Autor dr inż. Sylwia Szczęśniak
Uzdatnianie powietrza w systemach klimatyzacyjnych
W systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych powietrze zanim trafi do pomieszczenia musi zostać odpowiednio oczyszczone i poddane obróbce termicznej oraz wilgotnościowej. Liczba tzw. stopni filtracji oraz rodzaj i klasa filtrów ściśle powiązane są z wymaganiami dotyczącymi jakości powietrza nawiewanego oraz wymaganej czystości powietrza w pomieszczeniach lub grupach pomieszczeń. Uzdatnianie termiczne polega na ogrzewaniu, ochładzaniu powietrza i jest zależne od temperatury powietrza nawiewanego, która gwarantuje uzyskanie zadanej temperatury powietrza w pomieszczeniu. Obróbka wilgotnościowa związana jest z koniecznością nawilżania lub osuszania powietrza nawiewanego i ma wpływ na utrzymanie w pomieszczeniu wymaganej wilgotności względnej powietrza.
Do procesów obróbki zaliczyć można odzysk ciepła oraz mieszanie powietrza zewnętrznego z powietrzem wywiewanym z pomieszczenia (recyrkulacja powietrza z pomieszczenia). Zarówno odzysk ciepła jak i mieszanie dwóch strumieni powietrza przyczynia się do ograniczenia w zimie mocy nagrzewnicy, a w lecie mocy chłodnicy. W przypadku mieszania efektem dodatkowym jest także możliwość pozyskania wilgoci w okresie zimowym oraz obniżenia wilgoci w okresie letnim. Daje to wymierne efekty w ograniczaniu wydajności nawilżaczy w okresie zimowym oraz mocy chłodnicy w okresie letnim. Oba te procesy zachodzą z taką samą sprawnością, która zależy od udziałów poszczególnych strumieni powietrza w mieszaninie.
W przypadku wymienników do odzysku ciepła proces odzysku wilgoci jest możliwy tylko w specjalnych wymiennikach obrotowych i zwykle zachodzi się w okresie zimowym. W klasycznych rekuperatorach czy wymiennikach z czynnikiem pośredniczącym (stosowanych w szpitalach i budynkach ochrony zdrowia) nie ma możliwości odzysku wilgoci. Schemat mieszania dwóch strumieni powietrza oraz odzysk ciepła na wymienniku obrotowym przedstawiono na Rys. 1. Na rysunku tym przedstawiono także wzory obliczeniowe dla wyznaczenia temperatury i wilgoci* mieszaniny powietrza oraz powietrza za wymiennikiem do odzysku ciepła.
Oznaczenia: V – objętościowy strumień powietrza [m3/s], T – temperatura powietrza [K], RH – wilgotność względna powietrza [%], x – zawartość wilgoci w powietrzu [kg/kgps], η – sprawność działania wymiennika
Recyrkulacja powietrza usuwanego z pomieszczenia
Recyrkulacja to zawracanie części lub całości powietrza usuwanego z pomieszczenia celem jego oczyszczenia i w razie potrzeb uzdatnienia termicznego czy wilgotnościowego. Najczęściej recyrkulacja powietrza z pomieszczenia wykorzystywana jest w procesie mieszania, który zobrazowano na Rysunku 1. W takim przypadku jeden ze strumienie powietrza jest powietrzem zewnętrznym, a drugi jest powietrzem usuwanym z pomieszczenia a mieszanina jest strumieniem powietrza nawiewanego do pomieszczenia.
Wyróżnić można dwa rodzaje recyrkulacji powietrza obiegowego. Jest to recyrkulacja centralna oraz recyrkulacja lokalna.
Centralna recyrkulacja oznacza, że część powietrza usuwanego z pomieszczenia jest zawracana do pomieszczenia, bezpośrednio po oczyszczeniu lub po zmieszaniu z powietrzem zewnętrznym. Schemat recyrkulacji z wykorzystaniem powietrza zewnętrznego dla pomieszczeń dla których nie ma specjalnych wymagań dotyczących czystości powietrza przedstawiono na Rysunku 2. Natomiast na Rysunku 3 przedstawiono schemat układu klimatyzacyjnego z recyrkulacją powietrza i trzystopniową filtracją powietrza nawiewanego. Poszczególne stopnie filtracji oznaczono numerami I, II i III. Dla uzyskania wymaganej klasy czystości w pomieszczeniach szpitalnych pierwszy stopień filtracji wymaga filtrów ISO ePM1≥ 50% (wg PN-EN ISO 16890-1:2017). Drugi stopień filtracji powinin mieć filtry o klasie co najmniej ISO ePM1≥80% (wg PN-EN ISO 16890-1:2017). Natomiast ostatni trzeci stopień filtracji to filtry ISO ePM1≥95% typu (HEPA) lub ISO ePM1≥ 99,9997% (ULPA) montowane bezpośrednio w elementach nawiewających powietrze do pomieszczenia. W takich rozwiązaniach gdy główne źródło zanieczyszczeń znajduje się w powietrzu zewnętrznym, a nie w samym pomieszczeniu system powinien zapewniać czystsze powietrze w porównaniu do systemu pracującego tylko na powietrzu zewnętrznym.
Lokalna recyrkulacja oznacza, że całe powietrze zawracane do urządzenia (systemu) po oczyszczeniu i uzdatnieniu jest kierowane do tego samego pomieszczenia. Schemat takiego układu przedstawiono na Rysunku 4. W pomieszczeniach czystych oraz pomieszczeniach służby zdrowia wykorzystuje się tzw. moduły recyrkulacyjne (cyrkulacyjne). Ich zadaniem jest oczyszczenie i ewentualnie ochłodzenie lub ogrzanie powietrza i ponowne skierowanie go do pomieszczenia. Oczyszczenie powietrza powinno gwarantujące właściwą klasę czystości powinno odbywać się na filtrze o kasie co najmniej ISO ePM1≥80% wg PN-EN ISO 16890-1:2017. Ochładzanie powietrza w takim przypadku powinno być chłodzeniem zachodzącym bez wykraplania wilgoci.
Ile zyskujemy
Przyjmijmy, że powietrze zewnętrzne (Z) oraz w pomieszczeniu (P) ma parametry, które podano w Tabeli 1. Przyjmijmy także, że dla utrzymania (P) powietrze dostarczane do pomieszczenia (N) musi spełniać warunki, które także podano w Tabeli 1.
Tab.1. Parametry powietrza
Przyjmijmy także, że zgodnie z wytycznymi dla sal operacyjnych udział powietrza zewnętrznego w wentylującym wynosi 50%. Dla porównania przyjmijmy także, że w centrali wentylacyjnej zamontowano bezpieczny pod względem mikrobiologicznym wymiennik do odzysku ciepła z czynnikiem pośredniczącym o sprawności 65%. Załóżmy także, że strumień powietrza wentylującego wynosi 1m3/s. Porównując wymagane procesy uzdatniania powietrza oraz określając dla nich moce można stwierdzić, że:
Tab.2. Porównanie układów klimatyzacji: recyrkulacja vs. odzysk ciepła
Podsumowanie
Wykorzystanie recyrkulacji ma swoje podstawy oszczędności energii niezbędnej dla utrzymania komfortu cieplnego w pomieszczeniach klimatyzowanych i wentylowanych mechanicznie. O ile zapewni się odpowiednią klasę filtracji powietrza recyrkulowanego oraz nawiewanego to nie ma podstaw zarówno pod względem mikrobiologicznym jak i energetycznym do całkowitej rezygnacji z recyrkulacji powietrza obiegowego. Świadome stosowanie recyrkulacji, o poprawnie określonym udziale powietrza zewnętrznego w wentylującym i poprawnie dobranymi i eksploatowanymi filtrami powietrza, nie wpływa na pogorszenie mikrobiologicznej jakości powietrza w pomieszczeniach wentylowanych. Wykorzystywanie recyrkulacji centralnej powietrza ma sens i uzasadnienie tylko wtedy, gdy udział powietrza zewnętrznego w wentylującym jest zmienny i dostosowany do chwilowych zdolności grzewczych i chłodzących powietrza zewnętrznego. Oznacza to, że w sprzyjających warunkach termicznych do pomieszczeń może być nawiewane oczyszczone i uzdatnione termicznie tylko powietrze zewnętrzne.
Literatura
[1] A. Charkowska i in. „Wytyczne projektowania, wykonania, odbioru i eksploatacji systemów wentylacji i klimatyzacji dla podmiotów wykonujących działalność leczniczą”, Warszawa 2018.
[2] Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. z 2022 r. poz. 1225, z 2023 r. poz. 2442 oraz z 2024 r. poz. 474).
[2] DIN 1946-4 „Ventilation and air conditioning –Part 4: VAC systems in buildings and rooms used in the health care sector”
[3] Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz.U. 2010 nr 109 poz. 719)
[4] Saran, S., Gurjar, M., Baronia, A. et al. Heating, ventilation and air conditioning (HVAC) in intensive care unit. Crit Care 24, 194 (2020). https://doi.org/10.1186/s13054-020-02907-5
[5] ASHRAE -https://www.ashrae.org/technical-resources/healthcare#guidrecird
[6] REHVA – https://www.rehva.eu/activities/covid-19-guidance/rehva-covid-19-guidance
[7] EUROVENT https://www.eurovent.eu
[8] PN-EN ISO 16890-1:2017-01 (wersja polska) Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej. Część 1: Specyfikacje techniczne, wymagania i system klasyfikacji określony na podstawie skuteczności filtracji cząstek pyłu (ePM).