Wentylacja i Klimatyzacja

WENTYLACJA I KLIMATYZACJA
materiały dla studentów | mgr inż. Bartosz Gil
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
I.
Powietrze wilgotne – podstawowe wiadomości
Powietrze wilgotne – jest jednorodną mieszaniną powietrza suchego oraz zawartej
w nim wody, która może znajdować się w stanie gazowym, ciekłym lub stałym.
W technice klimatyzacyjnej zarówno powietrze suche jak i para wodna w nim zawarta
mogą być traktowane jako gazy doskonałe ze względu na wartość ciśnienia roboczego, niewiele
różniącą się od ciśnienia barometrycznego, gdyż uzyskiwana dokładność jest wystarczająca
w większości przypadków. Należy jednak pamiętać, iż gazy rzeczywiste nie spełniają całkiem
dokładnie praw gazu doskonałego, szczególnie przy wyższych ciśnieniach.
1. Wartości standardowe
Wartości standardowe według Chartered Insitution of Building Services Engineers (CIBSE):
a) Gęstość powietrza suchego:
b) Gęstość wody:
(gdy
(gdy
c) Ciśnienie barometryczne:
)i
i
(gdy
);
);
.
2. Prawo Boyle’a
Prawo to głosi, że dla gazów doskonałych iloczyn ciśnienia bezwzględnego p i objętości
V ma wartość stałą (przy zadanej temperaturze).
(I.1)
Interpretacją graficzną brawa Boyle’a na wykresie p–V jest rodzina hiperbol równobocznych.
3. Prawo ciśnień cząstkowych Daltona
Rys. 1. Interpretacja graficzna prawa Daltona dla mieszaniny powietrza suchego i pary wodnej.
1
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
Prawo to głosi, że jeżeli mieszanina gazów zajmuje daną objętość w danej temperaturze,
to całkowite ciśnienie wywierane przez mieszaninę równa się sumie ciśnień cząstkowych
składników mieszaniny (przy odniesieniu ich do tej samej objętości i temperatury).
∑
(I.2)
gdzie: p – ciśnienie w mieszaninie k-składnikowej w objętości V i temperaturze T;
pi – ciśnienie cząstkowe składnika i w objętości V i temperaturze T.
4. Równanie stanu gazu doskonałego
Termiczne równanie stanu substancji jest podstawowym równaniem w termodynamice
i zgodnie z zerowa zasadą termodynamiki opisuje zależność pomiędzy temperaturą, ciśnieniem
i objętością właściwą. Równaniem uniwersalnym zarówno w stosunku do rodzaju gazu jak
i zakresu zmienności parametrów, ale mniej dokładne i przydatne do rozważań teoretycznych
jakościowych i obliczeń ilościowych jest równanie Clapeyrona. Dotyczy ono wprawdzie gazów
doskonałych i półdoskonałych, ale przy niskim ciśnieniu i temperaturze znacznie wyższej niż
temperatura nasycenia może być stosowane do gazów rzeczywistych.
(I.3)
gdzie: p – ciśnienie bezwzględne, Pa;
v – objętość właściwa, m3/kg;
R – indywidualna stała gazowa, J/(kg·K);
T – temperatura bezwzględna, K.
Indywidualna stała gazowa dla gazu doskonałego może być wyliczona z równania
(I.4)
gdzie: R0 – uniwersalna stała gazowa, równa 8314,44 J/(kmol·K);
M – masa molowa gazu, kg/kmol.
W przypadku roztworów gazów indywidualną stałą gazową można wyznaczyć z zależności
∑
(I.5)
gdzie: zi – udział molowy i-tego składnika w roztworze.
2
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
5. Ciśnienie nasycenia pary wodnej
Ciśnienie (prężność) pary nasyconej – ciśnienie przy danej temperaturze, dla którego
uzyskuje się równowagę stanu gazowego i cieczy. Występuje więc równowaga pomiędzy
procesami parowania i skraplania.
Parowanie wody uzależnione jest od dwóch warunków:
a) do wody doprowadzana jest energia cieplna – energia kinetyczna pojedynczej cząsteczki
cieczy jest mniejsza niż cząsteczki gazu, stąd też energia cieplna dostarczana z zewnątrz
jest niezbędna do przejścia cząsteczek materii ze stanu ciekłego do gazowego
(zrównanie poziomów energetycznych);
b) ciśnienie pary wodnej w warstwie granicznej jest wyższe od ciśnienia pary wodnej
w otoczeniu.
Interpretacja graficzna:
Ciśnienie nasycenia pn osiąga się, gdy liczba cząsteczek wychodzących z powierzchni wody jest
równa liczbie cząsteczek przechwyconych przez tę powierzchnię (podobne zjawisko można
zaobserwować nad powierzchnią lodu). Ciśnienie nasycenia zależy od temperatury. Dla
równowagi fazowej woda – para zależność tę przedstawia krzywa ciśnienia pary, natomiast dla
równowagi fazowej lód – para krzywa ciśnienia sublimacji.
Modele obliczeniowe:
a) krzywa ciśnienia pary:
(
wg [1]
)
(
wg [2]
(
)
(I.6)
)
(
(I.7)
)
b) krzywa ciśnienia sublimacji:
wg [1]
wg [2]
(
(
)
)
(I.8)
(I.9)
3
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
6. Ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu wilgotnym
Ciśnienie cząstkowe (parcjalne) – ciśnienie, jakie wywierałby dany składnik mieszaniny,
gdyby w danej temperaturze sam zajmował całą objętość naczynia.
[
]
(
)[
]
[
]
(
)
(I.10)
7. Zawartość wilgoci i opis stanu nasycenia powietrza wilgotnego
Zawartość wilgoci – masa pary wodnej, w kilogramach, znajdująca się w 1 kg powietrza
suchego.
(I.11)
Korzystając z równania stanu gazu doskonałego (osobno dla każdego ze składników) oraz
prawa Daltona uzyskuje się
(I.12)
Stosunek Rp do Rw nazywa się względną gęstością pary wodnej w odniesieniu do powietrza
suchego i wynosi 0,622.
Finalnie (zgodnie z prawem Daltona) uzyskuje się
(I.13)
i po przekształceniu względem ciśnienia cząstkowego
(I.14)
Należy podkreślić, iż pomimo niezależności ciśnienia nasycenia pary wodnej pn od ciśnienia
barometrycznego, zawartość wilgoci x w powietrzu nasyconym jest od niego zależna.
8. Wilgotność względna powietrza
Wilgotnością względną powietrza nazywamy stosunek ciśnienia cząstkowego pary
wodnej w powietrzu wilgotnym o danej temperaturze t do ciśnienia nasycenia pary wodnej
w tej samej temperaturze.
(I.15)
4
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
Korzystając z równania stanu gazu doskonałego powyższe równanie można przedstawić
również wykorzystując gęstości.
(I.16)
Ciśnienie pary nie może przekraczać ciśnienia nasycenia, stąd zakres wilgotności względnej
wynosi 0–1 (0-100%).
9. Entalpia powietrza wilgotnego
Entalpia – wielkość fizyczna będąca funkcją stanu o wymiarze energii, definiowana
z zależności
(I.17)
Nie jest możliwe podanie wartości bezwzględnej entalpii, ponieważ nie jest możliwe określenie
wartości energii wewnętrznej gazu. W przypadku układów klimatyzacyjnych stosuje się różnice
entalpii, które mogą być wyznaczone, jeśli ustali się poziom odniesienia entalpii. Można więc
powiedzieć, że w psychrometrii mamy do czynienia z entalpią względną, zdefiniowaną
równaniem
(I.18)
gdzie: ip – entalpia powietrza suchego;
iw – entalpia pary wodnej;
x – zawartość wilgoci.
Jako temperaturę odniesienia do określenia entalpii zerowej zarówno powietrza suchego jak
i pary wodnej przyjęto temperaturę 0°C.
Przybliżone równania entalpii powietrza suchego i pary wodnej, w zakresie temperatury
0–60°C
(I.19)
(I.20)
5
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
II.
Procesy uzdatniania powietrza wilgotnego
1. Mieszanie
Na rys. 2 przedstawiono mieszanie dwóch strumieni powietrza wilgotnego, których
parametry określają punkty (1) i (2). Równanie bilansowe procesu zgodnie z zasadą zachowania
masy:
a) Powietrze suche
̇
̇
̇
(II.1)
b) Para wodna
̇
̇
̇
(II.2)
Po podstawieniu (II.1) do (II.2) uzyskuje się
̇
̇
(II.3)
Podobnie stosując zasadę zachowania energii można wyprowadzić wzór
̇
̇
(II.4)
Rys. 2. Proces adiabatycznego mieszania dwóch strumieni powietrza wilgotnego; punkt mieszania
w obszarze powietrza nienasyconego (po lewej) i w obszarze mgły (po prawej).
Graficznie punkt charakteryzujący powietrze zmieszane (M) leży na prostej
łączącej punkty (1) i (2), a położenie punktu jest takie, że odcinek ̅̅̅̅̅̅ jest podzielony
6
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
odwrotnie proporcjonalnie do stosunku masy powietrza suchego składowych strumieni
powietrza.
Uwaga:
Możliwym jest takie zmieszanie dwóch strumieni powietrza wilgotnego, w wyniku którego
nastąpi osuszenie powietrza (wykroplenie się wilgoci). Ma to miejsce, gdy punkt mieszania
wypada w obszarze mgły.
2. Ogrzewanie
Podczas procesu nagrzewania powietrza w nagrzewnicy zawartość wilgoci w powietrzu
nie ulega zmianie (x=const). Następuje jedynie wymiana ciepła jawnego. Jedynym wymaganiem
koniecznym do realizacji procesu wymiany ciepła jest to, aby temperatura powierzchni
nagrzewnicy była wyższa od końcowej temperatury powietrza.
Rys. 3. Proces ogrzewania powietrza w nagrzewnicy.
Tab.1. Zestawienie zmian parametrów powietrza wilgotnego podczas jego ogrzewania.
Parametr
Temperatura (wg termometru suchego)
Oznaczenie
ts
Zmiana
wzrasta
Temperatura (wg termometru mokrego)
tm
wzrasta
Temperatura punktu rosy
tR
const
Entalpia
i, h
wzrasta
Objętość właściwa
v
wzrasta
Wilgotność względna
φ
maleje
Zawartość wilgoci
x
const
Ciśnienie cząstkowe pary wodnej
pw
const
7
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
Ze względu na wymianę jedynie ciepła jawnego podczas procesu nagrzewania powietrza
możliwym jest zapisanie mocy urządzenia w dwóch formach:
̇ (
)
(II.5)
lub
̇
(
)
(II.6)
gdzie: m – strumień masowy powietrza wilgotnego;
cp – średnie ciepło właściwe powietrza.
3. Chłodzenie
a) z wykraplaniem wilgoci
Proces ten może zostać zrealizowany w chłodnicach przeponowych lub chłodnicach o tzw.
mokrej powierzchni chłodzącej. W urządzeniach tych temperatura ścianki chłodnicy jest niższa
niż temperatura punktu rosy, na skutek czego podczas kontaktu strumienia powietrza
wilgotnego z powierzchnią roboczą chłodnicy następuje wykraplanie wilgoci (osuszanie
strumienia powietrza wilgotnego).
Rys. 4. Ochładzanie powietrza z wykraplaniem wilgoci; przybliżony przebieg procesu (po lewej) oraz
graficzne odwzorowanie parametrów BF i CF (po prawej).
Niskie temperatury powierzchni chłodnicy mogą być uzyskiwane za pomocą wody chłodzącej
o niskiej temperaturze (6°C/12°C) lub poprzez bezpośrednie odparowanie czynnika
chłodniczego. Przy bezpośrednim odparowaniu czynnika chłodniczego można założyć, że
temperatura ścianki jest o ok. 2K wyższa od temperatury parowania. Analizując powyższy
proces można powiedzieć, że jedynie część strumienia powietrza przepływającego przez
8
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
chłodnicę ma bezpośredni kontakt ze ściankami, a co za tym idzie osiąga stan nasycenia.
Pozostała część przepływa przez chłodnicę bez zmiany stanu. Możliwym jest więc opisanie
procesu chłodzenia powietrza z wykraplaniem wilgoci jako mieszania się dwóch strumieni:
powietrza pierwotnego (o stanie 1) i powietrza nasyconego (2). Linia łącząca oba punkty zwana
jest krzywą chłodzenia.
Linia prosta stanowi jednak daleko idące uproszczenie i nie oddaje rzeczywistego procesu
zmian stanu powietrza wilgotnego.
Współczynnik kontaktu (CF) - stosunek masy powietrza mającej kontakt z powierzchnią
roboczą chłodnicy do całkowitej masy przepływającego powietrza.
̇
(II.7)
̇
Współczynnik obejścia (BF) – stosunek masy powietrza przepływającej bez kontaktu ze
ściankami chłodnicy do całkowitej masy przepływającego powietrza.
(II.8)
Ze względu na wymianę ciepła utajonego moc chłodnicy z wykraplaniem wilgoci można wyrazić
jedynie jako strumień ciepła całkowitego.
̇ (
)
(II.9)
b) bez wykraplania wilgoci
Przy temperaturze ścianki wymiennika powyżej temperatury punktu rosy przemiana
chłodzenia następuje po linii stałej zawartości wilgoci x=idem. Spadkowi temperatury
powietrza towarzyszy zwiększanie wilgotności względnej i zmniejszanie się entalpii powietrza.
Ponieważ podczas procesu zachodzi wymiana jedynie ciepła jawnego możliwym jest
obliczenie wydajności chłodniczej wymiennika zarówno ze wzoru (II.9) jak i wzoru poniższego.
̇
(
)
(II.10)
9
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
Rys. 5. Ochładzanie powietrza bez wykraplania wilgoci.
4. Procesy zachodzące w komorze zraszania – zmiany stanu powietrza przy jego
kontakcie z wodą
Podczas bezpośredniego kontaktu powietrza i wody zachodzą procesy wymiany ciepła
i masy (wilgoci). Ich motorem napędowym jest istnienie różnicy temperatury i ciśnienia
cząstkowego pary w warstwie granicznej.
Przebieg procesu wymiany ciepła i masy zależny jest od różnicy temperatury pomiędzy
wodą i powietrzem, i można go podzielić na 4 obszary:
Rys. 6. Zakres możliwych przemian stanu powietrza przy bezpośrednim kontakcie z wodą o różnej
temperaturze (Pełech A., Wentylacja i Klimatyzacja – Podstawy, Oficyna Wyd. PWr, Wrocław 2008).
Obszar I – nawilżanie i ogrzewanie powietrza – proces charakteryzuje się jednoczesnym
wzrostem temperatury, zawartości wilgoci i entalpii powietrza. Warunkiem jego
10
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
przeprowadzenia jest utrzymywanie temperatury wody wyższej niż temperatura
powietrza (tw>tsa).
Obszar II – nawilżanie i schładzanie powietrza z jednoczesnym wzrostem entalpii –
proces realizowany jest, gdy temperatura wody jest niższa od temperatury powietrza,
ale wyższa niż temperatura termometru mokrego (tsa>tw>tma). Energia potrzebna do
zmiany stanu skupienia wody pobierana jest częściowo z powietrza, co skutkuje
obniżeniem jego temperatury (na drodze wymiany ciepła jawnego). Jednocześnie do
powietrza doprowadzana jest pewna masa pary wodnej z jej ciepłem parowania, co
powoduje wzrost entalpii powietrza wilgotnego.
Obszar III – nawilżanie i schładzanie powietrza ze spadkiem entalpii – w zakresie
temperatury wody poniżej temperatury termometru mokrego, lecz powyżej
temperatury punktu rosy (tma>tw>tra), powietrze wilgotne podczas kontaktu z wodą
nawilżeniu z jednoczesnym spadkiem temperatury i entalpii. Wymiana ciepła jawnego
powoduje spadek temperatury powietrza, a wymiana ciepła utajonego (wilgoci) jest
niewystarczająca do skompensowania tej straty, przez co zmniejsza się entalpia.
Obszar IV – osuszanie i schładzanie powietrza – temperatura wody niższa niż
temperatura punktu rosy (tw<tra) powoduje wykraplanie pary wodnej z powietrza na
powierzchni wody. Zarówno wymiana ciepła jawnego jak i utajonego przebiega
w kierunku od powietrza do wody, na skutek czego zmniejsza się temperatura,
zawartość wilgoci i entalpia powietrza.
5. Nawilżanie parowe
Jeżeli do powietrza o masie mp i początkowej zawartości wilgoci xp oraz entalpii ip
doprowadzana jest masa pary wodnej m0 o temperaturze t0, to równania bilansu masy i energii
można zapisać następująco
(II.11)
(II.12)
Zawartość wilgoci i entalpii w stanie końcowym wyniosą odpowiednio
(II.13)
(II.14)
W przypadku, gdy para jest sucha i nasycona, proces nawilżania parowego przebiega wzdłuż
kierunku przemiany
11
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
(II.15)
Entalpia pary wodnej o temperaturze t0 możliwa jest do wyznaczenia ze wzoru (I.20). Podczas
procesu następuje niewielki wzrost temperatury pomijany dla obliczeń inżynierskich.
Rys. 7. Proces nawilżania powietrza parą suchą nasyconą.
W przypadku nawilżania powietrza parą przegrzaną uzyskuje się jednoczesne
ogrzewanie powietrza. Temperaturę końcową procesu można wyznaczyć ze wzoru
(II.16)
12
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
III.
Bilansowanie układów klimatyzacyjnych i wentylacyjnych
Dobór obliczeniowych parametrów wewnętrznych.
I.
Temperatura powietrza wewnątrz pomieszczenia:
a) Powinna się zawierać w przedziale 17°C < tw < 26°C – wartości graniczne
b) Wartości niższe niż 20°C – mogą powodować brak komfortu cieplnego, gdy ψ = 5–20
h-1
c) PN–78/B–03421: tw = 23–26°C (okres letni, pobyt stały) i 20–22°C (okres zimowy)
d) PN–78/B–03421: duża prędkość powietrza » tw wyższe o 1–2K ze względu na
odczuwanie chłodu spowodowane przepływem powietrza
e) Gradient temperatury pomierzy podłogą i poziomem głowy nie może przekraczać 3K.
f) Dla warunków tropikalnych: tw = tz – (5–20)K i zazwyczaj powyżej 25°C (wyjątek:
pobyt stały)
g) Pobyt krótkotrwały: Recknagel zaleca: tw = (tz + 20)/2
Wilgotność powietrza w pomieszczeniu:
a) φ = 30–60%
b) φ < 35% - wysuszenie sprzętów, mebli, wykładzin, unoszenie pyłów, co prowadzi do
podrażnień dróg oddechowych, ładowanie elektrostatyczne tworzyw sztucznych,
wysuszenie błon śluzowych górnych dróg oddechowych
c) φ > 70% - wykraplanie się pary wodnej na zimnych przegrodach, wydzielanie
zapachów przez materiały organiczne (pleśń, gnicie), bardziej odczuwalne zapachy
[Jones].
d) φ powinno maleć wraz ze wzrostem tw ze względu na możliwość realizacji procesu
odparowania wilgoci ze skóry
Inne:
a) Prędkość powietrza powinna wzrastać wraz z tw – v = 0,03–0,12 m/s (tw = 21°C),
v = 0,18–0,41 m/s (tw > 21°C) [Steimle, Kurs klimatyzacji]
b) PN–78/B–03421: v = 0,3 m/s (okres letni)
c) Ilość powietrza świeżego przypadającego na jedną osobę: zalecana vz1 = 36 m3/h·os,
minimalna, gdy zakaz palenia vz1 = 20 m3/h·os, minimalna, gdy wolno palić vz1 = 30
m3/h·os
d) W przypadku systemów wentylacja + klimatyzacja zaleca się zmniejszenie strumieni
vz1, gdy tz < 0°C i tz >26°C
II.
Przenikanie ciepła przez przegrody przezroczyste (okna).
1. Ustalić wysokość wzniesienia Słońca h i azymut słońca ao [tab. 3.18 Pełech].
2. Wyznaczyć natężenie bezpośredniego promieniowania słonecznego Ib na płaszczyznę
prostopadłą do promieni słonecznych dla danego azymutu ao.
13
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
⁄
(III.1)
( )
(A = 1085 W/m2; B = 0,207) [tab. 7.3 Jones]
3. Określić azymut słoneczny ściany aw [tab. 3.17 Pełech].
4. Obliczyć składową bezpośredniego promieniowania słonecznego Iδ, które pada na
płaszczyznę okna.
( )
( ) – gdy płaszczyzna pionowa
( ) – gdy płaszczyzna pozioma
(III.2)
5. Wyznaczyć współczynniki przepuszczalności oszklenia w zależności od azymutu
słonecznego ściany [tab. 7.5 Jones] (Pb = 0,87, Pr = 0,79).
6. Ustalić wymiary zacienienia okna wskutek jego cofnięcia względem elewacji.
Zgodnie z rysunkiem powyższym.
Kąt padania w płaszczyźnie poziomej Przegroda nasłoneczniona, gdy
( )
Pionowa długość cienia -
( )
( )
Pozioma długość cienia -
(III.3)
(III.4)
7. Wyznaczyć nasłonecznioną powierzchnię okna An.
8. Ustalić wartość natężenia rozproszonego dla wzniesienia Słońca h i miesiąca
obliczeniowego [tab. 7.7 Jones]
9. Wyznaczyć chwilowe zyski ciepła przez okno na drodze promieniowania.
(III.5)
10. Wyznaczyć zyski ciepła przez okno na drodze konwekcji i całkowite zyski ciepła.
(
III.
)
(III.6)
(III.7)
Zyski ciepła przez przegrody nieprzezroczyste.
Zyski ciepła przez przegrody budowlane są sumą względnie ustalonego przepływu ciepła na
drodze przenikania, wymuszonego różnicą temperatur po obu stronach przegrody oraz
zysków nieustalonych wynikających z promieniowania słonecznego. Zagadnienie komplikuje
dodatkowo określona pojemność cieplna przegrody, w wyniku czego ciepło jest
akumulowane i oddawane w czasie.
Wersja uproszczona (inżynierska) - zakłada wykorzystanie wzoru jak dla przegrody płaskiej
(jednowymiarowy, ustalony przepływ ciepła):
14
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
(
)
(III.8)
Metoda obliczeniowa wg wzorów Mackeya-Wrighta – zakłada wykorzystanie temperatury
słonecznej. Stosowana dla stałej temperatury powietrza w pomieszczeniu.
Słoneczna temperatura powietrza – hipotetyczna temperatura powietrza zewnętrznego, przy
której ciepło przejmowane przez zacienioną powierzchnię przegrody zewnętrznej jest równe
ciepłu przejmowanego przez przegrodę przy danej temperaturze powietrza zewnętrznego
z jednoczesnym wydzielaniem się na tej powierzchni ciepła promieniowania słonecznego.
Inaczej – jest to temperatura powietrza zewnętrznego, która da taki sam strumień ciepła
napływający na przegrodę, jaki daje w rzeczywistości połączenie danej różnicy temperatur
i wymiany ciepła przez promieniowanie.
(III.9)
E – współczynnik absorpcji promieniowania przez powierzchnię przegrody [tab. 3.7 Pełech]
(E = 0,7)
αz – współczynnik przejmowania ciepła po zewnętrznej stronie przegrody; αz = 22,7 W/m2K
[(
)
(
)]
(III.10)
tm
–
średnia
dobowa
temperatura
słoneczna
[tab.
7.8
Jones]
(uśredniono dla ścian S i W - tm = 29,1°C)
v – współczynnik zmniejszenia amplitudy zależny od grubości i materiału przegrody [rys.
7.17 Jones] (v = 0,2, Δτ = 10 h → tz = 18°C (godz. 5.00) [tab. 3.3 Pełech])
Akumulacja ciepła w przegrodzie.
Wg VDI 2078 przegrody budowlane dzieli się na 4 kategorie w zależności od akumulacji
ciepła:
1.
2.
3.
4.
Typ I (bardzo lekki) – względna masa budowli m < 150 kg/m2
Typ II (lekki ) - m = 150–300 kg/m2
Typ III (średni ) - m = 300–500 kg/m2
Typ II (ciężki ) - m >500 kg/m2
Wartość m oblicza się następująco
∑
(III.11)
Ai – powierzchnia i-tej przegrody [m2]
m1i – jednostkowa masa i-tej przegrody [kg/m2]
Ap – powierzchnia podłogi [m2]
15
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
IV.
Zyski ciepła od ludzi.
Organizm człowieka wydziela ciepło jawne i wilgoć w zależności od temperatury powietrza
i intensywności wykonywanej pracy. Zyski ciepła całkowitego zależą od liczby osób
n przebywających w pomieszczeniu i intensywności ich pracy, natomiast są niezależne od
temperatury panującej w pomieszczeniu (w zakresie temperatur tw dla klimatyzacji w okresie
letnim).
(III.12)
qc – ciepło całkowite wydzielane przez jedną osobę [W] [tab. 3.21 Pełech, tab. 7.14 Jones]
(qc = 193 W)
φ – współczynnik jednoczesności przebywania ludzi [tab. 3.20 Pełech] (φ = 0,9–1)
Problem inżynierski stanowi przyjęcie gęstości zaludnienia pomieszczeń. Normatywne
zagęszczenie budynku biurowego wynosi ~9 m2/os. Najmniejsze zagęszczenie dotyczy
pomieszczeń kierowniczych (20 m2/os.), a największe pomieszczeń biurowych
ogólnodostępnych (6 m2/os.). Dla sal koncertowych, kin, teatrów zagęszczenie może być
bardzo duże - orientacyjnie można przyjmować wartość 0,5 m2/os.
V.
Zyski ciepła od powietrza wentylującego.
1. Strumień powietrza wentylującego niezbędny do ograniczenia stężenia substancji
gazowej zanieczyszczającej powietrze.
(III.13)
ks – emisja substancji zanieczyszczającej [kg/s]
s2-s1 – masa zanieczyszczenia, jaką asymiluje metr sześcienny powietrza wentylującego
[kg/m3]
2. Strumień powietrza wentylującego zapewniający ograniczenie zawartości wilgoci
w powietrzu w pomieszczeniu.
Obliczany, gdy podstawowym źródłem zmieniającym stan powietrza jest para wodna.
(
)
(III.14)
ks – emisja pary wodnej w pomieszczeniu [kg/s]
xw, xn – zawartość wilgoci w powietrzu wywiewanym i nawiewanym [kg/kgp.s.]
ρ – gęstość powietrza [kg/m3]
16
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
3. Strumień powietrza wentylującego na podstawie bilansu ciepła jawnego.
Obliczany, gdy wentylacja ma za zadanie utrzymać zarówno czystość powietrza
w pomieszczeniu jak i jego temperaturę w strefie przebywania ludzi poniżej wartości
granicznej tmax.
(
)
(III.15)
4. Strumień powietrza wentylującego na podstawie bilansu ciepła całkowitego.
Przy projektowaniu systemów wentylacji zapewniających pełną klimatyzację (utrzymywanie
założonej temperatury i wilgotności względnej powietrza) niezależnie od warunków
zewnętrznych i panujących w pomieszczeniu, strumień powietrza wentylującego określa się
wykorzystując zyski ciepła całkowitego.
(
)
(III.16)
Entalpię powietrza wywiewanego i nawiewanego należy odczytać z wykresu i-x.
Rys. 8. Wyznaczenie entalpii powietrza nawiewanego i wywiewanego na wykresie i-x.
Na wykres nanosimy punkt odpowiadający stanowi powietrza w pomieszczeniu P. Przez
punkt przeprowadzamy linię przemiany kątowej powietrza εoc [kJ/kg]
(III.17)
Przecięcie linii przemiany z izotermą powietrza nawiewanego wyznaczy stan powietrza
nawiewanego N (w tym entalpię in). Entalpię powietrza wywiewanego iw wyznaczamy
przyjmując założenie P=Wd (gdy otwory wywiewne w strefie przebywania ludzi). Jeżeli
17
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
otwory wywiewne zlokalizowane są w stropie dodatkowo uwzględnia się przyrost
temperatury powietrza nad strefą pracy ϴ = 2–6K (punkt Wg).
5. Strumień powietrza wentylującego na podstawie krotności wymian powietrza
w pomieszczeniu.
Dla pomieszczeń o różnym przeznaczeniu, na podstawie znanych i sprawdzonych rozwiązań
określono strumień powietrza wentylującego, który daje dobry skutek wentylacyjny.
Korzystanie z tej metody wymaga ostrożności, ponieważ nie zawsze te same pomieszczenia
mają jednakowe zyski ciepła.
(III.18)
ψ – krotność wymian powietrza w pomieszczeniu [h-1] [tab. 3.2 Pełech]
W niektórych przypadkach zalecane wartości krotności powietrza wynikające z nawiewu są
większe lub mniejsze od tego samego wskaźnika dla wywiewu powietrza (utrzymywanie
nad-, lub podciśnienia w pomieszczeniu).
6. Strumień powietrza wentylującego na podstawie ilości powietrza świeżego
przypadającego na jedną osobę w pomieszczeniu.
W pomieszczeniach, w których głównym źródłem zanieczyszczeń są ludzie wentylacja ma za
zadanie nie tylko ograniczenie wzrostu temperatury powietrza, lecz także niedopuszczenie do
nadmiernego wzrostu wilgoci. W tym przypadku oblicza się strumień powietrza
wentylującego przyjmując strumień ciepła powietrza niezbędny do usunięcia ciepła jawnego,
pary wodnej i innych produktów przemiany materii emitowanych przez osobę.
Jeżeli w pomieszczeniu wentylowanym za pomocą urządzenia wentylującego, bez chłodzenia
powietrza nawiewanego, przewiduje się stały pobyt ludzi, a pozostałe zyski ciepła jawnego
wynoszą Qzj, to strumień powietrza wentylującego oblicza się następująco
(
VI.
)
(III.19)
Wyznaczenie punktu nawiewu powietrza N.
Wyboru parametrów powietrza nawiewanego należy dokonać na podstawie czterech zasad:
1. Ograniczenie ilości powietrza nawiewanego.
Temperatura powietrza nawiewanego powinna być możliwe najniższa, ale nieutrudniająca
rozdziału powietrza w pomieszczeniu. W praktyce oznacza to, iż temperatura powietrza
nawiewanego może być o ~11K niższa od temperatury tw.
18
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
2. Wybór urządzenia chłodniczego.
Efektywność urządzenia chłodniczego jest wyrażana współczynnikiem kontaktu, zależnym
od ilości rzędów rur w chłodnicy. W praktyce współczynnik ten wynosi 0,8–0,95 i wzrasta
wraz z ilością rzędów rur chłodnicy.
3. Moc wentylatora i zyski ciepła w przewodach.
Temperatura powietrza wzrasta na skutek przepływu przez wentylator i przewody. Z tego
względu temperatura powietrza nawiewanego jest wyższa od temperatury powietrza za
chłodnicą. Trudno jest podać typowe wartości przyrostu temperatury w przewodach, niemniej
jednak można mówić o kilkustopniowym jej wzroście. Przyrost temperatury związany
w pracą wentylatora można przyjmować równy 1 K/1000 Pa sprężu.
4. Temperatura wody lodowej.
Praca urządzenia chłodniczego uzależniona jest głównie od temperatury wody lodowej
(oczywiście, gdy woda lodowa stanowi medium chłodzące). Temperatura powierzchni wody
będzie równa temperaturze punktu rosy. Temperatura wody lodowej wzrasta w miarę
przepływu, zatem jej temperatura musi być niższa od temperatury powierzchni rur.
Temperatura wody lodowej wynosi 5–10°C, zatem najniższa temperatura powietrza na
wyjściu z chłodnicy (wg termometru suchego) wynosi 10–11°C.
Algorytm doboru punktu N.
1. Znając stan zaludnienia pomieszczenia klimatyzowanego obliczyć minimalny
strumień powietrza zewnętrznego.
2. Z wykresu psychrometrycznego odczytuje się położenie letnich punktów
obliczeniowych dla warunków zewnętrznych Z i pomieszczenia P.
3. Znając zyski ciepła jawnego i utajonego w tym pomieszczeniu, oblicza się
współczynnik kierunkowy przemiany dla okresu letniego.
4. Znając nachylenie kątowe przemiany przenosi się ją równolegle tak, aby przechodziła
przez punkt P.
5. Oblicza się przewidywany przyrost temperatury powietrza wywołany pracą
wentylatora wywiewnego, opraw wentylowanych, itp., a następnie określa się
położenie punktu P’ i łączy się do z punktem Z.
6. Szacuje się przyrost temperatury na wentylatorze nawiewnym i w przewodach oraz
zaznacza realne położenie punktu N na krzywej charakterystyki przemiany kątowej.
Dowolność wyboru punktu jest uzależniona od doświadczenia, ale można przyjąć, że
będzie ona niższa o minimum 8K od temperatury powietrza w pomieszczeniu.
7. Oblicza się ilość powietrza nawiewanego.
8. Określa się proporcję między strumieniami powietrza świeżego i obiegowego oraz
zaznacza punkt mieszania M na odcinku Z–P’.
9. Biorą pod uwagę moc wentylatora nawiewanego oraz zyski ciepła w przewodach
określić położenie punktu C, dla którego xC = xN.
19
Wentylacja i Klimatyzacja
mgr inż. Bartosz Gil
10. Łączy się linią prostą punkty M i C przedłużając ją do linii nasycenia celem
wyznaczenia temperatury punktu rosy i powierzchni wody w chłodnicy (punkt S).
11. Oblicza się współczynnik kontaktu chłodnicy.
12. Jeżeli współczynnik kontaktu dla danego typu chłodnicy jest zgodny z informacją
producenta to położenie punktu N jest poprawne (CF = 0,6–0,95). Jeżeli nie, to
koryguje się jego temperaturę o 0,5K (punkt 6 algorytmu).
Po ustaleniu punktu N wyznacza się zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym.
20