrów komfortu klimatycznego. Złe przykłady mogą oddziaływać zniechęcająco na przyszłych potencjalnych inwestorów.

Źródła ciepła

W budynkach pasywnych ciepło niezbędne do pokrycia zapotrzebowania na cele grzewcze jest generowane z wykorzystaniem gruntowego wymiennika ciepła, urządzenia do odzysku ciepła w centrali oraz pompy ciepła. W okresach niedostatecznego pokrycia ciepło dostarcza dodatkowo nagrzewnica elektryczna zlokalizowana na nawiewie, co zilustrowano na rysunku 15. Na rysunku 16 przedstawiono przykład struktury pokrycia zapotrzebowania ciepła przez poszczególne źródła w urządzeniu kompaktowym. W przypadku niewielkiego udziału ogrzewania elektrycznego w skali roku takie rozwiązanie jest dopuszczalne, w innych wypadkach należy rozważyć wykorzystanie dodatkowego źródła ciepła.

Dodatkowe źródła ciepła w budynkach pasywnych muszą charakteryzować się małą bezwładnością oraz niewielką mocą cieplną. Warto zauważyć, iż niewielkie zapotrzebowanie ciepła przyczynia się do braku indywidualnych rozliczeń najemców w wielorodzinnych domach pasywnych, ze względu na zbyt wysokie koszty opomiarowania instalacji i wykonywania odczytów oraz rozliczeń. Pomieszczenie o powierzchni 30 m² wymaga dostarczenia zaledwie 300 W energii cieplnej, co stanowi równowartość strumienia 30 m³/h powietrza o temperaturze 50°C, 5 żarówek o mocy 60 W bądź 4 osoby generujących jednostkowe zyski ciepła 80 W/os. Wykorzystanie dodatkowego źródła ciepła umożliwia, wątpliwy co prawda w aspekcie higienicznym, efekt podwyższenia wilgotności względnej, podczas okresów obniżenia wilgotności w pomieszczeniach, poprzez ograniczenie strumienia powietrza wentylacyjnego i doprowadzenie do pomieszczeń ciepła poprzez układ ogrzewania. Większość kompaktowych urządzeń grzewczo-wentylacyjnych oferuje przyłącza obiegów grzewczych. Preferowane są w tym względzie układy niskotemperaturowe, płaszczyznowe. Często w łazienkach instalowane są grzejniki. Dzięki wyrównaniu temperatur powierzchni przegród usytuowanie grzejnika w pomieszczeniu może być dowolne, nie musi się on znajdować pod oknem. Pozwala to na większą elastyczność w prowadzeniu instalacji i zmniejszenie długości przewodów zasilających i obiegów wodnych.

Podstawowymi kryteriami decydującymi o wyborze dodatkowego źródła ciepła są:

  •    zużycie energii pierwotnej;
  •    koszty energii na rynku lokalnym;
  •    dodatkowe koszty inwestycyjne danego źródła ciepła (np. komin);
  •    ograniczenia związane z koniecznością prowadzenia dodatkowych instalacji (doprowadzenie powietrza, odprowadzenie spalin, instalacja wodna, izolacja wewnętrznego komina, itd.);
  •    eksploatacja (np. dostarczanie opału do kotła, czyszczenie);
    

Dodatkowymi źródłami ciepła w budynkach pasywnych są:

  •    ogrzewanie elektryczne (nagrzewnice kanałowe/grzejniki), niekorzystne ze względu na najwyższe współczynniki konwersji energii pierwotnej;
  •    kotły gazowe/olejowe;
  •    kominki na biomasę (drewno, pelety);
  •    kominki na bio alkohol;
  •    sieć cieplna (ze względu na wysokie opłaty stałe i abonamentowe opłacalna w przypadku budynków szeregowych, wielorodzinnych);
  •    pompy ciepła (jako dolne źródło: grunt, powietrze, wody podziemne i powierzchniowe);
  •    ogniwa paliwowe;
  •    małe układy ko generacyjne.
    

Wykorzystanie popularnych w ostatnich latach kominków i pieców na drewno lub biomasę rodzi problemy eksploatacyjne w budynkach pasywnych. Urządzenia zwykle charakteryzują się zbyt dużą mocą cieplną rzędu 2÷10 kW, co powoduje ryzyko przegrzania w dobrze izolowanym budynku pasywnym. Doprowadzenie powietrza do zamkniętej komory spalania musi się odbywać poprzez kanał powietrza zewnętrznego, a odprowadzenie spalin przez układ kominowy (zalecany komin zewnętrzny). Przejście obu kanałów przez powłokę budynku stanowi miejsce potencjalnych nieszczelności i mostków cieplnych. Kanały muszą być bardzo dobrze izolowane cieplnie, co zmniejsza powierzchnię użytkową mieszkań. Wskazane jest wykorzystywanie urządzeń, które umożliwiają przekazanie większej części ciepła (nawet do 80%) do układu przygotowania CWU.

Ważnym zagadnieniem związanym z eksploatacją budynków pasywnych jest możliwość pokrywania zmiennego indywidualnego zapotrzebowania ciepła poszczególnych pomieszczeń. Może to być realizowane za pomocą następujących rozwiązań:

  •    regulacja wielkości strumienia ciepłego powietrza;
  •    grzejniki wodne, ogrzewanie płaszczyznowe lub elektryczne grzejniki konwekcyjne (łazienki 24°C);
  •    moduły indukcyjne z nagrzewnicą wodną/elektryczną (rysunek 19) ogrzewanie/chłodzenie;
  •    kanałowe nagrzewnice powietrza (elektryczne PTC, wodne);
  •    grzejniki zlokalizowane pod nawiewnikami (rysunek 18) umożliwiające ogrzewanie powietrza dla indywidualnego pomieszczenia i ograniczające straty ciśnienia instalacji wentylacyjnej związane z brakiem nagrzewnicy kanałowej.
    

W przypadku konieczności lokalnego obniżenia temperatury (np. w sypialni) mogą być stosowane następujące zabiegi:

  •    nocne obniżenie temperatury dla całego mieszkania;
  •    ograniczenie strumienia powietrza nawiewanego;
  •    rozszczelnienie okna 45 m³/h 22:00÷7:00 (wątpliwe rozwiązanie).
    

Gruntowe powietrzne wymienniki ciepła

W budynkach pasywnych wykorzystywane są gruntowe wymienniki ciepła powietrzne przeponowe oraz wodne z czynnikiem pośredniczącym.

Wymienniki mogą pełnić następujące funkcje:

  •    zabezpieczenie wymiennika ciepła przed zamarznięciem
  •    podniesienie temperatury powietrza czerpanego dla zwiększenia strumienia ciepła uzyskiwanego przez pompę ciepła
  •    efekt chłodzenia w lecie
    

Projektowanie parametrów wymienników gruntowych opiera się na zdefiniowanej funkcji nawiewnika. Zabezpieczenie wymiennika przed zamarznięciem wymaga uzyskania temperatury za wymiennikiem na poziomie -4°C, a nawet wyższej w przypadku współpracy z układami odzysku o wysokiej sprawności. Funkcja zwiększenie temperatury powietrza dla zwiększenia strumienia ciepła uzyskiwanego przez pompę ciepła wymaga uzyskania za wymiennikiem temperatur przekraczających +4°C. Efekt chłodzenia budynku w lecie jest niewielki i choć temperatury za wymiennikiem nie przekraczają 15÷16°C, to jednak moc chłodnicza mieści się w granicach 200÷400 W [3].

Gruntowe przeponowe powietrzne wymienniki ciepła wykorzystywane w budynkach pasywnych wykonywane są z rur PE/PP o średnicach fi 160÷315 mm posiadających wewnętrzną warstwę antybakteryjną. Na wlocie do czerpni zlokalizowany jest filtr G4. Strata ciśnienia w wymienniku nie powinna przekraczać 50 Pa, a prędkość przepływu powietrza 3 m/s. W okresach niesprzyjających, dla ograniczenia kosztów przetłaczania powietrza, układ wentylacyjny powinien mieć możliwość czerpania powietrza bezpośrednio z otoczenia, z pominięciem wymiennika gruntowego (bypass).

Istnieją różne propozycje prowadzenia wymiennika gruntowego w otoczeniu budynku lub pod nim (rysunek 21), jak też wytyczne oraz programy obliczeniowe określające długość i średnicę wymiennika (tablica 3).

Przejście powłoki budynku przez kanał wymiennika jest potencjalnym miejscem występowania nieszczelności powietrznych i mostków cieplnych. Z powyższego względu wskazane jest wspólne, szczelne wyprowadzenie instalacji (kanalizacja, wymiennik gruntowy, instalacje elektryczne, woda) w ramach pojedynczego kanału. Producenci wymienników oferują także indywidualne przejścia szczelne.

Przeponowe wymienniki gruntowe prowadzone są na głębokości 1,5÷2,0 m, ewentualnie płycej, w przypadku zlokalizowania pod izolowaną płytą fundamentową. Powinny być kładzione w warstwie gruntu rodzimego, dobrze zagęszczonego. Ze względów finansowych wskazane jest wykorzystanie istniejącego wykopu fundamentowego (prowadzenie pod budynkiem). Należy zachować odstęp 1 metra od ścian budynku oraz pomiędzy odcinkami wymiennika. W okresach letnich w wymienniku może dochodzić do kondensacji i wykraplania wilgoci. Z tego względu kanał wymiennika należy prowadzić ze spadkiem 2% w kierunku studzienki kondensatu, znajdującej się na końcu wymiennika. Strumień powstającego kondensatu dla typowej instalacji w budynku jednorodzinnym (strumień powietrza 150 m³/h) jest szacowany przez firmę Rehau na poziomie 0,4 L/h (dla przypadku Dt=18K, 35°C/45%) lub nawet 0.8 L/h (Dt=12K, 28°C/80%). Innym rozwiązaniem umożliwiającym wykorzystanie ciepła z gruntu jest gruntowy wymiennik wodny z niezamarzającym, glikolowym czynnikiem pośredniczącym, przepływającym zwykle w kilku pętlach obiegowych wykonanego z rur PE. Instalacja wymaga wykorzystania pomp obiegowych, armatury zabezpieczającej, naczynia wzbiorczego i nagrzewnicy.

Pojawiające się wątpliwości związane z higienicznymi aspektami pracy wymiennika powietrznego, w wymienniku gruntowym nie stanowią zagrożenia. W zależności od funkcji przyjmowane są następujące długości obiegów wymiennika gruntowego: 0.3÷0.45 m/m³/h w przypadku funkcji zabezpieczenia wymiennika ciepła przed zamarznięciem lub 0.6 m/m³/h w celu zwiększenie temperatury powietrza dla potrzeb pompy ciepła [3]. Oprócz klasycznych obiegów układanych na jednej płaszczyźnie w gruncie stosowane są także spiralne wymienniki o kształcie odwróconego stożka.

Rozwiązania dla budynków wielorodzinnych

Wielorodzinne pasywne budynki mieszkalne charakteryzują się innymi rozwiązaniami technicznymi w porównaniu z budynkami jednorodzinnymi. Można powiedzieć, iż wentylacja w budynkach pasywnych to każdy system wentylacji umożliwiający utrzymanie komfortu klimatycznego, współpracujący z układem grzewczym lub pełniący jego funkcje, charakteryzujący się niskim zużyciem energii pierwotnej. W budynkach pasywnych wielorodzinnych są zatem stosowane typowe rozwiązania wentylacji, współpracujące w różnym stopniu z układem ogrzewania budynku.

Rozwiązania układy wentylacyjnych w ramach budynków pasywnych można uszeregować według następująca kryteriów:

  •    domy jednorodzinne -
  •        układy zintegrowane (urządzenia kompaktowe CO, CWU, wentylacja),
  •        centralki wentylacyjne (produkcja CO i CWU odrębnie),
  •    domy wielorodzinne/biura -
  •        centralne układy wentylacyjne,
  •        zdecentralizowane układy wentylacyjne,
    

Kryteriami decydującymi o wyborze konkretnego systemu są między innymi:

  •    możliwości techniczne (budynek nowy/modernizowany);
  •    dostępność źródeł ciepła;
  •    układ funkcjonalny budynku.
    

Na rysunku 22 przedstawiono przykładowe rozwiązania układów wentylacyjnych w budynkach pasywnych mieszkalnych wielorodzinnych. W budynkach wykorzystywane są zdecentralizowane centralki wentylacyjne pracujące na powietrzu zewnętrznym lub korzystające ze wstępnie obrobionego powietrza. Istnieją także rozwiązania małych ściennych modułów wentylacyjnych z odzyskiem ciepła. Układy centralne umożliwiają wykorzystanie gruntowego wymiennika ciepła zarówno powietrznego jak i wodnego.

Indywidualne ścienne lub podsufitowe moduły wentylacyjne charakteryzują się następującymi parametrami:

  •    wymiennik przeciwprądowy 75%
  •    czerpnia/wyrzutnia 2 x Ø120 mm
  •    wymiary 40 x 40 x 20 cm
  •    strumień powietrza 15÷60 m³/h



Każde mieszkanie wyposażone jest w 3÷4 moduły. Nawiew powietrza następuje bezpośrednio z kratki zlokalizowanej na module, bądź też poprzez krótki odcinek kanałowy. Koszt modułu to kwota rzędu 550÷770 €.

Moduły umożliwiają indywidualne sterowanie strumieniem powietrza.

Utrudnieniem jest konieczność konserwacji urządzeń i prac eksploatacyjnych w mieszkaniach najemców. Zdecentralizowane systemy wentylacyjne spotykane są także w szkołach o standardzie pasywnym. Powietrze nawiewane jest bezpośrednio z kratki zlokalizowanej na urządzeniu. Czerpnia i wyrzutnia są zintegrowane z prefabrykowanym elementem fasady budynku.

Zakończenie

Instalacje wentylacyjne w budynkach pasywnych charakteryzują się wysokimi sprawnościami i jakością wykonania. Jest to niezbędne ze względu na bardzo wysokie wymogi energetyczne stawiane rozwiązaniom. Dodatkowo kryterium ograniczające całkowite zużycie energii pierwotnej przez budynek zmusza do wykorzystania rozwiązań o niskim zużyciu energii. W aspekcie budownictwa wielorodzinnego proponowane są rozwiązania klasyczne charakteryzujące się niskimi stratami energii, a także systemy z modułami wentylacyjnymi. To ostatnie rozwiązanie może w przyszłości znaleźć zastosowanie także w termomodernizowanych budynkach tradycyjnych, gdyż w sposób nie zakłócający struktury funkcjonalnej budynku umożliwia rozwiązanie problemów związanych z eksploatacją wentylacji naturalnej. Spełnienie jednego z podstawowych kryteriów – obciążenia grzewczego na poziomie 10 W/m2, umożliwia zastosowanie systemu powietrznego jako wspólnego układu wentylacji i ogrzewania zarazem. Dodatkowo w budynkach pasywnych można do w/w instalacji dołączyć również instalację przygotowania CWU. „Sercem” tak zintegrowanego układu instalacyjnego staje się kompaktowy agregat grzewczo-wentylacyjny.

Rozwiązanie to ma wiele zalet:

  •    precyzyjne fabryczne wykonanie układu wentylacja-CO-CWU,
  •    niewielkie straty energii ze względu na zwartość i dobrą izolację obudowy,
  •    łatwość projektowania / doboru (krótki czas, niższe koszty),
  •    niższe koszty wykonawstwa ze względu na łatwość montażu/ instalacji,
  •    kontrola zużycia mediów – opomiarowania zintegrowane,
  •    redukcja kosztów inwestycyjnych – tylko przyłącze elektryczne,
  •    możliwość chłodzenia budynku w okresie letnim.



Należy się spodziewać, iż obecnie wysoka cena urządzeń będzie maleć wraz ze wzrostem zainteresowania budownictwem pasywnym i produkcją sprzętu na większą skalę.

Bibliografia

[1] Dorer V., Breer D.: Residential mechanical ventilation systems: performance

criteria and evaluations, Energy and Buildings, 27/1998

[2] Pakiet do projektowania budynków pasywnych PHPP 2007 EN

[3] Strona internetowa firmy drexel und weiss www.drexel-weiss.de

[4] Strona internetowa Ingenieurbüro Prof. Dr. Harald Krause

www.btec-rosenheim.de

[5] Strona internetowa Passivhaus Instytut www.passiv.de

[6] Strona internetowa projektu CEPHEUS www.cepheus.de

[7] Strona internetowa firmy Viessmann, www.viessmann.pl