Autor: dr inż. Sylwia Szczęśniak
Systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne charakteryzują się wysokim zapotrzebowaniem na energię cieplną oraz elektryczną, które znacząco przekracza wartości charakterystyczne dla innych budynków użyteczności publicznej. Jest ona wykorzystywana do realizacji procesów ogrzewania, ochładzania, osuszania i nawilżania powietrza, a także do jego transportu w instalacjach nawiewnych i wywiewnych. W odniesieniu do części cieplnej zużycie to pozostaje w bezpośrednim związku z chwilową mocą wymaganą do pokrycia aktualnych obciążeń cieplnych i wilgotnościowych, wynikających m.in. z charakterystyki cieplnej budynku, oddziaływania wewnętrznych i zewnętrznych źródeł ciepła, chłodu i wilgoci, przyjętej metody automatycznej regulacji i sterowania oraz możliwości systemu determinowanych jego konfiguracją i zastosowanymi wymiennikami ciepła i masy. Zapotrzebowanie związane z transportem powietrza zależy natomiast od chwilowej mocy układu wentylator–silnik, rozumianej jako funkcja aktualnego strumienia objętościowego powietrza, strat ciśnienia towarzyszących jego przepływowi oraz rodzaju i sprawności zastosowanego wentylatora i silnika. Zarówno w przypadku energii cieplnej, jak i elektrycznej całkowite zużycie w danym okresie eksploatacji jest wyznaczane przez wartości mocy chwilowej oraz czas pracy urządzeń. Oznacza to, że im dłuższy czas pracy urządzeń tym większe jego zapotrzebowanie na energię [1, 2, 3].
W pomieszczeniach służby zdrowia, w których wymagane jest utrzymanie nie tylko odpowiednich warunków cieplno-wilgotnościowych, lecz także warunków higienicznych, w tym niskiego stężenia zanieczyszczeń pyłowych i mikrobiologicznych, układy wentylacyjne i klimatyzacyjne pracują w trybie całodobowym. Skutkuje to bardzo wysokim zapotrzebowaniem na energię oraz znacznymi kosztami eksploatacji systemów wentylacji i klimatyzacji. Skrócenie czasu pracy instalacji lub ograniczenie chwilowych mocy niezbędnych do transportu powietrza, a więc zmniejszenie strumienia powietrza wentylującego, stanowi jedną z najprostszych metod redukcji zużycia energii elektrycznej, a w konsekwencji kosztów eksploatacyjnych układów wentylacyjnych. Należy przy tym zauważyć, że obniżenie strumienia powietrza wentylującego o połowę powoduje niemal ośmiokrotne zmniejszenie mocy wymaganej do napędu, przy pominięciu zmian sprawności samego wentylatora i silnika. Po uwzględnieniu zmian charakterystyki pracy układu możliwe jest ograniczenie zużycia energii elektrycznej najmniej sześciokrotnie przy redukcji strumienia powietrza o 50% [3]. Ograniczanie strumienia powietrza nawiewanego (tzw. tryb turndown lub setback) stanowi dopuszczalną, a wręcz rekomendowaną metodę poprawy efektywności energetycznej instalacji wentylacyjnych. Warunkiem jej stosowania jest jednak bezwzględne zachowanie bezpieczeństwa higienicznego pomieszczeń oraz stabilności kaskady ciśnień.
W budynkach o standardowych lub niskich wymaganiach dotyczących czystości powietrza rozwiązania tego typu są stosowane powszechnie i na ogół nie stwarzają zagrożenia. W przypadku pomieszczeń czystych, w których konieczne jest utrzymanie odpowiedniej gradacji ciśnień oraz wymaganej czystości pyłowej i mikrobiologicznej, a strumień powietrza wynika często z minimalnej krotności wymian powietrza, jego ograniczenie może być realizowane zazwyczaj jedynie w okresach przerw w użytkowaniu pomieszczeń. Z tego względu możliwość redukcji strumienia powietrza w pomieszczeniach czystych jest istotnie ograniczona a zakres dopuszczalnych działań związanych z redukcją strumienia powietrza, warunki brzegowe determinujące bezpieczeństwo ich stosowania oraz wymagania dotyczące powrotu instalacji do stanu projektowego przed ponownym użytkowaniem pomieszczeń muszą być szczegółowo określone.
W obowiązujących standardach projektowych i eksploatacyjnych dopuszcza się możliwość okresowej redukcji strumienia powietrza w wybranych pomieszczeniach, najczęściej w czasie ich braku użytkowania. Zakres tej redukcji zależy od klasy pomieszczenia, wymaganej czystości powietrza oraz przyjętych warunków bezpieczeństwa eksploatacyjnego. Niezależnie od dopuszczalnego zakresu redukcji strumienia powietrza, warunkiem jej zastosowania jest zachowanie stabilnej gradacji ciśnień pomiędzy pomieszczeniami oraz wymaganej jakości powietrza. Ograniczenie wentylacji nie może prowadzić do odwrócenia kierunku przepływu powietrza ani do pogorszenia warunków higienicznych, w szczególności w zakresie wilgotności i czystości mikrobiologicznej. Przed ponownym użytkowaniem pomieszczeń wymagane jest pełne przywrócenie parametrów mikroklimatu oraz jakości powietrza do wartości projektowych. Obejmuje to odpowiedni czas pracy instalacji wentylacyjnej umożliwiający usunięcie zanieczyszczeń oraz nadmiaru wilgoci powstałych w okresie obniżonej wentylacji. Dalsze zwiększenie efektywności energetycznej instalacji możliwe jest poprzez zastosowanie zaawansowanych strategii sterowania, umożliwiających dynamiczne dostosowanie strumienia powietrza do rzeczywistych warunków eksploatacyjnych przy jednoczesnym zachowaniu wymaganej jakości powietrza.
Wszystkie źródła [4-9] zakazują ograniczania wentylacji, dopóki w pomieszczeniu zalega wilgoć po sprzątaniu, ze względu na ryzyko namnażania grzybów i bakterii (np. Bacillus cereus). Redukcja strumienia powietrza wentylującego nie może naruszać kaskady ciśnień – system automatyki musi korygować strumień wywiewny proporcjonalnie do nawiewnego. Zaleca się stosowanie wskaźników świetlnych przy wejściu do sal operacyjnych, informujących personel o zakończeniu fazy regeneracji i pełnej gotowości sali do pracy.
Tabela 1. Wytyczne i procedury ograniczania i zwiększania strumienia powietrza wentylującego
| Standard / Źródło | Warunki i zakres ograniczania (Turndown) | Procedury czasowe ograniczania | Procedury czasowe zwiększania (Regeneracja) | Kluczowe wymogi techniczne |
| [4] | W klasie S1 dopuszczalne zmniejszenie strumienia nawiewu do minimum 50% wartości nominalnej w przerwach między operacjami. | Nie zaleca się całkowitego wyłączania systemu w salach operacyjnych. | System musi pracować w trybie nominalnym co najmniej 60 minut przed operacją lub zapewnić 30 wymian powietrza zewnętrznego. | Zakaz odwrócenia kierunku przepływu powietrza; zachowanie nadciśnienia. |
| [5] | Redukcja dozwolona dla Klasy I poza czasem użytkowania. Całkowite wyłączenie dopuszczalne tylko dla Klasy II. | System można wyłączyć dopiero > 30 min po ostatnim sprzątaniu lub do całkowitego usunięcia wilgoci. | Praca nominalna musi być wznowiona z wyprzedzeniem gwarantującym utrzymanie wyników kwalifikacji przed startem czynności medycznych. | Podczas operacji w klasie Ia zakaz podnoszenia temperatury nawiewu (ryzyko niestabilności strugi). |
| [6] | Dozwolone w pomieszczeniach oznaczonych w tabelach jako „Yes” (Unoccupied Turndown). | W wybranych strefach (np. poczekalnie, triaż) wymagana zwłoka 20 minut po opuszczeniu sali przed redukcją strumienia. | Pełne parametry muszą być przywrócone w każdym momencie, gdy sala zostaje ponownie zajęta. | Wilgotność w trybie turndown nie może przekroczyć 60% (zapobieganie wzrostowi mikrobiologicznemu). |
| [7] | Redukcja strumieni/czasów pracy jest dopuszczalna jako element optymalizacji operacyjnej. | Ograniczanie odbywa się w okresach braku aktywności (np. noc, weekendy) po uzgodnieniu z użytkownikami. | Wymagany odpowiednio długi czas „płukania” (Vorspülzeit) przed użyciem sali, aby usunąć kontaminację. | Bezwzględny wymóg zapobiegania inwersji przepływu w kanałach, aby nie „odkurzyć” filtrów wstępnych. |
| [8] | Wprowadza „stan czuwania” (veille) z obniżoną wydajnością dla okresów braku aktywności (nocy/weekendów). | Procedura manualna lub automatyczna (np. czujnik obecności ze zwłoką 3 min przed powrotem do trybu nominalnego). | Każdy powrót musi zainicjować sekwencję trwającą co najmniej 3 × czas kinetyki eliminacji cząstek (CP). | Utrzymanie nadciśnienia 15 Pa (± 5 Pa) jest priorytetem nawet w stanie czuwania. |
| [9] | Promuje sterowanie adaptacyjne; redukcja o 50% obniża pobór mocy wentylatora nawet 8-krotnie. | Wyłączenie systemu wymaga szczegółowej oceny ryzyka depozycji cząstek z filtrów terminalnych. | Przy reaktywacji wymagane jest stopniowe zwiększanie wydajności (ramping up), by nie porywać zanieczyszczeń z filtrów. | Zaleca się stosowanie liczników cząstek w czasie rzeczywistym do automatycznego sterowania wydajnością. |
Termin Unoccupied Turndown (lub setback), który pojawia się w Tabeli 1, wprowadza norma ASHRAE 170-2021 i odnosi się on do kontrolowanego zmniejszenia strumienia objętości powietrza lub jego prędkości w okresach, gdy pomieszczenie nie jest użytkowane, w celu oszczędności energii. W Tabeli 2 zestawiono wytyczne dotyczące dopuszczalności stosowania tego trybu w poszczególnych pomieszczeniach.
Tabela 2. Dopuszczalność trybu Unoccupied Turndown w pomieszczeniach medycznych [6]:
| Pomieszczenie | Unoccupied Turndown (Dopuszczalne) | Uwagi i warunki dodatkowe |
| Sale operacyjne (OR), sale do cięć cesarskich, sale cystoskopowe | TAK | Wymagane zachowanie nadciśnienia i parametrów wilgotności. |
| Sale izolacji zakaźnej (AII) i ich śluzy | TAK | Tryb dopuszczalny tylko, gdy pacjent nie jest w fazie izolacji; wymagane zachowanie podciśnienia. |
| Środowisko ochronne (PE) i ich śluzy | NIE | Wymagany stały strumień powietrza dla ochrony pacjentów wysokiego ryzyka. |
| Połączone sale AII/PE i ich śluzy | NIE | Zakaz redukcji ze względu na złożone wymagania ochrony i izolacji. |
| Sale chorych, sale intensywnej terapii (ICU, NICU), sale wybudzeń (PACU) | TAK | |
| Sale diagnostyki obrazowej (Klasa 1, 2 i 3) | TAK | Obejmuje m.in. RTG, MRI, CT, angiografię. |
| Obszary SOR (Emergency): sale urazowe, segregacja (Triage), poczekalnie | TAK | Wymagana zwłoka czasowa (np. 20 min) po opuszczeniu sali przed redukcją strumienia |
| Gabinety zabiegowe, sale badań, endoskopia | TAK | |
| Laboratoria (bakteriologiczne, biochemiczne, patologia) | TAK | Redukcja dopuszczalna, o ile nie wpływa na bezpieczeństwo (HSE). |
| Centralna sterylizatornia: pakowanie, brudownik | NIE | Wymagana stała wentylacja w strefach krytycznych (z pewnymi wyjątkami dla stref czystych). |
| Pomieszczenia supportu: magazyny sterylne, brudowniki, odpady medyczne | NIE | Zazwyczaj wymagany stały wyciąg lub nawiew dla kontroli zakażeń i zapachów [1436–1438]. |
| Administracja, gabinety lekarskie, korytarze | TAK | Standardowe oszczędności energii. |
| Autopsja i kostnica | NIE | Wymagany stały wyciąg powietrza bezpośrednio na zewnątrz. |
[1] Hohne P. A., Kusakana K., Numbi B. P., Improving Energy Efficiency of Thermal Processes in Healthcare Institutions: A Review on the Latest Sustainable Energy Management Strategies, Energies, vol. 13, no. 3, 569, 2020, MDPI. DOI: 10.3390/en13030569.
[2] Hyseni D., Tashevski D. J., Filkoski R. V., Shesho I. K., Energy efficiency in complex buildings, IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci., vol. 410, 012024, 2020, IOP Publishing, doi:10.1088/1755-1315/410/1/012024
[3] Szczęśniak S., Możliwości ograniczenia energii niezbędnej do utrzymania systemów wentylacji mechanicznej i klimatyzacji z odzyskiem ciepła w obiektach szpitalnych, Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja, t. 54, nr 3, 2023, s. 10–20, Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Warszawa.
[4] Charkowska, A., Różycki, A., Lenarski, R., & Sobierajska, A. (2018). Wytyczne projektowania, wykonania, odbioru i eksploatacji systemów wentylacji i klimatyzacji dla podmiotów wykonujących działalność leczniczą. Pracodawcy Rzeczypospolitej Polskiej.
[5] DIN 1946-4:2018-09, Raumlufttechnik – Teil 4: Raumlufttechnische Anlagen in Gebäuden und Räumen des Gesundheitswesens, Deutsches Institut für Normung, Berlin.
[6] ASHRAE Standard 170-2021, Ventilation of Health Care Facilities, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, 2021.
[7] SWKI VA 105-01:2015-08, Raumlufttechnische Anlagen in medizinisch genutzten Räumen, Schweizerischer Verein von Gebäudetechnik-Ingenieuren (SWKI), Zurych.
[8] NF S 90-351:2013-04, Établissements de santé – Zones à environnement maîtrisé – Exigences relatives à la maîtrise de la contamination aéroportée, Association Française de Normalisation (AFNOR), Paryż.
[9] PN-EN ISO 14644-16:2019-10, Pomieszczenia czyste i związane z nimi środowiska kontrolowane — Część 16: Efektywność energetyczna w pomieszczeniach czystych i urządzeniach separujących, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa.