Pomiary wydajności w instalacjach wentylacyjnych
Aby ocenić, czy instalacja wentylacyjna pracuje właściwie, trzeba przeprowadzić pomiary parametrów powietrza. Porównanie uzyskiwanych wartości temperatury, ciśnienia czy przepływu oraz odpowiednie wyregulowanie układu jest warunkiem do odbioru instalacji po jej wykonaniu. Coraz więcej firm wykonawczych oraz eksploatacyjnych, zaopatruje się w łatwo już dostępny sprzęt pomiarowy, aby - także później - samodzielnie kontrolować stan urządzeń.
Po co mierzyć wydajność?
Instalacja wentylacyjna musi doprowadzić odpowiednią ilość powietrza do pomieszczenia. Niestety, w praktyce to podstawowe zadanie jest bardzo często nie spełniane. Jednym z głównych defektów pracy układów wentylacyjnych jest zbyt mała wydajność w poszczególnych odgałęzieniach sieci. Przyczyn tego może być wiele: niewłaściwie wykonane obliczenia, niedotrzymanie lub zły dobór parametrów wentylatorów, liczne zmiany na etapie wykonywania instalacji. Niezależnie jednak od tego, czy układ już źle działa, czy dopiero jest uruchamiany, w pewnym momencie pojawia się konieczność przeprowadzenia pomiarów wydajności. Na ich podstawie możemy ocenić poprawność pracy układu oraz podejmować działania związane z jego naprawą czy wyregulowaniem.
Jaką metodą określić przepływ w przewodzie?
Aby obliczyć strumień powietrza w przewodzie wentylacyjnym, trzeba określić prędkość średnią w przekroju pomiarowym. Wartość przepływu wyrażona w m3/s będzie więc iloczynem prędkości średniej i pola przekroju poprzecznego przewodu. Jedną z podstawowych metod wyznaczania prędkości średniej jest tzw. „sondowanie”. Badanie polega na pomiarach prędkości w poszczególnych punktach pomiarowych przekroju, a następnie wyliczenie średniej arytmetycznej.
Rys.1 Rozmieszczenie punktów pomiarowych
wg metody podziału na pola o równej powierzchni
Jak rozłożyć punkty pomiarowe?
Kanały prostokątne. Dzielimy przekrój pomiarowy na pola o równej powierzchni (rys. 1). Takich pól powinno być od 16 do 64. Przez otwory wywiercone w ściance przewodu wprowadzamy sondę pomiarową i mierzymy prędkości w środkach wyznaczonych pól. Otrzymane wyniki uśredniamy.
Kanały o przekroju kołowym. Pomiar w nich jest tylko nieco bardziej skomplikowany. Rozłożenie punktów pomiarowych na średnicy nie jest równomierne i trzeba je każdorazowo wyliczyć. Pomiary wykonujemy na dwóch prostopadłych średnicach (rys. 2).
Ostateczny wynik jest średnią arytmetyczną, podobnie jak w przekroju prostokątnym. W tabeli podano odległości punktów pomiarowych od ścianki przewodu w funkcji jego średnicy. Wartości pochodzą z National Standarts For Testing And Balancing Heating, Ventilating, And Air Conditioning Systems, ale większość innych wytycznych zawiera podobne dane.
Rys.2 Rozmieszczenie punktów pomiarowych
wg metody "Log-Czebyszewa"
Obszerne zalecenia dotyczące pomiarów przepływu i lokalizacji punktów pomiarowych można także znaleźć w normie PN-ISO 5221 „Metody pomiaru przepływu strumienia powietrza w przewodzie.” Przytoczona tam jest m.in. inna metoda rozmieszczania punktów pomiarowych, tzw. metoda „Log-Czebyszewa”. Sam sposób pomiaru wg tej metody jest identyczny jak poprzednio, inna jest tylko lokalizacja punktów pomiarowych w przekroju. Niestety, metoda „Log-Czebyszewa” nie zakłada podziału na równe pola, co powoduje konieczność korzystania z odpowiednich współczynników przeliczeniowych także dla przewodów prostokątnych. Jest to zawsze dodatkowy kłopot przy prowadzeniu pomiarów w terenie.
Jakie przyrządy pomiarowe?
Podstawowym, najbardziej znanym przyrządem do pomiaru prędkości w przewodzie wentylacyjnym jest rurka Prandtla. Sygnałem wyjściowym z rurki jest różnica pomiędzy ciśnieniem całkowitym a statycznym, czyli ciśnienie dynamiczne. Zależy ono od kwadratu prędkości. Wyliczenia prędkości w każdym punkcie możemy dokonać po zastosowaniu zależności:
w której PD to uzyskiwane z rurki ciśnienie dynamiczne [Pa], a r to gęstość powietrza [kg/m3]. Większość nowoczesnych przyrządów pomiarowych przystosowanych do współpracy z rurką Prandtla ma wbudowaną funkcję przeliczania ciśnienia wg powyższej formuły. Wymagane jest czasami tylko wpisanie odpowiedniej gęstości, którą dla pomiarów technicznych można przyjąć jako stałą, na poziomie 1,2 kg/m3. Przykładem takiego urządzenia z przeliczaniem ciśnienia na prędkość jest mikromanometr PVM100 (fot. 1).
Fot. 1 Mikromanometr
typ PVM100 (Airflow)
Przyrząd ten dysponuje także możliwością zapamiętywania i uśredniania wyników, dzięki czemu nie trzeba już prowadzić dodatkowych obliczeń.
Wymiary samej rurki Prandtla są w zasadzie znormalizowane, można spotkać jednak ją w różnych wykonaniach. Bardzo wygodna do transportu jest na przykład rurka teleskopowa (fot. 2).
Pomiar rurką Prandtla podlega pewnym ograniczeniom. Minimalna mierzona prędkość to około 3 m/s. Wynika to z ograniczonej dokładności pomiaru stosunkowo małego ciśnienia, które odpowiada niskim prędkościom przepływu. Oczywiście pomiar prędkości rzędu 1m/s też jest możliwy, ale wymaga szczególnej staranności i poprawnego wyzerowania mikromanometru przed przystąpieniem do badania.
Fot. 2 Rurka Prandtla składana (Airflow)
Co oprócz rurki Prantla?
Mogą to być inne przyrządy, którymi daje się zmierzyć prędkości punktowe - wszelkiego rodzaju termoanemometry, ale z sondą przystosowaną do pomiaru w kanale, odpowiednio osłoniętą i odporną na zanieczyszczenia. Przykładem takich urządzeń mogą być mierniki serii VelociCalc (fot. 3).
Są one o tyle ciekawe, że poza prędkością powietrza potrafią również mierzyć wiele innych parametrów takich jak: temperatura, różnica ciśnienia czy wilgotność. Zapamiętują też wyniki, co w obecnych urządzeniach pomiarowych jest już w zasadzie standardem.
Do sondowania przewodu mogą być także zastosowane anemometry skrzydełkowe, ale te z sondami o małych średnicach rzędu 12 czy 16 mm (fot. 4). Oczywiście mogą to być także przyrządy wielofunkcyjne i można do nich podłączać wiele innych czujników: temperatury, wilgotności, ciśnienia itp.
Gdzie lokalizować przekroje pomiarowe?
Z tym jest zwykle nieco kłopotu. Jeśli pomiar ma być dokładny, przepływ powinien być ustabilizowany, jak najmniej zakłócony. W tym celu trzeba zachować odpowiedni odstęp od elementów zakłócających: kolan, trójników, przepustnic i innych elementów sieci. Szczególnie nie
Fot. 3 Uniwersalny przyrząd pomiarowy
z sondą termoanemometryczną (TSI)
wskazany jest pomiar bezpośrednio za wentylatorem, gdzie w przekroju mogą występować prędkości o znaku przeciwnym.
Niestety w rzeczywistym układzie wentylacyjnym w budynku szczególnie, gdy kanały mają duże średnice, znalezienie tak długiego, prostego odcinka i to jeszcze w miejscu gdzie interesuje nas przepływ, może być trudne.
Dobrze jest wtedy:
• wyznaczyć przekrój pomiarowy w miejscu, w którym spodziewane są najmniejsze zaburzenia przepływu,
• jeżeli to możliwe, zagęścić siatkę punktów pomiarowych w przekroju w celu uzyskania dokładniejszego wyniku.
Fot. 4 Przyrząd wielofunkcyjny z sondą anemometru skrzydełkowego o średnicy 16 mm (TESTO)
Czy można inaczej?
Na rynku jest wiele elementów do pomiaru przepływu, przeznaczonych do wbudowania w układ wentylacyjny. Są to wszelkiego rodzaju zwężki, pierścienie czy kryzy pomiarowe. Przepływ określa się na podstawie pomiaru wartości ciśnienia mierniczego pm na wyjściu elementu. Nie jest to spadek ciśnienia (opór) na urządzeniu tylko wartość różnicy ciśnienia, dla której zwężka czy pierścień jest wyskalowany. Samo określenie przepływu jest bardzo proste i polega na wyliczeniu wartości przepływu ze wzoru lub skorzystaniu z odpowiedniego nomogramu. Zwykle dokładność pomiarowa tych urządzeń, pod warunkiem ich poprawnego zabudowania, wynosi około 5%.
Najbardziej uniwersalne z pokazanych urządzeń są kryzy typu IRIS. Do ich zalet należą: możliwość dopasowania przesłony do zakresu mierzonych wydajności oraz możliwość regulacji strumienia przepływającego powietrza. Nie bez znaczenia może też być to, że kryza po jej pełnym otwarciu nie stanowi dodatkowego utrudnienia w czasie czyszczenia instalacji.
Stałe elementy pomiarowe lokalizuje się w podobnych miejscach co przekroje do sondowania przewodu. Tutaj jednak kryteria są mniej ostre. Odległości od najbliższych elementów zakłócających mogą być nieco mniejsze. Dokładność pomiaru zależy od odległości od takich kształtek, jak kolana czy trójniki. Podany jest także współczynnik korekcyjny, przez który należy pomnożyć zmierzoną wartość, aby uzyskać dokładniejszy wynik.
Fot. 5 Pierścień pomiarowy MR (ABB)
Niestety przydatność przedstawionych elementów pomiarowych jest często niezauważana przez projektantów i inwestorów. Dlatego też urządzenia te są stosowane głównie w układach ze zmienną ilością powietrza VAV, jako zintegrowane z regulatorami przepływu. A przecież zamontowanie ich w każdej instalacji byłoby wyraźnie wskazane, dzięki nim możliwy jest bowiem szybki pomiar strumienia, ciągłe monitorowanie przepływu w poszczególnych gałęziach sieci oraz zdecydowanie łatwiejsza regulacja układu. A swoją drogą, dobrze byłoby, gdyby osoby zajmujące się pomiarami i regulacją miały większy wpływ na proces projektowania i wykonywania instalacji. Może więcej elementów pomiarowych byłoby zamontowanych w instalacjach wentylacyjnych, a przepustnice znajdowałyby się w miejscach, do których dotarcie nie stwarza specjalnych trudności.
Gdzie o pomiarach przeczytać?
Chociażby we wspomnianych wcześniej normach, a szczególnie w PN-ISO-5221, w której znajdują się szczegółowe informacje na temat rożnych metod pomiaru przepływu. Warto też sięgnąć do bardziej ogólnej normy PN-87/N-08016 pt. Środowiska termiczne. Przyrządy i metody pomiaru wielkości fizycznych. Z literatury polecić można m.in. Pomiary cieplne wydane przez Wydawnictwa Naukowo Techniczne czy nieco starsze opracowanie pt. Pomiary w inżynierii sanitarnej wydane przez Arkady.
Fot. 6 Regulowana kryza pomiarowa typu IRIS(Systemair)
Cenne są też wszelkie, z reguły obcojęzyczne, opracowania dotyczące pomiarów, wydawane przez stowarzyszenia zrzeszające firmy o profilu TAB (Testing And Balancing). Warto też zwrócić uwagę na katalogi lub strony internetowe producentów sprzętu pomiarowego, na których często są zmieszczone informacje na temat metod badawczych.
dr inż. Jacek Hendiger
Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji Politechniki Warszawskiej
”Polski Instalator” nr 12/2001
|