WENTYLACJA I KLIMATYZACJA

Transkrypt

1 WENTYLACJA I KLIMATYZACJA materiały dla studentów mgr inż. Bartosz Gil

2 I. Powietrze wilgotne podstawowe wiadomości Powietrze wilgotne jest jednorodną mieszaniną powietrza suchego oraz zawartej w nim wody, która może znajdować się w stanie gazowym, ciekłym lub stałym. W technice klimatyzacyjnej zarówno powietrze suche jak i para wodna w nim zawarta mogą być traktowane jako gazy doskonałe ze względu na wartość ciśnienia roboczego, niewiele różniącą się od ciśnienia barometrycznego, gdyż uzyskiwana dokładność jest wystarczająca w większości przypadków. Należy jednak pamiętać, iż gazy rzeczywiste nie spełniają całkiem dokładnie praw gazu doskonałego, szczególnie przy wyższych ciśnieniach. 1. Wartości standardowe Wartości standardowe według Chartered Insitution of Building Services Engineers (CIBSE): a) Gęstość powietrza suchego: (gdy i ); b) Gęstość wody: (gdy ) i (gdy ); c) Ciśnienie barometryczne:. 2. Prawo Boyle a Prawo to głosi, że dla gazów doskonałych iloczyn ciśnienia bezwzględnego p i objętości V ma wartość stałą (przy zadanej temperaturze). (I.1) Interpretacją graficzną brawa Boyle a na wykresie p V jest rodzina hiperbol równobocznych. 3. Prawo ciśnień cząstkowych Daltona Rys. 1. Interpretacja graficzna prawa Daltona dla mieszaniny powietrza suchego i pary wodnej. 1

3 Prawo to głosi, że jeżeli mieszanina gazów zajmuje daną objętość w danej temperaturze, to całkowite ciśnienie wywierane przez mieszaninę równa się sumie ciśnień cząstkowych składników mieszaniny (przy odniesieniu ich do tej samej objętości i temperatury). (I.2) gdzie: p ciśnienie w mieszaninie k-składnikowej w objętości V i temperaturze T; p i ciśnienie cząstkowe składnika i w objętości V i temperaturze T. 4. Równanie stanu gazu doskonałego Termiczne równanie stanu substancji jest podstawowym równaniem w termodynamice i zgodnie z zerowa zasadą termodynamiki opisuje zależność pomiędzy temperaturą, ciśnieniem i objętością właściwą. Równaniem uniwersalnym zarówno w stosunku do rodzaju gazu jak i zakresu zmienności parametrów, ale mniej dokładne i przydatne do rozważań teoretycznych jakościowych i obliczeń ilościowych jest równanie Clapeyrona. Dotyczy ono wprawdzie gazów doskonałych i półdoskonałych, ale przy niskim ciśnieniu i temperaturze znacznie wyższej niż temperatura nasycenia może być stosowane do gazów rzeczywistych. (I.3) gdzie: p ciśnienie bezwzględne, Pa; v objętość właściwa, m 3 /kg; R indywidualna stała gazowa, J/(kg K); T temperatura bezwzględna, K. Indywidualna stała gazowa dla gazu doskonałego może być wyliczona z równania (I.4) gdzie: R 0 uniwersalna stała gazowa, równa 8314,44 J/(kmol K); M masa molowa gazu, kg/kmol. W przypadku roztworów gazów indywidualną stałą gazową można wyznaczyć z zależności (I.5) gdzie: z i udział molowy i-tego składnika w roztworze. 2

4 5. Ciśnienie nasycenia pary wodnej Ciśnienie (prężność) pary nasyconej ciśnienie przy danej temperaturze, dla którego uzyskuje się równowagę stanu gazowego i cieczy. Występuje więc równowaga pomiędzy procesami parowania i skraplania. Parowanie wody uzależnione jest od dwóch warunków: a) do wody doprowadzana jest energia cieplna energia kinetyczna pojedynczej cząsteczki cieczy jest mniejsza niż cząsteczki gazu, stąd też energia cieplna dostarczana z zewnątrz jest niezbędna do przejścia cząsteczek materii ze stanu ciekłego do gazowego (zrównanie poziomów energetycznych); b) ciśnienie pary wodnej w warstwie granicznej jest wyższe od ciśnienia pary wodnej w otoczeniu. Interpretacja graficzna: Ciśnienie nasycenia p n osiąga się, gdy liczba cząsteczek wychodzących z powierzchni wody jest równa liczbie cząsteczek przechwyconych przez tę powierzchnię (podobne zjawisko można zaobserwować nad powierzchnią lodu). Ciśnienie nasycenia zależy od temperatury. Dla równowagi fazowej woda para zależność tę przedstawia krzywa ciśnienia pary, natomiast dla równowagi fazowej lód para krzywa ciśnienia sublimacji. Modele obliczeniowe: a) krzywa ciśnienia pary: wg [1] (I.6) wg [2] (I.7) b) krzywa ciśnienia sublimacji: wg [1] wg [2] (I.8) (I.9) 3

5 6. Ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu wilgotnym Ciśnienie cząstkowe (parcjalne) ciśnienie, jakie wywierałby dany składnik mieszaniny, gdyby w danej temperaturze sam zajmował całą objętość naczynia. [ ] [ ] [ ] (I.10) suchego. 7. Zawartość wilgoci i opis stanu nasycenia powietrza wilgotnego Zawartość wilgoci masa pary wodnej, w kilogramach, znajdująca się w 1 kg powietrza (I.11) Korzystając z równania stanu gazu doskonałego (osobno dla każdego ze składników) oraz prawa Daltona uzyskuje się (I.12) Stosunek R p do R w nazywa się względną gęstością pary wodnej w odniesieniu do powietrza suchego i wynosi 0,622. Finalnie (zgodnie z prawem Daltona) uzyskuje się (I.13) i po przekształceniu względem ciśnienia cząstkowego (I.14) Należy podkreślić, iż pomimo niezależności ciśnienia nasycenia pary wodnej p n od ciśnienia barometrycznego, zawartość wilgoci x w powietrzu nasyconym jest od niego zależna. 8. Wilgotność względna powietrza Wilgotnością względną powietrza nazywamy stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej w powietrzu wilgotnym o danej temperaturze t do ciśnienia nasycenia pary wodnej w tej samej temperaturze. (I.15) 4

6 Korzystając z równania stanu gazu doskonałego powyższe równanie można przedstawić również wykorzystując gęstości. (I.16) Ciśnienie pary nie może przekraczać ciśnienia nasycenia, stąd zakres wilgotności względnej wynosi 0 1 (0-100%). 9. Entalpia powietrza wilgotnego Entalpia wielkość fizyczna będąca funkcją stanu o wymiarze energii, definiowana z zależności (I.17) Nie jest możliwe podanie wartości bezwzględnej entalpii, ponieważ nie jest możliwe określenie wartości energii wewnętrznej gazu. W przypadku układów klimatyzacyjnych stosuje się różnice entalpii, które mogą być wyznaczone, jeśli ustali się poziom odniesienia entalpii. Można więc powiedzieć, że w psychrometrii mamy do czynienia z entalpią względną, zdefiniowaną równaniem (I.18) gdzie: i p entalpia powietrza suchego; i w entalpia pary wodnej; x zawartość wilgoci. Jako temperaturę odniesienia do określenia entalpii zerowej zarówno powietrza suchego jak i pary wodnej przyjęto temperaturę 0 C. Przybliżone równania entalpii powietrza suchego i pary wodnej, w zakresie temperatury 0 60 C (I.19) (I.20) 5

7 II. Procesy uzdatniania powietrza wilgotnego 1. Mieszanie Na rys. 2 przedstawiono mieszanie dwóch strumieni powietrza wilgotnego, których parametry określają punkty (1) i (2). Równanie bilansowe procesu zgodnie z zasadą zachowania masy: a) Powietrze suche b) Para wodna (II.1) Po podstawieniu (II.1) do (II.2) uzyskuje się (II.2) (II.3) Podobnie stosując zasadę zachowania energii można wyprowadzić wzór (II.4) Rys. 2. Proces adiabatycznego mieszania dwóch strumieni powietrza wilgotnego; punkt mieszania w obszarze powietrza nienasyconego (po lewej) i w obszarze mgły (po prawej). Graficznie punkt charakteryzujący powietrze zmieszane (M) leży na prostej łączącej punkty (1) i (2), a położenie punktu jest takie, że odcinek jest podzielony 6

8 odwrotnie proporcjonalnie do stosunku masy powietrza suchego składowych strumieni powietrza. Uwaga: Możliwym jest takie zmieszanie dwóch strumieni powietrza wilgotnego, w wyniku którego nastąpi osuszenie powietrza (wykroplenie się wilgoci). Ma to miejsce, gdy punkt mieszania wypada w obszarze mgły. 2. Ogrzewanie Podczas procesu nagrzewania powietrza w nagrzewnicy zawartość wilgoci w powietrzu nie ulega zmianie (x=const). Następuje jedynie wymiana ciepła jawnego. Jedynym wymaganiem koniecznym do realizacji procesu wymiany ciepła jest to, aby temperatura powierzchni nagrzewnicy była wyższa od końcowej temperatury powietrza. Rys. 3. Proces ogrzewania powietrza w nagrzewnicy. Tab.1. Zestawienie zmian parametrów powietrza wilgotnego podczas jego ogrzewania. Parametr Oznaczenie Zmiana Temperatura (wg termometru suchego) t s wzrasta Temperatura (wg termometru mokrego) t m wzrasta Temperatura punktu rosy t R const Entalpia i, h wzrasta Objętość właściwa v wzrasta Wilgotność względna φ maleje Zawartość wilgoci x const Ciśnienie cząstkowe pary wodnej p w const 7

9 Ze względu na wymianę jedynie ciepła jawnego podczas procesu nagrzewania powietrza możliwym jest zapisanie mocy urządzenia w dwóch formach: lub (II.5) (II.6) gdzie: m strumień masowy powietrza wilgotnego; c p średnie ciepło właściwe powietrza. 3. Chłodzenie a) z wykraplaniem wilgoci Proces ten może zostać zrealizowany w chłodnicach przeponowych lub chłodnicach o tzw. mokrej powierzchni chłodzącej. W urządzeniach tych temperatura ścianki chłodnicy jest niższa niż temperatura punktu rosy, na skutek czego podczas kontaktu strumienia powietrza wilgotnego z powierzchnią roboczą chłodnicy następuje wykraplanie wilgoci (osuszanie strumienia powietrza wilgotnego). Rys. 4. Ochładzanie powietrza z wykraplaniem wilgoci; przybliżony przebieg procesu (po lewej) oraz graficzne odwzorowanie parametrów BF i CF (po prawej). Niskie temperatury powierzchni chłodnicy mogą być uzyskiwane za pomocą wody chłodzącej o niskiej temperaturze (6 C/12 C) lub poprzez bezpośrednie odparowanie czynnika chłodniczego. Przy bezpośrednim odparowaniu czynnika chłodniczego można założyć, że temperatura ścianki jest o ok. 2K wyższa od temperatury parowania. Analizując powyższy proces można powiedzieć, że jedynie część strumienia powietrza przepływającego przez 8

10 chłodnicę ma bezpośredni kontakt ze ściankami, a co za tym idzie osiąga stan nasycenia. Pozostała część przepływa przez chłodnicę bez zmiany stanu. Możliwym jest więc opisanie procesu chłodzenia powietrza z wykraplaniem wilgoci jako mieszania się dwóch strumieni: powietrza pierwotnego (o stanie 1) i powietrza nasyconego (2). Linia łącząca oba punkty zwana jest krzywą chłodzenia. Linia prosta stanowi jednak daleko idące uproszczenie i nie oddaje rzeczywistego procesu zmian stanu powietrza wilgotnego. Współczynnik kontaktu (CF) - stosunek masy powietrza mającej kontakt z powierzchnią roboczą chłodnicy do całkowitej masy przepływającego powietrza. (II.7) Współczynnik obejścia (BF) stosunek masy powietrza przepływającej bez kontaktu ze ściankami chłodnicy do całkowitej masy przepływającego powietrza. (II.8) Ze względu na wymianę ciepła utajonego moc chłodnicy z wykraplaniem wilgoci można wyrazić jedynie jako strumień ciepła całkowitego. (II.9) b) bez wykraplania wilgoci Przy temperaturze ścianki wymiennika powyżej temperatury punktu rosy przemiana chłodzenia następuje po linii stałej zawartości wilgoci x=idem. Spadkowi temperatury powietrza towarzyszy zwiększanie wilgotności względnej i zmniejszanie się entalpii powietrza. Ponieważ podczas procesu zachodzi wymiana jedynie ciepła jawnego możliwym jest obliczenie wydajności chłodniczej wymiennika zarówno ze wzoru (II.9) jak i wzoru poniższego. (II.10) 9

11 Rys. 5. Ochładzanie powietrza bez wykraplania wilgoci. 4. Procesy zachodzące w komorze zraszania zmiany stanu powietrza przy jego kontakcie z wodą Podczas bezpośredniego kontaktu powietrza i wody zachodzą procesy wymiany ciepła i masy (wilgoci). Ich motorem napędowym jest istnienie różnicy temperatury i ciśnienia cząstkowego pary w warstwie granicznej. Przebieg procesu wymiany ciepła i masy zależny jest od różnicy temperatury pomiędzy wodą i powietrzem, i można go podzielić na 4 obszary: Rys. 6. Zakres możliwych przemian stanu powietrza przy bezpośrednim kontakcie z wodą o różnej temperaturze (Pełech A., Podstawy, Oficyna Wyd. PWr, Wrocław 2008). Obszar I nawilżanie i ogrzewanie powietrza proces charakteryzuje się jednoczesnym wzrostem temperatury, zawartości wilgoci i entalpii powietrza. Warunkiem jego 10

12 przeprowadzenia jest utrzymywanie temperatury wody wyższej niż temperatura powietrza (t w>t sa). Obszar II nawilżanie i schładzanie powietrza z jednoczesnym wzrostem entalpii proces realizowany jest, gdy temperatura wody jest niższa od temperatury powietrza, ale wyższa niż temperatura termometru mokrego (t sa>t w>t ma). Energia potrzebna do zmiany stanu skupienia wody pobierana jest częściowo z powietrza, co skutkuje obniżeniem jego temperatury (na drodze wymiany ciepła jawnego). Jednocześnie do powietrza doprowadzana jest pewna masa pary wodnej z jej ciepłem parowania, co powoduje wzrost entalpii powietrza wilgotnego. Obszar III nawilżanie i schładzanie powietrza ze spadkiem entalpii w zakresie temperatury wody poniżej temperatury termometru mokrego, lecz powyżej temperatury punktu rosy (t ma>t w>t ra), powietrze wilgotne podczas kontaktu z wodą nawilżeniu z jednoczesnym spadkiem temperatury i entalpii. Wymiana ciepła jawnego powoduje spadek temperatury powietrza, a wymiana ciepła utajonego (wilgoci) jest niewystarczająca do skompensowania tej straty, przez co zmniejsza się entalpia. Obszar IV osuszanie i schładzanie powietrza temperatura wody niższa niż temperatura punktu rosy (t w<t ra) powoduje wykraplanie pary wodnej z powietrza na powierzchni wody. Zarówno wymiana ciepła jawnego jak i utajonego przebiega w kierunku od powietrza do wody, na skutek czego zmniejsza się temperatura, zawartość wilgoci i entalpia powietrza. 5. Nawilżanie parowe Jeżeli do powietrza o masie m p i początkowej zawartości wilgoci x p oraz entalpii i p doprowadzana jest masa pary wodnej m 0 o temperaturze t 0, to równania bilansu masy i energii można zapisać następująco Zawartość wilgoci i entalpii w stanie końcowym wyniosą odpowiednio (II.11) (II.12) (II.13) (II.14) W przypadku, gdy para jest sucha i nasycona, proces nawilżania parowego przebiega wzdłuż kierunku przemiany 11

13 (II.15) Entalpia pary wodnej o temperaturze t 0 możliwa jest do wyznaczenia ze wzoru (I.20). Podczas procesu następuje niewielki wzrost temperatury pomijany dla obliczeń inżynierskich. Rys. 7. Proces nawilżania powietrza parą suchą nasyconą. W przypadku nawilżania powietrza parą przegrzaną uzyskuje się jednoczesne ogrzewanie powietrza. Temperaturę końcową procesu można wyznaczyć ze wzoru (II.16) 12

14 III. Bilansowanie układów klimatyzacyjnych i wentylacyjnych I. Dobór obliczeniowych parametrów wewnętrznych. Temperatura powietrza wewnątrz pomieszczenia: a) Powinna się zawierać w przedziale 17 C < t w < 26 C wartości graniczne b) Wartości niższe niż 20 C mogą powodować brak komfortu cieplnego, gdy ψ = 5 20 h -1 c) PN 78/B 03421: t w = C (okres letni, pobyt stały) i C (okres zimowy) d) PN 78/B 03421: duża prędkość powietrza» t w wyższe o 1 2K ze względu na odczuwanie chłodu spowodowane przepływem powietrza e) Gradient temperatury pomierzy podłogą i poziomem głowy nie może przekraczać 3K. f) Dla warunków tropikalnych: t w = t z (5 20)K i zazwyczaj powyżej 25 C (wyjątek: pobyt stały) g) Pobyt krótkotrwały: Recknagel zaleca: t w = (t z + 20)/2 Wilgotność powietrza w pomieszczeniu: Inne: a) φ = 30 60% b) φ < 35% - wysuszenie sprzętów, mebli, wykładzin, unoszenie pyłów, co prowadzi do podrażnień dróg oddechowych, ładowanie elektrostatyczne tworzyw sztucznych, wysuszenie błon śluzowych górnych dróg oddechowych c) φ > 70% - wykraplanie się pary wodnej na zimnych przegrodach, wydzielanie zapachów przez materiały organiczne (pleśń, gnicie), bardziej odczuwalne zapachy [Jones]. d) φ powinno maleć wraz ze wzrostem t w ze względu na możliwość realizacji procesu odparowania wilgoci ze skóry a) Prędkość powietrza powinna wzrastać wraz z t w v = 0,03 0,12 m/s (t w = 21 C), v = 0,18 0,41 m/s (t w > 21 C) [Steimle, Kurs klimatyzacji] b) PN 78/B 03421: v = 0,3 m/s (okres letni) c) Ilość powietrza świeżego przypadającego na jedną osobę: zalecana v z1 = 36 m 3 /h os, minimalna, gdy zakaz palenia v z1 = 20 m 3 /h os, minimalna, gdy wolno palić v z1 = 30 m 3 /h os d) W przypadku systemów wentylacja + klimatyzacja zaleca się zmniejszenie strumieni v z1, gdy t z < 0 C i t z >26 C II. Przenikanie ciepła przez przegrody przezroczyste (okna). 1. Ustalić wysokość wzniesienia Słońca h i azymut słońca a o [tab Pełech]. 2. Wyznaczyć natężenie bezpośredniego promieniowania słonecznego I b na płaszczyznę prostopadłą do promieni słonecznych dla danego azymutu a o. 13

15 mgr inż. Bartosz Gil (III.1) (A = 1085 W/m 2 ; B = 0,207) [tab. 7.3 Jones] 3. Określić azymut słoneczny ściany a w [tab Pełech]. 4. Obliczyć składową bezpośredniego promieniowania słonecznego I δ, które pada na płaszczyznę okna. gdy płaszczyzna pionowa gdy płaszczyzna pozioma (III.2) 5. Wyznaczyć współczynniki przepuszczalności oszklenia w zależności od azymutu słonecznego ściany [tab. 7.5 Jones] (P b = 0,87, P r = 0,79). 6. Ustalić wymiary zacienienia okna wskutek jego cofnięcia względem elewacji. Zgodnie z rysunkiem powyższym. Kąt padania w płaszczyźnie poziomej - Przegroda nasłoneczniona, gdy Pionowa długość cienia - Pozioma długość cienia - (III.3) (III.4) 7. Wyznaczyć nasłonecznioną powierzchnię okna A n. 8. Ustalić wartość natężenia rozproszonego dla wzniesienia Słońca h i miesiąca obliczeniowego [tab. 7.7 Jones] 9. Wyznaczyć chwilowe zyski ciepła przez okno na drodze promieniowania. (III.5) 10. Wyznaczyć zyski ciepła przez okno na drodze konwekcji i całkowite zyski ciepła. (III.6) (III.7) III. Zyski ciepła przez przegrody nieprzezroczyste. Zyski ciepła przez przegrody budowlane są sumą względnie ustalonego przepływu ciepła na drodze przenikania, wymuszonego różnicą temperatur po obu stronach przegrody oraz zysków nieustalonych wynikających z promieniowania słonecznego. Zagadnienie komplikuje dodatkowo określona pojemność cieplna przegrody, w wyniku czego ciepło jest akumulowane i oddawane w czasie. Wersja uproszczona (inżynierska) - zakłada wykorzystanie wzoru jak dla przegrody płaskiej (jednowymiarowy, ustalony przepływ ciepła): 14

16 (III.8) Metoda obliczeniowa wg wzorów Mackeya-Wrighta zakłada wykorzystanie temperatury słonecznej. Stosowana dla stałej temperatury powietrza w pomieszczeniu. Słoneczna temperatura powietrza hipotetyczna temperatura powietrza zewnętrznego, przy której ciepło przejmowane przez zacienioną powierzchnię przegrody zewnętrznej jest równe ciepłu przejmowanego przez przegrodę przy danej temperaturze powietrza zewnętrznego z jednoczesnym wydzielaniem się na tej powierzchni ciepła promieniowania słonecznego. Inaczej jest to temperatura powietrza zewnętrznego, która da taki sam strumień ciepła napływający na przegrodę, jaki daje w rzeczywistości połączenie danej różnicy temperatur i wymiany ciepła przez promieniowanie. (III.9) E współczynnik absorpcji promieniowania przez powierzchnię przegrody [tab. 3.7 Pełech] (E = 0,7) α z współczynnik przejmowania ciepła po zewnętrznej stronie przegrody; α z = 22,7 W/m 2 K [ ] (III.10) t m średnia dobowa temperatura słoneczna [tab. 7.8 Jones] (uśredniono dla ścian S i W - t m = 29,1 C) v współczynnik zmniejszenia amplitudy zależny od grubości i materiału przegrody [rys Jones] (v = 0,2, Δτ = 10 h t z = 18 C (godz. 5.00) [tab. 3.3 Pełech]) Akumulacja ciepła w przegrodzie. Wg VDI 2078 przegrody budowlane dzieli się na 4 kategorie w zależności od akumulacji ciepła: 1. Typ I (bardzo lekki) względna masa budowli m < 150 kg/m 2 2. Typ II (lekki ) - m = kg/m 2 3. Typ III (średni ) - m = kg/m 2 4. Typ II (ciężki ) - m >500 kg/m 2 Wartość m oblicza się następująco (III.11) A i powierzchnia i-tej przegrody [m 2 ] m 1i jednostkowa masa i-tej przegrody [kg/m 2 ] A p powierzchnia podłogi [m 2 ] 15

17 IV. Zyski ciepła od ludzi. Organizm człowieka wydziela ciepło jawne i wilgoć w zależności od temperatury powietrza i intensywności wykonywanej pracy. Zyski ciepła całkowitego zależą od liczby osób n przebywających w pomieszczeniu i intensywności ich pracy, natomiast są niezależne od temperatury panującej w pomieszczeniu (w zakresie temperatur t w dla klimatyzacji w okresie letnim). (III.12) q c ciepło całkowite wydzielane przez jedną osobę [W] [tab Pełech, tab Jones] (q c = 193 W) φ współczynnik jednoczesności przebywania ludzi [tab Pełech] (φ = 0,9 1) Problem inżynierski stanowi przyjęcie gęstości zaludnienia pomieszczeń. Normatywne zagęszczenie budynku biurowego wynosi ~9 m 2 /os. Najmniejsze zagęszczenie dotyczy pomieszczeń kierowniczych (20 m 2 /os.), a największe pomieszczeń biurowych ogólnodostępnych (6 m 2 /os.). Dla sal koncertowych, kin, teatrów zagęszczenie może być bardzo duże - orientacyjnie można przyjmować wartość 0,5 m 2 /os. V. Zyski ciepła od powietrza wentylującego. 1. Strumień powietrza wentylującego niezbędny do ograniczenia stężenia substancji gazowej zanieczyszczającej powietrze. (III.13) k s emisja substancji zanieczyszczającej [kg/s] s 2 -s 1 masa zanieczyszczenia, jaką asymiluje metr sześcienny powietrza wentylującego [kg/m 3 ] 2. Strumień powietrza wentylującego zapewniający ograniczenie zawartości wilgoci w powietrzu w pomieszczeniu. Obliczany, gdy podstawowym źródłem zmieniającym stan powietrza jest para wodna. (III.14) k s emisja pary wodnej w pomieszczeniu [kg/s] x w, x n zawartość wilgoci w powietrzu wywiewanym i nawiewanym [kg/kg p.s. ] ρ gęstość powietrza [kg/m 3 ] 16

18 3. Strumień powietrza wentylującego na podstawie bilansu ciepła jawnego. Obliczany, gdy wentylacja ma za zadanie utrzymać zarówno czystość powietrza w pomieszczeniu jak i jego temperaturę w strefie przebywania ludzi poniżej wartości granicznej t max. (III.15) 4. Strumień powietrza wentylującego na podstawie bilansu ciepła całkowitego. Przy projektowaniu systemów wentylacji zapewniających pełną klimatyzację (utrzymywanie założonej temperatury i wilgotności względnej powietrza) niezależnie od warunków zewnętrznych i panujących w pomieszczeniu, strumień powietrza wentylującego określa się wykorzystując zyski ciepła całkowitego. (III.16) Entalpię powietrza wywiewanego i nawiewanego należy odczytać z wykresu i-x. Rys. 8. Wyznaczenie entalpii powietrza nawiewanego i wywiewanego na wykresie i-x. Na wykres nanosimy punkt odpowiadający stanowi powietrza w pomieszczeniu P. Przez punkt przeprowadzamy linię przemiany kątowej powietrza ε oc [kj/kg] (III.17) Przecięcie linii przemiany z izotermą powietrza nawiewanego wyznaczy stan powietrza nawiewanego N (w tym entalpię i n ). Entalpię powietrza wywiewanego i w wyznaczamy przyjmując założenie P=W d (gdy otwory wywiewne w strefie przebywania ludzi). Jeżeli 17

19 otwory wywiewne zlokalizowane są w stropie dodatkowo uwzględnia się przyrost temperatury powietrza nad strefą pracy ϴ = 2 6K (punkt W g ). 5. Strumień powietrza wentylującego na podstawie krotności wymian powietrza w pomieszczeniu. Dla pomieszczeń o różnym przeznaczeniu, na podstawie znanych i sprawdzonych rozwiązań określono strumień powietrza wentylującego, który daje dobry skutek wentylacyjny. Korzystanie z tej metody wymaga ostrożności, ponieważ nie zawsze te same pomieszczenia mają jednakowe zyski ciepła. (III.18) ψ krotność wymian powietrza w pomieszczeniu [h -1 ] [tab. 3.2 Pełech] W niektórych przypadkach zalecane wartości krotności powietrza wynikające z nawiewu są większe lub mniejsze od tego samego wskaźnika dla wywiewu powietrza (utrzymywanie nad-, lub podciśnienia w pomieszczeniu). 6. Strumień powietrza wentylującego na podstawie ilości powietrza świeżego przypadającego na jedną osobę w pomieszczeniu. W pomieszczeniach, w których głównym źródłem zanieczyszczeń są ludzie wentylacja ma za zadanie nie tylko ograniczenie wzrostu temperatury powietrza, lecz także niedopuszczenie do nadmiernego wzrostu wilgoci. W tym przypadku oblicza się strumień powietrza wentylującego przyjmując strumień ciepła powietrza niezbędny do usunięcia ciepła jawnego, pary wodnej i innych produktów przemiany materii emitowanych przez osobę. Jeżeli w pomieszczeniu wentylowanym za pomocą urządzenia wentylującego, bez chłodzenia powietrza nawiewanego, przewiduje się stały pobyt ludzi, a pozostałe zyski ciepła jawnego wynoszą Q zj, to strumień powietrza wentylującego oblicza się następująco (III.19) VI. Wyznaczenie punktu nawiewu powietrza N. Wyboru parametrów powietrza nawiewanego należy dokonać na podstawie czterech zasad: 1. Ograniczenie ilości powietrza nawiewanego. Temperatura powietrza nawiewanego powinna być możliwe najniższa, ale nieutrudniająca rozdziału powietrza w pomieszczeniu. W praktyce oznacza to, iż temperatura powietrza nawiewanego może być o ~11K niższa od temperatury t w. 18

20 2. Wybór urządzenia chłodniczego. Efektywność urządzenia chłodniczego jest wyrażana współczynnikiem kontaktu, zależnym od ilości rzędów rur w chłodnicy. W praktyce współczynnik ten wynosi 0,8 0,95 i wzrasta wraz z ilością rzędów rur chłodnicy. 3. Moc wentylatora i zyski ciepła w przewodach. Temperatura powietrza wzrasta na skutek przepływu przez wentylator i przewody. Z tego względu temperatura powietrza nawiewanego jest wyższa od temperatury powietrza za chłodnicą. Trudno jest podać typowe wartości przyrostu temperatury w przewodach, niemniej jednak można mówić o kilkustopniowym jej wzroście. Przyrost temperatury związany w pracą wentylatora można przyjmować równy 1 K/1000 Pa sprężu. 4. Temperatura wody lodowej. Praca urządzenia chłodniczego uzależniona jest głównie od temperatury wody lodowej (oczywiście, gdy woda lodowa stanowi medium chłodzące). Temperatura powierzchni wody będzie równa temperaturze punktu rosy. Temperatura wody lodowej wzrasta w miarę przepływu, zatem jej temperatura musi być niższa od temperatury powierzchni rur. Temperatura wody lodowej wynosi 5 10 C, zatem najniższa temperatura powietrza na wyjściu z chłodnicy (wg termometru suchego) wynosi C. Algorytm doboru punktu N. 1. Znając stan zaludnienia pomieszczenia klimatyzowanego obliczyć minimalny strumień powietrza zewnętrznego. 2. Z wykresu psychrometrycznego odczytuje się położenie letnich punktów obliczeniowych dla warunków zewnętrznych Z i pomieszczenia P. 3. Znając zyski ciepła jawnego i utajonego w tym pomieszczeniu, oblicza się współczynnik kierunkowy przemiany dla okresu letniego. 4. Znając nachylenie kątowe przemiany przenosi się ją równolegle tak, aby przechodziła przez punkt P. 5. Oblicza się przewidywany przyrost temperatury powietrza wywołany pracą wentylatora wywiewnego, opraw wentylowanych, itp., a następnie określa się położenie punktu P i łączy się do z punktem Z. 6. Szacuje się przyrost temperatury na wentylatorze nawiewnym i w przewodach oraz zaznacza realne położenie punktu N na krzywej charakterystyki przemiany kątowej. Dowolność wyboru punktu jest uzależniona od doświadczenia, ale można przyjąć, że będzie ona niższa o minimum 8K od temperatury powietrza w pomieszczeniu. 7. Oblicza się ilość powietrza nawiewanego. 8. Określa się proporcję między strumieniami powietrza świeżego i obiegowego oraz zaznacza punkt mieszania M na odcinku Z P. 9. Biorą pod uwagę moc wentylatora nawiewanego oraz zyski ciepła w przewodach określić położenie punktu C, dla którego x C = x N. 19

21 10. Łączy się linią prostą punkty M i C przedłużając ją do linii nasycenia celem wyznaczenia temperatury punktu rosy i powierzchni wody w chłodnicy (punkt S). 11. Oblicza się współczynnik kontaktu chłodnicy. 12. Jeżeli współczynnik kontaktu dla danego typu chłodnicy jest zgodny z informacją producenta to położenie punktu N jest poprawne (CF = 0,6 0,95). Jeżeli nie, to koryguje się jego temperaturę o 0,5K (punkt 6 algorytmu). Po ustaleniu punktu N wyznacza się zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym. 20