Nawiewniki powietrza w wentylacji i klimatyzacji

Nawiewnik powietrza zgodnie z definicją zamieszczoną w normie PN-EN 12792:2006 [5] to uzbrojony otwór, przez który powietrze dopływa do obsługiwanego pomieszczenia. Jego konstrukcja ma zapewnić utrzymanie określonych warunków komfortu w zakresie temperatury, prędkości, wilgotności powietrza i poziomu dźwięku w strefie przebywania ludzi. Natomiast wywiewnik to urządzenie, przez które powietrze opuszcza obsługiwane pomieszczenie.

Pojęciem nierozerwalnie związanym z nawiewnikami, wywiewnikami i ich pracą jest tzw. rozdział powietrza, czyli rozprowadzenie powietrza w sposób zapewniający określone warunki, takie jak wielkość wymiany powietrza, ciśnienie, czystość, temperatura, wilgotność, prędkość powietrza i poziom dźwięku, w określonej strefie tego pomieszczenia, osiągane zazwyczaj za pomocą nawiewników i wywiewników, które tworzą wspólnie granice między obsługiwanym pomieszczeniem i systemem rozprowadzenia powietrza [5].

Projektant, rozważając wybór metody rozdziału powietrza w pomieszczeniu, powinien uwzględnić oprócz konieczności zapewnienia oczekiwanych parametrów w strefie przebywania użytkowników także efektywność wentylacji, uznawaną za miarę stopnia, w jakim usuwane są zanieczyszczenia [11].

Rodzaje przepływu powietrza

Dla budynków użyteczności publicznej, zwanych komfortowymi, rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje przepływów powietrza w pomieszczeniach warunkujące dobór odpowiedniego nawiewnika powietrza: przepływ mieszający i przepływ wyporowy.

Zadaniem przepływu mieszającego jest możliwie szybkie i równomierne rozcieńczenie zanieczyszczeń w całej kubaturze pomieszczenia i szybkie ich z niego usunięcie. Powietrze nawiewane jest z dość znaczną prędkością, czego skutkiem jest wprawienie w ruch praktycznie całego powietrza w pomieszczeniu.

W takim rozwiązaniu wentylacji nie występuje stratyfikacja warstw powietrza, ale uzyskuje się w miarę jednorodne stężenia zanieczyszczeń powietrza i wartości temperatury. W odróżnieniu od wentylacji wyporowej wentylacja mieszająca stosowana jest zarówno do chłodzenia, jak i ogrzewania, a wentylacji podlega całe pomieszczenie.

W obiektach użyteczności publicznej w trakcie pracy wentylacji wyporowej powietrze o temperaturze niższej od temperatury powietrza wewnętrznego nawiewane jest z niską prędkością na poziomie podłogi (w obiektach produkcyjnych i przemysłowych stosuje się inne rodzaje nawiewników wyporowych – usytuowane nad stanowiskiem pracy z nawiewem nad głowami pracowników) w sposób niskoburzliwy. W obiektach produkcyjnych i przemysłowych stosuje się inne rodzaje nawiewników wyporowych – usytuowane nad stanowiskami pracy z nawiewem nad głowami pracowników.

Realizując przepływ wyporowy powietrza, celowo wytwarza się w pomieszczeniu dwie strefy: o czystym powietrzu, znajdującą się w dolnej części pomieszczenia, i o powietrzu zanieczyszczonym – w górnej części. Wysokość strefy czystej, określana od poziomu podłogi, wynika z założeń projektowych dotyczących sposobu przebywania i pracy ludzi – w pozycji siedzącej (wysokość strefy 1,1 m) lub stojącej (1,8 m). W rzeczywistości tylko w tej strefie zapewnia się warunki komfortu, co powoduje zmniejszenie dostarczanej ilości energii chłodniczej w porównaniu z wentylacją mieszającą.

Uzdatnione powietrze wtłaczane jest z niewielką prędkością do dolnej części pomieszczenia, a następnie rozprzestrzenia się tuż nad poziomem podłogi, tworząc efekt tzw. zimnego jeziora. Po natrafieniu na źródła ciepła powietrze ulega ogrzaniu i unosi się do górnej części pomieszczenia wraz ze znajdującymi się w nim zanieczyszczeniami.

W ostatniej fazie procesu ciepłe i zanieczyszczone powietrze jest usuwane z górnej części pomieszczenia przez odrębną instalację wyciągową [10]. Tym samym pojawia się w pomieszczeniu stratyfikacja zarówno stężenia zanieczyszczeń (im warstwa powietrza położona jest wyżej nad podłogą, tym większe będzie stężenie zanieczyszczeń jako konsekwencja wypierającego przepływu powietrza rozpoczynającego się od poziomu podłogi), jak i temperatury powietrza.

Skutkiem tego jest ograniczenie mieszania się zanieczyszczonego powietrza z czystym nawiewanym przez nawiewnik i w rezultacie niska koncentracja zanieczyszczeń w strefie pracy. Wadą jest możliwość powstania (przy dużych zyskach ciepła w pomieszczeniu) znacznej pionowej różnicy temperatury (gradientu) na wysokości 1,1 i 0,1 m, co zwykle oceniane jest negatywnie przez użytkowników pomieszczeń.

Stosując wentylację wyporową, uzyskuje się wysoką efektywność systemów wentylacyjnych, tzn. możliwie najniższe zanieczyszczenie powietrza w połączeniu z optymalnym komfortem cieplnym w obszarach pracy i strefie przebywania ludzi (SPL).

Trzeci rodzaj przepływu, zwany zazwyczaj laminarnym (choć preferowana w normie PN-EN 14644-4 [7] nazwa to przepływ jednokierunkowy) jest wykorzystywany w specjalistycznych obiektach o wysokich wymaganiach dotyczących czystości powietrza (np. sale operacyjne w szpitalach, pomieszczenia czyste w zakładach produkcyjnych).

W tym przypadku stosuje się inne, specjalistyczne nawiewniki, zapewniające równomierny wypływ powietrza w sposób tłokowy, w postaci równoległych strug w kierunku obszaru chronionego. Należy zaznaczyć, że w praktyce nie jest możliwe uzyskanie idealnego przepływu laminarnego, dlatego też stosuje się często nazwę przepływ quasi-laminarny.

Efektywność wentylacji

Efektywność wentylacji jest ściśle związana z jej rodzajem (mieszająca lub wyporowa) i wzajemnym rozmieszczeniem nawiewników i wywiewników w pomieszczeniu. Za pomocą tego terminu opisywana jest relacja pomiędzy stężeniem zanieczyszczeń w powietrzu nawiewanym do pomieszczenia a ich stężeniem w powietrzu wywiewanym i wewnętrznym w strefie oddychania ludzi, znajdującej się wewnątrz ich strefy przebywania. Z tego powodu efektywność wentylacji zwana jest często efektywnością usuwania zanieczyszczeń [6].

W zależności od rodzaju wentylacji, a w przypadku wentylacji mieszającej zależnie od kierunku wypływu powietrza z nawiewnika  (pionowy lub poziomy) oraz różnicy temperatury powietrza nawiewanego wewnętrznego w SPL uzyskuje się różne wartości efektywności wentylacji, zamieszczone w tab. 1. Wartość efektywności wentylacji określa się w oparciu o zależność [6]:

gdzie:

e_V – efektywność wentylacji,

C_WYW – stężenie zanieczyszczeń w powietrzu wywiewanym [mg/m³],

C_WEW – stężenie zanieczyszczeń w wewnętrznym powietrzu (w strefie oddychania znajdującej się w strefie przebywania ludzi) [mg/m³],

C_NAW – stężenie zanieczyszczeń w powietrzu nawiewanym [mg/m³].

Wartość tego wskaźnika zależy od rozdziału powietrza, lokalizacji i rodzaju źródeł zanieczyszczeń w pomieszczeniu. Efektywność może być inna dla różnych zanieczyszczeń. W przypadku całkowitego wymieszania powietrza i zanieczyszczeń wartość wskaźnika wynosi 1,0.

Na podstawie przykładowych rozwiązań rozdziału powietrza przedstawionych w tabeli 1 można zauważyć, że najlepszym rozwiązaniem jest wentylacja wyporowa doprowadzająca do pomieszczenia powietrze o temperaturze niższej od temperatury powietrza wewnętrznego. Wówczas efektywność według informacji zamieszczonych w [6] może być nawet wyższa od 2,0 (wartości maksymalnej podanej w tab. 1).

Lokalizacja nawiewników powietrza

Wybór odpowiedniego miejsca zamontowania nawiewników i ich liczba to elementy istotnie wpływające na poprawny rozpływ powietrza w pomieszczeniu, czyli jego właściwą wentylację. Na projekt rozmieszczenia nawiewników wpływ mają: kształt i wysokość pomieszczenia, jego przewidywane wyposażenie, lokalizacja drzwi i okien, elementy konstrukcyjne oraz oświetlenie, które mogłyby zakłócić prawidłowy i bezkolizyjny przepływ strumienia powietrza od nawiewnika do strefy przebywania ludzi i dalej – aż do ich strefy oddychania.

Rodzaje nawiewników powietrza i ich charakterystyka

Wentylacja mieszająca

Parametry charakteryzujące nawiewniki

Do parametrów pracy nawiewników w wentylacji mieszającej zalicza się:

• strumień powietrza nawiewanego (objętościowy lub masowy),
• temperaturę powietrza nawiewanego,
• różnicę temperatury pomiędzy powietrzem w pomieszczeniu a powietrzem nawiewanym,
• zasięg strugi powietrza nawiewanego,
• prędkość efektywną wypływu powietrza z nawiewnika,
• prędkość zamierania określaną w nawiewanej strudze powietrza,
• prędkość powietrza w strefie przebywania ludzi,
• ugięcie strugi nawiewanej,
• stopień indukcji powietrza z pomieszczenia,
• stratę ciśnienia powietrza podczas przepływu przez nawiewnik,
• poziom mocy akustycznej nawiewnika.

Klasyfikacja nawiewników

Klasyfikację można przeprowadzić w zależności od rodzaju wentylacji i jej zakresu (ogólna czy indywidualna) oraz lokalizacji nawiewników.

W wentylacji mieszającej ogarniającej całe pomieszczenie (w odróżnieniu od nawiewników miejscowych – indywidualnych) stosuje się następujące rodzaje nawiewników, zależnie od miejsca ich zamontowania:

• sufitowe,
• ścienne:
  - z tzw. oddziaływaniem sufitu (gdy odległość górnej krawędzi kratki od sufitu £  0,3 m, pojawia się efekt Coandy, czyli zjawisko przylepiania się strumienia w wyniku podciśnienia, przez co następuje wydłużenie strumienia powietrza nawiewanego) [2],
  - bez oddziaływania sufitu (odległość ³  0,8 m) [2],
  - podestowe,
  - podłogowe.

W wentylacji indywidualnej stosowane są nawiewniki fotelowe i biurkowe. Nawiewniki fotelowe mogą być montowane w nogach fotela lub w podgłówku, z nawiewem powietrza w kierunku twarzy widza z niżej usytuowanego rzędu foteli. Przykładowym nawiewnikiem fotelowym może być produkt o średnicy 100 mm stanowiący część podstawy („nogi”) zamontowanego na stałe fotela w sali teatralnej czy widowiskowej [13].

Charakteryzuje się stosunkowo małymi oporami przepływu powietrza, rzędu 5 Pa przy przepływie ok. 45 m³/h. Nawiew realizowany jest przez powierzchnię perforowaną w kierunku nóg osoby siedzącej na fotelu. Przy takim rozwiązaniu mimo indywidualnego nawiewu powietrza w kierunku widza nie ma on możliwości regulacji parametrów pracy nawiewnika.

Inaczej dzieje się w przypadku nawiewników stanowiskowych (wmontowanych w blat biurka lub znajdujących się nad monitorem komputera) z indywidualną regulacją, czyli rzeczywiście służących do indywidualnego kształtowania środowiska powietrznego bezpośrednio otaczającego człowieka.

Zapewniają one dopływ czystego powietrza do strefy oddychania użytkownika o parametrach oraz ilości zależnych od jego oczekiwań w konkretnym momencie, faktycznie zatem realizowana jest idea wentylacji indywidualnej lub personalnej (ang. personalized ventilation – PV). Takie rozwiązanie gwarantuje indywidualizację parametrów powietrza na stanowisku pracy.

Nawiewniki indywidualne są montowane w najbliższym sąsiedztwie stanowisk pracy w ilości równej liczbie pracowników. Pozostałą część pomieszczenia należy wentylować z wykorzystaniem ogólnej wentylacji mieszającej lub wyporowej w celu zapewnienia właściwych warunków osobom tam przebywającym. W tabeli 2 zamieszczono wybrane informacje dotyczące nawiewników powietrza stosowanych w wentylacji mieszającej uzyskane na podstawie kart katalogowych [2].

Poza wymienionymi w tab. 2 rodzajami nawiewników w obiektach wielkokubaturowych stosowane są dysze nawiewne i nawiewniki wirowe o długim zasięgu strumienia powietrza. Mogą być one także wykorzystywane do zastosowań specjalnych – oprócz obiektów produkcyjnych i przemysłowych, obiektów sportowych i audytoriów dysze dalekiego zasięgu bardzo dobrze sprawdzają się np. w studiach nagraniowych ze względu na swoją cichą pracę.

Wentylacja wyporowa

Parametry charakteryzujące nawiewniki

Do parametrów opisujących działanie nawiewników wyporowych należą:

• prędkość powietrza w strefie przebywania ludzi,
• prędkość efektywna nawiewu,
• temperatura powietrza nawiewanego,
• zasięg strumienia powietrza,
• strefa oddziaływania,
• stratyfikacja temperatury powietrza (tzw. gradient).

Istotnym parametrem charakteryzującym pracę wentylacji wyporowej jest, rzadko uwzględniana przy projektowaniu wentylacji mieszającej w pomieszczeniach komfortowych o typowej wysokości, temperatura powietrza usuwanego z pomieszczenia, wyższa od temperatury powietrza w pomieszczeniu nawet o 9 K.

Zgodnie z zasadą działania tego typu wentylacji o funkcji chłodzenia strugi powietrza nawiewanego chłodniejsze od powietrza w pomieszczeniu, ścielą się nad podłogą, dopóki nie napotkają źródła ciepła (np. człowieka lub emitującego ciepło urządzenia). Wówczas w sposób konwekcyjny strumienie powietrza unoszą się ku górze.

Elementy wywiewne powinny być umieszczone w górnej części pomieszczenia. Efektywność instalacji zwiększa się, gdy wywiewniki umieszczane są w pobliżu źródeł ciepła [10].

Ze względu na nawiew chłodnego powietrza w pomieszczeniu w okolicy nawiewnika wyodrębnia się strefa o niekomfortowych parametrach powietrza, zwana strefą oddziaływania strumienia powietrza (strefą bezpośrednią). Jest to obszar, który nie powinien być na stałe zajmowany przez ludzi.

W przypadku projektowania wentylacji wyporowej zakładane (obliczone) zyski ciepła w pomieszczeniu w przeliczeniu na powierzchnię podłogi nie powinny przekroczyć 30–50 W/m² [12]. W tabeli 3 zamieszczono zalecane parametry powietrza dla wentylacji wyporowej w zależności od przeznaczenia obsługiwanego pomieszczenia (komfortowe lub przemysłowe).

Zgodnie z normą PN-EN ISO 7730:2006 [9] dla zapewnienia komfortu użytkownikom średnia prędkość powietrza w strefie przebywania ludzi nie powinna przekroczyć 0,25 m/s w okresie letnim. Według PN-78/B-03421 [4] dla pracy lekkiej wykonywanej w okresie letnim maksymalna prędkość w strefie przebywania nie powinna przekraczać 0,3 m/s. W praktyce projektowej często przyjmowaną wartością jest 0,2 m/s.

Budowa nawiewników i ich rodzaje

Nawiewniki wyporowe ze względu na nawiewanie powietrza z niską prędkością (w porównaniu z wentylacją mieszającą) muszą charakteryzować się dużymi powierzchniami płaszczyzny wypływu powietrza. Jednocześnie muszą być tak skonstruowane, by zachowana była jednakowa prędkość efektywna powietrza w każdym punkcie płaszczyzny nawiewnej.

Podstawowymi elementami nawiewników wyporowych są [10]:

• duża skrzynka rozprężna z elementami do równomiernego rozprowadzenia powietrza,
• osłona maskująca nawiewnik,
• powierzchnia wypływu powietrza: blachy perforowane, włókniny lub tworzywo piankowe,
• cokół montażowy.

Nawiewniki wyporowe wykonywane są najczęściej jako:

• wolnostojące cylindryczne lub prostopadłościenne,
• półcylindryczne przylegające do ściany pomieszczenia,
• ćwierćcylindryczne i trójkątne w przekroju – do montażu w narożnikach pomieszczenia,
• płaskie – do montażu w ścianach, tak aby od strony pomieszczenia widoczna była tylko powierzchnia wypływu powietrza.

Kontrola prawidłowego nawiewu powietrza do strefy przebywania ludzi

W celu sprawdzenia poprawności pracy instalacji nawiewnej i wywiewnej w zakresie rozdziału powietrza, wielkości strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego oraz parametrów powietrza wewnętrznego, takich jak prędkość powietrza oraz jego temperatura, można wykonać pomiary wskazane w normie PN-EN 15726:2011 [8].

Norma ta odnosi się do pomiarów wybranych parametrów komfortu cieplnego i akustycznego w pomieszczeniach. Można ją stosować podczas pomiarów na placu budowy lub podczas pomiarów laboratoryjnych w skali rzeczywistej. Norma dotyczy systemów wentylacji lub klimatyzacji zaprojektowanych w celu zapewnienia warunków komfortu w budynkach. Nie stosuje się jej w przypadku systemów służących do kontroli procesów przemysłowych lub innych procesów wymagających specjalnego środowiska.

W celu określenia parametrów powietrza zgodnie z wymaganiami wskazanymi w [8] pomiary należy wykonać w warunkach zwanych rzeczywistymi, czyli tymi, dla których projektant określił strumień powietrza wentylacyjnego, opierając się na założeniach projektowych dotyczących źródeł zysków ciepła i wilgoci oraz ich wielkości. Pomiary należy rozpocząć przynajmniej po godzinie od rozpoczęcia normalnego użytkowania pomieszczenia, tak aby możliwe było uzyskanie w miarę ustabilizowanych wartości parametrów wewnętrznych.

W przypadku pomieszczeń o znacznej powierzchni planując badania, należy określić lokalizację punktów pomiarowych, dzieląc pomieszczenie na obszary o powierzchni podłogi nieprzekraczającej 20 m². Wewnątrz tak wybranego obszaru powinien znajdować się przynajmniej jeden punkt pomiarowy (zazwyczaj jest ich więcej). Pomiary wykonywane są na wysokości 1,1 m nad powierzchnią podłogi.

W normie [8] wyszczególniono dwa warianty pomiarów:

• o ograniczonym zakresie, nazwane ogólnymi,
• rozszerzone, bardziej szczegółowo uwzględniające parametry środowiska wewnętrznego – badania te wykonywane są po określeniu wartości wskazanych w wariancie ogólnym.

Badania, które należy wykonać na etapie przeprowadzania pomiarów ogólnych, to wizualizacja przepływu powietrza z zastosowaniem dymu z wytwornicy oraz pomiar temperatury powietrza w wyznaczonych punktach. Podczas przeprowadzania szczegółowych badań należy jeszcze wykonać pomiar wielkości strumienia objętości powietrza nawiewanego do pomieszczenia oraz (opcjonalnie przy dodatkowo rozszerzonym zakresie pomiarów) pomiar wielkości strumienia objętości powietrza usuwanego z pomieszczenia.

W przypadku gdy zmierzone wielkości strumieni powietrza różnią się od zaprojektowanych, dopiero po wyregulowaniu instalacji można przystąpić do dalszych pomiarów – prędkości oraz temperatury powietrza. Jako dodatkowy pomiar, istotny dla oceny komfortu cieplnego w pomieszczeniu, można wykonać badanie asymetrii promieniowania cieplnego oraz efektywności wentylacji (wzór przedstawiony wcześniej) [1].

Metody wykonywania pomiarów prędkości powietrza w pomieszczeniu i liczba punktów pomiarowych będą się różnić w zależności od typu i lokalizacji nawiewników i wywiewników. Pomiary wykonuje się na trzech wysokościach (0,1; 0,6 i 1,1 m dla pracowników siedzących oraz 0,1; 1,1 i 1,7 m dla osób stojących). Minimalna odległość pomiędzy sąsiednimi punktami pomiarowymi wynosi 2,0 m. Pomiar temperatury powietrza przeprowadza się w tych samych lokalizacjach co pomiar prędkości powietrza.

Literatura

1. Bogdan A., Pomiar parametrów powietrza w strefie przebywania ludzi wg PN-EN 15726, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” nr 5/2012.
2. Nawiewniki powietrza, www.trox.pl.
3. Nawiewniki wyporowe, karta katalogowa, Trox.
4. PN-B-03421:1978 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi.
5. PN-EN 12792:2006 Wentylacja budynków. Symbole, terminologia i oznaczenia na rysunkach.
6. PN-EN 13779:2008 Wentylacja budynków niemieszkalnych. Wymagania dotyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji.
7. PN-EN ISO 14644-4:2006 Pomieszczenia czyste i związane z nimi środowiska o kontrolowanej czystości powietrza. Część 4: Projekt, budowa i rozruch.
8. PN-EN 15726:2011 Wentylacja budynków. Rozdział powietrza. Pomiary w strefie przebywania ludzi klimatyzowanych/wentylowanych pomieszczeń, mające na celu ocenę warunków cieplnych i akustycznych (oryg.).
9. PN-EN ISO 7730:2006 Ergonomia środowiska termicznego. Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem obliczania wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów lokalnego komfortu termicznego (oryg.).
10. Poradnik wentylacji wyporowej, Gryfin.
11. Teoria, Swegon.
12. www.smay.pl.
13. www.swegon.pl.
14. Malicki M., Wentylacja i klimatyzacja, PWN, Warszawa 1980.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!