Instalacje wentylacji wyporowej przez wiele lat stosowane były w obiektach przemysłowych, które charakteryzowały się dużymi zyskami ciepła. Od połowy lat osiemdziesiątych XX wieku zaczęto je projektować także gdzie indziej.

Miejscami wprowadzania wentylacji wyporowej były głównie obiekty o mniejszym obciążeniu chłodniczym. Szczególnie popularne stało się to w krajach skandynawskich [11]. Szacuje się, że do 1989 roku wentylacja wyporowa działała już w 50% obiektów przemysłowych i w 25% biurowców [12].W ostatnich latach zainteresowanie tym systemem wentylacji można zauważyć na całym świecie. Wentylacja wyporowa skutecznie bowiem poprawia jakość powietrza w strefie przebywania ludzi oraz efektywność wentylacji w obsługiwanym pomieszczeniu [11]. Są to, obok komfortu cieplnego, istotne wyznaczniki świadczące o poprawnym zaprojektowaniu i działaniu wentylacji. Także ze względu na wymagania związane z energooszczędną pracą instalacji, gdyż w odróżnieniu od wentylacji mieszającej, celem działania wentylacji wyporowej jest zapewnienie wymaganych parametrów powietrza jedynie w strefie przebywania ludzi, zamiast w całej kubaturze pomieszczenia.

Zasada działania wentylacji wyporowej

W obiektach użyteczności publicznej w trakcie działania wentylacji wyporowej powietrze o temperaturze niższej od temperatury powietrza wewnętrznego nawiewane jest z niską prędkością na poziomie podłogi w sposób niskoburzliwy. W obiektach produkcyjnych i przemysłowych stosuje się także inne rozwiązanie wentylacji wyporowej: nawiewniki mogą być usytuowane nad stanowiskiem pracy z nawiewem powietrza nad głowami pracowników (takie rozwiązane jest np. często spotykane, i zalecane, w kuchniach zawodowych [15]).

Nawiewane nad podłogą powietrze rozprzestrzenienia się w pomieszczeniu, tworząc efekt tzw. „zimnego jeziora” [9]. W wyniku takiej organizacji nawiewu, nad całą powierzchnią podłogi tworzy się warstwa świeżego powietrza. Prądy konwekcyjne związane z obecnością ludzi i innych źródeł ciepła w pomieszczeniu powodują unoszenie się nawiewanego powietrze: świeżego i w momencie wypływu z nawiewnika chłodniejszego od powietrza w pomieszczeniu [13]. Jednocześnie, w wyniku tłokowego przepływu powietrza, drobne zanieczyszczenia, wraz z powietrzem, wypierane są w kierunku sufitu. Efektem tych zjawisk jest z jednej strony powstanie komfortowych warunków w strefie przebywania i oddychania ludzi, czyli warstwy świeżego powietrza wokół człowieka (rys. 1.), z drugiej – wystąpienie rozwarstwienia warstw powietrza i powstania dwóch stref: niższej o powietrzu czystym i chłodniejszym oraz wyższej o powietrzu zanieczyszczonym i cieplejszym (rys. 2.). Ciepłe i zanieczyszczone powietrze usuwane jest z górnej części pomieszczenia przez instalację wyciągową.

Rys. 1. Strefa czystego powietrza wokół człowieka w pomieszczeniu z wentylacją wyporową [11]

Rys. 2. Stratyfi kacja powietrza w pomieszczeniu z wentylacją wyporową [11]

W odróżnieniu od celu i efektów działania wentylacji mieszającej (osiągnięcie wysokiego stopnia indukcji w wyniku możliwie jak największego stopnia wymieszania powietrza nawiewanego z powietrzem wewnętrznym w pomieszczeniu), jedną z zasad działania wentylacji wyporowej jest osiągnięcie jak najmniejszego stopnia indukcji [5].W badaniach dotyczących jakości powietrza wewnętrznego wokół ludzi, wynikającej ze stosowania wentylacji mieszającej i wyporowej, opisanych w [11], przyjęto zgodnie z normą PN-EN 13779: 2008 [7], że dla każdej osoby w pomieszczeniu konieczne jest doprowadzenie powietrza zewnętrznego w ilości 20 l/s (72 m3/h). Jest to wymagany strumień powietrza zewnętrznego dla uzyskania powietrza wewnętrznego, w pomieszczeniu z zakazem palenia wyrobów tytoniowych, o kategorii WEW 1 (co oznacza wysoką jakość powietrza wewnętrznego). Wykazano, że w przypadku stosowania wentylacji wyporowej, w wyniku wystąpienia zjawiska swobodnej konwekcji wokół użytkowników, uzyskuje się dużo lepszą jakość powietrza w strefie oddychania. I to stosując dużo mniejszy, niż wymagany na mocy normy, strumień powietrza nawiewanego przez wentylację wyporową. Doprowadzając powietrze w ilości 10 l/s (36 m3/h) uzyskuje się np. stężenie zanieczyszczeń wokół człowieka wynoszące zaledwie 20% stężenia na tej samej wysokości w innym miejscu w pomieszczeniu. Stwierdzono także, że stężenie zanieczyszczeń w powie trzuw strefie przebywania wynosi 10÷30% ich stężenia w powietrzu wywiewanym.

Rys. 3. Strefa oddziaływania strumienia nawiewanego przez nawiewniki wyporowe [14]

Cytowane w [2] badania Stymne wskazują także, że w przypadku ludzi pracujących w pozycji siedzącej, górna granica strefy czystego powietrza przebiega około 0,2 m powyżej głowy człowieka. Na podstawie badań omówionych w [11], wiadomo także, że warstwa świeżego powietrza w strefie oddychania, podczas przemieszczania się człowieka, prawie natychmiast się odbudowywuje i nie występuje istotne pogorszenie jakości wdychanego powietrza.

Rys. 4. Zależność prędkości nawiewanego powietrza od kształtu nawiewnika i odległości od niego [10]

Strefa oddziaływania strumienia

Strefa oddziaływania strumienia powietrza jest pojęciem stosowanym do opisu właściwości strumienia powietrza nawiewanego przez nawiewniki wyporowe. Zasięg tej strefy może być opisany przez dwie wartości: av i bv [14]. Wymiar av to największa mierzona w poziomie odległość od ściany (lub od środka nawiewnika w przypadku nawiewników wolnostojących, np. o kształcie walca) do miejsca, w którym prędkość na całej szerokości strumienia osiąga określoną stałą wartość. Wymiar bv to największa mierzona prostopadle do wymiaru av szerokość strefy, w której prędkość strumienia osiąga stałą wartość. Prędkość powietrza mierzona jest na wysokości, na której osiąga największą wartość.

Prędkość powietrza na granicy strefy oddziaływania wynosi [14]:0,2 m/s dla wentylacji wyporowej komfortowej, ¡0,3 m/s dla wentylacji wyporowej przemysłowej. Ze względu na niekomfortowe parametry powietrza występujące w strefie oddziaływania strumienia, powodujące w praktyce ograniczenie powierzchni użytkowej w pomieszczeniach obsługiwanych przez wentylację wyporową, ta cecha systemu doprowadzenia powietrza, jest jego jedną z jego istotniejszych wad. Na rysunku 3. zaznaczone zostały obszary oddziaływania strumieni wokół nawiewników, a na rysunku 4. została przedstawiona zależność pomiędzy prędkością nawiewanego powietrza, rodzajem nawiewnika i odległością od niego.

Zalety i wady wentylacji wyporowej (…)

Stosowanie (…)

Efektywność wentylacji (…)

Dyskomfort cieplny (…)

Budowa i rodzaje nawiewników (…)

Zasada doboru nawiewników wyporowych (…)

Parametry powietrza nawiewanego (…)

Rys. 7. Nawiewnik BOCa zwany BOOSTER dwufunkcyjny przeznaczony do montażu na ścianie lub słupie. BOCa pracuje jako nawiewnik wentylacji mieszającej w funkcji ogrzewania oraz jako wyporowy w funkcji chłodzenia [fot. Swegon]

Wentylacja komfortowa

Temperatura powietrza nawiewanego musi być odpowiednio wysoka, aby nie spowodowała odczucia nadmiernego wychłodzenia, szczególnie na wysokości kostek u nóg użytkowników, a jednocześnie tak określona, aby chłodny strumień powietrza mógł odebrać zyski ciepła z pomieszczenia. Projektowane wartości temperatury i prędkości powietrza nawiewanego muszą jednocześnie zapewnić komfort cieplny. Przyjmuje się, że powietrze nawiewane w wentylacji komfortu powinno mieć temperaturę niższą o 1÷3 K, natomiast dla wentylacji wyporowej specjalnej lub stosowanej w przemyśle, temperatura ta może być niższa o 1÷5 K (niektóre źródła jako wartość maksymalną podają 6 K).Ze względu na konieczność zachowania komfortu cieplnego, w przypadku gdyby miało się w danym pomieszczeniu zwiększyć jego obciążenie cieplne, w celu odprowadzenia nadmiaru zysków lepsze byłoby zwiększenie strumienia powietrza wentylacyjnego niż obniżenie temperatury powietrza nawiewanego. W tabeli 5 zamieszczono zalecane wartości parametrów powietrza dla wentylacji wyporowej komfortowej i przemysłowej. Inne zalecenia dla wentylacji komfortowej można znaleźć w tabelach 2. i 3.

Wentylacja przemysłowa

Na podstawie danych katalogowych [3], można zorientować się, jakie są parametry pracy nawiewników wyporowych w obiektach przemysłowych. Przykładowe wielkości, na podstawie informacji zamieszczonych w [3], to:

• prędkość wypływu powietrza z nawiewnika od 0,3 do 1,0 m/s,
• strumień powietrza nawiewany przez jeden nawiewnik, zależnie od jego średnicy: od 1000 do 10000 m3/h,
• zasięg strumienia nawiewanego przez okrągły nawiewnik od 2,5 do 14 m,
• maksymalna różnica temperatury powietrza nawiewanego i temperatury powietrza w pomieszczeniu:

– podczas ogrzewania ≤10 K,

– podczas chłodzenia ≤8 K.

Ogrzewanie pomieszczenia z wentylacją wyporową

Ponieważ dostępne obecnie nawiewniki wyporowe stosowane w obiektach użyteczności publicznej nie mogą być stosowane do ogrzewania, konieczne jest korzystanie z wodnych instalacji grzewczych, takich jak grzejniki radiacyjne zamontowane pod oknem lub przy ścianie zewnętrznej, grzejniki konwekcyjne rozmieszczone równomiernie wzdłuż całej ściany zewnętrznej, sufitowe panele grzejne, ogrzewanie podłogowe o temperaturze podłogi poniżej 25°C i przy nawiewie powietrza o temperaturze około 2 K niższej (lub więcej) od temperatury powietrza wewnętrznego [11, 17].