ENTYLACJA KLIMATYZACJA ływ zastosowania filtracji na moc chłodniczą belki aktywnej Imact of Air Filtration on Cooling Caacity of Active Chilled Beams DOI:10151.99/9.2015.9.5 CIEPŁONICTO, OGRZENICTO, ENTYLACJA 46/8 (2015) 362 366 www.cielowent.l ISSN 0137-3676 EELINA SKARCZYŃSKA-KALAMON* ) MARIUSZ SKARCZYŃSKI** ) Słowa kluczowe: belka aktywna, belka asywna, filtracja, moc, Streszczenie ramach badań rzerowadzono analizę zmian mocy chłodniczej aktywnej belki rzed i o zamontowaniu filtra. Celem omiaru było srawdzenie wływu dodatkowego filtra na rzeływ wtórnego rzez wymiennik. Zamontowanie filtra ma na celu zabezieczenie wymiennika cieła belki rzed zanieczyszczeniem, jednak zastosowanie filtra zmienia warunki racy a tym samym wływa na jej efektywność. belce chłodzącej PARASOL firmy SEGON [6] zostały zamontowane czujniki temeratury ierwotnego, wtórnego rzed oraz za wymiennikiem, czujniki umiejscowione w strefie nawiewu oraz czujnik temeratury w komorze. Prędkość rzeływu mierzono tuż rzy owierzchni sodu belki tak, aby wyeliminować wływ zawirowań oraz aby jednoznacznie wyznaczyć rędkość w danym unkcie. Podczas omiarów rzyjęto niezmienne arametry takie, jak temeratura wody zasilającej t z 17 C, temeratura wewnętrznego t 24,5 C oraz temeratura ierwotnego t n 23 C. Pomiary rzerowadzane były w dwóch seriach. Pierwsza dotyczyła belki racującej bez filtra, druga seria omiarowa rzerowadzona była o umieszczeniu filtra G4 bezośrednio za owierzchnią ssącą belki. Przerowadzone omiary wykazały, że filtr zamontowany rzed wymiennikiem ma wływ na rzeływ wtórnego. Filtr ogranicza rzeływ średnio o 36, co wływa na moc belki wtórnego o średnio 47. Ponadto zaobserwowano, że rzeływ nośnika chłodu, a zatem jego ogrzanie na wymienniku, ma bardzo mały wływ na rzeływ wtórnego. Aby zrównoważyć ograniczenie rzeływu wywołane obecnością filtra, należy zwiększyć rzeływ ierwotnego o około 36. Keywords: active chilled beams, assive chilled beams, air filtration, colling caacity Abstract In the study, an analysis of cooling ower changes of an active beam before and after the installation of an air filter. The aim was to examine the imact of the introduction of additional filter on the secondary air flow through the heat exchanger. The filter is mounted in order to rotect the beam against the contamination of the heat exchanger. However, the use of the filter changes the working conditions of the beam, thus affecting the efficiency its oeration. There were temerature sensors of rimary air, secondary air in front and behind the heat exchanger, sensors located in the suly zone and a temerature sensor in the chamber were installed in the cooling beam PARASOL made by the SEGON comany [6]. The measurement of the flow velocity took lace right on the surface of the bottom of the beam, so as to eliminate the influence of air turbulence and to unambiguously determine the velocity of the air at a given oint. During the measurements unchanged arameters were taken, such as the water suly temerature t z 17 C, the internal air temerature t 24,5 C and the rimary air temerature t n 23 C. The measurements were carried out in two series. The first measurements series were erformed with the use of the beam working without a filter, whereas, the second measurements series were made after lacing the filter G4 directly behind the suction surface of the beam. The measurements have shown that the filter assembled in front of the heat exchanger has influence on the flow of secondary air. The filter reduces the flow by, on average, 36, which affects the ower of the beam on the side of the secondary air by, on average, 47. Moreover, it was observed that the flow of refrigerant, and thus its heating on the exchanger, has a very small influence on the flow of secondary air. In order to balance the airflow limitation caused by the filter it is necessary to increase the rimary air flow by about 36. 2006-2015 ydawnictwo SIGMA-NOT S. z o.o. All right reserved 1. stę Niezbędnym warunkiem życia człowieka jest czyste owietrze. ciągu minuty człowiek wdycha i wydycha * ) Mgr inż. Ewelina Skwarczyńska-Kalamon (doktorantka); ewelina.kalamon@w.l ydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Lubelska ** ) Dr inż. Mariusz Skwarczyński; osoba do kontaktu: m.skwarczynski@wis.ol.lublin.l około 10 dm 3. Dobra jakość w zamkniętych omieszczeniach jest wyzwaniem dla wielu wsółczesnych inżynierów. Ze względu na dążenie do wysokiej izolacyjności rzegród budowlanych zmniejsza się możliwość niekontrolowanego doływu zewnętrznego rzez nieszczelności. ływa to również na kumulowanie się zanieczyszczeń (yły, bioaerozole) w środowisku wewnętrznym. Podwyższenie stężenia dwutlenku węgla owoduje ból głowy, senność i sadek koncentracji [5]. 362 CIEPŁONICTO, OGRZENICTO, ENTYLACJA 46/8 (2015)
Świeże owietrze zewnętrze ma istotny wływ na samooczucie i komfort człowieka. sółcześni ludzie onad ołowę czasu (około 80) sędzają w omieszczeniach zamkniętych, dlatego jedyną możliwością korzystania z zewnętrznego jest właściwa i skuteczna wentylacja omieszczeń. entylacja naturalna nie zawsze jest wystarczająca, dlatego dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie wentylacji mechanicznej [4]. Ponieważ rzeływ wymuszany jest rzez wentylatory, nie ma niebezieczeństwa nieskutecznego działania wentylacji mechanicznej rzy niekorzystnych warunkach ogodowych (wysoka temeratura zewnętrzna) czy konstrukcyjnych budynków (krótkie iony wentylacyjne). ażne jest właściwe rzygotowanie dostarczanego do omieszczenia [3]. układach wentylacji nawiewnej stosuje się kilka etaów uzdatniania, n. wstęne oczyszczenie i ogrzewanie. centralach klimatyzacyjnych dodatkowo owietrze może być schładzane, nawilżane, ewentualnie dodatkowo oczyszczane. Ponieważ często jedna centrala wentylacyjna obsługuje cały budynek lub kilka omieszczeń, trudno jest srostać wymaganiom konkretnych omieszczeń albo wydzielonych ich części, zwłaszcza jeśli mają wyższe wymagania w odniesieniu do komfortu cielnego. Aby zaewnić oczekiwaną temeraturę, niezależną od reszty układu wentylacyjnego istnieje możliwość zastosowania dodatkowych urządzeń, które ochłodzą albo dodatkowo ogrzeją owietrze do wymaganej temeratury. Do wykonania takiego zadania można wykorzystać belki chłodzące. Sufitowe belki chłodzące lub chłodząco-grzewcze używane są w systemach klimatyzacyjnych do indywidualnej regulacji temeratury w oszczególnych omieszczeniach lub w obrębie wydzielonych owierzchni budynków. 2. rowadzenie Człowiek rzebywając w omieszczeniach zamkniętych, głównie w miejscu racy, narażony jest na drobnoustroje zarówno w kontakcie bezośrednim rzez skórę, jak i bardziej niebeziecznym oddziaływaniu mikroorganizmów na zdrowie rzez wdychanie zanieczyszczonego. Szkodliwe czynniki biologiczne w środowisku racy to mikro i makroorganizmy oraz wytwarzane rzez nie struktury i substancje, które oddziałują negatywnie na organizm człowieka w racy i mogą być rzyczyną chorób [2]. Równie niebezieczne są yły, które wraz z wdychanym owietrzem mogą dostawać się do łuc. zależności od wymagań dotyczących czystości wewnętrznego, można zastosować odowiednią liczbę stoni filtracji i dobierać filtry o wymaganej skuteczności. zależności od rodzaju rzygotowania dostarczanego do omieszczeni, można wyróżnić klimatyzatory, klimakonwektory, belki asywne i aktywne. belkach chłodzących cieło odrowadzane jest rzez wodę (w tradycyjnych systemach klimatyzacyjnych cieło odrowadzane jest rzez owietrze). Urządzenia montowane są od stroem albo w rzestrzeni sufitu odwieszanego. Głównym elementem belek grzewczych i chłodzących jest wymiennik cieła. Najczęściej składa się on z rurek miedzianych i nałożonych na nie aluminiowych lamel. Konstrukcja samego ma istotny wływ na skuteczność wymiany cieła. Srawność wymiennika zależy od: średnicy rurek, konstrukcji lamelek, odległości miedzy nimi. a) b) Rys.1. Zasada działania belki chłodzącej: a) asywna belka chłodząca; b) aktywna belka chłodząca [9] Powietrze rzeływające rzez wymiennik oddaje cieło do lamelek (belki chłodzące) i w ten sosób obniża swoja temeraturę. Cieło z lamelek odbierane jest rzez nośnik chłodu (woda, mieszanina woda-glikol) znajdujący się w rurkach miedzianych. Chłodnica wodna zasilana jest wodą o temeraturze 13 17 C. oda o niższych arametrach mogłaby sowodować wykralanie ary wodnej na chłodnicy i zadziałanie zabezieczenia, które zamyka zawór na doływie czynnika do wymiennika. belkach grzewczych czynnik zasilający ma wyższą temeraturę i rzekazuje cieło do lamelek, które nastęnie odgrzewają rzeływające owietrze. Belki asywne racują wyłącznie na owietrzu obiegowym (wtórnym). Ciełe owietrze z omieszczenia dzięki mniejszej gęstości unosi się do góry i rzeływa rzez wymiennik cieła, gdzie jest ochładzane, a nastęnie oada. Belki aktywne są bardziej efektywne niż asywne, a ich dodatkową funkcją jest dostarczanie do omieszczenia świeżego, wstęnie uzdatnionego w centrali wentylacyjnej. belce aktywnej rzeływające rzez wymiennik owietrze wtórne z omieszczenia miesza się z owietrzem ierwotnym (z centrali wentylacyjnej) i dyszami kierowane jest do omieszczenia (rys. 1). Powietrze ierwotne (zewnętrzne) wływające do belki jest oczyszczane w filtrach w centrali wentylacyjnej, niekorzystna jest natomiast sytuacja w wyadku wtórnego (obiegowego) aktywna belka chłodząca wyosażona jest w wymiennik, którego nie zabeziecza żaden filtr. Powietrze wewnętrzne zasysane jest wrost do wymiennika. Gromadzący się na wymienniku osad może ograniczać jego srawność, a także być rzyczyną nierzyjemnego zaachu rzeływającego (bakterie) i stanowić zagrożenie zdrowia rzebywających w omieszczeniu osób. CIEPŁONICTO, OGRZENICTO, ENTYLACJA 46/8 (2015) 363
celu ograniczenia zanieczyszczeń krążących w owietrzu obiegowym i zabezieczenie belki rzed zabrudzeniem wymiennika, możliwe jest zastosowanie filtra rzed wymiennikiem. wyniku zatrzymania zanieczyszczeń wewnątrz i na owierzchni filtrów, z zostają usunięte cząstki stałe. Belki chłodzące zdobyły swoją oularność stosunkowo niedawno, a więc nie są jeszcze dokładnie rzetestowanymi urządzeniami. Brakuje ublikacji dotyczących ich eksloatacji, czyszczenia oraz konserwacji. Brakuje również literatury dotyczącej modyfikacji tych urządzeń, w tym też dotyczącej stosowania filtra [1]. Celem badań było srawdzenie mocy chłodniczej rzed zamontowaniem włókniny filtracyjnej klasy G4 i o nim. 3. Część ekserymentalna 3.1. Metodyka badań Budowa stanowiska omiarowego Stanowisko badawcze stanowi komora klimatyczna o wymiarach 3,6 x 3,6 x 2,5 m, wewnątrz której zamontowano układ do omiaru mocy chłodniczej, składający się z nastęujących elementów: czujnik temeratury wewnętrznego PT1000 (klasa dokładności 1/3DIN), czujnik temeratury PT1000 (klasa dokładności 1/3DIN) wody lodowej na zasilaniu wymiennika cieła belki aktywnej, czujnik temeratury PT1000 (klasa dokładności 1/3DIN), wody lodowej na owrocie z wymiennika cieła belki aktywnej, rzeływomierza do małych rzeływów KOBOLD DTK model 1250 o zakresie omiarowym od 0,5 do 10 dm 3 /min. Źródłem wody lodowej był ultratermostat laboratoryjny firmy JULABO, model Presto A40 o maksymalnej mocy chłodniczej 1200. Zakres regulacji temeratury zasilenia od 40 do +250 C z dokładnością ± 0,01 ±0,05K. Świeże owietrze do belki dorowadzono z istniejącej instalacji wentylacyjnej, nawiewno-wywiewnej za omocą izolowanego cielnie stalowego kanału wentylacyjnego o średnicy wynosi 125 mm. System wentylacji dostarcza do belki owietrze o zadanej temeraturze oraz zadany strumień. Do omiaru arametrów (tj. temeratury i rędkości w kanale) zastosowano kanałowy anemometr cielno-oorowy CTV 200 o zakresie omiarowym 0,1-10 m/s oraz 0-50 C z rejestratorem firmy KIMO model AMI301. Aktywną belkę chłodzącą zamontowano w środkowej części łaszczyzny sufitu. Parasol B został owieszony na dwóch stalowych ocynkowanych rofilach na wysokości 2,38 m mierząc od oziomu osadzki do dolnej owierzchni belki. Pomiar temeratury wtórnego rzed i za wymiennikiem belki asywnej został dokonany za omocą termoar PKBm-40 1xK wraz z układem rejestrującym firmy APEK AL-154. Przed dokonaniem właściwych omiarów wszystkie czujniki zostały skalibrowane i mają aktualne świadectwa kalibracji. Prędkość wływająca do belki mierzona była za omocą anemometru termooorowego, wielokierunkowego czujnika rędkości wraz z rzetwornikiem omiarowym Sensor Electronic Gliwice CTA-33 o zakresie omiarowym 0,05-5m/s. Przeływ ierwotnego q ierw na odstawie wzoru (1): q ierw Ak w m 3 /s (1) A k ole rzekroju orzecznego kanału wentylacyjnego, m 2, w średnia rędkość rzeływu w kanale wentylacyjnym, m/s. Przeływ wtórnego q wtór na odstawie wzoru (2): q wtór A v m 3 /s (2) A ole owierzchni zasysającej rzez belkę, m 2, rzyjęto A 0,179776 m 2, v średnia rędkość rzeływu w strefie zasysania m/s. Przyrost temeratury wody w wymienniku t w na odstawie wzoru (3): tw t z K (3) t z temeratura wody zasilającej wymiennik, o C, t temeratura wody owracającej z wymiennika, o C. Sadek temeratury na wymienniku t na odstawie wzoru (4): t t z K (4) t temeratura rzed wymiennikiem, o C, t z temeratura za wymiennikiem, o C. chłodniczą belki ierwotnego P ierw na odstawie wzoru (5): Pierw 1,2 q ierw ( twewn ierw) (5) q ierw rzeływ ierwotnego, dm 3 /s, t wewn temeratura wewnętrznego, o C, t ierw temeratura zewnętrznego, o C. belki wtórnego P wtór rzyjęto na odstawie wzoru (6). Pwtór 1, 2 qwtór t (6) q wtór rzeływ ierwotnego, dm 3 /s, t sadek temeratury wewnętrznego, K. Całkowitą moc belki P rzyjęto dodając moc chłodniczą belki ierwotnego (5) oraz moc chłodniczą belki wtórnego (wzór 6): P P ierw + P wtór (7) P ierw moc beli ierwotnego,, P wtór moc belki. 3.2. Oracowanie siatki omiarów Pomiar rędkości został rzerowadzony tuż rzy owierzchni sodu belki tak, aby wyeliminować wływ zawirowań oraz jednoznacznie wyznaczyć rędkość w danym unkcie (rys. 2). każdym z unktów zaznaczonych na rys. 2 rędkość mierzona była rzez minutę w ięciosekundowych odstęach czasu. Pomierzone wartości z okresu jednej minuty były automatycznie uśredniane zgodnie z normą PN-EN ISO 7730:2006. unkach zaznaczonych na czerwono na rys. 2 jednocześnie z omiarem rędkości mierzono temeraturę rzeływającego rzed wymiennikiem 364 CIEPŁONICTO, OGRZENICTO, ENTYLACJA 46/8 (2015)
filtra, druga seria omiarowa (S2) rzerowadzona była o umieszczeniu filtra G4 bezośrednio za owierzchnią ssącą belki. 3.4. yniki Dla obszaru zaznaczonego rostokątem na rys. 2, średnie wartości mierzonych arametrów, tj. rędkość rzeływu w strefie zasysania które rzedstawiono w tab. 2. Na odstawie wzorów od (1) do (7) średni rzeływ moc chłodniczą ierwotnego i dając całkowitą moc chłodniczą belki chłodzącej bez filtra (tab. 3) oraz z filtrem (tab. 4). 3.5. Dyskusja wyników Na odstawie uśrednionej rędkości wtórnego oraz temeratury wtórnego rzed wymiennikiem, za wymiennikiem oraz ierwotnego i wewnętrznego, moc oraz rzeływ wtórnego rzez belkę we wszystkich warunkach. Sadek rzeływu wtórnego q wtór na odstawie wzoru (8): Rys. 2. Siatka z rozmieszczonymi unktami omiarowymi (widok od dołu) belki oraz za nim. Pomiar był rzerowadzany za omocą termoar. Pomiar odbywał się co minutę. 3.3. Oracowanie harmonogramu omiarów Na odstawie arametrów technicznych wybrano charakterystyczne wartości strumienia masy wody lodowej oraz strumienia (minimalny, średni oraz maksymalny), uzyskując 9 warunków, rzy których mierzona była rędkość wtórnego doływającego do wymiennika. Zestawienie warunków zawiera tab. 1. Temeratura wody zasilającej ustawiona została ustawiona na ultratermostacie wynosiła 17 C± 0,1 K, temeratura w komorze klimatycznej ustawiona była na 24,5 C± 0,5 K, natomiast temeratura ierwotnego na 23 C± 0,5 K. Pomiary rzerowadzane były w dwóch seriach omiarowych. Pierwsza seria (S1) dotyczyła belki racującej bez TABELA 1. Zestawienie oszczególnych warunków, dla których rzerowadzono omiary Numer warunku Objętościowy strumień wody lodowej V w, dm 3 /h Objętościowy strumień wentylacyjnego V, m 3 /h 1 108 25 2 108 75 3 108 125 4 240 25 5 240 75 6 240 125 7 360 25 8 360 75 9 360 125 TABELA 2. Średnie wartości rędkości w oszczególnych warunkach i seriach omiarowych TABELA 3. Zestawienie zmiennych średnich mocy chłodniczych belki bez filtra arunek arunki Średni rzeływ dm 3 /h Seria omiarowa S1 S2 [m/s] ± SD [m/s] [m/s] ± SD [m/s] 1 0,12 ± 0,03 0,07 ± 0,02 2 0,25 ± 0,05 0,15 ± 0,04 3 0,33 ± 0,08 0,20 ± 0,03 4 0,12 ± 0,02 0,08 ± 0,03 5 0,24 ± 0,04 0,16 ± 0,03 6 0,31 ± 0,04 0,20 ± 0,04 7 0,12 ± 0,02 0,08 ± 0,02 8 0,24 ± 0,04 0,17 ± 0,04 9 0,32 ± 0,07 0,21 ± 0,03 ierwotnego, Całkowita moc 1 21,57 11 184 194 2 44,94 38 367 405 3 59,33 53 449 502 4 21,57 11 197 207 5 43,15 33 347 380 6 55,73 61 461 523 7 21,57 10 173 183 8 43,15 33 419 452 9 57,53 45 496 541 CIEPŁONICTO, OGRZENICTO, ENTYLACJA 46/8 (2015) 365
TABELA 4. Zestawienie zmierzonych średnich mocy chłodniczych belki z filtrem arunek Średni rzeływ dm 3 /s ierwotnego, qwtór1 qwtór 2 q wtór 100 (8) q wtór1 q wtór1 rzeływ wtórnego dla belki bez filtra, m 3 /s, q wtór2 rzeływ wtórnego dla belki z filtrem, m 3 /s. Natomiast, sadek mocy wtórnego P wtór na odstawie wzoru (9): Pwtór1 Pwtór 2 P wtór 100 (9) P wtór1 P wtór1 moc wtórnego belki bez filtra,, P wtór2 moc wtórnego belki z filtrem,. Sadek całkowitej mocy chłodniczej belki określona rzy użyciu wzoru (10): P1 P2 P 100 (10) P 1 P1 całkowita moc belki racującej bez filtra,, P2 całkowita moc belki racującej z filtrem, tabeli 5 zestawiono rocentowe sadki mocy chłodniczej obliczone na odstawie wzorów od (8) do (10) o zastosowaniu filtra. 4. Podsumowanie i wnioski Całkowita moc 1 12,58 9 91 99 2 26,97 25 188 213 3 35,96 41 233 274 4 14,38 7 91 99 5 28,76 30 207 238 6 35,96 53 237 291 7 14,38 6 90 96 8 30,56 5 231 236 9 37,75 61 281 342 Badania zarezentowane w artykule miały na celu srawdzenie wływu dodatkowego filtra na objętościowy strumień wtórnego rzez wymiennik. Zastosowanie filtra ma na celu zabezieczenie belki rzed zabrudzeniem wymiennika cieła, jednak dołożenie filtra zmienia warunki racy a tym samym wływa na efektywność jej racy. TABELA 5. Porównanie sadku mocy chłodniczej belki o zastosowaniu filtra arunek Sadek rzeływu Podczas omiarów stwierdzono, ze filtr zamontowany rzed wymiennikiem ma wływ na rzeływ wtórnego. Filtr ogranicza rzeływ strumienia średnio o 36, co w bezośredni sosób rzekłada się na sadek mocy chłodniczej belki wtórnego o średnio 47. Ponadto zaobserwowano, że rzeływ czynnika chłodniczego, a więc jego ogrzanie na wymienniku ma bardzo mały wływ na rzeływ wtórnego. Aby zrównoważyć ograniczenie rzeływu wywołane obecnością filtra, należy zwiększyć rzeływ ierwotnego o ok. 36. Rozwiązanie to ma ewne ograniczenie, wynikające z maksymalnego rzeływu ierwotnego, zależnego od konstrukcji belki. Innym sosobem ograniczenia sadku rzeływu, może być zastosowanie wentylatorów, które będą zwiększały rzeływ wtórnego. Badania zostały sfinansowane z Działalności Statutowej Instytutu Inżynierii Ochrony Środowiska ydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej w Lublinie Młoda Kadra 2014 S-130/M/IŚ/2014. LITERATURA Sadek mocy chłodniczej o stronie Sadek całkowitej mocy chłodniczej 1 42 51 49 2 40 49 47 3 39 48 45 4 33 54 52 5 33 40 37 6 35 49 44 7 33 48 48 8 29 45 48 9 34 43 37 [1] Afshari A., Afshari J. Ardkaan R. S., Bergsoe N.C., Gunner A.; 2012, Combining active chilled beams and air cleaning technologies to imrove indoor climate in offices: Testing a low ressure mechanical filter in a laboratory environment. In Proceedings of Healthy Buildings 2012 Conference, Brisbane, Australia [2] Nantka M. B.: 2000. Instalacje grzewcze i wentylacyjne w budownictwie. Cz. 1. Budynki i ich otrzeby grzewcze i wentylacyjne. yd. Polit. Śl., Gliwice [3] Pełech A.; entylacjia i klimatyzacja odstawy, Oficyna ydawnicza Politechniki rocławskiej, rocław 2011 [4] Malicki M.: entylacja i klimatyzacja, Arkady, arszawa 2001 [5] Śliwowski L.: Mikroklimat wnętrz i komfort cielny ludzi w omieszczeniach, Oficyna wydawnicza Pr., rocław 2000 [6] Swegon System Modułów Sufitowych PARASOL, PL Parasol 2009-06-01 [7] PN-EN ISO 7730:2006 (U) Ergonomia środowiska termicznego. Analityczne wyznaczanie i interretacja komfortu termicznego z zastosowaniem obliczania wskaźników [16] PMV i PPD oraz kryteriów lokalnego komfortu termicznego [8] Rozorządzenie Ministra Infrastruktury w srawie warunków technicznych, jakim owinny odowiadać budynki i ich usytuowanie z dnia 12 kwietnia 2002 r. z óźniejszymi zmianami (Dz. U. nr 75, oz. 690) [9] www.chlodnictwoiklimatyzacja.l, 04.2015 366 CIEPŁONICTO, OGRZENICTO, ENTYLACJA 46/8 (2015)