Każdy z systemów wentylacyjnych – grawitacyjny, mechaniczny czy hybrydowy – ma swoich licznych zwolenników i przeciwników. Należy jednak przypuszczać, że ze względu na swoje cechy funkcjonalne, system wentylacji hybrydowej będzie wykorzystywany coraz powszechniej, a architekci i projektanci będą brali pod uwagę możliwość jego zastosowania na obiekcie w pierwszej kolejności.

Zadaniem architektów jest tworzenie obiektów w taki sposób, aby przebywający w nim ludzie nie odczuwali dyskomfortu. Obok właściwego oświetlenia i temperatury istotnym elementem jest jakość powietrza. Jest to równie ważne w domu – miejscu odpoczynku po zakończeniu zawodowej części dnia, jak i w pracy, w której spędza się niejednokrotnie dużo więcej czasu niż ustawowe osiem godzin.

Rys. 1. Wywietrzniki grawitacyjne Duo firmy Uniwersal na sferycznym dachu szkoły w Bielsku-Białej

Rys. 2. Wywietrzniki grawitacyjne Zefir-150 na dachu budynku jednorodzinnego

Rozwój technik wentylacyjnych

Problem wentylacji na przestrzeni rozwoju cywilizacyjnego rozwiązywano w różny sposób. W dawnych budowlach pomieszczenia ogrzewano za pomocą kominków. Kominek z otwartą komorą spalania, chociaż nieekonomicznie przekazywał ciepło do pomieszczeń, zapewniał jednak bardzo efektywną wentylację. Powietrze poprzez nieszczelności w stolarkach okiennych przepływało przez pomieszczenie do paleniska, a tam wraz ze spalinami wyrzucane było na zewnątrz. W późniejszych czasach pojawiły się piece kaflowe, które ekonomiczniej oddawały ciepło ze spalanego węgla lub czasami drewna, ale też równie dobrze realizowały wymianę powietrza w pomieszczeniu. Powietrze przez nieszczelności dopływało do wnętrza i przebywając drogę do paleniska skutecznie zastępowało powietrze zużywane przez mieszkańców. Często w pomieszczeniach, gdzie zamontowane były piece kaflowe, nie istniała kratka wentylacyjna – rolę tą przejmowała kratka spalinowa, do której podłączony był piec.
Z biegiem lat pojawiła się nowoczesna stolarka okienna, okna skrzynkowe zastąpiono oknami z szybami zespolonymi o niskim współczynniku przenikania ciepła, a w konsekwencji również na tyle szczelnymi, że w efekcie wyeliminowano zupełnie naturalną wentylację. W takich pomieszczeniach swojego zadania nie spełnia również kratka wentylacyjna wywiewna, nawet w połączeniu z elementami wymuszającymi ruch powietrza, zamontowanymi na dachu. Dzieje się tak przede wszystkim z tego względu, że powietrze nie ma się którędy do pomieszczenia dostać. W takich sytuacjach można zaobserwować nawet odwrócenie się kierunku przepływu powietrza. Kratki wywiewne stają się wówczas nawiewnymi, dostarczając do pomieszczenia powietrze zimne, w różny sposób modyfikowane, np. nasycone nieprzyjemnymi zapachami z kanalizacji czy sąsiednich kuchni, toalet.

Rys. 3. Wywietrzniki grawitacyjne WLO-160 na trzypiętrowym budynku mieszkalnym

Normy wentylacyjne

Projektant wentylacji i architekt musi więc stworzyć system przepływu powietrza tak, aby nie powodował dyskomfortu dla przebywających w obiekcie ludzi. Należy jednocześnie pamiętać o zapewnieniu dla poszczególnych pomieszczeń normatywnych ilości higienicznych, które wynoszą:
• kuchnia z oknem zewnętrznym wyposażona w kuchenkę gazową lub węglową – 70 m³/h,
• kuchnia z oknem zewnętrznym, wyposażona w kuchenkę elektryczną w mieszkaniu do trzech osób – 30 m³/h, w mieszkaniu dla więcej niż trzech osób –
50 m³/h,
• kuchnia bez okna zewnętrznego wyposażona w kuchenkę elektryczną – 50 m³/h,
• kuchnia bez okna zewnętrznego wyposażona w kuchenkę gazową, obowiązkowo z mechaniczną wentylacją wywiewną – 70 m³/h,
• łazienka z wc lub bez – 50 m³/h,
• oddzielne wc – 30 m³/h,
• pomieszczenie bezokienne (garderoba) – 15 m³/h,
• pokój mieszkalny oddzielony od pomieszczeń kuchni, łazienki i wc więcej niż dwojgiem drzwi lub pokój znajdujący się na wyższym poziomie w wielopoziomowym domu jednorodzinnym lub w wielopoziomowym mieszkaniu domu wielorodzinnego – 30 m³/h. Wymiana powietrza w ciągu godziny powinna być równa co najmniej kubaturze pokoju.

Rys. 4. Wywietrzniki grawitacyjne Uniwersal:
a – Zefir-140,  b – Bora-160,  c – Schiedel/Bryza typ S/V,  d – Sir-160

System wentylacji naturalnej

W wielu domach, zarówno jednorodzinnych jak i wielorodzinnych, oraz obiektach biurowych i w halach produkcyjnych szeroko stosowany jest obecnie system wentylacji naturalnej, zwanej również grawitacyjną. Od strony praktycznej rozwiązanie to sprowadza się do zastosowania: kratki wentylacyjnej nawiewnej, kratki wentylacyjnej wywiewnej w pomieszczeniu wentylowanym, kanału wentylacyjnego wykonanego z różnych materiałów, takich jak: cegła, pustak wentylacyjny, kształtki metalowe, przewody Spiro, bloczki wentylacyjne Schiedel. System taki powinien być zwieńczony nasadą wentylacyjną, która właściwe wykorzystuje siły wiatru w celu zwiększenia podciśnienia roboczego w kanale wentylacyjnym oraz zabezpiecza kanał wentylacyjny przed wdmuchiwaniem powietrza zewnętrznego.

Rys. 5. Mechaniczna wentylacja wywiewna – wentylatory Sztil-250 na podstawach tłumiących PTL. Kraków, osiedle mieszkaniowe Bocianie Gniazdo

Rys. 6. Wentylator hybrydowy Fen-250

Ograniczenia
Należy sobie jednak zdawać sprawę ze zmiennej skuteczności działania takiej wentylacji. Wielu użytkowników obserwuje w swoich mieszkaniach bezruch powietrza w kanałach wentylacyjnych, a w skrajnych przypadkach ciągi wsteczne. Odpowiada za to wiele czynników: usytuowanie budynku względem najczęściej występujących kierunków wiatru, jego wysokość, umiejscowienie wywietrznika na dachu, temperatura powietrza zewnętrznego, temperatura w pomieszczeniu, jak również sposób doprowadzenia powietrza do budynku czy pomieszczenia. Częste są również przypadki, gdy wywietrznik jest zabudowany w strefie występujących zawirowań powietrznych, co również powoduje pewne niekorzystne konsekwencje dla ciągu wentylacji grawitacyjnej. Innym, często spotykanym czynnikiem powodującym ograniczenie skuteczności wentylacji naturalnej jest tzw. termomodernizacja budynków, polegająca m.in. na stosowaniu ciepłej, wręcz hermetycznej stolarki okiennej.

Rys. 7. Układy automatycznej kontroli ciągu wentylacyjnego:
a – EOL,  b – Higster,  c – Ellan

Właściwe projektowanie
Tym negatywnym aspektom działania wentylacji naturalnej można oczywiście zaradzić, spełniając wszystkie kryteria dobrego jej doboru i właściwego podejścia do niej już na etapie projektowym. W budynkach poddanych termomodernizacji konieczne będzie zastosowanie nawiewnej kratki wentylacyjnej, ponieważ nawet najlepiej zaprojektowany wywietrznik nie wytworzy, nawet przy optymalnych dla jego pracy warunkach pogodowych, takiego podciśnienia, które wystarczy by przeciągnąć powietrze ze szczelnego pomieszczenia na zewnątrz. Świeże powietrze nie ma bowiem możliwości przedostania się przez szczelną stolarkę, a mikroszczeliny okienne są zazwyczaj niewystarczające.
Wśród dostępnych na rynku wywietrzników grawitacyjnych dostępne są m.in. modele Zefir, Bora, Bryza i Sir firmy Uniwersal (rys. 4). Każdy z nich, odpowiednio użyty, potrafi zapewnić normatyw wentylacyjny w pomieszczeniu, ale nie samodzielnie. Konieczny jest odpowiednio skonstruowany, dobrze zaizolowany i o dużym przekroju kanał wentylacyjny, niskooporowa kratka wentylacyjna zamontowana w pomieszczeniu wentylowanym i właściwie rozwiązany sposób dopływu powietrza zewnętrznego do pomieszczenia.
Instalację taką można łatwo zaplanować na etapie projektowania, kiedy jest jeszcze dostępna przestrzeń i można wyobrazić sobie i wykonać system wentylacyjny tak, by powietrze w nieskrępowany sposób mogło swobodnie przepływać przez mieszkanie czy biuro. Projektant w takim przypadku wybiera system, którego zaletą jest niska cena eksploatacyjna i komfort wynikający z bezgłośnej pracy wentylacji. Musi wziąć jednak pod uwagę, że ilości wywiewanego powietrza będą różne na przestrzeni całego roku. Jest to cecha charakterystyczna wentylacji naturalnej, że jej efektywność mocno zależy od uwarunkowań atmosferycznych. Mogą nawet występować momenty całkowitego bezruchu powierza w kanale wentylacyjnym, gdy temperatura na zewnątrz będzie zbliżona do wewnętrznej a dzień będzie bezwietrzny.

Rys. 8. Wentylatory hybrydowe Schiedel/Fenko: a – Typ SP, b – Typ SH, c – Typ SV

Wentylacja mechaniczna

Jedną z możliwości wyeliminowania wad wentylacji naturalnej jest zastosowanie systemu wentylacji mechanicznej. Ciągła praca wentylatorów pozwala stworzyć właściwe strumienie powietrza w kanałach wentylacyjnych i, jeśli projektant przeliczył dokładnie opory sieci i właściwie dobrał wentylatory, normatywy higieniczne ilości powietrza wywiewanego będą spełnione w sposób trwały. Jednak i to rozwiązanie posiada szereg ograniczeń: pojawia się problem hałasu emitowanego przez wentylatory oraz problem zasilania elektrycznego. Te dwa czynniki zmuszają do stosowania urządzeń nowoczesnych, wyposażonych w energooszczędne silniki, a wentylatory nierzadko muszą być dodatkowo wyposażane w tłumiki akustyczne i to zarówno od strony wlotowej jak i wylotowej. Zaś w przypadku awarii wentylatora następuje zatrzymanie pracy koła wirnikowego i do czasu usunięcia usterki przepływ powietrza jest całkowicie zablokowany. Wirnik wentylatora wraz z całą jego konstrukcją skutecznie zamyka drogę dla ruchu powietrza w kanale wentylacyjnym.

Rys. 9. Wykresy pracy mechanicznej wentylatora hybrydowego Schiedel/Fenko – wydajności wentylatora w zestawieniu z różnymi progami norm higienicznych

Wentylacja hybrydowa

Opisane powyżej problemy eksploatacyjne wymuszają znalezienie rozwiązań alternatywnych, eliminujących wady, a wykorzystujących zalety wentylacji mechanicznej oraz naturalnej. Takim rozwiązaniem jest system wentylacji hybrydowej – mieszanej, gdzie nasada wentylacyjna jest jednocześnie wywietrznikiem grawitacyjnym (kiedy warunki pogodowe temu sprzyjają) lub niskoszumowym wentylatorem mechanicznym, który przejmuje kontrolę nad ciągiem wentylacyjnym w chwili, gdy warunki wymuszające wentylację naturalną są niewystarczające dla uzyskania normatywów higienicznych w pomieszczeniach.

Działanie
System taki działa wykorzystując sił y natury, gdy warunki atmosferyczne są na tyle dobre by zapewnić poprawną jakość powietrza w budynku, lub mechanikę pracy wirnika wentylatora, stwarzającego w tym przypadku warunki podobne do sił natury. Wentylacja hybrydowa działa więc naprzemiennie – w sposób mechaniczny lub naturalny. Pozwala to użytkownikowi wykorzystywać jednocześnie zalety opisanych wcześniej dwóch systemów, minimalizując przy tym koszty oraz uciążliwości wynikające z mechanicznej pracy wentylatora. System taki uzupełniony o układ automatyki sterującej, zupełnie autonomicznie – bez konieczności ingerencji użytkownika – pozwala zapewnić właściwą jakość i ilość powietrza w wentylowanych pomieszczeniach.

Rys. 10. Wentylatory hybrydowe Schiedel/Fenko – Typ SV w wariancie podwójnym na pustaku wentylacyjnym Schiedel

Rozwiązania firmy Uniwersal

Systemy automatycznej kontroli mogą być różne. Mogą bazować na kierunku powietrza w kanale wentylacyjnym, jak to robi system EOL z automatycznym pomiarem prędkości strumienia powietrza, lub mogą być oparte na kontroli poziomu wilgotności względnej w pomieszczeniach, jak ma to miejsce w czujniku Higster, bądź wywiewnej kratce wentylacyjnej Elan (rys. 7).

Rys. 11. Wywietrzniki Schiedel/Bryza wraz z pustakami wentylacyjnymi: a – Typ SH, b – Typ SV

Wentylatory hybrydowe
Wentylatory hybrydowe są urządzeniami energooszczędnymi. Dwubiegowy silnik wentylatora Fenko zużywa odpowiednio 9,5 W lub 6,2 W w zależności od wybranego biegu pracy silnika i zapewnia dla jednego pomieszczenia wydajność na poziomie 180 m3/h lub, na niższym biegu, 120 m3/h. Nawet w przypadku, gdyby wentylator pracował ciągle na wyższym biegu, łączny koszt zużytej energii elektrycznej wyniósłby nieco ponad 30 zł rocznie. Ważną cechą jest również cicha praca urządzenia: 41 dBA na pierwszym biegu lub 33 dBA na drugim biegu (w bezpośredniej bliskości wentylatora), co oznacza, że w pomieszczeniu jest ono praktycznie niesłyszalne.
Model Fenko można również montować na przewodach wentylacyjnych różnej konstrukcji. Istnieją warianty montowane na: kanale tradycyjnym z cegły, pustaku wentylacyjnym typu P, kanałach okrągłych o średnicy 160 mm, dostępne są także adaptacje na dachówkę typ Brass, jak również na szeroko rozpowszechnione bloczki wentylacyjne typu Schiedel, dla których, w zależności od konfiguracji budowlanej, stworzono kilka odmian wentylatora (rys. 8).

Rys. 12. Wizualizacja pracy w tunelu aerodynamicznym przy różnym kącie padania wiatru

Badania wydajności
Na pustakach wentylacyjnych Schiedel przeprowadzono badania skuteczności pracy wentylatora hybrydowego Schiedel/Fenko, traktując wentylator jako urządzenie zwieńczające kanały wentylacji indywidualnej. Badania przeprowadzono dla kanału otwartego nieuzbrojonego kratką wentylacyjną oraz kratki wentylacyjnej Elan dla różnych odległości od wentylatora, symulując tym samym piętro budynku wentylowanego. W każdym przypadku wentylator hybrydowy Schiedel/Fenko pozwala osiągnąć normatyw higieniczny w pomieszczeniu wentylowanym (rys. 9).
Ciekawa z punktu widzenia aerodynamiki jest praca urządzeń wentylacyjnych dostosowanych do pustaka wentylacyjnego typu Schiedel.
W celu jej przebadania wybudowano tunel aerodynamiczny, w którym w centralnym punkcie umieszczono obrotowe okno z przyklejoną do niego połówką badanego urządzenia. W przypadku wywietrznika Schiedel/Bryza przebadano urządzenie wzdłużnie i poprzecznie ze względu na eliptyczny kształt nasady. Badania te były podyktowane sprawdzeniem efektywności konstrukcji oraz były użyteczne w wyciąganiu wniosków celem wprowadzania kolejnych modyfikacji konstrukcyjnych. Identyczne testy przeprowadzono dla wentylatora hybrydowego Schiedel/Fenko symulując wiatr padający na urządzenie pod różnym kątem w stosunku do osi montażowej wywietrznika.
Napływający na konstrukcję wentylatora wiatr powoduje powstanie podciśnienia statycznego w części wlotowej do wywietrznika. Do tego miejsca przymocowany jest kanał wentylacyjny połączony z komorą dymową. Zdjęcia (rys. 12) pokazują wyraźne podsysanie wytwarzanego dymu. W efekcie końcowym uzyskano konstrukcję Bryzy i Fenko wolną od niebezpiecznego efektu zawiewania do środka kanału wentylacyjnego. Pozwala to efektywnie wykorzystywać czynniki atmosferyczne dla zapewnienia poprawnej wentylacji w budynkach.

mgr inż. Krzysztof Nowak
Autor jest członkiem
Polskiego Zrzeszenia Inżynierów
i Techników Sanitarnych