Wentylacja - pytania

1. Wytwarzanie i oddawanie ciepła przez człowieka.

Naturalna temperatura ciała ludzkiego jest stała i każda ilość ciepła wytwarzana przez organizm i przekraczająca ilość przeznaczoną na potrzeby życiowe musi być oddana na zewnątrz.

Człowiek przez cały czas oddaje ciepło: paruje, poci się. Organizm się chłodzi.

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6O₂ + 6H₂O + Q

→ Q - ciepło wytworzone

Ciepło wytworzone = ciepło pobrane na procesy metaboliczne + ciepło pobrane na pracę organizmu + ciepło stracone na zewnątrz

Dla danego wieku i stanu organizmu stosunek strat = constans.

ciepło stracone na zewnątrz = K = constans

ciepło pobrane na procesy metaboliczne

K - stała

Ilość ciepła oddawanego przez człowieka w stanie spoczynku /to jest leżenia, nieruchomo/, wynosi 70 - 80 W /Watów/. Zaś w czasie ciężkiej pracy fizycznej dochodzi do 300 W.

Zasadnicza część ciepła przekazywana jest przez konwekcję do przepływającego obok powietrza, oraz przez promieniowanie na zewnątrz, gdy temperatura otoczenia jest niższa od temperatury ciała.

Q = f ( ∆ T )

∆ T - różnica temperatury ciała i temperatury otoczenia.

Q = f ( ∆ T ⁴ )

Udziały konwekcji i promieniowania są równe i wynoszą ok. ≈ 40%.

Pozostała ilość ciepła oddawanego przez organizm - to ciepło na odparowanie potu, to ≈ 10% i ciepło wydzielone przez oddychanie ok. ≈ 5%, ciepło zużywane na inne czynności fizjologiczne ≈ 5%.

Średnia wartość strumienia cieplnego wynosi:

• dla stóp 145 W/m² ( t=29⁰C)

• dla głowy 115 W/m² ( t=33⁰C)

• dla rąk 75 W/m² ( t=28⁰C)

• dla całego człowieka ubranego 60 W/m²

2. Pojęcie komfortu cieplnego oraz czynniki wpływające na niego.

Optymalny podział warunków przy których ludzie czują się najlepiej określa się zakresem komfortu cieplnego.

Czynnikami od których zależy komfort cieplny są:

• temperatura powietrza i jej równomierność oraz temperatura przegród tj. ścian, okien itp.

• wilgotność powietrza,

• prędkość przepływu powietrza,

• czystość powietrza tj. skład, zawartość zanieczyszczeń, bezwonność i stan elektrostatyczny.

Człowiek ma zdolności aklimatyzacyjne, które pozwalają na przystosowanie się do zewnętrznych warunków powietrza.

Mimo tych zdolności nie we wszystkich warunkach człowiek czuje się dobrze.

Komfort cieplny jest to więc stan w którym człowiek nie czuje ani chłodu ani ciepła. Odzież jest jednym z podstawowych elementów który powinien zapewnić człowiekowi komfort cieplny w różnych warunkach środowiska termicznego, przy różnym poziomie aktywności fizycznej. W obszarze komfortu cieplnego bilans cieplny organizmu jest zrównoważony a oddawanie ciepła odbywa się przez promieniowanie, konwencję oraz pocenie niewyczuwalne, przez układ oddechowy. Temperatura ciała wynosi około 37⁰C a średnia ważona temperatura powierzchni skory mieści się w granicach 32-34⁰C.

Temperatura i prędkość ruchu powietrza wpływają na oddawanie ciepła drogą konwekcji.

Temperatura przegród budowlanych decyduje o ilości ciepła przekazywanego przez promieniowanie.

Optymalna temperatura pomieszczenia to:

• w zimie 20 - 22⁰C

• w lecie 22 - 24⁰C

W powietrzu znajduje się też para wodna. Udział pary wodnej w powietrzu zmienia się w zależności od położenia na kuli ziemskiej, pory dnia i roku. W naszym klimacie wynosi on 0,08-2,5%.

Od poziomu wilgotności względnej zależna jest intensywność odparowania wilgoci z powierzchni ciała.

Wilgotność optymalna wynosi 40 - 60 %, a prędkość przepływu powietrza 0,15 - 0,25 m/s.

Różnica pomiędzy temperaturą powietrza w pomieszczeniu a temperaturą przegród budowlanych nie powinna być większa niż 2⁰C /2K/.

Powietrze jest mieszaniną gazów z których podstawowe to:

• ok. 21% tlenu,

• ok. 78% azotu,

• ok. 1% argonu,

• ok. 0,003% dwutlenku węgla.

W powietrzu znajdują się zawsze zanieczyszczenia których źródłem jest działalność człowieka. Są to gazy, pyły, areozole i mikroorganizmy.

3. Temperatura powietrza i ścian w pomieszczeniu.

Największe znaczenie dla komfortu cieplnego ma średnia temp. otaczającego powietrza określana z bilansu cieplnego uwzględniającego zyski ciepła pochodzące z urządzeń grzewczych lub warunków pogodowych oraz ubrania i wysiłku człowieka przy wykorzystaniu różnych czynności.

Optymalna temperatura pomieszczenia to:

• w zimie 20 - 22⁰C

• w lecie 22 - 24⁰C

Latem temp. komfortu cieplnego jest wyższa ponieważ człowiek jest lżej ubrany, dlatego przy tej samej temp. powierzchnia ciała wymaga wyższej temp. otoczenia aby utrzymać takie same oddawanie ciepła.

Dla człowieka nieubranego temperaturą optymalną jest 28⁰C.

Ludziom młodym wystarcza temperatura w granicach 18⁰C.

Maksymalna temperatura nie powinna przekraczać 26⁰C. Przekroczenie tej temperatury pogarsza samopoczucie człowieka oraz powoduje znaczne zmniejszenie wydajności pracy.

Dla osób wykonujących pracę fizyczną im większego wysiłku wymaga praca tym korzystniejsze są niższe temperatury.

Temperatura powietrza w pomieszczeniach powinna być zbliżona do temperatury ścian. Gdy średnia temperatura powierzchni ścian obniży się o 1⁰C to człowiek będący w bezruchu odczuwa to jako obniżenie temperatury powietrza w pomieszczeniu o 1⁰C. Wpływa tona ciepło odprowadzane z ciała ludzkiego. W przypadku niesymetrycznego termicznego obciążęnia ciała np. gdy człowiek siedzi plecami do chłodnej ściany lub okna odczuwalne jest już przez człowieka promieniowanie ciepła wynoszące 20 - 30 W/m²

Q = K (T₁⁴ - T₂⁴)

Warunki komfortu cieplnego zależą głównie od średniej temp. powietrza i średniej temperatury wszystkich otaczających powierzchni. Im mniej te obie temperatury różnią się od siebie, im bardziej zbliżone są do wartości średniej wynoszącej 20-22⁰C dla pracy biurowej, tym bardziej równomierne jest oddawanie ciepła przez człowieka.

Różnica ta nie powinna wynosić więcej niż 3⁰C.

4. Wilgotność powietrza i jej znaczenie w pomieszczeniach.

Ponieważ człowiek oddaje ciepło również przez parowanie, więc bardzo duże znaczenie dla komfortu cieplnego ma wilgotność powietrza. W tych samych warunkach temperaturowych odparowanie zależy od różnicy ciśnienia pary wodnej na powierzchni skóry i pary wodnej zawartej w powietrzu.

Ciśnienie powietrza wilgotnego jest sumą ciśnienia powietrza suchego i ciśnienia cząstkowego pary wodnej.

P = Pa+Pw [Pa]

Powietrze wilgotne może być:

1. nienasycone- gdy para wodna zawarta w powietrzu jest parą przegrzaną

2. nasycone- gdy para wodna w powietrzu jest parą suchą nasyconą

3. zamylone- gdy w powietrzu występuje woda w postaci pary wilgotnej

Ilość pary wodnej w powietrzu jest ograniczona. Zależy ona od temperatury i ciśnienia.

Podczas przemian i procesów cieplno-wilgotnościowych masa suchego powietrza nie ulega zmianie, zaś masa pary wodnej zawartej w powietrzu może się zmienić przez nawilżanie lub osuszanie powietrza. Może więc również ulec zmianie jej stan skupienia przez parowanie lub skraplanie.

Stan powietrza wilgotnego charakteryzuje zawartość wilgoci zwaną wilgotnością własną lub współczynnikiem wilgoci.

m_w

X = ------- [ kg/kg ]

m_a

Ma- masa powietrza suchego

Mw- masa pary wodnej zawartej w powietrzu

Wielkościami charakteryzującymi wilgotność powietrza są:

1. wilgotność bezwzględna

2. wilgotność względna

Wilgotność bezwzględna zwana zawilgoceniem powietrza jest to masa pary wodnej zawarta w jednym m³ powietrza wilgotnego.

Wilgotność względna jest to stosunek wilgotności bezwzględnej do wilgotności nasycenia w danej temperaturze powietrza.

Jeżeli przy występującym ciśnieniu wilgotność bezwzględna osiągnie wartość maksymalną to powietrze jest wtedy nasycone parą wodną i nosi nazwę wilgotności nasycenia

W temperaturze 20⁰C oddawanie ciepła przez parowanie jest stosunkowo niewielkie. Zakres dopuszczalnego przedziału wilgotności względnej waha się w granicach 30-70%.

Zimą w pomieszczeniach ogrzewanych wilgotność często spada poniżej 35%, powodując nadmierne wysuszenie odzieży sprzętu i błon śluzowych ludzi.

Spadek wilgotności poniżej tego poziomu powoduje unoszenie się pyłów, które osiadają na grzejnikach.

Z ogrzanego na grzejnikach pyłu wydziela się amoniak i inne gazy drażniące drogi oddechowe.

U człowieka dochodzi do wysuszenia błon śluzowych dróg oddechowych i z tego powodu dolna granica wilgotności względnej powinna być wyższa od 35%

Podobne niekorzystne zjawisko występuje, gdy wilgotność względna>70%.

Para wodna skrapla się w zimnych miejscach, a materiały pochodzenia organicznego wydzielają zapachy występujące przy tworzeniu pleśni i gniciu.

5. Wpływ ruchu powietrza na człowieka.

Dla komfortu cieplnego duże znaczenie ma ruch powietrza. Dobre samopoczucie zakłóca owiewające ciało powietrze, które ma temperaturę niższą niż powietrze w pomieszczeniu. Zjawisko to nazywa się przeciągiem. Przeciąga się to więc odczucie oziębienia ciała człowieka wskutek ruchu powietrza.

Minimalny ruch powietrza jest konieczny dla przenoszenia ciepła. Ruch ten musi być jednak taki, by nie zakłócał odczucia komfortu cieplnego.

Przyjmuje się, że przy temperaturze 20-22⁰C nie ma odczucia przeciągu. W pomieszczeniach wentylowanych dopuszczalna prędkość powietrza wynosi 0,15-0,2m/s

6. Zapachy w otoczeniu człowieka.

W pomieszczeniach, w których nie powstają czynniki szkodliwe pochodzące z procesów produkcyjnych za jedyne źródło emisji zanieczyszczeń uważa się ludzi.

W pomieszczeniach tych jednak występuje często tzw. Choroba budynkowa objawiająca się suchością warg, podrażnieniem oczu, błon śluzowych, gardła oraz ogólnym osłabieniem. Przyczyną tych objawów są zapachy, których przyczyną jest duża ilość substancji nagromadzonych w powietrzu pochodzących z mebli, wykładzin dywanowych, dymu papierosowego, tworzyw sztucznych i różnego sprzętu biurowego.

Jednostką miary dla natężenia źródła zapachu jest -olf-

Jeden olf jest to zapach jednego człowieka o cechach standardowych tj. posiadającego powierzchnię skóry równej 1,8m² biorącego prysznic 0,7 raza w ciągu doby i noszącego codziennie świeżą bieliznę.

Przykładowo:

Dorosła osoba w pozycji siedzącej emituje zapach 1 olfa, a ćwiczący sportowiec - 30 olfy, palący ciągle - 25 olfów, dywan z włókna sztucznego 0,3 olfy/ m²

Warunki komfortu w odniesieniu do zanieczyszczeń powietrza zapachami uzyskuje się dla materiałów budowlanych i urządzeń wentylacyjnych, gdy natężenie zapachu nie przekracza 0,4olf/m² rzutu poziomowego.

Aby zaistniały bardzo dobre warunki komfortu natężenie zapachu nie powinno przekraczać 0,1olf/m².

Uzyskanie takiej wielkości wymaga starannego doboru materiałów budowlanych, czystych niezatłuszczonych kanałów wentylacyjnych, częstej wymiany filtrów, czyszczenia kanałów oraz wykluczenie recyrkulacji.

7. Pojęcie krotności wymiany powietrza.

Przez krotność wymiany powietrza rozumie się stosunek łącznego strumienia powietrza świeżego przepływającego przez pomieszczenie V₂ w czasie jednej godziny do łącznej kubatury pomieszczenia V₂

l = Va/Vk Va - strumień powietrza w m² na sek. Lub godz. [ l/sek ] [ l/h ]

Krotność wymiany powietrza jest informacją, którą podaję ilość wymienionego w pomieszczeniu powietrza.

Nie wyjaśnia ona jak przepływające powietrze oddziałowuje w strefie przebywania ludzi. Zakłada się tu, że w całym pomieszczeniu nastąpiła wymiana równomiernie wymieszanego z substancjami szkodliwymi powietrzu.

W praktyce mogą występować w pomieszczeniu strefy zalegania mieszaniny powietrza z tymi substancjami .Jakość przebiegu wymiany powietrza oraz odprowadzenie substancji szkodliwych i zależy od czasu przebywania powietrza w pomieszczeniu. Najkrótszy z możliwych przeciętny czas przebywania powietrza w pomieszczeniu nazywa się normalną stułą czasową.

Łn- jest odwrotnością krotności wymiany powietrza.

8. Sposoby określenia ilości powietrza wentylacyjnego doprowadzonego do pomieszczenia

Ilość powietrza wentylacyjnego doprowadzonego do pomieszczenia określa się wg następujących kryteriów:

1. krotności wymiany powietrza

2. ilości powietrza przypadającego na jedną osobę

3. wg obciążenia cieplnego

4. w zależności od jego zanieczyszczenia

Ad1/ wg krotności wymiany określa się zapotrzebowanie na powietrze wentylacyjne w pomieszczeniach o stałej i niewielkiej ilości występowania czynników szkodliwych i uciążliwych dla zdrowia oraz zastosowanych prostych urządzeń wentylacyjnych. Krotność wymiany powietrza ustalana jest doświadczalnie przy uwzględnieniu wysokości, kubatury i zanieczyszczenia powietrza. Przykładowo w kuchniach krotność wymiany powietrza powinna wynosić 20 - 30 razy na godzinę.

Ad2/ ilość powietrza wentylacyjnego przypadającego na jedną osobę może być różna. Zależy ona od warunków lokalnych jakie istnieją w pomieszczeniu lub ustalonych norm higienicznych. Wartość w pomieszczeniach budynków zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej liczone na jedną osobę powinny wynosić co najmniej:

• w przypadku wentylacji w budynkach zamieszkania zbiorowego dla pokojów mieszkalnych i sypialnych

20m³/h/osobę

przy czym łączny strumień powietrza dla pokoju nie powinien być niższy od jednej wymiany na godzinę

• w przypadku wentylacji w budynkach użyteczności publicznej w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego i czasowego pobytu ludzi, w których zabronione jest palenie tytoniu

20m³/h/osobę

Ad3/ w pomieszczeniach pracy, w których występuje wydzielanie się ciepła przez promieniowanie wskazane jest odpowiednie odprowadzanie tego ciepła przez zastosowanie wentylacji nawlewnej. Powietrze nawiewane powinno spełniać wymagania dla mikroklimatu gorącego z uwzględnieniem tworzenia się przeciągów, odpowiedniej wilgotności oraz dopuszczalnych stężeń czynników szkodliwych dla zdrowia. Wymagane natężenie strumienia powietrza dla występującego podczas pracy obciążenia cieplnego można określić z zależności

V = Q/CqΔt

Q - obciążenie cieplne

C - ciepło właściwe powietrza 1kJ/kg-K

q - gęstość powietrza 1,200 kg/m³ (średnio)

Δt - zakładane obniżenie temperatury w pomieszczeniu K

Ad4/ w pomieszczeniach, w których znane są źródła emitujące określone ilości zanieczyszczeń powietrza można określić ilość powietrza jaka musi być doprowadzona do pomieszczenia by rozrzedzić zanieczyszczenia do wartości dopuszczalnych. Niezbędne natężenie strumienia powietrza dla osiągnięcia wymaganego stężenia czynników szkodliwych w pomieszczeniu określa zależność

V = Vzan/Ki-Ku [m³/s]

Vzan - ilość czynnika szkodliwego wydzielającego się w ciągu sekundy

Ki - wartość stężenia, które ma być osiągnięte po rozrzedzeniu ewentualnych czynników szkodliwych np. NDS

Ku - stężenie zanieczyszczenia w powietrzu nawiewanym do pomieszczenia

9. Wpływ temperatury otoczenia na rozkład ciśnienia w pomieszczeniu.

Temperatura otoczenia ma duży wpływ na rozkład ciśnienia w pomieszczeniach, szczególnie wtedy, gdy jest stosowana wentylacja naturalna polegająca na wymianie powietrza w pomieszczeniach występującej wskutek oddziaływania na budynek czynników atmosferycznych bez stosowania urządzeń mechanicznych. W wentylacji naturalnej przepływ powietrza następuje na skutek różnicy ciśnień. Różnica temperatury powietrza na zewnątrz i wewnątrz pomieszczenia powoduje powstanie różnicy gęstości powietrza. Zimą, gdy temperatura w pomieszczeniu jest wyższa niż na zewnątrz ogrzane lżejsze powietrze unosi się ku górze i uchodzi na zewnątrz przez otwory i nieszczelności w górnej części pomieszczenia. Na jego miejsce przez otwory i nieszczelności w dolnej części pomieszczenia napływa powietrze chłodniejsze, czyli cięższe z zewnątrz.

W lecie, gdy w pomieszczeniach powietrze jest chłodniejsze, układ jest odwrotny, tzn. Powietrze cieplejsze z zewnątrz wchodzi do pomieszczenia przez otwory i nieszczelności w górnej części pomieszczenia, a powietrze zimniejsze z wewnątrz wchodzi przez dolne części pomieszczenia.

Jeżeli na pomieszczenie nie działa wiatr, a temperatura powietrza wewnętrznego jest wyższa od temperatury powietrza zewnętrznego

t_w > t_z

oraz ciśnienie na zewnątrz i wewnątrz pomieszczenia zmienia się liniowo, to w górnej części pomieszczenia panuje nadciśnienie a w dolnej podciśnienie.

10. Wpływ wiatru na ciśnienie w otoczeniu

Na wymianę powietrza ma wpływ nie tylko różnica temperatur powietrza na zewnątrz i wewnątrz pomieszczenia, ale również działanie wiatru tzn. Wywołane jego naporem strefy nadciśnienia i podciśnienia przy ścianach zewnętrznych budynków.

Wartość ciśnienia wywołanego naporem wiatru działającego na przegrody budowlane zależy od:

• prędkości wiatru

• kierunku wiatru

• geometrii zewnętrznej budynków

Δp = (k₁ - k₂) /2 * (W²*q)/2 [Pa]

k₁,k_{2 -} współczynniki aerodynamiczne nawietrznej i zawietrznej strony budynków (brane z tabel - różne dla różnych kształtów budynków)

11. Zasady przewietrzania pomieszczeń

Przewietrzanie polega na okresowej wymianie powietrza w pomieszczeniu przez otwieranie okien lub innych otworów na przegrodach pomieszczeń. Nie należy dopuścić do tego, aby w pomieszczeniu powstał przeciąg. Wskazane jest takie otwieranie okien, które są jak najbliżej płaszczyzny neutralnej. Otwierając dolne i górne okno wystąpi przeciąg. Natomiast otwierając okno środkowe będą niewielkie różnice ciśnień i przeciąg nie wystąpi.

12. Zjawisko infiltracji w budynkach

Samoczynna wymiana powietrza w pomieszczeniu spowodowana porowatością ścian oraz nieszczelnością okien i drzwi. Intensywnośc tej wymiany zależy od stopnia nieszczelności okien i drzwi. Infiltracja powstaje w wyniku różnicy ciśnienia w budynku wywołanej rozkładem gęstości powietrza w pomieszczeniu i na zewnątrz pomieszczenia oraz naporu wiatru.

Przez ściany, sufit i podłogęprzechodzi jedynie 2-3% strumienia powietrza.

13. Wpływ wentylacji grawitacyjnej na jakość powietrza w pomieszczeniach

Poprawę wentylacji naturalnej można uzyskać poprzez połączenie wentylowanego pomieszczenia z otoczeniem przewodem wyprowadzonym nad poziom dachu budynku. Płaszczyzna wyrównania ciśnień znajduje się wtedy powyżej pomieszczenia, a więc w jego całym wnętrzu panuje ciśnienie mniejsze od atmosferycznego. Poprawę wentylacji grawitacyjnej można osiągnąć stosując na górnych wylotach kanałów grawitacyjnych tzw. Wywietrzaki lub wywietrzniki. Urządzenie te pod wpływem wiatru zwiększają ciąg w kanale dzięki wytwarzaniu podciśnienia. Taki sposób wentylacji nazywa się wentylacją grawitacyjną wywiewną.

14. Aeracja i jej zastosowanie

Aeracja jest to zorganizowana wymiana powietrza w pomieszczeniu uzyskana dzięki różnicy ciśnienia na zewnątrz i wewnątrz, powstałej w wyniku różnicy temperatur i działania wiatru. Stosując aerację można zapewnić wymianę z góry ustalonego strumienia objętości powietrza wentylacyjnego z możliwością jego regulacji i to niezależnie od warunków atmosferycznych panujących na zewnątrz budynków.

Aerację najczęściej stosuje się w zakładach przemysłowych do odprowadzenia nadmiernych zysków ciepła wytworzonego w procesach technologicznych. Otwory doprowadzające powietrze umieszcza się na poziomach.

Używane w lecie na wysokości strefy pracy, tj. poniżej 2m

używane w zimie na wysokości 5-7 m od podłogi.

Otwory wywiewne umieszcza sie w świetlikach o odpowiedniej budowie.

---