Rodzaje i budowa central wentylacyjnych. Dobór urządzeń

Centrale wentylacyjne, składają się z różnych urządzeń odpowiedzialnych za zmianę poszczególnych właściwości powietrza. Zapewniają odpowiednią wymianę powietrza, która umożliwi utrzymanie wymaganego poziomu komfortu cieplnego i wentylacyjnego w pomieszczeniach. Oprócz krotności wymian czy temperatury powietrza istotnym parametrem jest m.in. jego wilgotność i czystość. Z jakich elementów składają się centrale wentylacyjne? Na co zwracać uwagę przy ich doborze?

Spis treści

1. Funkcja odzysku ciepła
2. Rodzaje wymienników
3. Filtracja powietrza – wymagania w zależności od przeznaczenia pomieszczeń
4. Dobór i rodzaje sekcji
5. Sterowanie z poziomu sterownika lub/i systemu zarządzania budynkiem

Najprostsza centrala wywiewna składa się z wentylatora w obudowie i pozwala na usunięcie zużytego powietrza z pomieszczeń. W skład najbardziej podstawowej centrali nawiewnej - oprócz wentylatora - wchodzą jeszcze sekcje nagrzewania i filtracji. Ogrzanie powietrza na wejściu jest często konieczne ze względu na panujący w Polsce klimat, należy też wstępnie oczyścić doprowadzany strumień z różnego rodzaju pyłów. Oczywiście zarówno centrale wywiewne, jak i nawiewne można znacznie rozbudowywać, w zależności od wymagań stawianych systemowi wentylacyjnemu.

W przypadku gdy powietrze ma być poddawane obróbce całorocznie, mamy do czynienia z centralą wentylacyjną klimatyzacji częściowej. Niezbędne jest wtedy zastosowanie sekcji z drugim wymiennikiem ciepła – chłodnicą.

Regulację wilgotności powietrza ze względu np. na technologię produkcji czy też standard powierzchni biurowych (a co za tym idzie – wyższy koszt ich wynajmu) umożliwiają centrale wentylacyjne klimatyzacji pełnej. Zazwyczaj określa się je po prostu mianem central wentylacyjno-klimatyzacyjnych. Warto mieć jednak na uwadze wysoki koszt takich rozbudowanych urządzeń, zarówno pod kątem inwestycyjnym, jak i eksploatacyjnym.

Obecnie centrale wentylacyjne są stosowane nie tylko w wysokiej klasy budynkach biurowych czy szpitalach, lecz także w domach jednorodzinnych, budownictwie wielorodzinnym czy niewielkich budynkach usługowych. Dotyczy to obiektów nowo powstających, jak również tych istniejących. Szeroka oferta producentów centrali pozwala na dobór rozwiązania do danej lokalizacji, np. można ustawić urządzenie w specjalnie wydzielonej na ten cel maszynowni, podwiesić je pod sufitem czy zamontować na dachu.

Możliwość dostosowania urządzenia do konkretnych potrzeb pozwala na coraz częstsze wykorzystywanie tego typu urządzeń do obróbki powietrza w różnych obiektach, co znacznie podwyższa komfort korzystających z nich osób.

Funkcja odzysku ciepła

Im większe wymagania stawiane są wobec powietrza w pomieszczeniach, tym bardziej złożona jest budowa centrali wentylacyjnej. Wpływa to znacząco na koszt zakupu, ale także wysokość rachunków za energię elektryczną. Duże straty energii cieplnej usuwanej wraz z powietrzem wywiewanym wpłynęły na optymalizację pracy central wentylacyjnych – pojawiła się funkcja odzysku ciepła.

Do odzysku ciepła wykorzystywane są trzy procesy:

• recyrkulacja – to w rzeczywistości forma transportu ciepła; polega na ogrzewaniu strumienia powietrza nawiewanego przez zawrócony strumień powietrza wywiewanego; ze względów higienicznych konieczne jest tu zapewnienie i doprowadzenie wymaganej ilości świeżego powietrza;
• rekuperacja – powietrze nawiewane i wywiewane nie mają kontaktu z tą samą powierzchnią wymiennika; przykładem takiej wymiany są wymienniki płytowe;
• regeneracja – strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego mieszają się ze sobą, omywając tę samą powierzchnię wymiennika ciepła; możliwy jest tutaj również odzysk wilgoci; proces ten spotykany jest w wymiennikach obrotowych.

Przeczytaj również:

• Energooszczędne systemy wentylacji przemysłowej
• Jakie są systemy wentylacyjne w halach przemysłowych?

Rodzaje wymienników

Zgodnie z prawem odzysk ciepła na poziomie min. 50% jest wymagany w instalacjach wentylacyjnych o wydajności powyżej 500 m³/h. Realizują go różnego rodzaju wymienniki ciepła, m.in.: obrotowe, płytowe (krzyżowe i przeciwprądowe), rurowe oraz urządzenia z czynnikiem pośredniczącym (roboczym).

Obrotowy wymiennik ciepła

Tego typu wymiennik dzięki niewielkim kanalikom akumuluje energię z powietrza wywiewanego w obracającym się aluminiowym bębnie. Ciepło to jest następnie oddawane do powietrza nawiewanego. Podczas procesu akumulacji przy niskich temperaturach zewnętrznych wytrąca się wilgoć, która również jest przekazywana do strumienia nawiewanego. Dzięki temu powietrze nawiewane ma już wyższą temperaturę i wilgotność. Wymienniki obrotowe nazywane są także kondensacyjnymi.

Do głównych zalet obrotowych wymienników ciepła można zaliczyć wysoką sprawność odzysku energii (zarówno latem, jak i zimą) – nawet do 85%. Dodatkowe atuty to nawilżanie powietrza i jednocześnie brak konieczności odprowadzania skroplin. Takie urządzenia zapewniają brak mieszania się strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego. Nie zachodzi tu też zjawisko przemarzania, co eliminuje stosowanie nagrzewnicy na wlocie. Aby maksymalnie zwiększyć odzysk energii, stosowane są systemy dwustopniowego odzysku ciepła w instalacjach skojarzonych np. z pompą ciepła czy systemem solarnym.

Płytowy krzyżowy wymiennik ciepła

Zbudowany jest z cienkich płyt wykonanych z tworzywa lub aluminium, usytuowanych prostopadle do siebie. Strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego nie mieszają się ze sobą. Odzysk ciepła następuje wskutek przepływu powietrza nawiewanego przez płyty ogrzane powietrzem wywiewanym. Podczas tego procesu następuje kondensacja i wykroplenie wilgoci. Wymienniki krzyżowe są coraz rzadziej wykorzystywane ze względu na stosunkowo niską sprawność odzysku energii – na poziomie ok. 75%.

Płytowy przeciwprądowy wymiennik ciepła

Stanowi rodzaj wymiennika płytowego, ale w odróżnieniu od krzyżowego ułożenie płyt jest równoległe. Dzięki temu wymiana ciepła trwa dłużej i jest bardziej efektywna, osiąga nawet poziom 92%. Zaletami wymienników płytowych są bardzo wysoka sprawność i brak mieszania się strumieni powietrza, wadą zaś – szczególnie w niskich temperaturach zimowych – ryzyko zamarzania. Tego rodzaju wymienniki najlepiej sprawdzają się w umiarkowanym klimacie.

Analizy ekonomiczne wykazują, że centrale z odzyskiem ciepła zapewniają oszczędności podczas użytkowania na poziomie ok. 40% w porównaniu do urządzeń bez funkcji odzysku. Na ten wskaźnik ma wpływ ograniczenie kosztów poboru energii elektrycznej, ale też mniejsze koszty eksploatacji pozostałych urządzeń centrali wentylacyjnej.

Głównymi parametrami charakteryzującymi filtry powietrza są skuteczność filtracji oraz opory przepływu. Obie te właściwości są ze sobą powiązane – im lepsza zdolność filtra do wychwytywania zanieczyszczeń, tym większy opór napotyka przepływająca struga powietrza. Opory przepływu zwiększają się także w czasie użytkowania filtrów, dlatego konieczna jest ich okresowa wymiana lub (w niektórych przypadkach) czyszczenie. Wymiana jest istotna jeszcze z innego powodu – po pewnym czasie przy mocno zanieczyszczonym powietrzu sam filtr może stać się wtórnym źródłem namnażania się drobnoustrojów.

Zgodnie z wymaganiami Warunków Technicznych (DzU 2002 nr 75, poz. 690 ze zm.) przed urządzeniami takimi jak: wymiennik ciepła, nagrzewnica lub chłodnica, obowiązkowo należy zastosować filtr minimum klasy G4. Z kolei przed nawilżaczami powietrza montuje się filtry klasy minimum F6 (klasyfikacja według Polskiej Normy). Europejskie wytyczne Ecodesign wymagają stosowania filtrów klasy F7 na nawiewie i M5 na wywiewie w centralach nawiewno-wywiewnych.

Na rynku od niedawna dostępne są tzw. filtry antysmogowe, spełniające wymagania klas G4, M5, F7 i F9. Takie filtry wykorzystuje się jako uzupełniające na sekcji nawiewu. Warto je zastosować szczególnie w rejonach o podwyższonym ryzyku powstawania smogu. Produkty te wykonane są zwykle w formie kasety składającej się z filtra węglowego i dokładnego. Ten pierwszy – wykonany z aktywowanego grafitu – usuwa na drodze adsorpcji zanieczyszczenia gazowe (np. cząsteczki H₂S, NO₂ czy węglowodorów). Z kolei zadaniem filtra dokładnego jest usunięcie trudno opadających pyłów i ochrona filtra węglowego przed zapchaniem zanieczyszczeniami.

Przy wysokich wymaganiach co do czystości powietrza wewnętrznego należy zastosować filtrację wielostopniową.

Rodzaje filtrów ze względu na stopień oczyszczania:

• I stopień filtracji – filtry wstępne typu G oraz M (pośrednie); najbardziej podstawowe, wychwytujące duże zanieczyszczenia; stosowane w najprostszych układach wentylacyjnych;
• II stopień filtracji – filtry dokładne typu F; dwustopniowa filtracja stosowana jest np. w pomieszczeniach biurowych;
• III stopień filtracji – filtry wysoko skuteczne typu EPA, HEPA lub ULPA; stosowane w pomieszczeniach higienicznych i czystych, takich jak np. szpitalne sale zabiegowe.

Warto mieć na uwadze, że im wyższy stopień filtracji, tym większe opory powietrza, a co za tym idzie – również koszty poboru energii oraz eksploatacji urządzeń. Każdy dodatkowy filtr rzutuje na zwiększenie mocy właściwej wentylatora.

W konstrukcji filtrów dąży się do uzyskania maksymalnej powierzchni filtracyjnej, stąd m.in. harmonijkowa budowa wersji kieszeniowych. Podobny efekt daje zastosowanie kilku warstw materiału – podwyższa to skuteczność filtra oraz wydłuża jego żywotność.

Na rynku dostępny jest szeroki wybór filtrów różniących się sposobem wbudowania, materiałem filtracyjnym, metodą przechwytywania zanieczyszczeń czy wreszcie klasą filtracji. W centralach nawiewno-wywiewnych najczęściej spotykane są filtry włókninowe kieszeniowe o wybranej klasie.

Filtracja powietrza – wymagania w zależności od przeznaczenia pomieszczeń

Obecna klasyfikacja filtrów bazuje na normie ISO 16890 i ich zdolności do wychwytywania cząstek stałych PM, które wyszczególniono w tab. 1.

Wyróżnia się filtry: coarse (zgrubne), ePM10, ePM2,5 oraz ePM1. Oznacza to, że dany filtr ma zdolność przechwytywania cząstek określonej wielkości na poziomie min. 50%, np. ten klasy ePM2,5 wychwytuje minimum 50% zanieczyszczeń o wielkości PM2,5. Jeśli zdolność wychwytywania PM10 wynosi poniżej 50%, to filtr zaliczany jest do zgrubnych.

Dobór i rodzaje sekcji

Na rynku dostępnych jest wielu producentów i szeroka gama urządzeń wentylacyjno-klimatyzacyjnych. Centrale produkowane są w wersjach kompaktowych (monobloki – całość znajduje się w jednej obudowie) lub też modułowych (blokowych – gdzie każde z urządzeń to odrębna sekcja z oddzielną obudową). Niezwykle wygodnym rozwiązaniem jest zastosowanie central sekcyjnych, co pozwala na dużą dowolność konfiguracji urządzenia i dopasowania go do konkretnych potrzeb.

Standardowo szkielet centrali wykonany jest z aluminiowych profili. Na obudowę wewnętrzną zwykle wykorzystuje się blachę stalową, a na zewnętrzną – blachę alucynkową. Dostępne są też wykonania specjalne – higieniczne, np. do szpitali czy basenowe. Między warstwami blachy umieszcza się wypełnienie w postaci warstwy izolacji termicznej oraz akustycznej.

Podstawowym kryterium doboru centrali – a dokładniej wentylatora – jest wydajność. Drugim istotnym parametrem jest tzw. spręż dyspozycyjny, czyli ciśnienie konieczne do pokonania oporów przepływu. Im większy spręż, tym mniejsza jest wydajność wentylatora. Te dwie wielkości są ze sobą ściśle powiązane.

Jednak w zależności od zakładanych parametrów powietrza wewnętrznego centralę należy wyposażyć również w inne sekcje. Warto pamiętać, że centralom dla budynków mieszkalnych i niemieszkalnych stawiane są różne wymagania.

Rodzaje sekcji

Wśród sekcji składających się na centralę wentylacyjną wyróżnia się m.in. następujące:

• wlotową – wyposażoną w przepustnice regulujące (lub odcinające) dopływ powietrza oraz mieszanie się strumieni powietrza zewnętrznego i obiegowego;
• filtracji – z odpowiednio dobranymi filtrami, w zależności od wymaganego stopnia oczyszczenia powietrza. Zgodnie z wytycznymi europejskiej dyrektywy Ecodesign z 2018 r. sekcja ta powinna być wyposażona w czujniki przekazujące informacje o spadku ciśnienia, co oznacza znaczne zabrudzenie filtra i konieczność jego wymiany;
• nagrzewania – wyposażoną w nagrzewnice wodne, parowe lub elektryczne. Dwa pierwsze rodzaje zbudowane są zwykle z układu kanałów, przez które przepływa powietrze, ogrzewając się. Elektryczne są zwykle stalowe, wyposażone w termostat. W przypadku nagrzewnic wodnych ważne jest zastosowanie zabezpieczenia przed zamarzaniem. Moc nagrzewnic może być regulowana w sposób stopniowy albo płynny;
• chłodzenia – stosowane są w niej zazwyczaj wymienniki wodne lub glikolowe, o budowie podobnej do nagrzewnic. Istnieją też modele freonowe, działające na zasadzie odparowania czynnika. Ich obsługa jest zwykle automatyczna. Regulację pracy chłodnicy można realizować przez kontrolę ilości czynnika chłodzącego, ilości przepływającego powietrza czy zmianę temperatury parowania;
• nawilżania – nie występuje standardowo, jest jednak niezbędna do osiągnięcia konkretnej wilgotności powietrza. Może być wykonana jako komora zraszania, komora o powierzchniach zraszanych lub nawilżacz parowy. Nawilżacze mogą pracować zarówno na wodzie z sieci wodociągowej, jak i na wodzie obiegowej. W przypadku wody bieżącej (z wodociągu) konieczne jest zapewnienie tacy ociekowej i odprowadzenie nadmiaru wody z centrali. System recyrkulacyjny wykorzystuje nadmiar wody z wanny i wprowadza ją ponownie do obiegu;
• wentylatorową – tutaj umiejscowiony jest wentylator, w zależności od budowy – z komorą rozprężną lub bez. Wentylatory do central wykonywane są w różnych wersjach ochrony przed wodą (np. IP44, IP55). W przypadku więcej niż jednego wentylatora w sekcji ich praca powinna być synchroniczna – jednoczesny rozruch, zmiana prędkości obrotowej i zatrzymanie. Sekcja ta zazwyczaj wyposażona jest w wyłącznik unieruchamiający urządzenia w przypadku nieuprawnionego otwarcia drzwiczek rewizyjnych;
• odzysku ciepła – zależy od lokalizacji wybranego wymiennika ciepła; należy pamiętać o zapewnieniu odprowadzenia skroplin po stronie wywiewnej.

Oprócz ww. można również stosować sekcje tłumienia hałasu, zarówno na wlocie, jak i wylocie powietrza. Przydatne są szczególnie w budynkach biurowych lub salach teatralnych czy koncertowych.

Przy doborze centrali istotna jest też tzw. strona obsługi, realizowana jako prawa lub lewa – oznacza to stronę dla dostępu serwisowego (w odniesieniu do kierunku przepływu powietrza – nawiew » wywiew).

Dodatkowo można wykonać sekcje puste, służące wyrównaniu prędkości strumienia powietrza lub też ułatwieniu dostępu do pozostałych sekcji bez konieczności ich wymontowania. Dostępne są także sekcje narożne, stosowane np. w centralach dwupoziomowych.

Sterowanie z poziomu sterownika lub/i systemu zarządzania budynkiem

Nowoczesne urządzenia wentylacyjno-klimatyzacyjne mają wbudowane sterowniki umożliwiające kontrolę i zmianę parametrów pracy centrali. Dotyczy to sterowania nie tylko temperaturą, lecz także pracą poszczególnych sekcji. Panele sterujące pozwalają też na podgląd pracy urządzeń, podają informacje o ewentualnej awarii czy konieczności wymiany filtrów. Coraz więcej modeli jest wyposażanych w funkcję sterowania zdalnego.

W przypadku budynków użyteczności publicznej, biurowych czy hoteli coraz częściej spotykanym rozwiązaniem jest wprowadzenie systemu sterowania budynkiem BMS (ang. Building Management System). Integruje on wszystkie zastosowane w budynku systemy i umożliwia zarządzanie nimi z poziomu komputera. Przy wykorzystaniu systemu BMS możliwe jest sterowanie:

• ogrzewaniem lub chłodzeniem w oparciu o system wentylacji,
• ilością dopływu świeżego powietrza,
• temperaturą i wilgotnością strumienia,
• jakością powietrza (m.in. przez czujniki CO2 lub poziom zabrudzenia filtrów),
• pracą wentylatorów.

Jednocześnie umożliwia dostęp do informacji, takich jak: konieczność wykonania serwisu urządzeń czy też podgląd pracy poszczególnych sekcji centrali. Jest to szczególnie pomocne w rozległych powierzchniowo obiektach o sporej liczbie central.

Możliwość regulacji pracy poszczególnych urządzeń w centralach wentylacyjnych umożliwia wygenerowanie znacznych oszczędności dzięki dostosowaniu do pory dnia czy roku.

Mnogość różnego rodzaju regulatorów (m.in. przepustnic, nagrzewnic, wentylatorów czy odzysku ciepła) i czujników (m.in. wilgotności, jakości powietrza, temperatury na wlocie i wylocie) pozwala na najbardziej optymalne funkcjonowanie urządzenia.

mgr inż. Adianna Piętka, inżynier sanitarny