Wiedza techniczna na temat wentylacji

Potrzeba odpowiedniej wentylacji mieszkań jest już dziś sprawą bezdyskusyjną, co zostało zresztą potwierdzone w praktyce. Szczelne mieszkania okazały się wyśmienitą pożywką dla wszelkiego rodzaju grzybów pasożytniczych.
Problemy szczelnych budynków pojawiły się na zachodzie Europy znacznie wcześniej niż w Polsce. Tam dostęp do okien o współczynnikach infiltracji redukujących wymianę powietrza w pomieszczeniu praktycznie do zera datuje się na przełom lat 70-tych i 80-tych. W tym okresie odnotowano narastające problemy z jakością powietrza wewnątrz pomieszczenia. Efektem było niszczenie konstrukcji oraz stopniowe pogarszanie zdrowia jego użytkowników zwane „Syndromem chorego budynku”.
Choć potwierdzono potrzebę wentylacji ciągle otwartą pozostawała druga, bardziej istotna kwestia : w jaki sposób wentylować?

Podstawowe typy instalacji wentylacyjnych.

1. Istnieje co najmniej kilkanaście metod mniej lub bardziej skutecznej wymiany powietrza w pomieszczeniach. Przy wyborze najlepszej z nich trzeba kierować się wieloma kryteriami min. kosztami inwestycyjnym i eksploatacyjnymi, skutecznością działania, oszczędnością energii, łatwością obsługi, wpływem na samopoczucie użytkowników itd.
Nie jest tajemnicą, że najmniejszymi kosztami zarówno inwestycyjnymi jak i eksploatacyjnymi charakteryzuje się instalacja wentylacji naturalnej. W jej skład wchodzą kanały indywidualne i zbiorcze przez które powietrze odprowadzane jest z pomieszczeń. Siłą napędową takiej instalacji jest różnica ciśnień na zewnątrz i wewnątrz budynku. Jest ona spowodowana dwoma czynnikami różnicą temperatur powietrza zewnętrznego i wewnętrznego oraz siłą i kierunkiem wiatru. Drugi czynnik jest przypadkowy i bardzo często nieprzewidywalny, niejednokrotnie może on utrudniać naturalny ciąg kominowy a często powodować ciąg odwrotny. Siła ciągu uzależniona jest od wysokości budynku a dokładniej od odległości w pionie wlotu do kanału do wylotu komina ponad dachem. Różnicę ciśnień powstałą na skutek różnicy wysokości i gęstości powietrza w zależności od temperatury można opisać wzorem :

Δp = h • g • ( ρpzew. – ρpwew. ) [Pa]
gdzie:
Δp – różnica ciśnień [Pa]
h – wysokość w pionie między wlotem do kanału a wylotem komina ponad dachem [m]
g – przyspieszenie ziemskie [m/s2]
ρpzew. – gęstość powietrza zewnętrznego [kg/m3]
ρpwe. – gęstość powietrza wewnętrznego [kg/m3]

Wzór ten jest słuszny dla warunków w których temperatura zewnętrzna tz jest niższa od temperatury wewnętrznej tw. Gęstość powietrza w danej temperaturze można wyliczyć ze wzoru :

ρpowT = 351/T [kg/m3]
gdzie:
T – temperatura powietrza w Kelwinach [K]

W takich warunkach różnica ciśnień w mieszkaniu położonym na pierwszej kondygnacji może być kilkukrotnie większa niż na ostatniej. Jednocześnie wraz z różnicą ciśnień związana jest wielkość strumienia przepływającego powietrza; zależność ta jest wprost proporcjonalna.
Wentylacja naturalna nie może zapewnić odpowiedniej wymiany powietrza w ciągu całego roku. Jeżeli chodzi o oszczędność energii to w okresie zimy przy dużej różnicy ciśnień wymiana powietrza może być zbyt duża nieraz nawet powodować przeciągi. Straty energetyczne w tym przypadku mogą być większe od przyjętych do obliczeń cieplnych czyli krotność wymian = 1 na godzinę. Sprawa łatwości obsługi jest bezdyskusyjna. Od użytkowników wymagane jest jedynie okresowe czyszczenie kratek na otworach wywiewnych.

2. Kolejnym typem instalacji występującej w budownictwie mieszkaniowym jest system wentylacji mechanicznej wywiewnej.
Przełomem w stosunku do instalacji wentylacji naturalnej jest zastosowanie wentylatora usuwającego zużyte powietrze z pomieszczeń. Takie rozwiązanie uniezależnia użytkowników od warunków naturalnych w szczególności od niestabilności ciągu naturalnego. Dzięki wentylatorowi projektant może narzucić wymagane podciśnienie i utrzymać tym samym określony wydatek usuwanego powietrza. Oczywiście wentylatory oraz sieć przewodów bardzo często są rozwiązaniem droższym w porównaniu do systemu naturalnego. Większe mogą okazać się koszty eksploatacyjne ( zużycie energii elektrycznej przez wentylator, przeglądy instalacji ), źle zaprojektowane i wykonane instalacje mogą okazać się źródłem hałasu.
3. Systemem uniezależniającym całkowicie od wpływów otoczenia jest instalacja wentylacji mechanicznej nawiewno – wywiewnej. Rozwiązanie to charakteryzuje się najwyższymi kosztami inwestycyjnymi oraz eksploatacyjnymi. Jednakże wraz z systemem umożliwiającym odzysk ciepła z powietrza usuwanego straty związane z wydatkami na ogrzewanie mogą być zredukowane do 45%. Ze względów finansowych oraz wciąż jeszcze niskiej kultury technicznej użytkowników oraz braku akceptacji ze strony inwestorów, system ten występuje najrzadziej w budownictwie mieszkaniowym.
Najpowszechniej występują dwa pierwsze rodzaje instalacji.
Projektanci systemów dbają o część instalacji usuwającej powietrze z pomieszczeń. Zapomina się o nawiewie, bez którego żadna instalacja nie może prawidłowo funkcjonować.

Wymagania normowe dotyczące wentylacji pomieszczeń.

W Polsce do początku lat dziewięćdziesiątych nawiew powietrza do pomieszczeń odbywał się przez nieszczelności w stolarce okiennej i mniej więcej odpowiadał wymaganiom normy PN-83/B- 03430. Coraz lepsze materiały izolacyjne spowodowały zredukowanie przenikania powietrza przez przegrody zewnętrzne oraz współczynnika infiltracji a dla okien zredukowało ilości napływającego powietrza do pomieszczeń a tym samym zredukowało wymianę powietrza w całym mieszkaniu praktycznie do zera. Ograniczenie wentylacji doprowadziło do zakłóceń w prawidłowym funkcjonowaniu budynku. Dowodem są pojawiające się zarówno w zmodernizowanych jak i w nowych budynkach grzyby pleśniowe. Skargi mieszkańców uderzyły w producentów stolarki okiennej, których niesłusznie obwiniano za pogorszenie komfortu przebywania w pomieszczeniu. Producenci szczelnych okien po przeanalizowaniu problemu znaleźli pseudo rozwiązanie – wycinanie uszczelek, rozszczelnienie oraz inne zabiegi mające wspomóc wymianę powietrza w pomieszczeniu. Rozszczelnienie okna polega na zachowaniu przestrzeni między uszczelkami dzięki czemu powietrze może napływać do pomieszczenia. Mikro wentylacja zapewnia napływ powietrza przez mikro otwory w oknie. Stosowane rozwiązania sprawiły, że sprzedaje się nieszczelne okno z niekontrolowanym napływem powietrza zewnętrznego.
W praktyce rozwiązania te okazały się niewystarczające i nie wpłynęły w istotny sposób na odczucie komfortu przebywania. Przez wycięcie uszczelki uzyskano zwiększenie współczynnika infiltracji „a”. Zapewniło to niekontrolowany, minimalny napływ powietrza do pomieszczenia niewystarczający do zachowania prawidłowej wymiany powietrza.
Ilość powietrza jaką można doprowadzić do pomieszczenia opisuje się następującym wzorem :

V = a • l • ΔPn [m3/h]
gdzie:
V – strumień powietrza doprowadzany do pomieszczenia [m3/h]
a – współczynnik infiltracji [m3/(h•m•daPa2/3)
l – długość szczeliny [m]
ΔP – różnica ciśnienia po obu stronach elementu [daPa]
n – wykładnik równania [-]

Analiza badań charakterystyk szczelności okien wykazała, że współczynnik a zawiera się najczęściej w przedziale 0,6 ± 0,1. Zatem do obliczeń przyjmuje się wartość 0,66. Przyjmując typowe wartości różnicy ciśnień 3-5 Pa oraz minimalny strumień powietrza dla 1 osoby 20 m3/h otrzymujemy długości szczelin dla poszczególnych współczynników infiltracji :
- dla a = 0,3 ok. 105-150 m
- dla a = 0,5 ok. 65-90 m
- dla a = 1,0 ok. 30-45 m
Obecnie produkowane okna charakteryzują się współczynnikiem infiltracji między 0,1 a 0,2, w żadnym wypadku nie mogą więc spełniać funkcji doprowadzenia powietrza do pomieszczenia.
Gdy stało się jasnym, że dotychczasowe zabiegi są niewystarczające zaczęto poszukiwać rozwiązań zapewniających skuteczny napływ powietrza do pomieszczenia. Chodziło o skonstruowanie urządzenia, które umożliwiałoby doprowadzenie ilości powietrza zgodnych z cytowaną wyżej normą a przynajmniej do nich zbliżonych. W wyniku zakrojonych na szeroką skalę badań producentów okien i firm zajmujących się branżą wentylacyjną powstało urządzenie zwane nawiewnikiem. Pierwszy problem, który pojawił się wraz z nawiewnikami to całkowity brak kryteriów doboru tychże urządzeń.
W 1996 roku powstała instrukcja parametrów jakie nawiewnik powinien spełniać. Autorem jej był Instytutu Techniki Budowlanej. Instrukcja(343/96) dotyczyła określenia takich parametrów jaki przepływ przy danej różnicy ciśnień, miejsce montażu, kryteria użytkowe i in.. Częściowo znalazły one odbicie w zmianie do normy PN-83/B- 03430 Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania.
Podpunkt 2.1.5 mówi :
Dopływ powietrza zewnętrznego do pomieszczeń powinien być zapewniony w sposób podany wg poz. a) lub b)
a) W przypadku zastosowania okien charakteryzujących się współczynnikiem infiltracji a mniejszym niż 0,3 m3/ (m•h•daPa2/3), przez nawiewniki o regulowanym stopniu otwarcia usytuowane:
- w górnej części okna (w ościeżnicy, ramie skrzydła, między ramą skrzydła a górną krawędzią szyby zespolonej), lub
- w otworze okiennym (między nadprożem a górną krawędzią ościeżnicy, w obudowie rolety zewnętrznej), albo
- w przegrodzie zewnętrznej ponad oknem.
Strumień powietrza przepływającego przez całkowicie otwarty nawiewnik, przy różnicy ciśnienia 10 Pa, powinien mieścić się w granicach :
- od 20 do 50 m3/h, jeśli zastosowana jest wentylacja grawitacyjna,
- od 15 do 30 m3/h, jeśli zastosowana jest wentylacja mechaniczna wywiewna.
Strumień powietrza przepływającego przez nawiewnik, którego element znajduje się w pozycji całkowitego zamknięcia, powinien zawierać się w granicach od 20 do 30% strumienia przy jego całkowitym otwarciu.
W budynkach o wysokości do 9 kondygnacji włącznie dopuszcza się doprowadzenie powietrza przez okna charakteryzujące się współczynnikiem infiltracji a wyższym niż 0,5 a nie większym niż 1,0 m3/(m•h•daPa2/3), pod warunkiem że okna są wyposażone w skrzydło uchylno – rozwieralne, górny wywietrznik uchylny lub górne skrzydło uchylne.
b) Przez otwory nawiewne wentylacji mechanicznej.
Różne konstrukcje nawiewników rozbudziły następne pytanie o wybór parametru jaki miałby decydujący wpływ na zwiększenie bądź ograniczenie wymiany powietrza w pomieszczeniu. Wilgoć jest najbardziej dostrzegalnym zanieczyszczeniem przez mieszkańców ale w powietrzu wewnętrznym występują też inne gazy np. CO2, CO, NOx, które w zbyt dużych stężeniach mogą być trujące. Stężenie dwutlenku węgla - CO2 zmienia się w zależności od użytkowania pomieszczeń i od wykonywanych czynności. Gaz ten jest produktem tlenowego spalania związków chemicznych zawierających atomy węgla. Na co dzień CO2 towarzyszy nam jako produkt oddychania ludzi, roślin i zwierząt oraz efekt spalania paliw np. gazu ziemnego w kuchenkach.
Tlenek węgla - CO jest produktem niepełnego spalania paliw. Najpowszechniej występującym paliwem w budownictwie mieszkaniowym jest gaz ziemny. Tlenek węgla już w bardzo małych stężeniach jest silnie trujący. Niestety bardzo trudno go wykryć gdyż jest bezwonny.
Tlenki azotu – NOx powstają podczas użytkowania urządzeń gazowych oraz palenia papierosów. Wpływają one szkodliwie przede wszystkim na drogi oddechowe człowieka.
W środowisku człowieka występują ponadto inne zanieczyszczenia powietrza tj. formaldehyd wydzielający się z mebli, farby, lakiery, azbest i in. wpływające w sposób szkodliwy na zdrowie człowieka gdy ich koncentracja jest zbyt duża, co może wystąpić przy niesprawnej wentylacji.
Ze wszystkich tych czynników dwa są szczególnie niebezpieczne dla użytkowników, są to CO2 oraz para wodna. Zaletą CO2 jako wskaźnika jest fakt, że jest to związek stabilny, nie wnikający w ściany. Jego stężenie w powietrzu na zewnątrz budynku jest relatywnie stałe, natomiast jego zawartość w powietrzu wewnątrz mieszkania jest ściśle związana z wydychaniem go przez człowieka. Stężenie CO2 nie oddaje jednak w pełni obrazu użytkowania mieszkań. Czujnik sterujący napływem powietrza zauważy obecność jednej osoby w kuchni ale nie uwzględni zysków pary wodnej towarzyszących gotowaniu. Suszące się pranie wymaga dość dużej wymiany powietrza samo nie powodując wzrostu stężenia dwutlenku węgla.
Para wodna w okresie długofalowym jest przyczynkiem do złej kondycji zdrowotnej mieszkańców i pogorszenia stanu technicznego budynku. Jest zanieczyszczeniem najlepiej oddającym obecność człowieka oraz wykonywane przez niego czynności ( Tabela 1 )

Tabela 1 Zestawienie przykładowych zysków wilgoci występujących w mieszkaniach.

Czynność Intensywność wydzielania się
pary wodnej
Oddychanie i pocenie (przy 20ºC)
sen lub odpoczynek 40 g/h
lekka praca 70 g/h
szybki taniec 340 g/h
Prysznic 2000 g/h
Suszenie bielizny (5kg) 2000 g
Gotowanie (na 1 posiłek) 1000 – 2000 g

Komfort przebywania w pomieszczeniu zależy między innymi w głównej mierze od dwóch wielkości temperatury i wilgotności względnej powietrza. W zakresie temperatur 20-23˚C dopuszczalne granice wilgotności względnej w pomieszczeniach dla przebywania ludzi przyjmuje się w granicach 30-70%. Wilgotności niższe niż 30% mogą wpływać negatywnie na samopoczucie niektórych osób. Górna granica wilgotności powinna być tym mniejsza im wyższa jest temperatura. Zbyt duża zawartość wilgoci powoduje jej wykraplanie na szybach okien oraz w miejscach występowania mostków termicznych co prowadzi do powolnego zawilgocenia a później zagrzybienia budynku.
Wydaje się, że najskuteczniejszym rozwiązaniem byłoby zapewnienie sterowania w instalacji wentylacyjnej zmieniającym się poziomem wilgotności względnej. Jedyną wadą pary wodnej jako wskaźnika jest jej łatwe wnikanie w ściany i późniejsze uwalnianie się, a także jej zmienna zawartość w powietrzu na zewnątrz budynku.
Badania przeprowadzone w Holandii, Belgii i we Francji w latach 1989/90/91 min. przez firmę aereco s.a. udowodniły, że sterowanie uzależnione od poziomu wilgotności względnej wewnątrz pomieszczenia zapewnia komfortowe warunki w mieszkaniu. Ilości wymienianego powietrza są wystarczające do zachowania na odpowiednim poziomie stężenia groźnego dla człowieka dwutlenku węgla.

inż. Marcin Gasiński