Rozwój cywilizacji, który dokonuje się na naszych oczach, niesie z sobą postęp technologiczny w wielu gałęziach przemysłu – również w klimatyzacji. Skuteczna wymiana powietrza jest równie istotna, jak dobrej jakości woda lub efektywny system grzewczy i może być zrealizowana na wiele sposobów, a jednym z rozwiązań jest system wentylacji wyporowej.

Powstawanie co raz to nowocześniejszych produktów, wymaga stosowania w procesie produkcyjnym odpowiednich reżimów dotyczących między innymi temperatury, wilgotności czy też czystości powietrza. Wzrastają również wymagania ludzi, dotyczące odpowiedniego mikroklimatu w pomieszczeniach, w których przebywają. Użytkownicy oczekują, że powietrze w pomieszczeniu będzie świeże i czyste. Wymusza to zastosowanie właściwego systemu uzdatniania i rozdziału powietrza.

Z historii wentylacji wyporowej

Systemy wentylacji wyporowej początkowo znalazły zastosowanie w przemyśle. Po raz pierwszy rozwiązanie tego typu zostało wykorzystane w 1978 r. w warsztatach spawalniczo- odlewniczych w Berlinie. W późniejszym okresie stosowane było również w budownictwie użyteczności publicznej. Systemy wentylacji wyporowej usuwają nadmiar ciepła i różnych rodzajów zanieczyszczeń z pomieszczenia, wykorzystując do tego celu wyporowy przepływ powietrza. Ten sposób rozdziału powietrza, znalazł zastosowanie zarówno w wentylacji i klimatyzacji komfortu, jak i w instalacjach przemysłowych.

W niektórych procesach produkcyjnych czystość powietrza jest wymogiem priorytetowym. W gałęziach gospodarki takich jak: przemysł farmaceutyczny, optyczny czy przemysł elektroniki precyzyjnej, w których czystość powietrza może wpływać na ostateczny efekt poziomu technologicznego wytworzonego produktu, nie można dopuścić do wystąpienia nawet najmniejszych ilości zanieczyszczeń. Dotyczy to także pomieszczeń, w których musimy zachować bardzo sterylne warunki, takich jak: sale szpitalne, wszelkiego rodzaju laboratoria, ale także serwerownie czy sale widowiskowe (kinowe). Obecnie systemy wentylacji wyporowej, są najbardziej rozpowszechnione w krajach skandynawskich, gdzie ponad 50% przemysłowych systemów wentylacji i 25% systemów wentylacji w biurach wykorzystuje właśnie tego typu rozdział powietrza.

Charakterystyka wentylacji wyporowej

Zadaniem wentylacji wyporowej jest usuwanie (wypieranie) ze strefy przebywania ludzi nadmiaru ciepła oraz różnych rodzajów zanieczyszczeń. Zasada działania takiego systemu (rys. 1), polega na nawiewaniu powietrza bezpośrednio do strefy przebywania ludzi (lub w jej pobliżu) z małymi prędkościami nawiewu nie generującymi przepływów turbulentnych. Nawiewane powietrze wypływa więc z niską prędkością, dzięki czemu obserwuje się prawie laminarny, względnie niskoturbulentny ruch powietrza. Temperatura tego powietrza powinna być niższa od temperatury powietrza w pomieszczeniu – w wentylowanej strefie. Spełnienie tego warunku jest konieczne dla poprawnego działania systemu. Przyjmuje się, że powietrze nawiewane w wentylacji komfortu powinno mieć temperaturę niższą o 1÷3ºC, natomiast dla wentylacji wyporowej specjalnej lub stosowanej w przemyśle, temperatura ta może być niższa o 1÷5ºC. Uważać jednak trzeba, aby nie była ona zbyt niska, gdyż może wystąpić zjawisko tak zwanych zimnych przeciągów konwekcyjnych.

Rys. 1. Zasada działania wentylacji wyporowej [1]

Utrzymanie reżimu temperatury i prędkości nawiewanego powietrza, umożliwia uzyskanie zakładanego efektu. Dużą zaletą tego rodzaju wentylacji jest możliwość doprowadzenia czystego powietrza bezpośrednio do strefy przebywania ludzi, która dzięki temu jest prawidłowo przewietrzana. Natomiast zyski ciepła i zanieczyszczenia ulegają koncentracji w części górnej pomieszczenia, skąd są usuwane za pomocą instalacji wywiewnej. Występuje tu zjawisko stratyfikacji powietrza. Warstwa powietrza chłodnego i uzdatnionego występuje w części dolnej, podczas gdy warstwa powietrza ciepłego i zanieczyszczonego w części górnej.

Wspomniana wcześniej strefa przebywania ludzi, to wydzielony obszar pomieszczenia, w którym obecni są w sposób ciągły jego użytkownicy. Strefę tę wyznaczają płaszczyzny równoległe do ścian, sufitu i podłogi pomieszczenia. Odległość tych płaszczyzn od przegród jest zmienna i zależy od przeznaczenia pomieszczenia. I tak w pomieszczeniach biurowych, mieszkalnych i szkolnych zwykle przyjmuje się, że jest to obszar odległy o 50 cm od ściany zewnętrznej z oknami i 20 cm od pozostałych ścian. Jest także zawarty od wysokości 10 cm od podłogi do wysokości 180 cm.

Poglądowy schemat przedstawiający strefę przebywania ludzi pokazano na rysunku 2, natomiast w tabeli 1 zestawiono orientacyjne odległości przyjmowane zwykle pomiędzy płaszczyznami ograniczającymi strefę przebywania ludzi i przegrodami pomieszczeń oraz zakres, w którym w praktyce te odległości się mieszczą.

Rys. 2. Strefa przebywania ludzi [2]

W wentylacji wyporowej wykorzystuje się naturalne strumienie konwekcyjne, które są wytwarzane przez znajdujące się w pomieszczeniu źródła ciepła. Systemy wentylacji wyporowej charakteryzują się tym, że powietrze nawiewane jest przez nawiewniki o dużej powierzchni wypływu, najczęściej z poziomu podłogi. Powietrze wypływa z niską prędkością około 0,4 do 0,8 m/s i jest wtłaczane do dolnej części pomieszczenia, tworząc efekt tak zwanego „zimnego jeziora“ (rys. 3).

Rys. 3. Nawiew powietrza – efekt „zimnego jeziora” [2]

Niższa temperatura powietrza nawiewanego sprawia, że rozprzestrzenia się ono równomiernie na całej powierzchni pomieszczenia, a napotykając źródła ciepła takie jak ludzie lub maszyny, zaczyna się ogrzewać i unosić do góry (rys. 4).

Rys. 4. Konwekcyjny przepływ powietrza w wentylacji wyporowej

Zjawisko to jest podstawą działania wentylacji przez wypieranie. Strumień powietrza po przewentylowaniu strefy przebywania ludzi unosi się konwekcyjnie w kierunku elementów wywiewnych, znajdujących się w górnej części pomieszczenia. Przepływ wyporowy po zasymilowaniu zanieczyszczeń może przechodzić w charakterystykę ruchów turbulentnych. Powietrze ogrzewając się i stopniowo unosząc się do góry, pobiera przy tym wydzielane w pomieszczeniu zanieczyszczenia. Temperatura powietrza nawiewanego musi być niższa od temperatury w pomieszczeniu, gdyż w przypadku odwrotnym, strumień powietrza popłynąłby od razu do góry bez wcześniejszego dotarcia do strefy ludzi. Koniec procesu to usunięcie z górnej części pomieszczenia ciepłego i zanieczyszczonego powietrza.

Rys. 5. Nawiewniki wyporowe o dużej powierzchni wypływu

Rozdział powietrza w systemach wentylacji wyporowej (...)

Warunki stosowania systemów wentylacji wyporowej (...)

Podsumowanie

Uzyskanie w pomieszczeniu wykorzystującym wentylację wyporową właściwego rozkładu temperatury, prędkości powietrza i koncentracji zanieczyszczeń nie jest zagadnieniem prostym i łatwym. Zrealizowanie koncepcji rozdziału powietrza jest trudne i wymaga doświadczenia. Przy ustalaniu rozprowadzenia powietrza, należy zwrócić szczególną uwagę, aby strumień wyporowy nie obejmował swoim zasięgiem ludzi przebywających w pomieszczeniu i nie powodował wystąpienia przeciągów. Konieczna jest znajomość, już w fazie projektowania, przeznaczenia danego pomieszczenia oraz jego konfiguracja. Nawet poprawnie określona ilość powietrza wentylacyjnego, właściwe zaprojektowanie przewodów powietrznych i dobór najlepszej jakości elementów wyposażenia urządzeń wentylacyjnych, nie uchroni przed stworzeniem instalacji wentylacyjnej mało efektywnej, gdy nie opracuje się prawidłowego rozdziału powietrza. Wymiana powietrza nie może odbywać się przypadkowo. Zaprojektowany system wentylacji musi stworzyć odpowiednie pole prędkości i temperatury powietrza w wentylowanym pomieszczeniu. Proces ten da się zrealizować poprawnie, jeżeli zostaną odpowiednio uwzględnione następujące czynniki:

- poprawne „„ usytuowanie otworów nawiewnych i wywiewnych,
„„ - odpowiednia różnica temperatury między powietrzem w pomieszczeniu, a temperaturą powietrza nawiewanego,
„„ - prawidłowe cechy strumieni wywołanych przez powietrze wypływające z otworu nawiewanego, tzw. strumienie zasilające, oraz ich kierunki początkowe,
„„ - źródła wydzielania lub pochłaniania ciepła znajdujące się w pomieszczeniu.

LITERATURA

[1] Materiały informacyjne firmy Gryfit – Podręcznik wentylacji wyporowej.
[2] Materiały informacyjne firmy Swegon.
[3] Materiały szkoleniowe „Forum Wentylacja 2005”.
[4] MIZIELIŃSKI B.: Zastosowanie strumienia wyporowego w obiektach użyteczności publicznej. Chłodnictwo i Klimatyzacja 5/2003.
[5] www.ltg-ag.de/typo3temp/pics/5bce3234cc.gif