Ogrzewanie i wentylacja nowego kościoła Ojców Barnabitów

Obiekty kultu religijnego zalicza się do budynków użyteczności publicznej. Sugeruje to, a nawet wymusza określone wyposażenie techniczne, podporządkowane przepisom i wymaganiom szczegółowym tego rodzaju budynków. Projekt zaś kościoła ma z reguły charakter indywidualny o dużym ładunku emocjonalnym. Trudno więc w nim nieraz narzucić zunifikowane elementy instalacyjne, kolidujące z wystrojem wnętrza lub funkcją liturgiczną.

Istotne znaczenie podczas projektowania
systemów ogrzewania i wentylacji w świątyniach mają następujące strefy:
• nawa główna i ewentualnie jedna lub
dwie nawy boczne;
• prezbiterium;
• chór i empory w niektórych większych
kościołach tworzące dodatkową kondygnację
otwartą do nawy głównej;
• kruchta oddzielona od nawy drzwiami
wewnętrznymi.
Taki podział przestronnego i wysokiego
wnętrza komplikuje satysfakcjonujące wszystkich ukształtowanie warunków mikroklimatu
ze względu na różną aktywność
fizyczną ludzi oraz inne ubrania (w zimie).

Rys. 1 Schemat rozprowadzenia przewodów instalacji nawiewnej i wywiewnej w posadzce kościoła
z zaznaczonymi strefami nawiewu
Ozn.: 1 – strefa nad wejściem głównym, 2 – strefy nad wejściami bocznymi,
3 – strefa z boków ołtarza, 4 – strefa ołtarza

Dane przyjęte do obliczeń
Parametry powietrza wewnętrznego:
• temperatura obliczeniowa t: zima:
21±2°C (zakrystia), 15±2°C (kościół),
lato: 24±2°C;
• wilgotność względna: zima – 55±10%,
lato – 50±10%;
• prędkość ruchu powietrza: 0,2 m/s –
wejście powietrza bezpośrednio w SPL,
0,3 m/s – nawiew powietrza przy ścianie.
Maksymalne napełnienie kościoła wiernymi
1000 osób, w tym 450 – miejsca siedzące, 350 – miejsca stojące, 200 – chór.
Poziom chóru jest niedostępny na co dzień
dla wiernych, stąd ilość powietrza zewnętrznego
(higieniczna) wynosi 800 osób
x 20 m3/h = 16 000 m3/h.
Obliczenia zysków/strat ciepła i wilgoci
oraz zapotrzebowania pomieszczeń na ciepło (w przypadku ogrzewania pomieszczeń
w zimie) wykonano w programie
komputerowym Purmo OZC.
Obliczając temperaturę nawiewu dla poszczególnych
pomieszczeń, najniższą
wartość (27°C) uzyskano dla zakrystii.
Przyjęto ją do dalszych obliczeń – doboru
centrali i projektowania procesów klimatyzacyjnych.
Na potrzeby naw kościoła
zaplanowano ogrzewanie powietrzne do
wymaganej temp. nawiewu 36°C za pomocą elektrycznych nagrzewnic miejscowych.
Nagrzewnice rozmieszczono przed
wlotem do pomieszczeń w części przewodów
prowadzonych w podłodze.

Rys. 2 Rozprowadzenie przewodów – strefa nawiewu 1

Rys. 3 Rozprowadzenie przewodów – strefa nawiewu 2 i 3
Instalacja powietrzna...
W projektowanej instalacji powietrznej zastosowano
przewody wentylacyjne wykonane
z blachy stalowej ocynkowanej o przekroju
poprzecznym kołowym typ S (Spiro)
i prostokątnym typu A/I. Przewody magistralne
(poziomy) poprowadzono w podłodze
w specjalnie do tego celu wykonanych
kanałach (korytach betonowych) zaizolowanych
przed przedostawaniem się do
nich wody gruntowej i nakryto płytami posadzki.
Piony i poziomy odgałęzień zostały
poprowadzone w ścianach lub na ich powierzchni
tak, aby w jak największym stopniu
zminimalizować straty powierzchni
(objętości) wnętrza kościoła oraz jak najmniej
ingerować w projektowany przez
architekta wystrój wnętrza. W celu osłonięcia
blaszanych przewodów przewidziano
obudowanie ich za pomocą płyt kartonowo-
-gipsowych. W ten sposób powstaną szachty,
sufity podwieszane i „przylepione” do
ścian i balkonów kolumny oraz gzymsy.
...nawiewna
W zakrystii przyjęto krotność wymian jak
dla pomieszczeń biurowych 3-8 h-1. Ilość
powietrza obliczono ze względu na ogrzanie
pomieszczeń zimą i usunięcie zysków
ciepła w lecie. W nawie kościoła ilość powietrza
wentylacyjnego obliczono w zależności od liczby osób, uwzględniając
wymóg zachowania minimalnej jednej
wymiany powietrza w ciągu godziny.
Ilość powietrza świeżego (tzw. minimum
higieniczne) przypadające na jedną osobę
przyjęto w wysokości 20 m3/h x osobę
(jak dla sal zebrań z zakazem palenia) wg
PN-83/B-03430.
Powietrze przygotowane w centrali doprowadzane
jest najpierw kanałami
w podłodze oraz szachtami w ścianach na
poszczególne kondygnacje i rozprowadzane
następnie po pomieszczeniach.
...wywiewna
Przewody poprowadzono w podłodze,
a następnie pionowymi szachtami wyprowadzono
na poszczególne kondygnacje
zakrystii oraz do kooecioła i sal pomocniczych.
Szachty pionowe zostały adaptowane
po wcześniej zaprojektowanej wentylacji
grawitacyjnej lub zaprojektowane
w czasie obliczeń instalacji powietrznej.
Do transportu powietrza przewidziano
przewody stalowe o przekroju prostokątnym,
tak dobrane, aby zmieściły się
w adaptowanych szachtach i zajmowały
jak najmniej powierzchni użytkowej.
Z zakrystii powietrze usuwane jest przez
kratki wywiewne do szachtu w pionie
klatki schodowej. Pierwsza kratka
umieszczona jest 30 cm nad poziomem
podłogi, a kolejne dwie pomiędzy piętrami
(na półpiętrach). Z kościoła powietrze
wywiewane jest przez 24 kratki umieszczone
na wysokości 30 cm nad podłogę.
Kratki w kościele rozmieszczono w ścianach
zewnętrznych oraz na filarach
nośnych. Kratki zamontowane na przewodach
wyprowadzonych z podłogi przy filarach
zostały obudowane cegłą klinkierową,
aby uniemożliwić siadanie na nich.
Powietrze wywiewane zawracane jest do
centrali, gdzie wymiennik odzysku ciepła
ma za zadanie zmniejszyć koszty obróbki
cieplnej powietrza nawiewanego.

Schemat maszynowni
Praca układu zimą
Zbiornik buforowy pracuje jako zasobnik ciepła – zawory Z2, Z4, Z6, Z8 są zamknięte. Chłodnica wodna – nie pracuje.
Nagrzewnica wodna – pracuje – zasilana jest z pomp ciepła, oraz kotła c.o.. Powrót wody przez zawór ZT2 do
zasobnika ciepła i dalej do kotła przez zawór ZT1 (zawór Z9 zamknięty). Pompy ciepła pracują w trybie grzania – temp.
wody na wyjściu 45°C. Kocioł c.o. pracuje jako szczytowe źródło ciepła, podgrzewa wodę od temp. 45°C płynącej
z zasobnika ciepła do wymaganej temperatury 80°C potrzebnej do zasilania nagrzewnicy powietrza w centrali.

Praca układu latem
Zbiornik buforowy pracuje jako zasobnik chłodu – zawory Z1, Z3, Z5, Z7 są zamknięte. Chłodnica wodna – pracuje.
Zasilana jest z pomp ciepła. Pompy ciepła pracują w trybie chłodzenia – temp. wody na wyjściu 7°C (woda lodowa
o parametrach 7/12°C). Nagrzewnica wodna – pracuje – zasilana jest z kotła c.o.. Powrót wody przez zawór ZT2
i zawór Z9 do kotła c.o. Kocioł pracuje samodzielnie (odcięty jest od pomp ciepła – zawór ZT1 jest zamknięty). W celu
uzyskania wymaganych parametrów na nagrzewnicy/chłodnicy zastosowano regulację jakościową przez
podmieszanie wody powrotnej do wody zasilającej (zawory ZM1 i ZM2).

Dobór centrali klimatyzacyjnej
Całkowita ilość powietrza wentylacyjnego
wynosi 17 820 m3/h. W związku z założeniem,
że centrala pracuje na powietrzu
zewnętrznym dotrzymany został warunek
minimalnej ilości powietrza ze względów
higienicznych (10%). Ze względów
jednak na oszczędności energetyczne
zastosowano odzysk ciepła z powietrza
wywiewanego za pomocą obrotowego
wymiennika ciepła.
Centrala klimatyzacyjna zlokalizowana została w specjalnie do tego celu przeznaczonym
obiekcie przybudowanym do ściany
plebani. Nawilżanie powietrza odbywa się
za pomocą nawilżacza parowego umieszczonego
w kanale nawiewnym. Powietrze
nawiewane oczyszczane na filtrze klasy
EU5 ogrzewa się (chłodzi) wstępnie w obrotowym
wymienniku ciepła od powietrza
wywiewanego z pomieszczeń. Jako wtórne
nagrzewanie zastosowano nagrzewnicę
wodną. W sekcji chłodzenia zaplanowano
chłodnicę wodną zasilaną wodą lodową
o parametrach 7/12°C.
W centrali, bezpośrednio za sekcją wentylatorową, zamontowano sekcję tłumienia.
Źródła ciepła
Pompę ciepła obliczono ze względu na
zapotrzebowanie pomieszczeń na moc
chłodniczą. Dobierając pompę ciepła,
kierowano się tym, aby zdołała ona usunąć zyski ciepła z pomieszczeń w lecie,
bez konieczności stosowania do tego celu
dodatkowych urządzeń (np. w wytwornicy
wody lodowej). Uzyskana w ten sposób
moc cieplna urządzenia będzie wykorzystana
do ogrzewania pomieszczeń
w zimie. Pompa ciepła będzie pracować
w układzie biwalentnym czyli współpracować
z kotłem c.o. (olej/gaz). Aby uzyskać
jak najlepsze parametry pracy całego
układu zaprojektowano ogrzewanie niskotemperaturowe
w postaci ogrzewania
powietrznego (jednoczesna wentylacja
pomieszczeń). Dobrano pompę ciepła
VITOCAL 300 firmy Viessmann.
Kotłownia jest połączona razem z maszynownią i umieszczona w budynku stanowiącym przybudówkę do ściany plebani.
Wytwarzane ciepło/chłód służą do zasilania
nagrzewnicy/chłodnicy znajdujących
się w centrali klimatyzacyjnej. Aby ogrzewać
pomieszczenia zimą i chłodzić latem
do pozyskiwania ciepła/chłodu z gruntu
zastosowano sondy gruntowe. Kolektory
gruntowe ułożone na głębokości 1,5-2,0 m
pod powierzchnią ziemi nie zapewnią
chłodzenia pomieszczeń w lecie, ze
względu na zbyt wysoką temperaturę
gruntu. W okresie zimowym powietrze
ogrzane wstępnie w obrotowym wymienniku
ciepła (odzysk ciepła) od powietrza
usuwanego z budynku jest następnie dogrzewane
do wymaganej temperatury za
pomocą pompy ciepła oraz w razie konieczności
szczytowym kotłem c.o.
W okresie letnim pompa ciepła przełączona jest w tryb chłodzenia i produkuje
wodę lodową na potrzeby chłodnicy powietrza.
Powietrze nawiewane do pomieszczeń
(ciepłe) podlega wstępnemu ochłodzeniu
w obrotowym wymienniku ciepła
(odzysk chłodu) od powietrza wywiewanego
z pomieszczeń i następnie ochładzane
jest do wymaganej temperatury za
pomocą chłodnicy wodnej zasilanej wodą
lodową z pompy ciepła. Nagrzewnica powietrza
jest natomiast zasilana ciepłą wodą
pochodzącą z kotła c.o.
Dane przyjęte do obliczeń:
• zapotrzebowanie obiektu: na chłód
39,4 kW; na ciepło 116,1 kW,
• temp. na wyjściu z pompy ciepła: 45°C,
• temp. na wejściu do pompy ciepła
(temp. solanki): 0°C.
Dobrano dwie dwustopniowe pompy ciepła typ BW 232, które pokrywają zapotrzebowanie
obiektu na chłód. Uzyskana
moc grzewcza pompy ciepła (63 kW) jest
w stanie pokryć w 54,3% zapotrzebowanie
budynku na energię cieplną. Resztę
(53 kW) pokryje kocioł olejowy/gazowy
VITOLA 200 typ VB2 pracujący jako
szczytowe źródło.
Dobór sondy gruntowej
Odległość pomiędzy sondami gruntowymi
powinna wynosić minimum 5 m. Na głębokości,
na której znajdują się sondy panuje
przez cały rok stała temperatura gruntu,
wynosząca około 8-10°C. Kolektor gruntowy
zaprojektowano w postaci pionowych
sond, aby umożliwić wykorzystanie go zimą
do celów grzewczych a latem do chłodzenia
budynku. Z tego też powodu odcinki poziome
kolektora na zasileniu (od sond do rozdzielaczy
solanki) należy zaizolować cieplnie.
Zabezpieczy to obieg pierwotny pompy
ciepła przed utratą chłodu w lecie oraz ciepła zimą podczas płynięcia solanki w długich
odcinkach poziomych zakopanych na
głębokości 1,5-2,0 m pod powierzchnią ziemi.
Na tej głębokości panuje bowiem inna
temperatura niż na głębokości, na której
znajdują się sondy. W okresie lata jest to
temperatura znacznie wyższa, co spowoduje
niewskazane ogrzewanie się solanki, a zimą niższa, co z kolei przyczyni się do znacznego
jej ochłodzenia. Sondy pionowe oraz
zaizolowane odcinki poziome kolektora
gruntowego zapewniają stałą temperaturę
dolnego źródła przez cały rok.
Dariusz Trzciński
Od Redakcji: „Praca dla absolwenta – dołącz do VBW Clima” to konkurs dla studentów ostatniego roku
politechnik na najlepszą pracę dyplomową z zakresu wentylacji i klimatyzacji. Niniejszy artykuł
przedstawia nagrodzony dyplom. Był to projekt obejmujący systemu ogrzewania powietrznego
i wentylacji w kościele Ojców Barnabitów w Warszawie. Artykuł przedstawiæ najważniejsze idee tego projektu.
Źródło: