Wentylacja z odzyskiem ciepła. ABC instalacji

Chcesz mieć w domu zawsze świeże powietrze? Zadbaj o skuteczną wentylację, najlepiej mechaniczną. Jeżeli nie chcesz, by z tego powodu zwiększyły się twoje wydatki na ogrzewanie, wybierz system z odzyskiem ciepła.

Wentylacja naturalna

Zgodnie z polskimi przepisami dom musi być wyposażony w system wentylacji grawitacyjnej, czyli pionowe kanały wentylacyjne, przez które (przynajmniej teoretycznie) powietrze jest usuwane z pomieszczeń. Ruch powietrza w kanałach jest powodowany naturalną siłą wyporu. Aby był możliwy, do pomieszczeń musi jednocześnie dopływać powietrze w takiej ilości, jaka ma być usuwana. W tym celu w ścianach lub oknach muszą być zainstalowane nawiewniki.
Założenia do projektowania wentylacji naturalnej znajdujące się w polskich normach zalecają przyjmowanie do obliczeń niewielkiej ilości powietrza, na pewno zbyt małej, by zapewnić skuteczne przewietrzanie wszystkich pomieszczeń w nowoczesnym, szczelnym domu. Konieczne więc wydaje się stosowanie w nich wentylacji mechanicznej, działającej niezależnie od warunków zewnętrznych dzięki wentylatorom napędzanym silnikami elektrycznymi.

Wentylacja mechaniczna

W najprostszym wariancie wentylacji mechanicznej ruch powietrza wentylacyjnego może być wymuszony za pomocą niewielkich wentylatorów wywiewnych instalowanych na wlotach kanałów grawitacyjnych w łazienkach, toaletach i kuchniach. Nawiew powietrza do pomieszczeń powinien się odbywać – podobnie jak w systemie grawitacyjnym – przez nawiewniki okienne lub ścienne.
Świeże powietrze ma temperaturę taką, jaka panuje na zewnątrz, i trzeba je ogrzać do temperatury pomieszczenia. W nowych, dobrze ocieplonych domach ilość potrzebnej do tego energii bywa zbliżona do ilości ciepła uchodzącego przez przegrody zewnętrzne budynku. Aby ograniczyć zużycie energii, mieszkańcy domów – nierzadko nawet kosztem dobrego samopoczucia lub zawilgocenia pomieszczeń – ograniczają do minimum wydajność wentylacji.

W najprostszym wariancie wentylacji mechanicznej do wymuszenia przepływu powietrza służą niewielkie ścienne wentylatory wyciągowe. Autor: CATA		Autor: CATA

O połowę taniej

Obawa przed wysokimi rachunkami za ogrzewanie nie powinna być w żadnym wypadku powodem rezygnacji z wentylacji. Zamiast zmniejszać ilość świeżego powietrza dopływającego do pomieszczeń, lepiej odzyskiwać ciepło z wywiewanego powietrza i ogrzewać nim powietrze świeże. W ten sposób można zredukować nawet o 50% ilość energii potrzebnej do ogrzania powietrza wentylacyjnego.
Aby możliwe było zainstalowanie urządzenia do odzysku ciepła, trzeba wykonać w budynku wentylację mechaniczną nawiewno-wywiewną. W takim układzie świeże powietrze zasysane z zewnątrz jest kierowane jednym kanałem do centrali wentylacyjnej, a z niej siecią kanałów rozprowadzane do głównych pomieszczeń – salonu, sypialni i pozostałych pokoi. W kuchni, łazienkach, toaletach, garderobach i innych pomieszczeniach bez okien znajdują się wywiewniki, którymi jest wyciągane zużyte powietrze. Kanałami jest ono doprowadzone do centrali wentylacyjnej, skąd po odzyskaniu z niego ciepła usuwa się je poza budynek.

Dwa wymienniki krzyżowe umieszczone szeregowo w centrali umożliwiają odzysk ciepła ze sprawnością do 80%. Autor: Mariusz Bykowski

Centrala wentylacyjna, zabezpieczenie przeciwzamarzaniowe

W urządzeniu nazywanym centralą wentylacyjną znajdują się najważniejsze elementy układu wentylacji nawiewno-wywiewnej: wentylatory, filtry powietrza, wymiennik ciepła oraz układ sterujący i ewentualnie nagrzewnica.

Wentylatory są przeznaczone do pracy ciągłej. Z niewielkimi przerwami powinny działać nawet kilkanaście lat. Zależnie od wydajności moc napędzających je silników wynosi od kilkudziesięciu do kilkuset watów. Koszt zużywanej przez nie energii elektrycznej jest więc zauważalny, ale w stosunku do ogólnych kosztów eksploatacji budynku raczej niewielki.
Wentylatory mają najczęściej kilkustopniową regulację prędkości obrotowej. Dzięki temu oprócz pracy z nominalną wydajnością centrala wentylacyjna może pracować w trybie ekonomicznym, zapewniając minimalną wymianę powietrza, na przykład w czasie nieobecności domowników oraz w trybie intensywnym, kiedy trzeba szybko przewietrzyć pomieszczenia. Im więcej trybów pracy ma centrala, tym łatwiej dostosować intensywność wentylacji do aktualnych potrzeb.
W prostszych centralach wentylatory nawiewny i wyciągowy są napędzane wspólnym silnikiem. Wydajność obu jest wówczas taka sama.

W wymienniku znajdującym się w centrali wentylacyjnej ciepłe powietrze wywiewane z pomieszczeń ogrzewa powietrze nawiewane spoza budynku. Ten proces to tak zwany odzysk ciepła. W domowych centralach wentylacyjnych używane są do tego wymienniki krzyżowe, zwane rekuperatorami, lub obrotowe (rotacyjne).

Dwa warianty wykonania centrali wentylacyjnej z wymiennikiem krzyżowym (rekuperatorem): a – do pomieszczeń długich i niskich (na przykład garaże, poddasza), b – do pomieszczeń niewielkich i wysokich (na przykład schowków). Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Centrala wentylacyjna z wymiennikiem obrotowym (regeneracyjnym). Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Układ sterujący. Praca centrali wentylacyjnej może być sterowana automatycznie. W najprostszym przypadku za pomocą zegara sterującego można ustalić czas pracy wentylatorów w poszczególnych trybach w ciągu doby, a nawet każdego dnia tygodnia.
Nie trzeba wtedy pamiętać o przełączaniu centrali na tryb ekonomiczny przed wyjściem do pracy. Można też zaprogramować codzienne kilkunastominutowe intensywne wietrzenie pomieszczeń przed snem. Bardziej rozbudowane układy automatycznej regulacji umożliwiają sterowanie wydajnością wentylacji zależnie od wilgotności powietrza lub stężenia CO₂ w pomieszczeniach.

Regulatory z czujnikami wilgotności albo zanieczyszczenia powietrza usprawniają automatyczne sterowanie wentylacją. Autor: VENTURE INDUSTRIES		Autor: VENTURE INDUSTRIES

Filtry powietrza zwiększają komfort użytkowania wentylacji – zatrzymują nawet bardzo drobne zanieczyszczenia. Standardowo w kanale nawiewnym montowane są filtry klasy EU7 (F7 według normy europejskiej), które wychwytują cząsteczki o średnicy od 0,5 mikrometra.
Filtry muszą także chronić przed zabrudzeniem wymiennik ciepła (zanieczyszczony ma znacznie niższą sprawność), dlatego instaluje się je również w kanale, którym powietrze jest wywiewane z pomieszczeń. Są one zazwyczaj mniej dokładne (klasy EU3/G3).
Filtry wykonane są z włóknin, tworzyw sztucznych lub papieru.
Na ogół można je czyścić, a czasami nawet prać, są więc przeznaczone do wielokrotnego użytku.
Centrala może być wyposażona w czujniki zabrudzenia filtrów sygnalizujące konieczność ich oczyszczenia bądź wymiany. W razie braku takiego sygnalizatora czystość filtra należy kontrolować mniej więcej raz w miesiącu.

Zabezpieczenie przeciwzamarzaniowe. Ciepłe i wilgotne powietrze usuwane z pomieszczeń, przepływając przez wymiennik, schładza się i wtedy może się z niego wykraplać para wodna. Powstające skropliny muszą być odprowadzone z centrali wentylacyjnej do kanalizacji.
Gdy świeże powietrze czerpane z zewnątrz będzie miało ujemną temperaturę, skropliny zamarzną na powierzchni wymiennika, tworząc szron utrudniający przepływ powietrza przez wąskie kanaliki. Jeżeli nie będzie się temu zapobiegać, szybko dojdzie do całkowitego zatkania wymiennika i układ wentylacji przestanie działać. Dlatego wszystkie centrale wentylacyjne z urządzeniami do odzysku ciepła muszą być wyposażone w układ automatycznego odszraniania wymiennika.
W wyniku jego działania okresowo na kilka minut jest wyłączany wentylator nawiewny (ustaje nawiew powietrza do pomieszczeń), aby zimne powietrze zewnętrzne nie wychładzało powierzchni wymiennika. W tym czasie jest on ogrzewany ciepłym powietrzem wywiewanym z pomieszczeń.
Można zapobiegać oblodzeniu wymiennika, nie rezygnując z wentylacji nawet na chwilę. Trzeba w tym celu zamontować dodatkową nagrzewnicę elektryczną podgrzewającą wstępnie powietrze zewnętrzne do dodatniej temperatury. Wadą tego rozwiązania jest dodatkowe zużycie prądu do zasilania nagrzewnicy.

Nagrzewnice. Najwyższy komfort zapewnia system wentylacji, w którym powietrze nawiewane ma taką samą temperaturę jak powietrze w pomieszczeniu.
Aby ją zapewnić, nie wystarczy wymiennik do odzysku ciepła. Trzeba dodatkowo ogrzewać powietrze nawiewane, na przykład za pomocą nagrzewnicy elektrycznej wstawionej do kanału nawiewnego, a to kosztuje.

Powietrze nawiewane i tak w końcu będzie ogrzane do temperatury panującej w pomieszczeniu – jeśli nie przez nagrzewnicę kanałową, to przez grzejniki w pomieszczeniu. W jednym i w drugim przypadku zostanie zużyta taka sama ilość energii, tyle że zasilana prądem nagrzewnica będzie droższa w eksploatacji od centralnego ogrzewania gazowego, olejowego czy na paliwo stałe.

Na szczęście ilość powietrza nawiewanego do pomieszczeń domu jednorodzinnego nie jest duża, więc nawet jeśli będzie ono chłodniejsze, to szybko wymiesza się z ciepłym powietrzem w pomieszczeniu i jego niższa temperatura nie będzie dokuczliwa. Pod warunkiem że nie będziemy przebywać bezpośrednio w strumieniu nawiewanego powietrza.
Dogrzewanie powietrza nawiewanego jest wskazane dopiero, gdy temperatura na zewnątrz spada poniżej -10°C.

Tłumienie hałasu

Największym źródłem hałasu w instalacji jest centrala wentylacyjna. Do jego wytłumienia służą przede wszystkim specjalne tłumiki akustyczne montowane na głównych kanałach – nawiewnym i wyciągowym w pobliżu centrali. Są to proste odcinki kanałów wentylacyjnych o długości od kilkudziesięciu centymetrów do kilku metrów (w przypadku bardzo dużej centrali wentylacyjnej), wewnątrz których znajdują się specjalne maty tłumiące hałas. Wielkość tłumików powinien dobrać projektant instalacji. Najmniejsze centrale o niewielkiej wydajności, wytwarzające hałas poniżej 50 dB, nie muszą być chronione tłumikami. Wystarczy, że połączenie centrali ze sztywnymi kanałami wentylacyjnymi zostanie wykonane za pomocą specjalnych izolowanych przewodów elastycznych o długości około 1 m. One również mają zdolność tłumienia hałasu.
Dodatkowo kanały powinny być w całości zaizolowane izolacją termiczną, na przykład z wełny mineralnej grubości 3 cm, lub inną przeznaczoną do kanałów wentylacyjnych. To zapobiegnie wykraplaniu się pary wodnej na zewnętrznej powierzchni kanałów i również przyczyni się do zmniejszenia hałasu instalacji.

Izolowanie kanałów

Gdy temperatura na zewnątrz jest niska, świeże powietrze po przejściu przez wymiennik ciepła może nie nagrzać się do temperatury wyższej od tak zwanej temperatury punktu rosy. Przepływając przez kanał wykonany z cienkiej blachy, może ochłodzić jego powierzchnię także do temperatury niższej od temperatury punktu rosy. Wtedy na powierzchni kanału nawiewnego będzie się wykraplała wilgoć z otaczającego go ciepłego powietrza.
Kanał wywiewny ma zwykle temperaturę taką, jaka panuje w pomieszczeniach, z których jest wywiewane powietrze, więc na jego ściankach nie będzie się wykraplać para wodna. Chyba że będzie poprowadzony przez pomieszczenia nieogrzewane, na przykład piwnicę lub garaż.
O ile na kanałach nawiewnych i wyciągowych istnieje jedynie ryzyko wykraplania się pary wodnej, o tyle na kanałach: czerpnym – transportującym powietrze z zewnątrz budynku do centrali wentylacyjnej – i wyrzutowym – odprowadzającym zużyte powietrze poza budynek, para wodna będzie się wykraplać z całą pewnością.
Aby wyeliminować to zjawisko, kanały trzeba zaizolować.

Rekuperacja albo regeneracja, czyli jak zatrzymać ciepło

Rekuperacja. Wymiennik (rekuperator) jest zbudowany z wielu równolegle ustawionych płyt. Między nimi są utworzone kanaliki, którymi przepływa powietrze: jednym rzędem kanalików – świeże, zimne, sąsiednim – ciepłe, wywiewane z pomieszczeń. Ciepło z powietrza usuwanego przenika przez płyty i ogrzewa powietrze nawiewane, ale oba strumienie się nie mieszają. Nie ma zatem możliwości przenikania zanieczyszczeń i zapachów z powietrza usuwanego do nawiewanego.
Sprawność wymienników sięga 60%. Łącząc je szeregowo, można zwiększyć sprawność odzysku ciepła (niestety, jedynie chwilową, a nie średnią dla całego roku) do ponad 80%.

Schemat działania wymiennika krzyżowego. Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Regeneracja. Odbywa się w bębnie (rotorze) stale obracającym się z niewielką prędkością. Jedna połowa bębna jest umieszczona w strumieniu powietrza nawiewanego, druga – w równolegle przepływającym strumieniu powietrza wywiewanego. Ażurowa masa akumulacyjna, z której jest wykonany bęben, obracając się, znajduje się naprzemian w strumieniu ciepłego powietrza wywiewanego, które ją nagrzewa, po czym w strumieniu powietrza wywiewanego, któremu oddaje ciepło. Tu również strumienie powietrza się nie mieszają, ale ponieważ część bębna jest omywana na zmianę przez jeden i drugi strumień, może dochodzić do przenikania zanieczyszczeń i zapachów z powietrza usuwanego do nawiewanego.
Zaletą wymiennika rotacyjnego jest bardzo wysoka sprawność, niekiedy dochodząca nawet do 90%. Jego konstrukcja umożliwia nie tylko odzysk ciepła, ale także wilgoci. Bęben wymiennika obrotowego może być pokryty substancją higroskopijną – wchłaniającą wilgoć z wywiewanego powietrza. Kiedy po obróceniu bębna jego wilgotna część znajdzie się w strumieniu powietrza świeżego, ulegnie ono nawilżeniu, co zwiększy komfort wentylowanych pomieszczeń bez potrzeby stosowania dodatkowego nawilżacza.

Schemat działania wymiennika obrotowego. Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Centrala z pompą

Najbardziej skomplikowane centrale wentylacyjne oprócz wymiennika ciepła wyposażone są także w działające równocześnie urządzenie do odzysku energii – pompę ciepła. Tak zwanym dolnym źródłem (z którego pompa pobiera ciepło) jest powietrze wywiewane z pomieszczeń. Ciepło z niego odzyskiwane jest za pośrednictwem pompy i przekazywane do powietrza nawiewanego, podobnie jak w wymienniku ciepła. Połączenie w jeden układ pompy ciepła i wymiennika obrotowego albo rekuperatora umożliwia znacznie skuteczniejszy odzysk ciepła z wywiewanego powietrza. Dodatkowo pompa ciepła w lecie służy do chłodzenia powietrza nawiewanego, zatem centrala w nią wyposażona jest centralą klimatyzacyjną. Wprawdzie do napędu pompy zużywana jest energia elektryczna, ale jej ilość jest kilkakrotnie mniejsza niż ta, którą zużyłaby elektryczna nagrzewnica powietrza, a zimą pompa często jest w stanie ją zastąpić.

Centrala wentylacyjna z wymiennikiem obrotowym i pompą ciepła – umożliwia skuteczny odzysk ciepła zimą i chłodzenie latem.