W obecnych obiektach często wykorzystuje się do wentylacji pomieszczeń wiele przestarzałych rozwiązań, które zupełnie nie przystoją do obecnego poziomu zarówno wiedzy inżynierów, jak i energooszczędnych budynków, które cechować się mają obniżoną energochłonnością. Do takich rozwiązań zaliczyć można systemy wentylacji grawitacyjnej lub systemy wentylacji mechanicznej wyciągowej. Czy istnieje coś alternatywnego? 

W niniejszym artykule chciałbym dokonać prezentacji zgłoszenia patentowego nr P. 422831, a mianowicie jednoprzewodowego systemu wentylacyjnego nawiewno-wywiewnego. Jeden przewód i dwie funkcje: nawiewna i wywiewna? Celem niniejszej publikacji nie jest prezentowanie gotowych i szczegółowych rozwiązań konstrukcyjnych systemu, a jedynie zarys ogólnej prezentacji idei rozwiązania. Z tego względu rozwiązanie np. odprowadzenia wilgoci z kanału wentylacyjnego wywiewnego w okresie zimowym, jak też szczegóły konstrukcyjne elementu czerpno-wyrzutowego i elementów nawiewno-wywiewnych zostaną pominięte.

Stan obecny systemów wentylacyjnych

W systemach wentylacji grawitacyjnej o tym czy system działa, czy też nie, decydują czynniki zewnętrzne takie jak: temperatura powietrza w pomieszczeniu, temperatura powietrza zewnętrznego, prędkość i kierunek wiatru. Jednak nawet wtedy, gdy system działa poprawnie, to z uwagi na samą zasadę działania nie będzie on nigdy efektywny. Idea zakłada, że im większa różnica temperatury pomiędzy powietrzem w pomieszczeniu a zewnętrznym, tym większa różnica gęstości pomiędzy tymi dwoma płynami i większa sprawność systemu wentylacyjnego. Przy dużej wysokości komina wentylacji grawitacyjnej i większej różnicy gęstości powietrza w pomieszczeniu oraz powietrza zewnętrznego powstaje ciąg kominowy, który usuwa zużyte powietrze na zewnątrz, a poprzez zastosowanie otworów wentylacyjnych infi ltrujących powietrze świeże z zewnątrz bezpośrednio dopływa do pomieszczenia wentylowanego (bezpośrednio tzn. o temperaturze zewnętrznej). Powietrze to w okresie zimowym należy w całości podgrzać.

W systemach wentylacji mechanicznej wyciągowej sytuacja wygląda podobnie. Pracujący wentylator wyciągowy usuwa powietrze z pomieszczenia na zewnątrz, powodując podciśnienie w wentylowanym pomieszczeniu. Na skutek wytworzonego podciśnienia świeże powietrze zewnętrzne dopływa do pomieszczenia na zasadzie infi ltracji, bądź poprzez elementy nawiewne (nawiewniki okienne itp.). Powietrze to, podobnie jak w przypadku powyżej, jest nawiewane bezpośrednio do pomieszczenia i musi zostać w całości podgrzane przez system ogrzewania w okresie zimowym.

Wady te zostały wyeliminowane poprzez systemy wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z rekuperacją, które coraz częściej znajdują zastosowanie w domkach jednorodzinnych. System rekuperacyjny pozwala na odzysk ciepła z powietrza usuwanego, redukując zapotrzebowanie na ciepło konieczne do podgrzania świeżego powietrza zewnętrznego. Wadą tego rozwiązania są stosunkowo wysokie koszty inwestycyjne oraz zwiększone zużycie energii elektrycznej z uwagi na zastosowanie dwóch wentylatorów oraz duże opory po stronie powietrza przepływającego przez wymiennik rekuperacyjny. Jeśli ktoś widział przykładowe zdjęcia z realizacji takich systemów w domkach prywatnych, to na pewno do dodatkowych wad tego typu systemów zaliczyłby estetykę wykonania (cztery kanały wentylacyjne), zwłaszcza przy zastosowaniu elastycznych kanałów wentylacyjnych, oraz zwiększoną przestrzeń na prowadzenie czterech kanałów wentylacyjnych: czerpnego, wyrzutowego, nawiewnego oraz wywiewnego.

Odzysk ciepła

W obecnych rozwiązaniach systemów wentylacyjnych odzysk ciepła jest albo nie realizowany wcale (wentylacja grawitacyjna, wentylacja mechaniczna wyciągowa), albo realizowany jest w systemach wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z wykorzystaniem różnego rodzaju rekuperatorów. Rekuperacyjny wymiennik odzysku ciepła i chłodu umieszczony jest najczęściej w centrali wentylacyjnej, do której doprowadzone są dwa strumienie powietrza: zewnętrznego oraz usuwanego. Intensyfi kacja wymiany ciepła zachodzi w rekuperatorze. W jednym elemencie przez stosunkowo krótki czas kontaktu oba strumienie powietrza uczestniczą w wymianie ciepła. Ciepło jest wymieniane przez dwa strumienie powietrza o skrajnych temperaturach. Powietrze usuwane przekazuje ciepło do świeżego powietrza zewnętrznego w okresie zimowym lub odwrotnie w okresie letnim. Powietrze zewnętrzne w okresie zimowym po wstępnym podgrzaniu w wymienniku rekuperacyjnym dodatkowo podgrzewane jest w nagrzewnicy do żądanej temperatury nawiewu. Moc nagrzewnicy uzależniona jest m.in. od sprawności odzysku ciepła rekuperatora.

W okresie letnim powietrze zewnętrzne jest wstępnie schłodzone w rekuperatorze, a następnie dodatkowo schłodzone w chłodnicy. Moc chłodnicy, podobnie jak nagrzewnicy w okresie zimowym, uzależniona jest m.in. od sprawności rekuperatora. Im niższa sprawność tym większa konieczna jest moc chłodnicy do schłodzenia powietrza do żądanej temperatury nawiewu.

Rozwiązanie systemu wentylacyjnego jednoprzewodowego nawiewno-wywiewnego

Rozwiązanie, będące przedmiotem zgłoszenia patentowego nr 422831, łączy w sobie zalety obu rozwiązań. Rozwiązaniem optymalnym byłoby takie, które cechowałoby się prostotą i łatwością montażu, a jednocześnie obniżonymi kosztami związanymi z podgrzaniem powietrza zewnętrznego oraz transportem powietrza. W tym drugim przypadku jest to nagminnie pomijane w wielu publikacjach/katalogach/biuletynach technicznych itp. Wysoka sprawność systemów wentylacyjnych wynika często z zastosowania rekuperatorów o wysokiej sprawności, jednak często oszczędności w ten sposób pozyskane są w dużym udziale konsumowane poprzez zwiększone zużycie energii elektrycznej przez wentylatory. Wynika to z faktu, że sprawniejsze rekuperatory generują większe opory po stronie przepływającego powietrza w obu kierunkach lub inaczej − wyższą sprawność uzyskuje się poprzez zwiększony przepływ powietrza przez wymiennik odzysku ciepła. Stwierdzenie, że system jest sprawny energetycznie wymaga nie tylko weryfi kacji efektów w postaci sprawności rekuperatora, ale też nakładów na jej uzyskanie, czyli kosztów związanych z transportem powietrza (praca wentylatorów nawiewnego i wywiewnego w centrali nawiewno- wywiewnej z odzyskiem ciepła).

Zgłoszenie patentowe dotyczy systemu, w którym przewód wentylacyjny wyciągowy byłby umieszczony wewnątrz nawiewnego kanału wentylacyjnego na całej długości instalacji (rys. 1.). Centrala wentylacyjna będzie wyposażona w wentylator pojedynczy rewersyjny pracujący w standardowym trybie jako wyciągowy i umieszczony w wewnętrznym kanale wywiewnym. Kanał nawiewny na całej długości instalacji będzie pokrywał przewód wyciągowy. Na takiej samej zasadzie oparte będą odgałęzienia instalacji − trójniki umieszczone tylko po stronie ssawnej wentylatora będą wykonane w technologii „rura w rurze” i pozwolą na rozbudowanie systemu wentylacyjnego na większą liczbę pomieszczeń. Trójniki oprócz funkcji rozdziału powietrza będą pracować jednocześnie jako turbulizatory strumienia przepływającego powietrza, zwiększając sprawność przekazywania ciepła pomiędzy strumieniami powietrza usuwanego i nawiewanego.

Rys. 1. Jednoprzewodowy dwukanałowy system wentylacji mechanicznej nawiewno- -wywiewnej z rekuperacją na całej długości instalacji: 1 – kanał wywiewny; 2 – kanał nawiewny; 3 – kanał wyrzutowy; 4 – kanał czerpny; 5 – wentylator wyciągowy; 6 – element nawiewno-wywiewny; 7 – element czerpno-wyrzutowy; 8 – przepustnica soczewkowa

Jak można sobie wyobrazić, wymiana ciepła odbywać się będzie nie w pojedynczym elemencie − wymienniku odzysku ciepła, jak to ma miejsce w tradycyjnym systemie, ale na całej długości instalacji. W celu zwiększenia sprawności odzysku ciepła, w kanale wewnętrznym wyciągowym będą umieszczone turbulizatory przepływu o odpowiednim profi lu aerodynamicznym, których zadaniem będzie przy zminimalizowanych oporach po stronie przepływającego powietrza zwiększenie prędkości powietrza wywiewnego w strefi e przyściennej. Ma to na celu zwiększenie sprawności odzysku ciepła pomiędzy dwoma strumieniami powietrza. Wymiana ciepła w tym systemie będzie się odbywała samoistnie bez zbędnych dodatkowych oporów na drodze obu strumieni powietrza. W przeciwieństwie do tradycyjnych systemów, zachodzić będzie na całej długości instalacji, a zatem na zdecydowanie większej powierzchni wymiany ciepła (do dyspozycji pozostaje cała instalacja), ale przy zmniejszonej różnicy temperatur pomiędzy obydwoma strumieniami powietrza. Jak można się domyślić ciepłe powietrze usuwane z pomieszczenia w okresie zimowym będzie na długości instalacji obniżało swoją temperaturę. Z drugiej strony systemu kanałem zewnętrznym będzie przepływało zimne powietrze zewnętrzne o skrajnej temperaturze, które na długości będzie się podgrzewało. W zasadzie na całej długości instalacji nie będzie miejsca, w którym stykać się będą strumienie powietrza o skrajnych temperaturach. I tak na wlocie powietrza zewnętrznego, w czerpni, zimne powietrze zewnętrzne będzie odbierać ciepło już od schłodzonego powietrza usuwanego. Podobnie na wlocie powietrza usuwanego na zaworze nawiewno-wywiewnym powietrze usuwane będzie przekazywało ciepło już do uprzednio podgrzanego powietrza zewnętrznego.

Sprawność systemu, a za taką uważam łączną sprawność odzysku ciepła oraz zużycia energii elektrycznej na jej uzyskanie, będzie wysoka.

Przepona pomiędzy dwoma strumieniami powietrza wykonana będzie z materiałów o bardzo dobrej przewodności cieplnej: np. aluminium, grafenu, miedzi itp. Dodatkowo, w celu uzyskania wyższej sprawności odzysku ciepła, przepona będzie odpowiednio ukształtowana w formie dodatkowego ożebrowania, zwiększając powierzchnię styku powietrza świeżego z przeponą. Gdy system będzie stosunkowo krótkiej długości, przewidziane są dodatkowe elementy zwiększające sprawność odzysku ciepła (rys. 2. – 4.).

Rys. 2. Zastosowanie turbilizatorów wewnątrz wewnętrznego kanału odprowadzającego ma na celu zwiększenie prędkości powietrza w warstwie przyściennej i tym samym zwiększenie sprawności wymiany ciepła pomiędzy ciepłym powietrzem usuwanym a zimnym strumieniem powietrza zewnętrznego

Rys. 3. Zastosowanie nietypowych kształtów ma na celu zwiększenie sprawności wymiany ciepła pomiędzy dwoma strumieniami powietrza

Rys. 4. Inne rozwiązanie mające na celu zwiększenie sprawności wymiany ciepła pomiędzy dwoma strumieniami powietrza w przypadku zbyt krótkiej instalacji wentylacyjnej. Na rysunku przykład rozwiązania z tzw. rurką ciepła jako płaszczyzną cieplną. Krążenie cieczy w postaci czynnika chłodniczego bądź wodnego roztworu glikolu etylenowego zapewni różnica gęstości wywołana różnicą temperatur obu strumieni powietrza uczestniczących w wymianie ciepła

W wentylowanych pomieszczeniach jednoprzewodowa instalacja dwukanałowa zakończona będzie elementami zakańczającymi nawiewno-wywiewnymi z przepustnicami równoważącymi hydraulicznie instalację. W środkowej części elementu nawiewno-wywiewnego znajdować się będzie otwór wyciągowy, przez który będzie usuwane powietrze z pomieszczenia.

Po załączeniu wentylatora wyciągowego powietrze usuwane odprowadzane będzie na zewnątrz, tym samym powodując podciśnienie w wentylowanych pomieszczeniach. Na skutek wytworzonego podciśnienia świeże powietrze zewnętrzne zostanie zassane do pomieszczeń. Dzięki odpowiedniemu wyregulowaniu instalacji poprzez przepustnice regulacyjne umieszczone w elementach nawiewno-wywiewnych powietrze doprowadzane do pomieszczeń będzie w takiej samej ilości jak to usuwane.

Powietrze usuwane będzie na zewnątrz, a świeże zewnętrzne zasysane z wykorzystaniem pojedynczego elementu czerpno-wyrzutowego. W części wewnętrznej powietrze zużyte będzie wyrzucane, a świeże zewnętrzne zasysane po stronie zewnętrznej. Poprzez odpowiednio ukształtowany element czerpno-wyrzutowy powietrze usuwane nie będzie ponownie zawracane do kanału nawiewnego.

Oczywiście, z uwagi na rozwiązanie odzysku ciepła i chłodu na całej długości instalacji oraz charakter rozwiązania, system będzie pracował tylko jako wentylacyjny bez możliwości uzdatniania powietrza i zmiany parametrów termodynamicznych powietrza poprzez chłodnicę lub nagrzewnicę. Gdyby system był wyposażony dodatkowo np. w chłodnicę wodną, powietrze świeże po schłodzeniu na chłodnicy podgrzewałoby się już w kanale nawiewnym od powietrza usuwanego, zaś usuwane schładzałoby się w kanale wywiewnym.

Zadaniem systemu jest tylko wentylacja pomieszczeń, zaś za utrzymanie zakładanej temperatury, pokrycie strat ciepła oraz asymilację zysków ciepła w pomieszczeniach odpowiedzialne będą opcjonalne wtórne systemy grzewczo-klimatyzacyjne.

Osoby bardziej konserwatywne zwrócą uwagę na fakt, że obecne przepisy przewidują konieczność odseparowania otworu czerpnego i wyrzutowego względem siebie na minimum 10 metrów. Możliwym jest jednak takie ukształtowanie elementu czerpno-wyrzutowego oraz także zwiększenie prędkości powietrza usuwanego, przy której nie zachodzi ryzyko zawracania powietrza usuwanego do powietrza nawiewanego lub jest ono zminimalizowane do minimum. Podobnie elementy nawiewnowywiewne przy obecnym poziomie techniki z pewnością będą realizowały swoje cele. Niemożliwe? Możliwe.

Jak wspomniano na początku, opisane rozwiązanie przedstawia tylko ideę systemu. Oczywistym jest dodatkowa konieczność odprowadzenia wilgoci od strony powietrza usuwanego. Podobnie jak konieczność zastosowania odpowiednika tzw. „wkładu letniego” z tradycyjnych systemów wentylacji nawiewno-wywiewnej z rekuperacją.

„Wkład letni” dla prezentowanego systemu wentylacyjnego jednoprzewodowego nawiewno-wywiewnego z rekuperacją na całej długości

(...)

Zalety prezentowanego systemu i odniesienie się do obecnych rozwiązań systemów wentylacyjnych

(...)

Podsumowanie

Oczywistym jest, iż opisane zgłoszenie patentowe może wydawać się bardzo proste, i takim też jest. Jednak dodatkowo jest to rozwiązanie zwiększające efektywność systemów klimatyzacyjnych i wentylacyjnych. Nie jest problemem wykonanie efektywnego urządzenia, problemem jest wykonanie efektywnego, prostego i taniego rozwiązania o zmniejszonych kosztach inwestycyjnych. I taka też jest intencja.

Na koniec pragnę zaznaczyć raz jeszcze, że obydwa zgłoszenia patentowe zaprezentowane na łamach magazynu Chłodnictwo&Klimatyzacja (powyższe oraz w numerze 8/2017: „Innowacyjna centrala do realizacji free-coolingu w data center”) zawierają tylko przekaz samej idei rozwiązania. Do każdego z rozwiązań mam więcej przemyśleń zwiększających ich efektywność. Sama idea to jedno, dla uzyskania jak najwyższej efektywności ważny jest szereg drobnych niuansów technicznych, które są wszystkim ogólnie znane, ale przez producentów nie stosowane.

Bartłomiej ADAMSKI,
– PZITS Kraków, Kliweko Sp. z o.o.