Wentylacja miejscowa w aspekcie formowania przepływów powietrza

Cz. 2 – Pożądane cechy przepływów powietrza w otoczeniu odciągów miejscowych

W kolejnych kilku artykułach rozważane są przepływowe uwarunkowania skutecznej pracy układów wentylacji miejscowej. W cz. 1, w poprzednim artykule (nr 12/06), omówiono procesy transportu zanieczyszczeń pasywnych i ciepła w przepływach powietrza drogą dyfuzji i unoszenia oraz sposoby oceny skuteczności dynamicznej hermetyzacji źródeł szkodliwej emisji.

Teraz, w cz. 2, omawia się wrażliwość efektów działania wentylacji miejscowej na ruch powietrza w pomieszczeniu oraz pożądane cechy tego ruchu w otoczeniu odciągów i w wydzielonych strefach wentylacji miejscowej.
W następnych artykułach tej serii – nadal w aspekcie formowania przepływów powietrza – omawiane będą rozwiązania i właściwości odciągów miejscowych, z uwzględnieniem typów ich konstrukcji i zastosowania nawiewu wspomagającego, a następnie efektywność energetyczna wentylacji miejscowej.

Przy prognozowaniu rozwiązań wentylacji miejscowej zadajemy sobie pytanie – jak formować przepływy powietrza ogólnej wentylacji w pomieszczeniach, gdzie pracują odciągi miejscowe, albo trzeba tam izolować aerodynamicznie pewne strefy – aby te przepływy mogły współdziałać z wentylacją miejscową, a nawet poprawiać jej skuteczność? Czy możliwe jest organizowanie w otoczeniu odciągu ruchu powietrza „przyjaznego” dla jego pracy?
Trzeba tu wziąć pod uwagę wrażliwość układów wentylacji miejscowej na ruch otaczającego powietrza i wpływ tego ruchu na osiąganą przez nie skuteczność działania. (…)

Ruch powietrza w otoczeniu odciągu miejscowego

    Obliczenia rozkładu prędkości w widmach spływów odciągów miejscowych i prognozy skuteczności ich działania dokonywane są przy założeniu, że spływy te można traktować jako aerodynamicznie uporządkowane i niezakłócone, a powietrze otaczające odciągi jest neutralne w stosunku do obserwowanego obszaru spływu. Przy takim założeniu dokonywane są obliczenia rozkładu prędkości w widmach spływów, określa się prędkość porywania Wx i ocenia się skuteczność działania odciągu.
    Jednakże w wentylowanych pomieszczeniach, zarówno przemysłowych jak i użyteczności publicznej, takie idealne warunki z reguły nie występują. Powietrze pomieszczenia znajduje się w ciągłym ruchu, o trudnym do przewidzenia rozkładzie prędkości. Można obserwować przepływy związane z wentylacją mechaniczną, przeciągami, występują przepływy konwekcyjne związane z obecnością źródeł ciepła i chłodnych powierzchni, pojawia się ruch powietrza wymuszony pracą urządzeń i poruszaniem się ludzi. Przepływy te mają stochastyczny charakter, występują w nich przypadkowe niestabilności oraz ruchy poprzeczne i cyrkulacyjne, zwłaszcza związane z ograniczeniem przestrzeni, niestabilną pracą instalacji wentylacyjnej czy oddziaływaniem wiatru na budynek.
    W przepływach tych wyróżniają się strugi nawiewane i konwekcyjne, stanowiące zazwyczaj uformowane burzliwe przepływy o stosunkowo znacznym zasięgu. Ich energia kinetyczna ma istotne znaczenie dla kształtowania rozdziału i lokalnych przepływów powietrza w pomieszczeniu, stymuluje tam pole średniej prędkości i burzliwość ruchu powietrza. W efekcie rozpraszania energii strug nawiewanych i konwekcyjnych powstają w pomieszczeniu ruchy cyrkulacyjne o zróżnicowanej skali wirów i przepływy wtórne (rys. 2.3.), charakteryzujące się stosunkowo małą prędkością ruchu średniego i dużą intensywnością turbulencji, przy znacznym udziale drobnoskalowych struktur burzliwości.

    Rozdział powietrza wentylacji ogólnej, a więc pole ruchu powietrza w pomieszczeniu wpływa na pracę odciągów miejscowych, gdyż pole to jest aerodynamicznym tłem dla rozprzestrzenia się zanieczyszczeń i może oddziaływać dynamicznie na spływy odciągane. Dla scharakteryzowania tego wpływu w obrazach ruchu powietrza w pomieszczeniach przemysłowych trzeba wyodrębnić:

obraz średniego ruchu powietrza, charakteryzowany rozkładem średniej prędkości przepływów powietrza w pomieszczeniu,
strukturę i energię kinetyczną turbulencji przepływów powietrza. (…)

Wydzielone strefy wentylacji miejscowej

    Odciągi miejscowe hermetyzują aerodynamicznie źródła emisji, a usuwając zanieczyszczenia z pomieszczenia ułatwiają w znacznym stopniu zadanie ogólnej wentylacji. Jednak, przy swojej skuteczności zwykle mniejszej niż 100%, zadania tego nie eliminują w całości i dlatego pewna część zanieczyszczeń przedostaje się ze źródła do pomieszczenia w ilości mc(1-η), wskazanej na rysunki pierwszym.
    Taka niekontrolowana, resztkowa, emisja jest zwykle zwalczana za pomocą rozcieńczającej wentylacji ogólnej.
    Natomiast szkodliwa emisja z rozproszonych źródeł, nie wyposażonych w bezpośrednie odciągi miejscowe, wymaga zazwyczaj stosowania lokalnych nawiewów osłaniających określoną strefę pomieszczenia i wspomagających umieszczone tam odciągi powietrza. Koncepcję takiej lokalnej wentylacji przedstawiono w materiałach firmy Halton (rys. 2.8) dla strefy baru w restauracji.
    Przy organizowaniu ogólnej wentylacji rozcieńczającej, jak i stref z lokalnymi nawiewami, trzeba pamiętać, że drogi przepływu powietrza i rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń są na ogół różne. Powietrze napływa do pomieszczenia z otworów nawiewnych, a zanieczyszczenia ze źródeł emisji. Ponadto zanieczyszczenia podlegają odmiennym mechanizmom rozprzestrzeniania się. Natomiast lokalny rozkład stężeń w powietrzu pomieszczenia wynika z nakładania się przepływu powietrza i ruchu zanieczyszczeń.

Uwagi podsumowujące

    Pożądane jest, aby organizowany w pomieszczeniu rozdział powietrza spełniał następujące ogólne wymagania:

czyste powietrze, uzupełniające wydatek odciągu miejscowego, powinno dopływać do okolicy tego odciągu poprzez chronioną strefę przebywania i nie może powodować wtórnej emisji zanieczyszczeń;
ruch powietrza otaczającego obszar działania odciągu nie może deformować widma spływu odciąganego, a stan burzliwości powietrza napływającego do obszaru spływu powinien sprzyjać ograniczaniu wstecznej dyfuzji zanieczyszczeń od źródła do pomieszczenia (patrz rys. 2. w [Mierzwiński2006b]);
zanieczyszczone powietrze, usuwane z rozważanej wydzielonej strefy, nie powinno ponownie rozprzestrzeniać się w pomieszczeniu .

Jest oczywiste, że te ogólne wymagania mogą być w szczegółowych przypadkach realizowane na różne sposoby. Nie zawsze to się w pełni udaje, gdyż stosunkowo słabe spływy odciągów miejscowych są wrażliwe na deformujące działania ruchu powietrza w ich otoczeniu. Podobnie zakłócające przepływy powietrza, jak przeciągi i konwekcja cieplna, mogą w sposób trudny do przewidzenia zniekształcać organizowany przez wentylację rozdział powietrza. A jednak przy projektowaniu wentylacji miejscowej trzeba te zakłócenia jakoś oceniać i sensownie uwzględniać.

Rys. 2.7. Wyniki pomiaru skuteczności odciągu miejscowego przy różnych systemach wentylacji ogólnej i przy występowaniu różnych dodatkowych elementów, jak struga konwekcyjna nad gorącą płytą i nawiew wspomagający odciągu

Wymienione zakłócenia mogą powodować znaczne deformacje formowanych przepływów wentylacyjnych – co do ich kierunku i średniej prędkości przepływu. Trzeba to brać pod uwagę.
Pomocne tu mogą być praktyczne obserwacje, z których wynika, że zakłócające przepływy powietrza w rejonie odciągów miejscowych można w prognozach projektowych w przybliżeniu traktować jako płasko-równoległe przepływy boczne. Można ocenić, że ich prędkość często mieści się w granicach 0,2 do 0,5 m/s. Mogą być także przydatne następujące wskazówki, wynikające z eksperymentalnych badań [Posokin i Zhivov1997]:

skuteczność odciągów miejscowych na ogół jest niewystarczająca w sytuacjach, gdy prędkość ruchu otaczającego powietrza przekracza 1/2 do 2/3 prędkości powietrza w otworze ssawki czy okapu;
ustawianie otworu ssącego odciągu pod kątem ok. 135° w stosunku do najczęstszego kierunku przeciągu wpływa korzystnie na uzyskiwaną skuteczność działania odciągu i czystość powietrza w strefie operatora hermetyzowanego urządzenia technologicznego;
odbierający okap baldachimowy nad strugą konwekcyjną, pracujący w obecności poprzecznych przeciągów o prędkości przekraczającej 0,4 m/s, powinien być osłaniany z 1, 2 lub 3 stron ruchomymi ekranami lub za pomocą kurtyny powietrznej.