wtorek, grudzień 12, 2017

 Najnowsze wydania

 EKO
Schowek02TRH
I&M 2/2017

PI 7/2017

001 Okladka PI07

001 Okladka IM02 2017

Zmiana wydawcy banner

Przepływ strumieni powietrza a systemy jego dystrybucji

danielak3 2 17Współczesny człowiek prawie 90% swojego czasu spędza w pomieszczeniach zamkniętych. Bardzo ważne jest więc, aby panowały tam zdrowe, komfortowe warunki środowiska wewnętrznego. Jak je zapewnić, jeśli jednocześnie chce się zachować najwyższe wymagania w zakresie energooszczędności budynków?

Po pierwsze: analiza komfortu

danielak1 2 17
2. Systemy przepływu powietrza w pomieszczeniu
Na ogólne odczucie komfortu człowieka przebywającego w pomieszczeniu składają się: komfort cieplny, jakość powietrza wewnętrznego, stopień oświetlenia oraz komfort akustyczny. Warunki panujące wewnątrz pomieszczeń mają wpływ nie tylko na odczucie komfortu, ale m.in. na nasze samopoczucie, zdrowie oraz wydajność pracy. Koszty, będące efektem niewłaściwego mikroklimatu wewnątrz pomieszczeń, ponoszone przez użytkowników, pracodawców (np. mniejsza wydajność pracy), właścicieli lokali, a także całe społeczeństwo (np. koszty opieki medycznej), mogą być dużo większe niż wydatki na energię zużywaną podczas eksploatacji budynku. Jeżeli chodzi o komfort cieplny, to jest to stan równowagi termicznej człowieka z otoczeniem. Stan, w którym nie odczuwa on ani ciepła, ani zimna. Głównymi czynnikami obiektywnie charakteryzującymi komfort termiczny są:

  • temperatura powietrza w pomieszczeniu oraz jej rozkład;
  • temperatura promieniowania oraz jej rozkład;
  • wilgotność względna powietrza;
  • prędkość powietrza.

W celu zachowania odpowiednich warunków wewnętrznych – temperatury oraz jakości powietrza – w pomieszczeniach stosowane są systemy grzewcze, klimatyzacyjne oraz wentylacyjne.

Wybór odpowiedniego rozwiązania grzewczego, wentylacyjnego czy klimatyzacyjnego, oprócz ekonomicznych aspektów, powinien się opierać na analizie komfortu, jaki zostanie wykreowany po zastosowaniu danego systemu. Warto pamiętać, że jakość powietrza jest równie ważna co temperatura wewnątrz pomieszczenia.

danielak 2 17

1. Symulacja rozkładu prędkości powietrza i temperatury w pomieszczeniu z zastosowanym
grzewczo-chłodniczym systemem podpodłogowym

Zła jakość powietrza często powoduje nadmierną wentylację naturalną, np. przez otwieranie okien i przewietrzanie, nawet w okresie, gdy równocześnie działa ogrzewanie. Zwiększony dopływ zimnego powietrza z zewnątrz powoduje obniżenie temperatury w pomieszczeniu, a tym samym dłuższą pracę systemu grzewczego. Ważne jest zatem prawidłowe określenie i utrzymanie warunków wewnątrz pomieszczenia, tak aby osiągnąć oczekiwany efekt pracy instalacji wentylacyjnej, grzewczej czy klimatyzacyjnej i jednocześnie nie powodować nadmiernego zużycia energii przez jej nieefektywne wykorzystanie. W niniejszym artykule skupię się na powietrznych
systemach grzewczych i wentylacyjnych.

Systemy wentylacyjne

W pomieszczeniach, w których przebywają ludzie, powstają różne zanieczyszczenia, w tym zapachy, oraz zyski ciepła i wilgoci. Są one uwalniane do powietrza i rozprowadzane na drodze konwekcji. Usunięcie niepożądanych substancji oraz zysków ciepła i wilgoci jest możliwe za pomocą systemu wentylacji (wymiany powietrza). Zasadniczo istnieją trzy sposoby usuwania zanieczyszczeń z pomieszczenia:

  • rozcieńczanie,
  • strefowanie,
  • wypieranie.

Specjalnym rodzajem odprowadzania zanieczyszczeń jest odgradzanie. Jest ono jednak stosowane głównie w przemyśle i laboratoriach. Trzy wyżej wymienione sposoby usuwania zanieczyszczeń – rozcieńczanie, strefowanie i wypieranie – realizowane są przez różne systemy wentylacyjne.

Wentylacja mieszająca. W przypadku wentylacji mieszającej powietrze wentylacyjne wprowadzane jest do pomieszczenia z dużym impulsem i wysokim współczynnikiem indukcyjności (duża prędkość i turbulencja). Nawiewane powietrze intensywnie miesza się z powietrzem w pomieszczeniu, w wyniku czego zanieczyszczenia są w nim równomiernie rozprowadzane i rozcieńczane. W pomieszczeniu panuje również wyrównana temperatura oraz relatywnie nieduża prędkość powietrza (do ok. 5 1/h).

Wentylacja źródłowa. Przy wentylacji źródłowej powietrze nawiewane jest do pomieszczenia z małym impulsem i słabym efektem indukcyjnym strumienia (mała prędkość, mała turbulencja). Wentylacja źródłowa stosowana jest głównie w instalacjach, których główną funkcją jest klimatyzacja pomieszczenia. Obciążone ciepłem oraz zanieczyszczeniami powietrze miesza się w małym stopniu z powietrzem nawiewanym, a raczej jest przez nie wypierane. Wprowadzane do pomieszczenia powietrze świeże, którego temperatura jest niższa o 2-5 K niż temperatura w pomieszczenia, tworzy stabilną warstwę przypodłogową. U źródeł ciepła powstają konwekcyjne strumienie wznoszące, przez co powstaje pionowy gradient temperatury i stężenia zanieczyszczeń. Z powodu tych pionowych gradientów najbardziej zasadne jest umiejscowienie wywiewu powietrza w górnych częściach pomieszczenia. Uproszczony model zakłada podział pomieszczenia na dwie strefy oddzielone poziomą linią. Jedynie część zwana strefą przebywania ludzi wymaga utrzymywania odpowiedniego poziomu stężenia zanieczyszczeń.

Wentylacja wyporowa. W przypadku wentylacji wyporowej powietrze wprowadzane jest do pomieszczenia wielkopowierzchniowo. Dzięki nawiewowi powietrza wieloma małymi otworami, tworzy się stabilny, laminarny strumień wypierający zużyte powietrze. W pomieszczeniu mamy jednokierunkowy strumień przepływu powietrza.

Wentylacja lokalnie mieszająca. Ten system wentylacyjny bazuje na zasadzie wprowadzania świeżego powietrza w bezpośrednią bliskość osób znajdujących się w pomieszczeniu. Charakterystyczne jest to, że w innych strefach niż strefa przebywania ludzi panują dużo gorsze warunki komfortu, zarówno termiczne, jak i jakości powietrza. System bazuje na nawiewie podłogowym, przez który wprowadzane jest świeże powietrze. W strefie przebywania ludzi tworzy się pionowy gradient temperatury i stężenia zanieczyszczeń. Poza tą strefą panują jednolite warunki.

danielak3 2 17

danielak4 2 17
4a, b. Symulacja CFD przepływu powietrza nawiewanego z fasadowego systemu podłogowego i wizualizacja klasy komfortu termicznego wg [1]: a) – bieg 1, b) – bieg 2

Grzewczo-chłodniczy system podpodłogowy. Dość powszechnym systemem grzewczochłodniczym, jak i wentylacyjnym, jest system podpodłogowy prowadzony wzdłuż fasady. Liniowe urządzenia umiejscowione bezpośrednio przy szklanej fasadzie wykorzystywane są do grzania, chłodzenia i/lub wentylacji. W funkcji chłodzenia strumień powietrza nawiewanego ma bardzo charakterystyczny przebieg. Powietrze tworzy w okolicy urządzenia strumień mieszający. W odległości 0,5-1 m od urządzenia strumień chłodnego powietrza, opadając, stabilizuje swój przebieg i zaczyna przepływać w głąb pomieszczenia, tworząc przepływ podobny do wentylacji źródłowej.

Oczywiście, uzyskanie takiego przepływu jest możliwe po odpowiednim zoptymalizowaniu parametrów pracy urządzenia, czyli temperatury, strumienia powietrza oraz kąta nawiewu. Przykładowo, dla dwóch różnych biegów wentylatora (A – bieg 1, B – bieg 2) tworzą się podobne strumienie, ale o różnym zasięgu. Na rysunku 4 przedstawiono symulację przepływu powietrza nawiewanego za pomocą fasadowego systemu podpodłogowego wykonaną za pomocą narzędzia CFD (patrz ramka).

Komfort termiczny a system wentylacyjny

Temperatura otoczenia, prędkość przepływu powietrza (bezkierunkowa) oraz ich gradienty to jedne z podstawowych czynników środowiska wewnętrznego, które wpływają na odczucie komfortu. W sytuacji równowagi cieplnej, a więc zrównoważenia ilości ciepła powstającego w organizmie (w czasie przemian metabolicznych) z ilością uwalnianej energii do środowiska na drodze promieniowania, konwekcji i przewodzenia, człowiek znajduje się w stanie równowagi termicznej – odczuwa komfort termiczny.

Zarówno pionowy i poziomy rozkład temperatury w pomieszczeniu, jak i prędkość przepływu powietrza silnie zależą od zastosowanego systemu grzewczego, klimatyzacyjnego i wentylacyjnego, choć oczywiście na przepływ powietrza w pomieszczeniu największy wpływ będzie mieć moc grzewcza lub chłodnicza wprowadzana do pomieszczenia, a także jej rodzaj.

W odniesieniu do komfortu termicznego pomieszczeń, w aktualnych przepisach [1], [2] określone są trzy kategorie środowiska (klasy pomieszczeń):

  • kategoria A – pomieszczenia o wymaganiach wysokich;
  • kategoria B – pomieszczenia o wymaganiach średnich;
  • kategoria C – pomieszczenia o wymaganiach umiarkowanych.

danielak5 2 17
4a, b. Symulacja CFD przepływu powietrza nawiewanego z fasadowego systemu podłogowego i wizualizacja klasy komfortu termicznego wg [1]: a) – bieg 1, b) – bieg 2
Projektując system wentylacji oraz dobierając odpowiednią moc grzewczą i chłodniczą urządzeń, zawsze należy zwracać uwagę, czy wybrane rozwiązanie pozwoli nam zapewnić wymaganą temperaturę i odpowiedni jej rozkład w pomieszczeniach. Równie ważna jest prędkość przepływu powietrza w strefie przebywania ludzi (aby nie był przez nich odczuwalny przeciąg). Zalecane wartości temperatury oraz maksymalne wartości w zakresie prędkości przepływu pomieszczenia, adekwatnie do kategorii pomieszczeń, są przedstawione w tabelach 1 i 2.

Co to jest CFD?
CFD (Computational Fluid Dynamics) – to narzędzia numerycznej mechaniki płynów, czyli specjalistyczne symulacje używane do rozwiązywania kompleksowych zagadnień projektowych. Obliczenia CFD mają szczególne zastosowanie w ocenie funkcjonowania budynków i ich wpływu na otoczenie. Główną różnicą między narzędziami CFD a innymi rodzajami symulacji jest możliwość analizy i wizualizacji wyników w każdym punkcie analizowanej przestrzeni. Dzięki temu możliwe jest:
  • szczegółowe określenie przepływu powietrza;
  • szczegółowe określenie rozkładu wartości temperatury;
  • przeprowadzenie analizy zjawisk wentylacji naturalnej, wymiany ciepła na drodze konwekcji, przewodzenia lub promieniowania oraz rozchodzenia się zanieczyszczeń w pomieszczeniu.

Nie zaszkodzi być krytycznym

Zagadnienia komfortu w pomieszczeniach są jednym z najważniejszych kwestii w trakcie projektowania systemów HVAC w pomieszczeniach i budynkach – temat kosztów i energooszczędności powinien być zatem rozważany dopiero po przeprowadzeniu analizy komfortu. Obecnie dostępne narzędzia komputerowe dają projektantom możliwość analizy wszystkich najważniejszych parametrów komfortu w dowolnym punkcie w pomieszczeniu. CFD (Computational Fluid Dynamics) – to narzędzia numerycznej mechaniki płynów, czyli specjalistyczne symulacje używane do rozwiązywania kompleksowych zagadnień projektowych. Obliczenia CFD mają szczególne zastosowanie w ocenie funkcjonowania budynków i ich wpływu na otoczenie. Główną różnicą między narzędziami CFD a innymi rodzajami symulacji jest możliwość analizy i wizualizacji wyników w każdym punkcie analizowanej przestrzeni. Dzięki temu możliwe jest:

  • szczegółowe określenie przepływu powietrza;
  • szczegółowe określenie rozkładu wartości temperatury;
  • przeprowadzenie analizy zjawisk wentylacji naturalnej, wymiany ciepła na drodze konwekcji, przewodzenia lub promieniowania oraz rozchodzenia się zanieczyszczeń w pomieszczeniu.

 Tabela 1. Zalecane wartości temperatury i ich rozkład w pomieszczeniach, [2]
tabela1 2 17

Tabela 2. Dopuszczalne maksymalne prędkości powietrza, [1]
tabelka2 2 17
Analiza CFD jest jednak długotrwała i skomplikowana. Dodatkowo zagadnienia komfortu w pomieszczeniu i związane z tym przepływy strumieni powietrza znajdują się w obszarze niskich wartości liczby Reynolds’a, które dość trudno odzwierciedlić. Dlatego też bardzo ważne jest, aby analizować wyniki CFD uważnie i krytycznie i – jeśli to możliwe – wykonać pomiary rzeczywiste dla wybranego jednego punktu oraz porównać je z wynikami symulacji
(tzw. walidacja wyników).

Literatura:
[1] PN-EN 15251: Kryteria środowiska wewnętrznego, obejmujące warunki cieplne, jakość powietrza wewnętrznego, oświetlenie i hałas.
[2] Directive 2002/91/EC of European Parliament and the Council of 16 December 2002 on the Energy Performance of the Buildings.

 

Autor: Maciej Danielak

homeWyszukiwarka

homeNewsletter

Repowermap

homeTagi

homeReklama

UWAGA! Ten serwis używa cookies i podobnych technologii.

Brak zmiany ustawienia przeglądarki oznacza zgodę na to. Czytaj więcej…

Zrozumiałem