Rekuperacja a straty ciepła przez wentylację grawitacyjną. Porównanie energetyczne na przykładzie domu

Wentylacja grawitacyjna działa dzięki różnicy temperatur, różnicy ciśnień i ciągowi w kanałach wentylacyjnych. Nie wymaga centrali, wentylatorów ani sterownika. Z tego powodu często bywa postrzegana jako rozwiązanie tanie w eksploatacji.

W praktyce trzeba jednak rozróżnić dwa rodzaje kosztów. Wentylacja grawitacyjna nie pobiera energii elektrycznej do pracy urządzenia, ale nie odzyskuje ciepła z powietrza usuwanego z domu. Zimą to ciepło musi zostać ponownie dostarczone przez pompę ciepła, kocioł gazowy albo inne źródło ogrzewania.

Właściciel domu zwykle nie widzi tego jako osobnej pozycji na rachunku. Straty wentylacyjne są ukryte w kosztach ogrzewania. Jeżeli do budynku napływa zimne powietrze, trzeba je ogrzać. Jeśli wymiana powietrza jest intensywna, rosną straty ciepła. Jeśli jest zbyt słaba, pogarsza się jakość powietrza i komfort mieszkańców.

Rekuperacja, czyli wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła, działa inaczej niż wentylacja grawitacyjna. Powietrze zużyte jest usuwane z pomieszczeń, a świeże powietrze jest nawiewane do domu w sposób kontrolowany. Oba strumienie przechodzą przez rekuperator, w którym powietrze usuwane oddaje część energii powietrzu nawiewanemu. Rekuperator nie jest źródłem ogrzewania i nie zastępuje pompy ciepła ani kotła. Jego zadaniem jest ograniczenie strat, które powstają podczas wymiany powietrza. Dzięki temu do domu trafia świeże powietrze, ale system ogrzewania nie musi za każdym razem uzupełniać pełnej różnicy temperatur między powietrzem zewnętrznym a temperaturą w pomieszczeniach.

Właśnie ta różnica jest kluczowa. Rekuperacja zużywa prąd, ale jednocześnie ogranicza zapotrzebowanie na energię potrzebną do ogrzania powietrza wentylacyjnego. Dlatego porównując ją z wentylacją grawitacyjną, trzeba patrzeć na cały bilans: pobór energii przez rekuperator oraz ilość ciepła, której nie trzeba ponownie dostarczać.

Porównanie przygotowano dla budynku jednorodzinnego o powierzchni użytkowej 132 m². W obliczeniach wykorzystano dane meteorologiczne dla miasta Kielce z 2020 roku, punkt pomiarowy Kielce-Suków. Dzięki temu analiza nie opiera się na jednej przykładowej temperaturze zewnętrznej, ale na rzeczywistych temperaturach godzinowych z całego roku.

Dla systemu rekuperacji przyjęto rekuperator AERISnext 350 z wymiennikiem przeciwprądowym o uśrednionej sprawności odzysku ciepła na poziomie 90%. Uwzględniono zużycie energii przez wentylatory oraz nagrzewnicę wstępną o mocy 2000 W, sterowaną elektronicznie i uruchamianą przy temperaturze poniżej 0°C.

Ilości projektowanego powietrza dla budynku jednorodzinnego przedstawia poniższa tabela.

Dla wentylacji grawitacyjnej przyjęto taką samą ilość powietrza jak w systemie rekuperacji. To ważne, ponieważ celem obliczeń było porównanie energii potrzebnej do uzyskania podobnego efektu, a nie zestawienie rekuperacji z przypadkowo działającą wentylacją grawitacyjną.

Trzeba jednak pamiętać, że jest to porównanie modelowe. Wentylacja grawitacyjna w rzeczywistym domu nie daje możliwości precyzyjnego ustawienia przepływu powietrza w zależności od temperatury, pory dnia czy potrzeb domowników.

W przypadku rekuperacji do rocznego zużycia energii wliczono pracę wentylatorów oraz nagrzewnicy wstępnej. Wynik w analizowanym przykładzie wygląda następująco:

Po zaokrągleniu daje to około 240 kWh/rok energii zużytej przez system rekuperacji.

To pokazuje, że rekuperacja nie jest systemem bez poboru prądu. Właściwe porównanie nie polega jednak na zestawieniu z zerowym poborem energii przez wentylację grawitacyjną. Trzeba uwzględnić także energię cieplną, którą trzeba dostarczyć do domu, jeśli wentylacja nie odzyskuje ciepła.

W przypadku wentylacji grawitacyjnej nie liczymy energii elektrycznej pobieranej przez urządzenie, ponieważ nie ma tu rekuperatora ani wentylatorów. Liczymy natomiast energię, którą należałoby dostarczyć, aby ogrzać powietrze napływające z zewnątrz do podobnej temperatury nawiewu, jaką uzyskuje system rekuperacji.

W opracowaniu przyjęto, że dla rekuperacji temperatura nawiewu została policzona z uwzględnieniem odzysku ciepła oraz pracy nagrzewnicy wstępnej. Dla wentylacji bez odzysku ciepła przyjęto porównywalną temperaturę nawiewu, około 18°C. Oznacza to, że powietrze zewnętrzne musiałoby zostać podgrzane od temperatury zewnętrznej do poziomu uzyskiwanego przy rekuperacji.

Do obliczeń uwzględniono godziny, w których temperatura zewnętrzna spadała poniżej 12°C. Pominięto miesiące czerwiec, lipiec i sierpień, nawet jeśli występowały w nich niższe temperatury.

• Obliczenia ilości energii z danymi meteorologicznymi

Oznacza to, że w analizowanym modelu ilość energii potrzebna przy wentylacji bez odzysku ciepła wyniosła około 3363 kWh/rok. Nie jest to pobór prądu przez wentylację grawitacyjną, ponieważ taki system nie ma wentylatorów ani centrali. Jest to energia, którą musiałoby dostarczyć ogrzewanie, aby podgrzać napływające powietrze do porównywalnych parametrów.

Obliczenia pokazują też jeszcze jedną ważną rzecz. Uzyskanie takiej samej intensywności wentylacji i takiego samego komfortu przy wentylacji grawitacyjnej jest w praktyce bardzo trudne. System grawitacyjny nie ma regulacji przepływu zależnej od temperatury zewnętrznej i potrzeb domowników., więc może działać raz zbyt mocno, a raz zbyt słabo. Wentylacja grawitacyjna zależy od warunków zewnętrznych. Zimą, gdy różnica temperatur między domem a otoczeniem jest duża, ciąg w kanałach może być silniejszy. Latem, gdy temperatury się wyrównują, skuteczność wentylacji grawitacyjnej często spada. Na jej działanie wpływa też wiatr, szczelność okien, nawiewniki, wysokość i drożność kanałów oraz sposób użytkowania pomieszczeń.

To prowadzi do dwóch problemów. Gdy wentylacja działa zbyt intensywnie, dom może tracić więcej ciepła. Gdy działa za słabo, rośnie ryzyko zaduchu, nadmiaru wilgoci, wyższego stężenia CO₂ i gorszego komfortu snu. Rekuperacja daje większą przewidywalność, ponieważ przepływ powietrza jest wymuszony i może być dostosowany do potrzeb domowników.