Wyznaczanie gradientu temperatury powietrza w pomieszczeniach wysokich
Defining the temperature gradient in high rooms
Urządzenie do wyznaczania gradientu temperatury powietrza w pomieszczeniach wysokich, Fot. www.sxc.hu
Wentylacja wiąże się z wymianą powietrza w pomieszczeniach. Jednak w sensie technicznym pojęcie to obejmuje całokształt zabiegów, które łącznie z wymianą powietrza pozwalają na uzyskanie jego żądanego stanu w całym pomieszczeniu lub jego części.
Zobacz także
Panasonic Marketing Europe GmbH Sp. z o.o. Agregaty z naturalnym czynnikiem chłodniczym w sklepach spożywczych
Dla każdego klienta sklepu spożywczego najważniejsze są świeżość produktów, ich wygląd i smak. Takie kwestie jak wyposażenie sklepu, wystrój czy profesjonalizm obsługi są dla niego ważne, ale nie priorytetowe....
Dla każdego klienta sklepu spożywczego najważniejsze są świeżość produktów, ich wygląd i smak. Takie kwestie jak wyposażenie sklepu, wystrój czy profesjonalizm obsługi są dla niego ważne, ale nie priorytetowe. Dlatego kwestia odpowiedniego chłodzenia jest w sklepach kluczowa, ponieważ niektóre produkty tracą przydatność do spożycia, jeśli nie są przechowywane w odpowiednio niskiej temperaturze. Do jej zapewnienia przeznaczone są między innymi agregaty wykorzystujące naturalny czynnik chłodniczy.
Panasonic Marketing Europe GmbH Sp. z o.o. Projektowanie instalacji HVAC i wod-kan w gastronomii
Ważnym aspektem, który należy wziąć pod uwagę podczas projektowania instalacji sanitarnych w obiektach gastronomicznych, jest konieczność zapewnienia nie tylko komfortu cieplnego, ale też bezpieczeństwa...
Ważnym aspektem, który należy wziąć pod uwagę podczas projektowania instalacji sanitarnych w obiektach gastronomicznych, jest konieczność zapewnienia nie tylko komfortu cieplnego, ale też bezpieczeństwa pracowników i gości restauracji. Zastosowane rozwiązania wentylacyjne i grzewczo-klimatyzacyjne muszą być energooszczędne, ponieważ gastronomia potrzebuje dużych ilości energii przygotowania posiłków i wentylacji.
ARTEKON Sklejka 18 mm
Sklejka to materiał drewnopochodny, którego arkusze powstają poprzez sklejenie kilku cienkich warstw drewna nazywanych fornirami. Arkusz najczęściej składa się z 3 lub więcej warstw forniru. Warstwy są...
Sklejka to materiał drewnopochodny, którego arkusze powstają poprzez sklejenie kilku cienkich warstw drewna nazywanych fornirami. Arkusz najczęściej składa się z 3 lub więcej warstw forniru. Warstwy są klejone między sobą żywicami syntetycznymi. Włókna sąsiednich warstw są ułożone prostopadle do siebie.
Zadaniem wentylacji ogólnej, w tym wentylacji z chłodzeniem, jest utrzymanie wymaganego stanu powietrza w całym pomieszczeniu lub jego części, w której przebywają ludzie. Wentylacja ta polega na wymianie powietrza w całym pomieszczeniu.
Usuwane jest z niego powietrze zużyte (powietrze, które wykorzystało swoje własności do asymilacji ciepła, wilgoci bądź zanieczyszczeń), a w to miejsce dostarczane jest powietrze świeże. Istotne jest kształtowanie się gradientu temperatury powietrza ponad strefą przebywania ludzi i może być ono wykorzystywane przy wentylacji ogólnej pomieszczeń.
W przypadku pomieszczeń o dominujących zyskach ciepła jawnego strumień powietrza wentylującego oblicza się ze wzoru:
gdzie:
V − strumień powietrza wentylującego [m3/s],
Qzbj(max) − maksymalne jawne obciążenie cieplne pomieszczenia [kW],
r − gęstość powietrza [kg/m3],
cp − ciepło właściwe powietrza [kJ/(kgK)],
Dtpmax − maksymalny przyrost temperatury powietrza w pomieszczeniu [K].
Dla wyznaczonego maksymalnego obciążenia cieplnego pomieszczenia oblicza się strumień powietrza wentylującego. Zatem wielkość całego układu wentylacyjnego, urządzeń i instalacji, zależy od przyjęcia maksymalnego przyrostu temperatury powietrza w pomieszczeniu. Decyduje on o kosztach inwestycyjnych i eksploatacyjnych, wielkości przestrzeni zajmowanej przez instalację i powierzchni dla urządzeń, a od strony użytkowników o warunkach kształtowanych w strefie pracy.
Przyjęcie zbyt małego przyrostu temperatury powietrza powoduje wzrost kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych, a zbyt duży powodować może niedotrzymanie wymaganych parametrów, w tym prędkości powietrza w strefie przebywania ludzi.
Od prawidłowego określenia tej wielkości zależy, czy w strefie przebywania ludzi zachowany zostanie komfort ciepła, a działanie wentylacji nie będzie powodowało niekorzystnych odczuć u użytkowników.
Analizując dostępną literaturę, zauważyć można, że zasady doboru przyrostu temperatury powietrza nawiewanego w strefie pracy, niezależnie od zastosowanego rodzaju wentylacji pomieszczenia, są jasno sformułowane i wyznaczanie tego przyrostu nie powinno stanowić trudności.
Natomiast w pomieszczeniach wysokich, w których stosowana jest wentylacja mieszająca typu góra-góra, z wywiewem powietrza w strefie podstropowej pomieszczenia, jest to zdecydowanie trudniejsze, a przyrost ten często określany jest intuicyjnie.
Z analizy wielu projektów wynika, że w obliczeniach wentylacji i klimatyzacji pomieszczeń często nie jest uwzględniany przyrost temperatury powietrza ponad strefą pracy. Prowadzi to najczęściej do przewymiarowania urządzeń do uzdatniania i transportu powietrza. Wentylacja i klimatyzacja mają zapewniać wymagane parametry powietrza w strefie pracy.
Uwzględnienie przyrostu temperatury ponad tą strefą, wynikającego z częściowej asymilacji ciepła przez powietrze, pozwala na zwiększenie różnicy temperatury między powietrzem wywiewanym i nawiewanym. Można dzięki temu ograniczyć strumień powietrza wentylującego.
Przyrost temperatury powietrza ponad strefą pracy
Temperatura powietrza nie jest zazwyczaj jednakowa na całej wysokości pomieszczenia, ale wzrasta wraz z wysokością. Jeżeli otwory wywiewne znajdują się ponad strefą pracy, należy wówczas uwzględnić przyrost temperatury powietrza ponad tą strefą.
Jeżeli otwory wywiewne zlokalizowane są w stropie lub bezpośrednio pod stropem pomieszczenia, obliczeniową różnicę temperatur można wyliczyć ze wzoru:
gdzie:
Dtp − obliczeniowa różnica temperatur powietrza w pomieszczeniu [K],
q − przyrost temperatury powietrza ponad strefą przebywania ludzi [K],
tp, tn − odpowiednio: temperatura powietrza w strefie pracy oraz nawiewanego [°C].
Rys. 1. Przykładowe schematy organizacji wymiany powietrza w pomieszczeniach z elementami wywiewnymi zlokalizowanymi ponad strefą pracy
Źródło: Autorzy
Natomiast jeżeli otwory wywiewne zlokalizowane są w części między strefą przebywania ludzi a stropem, przyrost temperatury powietrza w pomieszczeniu oblicza się ze wzoru:
gdzie:
ho – wysokość usytuowania otworów wywiewnych [m],
h – wysokość strefy pracy [m],
dt – średni gradient temperatury powietrza ponad strefą pracy [K/m].
Przyrost temperatury powietrza ponad strefą pracy q zwiększa się wraz ze wzrostem:
- jednostkowego obciążenia cieplnego,
- wysokości usytuowania źródeł wydzielania ciepła,
- stosunku strumienia ciepła przenikającego do pomieszczenia w obszarze ponad strefą przebywania ludzi, np. od oświetlenia, przez strop lub stropodach – do całkowitego obciążenia pomieszczenia,
- skupienia źródeł ciepła w pomieszczeniu i temperatury ich powierzchni.
Wartość przyrostu temperatury powietrza ponad strefą pracy q maleje wraz ze wzrostem intensywności wymiany powietrza w pomieszczeniu oraz ze wzrostem stosunku powierzchni zajmowanej przez źródła wydzielania ciepła Sa do całkowitej powierzchni pomieszczenia A.
W literaturze [1] dość dobrze opisane zostało kształtowanie się gradientu temperatury powietrza w pomieszczeniach zarówno w strefie przebywania ludzi, jak i powyżej tej strefy przy wentylacji wyporowej (źródłowej). W przypadku wentylacji mieszającej zjawisko kształtowania się temperatury powietrza na wysokości nie jest rozpatrywane szczegółowo.
Stosunkowo łatwo można wyznaczyć i zweryfikować przyrost temperatury powietrza nawiewanego w strefie przebywania ludzi, natomiast przyrosty temperatury powietrza ponad tą strefą przyjmuje się jako wartości szacunkowe i w dużym stopniu zależą one od doświadczenia projektanta.
W tabelach 1 i 2 przedstawiono zalecane wartości przyrostu temperatury powietrza ponad strefą pracy, które należy przyjmować do obliczeń temperatury powietrza ponad strefą pracy i strumienia powietrza wentylującego czy klimatyzującego pomieszczenie. W tabeli 1 przedstawiono sugerowany przyrost temperatury ponad strefą pracy w zależności od jednostkowego obciążenia cieplnego.
Tabela 1. Zalecany przyrost temperatury powietrza ponad strefą pracy w funkcji jednostkowego obciążenia cieplnego i różnicy temperatur między temperaturą w strefie pracy a temperaturą powietrza nawiewanego wg [1]
Tabela 2. Zalecany przyrost temperatury ponad strefą pracy w funkcji jednostkowego obciążenia cieplnego wg [1]
Z tabel wynika, że prawidłowe przyjęcie q nie jest łatwe, gdyż zakres różnicy temperatur w zależności od jednostkowego obciążenia cieplnego może wynosić nawet 4 K. Ponadto zasadnicze pytanie, stawiane przez projektantów i osoby zajmujące się sterowaniem pracą systemów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, brzmi: od jakiej wartości obciążenia cieplnego należy uwzględniać gradient temperatur? Niestety, odpowiedź nie jest do końca znana.
Przyrost temperatury powietrza w pomieszczeniach o dużych i skupionych zyskach ciepła
Do wyznaczenia temperatury powietrza wywiewanego z pomieszczeń o skupionych źródłach ciepła zajmujących niewielką część powierzchni wprowadzono [3] pojęcie udziału przyrostu temperatury powietrza w strefie przebywania ludzi w całkowitym przyroście temperatury powietrza w pomieszczeniu. Udział ten definiuje zależność:
gdzie:
tp, tn, tw – temperatura powietrza odpowiednio: w strefie pracy, nawiewu i wywiewu [°C],
Dtsp – przyrost temperatury powietrza w strefie pracy [°C],
Dtp – przyrost temperatury powietrza w całym pomieszczeniu [°C].
Wartości współczynnika m zależą od stosunku łącznej powierzchni źródeł ciepła Sa do całkowitej powierzchni podłogi A. W przypadku braku możliwości wyznaczenia wartości łącznej powierzchni źródeł ciepła Sa do obliczeń można wykorzystać dane uzyskane w sposób doświadczalny. Wartość tego współczynnika w funkcji Sa/A podano w tabeli 3.
Ten sposób wyznaczania temperatury powietrza wywiewanego stosowany jest głównie w obliczeniach wentylacji gorących hal fabrycznych, w których emisja ciepła jest szczególnie intensywna.
Wyznaczenie przyrostu temperatury powietrza wentylującego
Wyznaczenie przyrostu temperatury powietrza w pomieszczeniu może stanowić niemały problem nawet dla doświadczonych projektantów. W celu zobrazowania nieścisłości, z którymi mamy do czynienia w literaturze, na rys. 2 przedstawiono zakres zalecanych przyrostów temperatury powietrza ponad strefą pracy w funkcji jednostkowego obciążenia cieplnego pomieszczenia. Wartości te dotyczą zaleceń przedstawionych w tabelach 1 i 2.
Rys. 2. Zakres dopuszczalnych przyrostów temperatury powietrza ponad strefą pracy w funkcji jednostkowego obciążenia cieplnego pomieszczenia zgodnie z tabelami 1 i 2
Źródło: Autorzy
Natomiast na rys. 3 zobrazowano zakres wartości całkowitego przyrostu temperatury powietrza w całym pomieszczeniu przy założeniu, że przyrost temperatury powietrza w strefie pracy wynosi:
- 4°C dla jednostkowego obciążenia cieplnego wynoszącego q = 10–30 W/m3,
- 6°C dla jednostkowego obciążenia cieplnego wynoszącego q = 30–50 W/m3.
Na rys. 4 zobrazowano zmienność współczynnika m w funkcji Sa/A według tabeli 3.
Rys. 3. Zakres dopuszczalnych przyrostów temperatury powietrza w pomieszczeniu dla założonego przyrostu temperatury powietrza w strefie pracy (4 i 6°C) w funkcji jednostkowego obciążenia cieplnego pomieszczenia zgodnie z tabelami 1 i 2
Źródło: Autorzy
Dla przedstawionych przyrostów temperatury powietrza w pomieszczeniu można wyznaczyć strumienie powietrza wentylującego, od których zależy wielkość urządzenia i instalacji. W celu przeanalizowania uzyskiwanych wyników strumieni powietrza wentylującego obliczono strumienie powietrza dla przykładowego pomieszczenia o powierzchni 500 m2 i wysokości 6 m. Obliczenia przeprowadzono dla zmieniającego się w tym pomieszczeniu obciążenia cieplnego, zakładając, że przyrosty temperatury powietrza w strefie pracy wynoszą:
- 4°C dla jednostkowego obciążenia cieplnego wynoszącego q = 10–30 W/m3,
- 6°C dla jednostkowego obciążenia cieplnego wynoszącego q = 30–70 W/m3.
Przyrost temperatury powietrza ponad strefą przyjęto jako wartość średnią dla zakresów podawanych w tabelach 1 i 2. Wyniki obliczeń przedstawia wykres zamieszczony na rys. 5.
Rys. 5. Zmienność wymaganego strumienia powietrza wentylującego dla przykładowego pomieszczenia o kubaturze 3000 m3 w funkcji jednostkowego obciążenia cieplnego oraz przyjętych zgodnie z tabelami 1 i 2 średnich wartości przyrostu temperatury powietrza w pomieszczeniu
Źródło: Autorzy
Natomiast na rys. 6 zamieszczono wykres przedstawiający zakres wartości strumieni powietrza wentylującego rozpatrywanych dla przykładowego pomieszczenia w zależności od obciążenia cieplnego i przyjętego minimalnego (linia a) i maksymalnego (linia c) przyrostu temperatury powietrza ponad strefą pracy.
Rys. 6. Zakres obliczonego strumienia powietrza wentylującego dla przykładowego pomieszczenia o kubaturze 3000 m3 w funkcji jednostkowego obciążenia cieplnego oraz przyjętej zgodnie z tabelą 1 średniej (krzywa b), maksymalnej (krzywa c) i minimalnej (krzywa a) wartości gradientu temperatury powietrza w pomieszczeniu
Źródło: Autorzy
Wnioski
Przyjmowanie przyrostów temperatury powietrza ponad strefą przebywania ludzi może istotnie wpływać na wartość strumienia powietrza wentylującego, a w konsekwencji na koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Może ponadto znacząco wpływać na kształtowanie się temperatury powietrza w strefie przebywania ludzi. W przypadku wentylacji mieszającej w literaturze brakuje jednoznacznych danych dotyczących przyrostu temperatury powietrza ponad strefą przebywania ludzi.
Strumienie powietrza wentylującego, przy założeniu średnich przyrostów temperatury powietrza ponad strefą przebywania ludzi w zależności od przyjmowanych danych z tabel 1, 2 i 3, różnią się między sobą nawet o 30–40%. Przyjmowanie minimalnego, względnie maksymalnego przyrostu temperatury powietrza w pomieszczeniu ponad strefą pracy przy zachowaniu stałego przyrostu temperatury w strefie pracy powoduje, że obliczone strumienie powietrza mogą się różnić nawet o 40%.
W dostępnej literaturze nie uzależnia się wartości przyrostu temperatury powietrza (gradientu) ponad strefą przebywania ludzi od wpływu sposobu organizacji ruchu powietrza w pomieszczeniu wentylowanym przez wentylację mieszającą. W przypadku wentylacji mieszającej problematyka przyrostu temperatury powietrza ponad strefą przebywania ludzi powinna być omawiana zwłaszcza w powiązaniu z wymianą powietrza w pomieszczeniu.
Artykuł powstał na podstawie referatu przygotowanego w ramach grantu badawczego nr 7480/B/T02/2011/40 i zaprezentowanego podczas IV Międzynarodowej Konferencji Nauk.-Techn. „Ogrzewanie i wentylacja w przemyśle i rolnictwie”, Tleń, 24–26 września 2012 r.
Literatura
- Ferencowicz J., Wentylacja i klimatyzacja, Arkady, 1962.
- Przydróżny S., Ferencowicz J., Klimatyzacja, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1988.
- Pełech A., Wentylacja i klimatyzacja. Podstawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2009.
- Przydróżny S., Wentylacja, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1991.