6. WENTYLACJA NATURALNA [2]

6.1. Rodzaje wentylacji naturalnej

Pomieszczenie można rozpatrywać jako przestrzeń zamkniętą, oddzieloną od otoczenia (pozostałej części budynku i powietrza zewnętrznego) prze­grodami budowlanymi.

Do przegród budowlanych zaliczamy; ściany, stropy, stropodachy i powierzchnie oszklone o różnej konstrukcji, w przegrodach tych znajdują się otwory i nieszczelności.

W pomieszczeniu na powierzch­niach przegród występują różne wartości ciśnienia powietrza. Po stronie zewnętrznej przegrody na jej powierzchni panują również zróżnicowane war­tości ciśnienia. Różnica między ciśnieniem panującym wewnątrz i na zew­nątrz przegrody wywołuje przepływ powietrza przez otwory, nieszczelności i pory w tej przegrodzie, co z kolei powoduje wymianę powietrza w pomiesz­czeniu.

Czynnikami wywołującymi naturalny przepływ powietrza przez otwory i nieszczelności w przegrodzie są:

- różnice wartości temperatury powietrza w pomieszczeniu i powietrza otoczenia,

- działanie wiatru na zewnętrzne przegrody.

Wymianę powietrza spowodowaną wykorzystaniem wyżej wymienionych czynników (naturalnych właściwości powietrza) nazywamy wentylacją naturalną.

Jak już wiadomo, do wentylacji naturalnej zalicza się: infiltrację, przewietrzanie, wentylację grawitacyjną i aerację.

I n f i l t r a c j a jest to zjawisko samoczynnej wymiany powie­trze przez nieszczelności w drzwiach i oknach oraz przez pory w przegro­dach budowlanych, wywołane różnic ciśnień wewnątrz i na zewnątrz pomiesz­czenia. Innymi słowy, jest to samoczynne przenikanie powietrza z zewnątrz do pomieszczeń przez wszystkie wymienione nieszczelności. Siłą napędową wymiany powietrza jest różnica ciśnień wytworzona przez działanie wiatru lub różnice temperatury między powietrzem wewnętrznym i zewnętrznym. Z po­wyższego wynika, te jest to niekontrolowana wymiana powietrza w pomiesz­czeniach i zaliczamy ją do najbardziej prymitywnych rodzajów wentylacji.

Zjawisko odwrotne do infiltracji a więc przenikanie przez nieszczelnoś­ci powietrza z pomieszczenia na zewnątrz, nazywamy e x f i l t r a c ją. Zarówno infiltracja, jak i exfiltracja mogą mieć wpływ dodatni, jak również zdecydowanie ujemny, któremu trzeba bardzo często przeciwdziałać.

Wykorzystując różnicę ciśnień po obu stronach przegród zewnętrznych ograniczających pomieszczenie, można znacznie powiększyć wielokrotność wy­miany powietrza przez otwieranie okien. Ten sposób wentylacji nazywamy p r z e w i e t r z a n i e m lub

w i e t r z e­­ n i e m. Wymiana może być w tym przypadku w pewnym stopniu regulowana.

Zintensyfikowanie samoczynnej wymiany powietrza można również uzys­kać przez wyposażenie pomieszczenia w pionowe kanały wywiewne, w których przepływ powietrza jest wywołany przez ciąg naturalny, sposób ten nazywa­my wentylacją grawitacyjną. Również i w tym rodzaju wentyla­cji możemy mieć wpływ na wielkość wymiany powietrza w pomieszczeniu.

A e r a c j ą nazywamy zorganizowaną wymianę powietrza odbywającą się w sposób ciągły przez otwory specjalnie do tego celu przewidziane i odpowiednio usytuowane w przegrodach zewnętrznych, których przelotowość może być dowolnie regulowana. Wentylacja ta znalazła zastosowanie przede wszystkim w dużych halach przemysłowych i to zwłaszcza przy znacznych jed­nostkowych obciążeniach cieplnych pomieszczenia.

6.2. Przepływ powietrza przez pomieszczenie wywołany różnicą tempe­ratury

Rozważmy zamknięte pomieszczenie, wypełnione powietrzem o temperaturze t_p, wyższej niż temperatura powietrza zewnętrznego t_z.

Na rysunku 6.1 pokazano rozkład ciśnień na przegrodzie zewnętrznej przy założeniu, że wewnątrz i na zewnątrz pomieszczenia powietrze jest nieruchome i ma wy­równaną temperaturę, Przyjęto, że na pewnej wysokości pomieszczenia znaj­dują się w ścianach niewielkie otwory, których osie leżą w jednej płasz­czyźnie 0-0.

W płaszczyźnie tej nastąpi wyrównanie ciśnienia panującego wewnątrz pomieszczenia z ciśnieniem, jakie panuje na tej samej wysokości na zew­nątrz. Ciśnienie to oznaczymy przez p_o.

W dowolnej płaszczyźnie poziomej I-I, leżącej w odległości h metrów od płaszczyzny 0-0, będzie panowało w pomieszczeniu, zgodnie z zasa­dę hydrostatyki, ciśnienie

p_p = p_o + h g ρ_p,

a na zewnątrz

p_z = p_o + h g ρ_z

gdzie:

ρ_p - gęstość powietrza pomieszczenia o temperaturze t_p, kg/m³,

ρ_z - gęstość powietrza zewnętrznego o temperaturze t_z, kg/m³,

g - przyspieszenie ziemskie, m/s².

Z powyższych zależności wynika, że ciśnienie w pomieszczeniu i zew­nętrzne zmieniają się liniowo w zależności od wysokości, a ponieważ p_z > p_p, zmiana ciśnień zewnętrznych odbywa się szybciej. Wskutek tego, na płaszczyzny ograniczające rozpatrywane pomieszczenie będą działały różne ciśnienia z zewnątrz i od wewnątrz. Różnicę tych ciśnień obliczamy w spo­sób następujący

p_z - p_p = Δp = h g(ρ_z - ρ_p) (6.1)

Z zależności tej widać, że różnica ciśnień Δp będzie też zmieniała się liniowo, w zależności od wartości odległości h.

Płaszczyznę 0-0 nazywa się płaszczyzną wyrównania albo płaszczyzną ciśnień zerowych lub też płaszczyzną obojętną.

W przypadku ścian nieszczelnych lub porowatych, poniżej płaszczyzny wyrównania, powietrze zewnętrzne przedostawać się będzie pod wpływem róż­nicy ciśnień do omawianego pomieszczenia, a powyżej - ruch powietrza odby­wać się będzie w kierunku odwrotnym.

Rozważmy teraz wymianę powietrza zachodzącą w pomieszczeniu o dwóch otworach położonych na różnej wysokości. Przyjmując jednocześnie następu­jące podstawowe założenia, m.in.;

- zakłada się, że wymiana powietrza jest procesem ustalonym, a więc przyjmuje się za niezmienne w czasie wszystkie czynniki wpływające na ten proces,

- temperatura powietrza w pomieszczeniu t_p jest wyższa niż tempera­tura powietrza zewnętrznego t_z,

- w pomieszczeniu i na zewnątrz po­mieszczenia powietrze jest nieruchome,

• pomija się infiltrację powietrza przez pory i nieszczelności w przegrodach budowlanych.

Jak już wykazano poprzednio, ciśnie­nia w pomieszczeniu i na zewnątrz pomiesz­czenia zmieniają się liniowo, ale z powo­du nierówności temperatur t_p i t_z od­powiednie im ciśnienia zmieniają się nie­jednakowo, wobec tego na ściany pomiesz­czenia działać będzie różnica ciśnień zmieniająca się również liniowo. Z doświad­czenia wiadomo, że w takim przypadku przez otwór górny powietrze będzie wypływało na zewnątrz, przez dolny natomiast - napływało do pomieszczenia z zewnątrz. Stąd wniosek, że położenie prostej wyzna­czającej różnicę ciśnień działających na ścianki pomieszczenia musi być takie, jak to pokazano na rys. 6.2, czyli że płaszczyzna wyrównania znaj­duje się między tymi otworami.

Rys. 6.2. Rozkład ciśnień na zewnętrznej przegrodzie budynku

przy dwóch otworach na różnej wysokości

Różnicę (nadwyżkę) ciśnień na wysokości osi górnego otworu Δp₁ i dolnego otworu Δp₂ można obliczyć z zależności (6.1) w sposób następują­cy

Δp₁ = h₁ g(ρ_z - ρ_p) (6.1a)

Δp₂ = h₂ g(ρ_z - ρ_p). (6.1b)

Te różnice ciśnień w otworze górnym i dolnym będą wykorzystane na pokona­nie oporów przepływu powietrza.

Prędkość powietrza w tych otworach można obliczyć z następujących za­leżności

, m/s, (6.2a)

, m/s. (6.2b)

Strumień masy powietrza przepływającego przez otwory górny i dolny (przy znanych ich powierzchniach) można określić z wzorów

, kg/s, (6.3a)

, kg/s, (6.3b)

w wyrażeniach tych:

współczynniki wydatku (wypływu),

A_1, A₂ - powierzchnie otworów, m²,

w₁, w₂ - prędkości powietrza w otworach, m/s,

ρ_p, ρ_z - gęstość powietrza (pomieszczenia i zewnętrznego), kg/m³.

Współczynnik wypływu μ zależy od liczby Reynoldsa, kształtu i u­zbrojenia otworu. Dla otworów w cienkiej ściance współczynnik μ wynosi od 0,6 do 0,7.

Jak wiadomo, w ustalonych warunkach strumień masy powietrza wypływa­jącego z pomieszczenia jest równy strumieniowi masy powietrza napływają­cego, a więc

, kg/s

stąd

μ₁ A₁ w₁ ρ_p = μ₂ A₂ w₂ ρ_z

Po wstawieniu równań (6.2a) i (6.2b) do ostatniej równości, otrzyma­my

Po podzieleniu obydwu stron ostatniej równości przez
i następnie podniesieniu do kwadratu, uzyskujemy

Po uwzględnieniu w ostatniej zależności równań (6.1a) i (6.1b), otrzymamy

i po odpowiednim przekształceniu

(6.4)

Ponieważ ρ_z/ρ_p = 1, ze względu na nieznaczne różnice temperatur po­wietrza, oraz przy założeniu μ₁=μ₂, usytuowanie płaszczyzny wyrównania zależy przede wszystkim od powierzchni otworów. Zaleca się, aby powierzch­nia dolnych otworów była większa o ok. 20% od powierzchni otworów górnych.

Przy znanej powierzchni otworów A₁ i A₂ oraz uwzględnieniu, że h = h₁ + h₂, można z zależności (6.4) obliczyć na przykład h₂, a więc wyznaczyć położenie płaszczyzny wyrównania

(6.5)

Znając strumień masy powietrza, jaki ma być usunięty z pomieszczenia można wyznaczyć powierzchnie otworów nawiewnych i wywiewnych, a mianowicie

, m² (6.6a)

, m² (6.6b)

6.3. Działanie wiatru na budynki

Działanie wiatru na budynki wywołuje dwa podstawowe zjawiska:

- rozkład ciśnienia na powierzchniach przegród budynku,

- powstawanie ciśnienia aerodynamicznego w jego otoczeniu.

Te dwa zasadnicze zjawiska, związane ze sobą, pokrótce omówiono.

6.3.1. Rozkład ciśnień wywołanych działaniem wiatru na budynki

Rozważmy wpływ działania wiatru na budynek stojący na otwartej przestrzeni. Wiatr działający na budynek powoduje powstawanie na jego powierzchniach stref nadciśnienia i podciśnienia. Na rysunku 6.3 pokazano omywa­nie budynku przez wiatr. Przyjęto, iż jedna ze ścian tego budynku jest prostopadła do kierunku wiatru, który porusza się z prędkością średnią w_w.

Wymiary budynku do przekroju strumienia poruszającego się powietrza są na ogół niewielkie, powoduje to, że zaburzenia obejmują tylko pewien obszar wokół przeszkody, jaką jest budynek, nie rozprzestrzeniając się da­leko w głąb przepływu strumienia.

Wyobraźmy sobie, że powietrze porusza się w przewodzie, którego jed­ną ścianą jest powierzchnia gruntu, pozostałe zaś ściany znajdują się w takiej odległości od przeszkody, że niezauważalny jest wpływ tejże prze­szkody na układ strug przepływającego powietrza.

Rozpatrzmy teraz zachowanie się omawianego zjawiska w przyjętym myś­lowo przewodzie w różnych charakterystycznych jego przekrojach.

W odpowiedniej odległości przed budynkiem, na przykład w przekroju I-I (rys. 6.3), nie występują zakłócenia przepływu powietrza wywołane tą przeszkodą. W przekroju tym można określić całkowitą energię poruszające­go się powietrza, odniesionego do jednostki objętości, jako sumę ciśnień

(6.7)

gdzie :

p_a - energia potencjalna ciśnienia odniesiona do jednostki objętości równa ciśnieniu atmosferycznemu, Pa,

- energia kinetyczna ciśnienia wiatru odniesiona do jednostki objętości - równa ciśnieniu dynamicznemu p_d.

Powietrze napływające na nawietrzną ścianę budynku (przekrój II-II) traci częściowo swoją prędkość i zmienia kierunek, Poszczególne jego strugi będą przebiegać równolegle do ściany nawietrznej, aż do krawędzi bocz­nych ścian budynku i dalej, pod wpływem przepływu zasadniczej masy powie­trza, będą dążyły do osiągania kierunku początkowego.

Zakładając, że przy uderzeniu o ścianę czołową, nawietrzną, prędkość powietrza całkowicie zaniknie, statyczne ciśnienie bezwzględne na tę ścia­nę

(6.8)

gdzie:

p_a - ciśnienie atmosferyczne, Pa,

- ciśnienie dynamiczne, Pa.

Z doświadczenia wiadomo, że w rzeczywistych warunkach przepływ powie­trza odbywa się dalej i tylko pewna część ciśnienia dynamicznego (energii kinetycznej wiatru) zamienia się na ciśnienie statyczne, a rzeczywiste ciśnienie bezwzględne na czołową nawietrzną ścianę można wyrazić jako

, Pa (6.9)

gdzie k₁ jest współczynnikiem aerodynamicznym; współczynnik ten określa jaka część ciśnienia dynamicznego (energii kinetycznej) wiatru zamieniła się na ciśnienie statyczne (energię potencjalną).

Literatura

[2] Przydróżny S.: Wentylacja. Wrocław 1991

---