Nawiew powietrza do pomieszczenia - wpływ na wielkość instalacji klimatyzacyjnej Prawidłowe rozprowadzenie powietrza w pomieszczeniu jest istotnym zagadnieniem w instalacjach klimatyzacyjnych powietrznych, w których wyłącznie strumień powietrza nawiewanego uzdatnianego w centrali odpowiada za parametry powietrza w pomieszczeniu. W odróżnieniu od systemów z wtórnym uzdatnianiem powietrza (klimatyzatory, belki chłodzące, klimatyzatory typu split) w instalacjach powietrznych występuje możliwość doboru sposobu nawiewu powietrza do pomieszczenia w zależności od potrzeb. Poniżej ukazany został wpływ organizacji przepływu powietrza w pomieszczeniu na wielkość instalacji klimatyzacyjnej oraz dostępne rozwiązania nawiewu powietrza do pomieszczenia. Ogólny podział systemów klimatyzacji składa się na: systemy z wtórnym uzdatnianiem powietrza, wykorzystujące dodatkowe urządzenia w pomieszczeniu, np. klimakonwektor, systemy z pierwotnym uzdatnianiem, w którym powietrze przygotowywane jest centralnie. Systemy te można porównać jedynie w przypadku obsługi jednego, dużego pomieszczenia. Klimatyzacja z pierwotnym uzdatnianiem powietrza nie nadaje się do obsługi wielu pomieszczeń, ponieważ nie posiada możliwości indywidualnego sterowania parametrami powietrza nawiewanego w zależności od potrzeb. W dalszych rozważaniach brana pod uwagę będzie duża sala takiego typu jak konferencyjna. Definicja klimatyzacji mówi, że jest to: wentylacja pomieszczenia zapewniająca środowisku powietrznemu pomieszczenia określone właściwości i parametry - czystość, temperaturę i wilgotność względną - przez uzdatnianie i rozdział powietrza, odpowiednio do przeznaczenia i sposobu wykorzystania pomieszczenia w każdych warunkach klimatycznych danej miejscowości". Jak widać pierwszym słowem definicji klimatyzacji jest słowo "wentylacja", które według definicji oznacza: "wymianę powietrza w pomieszczeniu lub jego części mającą na celu usunięcie powietrza zużytego i zanieczyszczonego oraz wprowadzanie powietrza zewnętrznego". Definicje te pokazują, że instalacja klimatyzacji powinna przede wszystkim wentylować, czyli zapewniać doprowadzenie świeżego powietrza, powinna także odpowiednio rozprowadzać powietrze w pomieszczeniu. Wentylowanie może ograniczyć się do wyraźnie zdefiniowanej strefy pomieszczenia. Norma 13779 [2] proponuje przyjęcie pewnych wielkości, które jednak mogą, a
nawet powinny zostać zmienione przy uzgodnieniach z inwestorem lub użytkownikiem pomieszczeń. Tabela 1. Zalecane wartości odległości od wewnętrznych powierzchni - do schematów z rys. 1 [2]. Odległość od wewnętrznej powierzchni Zakres [m] Wartość standardowa [m] podłogi (dolna granica strefy) A 0,00 do 0,20 0,05 podłogi (górna granica strefy) B 1,30 do 2,00 1,80 okien lub drzwi zewnętrznych C 0,50 do 1,50 1,00 urządzeń klimatyzacyjnych D 0,50 do 1,50 1,00 ścian zewnętrznych E 0,15 do 0,75 0,50 ścian wewnętrznych F 0,15 do 0,75 0,50 drzwi wewnętrznych G indywidualnie Rys. 1. Określenie strefy wentylowanej na pomieszczeniu [2]. Poprawna definicja strefy obsługiwanej przez system ma ogromne znaczenie w późniejszej eksploatacji systemu. Może spowodować zmianę strumienia powietrza wentylacyjnego i znacząco wpłynąć na koszt jego uzdatniania. Przykładowo na salach konferencyjnych o płaskiej widowni (w przeciwieństwie do amfiteatralnych) i wysokości do 4 m strumieniem powietrza można objąć około 1/3 kubatury pomieszczenia, co znacząco redukuje strumień powietrza nawiewanego. Aby spełnić zadanie usuwania zysków ciepła jawnego oraz utajonego (w postaci strumienia wilgoci), powietrze klimatyzacyjne powinno mieć odpowiednio niższą temperaturę i niższą wilgotność. najlepiej przedstawić to można na wykresie h-x (rys. 2).
Rys. 2. Przemiany powietrza na wykresie h-x przy nawiewie do pomieszczenia. Stosunek zysków ciepła całkowitego do strumienia wydzielanej wilgoci określa się literą e (epsilon) i oblicza z zależności: Współczynnik ten określa nachylenie prostej, po której zachodzi zmiana parametrów powietrza od nawiewnika do wartości (temperatury i wilgotności względnej) projektowanych. Można ten współczynnik określić mianem charakterystyki cieplno-wilgotnościowej pomieszczenia, ponieważ określa nachylenie prostej w zależności od wzajemnego stosunku wydzielających się ciepła i wilgoci. Punkt nawiewu N musi leżeć na prostej s, a jego odległość od punktu P (pomieszczenie) zależy przede wszystkim od wybranego sposobu nawiewu powietrza do pomieszczenia i znajduje się go na przecięciu projektowanej wartości temperatury powietrza nawiewanego powietrza a kierunkiem e. Powietrze przechodząc od parametrów punktu N do parametrów punktu P musi po drodze" zasymilować zyski ciepła jawnego oraz zyski wilgoci (rys. 2). Wielkość asymilacji zysków wilgoci można przedstawić zależnością:
Asymilację zysków ciepła jawnego można przedstawić wzorem: Wartość asymilacji zysków całkowitych można przedstawić zależnością: Ostatni wzór pokazuje, że strumień powietrza nawiewanego zależy od różnicy entalpii powietrza w pomieszczeniu i nawiewanego (hp-hn), która wynika z założonej różnicy temperatur dtn. Przy nawiewie powietrza o niskiej temperaturze, strumienie powietrza będą mniejsze, a także wymiary kanałów oraz wielkości centrali. Powietrze zimniejsze trudniej będzie wprowadzić do pomieszczenia. JAK POPRAWNIE WPROWADZIĆ POWIETRZE DO POMIESZCZENIA I DOBRAĆ NAWIEWNIKI? Nawiew indukcyjny (mieszający) - kratki nawiewne Ogólna zasada wentylacji zakłada, że powietrze powinno być doprowadzane do strefy najmniej zanieczyszczonej, a odprowadzane z obszaru o największej koncentracji zanieczyszczeń w celu uniemożliwienia rozprzestrzeniania się powietrza o gorszej jakości. Ten warunek nie jest łatwy do spełnienia we wszystkich rodzajach dużych sal. W pomieszczeniach o zmiennej konfiguracji ścian lub krzeseł jedynym sposobem nawiewania powietrza jest nawiew od góry, który będzie pracował przeciwko naturalnym siłom konwekcji i będzie sprowadzał spod sufitu na dół część zużytego powietrza. Rys. 3. Przykład rozmieszczenia w pomieszczeniu wentylowanym kratek nawiewu indukcyjnego.
Pierwszym sposobem nawiewu, najtańszym i przez to często branym pod uwagę, są kratki nawiewne. Ich zastosowanie jest uzależnione od dokładnego sprawdzenia podstawowych parametrów nawiewnika: zasięgu strumienia powietrza, prędkości i jednocześnie temperatury strumienia na granicy strefy przebywania ludzi, z których wyznaczamy zdolność chłodzącą strumienia powietrza oraz poziomu mocy akustycznej. Producent kratek powinien udostępnić odpowiednie nomogramy. Ważnym zagadnieniem jest lokalizacja kratki względem sufitu lub ściany. Bliskie usytuowanie kratki prowadzi do powstania efektu Coanda, czyli przyklejenia się strugi do płaszczyzny, a zatem zwiększenie jego zasięgu. Przy świadomym projektowaniu jest to efekt pożądany i często wykorzystywany. Nieświadomość tego zjawiska prowadzi do niekontrolowanego zwiększenia zasięgu strumienia powietrza, który czasem jest niewskazany. Rys. 4. Przykłady lokalizacji kratek nawiewnych [1].
Rys. 5. Wyznaczanie prędkości i temperatury w funkcji zasięgu strumienia powietrza nawiewanego z kratki [1]. Przyjmijmy nawiew do pomieszczenia strumienia powietrza V=5500 m3/h do sali wykładowej o wymiarach 10x13x4 m. Zakładana różnica temperatury pomiędzy powietrzem w pomieszczeniu a temperaturą strumienia nawiewanego 8 K. Tabela 2. Efektywna powierzchnia kratki nawiewnej [1]. Efektywna powierzchnia wypływu Aeff w m2 H Seria [mm] 75 125 225 L [mm] 225 325 425 525 625 825 1025 1225 0,006 0,009 0,011 0,014 0,017 0,022 0,028 0,034 0,007 0,011 0,014 0,018 0,021 0,029 0,036 0,043 0,014 0,021 0,029 0,036 0,043 0,057 0,072 0,086 0,011 0,017 0,022 0,028 0,034 0,044 0,055 0,066 0,010 0,015 0,020 0,025 0,031 0,040 0,050 0,060 0,029 0,043 0,057 0,072 0,086 0,114 0,142 0,172 0,034 0,044 0,055 0,066 0,087 0,108 0,129 0,031 0,040 0,050 0,060 0,078 0,097 0,116
325 425 525 0,064 0,086 0,108 0,129 0,172 0,214 0,256 0,066 0,081 0,098 0,129 0,169 0,193 0,060 0,073 0,086 0,116 0,152 0,173 0,172 0,228 0,285 0,342 0,129 0,169 0,214 0,256 0,355 0,427 Z nomogramu na rys. 5 dla zasięgu 10 m, przy założonej prędkości 0,5 m/s w odległości L od kratki, dla strumienia powietrza 150 l/s (540 m3/h) odczytujemy powierzchnię efektywną (Aeff) 0,04 m2. Należy teraz znaleźć kratkę, której wymiary odpowiadają powierzchni efektywnej (tab. 2) - na przykład 225 x 425, lub 125 x 825. Już teraz widać, że trudno będzie rozmieścić 10 szt. kratek na krótszej ścianie tego pomieszczenia, jeżeli chce się zachować warunki instalacji podane na rys. 4, czyli minimum 0,8 m od każdej ściany oraz odległość B pomiędzy zewnętrznymi krawędziami minimum 0,2 szerokość kratki (prawa część nomogramu - bez oddziaływania sufitu). Kolejnym krokiem jest odczytanie różnic temperatur z dolnej części wykresu. Dla naszego przykładu wynosi on dtl/dtz=0,20, co pozwala obliczyć różnicę temperatur dtl na granicy strefy przebywania ludzi. Wynosi ona 0,20 dtl, co dla przyjętej różnicy temperatur powietrza nawiewanego i powietrza w pomieszczeniu dtz=8,0 K daje wynik dtl=0,20 8=1,6 K. Wartości odczytane wstawiamy do wzoru na zdolność chłodzącą strumienia powietrza: Rys. 6. Wartości dopuszczalne zdolności chłodzącej strumienia powietrza.
Porównując uzyskaną wartość z wykresem dopuszczalnej wartości zdolności chłodzącej w funkcji temperatury powietrza w pomieszczeniu i aktywności fizycznej stwierdzamy, że taka wartość jest dopuszczalna tylko dla najwyższych temperatur i dla wysokiej aktywności fizycznej (rys. 5). Można spróbować zmniejszyć różnicę temperatur, na przykład dwukrotnie, wtedy strumień powietrza nawiewanego będzie większy (około 1,8 razy, co wynika z różnicy entalpii), wtedy rozmieszczenie kratek nawet na dłuższej ścianie będzie niemożliwe. Nawiew indukcyjny (mieszający) - anemostaty sufitowe Często spotykanym sposobem nawiewu powietrza jest nawiew od góry przy pomocy anemostatów. Ten typ nawiewu, w zależności od kilku parametrów (na przykład wysokości pomieszczenia) pozwala na nawiew powietrza znacznie zimniejszego od powietrza w pomieszczeniu - na przykład o 8K, co dla kratek było niewskazaną wartością graniczną. Dla każdego nawiewnika należy ponownie sprawdzić, czy parametr zwany zdolnością chłodzącą strumienia powietrza mieści się w granicach dopuszczalnych wartości. Z nomogramów należy odczytać prędkość powietrza, różnicę temperatur oraz prędkość powietrza na granicy strefy przebywania ludzi (czyli w zadanej odległości od nawiewnika). Tym razem odległość do strefy przebywania ludzi jest mniejsza niż przy kratkach nawiewnych (przy których można przyjąć 0,8 szerokości pomieszczenia), ponieważ liczy się ją jako połowa odległości od następnego nawiewnika, plus odległość od sufitu do górnej granicy strefy (szczegóły tych oznaczeń można znaleźć w katalogach). Dla odległości pomiędzy nawiewnikami 3 m, od sufitu 1,6 m, strumień powietrza 540 m3/h otrzymujemy prędkość 0,17 m/s (rys. 7). Z następnego nomogramu (rys. 7) odczytujemy dtldtz = 0,12. Po obliczeniu dtl = 0,12 8 = 0,96 i podstawieniu do wzoru na zdolność chłodzącą, uzyskujemy wartość: vx = 0,96+8 0,17 = 2,32, która mieści się w dopuszczalnych granicach (rys. 6.)
Rys. 7. Zależność prędkości i zasięgu dla nawiewnika sufitowego [1]. Rys. 8. Nomogram do odczytu różnic temperatur w funkcji odległości L od nawiewnika [1].
Tego typu obliczenia powinno się przeprowadzać za każdym razem, gdy dobierane są nawiewniki. Należy również sprawdzić poziom mocy akustycznej z nomogramu rys. 9. Dla strumienia 540 m3/h wprowadzanego przez nawiewnik o rozmiarze 400 odczytujemy poziom ciśnienia akustycznego około 23 db(a), co jest wartością właściwą. Rys. 9. Poziom mocy akustycznej i spadek ciśnienia w funkcji wielkości nawiewanego strumienia powietrza dla przykładowego nawiewnika DLQ/ADLQ-AG [1]. Nawiew wyporowy Dużo oszczędniejszym i skuteczniejszym typem nawiewu jest nawiew wyporowy. Dzięki nawiewaniu powietrza bezpośrednio do strefy przebywania ludzi można zmniejszyć strumień powietrza nawiewanego. W przeciwieństwie do nawiewu indukcyjnego (mieszającego) zanieczyszczenia nie są rozpraszane po pomieszczeniu, tylko unoszą się ponad strefą i stamtąd mogą być usuwane.jeżeli nawiewamy powietrze indukcyjnie musimy w całym pomieszczeniu utrzymywać maksymalne stężenie dwutlenku węgla na poziomie 1000 ppm, co wymaga nawiewania powietrza o stężeniu 350 ppm do całego pomieszczenia (rys. 10). Wentylacja wyporowa, przy tym samym strumieniu powietrza, zapewnia niższe stężenia CO2 w otoczeniu człowieka (rys.11).
Rys. 10. Nawiew indukcyjny - w całym pomieszczeniu występuje równomierne stężenie CO2 [4]. Rys. 11. Nawiew wyporowy - zróżnicowane stężenie CO2 w pomieszczeniu [4]. Przy nawiewie wyporowym, jeżeli w powietrzu zewnętrznym mamy stężenie CO2 350 ppm, możemy zastosować recyrkulację. Jak wynika z poniższego bilansu możliwa jest recyrkulacja nawet na poziomie 40%. Jeżeli nawiewamy strumień powietrza VN=10 dm3/s na osobę, to stężenie CO2 przy nawiewie bezpośrednio do strefy może wynosić 750 ppm. Jeżeli powietrze wywiewane zawiera podwyższone stężenie CO2 równe 1350 ppm, a powietrze świeże 350 ppm, to możliwe jest mieszanie powietrza wywiewanego ze świeżym w stosunku 40/60%. Nawiew wyporowy pozwala również na odniesienie pewnych korzyści energetycznych. Przy nawiewie indukcyjnym konieczne jest utrzymywanie niskich temperatur nawiewu powietrza ze
względu na usuwanie po drodze" od nawiewnika do użytkownika zysków ciepła i wilgoci. W całym pomieszczeniu utrzymywana jest projektowana temperatura komfortu rys. 14. Przy nawiewie wyporowym zakłada się gradient temperatury oraz niemożliwy jest nawiew powietrza o zbyt niskiej temperaturze. W praktyce prowadzi to do oszczędności energetycznych, ponieważ z bilansu zysków ciepła jawnego do usunięcia z pomieszczenia wynika, że przy stałym strumieniu powietrza i tych samych zyskach ciepła różnica temperatury pomiędzy powietrzem nawiewanym a wywiewanym jest stała: Rys. 12. Nawiew wyporowy - nawiew powietrza o stężeniu CO2 równym 750 ppm [4].
Rys. 13. Nawiew wyporowy - możliwa recyrkulacja powietrza [4]. Rys. 14. Bilans temperatury przy nawiewie indukcyjnym i wyporowym [4]. Jeżeli temperatura powietrza nawiewanego dla nawiewu wyporowego musi być wyższa niż dla nawiewu indukcyjnego, a różnica temperatur pozostaje taka sama, otrzymujemy następujące korzyści: 1. przy nawiewie +18 C agregat ziębniczy jest mniej obciążony; 2. jest możliwość efektywniejszego wykorzystania free-coolingu, czyli naturalnego chłodzenia powietrzem zewnętrznym. Nawiew wyporowy ograniczony jest pewnymi warunkami. Ze względu na nawiew powietrza w bezpośredniej bliskości strefy przebywania ludzi dopuszczalne różnice temperatur nawiewu są ściśle określone (tab. 3) i zależą od aktywności fizycznej użytkownika. Poza tym nawiew wyporowy musi być starannie zaprojektowany - na przykład w salach amfiteatralnych konieczny jest nawiew spod podłogi. Nawiewniki ścienne, które bardzo dobrze spisują się w salach o płaskiej podłodze, zapewnią komfort tylko pierwszym rzędom. Tabela 3. Maksymalny gradient temperatury w pomieszczeniu i dopuszczalna różnica temperatury przy nawiewie wyporowym [3].
Maksymalny gradient [ C/m] Dopuszczalna różnica temperatur (tn-tp) [ C] Odpoczynek (siedząca) 1,5 3,0 Aktywność biurowa (siedząca) 2,0 4,0 Mała aktywność 2,5 5,0 Średnia aktywność 3,0 6,0 Duża aktywność 3,5 7,0 Aktywność Rys. 15. Nieprawidłowy dobór nawiewników ściennych do sali amfiteatralnej [4]. Rys. 16. Prawidłowy nawiew do sali audytoryjnej [4]. Istniejąca przestrzeń pod stopniami umożliwia rozprowadzenie powietrza lub wykorzystanie tej kubatury jako przestrzeni rozprężnej. Podsumowując można stwierdzić, że wybór sposobu nawiewu powietrza do pomieszczenia wymaga szczegółowej analizy pod względem zapewnienia właściwego komfortu użytkownikom. Wyznaczenie
zdolności chłodzącej strumienia powietrza i porównanie z wartościami dopuszczalnymi jest warunkiem koniecznym przy właściwym projektowaniu rozprowadzenia powietrza. Sposób nawiewu powietrza do pomieszczenia warunkuje dopuszczalne temperatury powietrza nawiewanego, co wpływa na wartość strumienia powietrza, na wymiary kanałów rozprowadzających oraz na wielkość centrali. Właściwie określona, uzgodniona z użytkownikiem strefa wentylowana w pomieszczeniu pozwala na zredukowanie strumienia powietrza i znaczne oszczędności eksploatacyjne. Literatura: 1. Materiały informacyjne Trox 2. PN-EN 13779 Wentylacja budynków niemieszkalnych- Wymagania dotyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji 3. Materiały informacyjne Gryfit 4. Strony internetowe poświęcone nawiewnikom wyporowym Opracowanie redakcja na podstawie artykułu autorstwa dr inż. Jarosława Mullera. Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji. Pierwotne źródło: www.energiaibudynek.pl (04/2011). KONTAKT Energia i Budynek