W obecnych czasach ludzie spędzają ponad 90% swojego czasu w pomieszczeniach zamkniętych, gdzie warunki środowiska wewnętrznego są sztucznie kształtowane [1]. Jednocześnie ludzie konsumują około 1 kg pożywienia i około 2 kg wody, a także aż około 10 kg powietrza każdego dnia, z tej przyczyny jakość powietrza w strefi e oddychania człowieka jest tak istotnym parametrem [2, 3].

W pomieszczeniach biurowych najczęściej stosowanymi systemami rozdziału powietrza jest nadal wentylacja mieszająca i wyporowa. W przypadku wentylacji mieszającej czyste powietrze wprowadzane do pomieszczenia miesza się z powietrzem zanieczyszczonym, zatem koncentracja zanieczyszczeń oraz parametry cieplne środowiska wewnętrznego są jednakowe w całej kubaturze. Rozwiązanie to może zatem powodować rozprzestrzenianie się wirusów i bakterii w pomieszczeniach, jak również, w przypadku osób szczególnie wrażliwych, warunki cieplne mogą nie być akceptowalne. Wentylacja wyporowa, stosowania głównie w krajach skandynawskich [4], jest rozwiązaniem zapewniającym większą efektywność wymiany powietrza i czystsze powietrze w strefi e przebywania człowieka, jednakże rozwiązanie to wiąże się ze wysokim gradientem temperatury powietrza w pionie, nawiewnikami o znacznych rozmiarach oraz dużymi ilościami powietrza wprowadzanymi do pomieszczeń [5, 6]. W celu zmniejszenia ilości nawiewanego świeżego powietrza oraz zwiększenia jakości powietrza w strefie oddychania człowieka zaproponowano inne rozwiązanie [7] – wentylację indywidualną (PV).

Rozwiązania wentylacji indywidualnej są badane od wielu lat, przez co dostępna jest wiedza umożliwiająca dostosowywane urządzeń do specyfi ki danego pomieszczenia i wykonywanej w nim pracy, jak również odczuć stosujących ją użytkowników. W niniejszym artykule przedstawiono etapy rozwoju urządzeń oraz aktualne tendencje badawcze PV.

Zasada działania wentylacji indywidualnej

Zasada działania PV bazuje na dostarczaniu świeżego, czystego powietrza w bezpośrednie otoczenie człowieka tak, aby mógł on oddychać powietrzem w jak najmniejszym stopniu zmieszanym z powietrzem z pomieszczenia oraz aby mógł wpływać na parametry cieplne tworzącego się dookoła niego mikrośrodowiska [8]. Z tej przyczyny na ostateczny charakter przepływu powietrza dostarczanego przez PV mają następujące elementy:

• geometria nawiewnika,
• kierunek, ilość, prędkość oraz parametry cieplne powietrza nawiewanego,
• rodzaj zastosowane wentylacji bazowej oraz parametry powietrza w pomieszczeniu,
• parametry związane z użytkownikiem, tj. powierzchnia ciała, która jest omywana przez strumień powietrza nawiewanego, pozycja ciała oraz odległość od nawiewnika PV, indywidualne cechy użytkownika wpływające na generowanie przez niego strumienie powietrza (konwekcyjne i strumienie oddechowe), w tym izolacyjność cieplna jego odzieży.

Główną zaletą PV jest przede wszystkim możliwość oddychania przez każdego użytkownika powietrzem świeżym, zmieszanym w minimalnym stopniu (lub wcale) z powietrzem z pomieszczenia. Ogromną zaletą jest również możliwość samodzielnego dostosowywania parametrów nawiewu przez każdego użytkownika. Jak określił Wyon [8] możliwość samodzielnej kontroli temperatury operatywnej w zakresie ±2°C powoduje satysfakcję z warunków środowiska wewnętrznego u 90% użytkowników, natomiast w zakresie ±3°C – u 99% użytkowników pomieszczeń.

(...)

Rozwiązania wentylacji indywidualnej

Wentylacja indywidualna wywodzi się z wentylacji lokalnej przeznaczonej do pomieszczeń biurowych, której celem głównym było dostarczenie powietrza w poszczególne stanowiska pracy oddzielone ściankami wewnętrznymi w openspace. Pierwsze tego rodzaju urządzenia opracował Bauman i in. [20]. Jego Personal Envieronmental Module (PEM), składał się z 2 obrotowych nawiewników i elastycznych przewodów łączących nawiewniki z niezależnie zasilanym urządzeniem mieszającym, umieszczonym pod stołem, który umożliwiał recyrkulację powietrza nawiewanego oraz zmianę strumienia powietrza przepływającego do nawiewników (rys. 1.). Świeże powietrze dostarczane było z sieci przewodów umieszczonych pod podłogą. PEM wyposażone było również w panel regulacyjny, umożliwiający zmianę prędkości nawiewanego powietrza oraz stopnia recyrkulacji. Dodatkowe ogrzewanie środowiska dookoła użytkownika realizowane było za pomocą promiennika ciepła zlokalizowanego na wysokości kolan. PEM wyposażony był również w czujnik obecności, wyłączający urządzenie po kilku minutach nieobecności użytkownika. PEM umożliwiał nawiew powietrza w zakresie 6÷70 l/s, o temperaturze 18°C. PEM został zainstalowany w wielu biurach w USA, w których wyniki badań wskazały na poprawę ocen użytkowników odnośnie środowiska wewnętrznego, a także szeroko ocenianą produktywność. Wykazano również, że użytkownicy, mimo możliwości częstej zmiany parametrów w otoczeniu, korzystali ze zmiany ustawień PEM rzadziej niż raz dziennie, natomiast satysfakcjonująca dla nich była sama możliwość dokonywania zmian.

Rys. 1. Schemat rozwiązania Personal Envieronmental Module [20]

Podobnym rozwiązaniem charakteryzowało się urządzenie ClimaDesk [21], z tym że nawiew powietrza realizowany był z dwóch nawiewników laminarnych umieszczonych pod biurkiem, wysuniętych na odległość 0,6 m poza krawędź blatu. W zależności od rozwiązania, nawiew realizowany był pionowo lub poziomo (rys. 2.). Jak wykazały badania Faulkera [21] lepszą jakość powietrza uzyskiwano za pomocą Climadesk przy mniejszych ilościach powietrza wypływającego z nawiewnika.

Rys. 2. Schemat działania urządzenia Climadesk [21]

Aktualnie trwają prace nad dostosowywaniem rozwiązań wentylacji indywidualnej do specjalnych warunków w pomieszczeniach. Lan i in. [29] zaproponował rozwiązanie przeznaczone do sypialni (rys. 7.)

Rys. 7. Rozwiązanie PV do sypialni [28]

Celem takiego układu było zapewnienie wysokiej jakości powietrza, którym oddychają śpiące osoby, aby podnieść jakość ich snu. Jednakże pierwsze badania wskazały, że środowisko odbierane przez osoby śpiące w takich warunkach, odczuwane było jako chłodniejsze niż w badaniach bez PV, nawet jeżeli temperatura powietrza nawiewanego z PV była wyższa od otoczenia. Inne parametry nie wykazały statystycznie istotnych różnic między odczuciami ochotników eksponowanych na PV i śpiących w warunkach bez PV. Wyniki tych badań wskazują jednak, że ten trend będzie dalej rozwijany i możemy spodziewać się kolejnych rozwiązań dla osób śpiących.

Zaproponowano również rozwiązanie przeznaczone do kabin samolotów (rys. 8.) [30]. W tym przypadku celem jest minimalizacja transportu zanieczyszczeń między pasażerami, z tej przyczyny oprócz PV zastosowano lokalne wywiewy powietrza. Badania prowadzono z wykorzystaniem manekinów termicznych z opcją symulacji procesu oddychania. Jeden z manekinów symulował chorego pasażera, natomiast drugi – zdrowego eksponowanego na zanieczyszczenia. Badania wykazały znaczące (ponad 5-krotne) obniżenie zanieczyszczeń w strefi e oddychania pasażera zdrowego.

Rys. 8. Rozwiązanie PV dostosowane do kabin samolotów [29]

Podsumowanie

Jak widać na podstawie przedstawionych powyżej informacji, wentylacja indywidualna jest ciągle rozwijanym systemem wentylacji, o zaletach niedostępnych aktualnie stosowanym systemom rozdziału powietrza. Należy mieć nadzieję, że PV niebawem będzie dostępny i stosowany w polskich budynkach.

dr hab. inż. Anna BOGDAN
Wydział Inżynierii Środowiska,
Politechnika Warszawska

LITERATURA:

[1] KLEPEIS N. E., NELSON W. C., OTT W. R., ROBINSON J. P., TSANG A. M., SWITZER P., BEHAR J. V., HERN S. C. and ENGELMANN W. H.: The National Human Activity Pattern Survey (NHAPS). A resource for assessing exposure to environmental pollutants. Journal of Exposure Analysis and Environmental Epidemiology. 11. 231–252. 2001.

[2] WARGOCKI P., WYON D. P., BAIK Y. K., CLAUSEN G., FANGER P.O.: Perceived air quality. Sick Building Syndrome (SBS), symptoms and productivity in an offi ce with two diff erent pollution loads. Indoor Air. 1999;9:165e79.

[3] WARGOCKI P., WYON D. P., BAIK Y. K., CLAUSEN G., FANGER P.O.: The eff ects of outdoor air supply rate in an offi ce on perceived air quality. Sick Buidling Syndrome (SBS), symptoms and productivity. Indoor Air 2000;10(4):222e36.

[4] BROHUS H., NIELSEN P. V.: Personal exposure in displacement ventilated rooms. Indoor Air. 1996;6:157-67.

[5] MELIKOV A. K., NIELSEN J. B.: Local thermal discomfort due to draft and vertical temperature difference in rooms with displacement ventilation. ASHRAE Trans. 1989;95(2):1050-7.

[6] MELIKOV A. K., PITCHUROV G., NAYDENOV K., LANGKILDE G.: Field study on occupant comfort and the offi ce thermal environment in rooms with displacement ventilation. Indoor Air. 2004;15(3):205-14.

[7] FANGER P. O.: Human requirements in future air-conditioned environments. Int J Refrig. 2001;24(2):148-53.

[8] A. K. MELIKOV: Personalized ventilation. Volume 14. Issue Supplement s7. pages 157–167. August 2004.

[9] WYON D. P.: Individual microclimate control: required range, probable benefi ts and current feasibility. In: Nagoya, Japan Proceedings of Indoor Air’96. The 7th international conference on indoor air quality and climate. 1996. p. 1067–72.

[10] S. C. SEKHAR, N. GONG, K. W. D. CHEONG, K. W. THAM, A. MELIKOV, D. P. WYON, P.O. FANGER: Findings of personalized ventilation studies in a hot and humid climate. HVAC&R Research. 11 (4) (2005). 603–620.

[11] S. C. SEKHAR, N. GONG, C. R. U. MAHESWARAN, K. W. D. CHEONG, K. W. THAM, A. MELIKOV, P. O. FANGER: Energy effi ciency potential of a personalized ventilation system in the tropics, in: Proceedings of Healthy Buildings. 2003. vol. 2. Singapore. pp. 686–689. [12] Bin ZHAO, Ping GUAN: Modeling particle dispersion in personalized ventilated room. Building and Environment. 42 (2007). 1099–1109.

[13] YANG J., MELIKOV A., FANGER P. O., LI X., YAN Q.: Impact of personalized ventilation on human response: comparison between constant and fl uctuating airfl ows under warm condition. In: Proceedings of eighth international conference on air distribution in rooms. Roomvent 2002. Copenhagen, 2002. p. 305–8.

[14] A. K. MELIKOV, R. CERMAK, M. MAJER: Personalized ventilation: evaluation of diff erent Air terminal devices. Energy and Buildings. 34. 2002. 829–836.

[15] D. FAULKNER, W. J. FISK, D. P. SULLIVAN, S. M. LEE: Ventilation effi ciencies and thermal. Comfort results of a desk-edged-mounted task ventilation system. Indoor Air 14 (Suppl. 8). (2004). 92–97.

[16] J. NIU, N. GAO, M. PHOEBE, Huigang ZUO: Experimental study on a chair-based personalized ventilation system. Building and Environment. 42 (2007). 913–925.

[17] F. S. BAUMAN, H. ZHANG, E. A. ARENS, C. C. BENTON: Localized comfort control with a desktop task/ambient conditioning system: laboratory and fi eld measurements. ASHRAE Transactions. 99 (Pt. 2). (1993). 733–749.

[18] J. E. SEEM, J. E. BRAUN: The impact of personal environmental control on building energy use. ASHRAE Transactions. (Pt. 1). (1992). 903–909.

[19] Fred BAUMAN, Anne BAUGHMAN, Graham CARTER, and Edward ARENS: Center for Environmental Design Research, University of California, Berkeley, CA 94720- 1839, A Field Study of PEM (Personal Environmental Module) Performance in Bank of America’s San Francisco Offi ce Buildings.

[20] FAULKNER D., FISK W., SULLIVAN D., WYON D.: Ventilation eff eciencies of desk-mounted task/ambitne conditioning systems. Indoor Air. 1999. 9:273-281.

[21] Arsen K. MELIKOV, Radim CERMAK, Milan MAJER: Personalized ventilation: evaluation of different air terminal devices. Energy and Buildings. Volume 34. Issue 8. September 2002. Pages 829–836.

[22] Barbora HALVOŇOVÁ, Arsen K. MELIKOV: Performance of “ductless” personalized ventilation in conjunction with displacement ventilation: Impact of disturbances due to walking person(s). Building and Environment. 45 (2010). 427–436.

[23] Barbora HALVOŇOVÁ, Arsen K. MELIKOV: Performance of ‘‘ductless’’ personalized ventilation in conjunction with displacement ventilation: Impact of intake height. Building and Environment. 45 (2010). 996–1005.

[24] Jianlei NIU, Naiping GAO, Ma PHOEBE, Zuo HUIGANG: Experimental study on a chair-based personalized ventilation system. Building and Environment. 42 (2007). 913–925.

[25] http://files.kotisivukone.com/ilmastointitekniikka.tarjoaa.fi /tiedostot/pv_produktinformation_eng.pdf

[26] MATSUNAWA K., H. IIZUKA, S. TANABE: Development and application of an underfl oor air conditioning system with improved outlets for a smart building in Tokyo. ASHRAE Transactions. Vol. 101. Pt. 2. 1995.

[27] MCCARRY, B. T.: Underfl oor air distribution systems: benefi ts and when to use thesystem in building design. ASHRAE Transactions. Vol. 101. Pt. 2. 1995.

[28] Li LAN, Zhiwei LIAN, Xin ZHOU, Chanjuan SUN, Hongyuan HUANG, Yanbing LIN, Jiangmin ZHAO: Pilot study on the application of bedside personalized ventilation to sleeping people. Building and Environment. 67 (2013). 160-166.

[29] ARSEN K. MELIKOV, VIKTOR DZHARTOV: Advanced air distribution for minimizing airborne cross-infection in aircraft cabins. HVAC&R Research. (2013). 19. 926–933.

Masz pytanie do autora lub chciałbyś skomentować artykuł zapraszamy na www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl do działu ARTYKUŁY