Organizacja wymiany powietrza

Obecny stan techniki klimatyzacyjnej i wentylacyjnej pozwala przygotować powietrze o dowolnych parametrach, rozwiązać najbardziej skomplikowane układy instalacji i powiązać je z urządzeniami automatycznej regulacji oraz z aparaturą kontrolno-pomiarową. Natomiast trudno uzyskać prawidłowy i efektywny rozdział powietrza w pomieszczeniu. Tu wymagane jest duże doświadczenie zawodowe.

Przy wyborze organizacji wymiany powietrza projektant powinien indywidualnie analizować każdy przypadek i brać pod uwagę m.in. następujące czynniki:

• prędkość wypływu powietrza z otworu nawiewnego,
• różnicę temperatur miedzy powietrzem nawiewanym a wewnątrz pomieszczenia,
• strukturę strumienia nawiewanego, która jest zależna od konstrukcji i kształtu otworu nawiewnego,
• usytuowanie i kształt otworów wywiewnych w pomieszczeniu,
• przestrzenne ukształtowanie pomieszczenia (pod względem architektoniczno-budowlanym),
• wyposażenie pomieszczenia pod względem technologicznym (aparatura, urządzenia, oświetle nie, meble itp.),
• równomierność rozłożenia źródeł wydzielających zanieczyszczenia (ciepło, wilgoć),
• usytuowanie urządzeń technologicznych wywołujących niezależny ruch powietrza w pomieszczeniu.

Nie sposób przedstawić w prostej formie wpływu wszystkich wymienionych czynników na przepływ i stopień mieszania się powietrza. Rozdział powietrza i sposób jego nawiewu oprzeć trzeba o podstawy teoretyczne oraz wyniki badań i analiz z eksploatacji podobnych układów. Prawidłowy rozdział powietrza nawiewanego powinien zapewnić w zależności od wymagań technologicznych w pomieszczeniu, obszarze, strefie czy na stanowisku roboczym zadane warunki mikroklimatu, tj. temperatury powietrza, jego wilgotności i prędkości ruchu.

Organizacja wymiany powietrza typu dół – góra

Przepływ powietrza w pomieszczeniu dół – góra oznacza nawiew powietrza do strefy dolnej i usuwanie go ze strefy górnej (rys. 1 a i b). Powietrze o względnie niskiej temperaturze nawiewane jest na poziomie podłogi z małą prędkością, bliską prędkości zalecanej dla warunków komfortu w strefie przebywania ludzi (0,25 ÷ 0,4 m/s) i rozprzestrzenia się po całym pomieszczeniu na tym poziomie.

Temperatura powietrza nawiewanego powinna się różnić od wymaganej temperatury komfortu nie więcej niż o 2÷3 K. Powietrze doprowadzane do strefy przypodłogowej, napotykając źródła ciepła, ogrzewa się i unosi, asymilując nadmiar ciepła. Wywiew powietrza następuje z górnej części pomieszczenia. W celu odprowadzenia dużych jednostkowych zysków ciepła pojawiających się w pracowniach komputerowych, trzeba do pomieszczenia doprowadzić większe strumienie powietrza nawiewanego, bądź nawiewać je o odpowiednio niższej temperaturze.

Przy tej organizacji wymiany powietrza należy jednak brać pod uwagę, że w przypadku umieszczenia otworów nawiewnych w ścianach, w niewielkiej odległości od podłogi, istnieje niebezpieczeństwo, że dolne części ciała osób przebywających w pomieszczeniu narażone będą na przepływ zimnego powietrza. Może to powodować nieprzyjemne odczucie przeciągu. Natomiast zastosowanie nawiewników podłogowych pociąga za sobą niebezpieczeństwo gromadzenia się w nich kurzu i innych zanieczyszczeń pyłowych wnoszonych przez użytkowników do pomieszczeń. Stosowanie takiego systemu wymaga często zbudowania podwójnej podłogi. W literaturze prezentowany jest pogląd, że systemy wentylacji wyporowej mają zastosowanie przy obciążeniu chłodniczym do 40÷50 W/m² [1]. Zgodnie z innym źródłem [2] system ten z powodzeniem może być stosowany w pomieszczeniach o zyskach ciepła sięgających 30÷80 W/m². Natomiast wg [3] maksymalne jednostkowe obciążenia cieplne, możliwe do zasymilowania przez system wentylacji wyporowej, wynoszą 40 W/m².

Niestety w pracowniach komputerowych zagęszczenie sprzętu komputerowego i osób na niewielkiej powierzchni powoduje, że jednostkowe zyski ciepła często znacznie przekraczają 120 W/m². Tak duże obciążenia chłodnicze zwykle wymagają dodatkowego systemu chłodzenia. Asymilacja wyższych obciążeń przez wentylację wyporową jest możliwa w przypadku pomieszczeń wysokich, o niskich wymaganiach co do strumienia powietrza zewnętrznego lub w przypadku zastosowania bardzo dużych nawiewników.

Możliwe jest także użycie dodatkowych urządzeń w postaci wentylokonwektorów (z pośrednim czynnikiem chłodzącym – ziębiwem) bądź klimatyzatorów (z bezpośrednim odparowaniem czynników niskokrzepnących – ziębników, znanych potocznie jako freony) w celu odebrania zbędnych zysków ciepła z pomieszczenia.

Organizacja wymiany powietrza typu góra – góra

Przepływy powietrza w pomieszczeniu góra – góra uzyskuje się, gdy nawiew i wywiew zlokalizowane są w strefie górnej pomieszczenia (rys. 2 a, b, c i d). Układ ten może mieć zastosowanie w przypadku znacznych zysków ciepła w pomieszczeniach , w których istnieje możliwość nawiewania powietrza z dużą różnicą temperatur. Wówczas chłodne powietrze opada do strefy dolnej, podgrzewa się, a następnie unosi się do strefy górnej w obszar wywiewu.

Powietrze nawiewane jest przeważnie spod sufitu z prędkością początkową 2÷6 m/s, co pozwala uzyskać równomierny przepływ powietrza z góry ku dołowi oraz indukcję powietrza z pomieszczenia. Po częściowej asymilacji ciepła w strefie roboczej pomieszczenia powietrze, wspomagane prądami konwekcyjnymi, unoszone i wywiewane jest z obszaru podstropowego. System ten daje lepsze rezultaty podczas dostarczania powietrza chłodniejszego niż powietrze znajdujące się pomieszczeniu.

Rozwiązanie to jest korzystne w pomieszczeniach wymagających ochładzania przez cały rok. Umieszczenie otworów wywiewnych ponad strefą przebywania ludzi pozwala często na przyjęcie większych wartości przyrostu temperatury powietrza w pomieszczeniu, a tym samym wentylowania pomieszczenia mniejszym strumieniem powietrza.

W niskich pomieszczeniach zastosowanie tego systemu może być ograniczone ze względu na krótką drogę od nawiewnika do górnej granicy strefy przebywania ludzi. Dłuższa droga strugi powietrza daje lepsze warunki asymilacji ciepła. Przy nawiewie do strefy górnej powietrze przepływa przez całą wysokość pomieszczenia, po drodze pochłaniając wydzielane w pomieszczeniu ciepło i, już jako podgrzane, napływa do strefy przebywania ludzi.

Powietrze nawiewane, na skutek intensywnego mieszania się z powietrzem w pomieszczeniu, osiąga temperaturę niewiele różniącą się od średniej temperatury w strefie przebywania ludzi (max. 2 K). Prędkość zalecana dla uzyskania warunków komfortu w strefie przebywania ludzi powinna wynosić od 0,15 do 0,35 m/s. Ponadto układ taki może być stosowany, w przypadku gdy nie ma możliwości zlokalizowania elementów nawiewnych w dolnej strefie. Istotne jest takie usytuowanie elementów nawiewnych i wywiewnych, aby uniknąć zjawiska tzw. martwych stref i krótkiego spięcia strumieni powietrza nawiewanego z wywiewanym.

W okresie letnim, gdy wymagane jest chłodzenie, układ pozwala nawiewać powietrze o temperaturze 5÷10°C niższej od temperatury powietrza w strefie przebywania ludzi. W okresie zimowym można natomiast wykorzystywać wewnętrzne zyski ciepła na podgrzewanie powietrza nawiewanego, co wpływa na zmniejszenie zapotrzebowania ciepła w nagrzewnicach. W okresie letnim mieszanie chłodnego powietrza nawiewanego z cieplejszym wewnętrznym, a w okresie zimowym bardziej nagrzanego powietrza nawiewnego z chłodniejszym wewnętrznym, ma za zadanie wywołać w strefie roboczej pomieszczenia wtórnych prądów powietrza dających odczucie świeżości.

Rozmieszczenie elementów nawiewnych i wywiewnych w części podstropowej nie ogranicza zmian wystroju oraz funkcji pomieszczenia i zapewnia prawidłowe kształtowanie mikroklimatu w sali, a elementy nawiewne oraz wywiewne nie zostają przesłonięte elementami wyposażenia pracowni komputerowej. Ponadto górne doprowadzenie i odprowadzenie powietrza wymaga zazwyczaj mniejszych nakładów budowlanych, niż ma to miejsce przy nawiewie od dołu. Przy takim przepływie powietrza należy zwracać szczególną uwagę na sposób wykończenia stropu, czy w pomieszczeniu występują belki, podciągi, kasetony, kinkiety oświetleniowe itp.

Zapewnienie przepływu powietrza w pomieszczeniu z wentylacją mieszającą bez odczuwania przeciągów jest możliwe, gdy maksymalne jednostkowe obciążenia cieplne do zasymilowania wynoszą od 100 do 120 W/m2 [3]. Przy stosowaniu kratek nawiewnych zasięg strumienia nie powinien przekraczać 0,75 s (s – wymiar poprzeczny, szerokość pomieszczenia). W przeciwnym razie następuje szybki ześlizg strumienia po ścianie, co osoby przebywające w pomieszczeniu odczuwać będą jako przeciąg.

Zasilanie dwustronne stosuje się, gdy stosunek s/h przekracza 2,5 ÷ 3,0 [4]. W przypadku gdy straty ciepła są w znacznej części lub całkowicie pokrywane przez grzejniki ustawione pod oknami, jest rzeczą obojętną, czy otwory nawiewne są usytuowane przy ścianie wewnętrznej, czy zewnętrznej. Jeżeli natomiast zadanie ogrzania pomieszczenia spoczywa wyłącznie na urządzeniu wentylacyjnym, należy powietrze nawiewać od ściany wewnętrznej ku zewnętrznej, a zasięg strumienia zwiększyć do 0,9 s.

W ten sposób kompensuje się efekt niekorzystnego zjawiska, jakim jest szybkie opadanie powietrza ochłodzonego przez zimne ściany lub okna. Wskutek dużej masy ciepłego powietrza omywającego ścianę zewnętrzną temperatura opadającego strumienia jest dostatecznie wysoka, aby – mimo jego szybkiego ruchu ku dołowi – nie wywoływać wrażenia przeciągu.

Organizacja wymiany powietrza typu góra – dół

Ten sposób wymiany powietrza w pomieszczeniu uzyskuje się dzięki nawiewaniu powietrza do strefy górnej i usuwaniu go ze strefy dolnej (rys. 3a i b). Powietrze nawiewane jest z obszaru podstropowego elementami nawiewnymi odznaczającymi się wysoką indukcyjnością i burzliwością. Strugi nawiewne muszą posiadać energię niezbędną do przeciwdziałania prądom konwekcyjnym powstającym w pomieszczeniu. W fazie początkowej ruch powietrza zbliżony jest i posiada znamiona przepływu typu góra – góra.

Temperatura dostarczanego powietrza uzdatnionego, dzięki intensywnemu mieszaniu się strumieni powietrza nawiewanego i z pomieszczenia, zbliżona jest do średniej temperatury w strefie przebywania ludzi. Podobnie jest z prędkością powietrza dostarczanego do pomieszczenia.

W strefie przebywania ludzi osiąga ona wartość 0,25 m/s ± 0,1 m/s. Ruch powietrza od góry do dołu jest szeroko stosowany także z uwagi na możliwości, jakie daje zastosowanie sufitów perforowanych. Powietrze nawiewanie, przechodząc przez perforacje w suficie, miesza się intensywnie z powietrzem pomieszczenia, a skutkiem tego mieszania jest znaczny spadek prędkości strumienia i szybkie zrównywanie się temperatury powietrza nawiewanego ze średnią temperaturą powietrza w pomieszczeniu. Niestety organizacja wymiany powietrza z góry na dół sprzeciwia się prawom fizyki, gdyż zużyte powietrze, po zasymilowaniu zysków ciepła i wilgoci od ludzi i innych źródeł, ma naturalną tendencję do unoszenia się ku górze. Istnieje jeszcze kilka przesłanek stosowania danego systemu organizacji wymiany powietrza. Jeżeli otwory nawiewne są umieszczone w ścianie, to otwory wywiewne powinny być usytuowane w tej samej ścianie, a nie w ścianie przeciwległej, gdyż wtedy znaczna cześć strefy przebywania ludzi znalazłaby się w obszarze niezasilanym powietrzem nawiewanym (świeżym).

Przy chłodzeniu pomieszczenia lepsze rezultaty otrzymuje się, jeżeli otwory wywiewne są usytuowane nie w dole, przy podłodze, lecz wyżej, ponad strefą przebywania ludzi, a w pomieszczeniach niskich – tuż pod otworami nawiewnymi. Jeżeli urządzenie spełnia w okresie zimnym rolę ogrzewania powietrznego, otwory wywiewne należy umieszczać jak najniżej, przy podłodze.

Podsumowanie

Analiza rozpływu powietrza w pomieszczeniach wskazuje, że – ze względów technicznych i ekonomicznych – najbardziej uzasadnione jest doprowadzanie „świeżego” powietrza bezpośrednio do strefy przebywania ludzi. Takie rozwiązanie determinuje wybór organizacji wymiany powietrza typu dół – góra. W tym przypadku ruch powietrza wspomagany jest przez naturalne zjawisko konwekcji swobodnej.

Uzdatnione powietrze doprowadzane jest przez nawiewniki bezpośrednio do strefy pracy. Nawiew ten realizowany jest przez nawiewniki wyporowe umieszczone w podłodze lub wzdłuż ścian (rys. 1a i 1b).

W przypadku sal komputerowych takie rozwiązanie, zgodne z wymogami komfortu cieplnego, może być trudne do realizacji, zwłaszcza z uwagi na ograniczenia architektoniczno-budowlane związane z prowadzeniem instalacji powietrznych oraz z instalowaniem elementów nawiewnych. Często na niewielkiej powierzchni zainstalowanych jest kilkanaście komputerów, a wysokość pomieszczeń nie przekracza 3÷3,5 m. W takiej sytuacji instalowanie dodatkowej podłogi, do wykonania przestrzeni potrzebnej do prowadzenia instalacji powietrznych, może być niedopuszczalne z uwagi na konieczność zachowania wysokości pomieszczenia wymaganej przez przepisy.

Ponadto trudne jest w praktyce zachowanie czystości podłóg, tak aby nawiewane powietrze nie porywało cząstek pyłu, zwłaszcza w przypadku pomieszczeń użyteczności publicznej. Trudna może być też lokalizacja elementów nawiewnych, przez które należy doprowadzić powietrze w obszarze podłogi, w taki sposób, by nie wywoływać dyskomfortu (a zwłaszcza uczucia przeciągu) u ludzi.

Nawiew powietrza z góry ku dołowi może być niekorzystny, gdy powietrze nawiewane miesza się z unoszonymi konwekcyjnie strumieniami powietrza „zużytego” (powietrza, które zasymilowało ciepło i wilgoć od ludzi oraz z innych źródeł). Zgodnie z prawami fizyki ciepłe powietrze ma naturalną tendencję do unoszenia się ku górze. Możliwe jest jednak takie rozwiązanie elementów nawiewnych i takie rozmieszczenie nawiewników i wywiewników w pomieszczeniu, aby wykorzystane zostały prądy konwekcyjne od ludzi i komputerów, a odczucia cieplne wszystkich użytkowników były poprawne.

Taką możliwość daje m.in. oryginalny nawiewnik sufitowy własnej konstrukcji [5] z ograniczoną, odpowiednio kierowaną strugą powietrza, przewidziany dla organizacji wymiany typu góra – góra (fot. 1). Nawiewnik ten umożliwia doprowadzenie zwartego, ograniczonego strumienia powietrza nawiewanego do strefy przebywania ludzi, co powoduje spadek intensywności jego mieszania się z powietrzem w pomieszczeniu.

Strumień nawiewny zostaje jednak wyhamowany przed strefą przebywania ludzi, tak że w strefie tej powstaje niestacjonarny, trójwymiarowy, „dyfuzyjny” przepływ powietrza. Pomimo że wypływające z części środkowej nawiewnika strumienie powietrza odznaczają się wysoką indukcyjnością i wyraźną turbulencją, ograniczone są szczelinami nawiewnymi zapobiegającymi rozprzestrzenianiu się strumieni na głowy użytkowników.

W ten sposób strumień powietrza doprowadzony zostaje nad podłogę w niezmienionej formie geometrycznej, bez rozprzestrzeniania się na boki i tym samym ma miejsce tylko niewielkie podsysanie powietrza z pomieszczenia (fot. 2). Po dotarciu do podłogi strumień powietrza zaczyna się ścielić po podłodze, a napotykając na źródła ciepła, asymiluje ich nadmiar i wspomagany strumieniami konwekcyjnymi unosi się do góry, wprost do instalacji wywiewnej (patrz rys. 2d).

Takie działanie tego nawiewnika zostało potwierdzone badaniami w warunkach rzeczywistych [6]. Przez nawiew powietrza do strefy pomieszczenia o najmniejszych jednostkowych zyskach ciepła oraz jego wywiew znad skupionych źródeł ciepła wykorzystane mogą być zalety wentylacji wyporowej i organizacji wymiany powietrza typu dół – góra. Uzyskany w taki sposób ruch powietrza daje dobre rezultaty w kształtowaniu mikroklimatu pomieszczeń o zmiennych i dużych obciążeniach cieplnych.

Jako rozwiązanie alternatywne do najczęściej projektowanych układów z nawiewnikami przypodłogowymi proponuje się system organizacji wymiany powietrza z prototypowym nawiewnikiem sufitowym z ograniczoną, odpowiednio kierowaną strugą powietrza, oryginalnej konstrukcji [5]. Taka organizacja przepływu powietrza pozwala na asymilację ciepła podobną jak dla wentylacji mieszającej, spełniając jednocześnie, w obszarze stanowisk pracy i ciągłego przebywania ludzi, zalety systemu wyporowego.

Literatura

1. Hamilton S. D., Roth K. W., Brodrick J., Displacement Ventilation, ASHRAE Journal 09/2004.
2. Przydróżny S., Wentylacja, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1991.
3. Halupczok J., Nawiewniki wyporowe w pomieszczeniach o podwyższonym komforcie cieplnym, „Rynek Instalacyjny” 03/2004.4. Przydróżny S., Ferencowicz J., Klimatyzacja, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1989. 
4. Besler G. J., Zając A., Badania prototypu nawiewnika sufitowego z ograniczoną, odpowiednio kierowaną strugą powietrza, XII International Conference „Air & Heat”, Szklarska Poręba 2008.
5. Zając A., Kształtowanie parametrów powietrza w pomieszczeniach o znacznych, skupionych zyskach ciepła, praca niepublikowana, kwiecień 2008.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!