Projekt badawczy: Niskoenergetyczna wentylacja całego budynku

RDPCLEVS „Projekt badawczy: Niskoenergetyczna wentylacja całego budynku” realizowany w ramach Piątego Programu Ramowego Badań i Rozwoju Technologicznego Wspólnoty Europejskiej, maj 2001 – kwiecień 2004

Wstęp
Głównym celem zainteresowań obecnych badań jest określenie związku pomiędzy zużyciem energii a wentylacją mieszkań i budynków, która wpływa na zdrowie mieszkańców. Projekt badawczy pod nazwą RDPCLEVS (Niskoenergetyczna wentylacja całego budynku) prowadzony jest w ramach Piątego Programu Ramowego Wspólnoty Europejskiej. W ramach projektu prowadzone są badania naukowe mające na celu ocenę wydajności innowacyjnego systemu „oszczędnej energetycznie wentylacji całego budynku” opracowanego przez Uniwersytet Cambridge (Wlk. Brytania) przy współpracy z partnerami z Wlk. Brytaniii (TITON), Danii (Cenergia), Irlandii (Uniwersytet w Dublinie) oraz Polski (FLOP SYSTEM), który to system ma stanowić alternatywę dla mechanicznej wentylacji z odzyskiem ciepła (MVHR) stosowaną w chłodniejszych rejonach Europy lub dla wyciągów wentylatorowych w kuchniach i łazienkach stosowanych w bardziej umiarkowanym klimacie.

Opis
Wymagania mające na celu zmniejszenia zużycia energii realizowane są obecnie przez uszczelnianie konstrukcji budowlanych w celu ograniczenia infiltracji, która jest przyczyną większego zużycia ciepła w okresie zimowym. Równocześnie dąży się do ograniczenia udziału strat ciepła wynikających z funkcjonowania wentylacji w ogólnych stratach cieplnych budynku. Z kolei zbyt szczelne budynki są przyczyną pogorszenia jakości powietrza w mieszkaniach co w konsekwencji wywiera szkodliwy wpływ na zdrowie mieszkańców.
Technicznym rozwiązaniem problemu, łączącego zapewnienie odpowiedniej jakości powietrza wewnętrznego przy wymaganiach ograniczonego zużycia energii są okna wentylowane.
Okno wentylowane jest konstrukcją zapewniającą laminarny przepływ powietrza przez szczelinę wentylacyjną utworzoną pomiędzy dwiema płaszczyznami szyb .Okno wentylowane przypomina nieco konstrukcję skrzynkową. W okresie zimowym następuje tutaj podgrzanie powietrza wchodzącego do pomieszczenia. Jednocześnie realizowany jest wzrost poziomu wentylacji pomieszczenia przy jednoczesnym ograniczeniu przeciągów oraz strat ciepła.
Testy laboratoryjne przeprowadzone w laboratoriach w BRE Scotlab (Szkocja) oraz w Energy Monitoring Company Ltd. (Anglia) potwierdziły, że współczynnik przenikania ciepła przez takie okno osiągają wartość 0.3 – 0.4 W/m2K.
Powietrze zewnętrzne wpływa dołem do szczeliny gdzie jest podgrzewane a następnie górą wypływa do pomieszczenia (rys. 1).

Poza tym zastosowano w oknach wentylowanych nawiewniki okienne o regulowanym przepływie powietrza, które sterują wielkością strumienia powietrza doprowadzonego do pomieszczenia.
W projekcie badawczym RDPCLEVS „niskoenergetycznej wentylacji całego budynku” zastosowano okna wentylowane w kombinacji z naturalną wentylacją grawitacyjną. Rozwiązanie takie stanowi kompletny system, którego schemat przedstawiono na rys.2.

Ramy projektu
Celem projektu badawczego jest określenie skuteczności działania innowacyjnego systemu w warunkach rzeczywistych, w budynkach mieszkalnych. Ponadto określa się rejony klimatyczne, w których system może być stosowany. Wybrano lokalizacje w Danii, Irlandii i Polsce, będące reprezentacyjne dla różnych warunków klimatycznych panujących na obszarze Europy. Klimat skandynawski występujący w Danii charakteryzuje się zimnym, wilgotnym latem oraz wilgotną zimą, morski klimat w Irlandii Północnej charakteryzuje się łagodną zimą oraz łagodnym latem, natomiast kontynentalny klimat w Polsce charakteryzuje się chłodną, suchą zimą i ciepłym suchym latem.
Badania i pomiary są przeprowadzane w nowo wybudowanych mieszkaniach osiedlowych w Polsce, nowo wybudowanych jednokondygnacyjnych budynkach w Danii oraz istniejących dwu kondygnacyjnych budynkach szeregowych w Irlandii Płn. Badania przeprowadza się w parach mieszkań lub domów wolnostojących, identycznej wielkości i jednakowo usytuowanych w każdej parze. Mieszkania testowe w każdym kraju wyposażone są w innowacyjny system niskoenergetycznej wentylacji w skład którego wchodzą okna wentylowane i wentylacja grawitacyjna wyciągowa. Mieszkania kontrolne są wyposażone w standardowe rozwiązania wentylacji; w Danii zainstalowany jest system wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła; w Irlandii Płn. zamontowana jest prosta mechaniczna wentylacja wyciągowa ; w Polsce wentylacja mieszkań realizowana jest przez grawitacyjną wentylację wyciągową.
W każdym kraju mieszkanie testowe i kontrolne jest monitorowane w celu określenia:
- względnego zużycia energii,
- warunków mikroklimatu wewnętrznego pomieszczenia,
- zadowolenia użytkownika.
BADANIA
Instalacja w Polsce.
Para identycznych mieszkań znajduje się w nowo wybudowanym osiedlu mieszkań czynszowych TBS w Kątach Wrocławskich pod Wrocławiem.

Mieszkanie składa się z aneksu pokoju z kuchnią, łazienki i przedpokoju. Powierzchnia mieszkań wynosi ok. 32 m2. Wysokość mieszkań 2.5 m. Okna zwrócone są na stronę zachodnią. Zamontowane są dwa okna w mieszkaniu o wymiarach 1.5 x 1.5 m. Wentylacja mieszkań realizowana jest standardowo przez układ wentylacji grawitacyjnej. Kratki wentylacyjne usytuowane są w aneksie pokoju/kuchni oraz w łazience. Obydwa mieszkania znajdują się na drugim piętrze 3-piętrowego budynku. Wysokość przewodu wentylacyjnego wynosi ok. 4 m. W mieszkaniu kontrolnym zainstalowano dwa okna PCV z podwójną szybą zespoloną. Przeprowadzone testy szczelności obydwu mieszkań wykazały stosunkowo mały współczynnik infiltracji, gdyż jego wartość była na poziomie 0.2 wymian na godzinę.

Schemat mieszkań.


Dotychczasowe wyniki pomiarów
Przeprowadzone pomiary współczynnika przenikania ciepła okna wentylowanego potwierdziły jego niską wartość na poziomie wyników badań laboratoryjnych.
1. Wartość współczynnika przenikania ciepła dla okna wentylowanego.
a) Średnia wartość współczynnika przenikania ciepła w porze nocnej w listopadzie 2002

b) Średnia wartość współczynnika przenikania ciepła w zimie U = 0.52 W/m2K
2. Dopływ powietrza zewnętrznego i współczynnik wymiany powietrza w mieszkaniach.
a) średnia wartość doprowadzonego strumienia powietrza do aneksu kuchni/pokoju

b) średnia wartość współczynnika wymiany powietrza w mieszkaniu

Uzyskane wartości współczynnika wymian powietrza w mieszkaniach (testowym i kontrolnym) w poszczególnych miesiącach przedstawia wykres.


Osiągnięte wartości współczynnika wymiany powietrza w mieszkaniu testowym są zdecydowanie wyższe od wartości osiąganych w mieszkaniu kontrolnym.

Analiza okresu zimowego
Większe wartości współczynnika wymiany powietrza w obydwu mieszkaniach w okresie zimowym w porównaniu z okresem letnim zostały osiągnięte ze względu na decydujący wpływ na ten współczynnik jaki ma różnica temperatur powietrza pomiędzy temperaturą powietrza wewnątrz pomieszczenia a temperaturą powietrza zewnętrznego. Poniżej przedstawiono taką zależność. Wykres sporządzono dla średnich miesięcznych w okresie styczeń – lipiec 2003.
Ti - temperatura powietrza w pomieszczeniu
To - temperatura powietrza na zewnątrz


Zdecydowanie większe wartości współczynnika wymiany powietrza w mieszkaniu testowym (z zainstalowanymi oknami wentylowanymi) w porównaniu do mieszkania kontrolnego, uzyskano dzięki możliwości doprowadzenia powietrza zewnętrznego przez okna wentylowane, gdyż współczynnik infiltracja dla obydwu mieszkań jest na takim samym, stosunkowo niskim poziomie.
Z analizy wyników widać wyraźnie, że w celu zapewnienia wymaganej wentylacji mieszkania kontrolnego (ze standartowymi oknami PCV) okna muszą być chwilowo otwierane. Taka czynność doprowadza do chwilowych strat ciepła w mieszkaniu oraz znacznego zmniejszenia komfortu cieplnego w rejonach otwieranego okna w okresie zimowym.
Natomiast mieszkanie testowe z zainstalowanymi oknami wentylowanymi zapewnia doprowadzenie wymaganej ilości strumienia powietrza zewnętrznego w całym okresie zimowym bez konieczności ich otwierania.

Analiza okresu letniego.
Decydującym czynnikiem, w tym okresie, wpływającym na wartość współczynnika wymiany powietrza w mieszkaniach ma prędkość wiatru.
Poniżej przedstawiono wykres takiej zależności dla mieszkania testowego. Wykres sporządzono dla średnich dziennych wartości w miesiącu lipcu 2003.


Prędkość wiatru na poziomie wyższym od 1.5 m/s wpływa istotnie na wentylację mieszkania testowego.
W mieszkaniu kontrolnym wpływ prędkości wiatru na jego wentylację (średnia wartość współczynnika wymiany powietrza w pomieszczeniu to 0.30) jest zdecydowanie mniejszy.

Zużycie energii i współczynnik strat ciepła w mieszkaniach.

W okresie styczeń – maj 2003 przeprowadzono badania porównawcze zużycia energii w dwóch mieszkaniach. W tym okresie mieszkania pozostawały niezamieszkane. Regulacja temperatury w mieszkaniach odbywała się za pomocą zaworów termoregulacyjnych zamontowanych standardowo w grzejnikach.
Lokalizacja grzejników:
- w pokoju (pod każdym oknem) – 2 sztuki
Z otrzymanych wyników widać, że współczynnik strat ciepła L w mieszkaniu testowym na poziomie 14.15 W/C jest prawie dwukrotnie wyższy niż w mieszkaniu kontrolnym (7.47 W/C).
Ciepło dostarczone do pomieszczenia jest równe stratom ciepła w pomieszczeniu wtedy gdy różnica temperatur pomiędzy temperaturą powietrza w pomieszczeniu a temperaturą powietrza na zewnątrz jest równa temperaturze równowagi, określającą różnicę pomiędzy temperaturą powietrza wewnątrz a zewnątrz pomieszczenia. W przypadku mieszkania testowego temperatura ta wynosi +3.75 C a w przypadku mieszkania kontrolnego –3,07 C. Otrzymana wartość ujemna (-3.07 C) dla mieszkania kontrolnego budzić może zdziwienie i sugeruje, że zyski ciepła bilansują straty ciepła w pomieszczeniu, mimo że temperatura powietrza wewnątrz jest niższa od temperatury powietrza na zewnątrz pomieszczenia.
Z uwagi na to, że przeprowadzone będą jeszcze analizy porównawcze mieszkań podczas zamieszkiwania w nich lokatorów, wyniki tych analiz tych zostaną zaprezentowane po zakończeniu okresu monitorowania.

ASPEKTY EKONOMICZNE

Instalacja w Danii.
Dwa monitorowane mieszkania duńskie zainstalowane są następujące systemy wentylacji:
1. Mieszkanie testowe: okna wentylowane i systemem wentylacji grawitacyjnej PSV)
2. Mieszkanie kontrolne: okna standardowe i system mechanicznej wentylacji z systemem odzysku ciepła-rekuperator krzyżowy-przeciwprądowy (MVHR).
Analiza ekonomiczna obejmuje porównanie powyższych systemów ze standardowym systemem obejmującym okna standardowe z systemem wentylacji grawitacyjnej (STANDARD).
Analizę przeprowadzono dla obliczeń teoretycznych natomiast potem porównano to z wynikami otrzymanymi z uwzględnieniem danych rzeczywistych.
W analizie porównano oszczędności uzyskane w wyniku zainstalowania systemu z nakładami inwestycyjnymi oraz kosztami eksploatacji systemu.
Do obliczeń teoretycznych zużycia energii przyjęto efektywny współczynnik przenikania ciepła dla okna standardowego U= 1.5 W/m2K a dla okna wentylowanego U= 0.9 W/m2K.
Przy obliczeniach odnośnych współczynników reprezentujących dane ekonomiczne przyjmowano ich aktualne wartości na rynku stóp procentowych w Danii. Rozpatrywany okres to 25 lat.

Porównanie kosztów.






Bieżąca wartość inwestycji (NPV) i czas zwrotu z inwestycji.

NPV – bieżąca wartość inwestycji [Euro]
NPV = Oszczędności - Koszty Inwestycji – Koszty Eksploatacji
Do obliczeń przyjęto następujące wartości współczynników:
- czas inwestycji 25 lat
- roczna stopa procentowa 5%
- wzrost kosztów (inflacja roczna):
dla energii: 4%
dla eksploatacji: 2%


Biorąc pod uwagę wyniki rzeczywiste, żaden z zaproponowanych alternatywnych systemów wentylacji (PSV i MVHR) nie jest atrakcyjny z ekonomicznego punktu widzenia.
Jednakże w porównaniu z systemem wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła (MVHR), innowacyjny system wentylacji z oknami wentylowanymi wspomagany wentylacją grawitacyjną (PSV) okazuje się tańszym rozwiązaniem.
Oczywiście porównując wszystkie trzy z wymienionych systemów wentylacji należy wziąć pod uwagę również jakość powietrza wewnętrznego.
PODSUMOWANIE

Wady rozwiązania
- konieczność poniesienia kosztu inwestycyjnego ze względu na koszt okna
- bardziej skomplikowana konstrukcja okna
- przejęcie wad systemu wentylacji grawitacyjnej (ciąg wsteczny powietrza)
- brak filtracji powietrza
- hałas (z otoczenia oraz powodowany przez działające nawiewniki okienne)
- stosunkowo duże uzależnienie od promieniowania słonecznego wynikające z usytuowania okien

Zalety rozwiązania
- spełnianie wymogu kontrolowanej wentylacji dla uzyskania komfortu
- dostarczenie efektywnej wentylacji całego budynku
- oszczędność energii (zredukowanie emisji CO2 i zmniejszenie rachunków za zużycie paliwa)
- ograniczanie kondensacji i pleśni
- ciągłe usuwanie powietrza przez jego wywiew
- redukcja nawiewu zimnego powietrza
- poprawa parametrów akustycznych pomieszczenia
- prosta instalacja
- innowacyjność
- nieskomplikowana obsługa oraz małe nakłady na konserwację
Waldemar Demidowicz
Janusz Kopecki
FLOP SYSTEM sp. o.o.
ul. Kiełczowska 64
51-315 Wrocław
www.flopsystem.pl
dh@flopsystem.pl

Wrocław 2004.02.17

Wszelkie prawa zastrzeżone. Wykorzystanie tekstu przez osoby trzecie w całości bądź w części wymaga zgody firmy FLOP SYSTEM sp. z o.o.