Zastosowanie termografii do określania zasięgu strumienia powietrza

Mechaniczne nawiewanie powietrza do pomieszczeń jest powszechne zarówno w instalacjach wentylacyjnych, jak i klimatyzacyjnych do różnych zastosowań. W obu przypadkach istotne jest zachowanie takich parametrów mikroklimatu w strefie przebywania ludzi, żeby nie został zakłócony komfort cieplny jego użytkowników.

Duże znaczenie w kontekście tego komfortu ma zasięg strumienia powietrza nawiewanego i prędkość jego przepływu. Ta ostatnia jest istotna bez względu na rodzaj instalacji wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej – przykładowo w klimatyzacji komfortu zbyt duża prędkość przepływu powietrza w strefie przebywania ludzi ma znaczny wpływ na zaburzenie komfortu cieplnego, szczególnie przy niskiej temperaturze nawiewu.

Z kolei w układach klimatyzacji pomieszczeń czystych, takich jak sale operacyjne, rozkład prędkości i kierunek rozchodzenia się strumieni nawiewanych muszą być ustalone bardzo precyzyjnie.

W przypadku zastosowania instalacji wentylacyjno-klimatyzacyjnej do ogrzewania pomieszczeń krytycznym parametrem jest często zasięg strumienia ciepłego powietrza nawiewanego zimą.

Właściwości strumienia powietrza

Strumień powietrza nawiewanego do pomieszczenia przez element nawiewny instalacji wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej można nazwać strumieniem swobodnym zatopionym. Ma on szereg charakterystycznych cech niezależnych od rodzaju instalacji nawiewnej i samego nawiewnika (poniższe nie dotyczy laminarnych przepływów z układów wyporowych):

• turbulentny charakter przepływu,
• formujące się jądro strumienia (obszar bezpośrednio za wylotem z nawiewnika o stałej prędkości przepływu),
• stożkowy kształt strumienia – przyrost objętości strumienia na jego drodze (w związku z zasysaniem powietrza z pomieszczenia),
• charakterystyczny układ stref przepływu (zgodnie z rys. 1 - Właściwości strumienia nawiewanego).

Metody określania zasięgu strumienia powietrza

Metody obliczeniowe

Teoretycznie zasięg strumienia powietrza może zostać wyliczony z odpowiednich wzorów (najczęściej empirycznych), uwzględniających właściwości powietrza w pomieszczeniu i powietrza nawiewanego oraz charakterystykę nawiewnika. Przykładowy wzór do obliczania prędkości przepływu powietrza w funkcji odległości od wylotu z dyszy o kołowym wylocie wg [2]:

gdzie:

w_x,max – prędkość osiowa w odległości x od wylotu z nawiewnika, m/s;

w_br,śr – średnia prędkość wypływu powietrza w przekroju brutto nawiewnika, m/s;

a – współczynnik indukcji powietrza z otoczenia;

κ_c – współczynnik przewężenia całkowitego strumienia powietrza;

F – powierzchnia przekroju otworu wylotowego nawiewnika, m²;

x – odległość od wylotu z dyszy (w osi głównej strumienia), m.

Równania tego typu są problematyczne w praktycznym zastosowaniu ze względu na:

• różnorodność nawiewników i trudność w ustaleniu wielkości współczynników zależnych od ich kształtu i rodzaju (a, κ_c),
• poślizg strumienia powietrza po powierzchniach ścian, sufitów, posadzek (tzw. efekt Coandy),
• oddziaływanie siły wyporu w przypadku strumieni nieizotermicznych,
• różnorodny kształt strugi nawiewanej.

Wszystko to sprawia, że nie są one powszechnie stosowane w praktyce inży­nierskiej.

Programy doborowe

Do szybkiego szacowania zasięgu strumienia powietrza wykorzystuje się zwykle oprogramowanie komputerowe ułatwiające dobór konkretnych modeli nawiewników, udostępniane przez producentów.

Przykładem może być dostępny online program ProAir, który poza doborem nawiewników i wywiewników umożliwia także uproszczoną wizualizację przepływu powietrza w pomieszczeniu.

Program ten pozwala na oszacowanie kierunku przebiegu strumienia powietrza nawiewanego i jego zasięgu zarówno w przekroju wzdłużnym, jak i poprzecznym pomieszczenia wentylowanego, w zależności od zastosowanego rodzaju nawiewników (przykładowe okno programu pokazano na rys. 2 - Kształt i kierunek strumienia powietrza nawiewanego oraz jego zasięg określony za pomocą programu ProAir) i jest on przydatny do szacowania zasięgu strumienia powietrza nawiewanego.

W praktycznej aplikacji jednak dużym ograniczeniem są dla niego: zakres stosowalności jedynie dla nawiewników jednego producenta oraz cechy charakterystyczne dla wykorzystanych przez program algorytmów i metod obliczeniowych, takie jak brak uwzględniania wpływu poślizgu strumienia po powierzchniach płaskich.

Stosowanie programów doborowych do określania zasięgu strumieni powietrza nawiewanego dla istniejących i eksploatowanych instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych wymaga znajomości parametrów pracy tych instalacji, co najmniej takich jak (dane wymagane do wprowadzenia np. w programie ProAir):

• strumień objętości powietrza nawiewanego,
• jego temperatura,
• temperatura powietrza w pomieszczeniu,
• model elementu nawiewnego.

Oprogramowanie CFD

Computational Fluid Dynamics, czyli numeryczna mechanika płynów, rozwiązuje problemy przepływu płynów rzeczywistych za pomocą metod numerycznych.

Oprogramowanie CFD umożliwia przybliżanie rzeczywistych rozkładów temperatury, prędkości, ciśnienia dla skomplikowanych układów, w których następuje przepływ płynów rzeczywistych.

Modelowanie przepływu płynów za pomocą oprogramowania typu CFD umożliwia uwzględnienie ich właściwości, takich jak: lepkość, ściśliwość i zachodzące z ich udziałem reakcje fizyczne oraz chemiczne.

Jednym z takich programów jest Ansys Fluent, który umożliwia modelowanie przepływu, turbulencji, wymiany ciepła i reakcji z otoczeniem dla skomplikowanych układów płynów rzeczywistych: gazów i cieczy (rys. 3 - Model przepływu strumienia powietrza nawiewanego zbudowany za pomocą programu Ansys Fluent).

Oprogramowanie tego typu może być wykorzystane do modelowania całej instalacji nawiewnej lub wyłącznie elementu nawiewnego oraz pomieszczenia, co pozwala na określenie parametrów powietrza nawiewanego w miarę jego rozprzestrzeniania się w pomieszczeniu, w tym zasięgu i rozkładu prędkości.

Budowanie tego typu komputerowych modeli jest czasochłonne i wymaga dokładnego określenia parametrów strumienia nawiewanego (np. strumień objętości powietrza nawiewanego, jego temperatura, budowa i lokalizacja nawiewnika) oraz cech pomieszczenia wpływających na rozprzestrzenianie się strumienia (np. temperatura, ciśnienie, układ funkcjonalny).

Wykorzystanie oprogramowania CFD do sprawdzania zasięgu strumieni powietrza nawiewanego rzeczywistych układów nawiewnych niesie za sobą konieczność bardzo dobrej znajomości parametrów pracy tych układów i cech pomieszczeń, w których są one zainstalowane.

Metody pomiarowe

W rzeczywistości, gdy konieczny jest pomiar rozkładu prędkości lub zasięgu strumienia powietrza nawiewanego dla eksploatowanych układów wentylacyjnych lub klimatyzacyjnych, najprostsze jest zastosowanie różnego rodzaju metod pomiarowych (rys. 4 - Metody obrazowania i pomiaru zasięgu strumienia powietrza). Stosuje się najczęściej pomiary prędkości przepływu powietrza za pomocą anemometrów, dla strumieni nieizotermicznych (chłodzących lub ogrzewających) można stosować też pomiary temperatury. Głównymi ograniczeniami stosowania tego typu metod do analizy rozchodzenia się strumienia powietrza są:

• konieczność wykonywania wielu punktowych pomiarów,
• w przypadku badania zasięgu strumieni o kierunku innym niż pionowy konieczność „poszukiwania” drogi rozchodzenia się strumienia poprzez kolejne pomiary,
• trudności badania niestabilnych układów nawiewnych (przy zmiennej w czasie wydajności i temperaturze nawiewu).

Drugą grupą są metody dymowe, które polegają na obserwacji przepływu generowanego przez specjalne wytwornice dymu.

Zastosowanie metod dymowych jest w praktyce łatwe i pozwala ocenić kierunek przepływu powietrza. Metody te są szczególnie często stosowane do sprawdzania poprawności działania instalacji oddymiających (pod kątem kierunku przepływu głównych strumieni powietrza oraz ilości transportowanego powietrza, np. dla oceny poprawnie zaprojektowanej lokalizacji i liczby wentylatorów oddymiających).

Stosowanie metod dymowych do oceny zasięgu strumienia powietrza nawiewanego cechuje się także:

• znacznie łatwiejszym niż w metodach pomiaru prędkości przepływu i temperatury wyznaczaniem kierunku rozchodzenia się strumienia powietrza nawiewanego,
• koniecznością subiektywnej oceny, czy sposób rozchodzenia się dymu w obszarze zamierania strumienia nawiewanego ma związek z samym strumieniem, czy z innymi czynnikami (np. wyporem termicznym powietrza w pomieszczeniu).

Termografia w pomiarach zasięgu strumienia powietrza

Wskazane powyżej ograniczenia wymuszają w niektórych przypadkach stosowanie alternatywnych metod pomiarowych. Jedną z nich jest pomiar termograficzny (rys. 5 - Rozkład temperatury w strumieniu powietrza wypływającego z klimatyzatora typu split), który pozwala na:

• równoczesne badanie rozkładu temperatury strumienia w całym jego przekroju wzdłużnym bez konieczności wykonywania wielu pomiarów punktowych,
• precyzyjne określenie kierunku rozchodzenia się strumienia powietrza bez konieczności wykonywania wielu punktowych pomiarów.

Zastosowanie metody termograficznej wymaga ustawienia w osi strumienia płaskiego materiału, który przyjmie w przybliżeniu temperaturę powietrza nawiewanego i umożliwi pomiar termograficzny (rys. 6 - Pomiar prędkości przepływu i temperatury powietrza przy powierzchni folii). Ważne jest, by materiał ten:

• nie powodował wyhamowania ani poślizgu strumienia na swojej powierzchni,
• umożliwiał łatwy termograficzny pomiar rozkładu temperatury, miał jednorodną powierzchnię na całej długości,
• miał niewielką pojemność cieplną, czyli możliwie szybko przyjmował temperaturę powietrza nawiewanego,
• miał małą refleksyjność, czyli nie powodował przekłamań termograficznego odczytu spowodowanych odbitym promieniowaniem otoczenia.

Pilotażowe badanie zasięgu strumienia metodą termograficzną

Dla przeprowadzonego pilotażowego badania możliwości zastosowania metody termograficznej do określania zasięgu strumienia powietrza sformułowano następujące cele:

• potwierdzenie korelacji pomiędzy temperaturą a prędkością przepływu na drodze strumienia nieizotermicznego,
• sprawdzenie wpływu przecięcia strumienia nawiewnego przez element do termograficznego pomiaru temperatury na właściwości tego strumienia oraz zaproponowanie materiału odpowiedniego do takiego zastosowania,
• porównanie wyników uzyskanych metodą termograficzną z wynikami badań metodami klasycznymi (punktowe pomiary prędkości i temperatury).

Przeanalizowano przypadek pionowego strumienia ogrzewającego z nawiewnika sufitowego instalacji wentylacyjnej o następujących parametrach:

• okalizacja badanego układu: Dom Pasywny Politechniki Poznańskiej,

• temperatura w pomieszczeniu T_ot = 27,7–29,3°C (przyrost temperatury w trakcie badań na skutek braku chłodzenia – pomiary wykonywano w okresie letnim),

• temperatura powietrza nawiewanego T_n = 46°C,

• strumień nawiewany 

• nawiewnik: dysza o kołowym przekroju wylotowym,

• prędkość na wylocie z nawiewnika w_max = 1,8 m/s.

Badanie obejmowało:

• sprawdzenie łatwo dostępnych materiałów do termograficznego odczytu temperatury (polietylenowa folia budowlana o grubości 0,2 mm oraz poliestrowa firana),
• zmierzenie prędkości ruchu powietrza w pomieszczeniu niewywołanego działaniem nawiewu (pomiar anemometrem przy wyłączonej instalacji wentylacyjnej): wmin = 0,1 m/s. Przyjęto, że w punkcie, w którym odnotowano taką prędkość, znajduje się koniec zasięgu strumienia powietrza nawiewanego,
• analizę wpływu umieszczenia folii oraz firany pod nawiewnikiem na właściwości strumienia. Sprawdzenia dokonano, mierząc metodami tradycyjnymi (termoanemometrem) rozkład prędkości i temperatury przy powierzchni folii oraz porównując uzyskane wartości z właściwymi dla naturalnych warunków (bez folii),
• ocenę uzyskanych wyników pomiarów, analizę czasochłonności i dokładności wyników pomiarów termograficznych i porównanie z klasycznymi pomiarami.

Wyniki pomiarów zestawiono na rys. 7 (Sprawdzenie wpływu przecięcia strumienia nawiewanego przez folię i firanę na rozkład jego prędkości) i rys. 8 (Sprawdzenie wpływu przecięcia strumienia nawiewanego przez folię i firanę na rozkład jegotemperatury).

Wnioski z przeprowadzonych badań:

• istnieje wyraźna korelacja pomiędzy rozkładem prędkości i temperatury powietrza na drodze strumienia nawiewanego (porównanie rys. 7 i rys. 8),
• zarówno rozkład prędkości (rys. 7), jak i temperatury (rys. 8) są podobne w warunkach naturalnych oraz w przypadku przecięcia strumienia polietylenową folią budowlaną. W strefie zamierania strumienia wartości prędkości i temperatury są bardzo zbliżone – folia nie ma znaczącego wpływu na zmianę zasięgu strumienia.

Poliestrowa firana umieszczona wzdłuż biegu głównego strumienia powietrza nawiewanego powoduje znaczne wyhamowanie strumienia i nie może być stosowana do pomiarów tego typu,

• zasięg strumienia odczytany termograficznie z powierzchni folii (rys. 10) jest zgodny z określonymi przy zastosowaniu punktowych pomiarów prędkości przepływu (rys. 7) i temperatury (rys. 9 - Zestawienie wyników pomiarów zasięgu powietrza różnymi metodami) – wyniki pomiarów uzyskane różnymi metodami przedstawiono w tabeli 1 - Rozkład prędkości w osi nawiewnika odczytany z termogramu (wzdłuż linii naniesionej na termogram).

Zastosowanie metody termograficznej badania zasięgu strumienia powietrza w budynku biurowym

Metodę termograficzną zastosowano do określenia zasięgu strumienia powietrza z nawiewnika ogrzewania powietrznego w pomieszczeniu, w którym zgłaszano niewłaściwe działanie powietrznej instalacji grzewczo-wentylacyjnej.

Uzyskany obraz termograficzny (rys.  10 - Rozkład prędkości w osi nawiewnika odczytany z termogramu (wzdłuż linii naniesionej na termogram) i rys. 11 - Pomiar termograficzny zasięgu strumienia powietrza w budynku biurowym) jednoznacznie ilustruje niewielki zasięg strumienia powietrza (ok. 40 cm). Pomiar wykonano z wykorzystaniem dodatkowej przegrody z papieru.

Podsumowanie

Przeprowadzone badania dowodzą szeregu pozytywnych aspektów związanych z zastosowaniem termografii do określania zasięgu strumienia powietrza:

• jest to metoda mniej czasochłonna niż punktowe pomiary prędkości lub temperatury,
• pozwala szybko oszacować kierunek rozchodzenia się strumienia (szczególnie przydatne w przypadku strumieni o kierunku ukośnym),
• umożliwia łatwe określenie nie tylko długości (zasięgu) strumienia, ale też jego szerokości w miarę rozchodzenia się strumienia od nawiewnika.

Należy jednak mieć na uwadze pewne ograniczenia:

• możliwość badania wyłącznie strumieni nieizotermicznych,
• brak możliwości zastosowania do badania strumieni powietrza z nawiewników wirowych,
• wymagany staranny montaż stanowiska pomiarowego – równolegle do kierunku przepływu powietrza,
• konieczność odpowiedniego doboru materiału do termograficznego odczytu temperatury,
• wskazane potwierdzenie uzyskanych metodą termograficzną wyników innymi sposobami (np. pojedynczy, punktowy pomiar prędkości we wskazanej termograficznie granicy zasięgu strumienia).

Termograficzna metoda pomiaru zasięgu strumienia powietrza jest szybką i praktyczną metodą pomiarową. Zaprezentowane w artykule wyniki badań są obiecujące, potwierdzają przydatność tej metody do zastosowań inżynierskich w praktyce.

Konieczne są dalsze badania mające na celu opracowanie wytycznych dotyczących przeprowadzania pomiarów zasięgu strumienia powietrza metodą termograficzną.

Literatura

1.  Hendiger J., Ziętek P., Chludzińska M., Wentylacja i klimatyzacja – materiały pomocnicze do projektowania, Venture Industries Sp. z o.o., Warszawa 2011.
2.  Malicki M., Wentylacja i klimatyzacja, PWN, Warszawa 1974.
3.  Nowak H., Zastosowanie badań termowizyjnych w budownictwie, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2012.
4. Pawlak F., Zastosowanie termografii do określania zasięgu strumienia powietrza, praca magisterska WBiIŚ, Politechnika Poznańska, Poznań 2013.
5. Recknagel H., Sprenger E., Schramek E.R., Kompendium Ogrzewnictwa i Klimatyzacji, OMNI SCALA, Wrocław 2008.
6.  Wróbel A., Termografia w pomiarach inwentaryzacyjnych obiektów budowlanych, Wydawnictwa AGH, Kraków 2010.
7. Chludzińska M., Bogdan A., Ocena przepływu powietrza z nawiewnika wentylacji indywidualnej za pomocą termowizji, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 2/2010.
8.  http://www.ansys.com/Products/Simulation+ Technology/Fluid+Dynamics/Fluid+Dynamics+Products/ANSYS+CFD+Professional.
9. www.swegon.com/pl/Materiay/Programy-doboru/ProAir.
10.  www.trox.pl/pl/products/epf2.
11.  www.dantecdynamics.com.
12.  www.youtube.com/watch?v=oT5W6DhH23k.
13. www.infohost.nmt.edu/~mjh/Res-Optical.html.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!