Klimatyzacja. Klimatyzacja Klimatyzacja Klimatyzacja. Rozdział 4 Strumień powietrza nawiewanego. Klimatyzacja Klimatyzacja Klimatyzacja 2010/2011

Transkrypt

1 Klimtyzacja Klimatyzacja Klimatyzacja Klimatyzacja Rozdział 4 Strumień powietrza nawiewanego 2010/2011 mgr inż. Agnieszka Sadłowska-Sałęga

2

3 SPIS TREŚCI Spis treści Strumień powietrza nawiewanego Akty prawne Strumień powietrza nawiewanego Klasyfikacja powietrza wewnętrznego oraz obliczenie wymaganego strumienia powietrza świeżego Obliczenia strumienia ze względu na stężenie CO Obliczenia strumienia ze względu na minimalny wymagany strumień powietrza świeżego Obliczenia strumienia ze względu na zyski ciepła Literatura do rozdziału

4

5 4 STRUMIEŃ POWIETRZA NAWIEWANEGO Wewnątrz pomieszczeń, niezależnie od ich przeznaczenia, wskutek różnego rodzaju procesów powietrze ulega zanieczyszczeniu. Zanieczyszczeniami tymi mogą być aerozole, pyły, a także ciepło i para wodna. Wentylacja pomieszczenia jest to wymiana powietrza w pomieszczeniu lub w jego części mająca na celu usunięcie powietrza zużytego i zanieczyszczonego i wprowadzanie powietrza zewnętrznego. Innymi słowy wentylacja jest procesem zorganizowanej wymiany powietrza w pomieszczeniu w celu jego odświeżenia przy jednoczesnym usunięciu na zewnątrz zanieczyszczeń powstających w pomieszczeniu i przedostających się do powietrza. Najbardziej miarodajnym sposobem obliczenia strumienia powietrza wentylacyjnego jest oparcie się na przyczynach wywołujących zmianę stanu powietrza w pomieszczeniu. 4.1 AKTY PRAWNE Poniżej przedstawiono podstawowe przepisy prawne i normy obowiązujące dotyczące instalacji wentylacji i klimatyzacji. 1) Ustawa: Prawo Budowlane 2) Rozporządzenie Ministra Gospodarki nr 75 z dnia : Warunki techniczne jakim muszą odpowiadać obiekty budowlane rozdział 6 3) Normy: PN 03420: 1978 Wentylacja i klimatyzacja. - Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego (norma archiwalna); PN 03421: 1978 Wentylacja i klimatyzacja. - Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego (norma archiwalna); PN 03430: 1983 (Z3 2000) Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej (norma archiwalna); PN-EN Ventilation for non-residential buildings - Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems (Wentylacja budynków niemieszkalnych - Wymagania dotyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji) ; PN-EN Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics (Parametry projektowe dla środowiska wewnętrznego i ich wpływ na

6 charakterystykę energetyczną budynku w zakresie jakości powietrza, komfortu termicznego, oświetlenia i akustyki) ; PN-EN Ventilation for buildings - Energy performance of buildings - Guidelines for inspection of ventilation systems (Wentylacja budynków - Charakterystyka energetyczna budynków - Wytyczne dotyczące kontroli instalacji wentylacji) ; PN-EN Ventilation for buildings - Energy performance of buildings - Guidelines for inspection of air-conditioning systems (Wentylacja budynków - Charakterystyka energetyczna budynków - Wytyczne dotyczące kontroli instalacji klimatyzacji) ; PN-EN Ventilation for buildings - Calculation methods for energy losses due to ventilation and infiltration in commercial buildings (Wentylacja budynków - Metody obliczania strat energii na skutek wentylacji i infiltracji powietrza w budynkach użyteczności publicznej) ; PN-EN Ventilation for buildings - Calculation methods for the determination of air flow rates in buildings including infiltration (Wentylacja budynków - Metody obliczeniowe do określania strumieni objętości powietrza w budynkach z uwzględnieniem infiltracji) ; 4.2 STRUMIEŃ POWIETRZA NAWIEWANEGO Przyjrzyjmy się najpierw powietrz zewnętrznemu, które w technice klimatyzacyjnej nazywane jest często powietrzem świeżym. Norma PN-EN 13779:2007 Wentylacja budynków niemieszkalnych Wymagane właściwości systemów wentylacji i klimatyzacji podaje trzy klasy powietrza zewnętrznego w zależności od jego czystości (tab. 4.1). Tab.4.1 Klasyfikacja powietrza zewnętrznego wg PN-EN Kategoria ODA 1 (ZEW 1) Powietrze czyste, które może być tylko okresowo zapylone (np. pyłkiem kwiatowym zgodnie z zaleceniami WHO 1999) ODA 2 (ZEW 2) ODA 3 (ZEW 3) Opis Powietrze zewnętrzne o wysokim stężeniu zanieczyszczeń w postaci cząstek stałych oraz gazów Powietrze zewnętrzne o wysokim stężeniu zanieczyszczeń w postaci cząstek stałych oraz gazów (większe niż 1,5 krotne przekroczenie standardów WHO) W tabeli 4.2. zestawiono przykładowe, uśrednione wartości stężeń zanieczyszczeń w powietrzu zewnętrznym. 6

7 Tab.4.2 Przykładowe uśrednione stężenia zanieczyszczeń w powietrzu zewnętrznym Opis lokalizacji Obszar wiejski; bez znaczących źródeł zanieczyszczeń CO 2 [ppm] CO [mg m -3 ] NO 2 [μg m -3 ] Stężenie SO 2 [μg m -3 ] Ogółem PM [mg m -3 ] PM 10 [μg m -3 ] 350 < 1 5 do 35 < 5 < 0,1 < 20 Mniejsze miasta do 3 15 do 40 5 do 15 0,1 do 0,3 10 do 30 Zanieczyszczone centra dużych miast do 6 30 do do 50 0,2 do 1,0 20 do KLASYFIKACJA POWIETRZA WEWNĘTRZNEGO ORAZ OBLI- CZENIE WYMAGANEGO STRUMIENIA POWIETRZA ŚWIEŻEGO Podobnie jak powietrze zewnętrzne powietrze w pomieszczeniu podlega klasyfikacji. Od jago jakości zależy dobre samopoczucie, a nawet zdrowie przebywających w nim osób. Pod koniec lat 70-tych pojawiło się określenie "Zespołu Chorego Budynku" (SBS Sick Buildig Syndrome) zaś w 1987 roku Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) ogłosiła listę dolegliwości z nim związanych: zapalenie śluzówek, przewlekłe zapalenie krtani i oskrzeli, astma, migrena, zaburzenia koncentracji, zawroty głowy, nienaturalne zmęczenie, drażliwość, wysuszanie i zaczerwienienia naskórka. Następstwem przebywania w zanieczyszczonych budynkach mogą być również tzw. choroby związane z budynkiem (BRI Building Related Illness): choroba legionistów (zakażenie bakterią Legionella), gorączka klimatyzacyjna oraz choroby nowotworowe wywoływane długotrwałym oddziaływaniem substancji rakotwórczych takich jak tytoń, azbest czy radon. W przypadku gdy 30% użytkowników określa jakość powietrza w pomieszczeniu jako złą mówimy o chorym budynku. Objawy SBS częściej występują w pomieszczeniach biurowych niż w mieszkaniach i wyraźnie częściej pojawiają się u kobiet niż u mężczyzn. Do przyczyn dolegliwości związanych z SBS zaliczamy: emisję szkodliwych substancji chemicznych, zjawiska radiacyjne, zjawiska elektrostatyczne, czynniki biologiczne: grzyby, pleśnie oraz drobnoustroje, ograniczony strumień powietrza świeżego, wibracje i hałas. 7

8 Parametrem oceny narażenia człowieka na działanie szkodliwych substancji jest ich dawka a nie stężenie lub jego rozkład. Dawkę tę można obliczyć mnożąc stężenie substancji przez współczynnik pochłaniania oraz czas kontaktu. Iloczyn ten nosi nazwę ekspozycji (narażenia) zaś jego jednostką jest [μghm ³]. Aby zmniejszyć ekspozycję należałoby zmniejszyć stężenie substancji szkodliwych lub czas przebywania ludzi w zanieczyszczonym pomieszczeniu. Bardzo często skrócenie czasu przebywania jest niemożliwe (np. biura), należy więc skupić się nad zmniejszeniem stężeń. Można to osiągnąć poprzez redukcję emisji zanieczyszczeń lub doprowadzenie większego strumienia powietrza świeżego (rozcieńczenie zanieczyszczeń). Jakość powietrza ma znaczny wpływ nie tylko na zdrowie ludzi ale również na wydajność ich pracy. Na podstawie dotychczasowych badań można zaobserwować następujące zależności [1]: 1) każde obniżenie o 10% odsetka ludzi niezadowolonych z jakości powietrza (w zakresie 25 70%) powoduje wzrost wydajności pracy o 1,1%; 2) na każdą zmianę jakości powietrza o poziom odpowiadający 1 decypolowi (w zakresie 2 13 decypola) wydajność pracy zmienia się o 0,5%; 3) każde dwukrotne zmniejszenie obciążenia powietrza zanieczyszczeniami odczuwanymi przez ludzi w zakresie 0,3 2 olfm 2 podłogi przy wydatku powietrza równym 10 ls 1 os 1 powoduje wzrost wydajności pracy o 1,6%; 4) każde dwukrotne zwiększenie wydatku wentylacji, tj. strumienia świeżego powietrza nawiewanego do pomieszczeń w zakresie 0,8 5,3 ls 1 1 olf powoduje wzrost wydajności pracy o 1,8%. Rys.4.1. Ryzyko wystąpienia dolegliwości zdrowotnych określanych mianem SBS jako funkcja strumienia powietrza wentylacyjnego [1] Do oceny jakości powietrza odczuwanej przez ludzi wprowadzono dwie jednostki: ofl i pol. 8

9 Olf (łac. olfaktus powonienie) 1 olf jest to ogólna ilość zanieczyszczeń odczuwanych przez ludzi wydzielana przez jedną wzorcową osobę (dorosły w wieku średnim o standardzie higienicznym 0,7 kąpieli na dzień, codziennie zmieniający bieliznę, pracujący w biurze w pozycji siedzącej w warunkach komfortu cieplnego). Pol (łac. poluttio zanieczyszczenie) ze względu na moc źródła w praktyce inżynierskiej nie stosuje się jednostki podstawowej ale jego dziesiątą część decypol. 1 decypol jest to stężenie zanieczyszczeń powietrza wydzielanych przez jedną wzorcową osobę przy wydatku wentylacji 10 ls 1. 1 decypol 1 0,1 olf s l (4.1) Tab Jakość powietrza w decypolach Opis słowny Wartość [decypol] Powietrze zagrażające życiu 100 Powietrze wewnętrzne ze złymi warunkami dla zdrowia 10 Powietrze wewnętrzne ze dobrymi warunkami dla zdrowia 1 Powietrze zewnętrzne miasta 0,1 Powietrze zewnętrzne w górach 0,01 Odsetek osób niezadowolonych z jakości powietrza w funkcji wydatku wentylacji przypadającą na jedną osobę wzorcową wyraża zależność:. 395 exp 183, V PD q 100 % 0, 25 %. dla V. dla V 0, 32 0, 32 gdzie:. V wydatek wentylacji w warunkach ustalonych, przypadający na jedną osobę wzorcową, [1s 1 olf 1 ]; ls ls 1 1 olf olf 1 1 (4.2) natomiast w funkcji decypola: 395 exp PD 100 % 3, 25 C 0, 25 % dla C gdzie: C jakość powietrza odczuwanego przez ludzi, [decypol]. 313, dla C 313, decypol decypol (4.3) 9

10 Rys.4.2. Odsetek osób niezadowolonych z jakości powietrza w funkcji: a) wydatku wentylacji, b) decypola OBLICZENIA STRUMIENIA ZE WZGLĘDU NA STĘŻENIE CO2 Stężenie CO2 precyzyjnym wskaźnikiem zanieczyszczenia powietrza w pomieszczeniach dla przebywania ludzi. Wskaźnik oparty na stężeniu CO2 odpowiada wskaźnikowi minimalnego strumienia powietrza zewnętrznego dla pomieszczeń z zabronionym paleniem, dla małej aktywności (<1,2 met). Głównym producentem dwutlenku węgla w pomieszczeniu są przebywający w nim ludzie (rys.4.3). Rys.4.3.Ilość pobieranego tlenu i generowanego dwutlenku węgla przez osobę dorosłą (ok. 176 cm, 66 kg) 10

11 Rys.4.4.Stężenie dwutlenku węgla w otoczeniu człowieka Niejednokrotnie wentylacja grawitacyjna nie jest w stanie zapewnić odpowiedniego rozcieńczenia zanieczyszczeń gazowych takich jak CO2. Dopiero po wprowadzeniu wentylacji mechanicznej uzyskuje się satysfakcjonujące rezultaty. Rys.4.5.Przykładowe zmiany stężenie CO2 w sali konferencyjnej przy wentylacji grawitacyjnej źródło: Biuletyn informacyjny GAZEX W13,

12 Rys.4.6. Przykładowe zmiany stężenie CO 2 w sali konferencyjnej przy wentylacji mechanicznej źródło: Biuletyn informacyjny GAZEX W13, 1998 W tabeli 4.4 podano klasyfikację powietrza wewnętrznego w zależności od przyrostu stężenie CO 2 powyżej poziomu CO 2 w powietrzu zewnętrznym. Tab.4.4. Przyrost stężenia CO 2 powyżej poziomu CO 2 w powietrzu zewnętrznym [2] Kategorie Przyrost stężenia CO 2 powyżej poziomu CO 2 w powietrzu zewnętrznym [ppm] Typowy zakres Wartość standardowa IDA 1 (WEW 1) IDA 2 (WEW 2) IDA 3 (WEW 3) IDA 4 (WEW 4) > Jeżeli głównym zadaniem wentylacji jest usuwanie zanieczyszczeń w postaci gazów i par strumień objętościowy powietrza wentylacyjnego może być obliczony z zależności: Gz 3 1 V N b [m h ]; (4.4) ( k k ) dop z gdzie: b współczynnik korygujący uwzględniający nierównomierność wydzielania się zanieczyszczeń, [kg h -1 ], G z ogólna ilość wydzielanych zanieczyszczeń w pomieszczeniu, [kg h -1 ], k dop dopuszczalne stężenie zanieczyszczeń w pomieszczeniu, [kg m -3 ], k z stężenie zanieczyszczenia w powietrzu nawiewanym do pomieszczenia, [kg m -3 ]. 12

13 4.3.2 OBLICZENIA STRUMIENIA ZE WZGLĘDU NA MINIMALNY WYMA- GANY STRUMIEŃ POWIETRZA ŚWIEŻEGO W pomieszczeniach, w których głównym źródłem zmiany stanu powietrza są ludzie i nie uwzględniane są zyski ciepła od nasłonecznienia, strumień powietrza wentylacyjnego obliczyć można z następującego wzoru: 3 1 V n [m h ]; (4.5) N V j gdzie: n liczba osób w pomieszczeniu, [-], V j minimalny strumień powietrza świeżego przypadający na jedną osobę, [m 3 h -1 ], współczynnik jednoczesności przebywania ludzi, [-]. Wymaganą minimalną ilość powietrza wentylacyjnego (świeżego) przyjmować można na podstawie następujących norm: 1. PN-83/B-03430/Az:3 2000: a) Jeżeli okna są otwierane (wentylacja): gdy palenie jest niedozwolone pomieszczenia przeznaczone do stałego i czasowego pobytu i ludzi powinny mieć zapewniony dopływ co najmniej 20 m 3 h -1 powietrza zewnętrznego na każdą osobę, przy dozwolonym paleniu tytoniu strumień powietrza powinien wynosić 30 m 3 h -1 dla każdej osoby. b) Jeżeli okna są nie otwierane (klimatyzacja): gdy palenie jest niedozwolone pomieszczenia przeznaczone do stałego i czasowego pobytu i ludzi powinny mieć zapewniony dopływ co najmniej 30 m 3 h -1 powietrza zewnętrznego na osobę; przy dozwolonym paleniu tytoniu strumień powietrza powinien wynosić 50 m 3 h -1 dla każdej osoby. 2. PN-EN 13779: minimalne wymagane strumienie powietrza wentylacyjnego zależne od kategorii pomieszczenia wg tej normy zamieszczone są wraz z klasyfikacją powietrza wewnętrznego w tab

14 Tab.4.5. Minimalny strumień powietrza świeżego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi [2] Kategoria IDA 1 (WEW 1) IDA 2 (WEW 2) IDA 3 (WEW 3) IDA 4 (WEW 4) Jednostka [m 3 h -1 os -1 ] [l s -1 os -1 ] [m 3 h -1 os -1 ] [l s -1 os -1 ] [m 3 h -1 os -1 ] [l s -1 os -1 ] [m 3 h -1 os -1 ] [l s -1 os -1 ] Strumień objętości powietrza zewnętrznego przypadający na osobę Pomieszczenia z zakazem palenia Typowy zakres > 54 > < 22 < 6 Wartość standardowa , Pomieszczenia bez zakazu palenia Typowy zakres > 108 > < 43 < 12 Wartość standardowa PN-EN 15251: minimalne wymagane strumienie powietrza wentylacyjnego zależne od kategorii pomieszczenia wg tej normy zamieszczone są wraz z klasyfikacją powietrza wewnętrznego w tab.4.6 oraz 4.7. Tab.4.6. Minimalny strumień powietrza świeżego przypadający na 1 użytkownika [4] Kategoria komfortu Strumień objętości powietrza zewnętrznego przypadający na osobę [l s -1 ] (m 3 h -1 ) I 10 (36,0) II 7 (25,2) III 4 (14,4) Tab.4.7. Minimalny strumień powietrza świeżego przypadający na m 2 powierzchni [4] Kategoria komfortu Strumień powietrza na m 2 pomieszczenia w zależności od emisyjności zanieczyszczeń przez budynek [l s -1 m -2 ] Bardzo niska emisyjność Niska emisyjność Nie bardzo niska emisyjność I 0,50 1,00 2,00 II 0,35 0,70 1,40 III 0,20 0,40 0,80 14

15 4.3.3 OBLICZENIA STRUMIENIA ZE WZGLĘDU NA ZYSKI CIEPŁA W przypadku, gdy zasadniczym celem wentylacji jest usuwanie zysków ciepła jawnego ilość powietrza wentylacyjnego określa się z zależności: gdzie: j zyski ciepła jawnego w pomieszczeniu, [W] c p ciepło właściwe powietrza, [kj kg -1 K -1 ] gęstość powietrza, [kg m -3 ], t N temperatura powietrza nawiewanego, [C], t U temperatura powietrza usuwanego, [C]. Φ j 1 V [m 3 N s ]; (4.6) ρc t t p U N Dla pełnej klimatyzacji, której zadaniem jest utrzymanie w pomieszczeniu zadanej temperatury i wilgoci względniej, ilość nawiewanego powietrza obliczamy z zależności: gdzie: c całkowite zyski ciepła w pomieszczeniu, [W] h N entalpia właściwa powietrza nawiewanego, [kj kg -1 ], h P entalpia właściwa powietrza w pomieszczeniu, [kj kg -1 ]. Φc 3 1 VN [m s ]; (4.7) h h P N Uwaga! W przypadku klimatyzacji zawsze liczymy strumień powietrza wymagany ze względów higienicznych (z uwzględnieniem ilości osób) oraz strumień wynikający z policzonych zysków ciepła. Następnie do dalszych obliczeń przyjmujemy większy z nich. 15

16 LITERATURA DO ROZDZIAŁU [1] Fanger, Popiołek, Wargocki: Środowisko wewnętrzne. Wpływ na zdrowie, komfort i wydajność pracy. Politechnika Śląska. Gliwice, 2003 [2] PN-EN 13779:2007 Wentylacja budynków niemieszkalnych Wymagane właściwości systemów wentylacji i klimatyzacji [3] PN 03430: 1983 (Z3 2000) Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej [4] PN-EN Parametry projektowe dla środowiska wewnętrznego i ich wpływ na charakterystykę energetyczną budynku w zakresie jakości powietrza, komfortu termicznego, oświetlenia i akustyki ; 16

17 Nazwa pliku: Klimatyzacja, rozdział 4 Katalog: C:\Users\Agatom\Documents Szablon: C:\Users\Agatom\AppData\Roaming\Microsoft\Szablony\Norm al.dotm Tytuł: Klimatyzacja Temat: Materiały pomocnicze do ćwiczeń Autor: mgr inż. Agnieszka Sadłowska-Sałęga Słowa kluczowe: Komentarze: Data utworzenia: :00:00 Numer edycji: 26 Ostatnio zapisany: :01:00 Ostatnio zapisany przez: Agatom Całkowity czas edycji: minut Ostatnio drukowany: :02:00 Po ostatnim całkowitym wydruku Liczba stron: 16 Liczba wyrazów: (około) Liczba znaków: (około)