Rysunek 1. Wentylacja z odzyskiem ciepła (Źródło: Daikin).
Wentylacja to proces umożliwiający doprowadzenie świeżego powietrza do pomieszczeń budynku.
Działanie wentylacji opiera się na występowaniu siły, która wprowadza powietrze w ruch – powietrze zewnętrzne wpływa do budynku przy równoczesnym usuwaniu z niego powietrza zużytego. Przepływ powietrza powoduje różnica ciśnień występująca na zewnątrz i wewnątrz budynku. W zależności od siły wprowadzającej powietrze w ruch wyróżniamy wentylację naturalną i mechaniczną.
Zależnie od czynników wywołujących działanie wentylacji naturalnej, dzielimy ją na:
Wentylacja grawitacyjna to rodzaj wentylacji naturalnej, wywołany różnicą gęstości powietrza zewnętrznego i powietrza wewnątrz budynku. Podstawowym prawem określającym zależność gęstości od temperatury gazu jest równanie stanu gazów doskonałych:
ρ= p/(R ∙T) [kg/m3]
gdzie:
p – ciśnienie atmosferyczne [Pa];
R – stała gazowa [m2/s2•K];
T – temperatura bezwzględna [°C].
Im wyższa temperatura gazu tym niższa wartość jego gęstości. Z tej zależności wynika, że powietrze zimniejsze opada jak najniżej, a powietrze cieplejsze jest wypierane przez powietrze o niższej temperaturze ku górze pomieszczenia. Aby wymiana powietrza nastąpiła musi wystąpić także różnica wysokości pomiędzy miejscem wlotu powietrza zimnego i wylotu powietrza usuwanego.
∆p= p/R ∙(Tw- To)∙h [Pa]
gdzie:
Δp – różnica ciśnień [Pa];
p – ciśnienie atmosferyczne [Pa];
R – stała gazowa [m2/s2•K];
Tw, To – temperatury bezwzględne [K];
h – różnica wysokości pomiędzy wlotem powietrza zimnego i wylotem powietrza usuwanego [m].
Wentylacja grawitacyjna zakłada zaprojektowanie miejsc, w których powietrze będzie dostarczane do pomieszczeń budynku oraz miejsc, przez które powietrze zużyte będzie usuwane. W wentylacji grawitacyjnej zakłada się, że powietrze przedostaje się do pomieszczenia poprzez nawiewniki nadokienne oraz podokienne, nieszczelności w stolarce okiennej oraz w wyniku okresowego otwierania okien i drzwi. Wadą tego rodzaju wentylacji jest zależność od temperatury zewnętrznej powietrza. Skuteczność wymiany obniża się w momencie wzrostu temperatury powietrza zewnętrznego. Im wyższa temperatura na zewnątrz, tym mniejsza różnica ciśnień wywołująca przepływ powietrza, a więc przy stałych oporach przepływu, wymiana powietrza jest coraz gorsza. Natomiast w okresie zimowym do pomieszczeń przedostaje się zimne powietrze w sposób niekontrolowany, przez co podnoszą się koszty eksploatacyjne budynku, wywołane koniecznością podniesienia ilości ciepła dostarczanego do pomieszczeń.
Rysunek 2. Nawiewnik okienny (Źródło: aereco).
Przewietrzanie to typ wentylacji naturalnej, wykorzystywany w warunkach letnich do obniżenia oporów przepływu powietrza poprzez szerokie otwieranie okien i drzwi. Działanie przewietrzania polega na intensywnej wymianie poprzez dopływ powietrza zewnętrznego dolną częścią otworu okiennego i wypływie górną pod warunkiem braku wiatru.
Aeracja stanowi rodzaj wentylacji naturalnej, w której wymiana powietrza następuje przy dużych zyskach ciepła. Jej działanie opiera się na odpowiedniej regulacji przy uwzględnieniu wahań temperatury zewnętrznej, zmiany prędkości i kierunku wiatru oraz właściwym usytuowaniu budynku. Dzięki tym czynnikom można uzyskać duże ilości powietrza wentylacyjnego.
Wentylacja higrosterowalna stanowi najtańszy i najprostszy sposób wentylacji. Charakteryzuje się możliwością kontroli wilgotności powietrza w pomieszczeniu przy uwzględnieniu ilości przebywających osób, zysków wilgoci oraz indywidualnych potrzeb użytkowników pomieszczenia. Jej podstawę stanowi nawiewnik, który otwiera i zamyka się samoczynnie regulowany wilgotnością powietrza w pomieszczeniu.
Rysunek 3. Wentylacja higrosterowana (Źródło: aereco).
Infiltracja i exfiltracja to rozwiązanie wykorzystujące wymianę powietrza w pomieszczeniu wywołaną ciśnieniem wiatru wywieranym na powierzchnię ścian zewnętrznych budynku. Ten rodzaj wentylacji jest uzależniony od silnego działania wiatru:
Wentylacja mechaniczna to rodzaj wentylacji, w której ruch powietrza jest wymuszany pracą urządzeń mechanicznych. Takie urządzenie stanowi wentylator. Wyróżniamy trzy rodzaje wentylacji mechanicznej:
Rysunek 4. Wentylator (Źródło: aereco).
Wentylacja nawiewna stanowi rodzaj wentylacji mechanicznej, w której powietrze jest dostarczane do pomieszczeń za pomocą instalacji wentylacyjnej w ilości i o parametrach wynikających z obliczeń projektowych oraz standardów normatywnych. Działanie wentylacji nawiewnej opiera się na nawiewie powietrza do pomieszczenia poprzez kratki nawiewne umiejscowione w stropie lub w ścianie pod stropem. Głowna strefa przebywania ludzi zostaje przewietrzona, pozwalając na uzyskanie równomiernego rozkładu temperatur powietrza w pomieszczeniu. Przewody wentylacji grawitacyjnej oraz nieszczelności w stolarce okiennej są wykorzystywane jako miejsce wyparcia powietrza zużytego.
Wentylacja wywiewna to rodzaj wentylacji mechanicznej, wykorzystywanej w pomieszczeniach wymagających dostarczenia niezbędnej higienicznie ilości powietrza świeżego. Takimi pomieszczeniami są łazienki, toalety oraz kuchnie. Działanie wentylacji wywiewnej jest zależne od podciśnienia wytworzonego przez urządzenie wentylacyjne, wywołującego nawiew powietrza.
Wentylacja nawiewno-wywiewna stanowi połączenie rozwiązania wentylacji mechanicznej nawiewnej oraz wentylacji mechanicznej wywiewnej. Rozwiązanie wentylacyjne opiera się na ilości powietrza wymienianego w pomieszczeniu w zależności od ilości powstających tam zanieczyszczeń oraz normatywów higienicznych.
Rysunek 6. Okap wentylacyjny (Źródło: Jeven).
Tabela. Porównanie zalet wentylacji naturalnej i mechanicznej.
Tabela. Porównanie wad wentylacji naturalnej i mechanicznej.
Rysunek 7. Wentylacja naturalna (Źródło: Alnor).
Rysunek 8. Wentylacja mechaniczna (Źródło: Alnor).
Wymiana powietrza w pomieszczeniu jest uregulowana przez Polską Normę PN-83/B-03430 „Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania”, zgodnie z którą instalacja wentylacyjna powinna zapewnić:
Obliczenie ilości powietrza wentylacyjnego dokonuje się w oparciu o przeprowadzony bilans ciepła, wilgoci i emisji zanieczyszczeń, czyli czynników powodujących zmianę parametrów powietrza w pomieszczeniu. Obliczeń ilości powietrza wentylacyjnego można dokonać na podstawie:
ilości osób.
V= Qc/(cp ∙ ρ ∙(tz- tp)) [m3/s]
gdzie:
Qc – największa sumaryczna wartość zysków ciepła w pomieszczeniu [W],
ρ – gęstość powietrza [kg/m3], (zwykle przyjmuje się 1,2 kg/m3),
cp – ciepło właściwe powietrza (zwykle 1,005 kJ/(kg•K)),
tp – temperatura powietrza nawiewanego [K],
tz – temperatura powietrza usuwanego z pomieszczenia [K],
przy wysokości umieszczenia nawiewników 1,5 - 2,0 m nad podłogą przyjmuje się tz = tw (tw - temperatura obliczeniowa powietrza w pomieszczeniu), dla większych wysokości tz = tw + β×(h – 2),
β – pionowy gradient temperatury [K/m, (zwykle od 0,2 do 0,4 K/m),
h - wysokość umieszczenia wywiewnika liczona od podłogi pomieszczenia.
V= W/(ρ ∙(xw- xn)) [m3/h]
gdzie:
W - ilość wydzielanej pary wodnej [g/h],
ρ – gęstość powietrza [kg/m3], (zwykle przyjmuje się 1,2 kg/m3),
xw, xn - ilość pary wodnej odpowiednio w powietrzu usuwanym i nawiewanym [g/kg].
V= n ∙ Vi [m3/h]
gdzie:
n - ilość osób w pomieszczeniu
Vi - ilość powietrza przypadająca na jedną osobę w [m3/h]
Tabela. Zestawienie minimalnych ilości powietrza wentylacyjnego dla jednej osoby według PN-83/B-03430; Az3:2000).
Tabela. Zestawienie minimalnych ilości powietrza wentylacyjnego dla jednej osoby dla pomieszczeń mieszkalnych według PN-83/B-03430; Az3:2000).
V= (∅ ∙Z)/(cdop- cz) [m3/h]
gdzie:
Z – ogólna ilość wydzielanych do pomieszczenia zanieczyszczeń gazowych [g/h],
cdop – dopuszczalne stężenie danego zanieczyszczenia w powietrzu zewnętrznym [g/m3],
cz – stężenie danego zanieczyszczenia w powietrzu nawiewanym [g/m3],
∅ – współczynnik poprawkowy, przyjmowany od 1,2 do 1,4.
Zyski ciepła stanowią sumę zysków jednostkowych występujących w danym pomieszczeniu. Wpływają na ilość powietrza wentylacyjnego w okresie letnim. Dostarczona ilość powietrza ma za zadanie usunąć nagromadzone w pomieszczeniu ciepło.
Q = QOK + QŚC + QO + QL + QS + QU + QI + QP [W]
gdzie:
QOK – zyski od słońca przez przegrody przezroczyste (okna) [W],
QŚC – zyski od słońca przez przegrody nieprzezroczyste (ściany) [W],
QO – zyski ciepła od oświetlania [W],
QL – zyski ciepła od ludzi [W],
QS – zyski ciepła od silników elektrycznych i maszyn [W],
QU – zyski ciepła od innych urządzeń [W],
QI – zyski ciepła na skutek infiltracji powietrza [W],
QP – zyski przez przegrody od pomieszczeń sąsiednich [W].
Rysunek 9. Zyski ciepła (Źródło: Klima-Therm).
QL =n ∙ ρ ∙ ∅ [W]
gdzie:
n – maksymalna liczba osób przebywających w pomieszczeniu,
q – ciepło jawne oddane do otoczenia przez człowieka, przy określonej aktywności i określonej temperaturze powietrza w pomieszczeniu [W],
∅ – współczynnik jednoczesności przebywania ludzi (od 0,2 do 1,0).
Tabela. Wartości zysków ciepła w zależności od aktywności i temperatury otoczenia.
QO=N ∙[β+(1- β)∙ ko ]∙ ∅ [W]
gdzie:
N - zainstalowana moc oświetlenia [W],
β - współczynnik wyrażający stosunek ciepła konwekcyjnego przekazywanego powietrzu w pomieszczeniu do całkowitej mocy zainstalowanej,
∅ - współczynnik jednoczesności korzystania z zainstalowanej mocy,
k0 - współczynnik akumulacji przegród. Współczynnik zależy od charakterystyki cieplnej pomieszczenia, czyli zdolności przegród budowlanych pomieszczenia do akumulowanego ciepła, oraz czasu, jaki upływa od włączenia oświetlenia od chwili bilansowania ciepła. W odniesieniu do większości przegród budowlanych przyjmuje się k0 = 1. Tylko jeśli przegrody mają dużą pojemność cieplną, współczynnik k0 nawet po dobie pracy oświetlenia nie osiąga wspomnianej wartości i wynosi w przedziale 0,5 - 0,7.
Tabela. Wartości współczynnika β.
Tabela. Wartości współczynnika ∅.
QOK=F ∙[∅1 ∙ ∅2 ∙ ∅3 ∙(kc ∙ Rs ∙ Icmax+ kr ∙ Rc ∙ Irmax )+U ∙(tz-tp )[W]
gdzie:
F – powierzchnia okna w świetle muru [m2],
Φ1 – udział powierzchni szkła w powierzchni okna (0,4 – 1,0),
Φ2 – współczynnik korygujący, uwzględniający wysokość położenia obiektu nad poziomem morza (1,0 – 1,1),
Φ3 – współczynnik korygujący, uwzględniający rodzaj oszklenia i urządzenia przeciwsłoneczne (0,28 – 1,0),
Rs – stosunek powierzchni nasłonecznionej do całkowitej okna,
Rc – stosunek powierzchni zacienionej do całkowitej okna (Rs + Rc = 1),
Icmax, Irmax– maksymalne wartości natężenia promieniowania całkowitego i rozproszonego dla szkła gr. 3 mm [W/m2],
kc, kr – współczynniki akumulacji,
U – współczynnik przenikania ciepła przez okna [W/(m2∙K)],
tz – obliczeniowa temperatura powietrza zewnętrznego, [K],
tp – obliczeniowa temperatura powietrza w pomieszczeniu, [K].
QŚC=F ∙K ∙(ts- tp )[W]
gdzie:
F – pole powierzchni przegrody nieprzezroczystej [m2],
K – współczynnik przenikania ciepła przegrody [W/(m2•K)],
ts – temperatura słoneczna [°C],
tp – temperatura w pomieszczeniu [°C].
QI=0,278 ∙V ∙ ρ ∙ cp ∙(tz- tp) [W]
gdzie:
V – ilość powietrza przenikającego do pomieszczenia przez nieszczelności w stolarce budowlanej wyrażone przez zależność: V = Vi • l [m3/h].
Vi – ilość powietrza przenikająca przez jeden mb długości nieszczelności [m3/h•m],
l – sumaryczna długość nieszczelności [m],
ρ – gęstość powietrza dla warunków normalnych, tj. temperatury 20°C i ciśnienia pb = 100 kPa, [ρ = 1,168 kg/m3],
cp – ciepło właściwe powietrza, dla powietrza suchego cp = 1,005 [kJ/kg•K],
tz – temperatura powietrza zewnętrznego [°C],
tp - temperatura powietrza w pomieszczeniu [°C].
Zyski ciepła od urządzeń wyznacza się przyjmując rzeczywiste moce urządzeń zainstalowanych w pomieszczeniu.
Tabela. Zyski ciepła wytwarzane przez przykładowe urządzenia stosowane w pomieszczeniach.
Vw= Q/(cp ∙ ρ ∙(tz- tp)) [m3/h]
gdzie:
Q – suma jednostkowych zysków ciepła [W],
cp – ciepło właściwe powietrza, dla powietrza atmosferycznego cp = 1020 [J/kg•K],
ρ – gęstość powietrza, dla powietrza o temperaturze 20°C ρ = 1,2 [kg/m3],
tz – temperatura powietrza nawiewanego [°C],
tp – temperatura powietrza w pomieszczeniu [°C].
Zyski wilgoci stanowią wynik procesów związanych z parowaniem wody.
Tak zwane ciepło utajone.
WL= ∅ ∙n ∙w [kg/h]
gdzie:
Φ – współczynnik jednoczesności przebywania ludzi,
n – ilość ludzi przebywająca w pomieszczeniu,
w – ilość pary wodnej oddawanej przez człowieka przy określonej aktywności i temperaturze [kg/h].
Ilość wilgoci emitowanej do pomieszczenia przy wrzeniu wody wynosi w = 50 kg/(m2∙h).
Wi= Vi ∙ ρ ∙(Xz- Xp )[kg/h]
gdzie:
Wi – ilość wilgoci wniesiona do pomieszczenia w wyniku infiltracji powietrza [kg/h],
Vi – strumień ilości powietrza przenikającego do pomieszczenia poprzez infiltrację [m3/h],
Xz – zawartość pary wodnej w powietrzu zewnętrznym [kgw/kgps],
Xp – zawartość pary wodnej w powietrzu pomieszczenia [kgw/kgps].
V= Wi/(ρ ∙(Xz- Xp)) [m3/h]
gdzie:
V – ilość powietrza wentylacyjnego ze względu na zyski wilgoci [m3/h],
Wi – suma jednostkowych zysków wilgoci [kg/h],
ρ – gęstość powietrza [kg/m3],
Xz, Xw – zawartość pary wodnej w powietrzu na zewnątrz i wewnątrz pomieszczenia [kgw/kgps].
Vw= Z/(Sz- Sdop ) [m3/h]
gdzie:
Z – suma zanieczyszczeń powstających w pomieszczeniu [g/h],
Sz – stężenie zanieczyszczeń tego samego rodzaju co suma zanieczyszczeń [g/m3],
Sdop – stężenie dopuszczalne tego samego rodzaju co suma zanieczyszczeń [g/m3].
Instalacja wentylacyjna zapewnia dobrą jakość powietrza w strefie przebywania ludzi oraz komfort cieplny z wyrównaną temperaturą i odpowiednią prędkością powietrza. Wyróżniamy trzy systemy doprowadzania powietrza do pomieszczenia:
Wybór sposobu nawiewu powietrza do pomieszczenia wymaga dokładnej analizy pod względem zapewnienia właściwego komfortu przebywającym w nim użytkownikom. Wyznaczenie zdolności chłodzącej strumienia powietrza i porównanie z wartościami dopuszczalnymi jest warunkiem koniecznym właściwego rozprowadzenia powietrza. Sposób nawiewu powietrza do pomieszczenia warunkuje dopuszczalne temperatury powietrza nawiewanego, co wpływa na wartość strumienia powietrza, na wymiary przewodów rozprowadzających oraz na wielkość pozostałych urządzeń wentylacyjnych.
Etapy projektowania instalacji wentylacyjnej:
Wymiarowanie instalacji wentylacyjnej rozpoczynamy od rozrysowania schematu instalacji wentylacyjnej oraz określenia długości przewodów wentylacyjnych łączących urządzenia i ilości powietrza transportowanego przez przewody. Po wybraniu najbardziej niekorzystnego odcinka instalacji, czyli takiego który jest najdłuższy i transportuje największą ilość powietrza przechodzimy do obliczenia spadku ciśnienia w instalacji. Spadek ciśnienia w instalacji stanowi sumę oporów na odcinkach prostych oraz sumę oporów na elementach miejscowych takich jak kolanka, trójniki, kratki wentylacyjne, nawiewniki, anemostaty itp.
∆p= λp ∙ 1/d ∙ (wp2)/2 ∙ ρ= RL ∙ l [Pa]
gdzie:
Δp – spadek ciśnienia na prostym odcinku przewodu [Pa],
λp – współczynnik strat przepływu, podawany przez producentów urządzeń,
l – długość odcinka przewodu [m],
d – średnica przewodu [m],
wp – prędkość powietrza w przewodzie [m/s],
ρ – gęstość powietrza [kg/m3],
Rl – jednostkowy opór liniowy przewodu [Pa/m].
∆p= ∑Z ∙ (wp2 ∙ ρ)/2 [Pa]
gdzie:
Z – suma współczynników oporów miejscowych.
Suma spadku ciśnienia dla odcinków prostych i elementów miejscowych określa całkowity spadek ciśnienia instalacji niezbędny do doboru wielkości wentylatora. Przy doborze wentylatora istotny jest strumień objętości powietrza oraz spadek ciśnienia w instalacji.
Założenie prędkości przepływu powietrza w przewodach.
F= V/(3600 ∙ wp ) [m2]
gdzie:
V – strumień objętości powietrza [m3/h],
wp – założona prędkość powietrza w przewodzie [m/s].
Instalacja wentylacyjna w budynku powinna zawierać elementy nawiewne i wywiewne, sieć przewodów łączących te elementy z urządzeniami przetłaczającymi powietrze oraz urządzenia służące do obróbki powietrza, do których zaliczamy: filtry, nawilżacze, mieszacze, rekuperatory, tłumiki akustyczne oraz jonizatory.
Literatura:
[1] Polska Norma PN-83/B-03430 Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania.
[2] Polska Norma PN-B-03430:1983/Az3:2000 Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej – Wymagania.
[3] Polska Norma PN-B-03421:1978 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi.
[4] Baumgarth S., Hörner B., Reeker J., Poradnik klimatyzacji Tom 1: Podstawy, Systherm, Poznań, 2010.
[5] Krygier K., Klinke T., Sewerynik J., Ogrzewnictwo. Wentylacja. Klimatyzacja. Podręcznik dla technikum. WSZiP, Warszawa, 1991.
[6] Malicki M., Wentylacja i klimatyzacja, PWN, Warszawa 1977.
[7] Gaziński B., Zdrowy dom, Systherm, Poznań, 2014.
[8] Hendiger J., Ziętek P., Chludzińska M., Wentylacja i klimatyzacja. Materiały pomocnicze do projektowania, Venture Industries, Warszawa, 2009.
Opracowanie redakcja, www.klimatyzacja.pl, www.ogrzewnictwo.pl [AJ]
Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą autora.