W niniejszym artykule skupiono się na zagadnieniach związanych z kształtowaniem się strumieni konwekcyjnych nad elementami nieruchomymi oraz metodyką obliczania ich parametrów. Metody te jednak nie mają odniesienia do strumieni konwekcyjnych rozwijających się nad ludźmi – z tej przyczyny aspekt ten został opisany szerzej oraz zaprezentowano aktualny stan wiedzy w tym zakresie.

Wentylacja wyporowa jest rozwiązaniem stosowanym powszechnie zarówno w obiektach przemysłowych, jak również budynkach, w których komfort użytkowników traktowany jest priorytetowo. Ideą wentylacji wyporowej jest nawiew świeżego, chłodnego powietrza o niewielkiej prędkości w dolne strefy pomieszczenia, które ogrzewa się, unosząc zanieczyszczenia w górne obszary pomieszczenia, skąd powietrze jest usuwane.

Wentylacja wyporowa jest rozwiązaniem sprawdzającym się w następujących warunkach [1]: występujące zanieczyszczenia są lżejsze od otaczającego powietrza, dostarczane powietrze może mieć temperaturę niższą od temperatury powietrza w pomieszczeniu, w pomieszczeniach o wysokości powyżej 3 m, występuje potrzeba dostarczenia znacznych ilości powietrza do relatywnie niewielkiej przestrzeni.

Zaletą wentylacji wyporowej jest przede wszystkim wysoka jakość powietrza w strefie przebywania ludzi, a także niższa moc chłodnicza wymagana do utrzymania odpowiedniej temperatury powietrza dookoła człowieka.

Jednym z elementów wpływających znacząco na prawidłowość działania wentylacji wyporowej są strumienie konwekcyjne generowane przez źródła ciepła znajdujące się w pomieszczeniu, będące niejako siłą napędzającą przepływ powietrza w pomieszczeniu przy tym typie wentylacji.

Podstawy teoretyczne dotyczące kształtowania się strumieni konwekcyjnych

(...)

Charakterystyka strumieni konwekcyjnych nad nieruchomymi obiektami

Strumienie konwekcyjne generowane przez źródła ciepła, które są elementami wyposażenia biurowego (np. komputery, elementy oświetlenia) charakteryzują się duża stabilnością zarówno kształtu jak i parametrów strumienia – ponieważ są one nieruchome. Im większa różnica temperatury między powierzchnią źródła ciepła a powietrzem otaczającym, tym szybciej strumień konwekcyjny odzyskuje swój kształt po zetknięciu z zaburzeniem pochodzącym z otoczenia.

Przebieg strumienia konwekcyjnego zależny jest od źródła ciepła, które według kształtu podzielić można na [1]: punktowe, liniowe, poziome, pionowe i o złożonym kształcie. W literaturze znaleźć można różne metody opisu strumieni konwekcyjnych – poniżej przedstawiono kilka wybranych metod, opracowanych dla różnych rodzajów źródeł ciepła.

Rys. 3. Strumień konwekcyjny nad źródłem ciepła a) punktowym, b) liniowym [1]

Na rysunku 3. przedstawiono strumienie konwekcyjne generowane przez źródła ciepła punktowe oraz liniowe. Są to modele „idealne”, jednak stanowią również podstawę do opisu rzeczywistych źródeł ciepła.

W tabeli 1. podano przykładowe zależności opisujące strumienie konwekcyjne nad źródłami punktowymi oraz liniowymi, podane w literaturze [3]. Zostały one opracowane zgodnie z założeniem, że rozkłady prędkości oraz nadwyżki temperatury w strumieniu wobec powietrza otaczającego można opisać za pomocą funkcji rozkładu Gaussa. W literaturze znaleźć można również metody opisu oparte na założeniu przeciwnym, np. metoda całkowa, w której rozkłady prędkości i temperatury nie są zgodne z krzywą Gaussa [4]. Zastosowanie tej metody prowadzi do otrzymania zbliżonego do krzywej Gaussa rozkładu prędkości w strumieniu konwekcyjnym, jednak różnica między rozkładem temperatury według metody całkowej a wg krzywej Gaussa jest już znacząca. Metody opisu strumieni konwekcyjnych nad źródłami ciepła punktowymi oraz liniowymi są często punktem wyjścia do opisu bardziej złożonych przypadków.

Za poziome źródła ciepła uznaje się nagrzane płaszczyzny/ płyty (rys. 4.). Cechą charakterystyczną dla formowania się strumienia konwekcyjnego nad poziomą płaszczyzną, w której osadzona jest nagrzana płytka, jest występowanie w I strefie przepływów do niej równoległych (pomijalnie mała pionowa składowa prędkości), które pod wpływem temperatury oraz lokalnych zmian ciśnienia wypierane są ku górze [3].

Rys. 4. Strumień konwekcyjny nad nagrzaną płytą, osadzoną równo z otaczającą płaszczyzną poziomą [3]

W literaturze [6] opisano również metodę dotyczącą nagrzanej płytki osadzonej na podstawie. Umieszczenie płyty na podwyższeniu spowodowało inny rozpływ powietrza, związany z możliwością powstania pionowych przepływów powietrza wokół podstawy. Z wyprowadzonych na drodze doświadczalnej zależności otrzymano większe wartości prędkości i strumienia objętości oraz niższą wartość nadwyżki temperatury w osi strumienia niż w przypadku płytki osadzonej równo z otaczającą płaszczyzną poziomą.

Pionowe źródła ciepła generują strumienie konwekcyjne nieco innego rodzaju – przepływ powietrza jest równoległy do źródła ciepła, a zwiększanie strumienia objętości poprzez indukcję powietrza otaczającego jest z jednej strony ograniczone płaszczyzną źródła ciepła (rys. 5.).

Rys. 5. Strumień konwekcyjny generowany przez płaszczyznę pionową [1]

Zależności dotyczące strumieni konwekcyjnych tworzących się przy źródłach ciepła pionowych opisane zostały w literaturze, przy założeniu stałej temperatury na całej powierzchni źródła ciepła [7].

Najczęściej spotykanymi w praktyce źródłami ciepła są te o złożonym kształcie. Do ich opisu stosowana jest najczęściej metoda wirtualnego źródła ciepła – jest to takie punktowe źródło ciepła, które umiejscowione na danej wysokości generowałoby strumień konwekcyjny o takim samym charakterze w strefie rozwiniętej strumienia, co rozpatrywane źródło ciepła o złożonej geometrii (rys. 1.). W przypadku stosowania tej metody stosuje się zależności takie, jak dla źródła punktowego, pamiętając jednak o starannym wyznaczeniu wysokości, na jakiej znajduje się wirtualne źródło ciepła.

Strumienie konwekcyjne rozwijające się nad ludźmi

(...)

Podsumowanie

W artykule przedstawiono informacje nt. strumieni konwekcyjnych kształtujących się w pomieszczeniach głównie biurowych. Jednym z najmniej zbadanych i opisanych zjawisk jest formowanie strumienia konwekcyjnego nad ludźmi. Tymczasem dążąc do ograniczenia zużycia energii na cele eksploatacji budynków, można rozważyć stosowanie w pomieszczeniach wentylacji indywidualnej, która dostarcza powietrze w bezpośrednie otoczenie człowieka, lub też wentylacji wyporowej, w której nawiewniki lokalizowane są w niedalekiej odległości od pracownika. W takich przypadkach znajomość przebiegu strumieni konwekcyjnych kształtujących się nad człowiekiem jest niezbędna w celu prawidłowego zaplanowania przepływu powietrza przez pomieszczenia.

Praca badawcza wykonana w ramach projektu
N R04 0018 10
realizowanego w latach 2011-2014.

LITERATURA:

[1] MUNDT E., MATHISEN H. M., NIELSEN P. V., MOSER A.: Displacement Ventilation in Non-Industrial Premises. REHVA. 2007.
[2] POPIOŁEK Z.: Badanie i modelowanie strug konwekcyjnych z uwagi na kształtowanie procesu wentylacji. Gliwice. Zeszyty naukowe Politechniki Śląskiej. 1987.
[3] BATURIN W. W., ELTERMAN W. M.: Wentylacja naturalna w zakładach przemysłowych. Warszawa. Arkady. 1974.
[4] ABRAMOWICZ G. N.: Tieorija turbulentnych stui. Moskwa. Gosudarstwiennoje Izdatielstwo Fizyko-Matematiczeskiej Literatury. 1960.
[5] MUNDT E.: The Performance of Displacement Ventilation Systems – Experimental and Theoretical studies. Ph.D Thesis, Bulletin no 38. Building Services Engineering. KTH. Stockholm. 1996.
[6] TIMOFIEJEWA O. N., Awierianow A. Cz.: Ukazanije po rasczotu kolcowych otsosow. LIOT. izd. 2. LIOT. 1960.
[7] ETHERIDGE D., SANDBERG M.: Building Ventilation – Theory and Measurement. Wiley. 1996.
[8] MIERZWIŃSKI Ś.: Air motion and temperature distribution above a human body in result of natural convection. KTH. Stockholm. 1980.
[9] ŻUKOWSKA D., MELIKOV A., POPIOŁEK Z.: Thermal plume above a simulated sitting person with diff erent complexity of body geometry. SCANVAC Conference Roomvent 2007 13-15 June 2007 Helsinki. Finland Proceedings Abstract Book.
[10] HYLDGAARD C. E.: Thermal Plumes Above a Person. Proceedings of the 6th International Conference on Air Distribution In Rooms. ROOMVENT ’98 (eds. E. Mundt, T.-G. Malmström). Stockholm, Sweden, June 14-17, 1998. Vol. 1, pp. 407-413.
[11] BOGDAN A., CHLUDZIŃSKA M.: Comparative evaluation of thermal plumes formed above a thermal manikin and humans – the pilot study results. IndoorAir 2008 17-22 August 2008. Copenhagen.
[12] ŻUKOWSKA D., MELIKOV A., POPIOŁEK Z.: Impact of personal factors and furniture arrangement on the thermal plume above a sitting occupant. Building and Environment 2012. vol. 49. pp. 104-116.
[13] KOELBLEN B., BOGDAN A.: Wpływ procesu oddychania na kształtowanie się strumieni konwekcyjnych nad ludźmi. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja. 08/2013, s. 337-342.
[14] KOELBLEN B.: Ocena wpływu odzieży, oddychania oraz pozycji ciała na tworzenie się strumieni konwekcyjnych nad człowiekiem. Praca magisterska. Politechnika Warszawska. 2013.

dr hab. inż. Anna BOGDAN
mgr inż. Barbara KOELBLEN
Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa
Politechnika Warszawska

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 12/2013