Współczesny 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
2. Systemy przepływu powietrza w pomieszczeniu |
- 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.
1. Symulacja rozkładu prędkości powietrza i temperatury w pomieszczeniu z zastosowanym |
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.
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.
4a, b. Symulacja CFD przepływu powietrza nawiewanego z fasadowego systemu podłogowego i wizualizacja klasy komfortu termicznego wg [1]: a) – bieg 1, b) – bieg 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:
|
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] |
Tabela 2. Dopuszczalne maksymalne prędkości powietrza, [1] |
(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