Katedra Klimatyzacji i Ciepłownictwa Politechniki Wrocławskiej Wydziału Inżynierii Środowiska

Wstęp teoretyczny do pracy magisterskiej „Wentylacja hal przemysłowych z dużymi zyskami ciepła” Promotor : dr inż. Marcin Sompoliński Autor : Michał Dobrzycki

Spis treści:

1. Wentylacja przemysłowa hal z dużymi zyskami ciepła

W wentylacji przemysłowej spotyka się wiele znacznie różniących się problemów związanych z prawidłową wentylacją hal. Każdy przypadek wymaga osobnego podejścia do problemu i wybór najlepszego (to znaczy najbardziej ekonomicznego) rozwiązania już na etapie projektowania.

Niezwykle ważną sprawą jest rozwiązanie wymiany powietrza w pomieszczeniu, czyli odpowiednie usytuowanie nawiewników i wywiewników oraz ich precyzyjny dobór. W odróżnieniu od wentylacji bytowej, czy też klimatyzacji należy trzymać się poniższych reguł :

• Działanie wysokiej temperatury może być skompensowane większymi prędkościami przepływu powietrza w pomieszczeniu niż standardowe.

• W wentylowanych halach przemysłowych nawiew powietrza powinien być kierowany do strefy o najmniejszym stopniu wydzielania zanieczyszczeń tj. do miejsc przebywania ludzi, a wywiew ze strefy o największej koncentracji zanieczyszczeń.

• Przed przystąpieniem do projektowania, należy zebrać wszystkie potrzebne informacje o rozmieszczeniu : stref czystości, stref obsługi oraz stanowisk pracy.

1. Aeracja (wentylacja naturalna)

Przy projektowaniu aeracji, otwory nawiewne nieogrzewanego powietrza należy umiejscowić :

• na poziomie 0,3 - 2,0 m od podłogi dla ciepłej pory roku (ciepłe strumienie powietrza)

• na poziomie nie niższym od 4,0 m, licząc od podłogi do dolnej krawędzi otworu nawiewnego, dla zimnej pory roku (zimne strumienie powietrza); wyjątkowo dopuszcza się doprowadzenie powietrza nieogrzewanego na niższym poziomie, lecz pod warunkiem zastosowania środków zapobiegających bezpośredniemu działaniu zimnego powietrza na ludzi.

Dla hal z dużymi zyskami ciepła wywiewy należy umieszczać w górnej części pomieszczenia ponad źródłami ciepła, tak aby wykorzystywać naturalną konwekcję podgrzanego (i zanieczyszczonego) powietrza do jego usuwania.

1. Wentylacja mechaniczna

Nawiew powietrza do pomieszczenia

Przy projektowaniu wentylacji mechanicznej nawiew obrobionego powietrza należy kierować :

• Do stref pracy lub miejsc częstego przebywania ludzi, jeżeli w tym pomieszczeniu wydzielają się znaczne zyski ciepła lub zanieczyszczenia lżejsze od powietrza, lecz tylko wtedy, gdy stosowana jest jeszcze ogólna wentylacja pomieszczenia

• Do strefy górnej, jeżeli w pomieszczeniu wydzielają się zanieczyszczenia cięższe od powietrza, występują małe zyski ciepła oraz jeżeli w strefach pracy zastosowano odciągi miejscowe

W halach produkcyjnych, w których jednocześnie występują zyski ciepła oraz zanieczyszczenia w postaci gazów, należy kierować nawiew powietrza do strefy pracy, jeżeli otwory wywiewne będą usytuowane powyżej tej strefy w miejscu największej koncentracji zanieczyszczeń.

Nawiew należy kierować do górnej strefy pomieszczenia, jeżeli :

• Zanieczyszczenia w postaci gazów i pyłów usuwane są za pomocą odciągu miejscowego, a w pomieszczeniu występują znaczne zyski ciepła

• W pomieszczeniu występują zanieczyszczenia w postaci par cięższych od powietrza oraz jeśli zastosowano wywiew w dolnej strefie pomieszczenia

• W pomieszczeniu występują zyski ciepła i wilgoci albo tylko zyski wilgoci

Ilość powietrza zewnętrznego nie powinna być mniejsza niż 10% ogólnej ilości powietrza nawiewanego.

Stężenia czynników w powietrzu nawiewanym nie powinny przekraczać 30% wartości najwyższych dopuszczalnych stężeń (NDS).

Nawiew powietrza powinien być tak zaprojektowany, aby strumień powietrza z kratek lub otworów wentylacyjnych nie napotykał przeszkód w postaci stałych urządzeń lub elementów konstrukcji.

Wywiew powietrza z pomieszczenia

Racjonalne rozwiązanie wentylacji wyciągowej musi być opracowane równolegle z wentylacją nawiewną, tak aby ich współdziałanie wykluczało możliwość tworzenia się tzw. „martwych stref” w pomieszczeniu wentylowanym. Przy projektowaniu wentylacji wywiewnej należy kierować się poniższymi wytycznymi :

Przy wentylacji ogólnej należy projektować usuwanie powietrza :

• Z górnej strefy pomieszczenia w razie wydzielania się dużych ilości ciepła i zanieczyszczeń lżejszych od powietrza (pary wodnej, gazów, pyłów itp…)

• Z dolnej strefy pomieszczenia w razie wydzielania się zanieczyszczeń cięższych od powietrza i przy małym obciążeniu cieplnym pomieszczenia

• Z dolnej i górnej strefy jednocześnie, w razie wydzielania się zanieczyszczeń cięższych od powietrza i przy dużym obciążeniu cieplnym pomieszczenia

• Z obu stref jednocześnie, jeśli wydzielają się jednocześnie zanieczyszczenia lżejsze i cięższe od powietrza, należy przy tym dążyć do stosowania odciągów miejscowych w strefie wydzielania się zanieczyszczeń cięższych od powietrza

Odciągi miejscowe powietrza należy stosować bezpośrednio w miejscach wydzielania się zanieczyszczeń lub w strefach i obszarach pomieszczenia o najwyższym zanieczyszczeniu powietrza. Strefy te są określone wymiarami i położeniem odciągu miejscowego (obudowy, okapy lub ssawki) względem źródła zanieczyszczenia. Najbardziej wskazane jest stosowanie hermetyzacji tj. obudowy całkowitej i bezpośrednie połączenie jej z wentylacją wyciągową.

1. Wentylacja hybrydowa

Wentylacja hybrydowa pojawia się jako rozwiązanie będące wynikiem ścieżek rozwoju systemów wentylacji mechanicznej i naturalnej (grawitacyjnej). W przypadku wentylacji mechanicznej w nowych projektach dążono do ograniczenia zużycia energii poprzez regulację ilości powietrza dostarczanego do pomieszczeń zgodnie z wymaganiami użytkowników i trybem ich pracy, a także poprzez stosowanie elementów instalacji generujących niższe straty ciśnienia. W wentylacji naturalnej natomiast głównym problemem było zapewnienie satysfakcjonujących warunków mikroklimatu w pomieszczeniach w czasie niekorzystnych warunków zewnętrznych (np. przy zmianie kierunku wiatru w stosunku do planowanego). Cel ten starano się osiągnąć poprzez zastosowanie kratek nawiewnych i wywiewnych ze sterowanym mechanicznie stopniem otwarcia lub też stosowanie urządzeń do odzysku ciepła/chłodu z powietrza usuwanego z pomieszczeń.

Wentylacja hybrydowa zatem może być opisana jako system zapewniający komfortowe warunki powietrza wewnętrznego przy wykorzystaniu odpowiednich własności wentylacji naturalnej i mechanicznej w odpowiednich porach dnia czy roku. Jest to system, w którym pracy.

W wentylacji hybrydowej stosowane są trzy podstawowe rozwiązania :

• Współdziałanie wentylacji naturalnej i mechanicznej poprzez zaprojektowanie dwóch w pełni autonomicznych układów (rys. 1.1a), w których regulacja odbywa się na zasadzie przełączania pomiędzy systemami, lub też wykorzystania jednego i drugiego systemu dla określonych zadań (np. wentylacja naturalna ustawiona jest dla okresów przejściowych, a system wentylacji mechanicznej dla zimy i lata);

• Wentylacja naturalna wspomagana mechanicznie (rys. 1.1b) poprzez zastosowanie wentylatora nawiewnego lub wywiewnego podczas okresów, w których różnica ciśnień pomiędzy środowiskiem na zewnątrz a wewnątrz budynku nie wystarcza do zapewnienia odpowiedniego przepływu powietrza;

• Wentylacja mechaniczna wspomagana działaniem wyporu cieplnego i wiatru (rys. 1.1c) pozwalająca na optymalne wykorzystanie naturalnych sił, wspomagających przepływ powietrza w budynku.




Rysunek 1.1 Kombinacje połączenia wentylacji mechanicznej i naturalnej

Przy projektowaniu wentylacji hybrydowej należy pamiętać, że uzyskanie najlepszego efektu połączenia wentylacji naturalnej z mechaniczną wymaga spojrzenia na budynek jako na całość ściśle powiązanych ze sobą elementów, wobec czego niezbędna jest współpraca zarówno architektów, jak i specjalistów od instalacji wewnętrznych (wentylacji, wodociągów i kanalizacji, elektryków i automatyków), którzy zintegrują w pełni cały projektowany obiekt.

Zadaniem wentylacji hybrydowej jest ustalenie równowagi pomiędzy jakością powietrza wewnętrznego a wielkością zużycia energii.

Aby to osiągnąć, należy :

• Ograniczyć do minimum niezbędną ilość powietrza świeżego poprzez redukcję źródeł zanieczyszczeń (lub stosowanie odciągów miejscowych)

• Ustalić optymalną ilość powietrza przypadającego na jedną osobę

• Zredukować wymagane zapotrzebowanie na ciepło/chłód przez zastosowanie urządzeń do odzysku ciepła oraz wykorzystanie pasywnego chłodzenia/grzania powietrza wentylującego.

Zmniejszyć ilość energii dostarczanej do wentylatorów poprzez zastosowanie niskociśnieniowych przewodów wentylacyjnych, a także wykorzystanie naturalnych sił napędowych wywołanych efektem kominowym lub też oddziaływaniem wiatru.

1. Przegląd stosowanych rozwiązań

1. Wentylacja mechaniczna - stosowane rozwiązania

System okapu indukcyjnego

System opracowany przez CTW „Promor” do zastosowania w halach prefabrykacji kadłubów statków. Wysokość strefy pracy w zakładzie - do 2 m. Zasadę działania obrazuje rysunek 1.2 :




Rysunek 1.2 Schemat okapu indukcyjnego: 1 - kolektory nawiewne powietrza recyrkulacyjnego, 2 - kolektory powietrza świeżego, 3 - przewody wentylacyjne, 4 - wentylatory wywiewne

Polega ona na :

• nawiewie powietrza świeżego za pomocą kolektorów ze ścianką perforowaną, umieszczanych na wysokości ok. 2 m nad podłogą; kąt nachylenia ścianki perforowanej jest ustalony w zależności od temperatury powietrza nawiewanego,

• wyciągu powietrza z hali wentylatorami umieszczonymi w górnej części pomieszczenia,

• cyrkulacyjnym przetłaczaniu powietrza w hali, przy użyciu kolektorów ssąco-tłoczących, umieszczonych bezpośrednio nad kolektorami powietrza świeżego. Kolektory te zasysają powietrze z hali przez otwory wlotowe umieszczone osiowo i wyrzucają przez szczeliny zlokalizowane na całej długości kolektora.

W systemie tym nie przewidziano urządzeń stałej instalacji odciągów miejscowych, ale istnieje możliwość współpracy z ruchomymi odciągami, wyrzucającymi zanieczyszczone powietrze do hali ponad strefy pracy. System zapewnia wysoką efektywność wentylacji strefy pracy. Do wad natomiast zaliczyć trzeba dużą energochłonność, duża liczbę przewodów i wentylatorów (a więc większe koszty eksploatacji).

System wentylacji z nawiewnikami palisadowymi

Kolejnym rozwiązaniem firmy CTW „Promor” było zastosowanie nawiewu nawiewnikami palisadowymi pionowymi (rysunek 1.3). Prędkość na wylocie z nawiewnika wynosi 17 m/s. Temperatura maksymalna powietrza nawiewanego 37 °C. W dolnej części nawiewników przewidziano w projekcie dodatkowy pionowy nawiew rozproszony za pomocą anemostatów. W trakcie montażu zrezygnowano jednak z ich zastosowania. Nawiewniki palisadowe zlokalizowano w rzędach słupów każdej nawy i ustawiono pod różnymi kątami w płaszczyźnie poziomej. Wywiew powietrza uzyskiwano za pomocą wentylatorów dachowych o dużej średnicy (3,0 m), umieszczonych w przybliżeniu w geometrycznych środkach opisanych wyżej sektorów nawiewnych. Ilość powietrza wywiewanego jest o 25% mniejsza od ilości powietrza nawiewanego.




Rysunek 1.3 Schemat wentylacji z pionowymi nawiewnikami palisadowymi; a) rzut hali, b) przekrój poprzeczny - pierwotny schemat rozpływu powietrza, c) skorygowany schemat rozpływu powietrza, 1 - wentylator wyciągowy, 2 - nawiewnik palisadowy

W czasie pomiarów stwierdzono, że :

• zasięg strumienia nawiewanego przez nawiewnik jest większy od szerokości nawy (ok. 40m),

• ugięcie strumienia wskutek różnicy temperatur między strumieniem a otoczeniem wynosi kilka metrów w odległości 30 m od wylotu, przy czym strumień wypływający z górnych otworów nawiewnika ulega ugięciu znacznie szybciej, ze względu na brak czynników ograniczających ruch powietrza ku górze,

• umieszczenie kolektorów na wysokości kilku metrów nad posadzką sprawia, że strumień nawiewany w niewielkim stopniu dociera do strefy pracy.

Oddziaływanie strumienia nawiewanego na ruch powietrza w strefie pracy ogranicza się do podsysania powietrza z tej strefy. Wtórnym, niekorzystnym zjawiskiem jest niedogrzanie strefy pracy i występująca w hali znaczna różnica temperatur. Przyczyną tego jest zbyt wysokie rozmieszczenie nawiewników i poziome skierowanie wylotów z dysz nawiewnych. W związku z tym, największa intensywność wentylacji ma miejsce w górnej strefie przebywania ludzi oraz ponad nią.

System Dirivent

Ze względu na dużą nieskuteczność działania wentylacji klasycznej w halach o dużej liczbie stałych przeszkód, zachodzi konieczność dotarcia strumieniem świeżego powietrza w każdą strefę hali z ominięciem tych przeszkód oraz ograniczenia kubatury zajętej przez przewody wentylacyjne. Wymaganiom tym sprostał system Dirivent, opracowany przez szwedzką firmę AB, Svenska Flaktfabriken, noszący nazwę wentylacji kierowanej. Zasada pracy tego systemu polega na wytworzeniu niewielkich, aktywnych strumieni o dużej prędkości, wprawiających w ruch otaczające powietrze i kierujących je w poszczególne wentylowane strefy. Główną zaletą tego systemu jest uzyskanie ruchu dużych mas powietrza, wywołanego małym natężeniem przepływu strumienia pierwotnego.

Zasadę działania pokazuje rysunek 1.4. W przedstawionym rozwiązaniu świeże powietrze jest dostarczane do hali za pomocą pionowych przewodów (2). Ukierunkowanie i rozprowadzenie nawiewanego powietrza wewnątrz hali następuje za pomocą strumieni powietrza pierwotnego (powietrze świeże lub recyrkulacyjne w zależności do potrzeb), wyrzucanych z dużą prędkością przez specjalne dysze (3). Zastosowanie dysz z końcówkami elastycznymi przewodów umożliwia doprowadzenie powietrza wentylującego do żądanych miejsc, w zależności od aktualnych potrzeb. Oznacza to, że stosując system Dirivent, można wyeliminować duże, ciężkie przewody wentylacyjne (oszczędności inwestycyjne), uzyskać mniejsze zużycie energii w wyniku stosowania mniejszych wentylatorów oraz zapewnić skuteczność działania wentylacji hal przemysłowych.




Rysunek 1.4 Zasada działania systemu wentylacji DIRIVENT: 1 - powietrze świeże, 2 - powietrze pierwotne, 3 - dysza

1. Wentylacja naturalna - stosowane rozwiązania

Hale przemysłowe, w których procesy produkcyjne powodują wydzielanie dużych strumieni ciepła są bardzo często wentylowane w sposób naturalny. Wentylacja naturalna jest efektem różnicy ciśnień powietrza przed i za otworami w przegrodach zewnętrznych budynków. Różnice ciśnień mogą być wywołane : siłami grawitacyjnymi występującymi na skutek różnicy gęstości powietrza zewnętrznego i wewnętrznego (gęstość ta zależy od temperatury powietrza), działaniem wiatru, a często połączeniem obu tych czynników jednocześnie. W pomieszczeniach produkcyjnych ze względu na podwyższenie temperatury powietrza ze względu na duże strumienie ciepła, gęstość powietrza jest mniejsza niż gęstość powietrza zewnętrznego. To powoduje naturalny ruch mas powietrza zewnętrznego (o większej gęstości) do środka hali. Powietrze zewnętrzne wypiera powietrze cieplejsze (w tym wypadku wewnętrzne). Napływające do hali powietrze zewnętrzne podgrzewa się w wyniku omywania źródeł ciepła oraz częściowemu mieszaniu się z powietrzem wewnętrznym. Podgrzane, wypierane powietrze unosi się i rozpływa pod stropem. Częściowo zostaje usunięte przez otwory i nieszczelności w dachu. Pozostała część miesza się z powietrzem napływającym do hali.

W halach fabrycznych jednonawowych powietrze doprowadzane jest zazwyczaj do pomieszczenia przez otwory wywiewne w górnej części ścian. Natomiast w halach wielonawowych otwory w przegrodach zewnętrznych są niewystarczające i dlatego też powietrze doprowadzane powinno być przez nawietrzaki dachowe. Konstrukcja wywietrzaków i nawietrzaków stosowanych do wentylacji naturalnej, powinna zabezpieczać hale przed opadami atmosferycznymi. Jednocześnie przy małych współczynnikach oporów zapewniać intensywny przepływ powietrza wentylującego.



















2. Wentylacja hybrydowa - stosowane rozwiązania

• Zastosowanie otwieranych okien. Użycie automatycznie otwieranych okien (za pomocą siłowników podpiętych do UAR) w okresach odpowiednich warunków zewnętrznych. Zastosowanie takiej automatyki nie może jednak naruszać przepisów bezpieczeństwa budynku, powinno również chronić powietrze wewnętrzne przed przegrzaniem lub przechłodzeniem.

• Zintegrowanie otworów budynku. Architekci często nie przewidują otwieranych okien w części interesujących nas płaszczyzn zewnętrznych budynków. Można w takim wypadku zastosować np. żaluzjowe otwory z mechanicznie działającymi przepustnicami (działające okresowo przy odpowiednich warunkach zewnętrznych), nawiewniki szczelinowe pozwalające na ciągłą wentylację pomieszczenia. Nie wolno zapominać przy tych rozwiązaniach o siatkach zabezpieczających przed insektami lub zwierzętami, tudzież filtrami wstępnymi powietrza.

• Atrium. Budynki z centralnie położonym atrium są szczególnie predysponowane do zastosowania wentylacji hybrydowej. Naturalny efekt kominowy powinien zostać wykorzystany do wprowadzenia powietrza zewnętrznego przez okna lub inne otwory w budynku.

• Centralny kanał wentylacji grawitacyjnej. Jeżeli nie ma atrium, można wybudować kanał wentylacyjny. Komin może być wykonany z materiałów przepuszczających promieniowanie słoneczne, dzięki czemu pojawią się dodatkowe zyski ciepła.

• System podwójnej fasady. Zewnętrzna elewacja budynku jako dodatkowa szklana warstwa. Powietrze w powstałej przestrzeni jest ogrzewane dzięki zyskom ciepła od nasłonecznienia co powoduje powstanie efektu kominowego. Wewnętrzna ściana wyposażona jest w okna, co pozwala użytkownikom na ich otwieranie do ogrzanej przestrzeni zamiast na zewnątrz. Dzięki temu redukujemy straty ciepła oraz poziom hałasu napływającego z zewnątrz. Dodatkowo można zastosować wentylatory umieszczone w górnej części oszklonej przestrzeni.

1. Metody obliczeniowe aeracji i modelowanie przepływu powietrza w halach.

Istnieje w zasadzie jedna niezawodna metoda obliczania i modelowania przepływu powietrza w halach - Metoda CFD (Computational Fluid Dynamics).

• Aplikacje te analizują ruch powietrza wewnątrz jak i na zewnątrz budynku. Budynek jako obszar geometryczny, podzielony jest na dużą liczbę małych komórek, którymi rządzą równania zachowania pędu i energii (równania Bernoulliego)

• Dzięki dyskretyzacji i numerycznemu rozwiązaniu cząstkowych równań różniczkowych opisujących przepływ, możliwe jest przybliżone wyznaczenie rozkładu prędkości, ciśnienia, temperatury i innych parametrów w przepływie. Współczesne programy CFD pozwalają na rozwiązywanie przepływów z uwzględnieniem lepkości i ściśliwości, przepływów wielofazowych, przepływów w których występują reakcje chemiczne lub procesy spalania, przepływów przez struktury porowate, oraz przepływów w których czynnik jest płynem Newtonowskim lub nie Newtonowskim istnieje także możliwość symulowania interakcji płyn-ciało stałe (ang.: Fluid Structure Interaction). Większość współczesnych programów CFD bazuje na równaniach Naviera-Stokesa (równanie zachowania masy, pędu i energii) i dyskretyzuje je za pomocą metody objętości skończonych (ang.: Finite Volume Method), metody elementów skończonych (ang.: Finite Element Method) lub metody różnic skończonych (ang.: Finite Difference Method).

Programy te są dostępne darmowo, oto kilka adresów internetowych pod którymi można ściągnąć, bądź też wykorzystać programy online do modelowania procesów.

• http://www.cfdnet.com/ program online (darmowy)

SOLVERY (programy rozwiązujące równiania) :

• http://adfc.sourceforge.net/index.html - darmowy do pobrania

• http://typhon.sourceforge.net/ - darmowy do pobrania

• http://sourceforge.net/projects/openflower/ - darmowy do pobrania

• http://inavier.sourceforge.net/ - do pobrania

Generator Siatek :

• http://www.hpfem.jku.at/netgen/

Wizualizacja :

• http://www.vtk.org/

2. Kurtyny powietrzne

Istnieją dwa podstawowe rodzaje kurtyn powietrznych :

• odcinające, uniemożliwiające napływ powietrza z otoczenia do budynku; z reguły są to kurtyny zimne, w których do nawiewu stosuje się powietrze zewnętrzne lub wewnętrzne bez podgrzania; kurtyny te cechują się dużymi wydatkami powietrza i wysokimi prędkościami nawiewu

• ograniczające napływ powietrza zewnętrznego do wnętrza; oddziaływanie strugi kurtyny powietrznej powoduje zmniejszenie napływu przez chronioną bramę, po zmieszaniu strugi kurtyny z powietrzem penetrującym bramę, następuje jego napływ do budynku; do nawiewu stosowane jest powietrze wewnętrzne, często pobierane z górnej części obiektu dla wykorzystania wewnętrznych zysków ciepła i dodatkowo ogrzewane







Metodyka doboru kurtyn powietrznych:

• Prędkość strugi powietrza na poziomie podłogi nie powinna być mniejsza niż 1,5 do 2,0m/s.

• Wysokie drzwi wymagają zastosowania kurtyn o wysokiej wydajności, podczas, gdy niskie drzwi wymagają zastosowania kurtyn o małej wydajności, nie przeciwnie. Powyższa tabela jest doskonałym przewodnikiem dla tego celu.

• Jedynym przypadkiem, kiedy kurtyna powietrzna o wysokiej wydajności może być użyta w niskich drzwiach są chłodnie.

Przy doborze należy kierować się:

• wysokością montażu; w zależności od wysokości dobieramy typ kurtyny, kurtyna danego typu niżej zamontowana jest skuteczniejsza;

• szerokością otworu drzwiowego; kurtyny mają charakter modułowy i można je składać w ciąg odpowiadający w przybliżeniu szerokości zabiezpieczanego otworu.

• stopniem dogrzania pomieszczenia; przy pomieszczeniach lepiej dogrzanych nie ma potrzeby stosowania wymienników ciepła o dużej mocy a przy nadmiarze ciepła można zastosować kurtynę zimną.

W praktyce inżynierskiej najczęściej stosowanym wskaźnikiem jest V_k [(m³/h)/m²]

Wskaźnik dla obecnie stosowanych kurtyn powietrznych kształtuje się na poziomie

2000 do 6000 (m³/h)/m². Jednakże nie może być to wartość obligatoryjna.

Dla polepszenia wskaźników energetycznych kurtyny można ją łączyć z przedsionkami i śluzami oraz (o ile to możliwe) stosować odzysk ciepła.

Podstawową wielkością wyjściową do obliczeń, doboru i skutecznej pracy kurtyny powietrznej jest określenie różnicy ciśnień w bramie Δp, która jest sumą ciśnienia statycznego wynikającego z wyporu termicznego Δp_t , oraz naporu na skutek oddziaływania wiatru p_w. Pierwszy z tych składników określa się na podstawie wzoru :




Wartość H_wc dla budynku można określić przez pomiar parametrów powietrza zewnętrznego i parametrów w budynku oraz średniej prędkości powietrza w bramie u_b.










3. Odciągi miejscowe, obliczanie ogólnej wymiany powietrza,

Punktem wyjściowym do obliczeń ilości powietrza przy wentylacji ogólnej jest ustalenie ilości zanieczyszczeń, zmieniających stan powietrza w pomieszczeniu. Mogą to być zanieczyszczenia gazowe, nadmiar ciepła i pary wodnej itd. W odniesieniu do pyłów ogólna ich ilość nie może służyć jako podstawa do określenia wymiany powietrza z tego względu, że pył składa się z nadzwyczaj różnorodnych cząstek (z punktu widzenia wymiaru, kształtu i gęstości), które różnie zachowują się w powietrzu. Duże i ciężkie cząstki wypadając z powietrza szybko osiadają na różnych powierzchniach i tylko najdrobniejsze (których ogólny ciężar stanowi niewielką cześć ogólnej ilości) mieszają się z powietrzem i podobnie jak gazy roznoszone są przez prądy do pomieszczenia.

Ilość powietrza przy miejscowej wentylacji ssącej określa się w zależności od postaci i typu odbiornika, przy czym najczęściej bierze się za podstawę prędkości w otworze ssącym, które powinny zagwarantować najlepsze uchwycenie zanieczyszczeń. Takie odbiorniki projektuje się zależnie od charakteru zanieczyszczeń, kierunku i prędkości ich rozprzestrzeniania się z uwzględnieniem ruchu powietrza w pomieszczeniu i w zależności od odległości odbiornika od źródła, tj zarówno od warunków aerodynamicznych, jak i od wygody obsługiwania przez pracowników urządzeń.

Przy miejscowej wentylacji nawiewnej ilość powietrza określa się głównie na podstawie natężenia promieniowania (temperatura nagrzanej powierzchni, odległość od niej itd.) i otaczających warunków meteorologicznych.

Ilość powietrza na zasłony powietrzne określa się głównie na podstawie prędkości przepływu powietrza zewnętrznego, mogącego przedostać się przez zasłonę powietrzną.

Wskutek tego tylko przy wentylacji ogólnej konieczne jest możliwe dokładne określenie ilości zanieczyszczeń przedostających się do powietrza w pomieszczeniu.

W celu określenia ilości zanieczyszczeń korzysta się z teoretycznych obliczeń lub ze sprawdzonych doświadczalnych danych, a w niektórych przypadkach należy przeprowadzać specjalne doświadczenia.

Warunkiem, zapewniającym skuteczność działania instalacji wentylacji ogólnej jest prawidłowe obliczenie ilości powietrza nawiewanego oparte na bilansie ilości wydzielanych czynników szkodliwych, takich jak ciepło, wilgoć, gazy itp.

Obliczanie ilości powietrza, wentylującego na podstawie
zanieczyszczeń gazowych, wydzielających się w pomieszczeniu lub zysków pary wodnej

Jeżeli w pomieszczeniu podstawowymi zanieczyszczeniami powietrza są lotne pary lub substancje toksyczne, to ilość powietrza wentylacyjnego może być określona ze wzoru


, (7.1)

gdzie L - przepływ objętości (strumień objętości) wymienianego powietrza, m³/s (m³/h);

K_s - ogólna ilość wydzielających się zanieczyszczeń w pomieszczeniu, g/s (g/h);

s_d - największe dopuszczalne stężenie (NDS) danego rodzaju zanieczyszczenia w powietrzu (Malicki , tabl. 4-6), g/m³;

s_n - stężenie rozpatrywanego zanieczyszczenia w powietrzu nawiewanym do pomieszczenia, g/m³;


- współczynnik skuteczności wentylacji ogólnej, uwzględniający nierównomierność wydzielania się zanieczyszczeń i ich rozprzestrzeniania się w pomieszczeniu (tabl. 1.1)

Tablica 1.1

Zalecane wartości współczynnika Φ

Rodzaj wentylacji i zanieczyszczeń	Wartości współczynnika Φ
Wentylacja mechaniczna ogólna z wywiewem w pobliżu wydobywania się zanieczyszczeń
Zanieczyszczenia szkodliwe dla zdrowia przy stosunkowo równomiernym wydobywaniu się w czasie	1,2-1,3
Zanieczyszczenia nietoksyczne lub zanieczyszczenia niewywołujące ciężkich schorzeń przy krótkotrwałym podwyższeniu stężenia	1,1-1,2
Jak wyżej, lecz przy nierównomiernym wydobywaniu się zanieczyszczeń	1,3-1,4

W praktyce najczęściej można przyjmować, że w powietrzu nawiewanym (zewnętrznym) nie występują rozpatrywane zanieczyszczenia, tzn. s_n = 0.

Mniejsze zapotrzebowanie powietrza wentylacyjnego można osiągnąć drogą ograniczenia ilości wydzielanych zanieczyszczeń przez zastosowanie hermetyzacji źródeł wydzielania tych zanieczyszczeń.

Chwytanie zanieczyszczeń w miejscach ich wydzielania się za pomocą wyciągów miejscowych zapobiega rozprzestrzenianiu się zanieczyszczeń po pomieszczeniu, nie dopuszczając do mieszania się z większymi masami powietrza i wskutek tego efekt działania wentylacji osiąga się przy minimalnych wymianach powietrza.

Wartość współczynnika skuteczności wentylacji
zależy, przede wszystkim, od sposobu rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń. Jeżeli zanieczyszczenia są lotne i koncentrują się w górnych strefach pomieszczenia, dając wysokie stężenia poza strefą roboczą, to wtedy wartość współczynnika
można przyjmować w granicach od 0,85 do 0,90. Jeżeli natomiast zanieczyszczenia dają wysokie stężenia w strefie roboczej lub są cięższe od powietrza i opadają w dół, to wtedy wartość współczynnika
należy przyjmować w granicach od 1,1 do 1,4 (tabl. 1.1).

Współczynnik
może przyjmować wartości większe niż 1 w następujących przypadkach:

• gdy rozmieszczenie w pomieszczeniu źródeł wydzielania się zanieczyszczeń jest nierównomierne; albo przy równomiernym rozmieszczeniu źródeł emisja ich jest zróżnicowana;

• gdy istnieje przyczyna nie pozwalająca na stworzenie w całym pomieszczeniu wymiany powietrza o jednakowej intensywności.

Wtedy, w tych przypadkach nadanie współczynnikowi
odpowiedniej wartości, większej niż 1, zwiększa się strumień objętości powietrza wentylującego L w takim stopniu, aby w każdym miejscu pomieszczenia stężenie zanieczyszczeń nie przekroczyło wartości najwyższego dopuszczalnego stężenia NDS.

Rozpatrzmy następujący przykład z punktu widzenia skuteczności działania systemu wentylacji (rys. 7.1).

Wyobraźmy sobie teraz pomieszczenie, w którym krzyżykami oznaczono miejsca wydzielania się substancji zanieczyszczających powietrze. Jeżeli z pomieszczenia tego będziemy usuwać pewien strumień objętości powietrza, doprowadzając na jego miejsce taki sam strumień powietrza świeżego (nawiewanego) w taki sposób, jak wskazują strzałki, to wydzielające się substancje będą przez dyfuzję rozprzestrzeniać się w napływającym powietrzu.

Wadą systemu „a” jest nierówne stężenie zanieczyszczeń w powietrzu. W miarę przesuwania w lewo (tj. w miejsce, gdzie głównie przebywają ludzie) stężenia będą wzrastać. Zwiększone stężenia będą również występować w pobliżu źródeł powstawania zanieczyszczeń.

Wady te mogą być częściowo usunięte, jeżeli przestrzega się zasady, by powietrze świeże nawiewać w miejscu, gdzie głównie przebywają ludzie, wywiewać możliwe blisko punktów, w których wydzielają się substancje zanieczyszczające powietrze (rys. 7.1,b). W tym przypadku pracownicy, obsługujący urządzenia znajdują się w strugach czystego powietrza nawiewanego.

Należy uznać, że najbardziej skutecznie rozwiązać można ten problem przy wspólnym działaniu wentylacji ogólnej i miejscowej (rys. 7.1,c).

Przy równoczesnym wydzielaniu się kilku substancji szkodliwych, których działanie na organizm ludzki jest sumujące, to wówczas niezbędny strumień powietrza wentylującego można określić ze wzoru


, (7.2)

gdzie
- ogólna ilość i-tego zanieczyszczenia, wydzielającego się w rozpatrywanym pomieszczeniu, g/s (g/h);


- największe dopuszczalne stężenie (NDS) i-tego zanieczyszczenia w powietrzu usuwanym, g/m³;


- stężenie i-tego zanieczyszczenia w powietrzu, nawiewanym do pomieszczenia, g/m³;


- współczynnik, uwzględniający nierównomierność wydzielania się i-tego zanieczyszczenia (substancji szkodliwej) i jego rozprzestrzeniania się w pomieszczeniu.

Wg wzoru (7.2) obliczeniowy strumień powietrza wentylującego określa się jak sumę ilości powietrza, potrzebnego dla rozcieńczenia oddzielnie każdego składnika danej substancji do wartości stężenia dopuszczalnego. Z zależność (7.2) korzysta się jeśli w procesie technologicznym przewiduje się korzystanie z substancji chemicznych takich jak:

• lotne rozpuszczalniki (np. benzoes i jego homologi, alkohole, estry, kwas octowy, aceton i inne);

• drażniące gazy (np. dwutlenek i trójtlenek siarki, chlorowodór, fluorowodór itp.);

• tlenki azotu łącznie z tlenkiem węgla.

Przyjmując taką zasadę obliczeń wentylacji zapewnia się, że stężenia poszczególnych substancji szkodliwych będą znacznie niższe od wartości dopuszczalnych w warunkach, gdyby występowały one pojedynczo.

Przy jednoczesnym wydzielaniu się kilku substancji szkodliwych (z wyjątkiem ww. rozpuszczalników i gazów drażniących), należy obliczyć strumień objętości powietrza nawiewanego dla każdego z nich i przyjąć do doboru urządzeń wentylacji ogólnej wartość maksymalną dla rozcieńczenia jednej z substancji. Oczywiście wtedy stężenia pozostałych substancji w powietrzu pomieszczenia będą niższe od stężeń dopuszczalnych.

W przypadku, gdy głównym zanieczyszczeniem powietrza w pomieszczeniu jest para wodna, a celem wentylacji jest usuwanie zysków pary wodnej (mokre oddziały produkcyjne) i nie dopuszczenie do przekroczenia określonej temperatury i wilgotności powietrza, strumień masy powietrza wentylującego określa zależność


, kg/s (kg/h), (7.3)

a strumień objętości powietrza oblicza się ze wzoru


, m³/s (m³/h), (7.4)

gdzie W - ilość wydzielającej się pary wodnej, kg/s (kg/h);

x_u - zawartość wilgoci w powietrzu usuwanym, odpowiadająca obliczeniowej (dopuszczalnej lub optymalnej) temperaturze i wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu, g/kg;

x_n - zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym, g/kg;

ρ_n - gęstość powietrza nawiewanego, kg/m³.

W tym przypadku nie uwzględnia się współczynników skuteczności wentylacji
, choć wiadomo, że można by było ograniczyć jego wielkość, gdyż para wodna jest lżejsza od powietrza i gromadzi się w górnej strefie pomieszczenia poza strefą roboczą. Jednak w przypadku usuwania pary wodnej zadaniem wentylacji jest nie tylko stworzenie odpowiednich warunków w strefie pracy, ale obliczenie wilgotności powietrza w całym pomieszczeniu, aby ochronić przed zniszczeniem również budynek (głównie stropodach).

W pomieszczeniach, w których wydziela się para wodna, rozwiązanie zagadnienia wentylacji jest dość skomplikowane, bowiem z reguły wydzielaniu się pary wodnej towarzyszy wydzielanie się ciepła. Przy pewnych ilościowych stosunkach wydzielanego ciepła i pary wodnej powstają trudności, związane z usuwaniem tworzącej się mgły i nadwyżek ciepła.

W tym przypadku obliczanie powietrza wentylującego zależy od stosunku zysków ciepła do zysków wilgoci (tj. od kątowego współczynnika przemiany ε (zob. równanie (4.1))).

Obliczanie ilości powietrza, wentylującego na podstawie obciążenia cieplnego

W przypadku , gdy głównym zadaniem wentylacji jest usunięcie zysków ciepła jawnego w pomieszczeniu, strumień masy powietrza wentylującego określa się ze wzoru


, kg/s, (7.5)

a strumień objętości powietrza oblicza się z równania


, m³/s, (7.6)

gdzie Q_j - sumaryczna moc ciepła jawnego w pomieszczeniu, kW;

c_p = 1,005 kJ/(kg⋅K) - ciepło właściwe powietrza;

ρ_n - gęstość powietrza nawiewanego, kg/m³;

t_u - temperatura powietrza usuwanego, °C (K);

t_n - temperatura powietrza nawiewanego, °C (K).

Ciepło jawne jest to ciepło, które doprowadzone jest do powietrza i powoduje jego przemianę przy stałej zawartości wilgoci.

Nadmiar ciepła jawnego jest określany jako różnica wszystkich zysków i strat ciepła jawnego


, kW. (7.7)

Nadmiar ciepła jawnego składa się z zysków ciepła wewnętrznych i zewnętrznych.

Wewnętrzne zyski ciepła składają się z ciepła oddawanego przez ludzi, przez silniki i maszyny, przez oświetlenie elektryczne, przez różnego rodzaju urządzenia technologiczne (piece, zyski ciepła od chłodzonej masy materiału).

Zewnętrzne zyski ciepła - zyski ciepła od nasłonecznienia (przez przegrody przezroczyste i nieprzezroczyste)

Mianownik ułamka równania (7.5) i (7.6) jest bardzo istotny, gdyż oznacza ilość ciepła, asymilowanego przez każdy kilogram powietrza wentylującego przy przepływie jego przez pomieszczenie.

Przy obliczeniach wentylacji pomieszczeń z nadmiarem ciepła uważa się, że nadmiar ciepła Q_j i przyrost temperatur w strefie pracy
jest określony (wiadomy).

Przyrost temperatury w strefie pracy
wyznacza się wg Normy PN-78/B-03421, tzn., że w okresie letnim temperatura t_sp musi spełniać warunek wg wzoru (5.4)


, °C (7.8)

w zależności od obciążenia cieplnego pomieszczenia.

Wartość
bezpośrednio nie wchodzi w równania (7.5) (7.6), ale ilość powietrza wentylującego musi być taka, by nadmiar temperatury w strefie pracy
nie był większy niż (3÷5)°C.

Można ująć zadanie inaczej, a mianowicie - przy jakiej minimalnej wymianie powietrza, lub, co jest równoznaczne, przy jakiej maksymalnej różnicy temperatur
można liczyć na utrzymanie zadowalających warunków klimatycznych (lub zadanej temperatury ) w strefie przebywania ludzi t_sp.

Więc problem obliczania ogólnej wymiany powietrza przy znanych zyskach ciepła sprowadza się do znalezienia temperatury powietrza usuwanego
. Oczywiście, że w tym przypadku należy znać zależność miedzy temperaturą powietrza usuwanego
i temperaturą powietrza w strefie pracy
, ponieważ celem obliczenia jest zapewnienie zadanych warunków w strefie przebywania ludzi, a nie w powietrzu usuwanym.

Przeprowadzone w tym celu doświadczalne badania wykazały, że miedzy
i
istnieje zależność bezpośrednia, a mianowicie: ze wzrostem
odpowiednio wzrasta
, jednak tempo ich zmian jest różne.

Zależność między
i
ustala się różnymi sposobami.

W przypadku, gdy otwory wywiewne są rozmieszczone w strefie pracy, temperaturę powietrza wywiewanego przyjmuje się równą temperaturze powietrza w strefie przebywania ludzi



(rys. 7.2).

Jeśli w pomieszczeniu występuje różnica temperatur miedzy powietrzem strefy górnej i strefy pracy, a powietrze usuwane jest ze strefy górnej, tzn. temperatura powietrza wywiewanego
jest wyższa od temperatury w strefie pracy
, to w obliczeniach bilansu powietrza należy uwzględnić gradient temperatur
(rys. 7.3).

W tym przypadku zakłada się, że przyrost temperatury wzdłuż wysokości pomieszczenia (powyżej strefy przebywania ludzi) jest równomierny. Temperaturę powietrza usuwanego oblicza się wtedy ze wzoru


, °C (7.9)

gdzie θ - przyrost temperatury powietrza między strefą przebywania ludzi i otworem wywiewnym, °C;


- gradient temperatur w pionie, °C/m;

h - wysokość od podłogi do środka otworów wywiewnych, m;

h_sp = 2,0 m - wysokość strefy pracy, m.

W tabl. 7.2 podano orientacyjne wartości θ w zależności od jednostkowego obciążenia cieplnego pomieszczenia




Nadzwyczaj prosty sposób metody gradientowej zapewnił jego długą żywotność, mimo oczywistej wady, którą jest duża rozpiętość wartości gradientu temperatur (od 0,2 do 2,0 °C/m) prowadząca do dowolnego wyboru wartości
, oprócz tego w różnych punktach pomieszczenia wartość
może być istotnie różna.

Dlatego dla pomieszczeń, charakteryzujących się dużym jednostkowym obciążeniem cieplnym, opracowano inny sposób określenia temperatury powietrza wywiewanego
.

Jeśli podzielić mianownik i licznik ułamka ze wzoru (7.5) przez wartość
, to równanie do obliczenia ilości powietrza wentylującego może być przedstawione w następującej postaci


, kg/s, (7.10)

gdzie
- sympleks temperaturowy, równy


, (7.11)

Tutaj wartość
można rozpatrywać jako pewny współczynnik, określający część łącznego ciepła, wydzielonego w pomieszczeniu, która wpływa na wzrost temperatury powietrza w strefie pracy i ustala
.

Temperatura powietrza usuwanego w strefie górnej określa się ze wzoru


, °C (7.12)

Jeśli cześć powietrza w pomieszczeniu usuwana jest ze strefy pracy (na przykład przez odciągi miejscowy), to równanie (7.10) do obliczenia strumieni masy powietrza wentylującego (nawiewanego) przyjmuję postać


, kg/s, (kg/h), (7.13)

gdzie G_sp - ilość powietrza, usuwanego ze strefy pracy, kg/s, (kg/h).

Zwykle wartości
przedstawiają się w podręcznikach i poradnikach w postaci zależności od stosunku powierzchni zajmowanej przez źródła wydzielania się ciepła
do ogólnej powierzchni pomieszczenia F (tabl. 7.3)

Tablica 7.3

Wartości współczynnika


	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	>0,65
	0,3	0,5	0,65	0,75	0,8	0,9	1,0

Czasami określenie współczynnika
nastręcza trudności. Poza tym wartość sympleksu temperaturowego
zależna jest nie tylko od stosunku powierzchni
ale i innych dodatkowych czynników, takich jak:

• wysokość budynku;

• sposób nawiewania powietrza, poziom rozmieszczenia nawiewników i ich typ (rys. 7.3, 7.5);

• powierzchni otworów nawiewnych i wywiewnych (w przypadku zastosowania aeracji);

• moc cieplna i poziom usytuowania źródeł ciepła;

• istnienie odciągów miejscowych i ilości powietrza odciąganego (rys. 7.3, 7.4).

Na drodze doświadczalnej ustalono, że wielkość sympleksu
jest mniej więcej stała dla danego rodzaju procesu. Wartości
dla pomieszczeń walcowni, kuźni i odlewni można przyjmować z tablicy 7.4.

Tablica 7.4

Wartości współczynnika
, określone doświadczalne dla różnych „gorących” pomieszczeń przemysłowych

Walcownia
Oddział	Hala pieców		Hala walców
Zgniatacze bloków	0,25÷0,30		0,35÷0,40
Zgniatacze profilów grubych	0,25÷0,30		0,40÷0,45
Zgniatacze profilów cienkich	0,25÷0,30		0,30÷0,35
Walcownia	0,20÷0,25		0,35÷0,40
Walcownia rur	0,20÷0,25		0,25÷0,30
Kuźnia
Oddział	Kuźnia średnia		Kuźnia lekka
Piece	0,36		0,40
Hala wspólna pieców kuźni	0,28		0,33
Kuźnia	0,38÷0,42		0,28÷0,30
Piece do wyżarzania	0,47÷0,52		-
Odlewnia
Oddział	Odlewnia kokilowa	Odlewnia części maszyn		Odlewnia członów grzejników i kształtek
Kopulaki	0,40÷0,45	0,40÷0,45		0,40÷0,45
Piece elektryczne	0,40÷0,42	0,40÷0,42		0,40÷0,42
Odlewnia właściwa	0,40÷0,45	0,31÷0,35		0,50÷0,54
Suszarnia form	-	0,40÷0,45		0,65÷0,7-
Piece do wyżarzania	0,30÷0,35	0,30÷0,35		0,30÷0,35

4. Bibliografia

1. Edward Przydróżny, Marcin Sompoliński, Sylwia Szczęśniak, Miejscowa wentylacja naturalna hal przemysłowych, Rynek Instalacyjny styczeń/luty 2007, s. 70-73

2. Edward Przydróżny, Marcin Sompoliński, Sylwia Szczęśniak, Wentylacja hal przemysłowych ze skupionymi źródłami ciepła, Instal 12/2006, s. 36-38

3. Bogdan Mizieliński, Anna Bogdan, Wentylacja hybrydowa - przegląd stosowanych rozwiązań, Inżynier Budownictwa 12/2007 , s. 62-65

4. Bogdan Mizieliński, Anna Chojnacka, Wentylacja mechaniczna jako element wentylacji hybrydowej, Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja nr 4/2005, s. 26-29

5. Bogdan Mizieliński, Anna Chojnacka, Wentylacja naturalna w systemie hybrydowym, , Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja nr 6/2004, s. 27-31

6. Tadeusz Szymański, Wiktor Wasiluk, Systemy wentylacji przemysłowej, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, 2000 r.

7. Tadeusz Szymański, Wiktor Wasiluk, Wentylacja użytkowa: poradnik, Gdańsk IPPU Masta, 1999

8. Siergiej Anisimov, Materiały do wykładu z Wentylacji Politechniki Wrocławskiej, 2007

Wentylacja hal przemysłowych z dużymi zyskami ciepła.

Michał Dobrzycki, Numer Indeksu : 124196 Strona 15




Rys. 7.2. Schemat obliczeniowy rozdziału powietrza w pomieszczeniu strumieniami pochyłowymi przy rozmieszczeniu otworów wywiewanych w strefie pracy

Tablica 7.2
Wartości θ

, W/m^3	θ, °C
do 12	1,5÷3,5
do 25	2,0÷4,5
do 45	2,5÷5,5
do 70	3,0÷7,0
ponad 70	do 10




Rys. 7.3. Schemat obliczeniowy rozdziału powietrza w pomieszczeniu strumieniami pochyłowymi przy rozmieszczeniu otworów wywiewanych w strefie górnej

---