1. Funkcje wentylacji i klimatyzacji w obiektach budowlanych. Warunki obliczeniowe powietrza zewnętrznego i wewnętrznego. Zyski i straty ciepła.

Wentylacja – zadaniem wentylacji jest doprowadzenie świeżego powietrza do pomieszczeń, z jednoczesnym usuwaniem na zewnątrz substancji wydzielających się w pomieszczeniu. Wymiana powietrza w pomieszczeniu powoduje usunięcie zanieczyszczeń gazowych, parowych i pyłowych, względnie ich rozcieńczenie do stanu dopuszczalnego ze względów zdrowotnych.Występuje wentylacja rozszerzona z dochłodzeniem. Instalacja wentylacyjna jest wyparzona w urządzenia chłodzące

Klimatyzacja – jest procesem uzdatniania powietrza, który umożliwia regulację temperatury i wilgotności względnej powietrza oraz jego czystości i rozdziału, w zależności od potrzeb pomieszczenia klimatyzowanego. Klimatyzacja jest, więc wentylacją mechaniczną nawiewną, która może utrzymywać na wymaganym poziomie temperaturę, wilgotność, czystość i ruch powietrza w pomieszczeniu w ciągu całego roku, niezależnie od zmian i wahań parametrów powietrza na zewnątrz pomieszczenia.

Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego – wyróżnia się dwa okresy obliczeniowe:

• letni(od kwietnia do września) – w okresie tym obszar Polski podzielono na dwie strefy klimatyczne, obszar Polski Środkowej i obszar Polski Północnej;

• zimowy(od grudnia do stycznia) – w okresie tym obszar Polski podzielono na pięć stref klimatycznych;

parametrami, które się uwzględnia dla każdego okresu i stref klimatycznych są:

t_S – temperatura powietrza wg termometru suchego [^oC];

Parametry powietrza wewnętrznego przyjmowane do obliczeń – w celu zapewnienia komfortu cieplnego należy zapewnić, w strefie przebywania ludzi, utrzymanie na odpowiednim poziomie następujących parametrów:

• temperatury powietrza

w zimie w zależności od aktywności t=15-22⁰C

w lecie w zależności od aktywności t=18-26⁰C

• wilgotności względnej powietrza ϕ=40-60%

• prędkości powietrza V=1,2m/s

strefę przebywania ludzi definiuje się jako miejsce o wysokości 2m nad poziomem podłogi. Parametry dobiera się w zależności od aktywności fizycznej.

Parametry powietrza w pomieszczeniu mogą być utrzymywane z pewną tolerancją. Zwykle dla klimatyzacji przyjmuje się wahania temperatury ±1 ^oC i wilgotności ±10%, a przy ostrzejszych wymaganiach odpowiednio

±0,5 ^oC i ±5%.

Zyski lub straty ciepła

Zyski lub straty ciepła przez wew. przegrody mogą powstawać na skutek odmiennych parametrów powietrza w pomieszczeniach sąsiadujących z pomieszczeniem, w którym na skutek pracy urządzenia klimatyzacyjnego parametry powietrza są utrzymywane na zadanym poziomie.

Straty ciepła przez przegrody pomieszczenia oblicza się z zależności:

Q_str = F ⋅ K(t_w – t_z) [W]

Straty ciepła pomieszczeń, w których znajdują się znaczne źródła ciepła o dużych powierzchniach gorących, będą większe niż straty ciepła pomieszczeń bez nich, ze względu na wyższą temperaturę wewnętrznych powierzchni przegród w wyniku wymiany ciepła przez promieniowanie.

Na sumaryczne zyski ciepła składają się zyski ciepła od słońca, oświetlenia, ludzi maszyn i urządzeń itp.

Q = Q_OK.+Q_SĆ+Q_O+Q_L+Q_S+Q_U+Q_I+Q_P. [W]

Q_OK. – zyski od słońca przez przegrody przeźroczyste (okna)

Q_SĆ – zyski od słońca przez przegrody nieprzeźroczyste (ściany)

Q_O – zyski ciepła od oświetlenia

Q_L – zyski ciepła od ludzi

Q_S – zyski ciepła od silników elektrycznych i maszyn

Q_U – zyski ciepła od innych urządzeń

Q_I – zyski ciepła na skutek infiltracji powietrza

Q_P – zyski przez przegrody od pomieszczeń sąsiednich

Sumaryczne zyski ciepła dla pomieszczenia oblicza się w całym obszarze ich zmienności(dla każdego miesiąca i godziny pracy) po czym wyznacza się wartość największą.

Zyski ciepła od ludzi.

Zyski ciepła jawnego:

Q_L = ϕ ⋅ n⋅ q_j [W]

gdzie:

ϕ - współczynnik jednoczesności przebywania ludzi (od 0,4 do 1,0),

n – liczba osób,

q_j – jednostkowy strumień oddany do otoczenia.

Zyski ciepła utajonego (zyski wilgoci):

W = ϕ ⋅ n⋅ w_j [g/h]

gdzie:

w_j – jednostkowy strumień pary wodnej oddawany do otoczenia przez człowieka w zależności od aktywności i temperatury otoczenia.

Zyski ciepła od oświetlenia elektrycznego.

Wzór na zyski od oświetlenia elektrycznego:

Q_E = N ⋅ [β+(1-α - β) ⋅ k_o ] ⋅ ϕ

gdzie:

C – ciepło właściwe materiałów budowlanych 0,88[kJ/kg],

α - współ. przejmowania ciepła przez powietrze,

F_w – powierzchnia ścian wew.

F_z – powierzchnia ścian zew.(z oknami),

G_w – jednostkowa masa ścian działowych, podłóg i sufitu,

G_z – jednostkowa masa ścian zew. (bez masy okien),

f – współ. korygujący, związany z pokryciem(stropy, podłogi itp.)

Zyski ciepła od słońca przez przegrody przeźroczyste (okna)

Zyski ciepła od słońca dla pojedynczego okna obliczamy wg wzoru:

Q_OK. = F ⋅ [φ₁ ⋅ φ₂ ⋅ φ₃ ⋅ (k_C ⋅ R_S ⋅ I_Cmax+k_r ⋅ R_C ⋅ I_{r max})+k ⋅ (t_z – t_p.) [W]

gdzie:

F – powierzchnia okna w świetle muru, [m²]

φ₁ – udział powierzchni szkła w powierzchni okna,

φ₂ – poprawka ze względu na wysokość nad poziom morza,

φ₃ – współczynnik uwzględniający rodzaj oszklenia i urządzenia przeciwsłoneczne,

R_S – stosunek powierzchni nasłonecznionej do całkowitej,

R_C – stosunek powierzchni zacienionej do całkowitej (R_S+R_C = 1),

I_Cmax , I_{r max} – maksymalne wartości natężenia promieniowania całkowitego i rozproszonego dla szkła gr. 3 mm [W/m²],

k_C , k_r – współczynniki akumulacji,

k – współczynnik przenikania ciepła przez okna [W/m²K],

t_z – obliczeniowa temperatura powietrza zewnętrznego [^oC],

t_p. – obliczeniowa temperatura w pomieszczeniu [^oC].

Wszystkie wartości potrzebne do obliczeń odczytuje się z tabel. Obliczanie prowadzi się dla każdej godziny okresu letniego, w którym analizuje się zmienność zysków ciepła od nasłonecznienia. Dla okresu zimowego zysków od słońca nie uwzględnia się. dla obliczeń bez uwzględnienia akumulacji, należy przyjąć k_C = 1 i k_r = 1 oraz chwilowe(godzinowe) a nie maksymalne wartości natężenia promieniowania I_r i I_C.

Zyski ciepła od słońca przez przegrody nieprzeźroczyste.

Zyski ciepła dla danej przegrody zewnętrznej(z pominięciem części przeźroczystych – okien) obliczyć można ze wzoru:

Q = F ⋅ K⋅ Δt_r [W]

gdzie:

F – pole powierzchni przegrody nieprzeźroczystej [m²],

K – współczynnik przenikania ciepła przegrody [W/m²K]

Δt_r – równoważna różnica temperatur (odczytana z tabel przy odpowiednich założeniach:

t_p. = 26^oC,

t_zm – średnia dobowa temp. zew. t_zm = 24^oC(lipiec),

A – współ. absorbcji dla ściany A = 0,7; dla dachu A = 0,9,

α_Z – współ. przejmowania ciepła od strony zew. α_Z = 17,7 [W/m²K],

α_w – współ. przejmowania ciepła od strony wew. α_w = 5,8 [W/m²K],

szerokość geograficzna północna od 45^o do 55^o).

W innych przypadkach wartość Δt_r obliczamy:

Δt_r = Δt_r+(t_zm-24)+(26-t_p.)+β [K]

β - poprawka ze względu na stopień przeźroczystości atmosfery.

Zyski ciepła od silników i maszyn

gdzie:

N – moc silnika lub maszyny,

η_s – sprawność silnika,

ϕ₁ – współ. wykorzystania zainstalowanej mocy 0,7 – 0,9.

ϕ₂ – współ. obciążenia, jest to stosunek rzeczywistej przeciętnej zapotrzebowanej mocy do niezbędnej mocy maksymalnej 0,4 - 0,9,

ϕ₃ – współ. jednoczesności pracy urządzeń 0,3 – 1,

ϕ₄^s – współ. przyswajania ciepła przez powietrze, odnosząc się do silnika .

Q_M = N ⋅ ϕ₁ ⋅ ϕ₂ ⋅ ϕ₃ ⋅ ϕ₄^m.

Kiedy maszyna z silnikiem są w jednym pomieszczeniu:

REKUPERACJA-wymiana ciepła w wymienniku przeponowym, wymienniki płytowe, rurowe, układy z czynnikiem pośredniczącym. Np.Wymiennik krzyżowy. ZALETY:-prosta konstrukcja; -nie wymaga dodatkowego zasilania; -brak części ruchomych (mała awaryjność); -dobry stosunek sprawności do ceny urządzenia. WADY: -duże wymiary centrali (konieczność zblokowania sekcji nawiewnej z wywiewną); możliwość występowania szronienia (już przy -5°C). REGENERACJA – strumienie powietrza wywiewanego i nawiewanego omywają tę samą powierzchnię wymiennika, poza odzyskiem ciepła możliwy jest również odzysk wilgoci. Np. wymiennik obrotowy. ZALETY: - wysoka sprawność; - możliwość odzysku wilgoci (przy zastosowaniu materiałów higroskopijnych); - regulacja wydajności; WADY: - wymaga doprowadzenia energii elektrycznej; - konieczność zblokowania sekcji nawiewnej z wywiewną; - większa możliwość awarii; - mniejsza szczelność (pomiędzy powietrzem nawiewanym , a usuwanym). RECYRKULACJA – mieszanie części powietrza usuwanego z nawiewanym; skierowanie części powietrza wywiewanego ponownie do instalacji nawiewnej. ZALETY: - niski koszt urządzeń i eksploatacji; - prosta konstrukcja WADY: - ponowne wprowadzenie powietrza zużytego (zanieczyszczonego) do pomieszczeń. |Recyrkulację powietrza można stosować wówczas, gdy przeznaczenie wentylowanych pomieszczeń nie wiąże się z występowaniem bakterii chorobotwórczych, z emisją substancji szkodliwych dla zdrowia, uciążliwych zapachów, przy zachowaniu wymagań dotyczących minimalnej ilości powietrza zewnętrznego oraz wymagań dotyczących ochrony przeciwpożarowej.| W budynku opieki zdrowotnej recyrkulacja może być stosowana tylko za zgodą i na warunkach określonych przez właściwego państwowego inspektora sanitarnego.| UKŁADY Z CZYNNIKIEM POŚREDNICZĄCYM np. SYSTEM GLIKOLOWY. ZALETY – szczelność (brak możliwości mieszania się pow. Usuwanego i nawiewanego); - możliwość oddalenia części nawiewnej i wywiewnej centrali; - regulacja wydajności; - niskie ryzyko szronienia (poniżej -15°C). WADY – niska sprawność (do 55%); - wysoki koszt instalacji; - wymaga doprowadzenia energii zewnętrznej. WYMIENNIKI Z RURKAMI CIEPŁA. ZALETY: -małe wymiary; - nie wymaga dodatkowego zasilania; - brak części ruchomych; - sprawność odzysku powyżej 60%; -niskie ryzyko szronienia (poniżej -18°C). WADY: -wysoki koszt urządzenia; -w przypadku rurki grawitacyjnej (pionowej) konieczność umieszczenia kanału nawiewnego nad wywiewnym. POMPA CIEPŁA: ZALETY: -szczelność (brak możliwości mieszania powietrza usuwanego i nawiewanego); -regulacja wydajności; -wysoka efektywność osuszania powietrza (instalacje basenowe) WADY: -wysoki koszt urządzenia; -wymaga doprowadzenia energii zewnętrznej