dr inż. Maciej Mijakowski Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa http://www.is.pw.edu.pl Termodynamika powietrza wilgotnego Schemat procesu projektowania systemu klimatyzacji/chłodzenia/wentylacji - inwentaryzacja Analiza procesów uzdatniania powietrza Inspekcja systemów klimatyzacji 1
Parametry powietrza wilgotnego Temperatura powietrza Wilgotność względna Zawartość wilgoci Temperatura punktu rosy Temperatura termometru mokrego Entalpia Ciśnienie cząstkowe pary wodnej Gęstość powietrza wilgotnego ϕ = x = p pnas m m H2O H2O H2O pow.such. Parametry powietrza wilgotnego Wykres i-x 2
Parametry powietrza wilgotnego Ilustracja punktu 20 C i 50% na wykresie i-x temp. = 20 C wilg. = 50% x = 7,3 g/kg t R = 9,0 C t m = 13,8 C i = 38 kj/kg p H2O =1168 Pa ρ = 1,20 kg/m 3 Parametry powietrza wilgotnego Ile pary wodnej zmieści się w pudełku? x = 15,0 g/kg 15,0 30 1,20 = 540 g 30 m 3 temp. = 20 C wilg. = 100% temp. = -20 C wilg. = 100% x = 0,8 g/kg 0,8 30 1,36 = 33 g 540 g 33 g 3
Parametry powietrza wilgotnego Wykres i-x Europa/USA Europa USA Parametry powietrza wilgotnego Zamiast wykresu i-x Rp. s. Pv ϕ Pvnas x( t, ϕ) = = 0. 622 Rv P Pv P ϕ Pvnas P ϕ( t, x) = P t R v vnas = P vnas x P ( x + 0.622) ϕ Pvnas 238,3 ( t, ϕ) = ln 610,78 ϕ Pvnas 17,294 ln 610,78 w zakresie temperatury 45 C +60 C: P vnas (t) = 612,2 exp(17,62 t / (243,12 + t)) ( 18,8161 4110,34 /( 235) ) x nas exp t + = R 4
Parametry powietrza wilgotnego Zamiast wykresu i-x c.d. dla t < 0 C ln(pvnas) = 5674.359 / T + 6.3925247 9.677843 10-3 T + + 6.2215701 10-7 T 2 + 2.0747825 10-9 T 3 9.484024 10-13 T 4 + 4.1635019 ln(t) dla t > 0 C ln(pvnas) = 5800.2206 / T + 1.3914993 4.8640239 10-2 T + 4.1764768 10-5 T 2 1.4452093 10-8 T 3 + 6.545967 ln(t) dla t < 0 C t R = 6.09 + 12.608 ln(0.001 Pv) + + 0.4959 [ln(0.001 Pv)] 2 dla t > 0 C (do +93 C) t R = 6.54 + 14.526 ln(0.001 Pv) + + 0.7389 [ln(0.001 Pv)] 2 + + 0.09486 [ln(0.001 Pv)] 3 + + 0.4569 [ln(0.001 Pv)] 0.1984 Parametry powietrza wilgotnego t Zamiast wykresu i-x c.d. 0 m ts f P + tr ( t, ϕ) = f P + s spr = f P ( t i 1 spr t = i m t m s spr t m t m ) s ( P ( t ) P ( t )) vnas m vnas R f = P s = c cieplo_parowania vnas ( ts ) P t t s R p vnas ( t ) R M M H 2O pow I ( t, x) = c t + x( c t + r0 ) = 1.0 t + x(1.96 t + 2500) pp pw 5
Parametry powietrza wilgotnego Psychrometria w Excelu Parametry powietrza wilgotnego Psychrometria w Excelu c.d. 6
Parametry powietrza wilgotnego Wykres i-x w Excelu Parametry powietrza wilgotnego Wykres i-x w Excelu c.d. 7
Procesy zmieniające parametry powietrza Ogrzewanie powietrza 30 m 3 temp. = -20 C wilg. = 100% temp. = 20 C wilg.?? Procesy zmieniające parametry powietrza Ogrzewanie powietrza - wykres i-x Temperatura powietrza [degc] 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 10% temp. = 20 C wilg. < 10% 25% 50% temp. = -20 C wilg. = 100% 100% -25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Zawartość wilgoci [g/kg] 8
Procesy zmieniające parametry powietrza Ogrzewanie powietrza - zapotrzebowanie na ciepło temp. = 20 C wilg. < 10% 30 m 3 ilość ciepła = 30m 3 x 1.2kg/m 3 x x 1kJ/(kg K) x (20-(-20))K = = 1440 kj = 0.4 kwh temp. = -20 C wilg. = 100% ilość ciepła = 30m 3 x 1.2kg/m 3 x x (22-(-18))kJ/kg = = 1440 kj = 0.4 kwh Procesy zmieniające parametry powietrza Chłodzenie powietrza 30 m 3 temp. = 30 C wilg. = 50% temp. = 15 C wilg. =?? 9
Procesy zmieniające parametry powietrza Chłodzenie powietrza - wykres i-x 30 25 20 temp. = 30 C wilg. = 50% Temperatura powietrza [degc] 15 10 5 0-5 -10 10% 25% 50% 100% temp. = 15 C wilg. = 100% 2.5 g H 2 O / kg powietrza -15-20 -25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Zawartość wilgoci [g/kg] Procesy zmieniające parametry powietrza Chłodzenie powietrza - zapotrzebowanie na ciepło 30 m 3 temp. = 15 C wilg. = 100% temp. = 30 C wilg. = 50% ilość ciepła (chłodu) = 30m 3 x 1.2kg/m 3 x x (64.5-42.0)kJ/kg = = 810 kj = 0.225 kwh ilość wykroplonej pary wodnej = 30m 3 x 1.2kg/m 3 x x 2.5g/kg = = 90 g 10
Procesy zmieniające parametry powietrza Chłodzenie powietrza - wykres i-x 30 25 20 temp. = 30 C wilg. = 50% Temperatura powietrza [degc] 15 10 5 0-5 -10-15 -20 10% 25% 50% 100% -25 0 2 4 6 8 10 E CH 12= (x14 K x Z ) 16/ (x T 18 x Z ) 20 Zawartość wilgoci [g/kg] temp. = 15 C wilg. = 90% 3.5 g H 2 O / kg powietrza punkt komorowy: - ϕ K = 90% lub - E CH = 0,9 x T = (x K +(E-1)x Z ) / E Procesy zmieniające parametry powietrza Nawilżanie powietrza 30 m 3 temp. = 20 C wilg. < 10% temp. = 20 C wilg. = 50% 11
Procesy zmieniające parametry powietrza Nawilżanie powietrza nawilżacz parowy - wykres i-x 30 25 20 temp. = 20 C wilg. < 10% temp. = 20 C wilg. = 50% Temperatura powietrza [degc] 15 10 5 0-5 -10-15 -20 10% 25% 50% 100% 6.5 g H 2 O / kg powietrza -25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Zawartość wilgoci [g/kg] Procesy zmieniające parametry powietrza Nawilżanie powietrza nawilżacz parowy - zużycie pary 30 m 3 temp. = 20 C wilg. < 10% temp. = 20 C wilg. = 50% ilość pary = 30m 3 x 1.2kg/m 3 x x 6.5g/kg = = 234 g 12
Procesy zmieniające parametry powietrza Mieszanie powietrza 15 m 3 15 m 3 temp. = -20 C wilg. = 100% temp. = 20 C wilg. = 100% Procesy zmieniające parametry powietrza Mieszanie powietrza - wykres i-x Temperatura powietrza [degc] 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 10% 25% 50% temp. = 5 C wilg. = 100% temp. = -20 C wilg. = 100% 100% 2.0 g/kg -25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Zawartość wilgoci [g/kg] i = const temp. = 20 C wilg. = 100% 13
Procesy zmieniające parametry powietrza Mieszanie powietrza - ilość wykroplonej wilgoci 30 m 3 temp. = 5 C wilg. = 100% temp. = 20 C wilg. = 100% ilość wykroplonej wilgoci = 30m 3 x 1.2kg/m 3 x x 2.0g/kg = = 72 g temp. = -20 C wilg. = 100% Termodynamika powietrza wilgotnego Schemat procesu projektowania systemu klimatyzacji/chłodzenia/wentylacji - inwentaryzacja Analiza procesów uzdatniania powietrza Inspekcja systemów klimatyzacji 14
Schemat procesu projektowania Schemat procesu projektowania 15
Schemat procesu projektowania Schemat procesu projektowania 16
Schemat procesu projektowania Wymagane parametry powietrza wewnętrznego PN-78/B-03421 Schemat procesu projektowania Wymagane parametry powietrza wewnętrznego EN 15251 17
Schemat procesu projektowania Wymagane parametry powietrza wewnętrznego EN 15251 c.d. Schemat procesu projektowania Wymagane parametry powietrza wewnętrznego EN 15251 c.d. 18
Schemat procesu projektowania Parametry powietrza zewnętrznego PN-76/B-03420 Schemat procesu projektowania Parametry powietrza zewnętrznego ASHRAE Fundamentals Handbook, Chapter 27, Climate design information 19
Schemat procesu projektowania Parametry powietrza zewnętrznego Schemat procesu projektowania Parametry powietrza zewnętrznego 20
Schemat procesu projektowania Zyski i straty ciepła Promieniowanie słoneczne zyski przez przegrody przeźroczyste (+przenikanie) zyski przez przegrody nieprzeźroczyste Oświetlenie Ludzie zyski ciepła zyski wilgoci Urządzenia zyski ciepła zyski wilgoci Zyski / straty przez przenikanie Razem suma Schemat procesu projektowania Zyski i straty ciepła... urządzenia (biuro)... ASHRAE Fundamentals, Chapter 29, Nonresidential cooling and heating load calculation procedures 21
Schemat procesu projektowania Zyski i straty ciepła Schemat procesu projektowania Zyski i straty ciepła 22
Schemat procesu projektowania Wybór systemu Schemat procesu projektowania Parametry pracy systemu parametry czynnika strumień czynnika przekazanie ciepła do pomieszczenia 23
Schemat procesu projektowania Dobór elementów Termodynamika powietrza wilgotnego Schemat procesu projektowania systemu klimatyzacji/chłodzenia/wentylacji inwentaryzacja Analiza procesów uzdatniania powietrza Inspekcja systemów klimatyzacji 24
Temperatura powietrza Wilgotność powietrza Prędkość ruchu powietrza Strumień powietrza wentylacyjnego Stężenia zanieczyszczeń... Pomiary 25
Wymagania (PN-76/B-03420) Wymagania (PN EN 15251) 26
Przykład wymagań według EN 15251 Criteria for the Indoor Environment including thermal, indoor air quality, light and noise 27
28
29
30
31
Wymagania (ASHRAE 55-2004) 32
Wymagania (ASHRAE 55-2004) Temperatura wilgotność ilustracja na wykresie i-x 33
Statystyki - histogram Statystyki - histogram 34
Rozwój grzybów i pleśni Sedlbauer K., Prediction of mould fungus formation on the surface of and inside building components, Fraunhofer Institute for Building Physics, 2001 Wyniki - basen 35
Przypomnienie wymagań dot. intensywności wentylacji Pomieszczenia przeznaczone do stałego i czasowego pobytu i ludzi powinny mieć zapewniony dopływ co najmniej 20 m3/h powietrza zewnętrznego dla każdej przebywającej osoby. W pomieszczeniach publicznych, w których jest dozwolone palenie tytoniu, strumień powietrza powinien wynosić 30 m3/h dla każdej osoby. Dla pomieszczeń w żłobkach i przedszkolachprzeznaczonych do przebywania dzieci, strumień powietrza zewnętrznego może być obniżony do 15 m3/h dla każdego dziecka. Strumień powietrza wentylacyjnego dla pomieszczeń, w których występuję inne poza ludźmi źródła zanieczyszczeń powietrza, należy określić na podstawie odrębnych wymagań. W pomieszczeniach klimatyzowanych oraz wentylowanych o nie otwieranych oknach strumień powietrza powinien wynosić co najmniej 30 m3/h dla każdej przebywającej osoby, a w przypadku dozwolonego palenia w tych pomieszczeniach -co najmniej 50 m3/h dla każdej osoby. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. Nr 75, poz. 690) Norma PN-B-03430:1983/Az3:2000 "Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej - Wymagania" Przypomnienie wymagań dot. intensywności wentylacji q tot = n q p + A q B Projekty norm CEN 36
Analiza stężenia CO2 Analiza stężenia CO2 37
Pomiar strumienia powietrza Metoda gazów znacznikowych - idea Zmiana ilości gazu w pomieszczeniu = Ilość gazu wyemitowanego - Ilość gazu usunięta na skutek wentylacji d m i tr d t = S + C Q C Q e e i i Te q = T i s V c( t) ln c t c( t + t) 38
Metoda gazów znacznikowych Metoda zaniku koncentracji t c t) = c(0) exp τ ( ln[ c( t) ] = ln[ c(0) ] Te c( t + t) n = ln t Ti c( t) δn δ( c) 1 = n c( t) n t δn δ( c) 3 n c( t) n t τ 1+ exp(2 n t) n rysunki za: INNOVA Air Tech Instruments Metoda gazów znacznikowych Metoda stałej emisji s t s c( t) = c(0) + q exp τn q s c ( ) = q s q = c ( ) ln s q = c [ c( t) ] ln[ c( t + t) ] «n t rysunki za: INNOVA Air Tech Instruments 39
Metoda gazów znacznikowych Metoda stałej koncentracji Te s q = T c i rysunki za: INNOVA Air Tech Instruments Metoda gazów znacznikowych - przykład 40
Metoda gazów znacznikowych Pomiar strumienia powietrza rysunki za: INNOVA Air Tech Instruments Metoda gazów znacznikowych Wiek powietrza A C B A B C rysunki za: INNOVA Air Tech Instruments 41
Analiza efektywności procesu wentylacji Efektywność rozdziału powietrza Wentylacja mieszająca Wentylacja mieszająca = ε ν Ce Cs C C i s Wentylacja wyporowa ts Ce ts Ce ti Ci ti Ci Ce ts ti Ci Różnica temperatury ts - ti C < 0 0 2 2 5 > 5 Efektywność wentylacji 0.9 1.0 0.9 0.8 0.4 0.7 Różnica Efektywność temperatury wentylacji ts - ti C < -5-5 0 >0 0.9 0.9 1.0 1.0 Różnica temperatury ts - ti C < 0 0 2 > 2 Efektywność wentylacji 1.2 1.4 0.7 0.9 0.2 0.7 Termodynamika powietrza wilgotnego Schemat procesu projektowania systemu klimatyzacji/chłodzenia/wentylacji - inwentaryzacja Analiza procesów uzdatniania powietrza Inspekcja systemów klimatyzacji 42