OBLICZANIE ILOŚCI POWIETRZA WENTYLACYJNEGO DLA WENTYLACJI OGÓLNEJ

Powietrze wentylacyjne jest to powietrze nawiewane przez wentylator lub w inny sposób do pomieszczenia dla spowodowania w nim określonej wymiany.
Wewnątrz pomieszczeń użyteczności publicznej, czy też przemysłowych, wskutek różnego rodzaju procesów powietrze ulega zanieczyszczeniu. Ogólnym mianem zanieczyszczeń przyjęto określać czynniki zmieniające stan powietrza w pomieszczeniu. Mogą to być zanieczyszczenia gazowe, pary, aerozole, pyły, jak również ciepło i para wodna.
Najbardziej miarodajnym i właściwym sposobem obliczania ilości powietrza wentylacyjnego jest obliczenie jej na podstawie przyczyn wywołujących zmianę stanu powietrza w pomieszczeniu.
Punktem wyjściowym do tych obliczeń jest sumienne ustalenie: obciążenia cieplnego, ilości pary wodnej i zanieczyszczeń powietrza gazami, parami i aerozolami.
Tego rodzaju obliczanie ilości powietrza wentylacyjnego, zwłaszcza w budownictwie przemysłowym, napotyka często pewne trudności ze względu na trudności w określeniu ilości szkodliwych zanieczyszczeń, czasu trwania ich wydzielania i równomierności rozprzestrzeniania się. Z tego wynika konieczność dokładnego zapoznania się z technologią produkcji danej gałęzi przemysłu i ścisłej współpracy z technologiem danej gałęzi przemysłu.
W wyjątkowych przypadkach, po wyczerpaniu wszelkich środków umożliwiających ustalenie przyczyn powodujących zmianę stanu powietrza w pomieszczeniu, można z dużą ostrożnością i rozwagą oprzeć obliczenia ilości powietrza wentylacyjnego na danych dotyczących ilości powietrza przypadającego na jedną osobę lub też na krotności wymiany powietrza.
Biorąc pod uwagę spełniane funkcje, wyodrębnić można dwa podstawowe rodzaje wentylacji mechanicznej: wentylację ogólną, gdzie ilość powietrza wentylacyjnego jest ściśle określona zdolnością asymilacyjną tego powietrza, oraz odciągi miejscowe, gdzie ilość powietrza wentylacyjnego określana jest w sposób mechaniczny w zależności od rodzaju i sprawności zastosowanych urządzeń do pochłaniania zanieczyszczonego powietrza lub hermetyzacji procesu produkcyjnego.
O ile wentylacja ogólna lub klimatyzacja mają poważne znaczenie przy usuwaniu nadwyżek ciepła z różnego rodzaju rozproszonych źródeł, gdzie nie jest możliwe wykonanie obudowy, o tyle odciągi miejscowe odgrywają znaczną rolę przy usuwaniu zanieczyszczeń gazowych, pyłowych i pary wodnej.
W artykule zajmiemy się obliczeniem ilości powietrza wentylacyjnego dla potrzeb wentylacji ogólnej,

Obliczanie ilości powietrza wentylacyjnego na podstawie obciążenia cieplnego pomieszczenia

W przypadku, gdy zasadniczym celem wentylacji jest usuwanie zysków ciepła jawnego w pomieszczeniu, ilość powietrza wentylacyjnego określa się z odpowiednich zależności.
W pewnych przypadkach, przy wykorzystaniu wentylacji do ogrzewania pomieszczenia, wielkość rzeczywistych zysków ciepła w pomieszczeniu określa się odejmując od zysków ciepła straty ciepła pomieszczenia. Z teoretycznego punktu widzenia jest to uzasadnione. Przy tego rodzaju rozwiązaniach, zwłaszcza w halach przemysłowych, należy jednak być bardzo ostrożnym, gdyż proporcje zysków i strat ciepła w poszczególnych punktach hali mogą być tak różne, że mimo zrównoważenia bilansu ciepła występować mogą bardzo duże nierównomierności temperatur w strefie pracy. Nie należy negować tego rodzaju rozwiązań, trzeba tylko pamiętać, że każdorazowo wymagają one szczegółowej analizy wynikowych pól temperatur. Natomiast rozwiązanie rozdziału powietrza w tym przypadku musi zapewnić odpowiednią cyrkulację i wymieszanie powietrza oraz przeciwdziałać skutkom wpływu zimnych powierzchni przegród zewnętrznych na mikroklimat pomieszczenia.
Niezbędna ilość powietrza wentylacyjnego będzie mniejsza wówczas gdy:
  • zostaną ograniczone zyski ciepła przez:
    • izolację lub ekranowanie źródeł ciepła,
    • miejscowe chłodzenie bezpośrednim przepływem wykorzystanego już w pomieszczeniu powietrza, takich źródeł, jak maszyny, silniki lub oprawy oświetlenia elektrycznego,
    • ochronę budynku, a zwłaszcza powierzchni oszklonych przed promieniowaniem słonecznym;
  • zostanie zwiększona różnica temperatur między powietrzem nawiewanym a usuwanym z pomieszczenia. Ten czynnik jest bardzo istotny, gdyż wpływa na zwiększenie zdolności asymilacyjnej powietrza i z tego względu wymaga szerszego omówienia.

Temperatura powietrza usuwanego z pomieszczenia

Przy projektowaniu aeracji w zakładach produkcyjnych ze znacznymi zyskami ciepła jawnego, przyjmuje się, że temperatura powietrza w strefie pracy w lecie w stosunku do obliczeniowej temperatury powietrza zewnętrznego mierzonej w cieniu o godzinie 13, nie może być wyższa niż 3 - 5stC. Podstawowym zadaniem w tym przypadku jest umiejętne ustalenie temperatury powietrza usuwanego, w celu prawidłowego określenia wielkości - wymiany powietrza i utrzymania zadanej temperatury w strefie przebywania ludzi.. Znad źródła ciepła unosi się konwekcyjny strumień ogrzanego powietrza, napotykając na swej drodze przekrycie pomieszczenia. Po zetknięciu się z tym przekryciem strumień ciepłego powietrza rozściela się, nieco ochładza, częściowo uchodzi przez otwór wywiewny, a pozostała część opada z powietrzem do strefy pracy, wywołując cyrkulację powietrza. Do tej strefy jednocześnie dopływa pewna ilość powietrza zewnętrznego, ogrzanego po drodze.
W wyniku takiego wymieszania ustala się temperatura powietrza w strefie pracy. Im więcej powietrza powraca z górnej strefy pomieszczenia i im mniejsza ilość dochodzi powietrza zewnętrznego, tym wyższa będzie temperatura powietrza w strefie pracy.
Doświadczenia wykazały, że intensywność cyrkulacji powietrza w zakładach o znacznych obciążeniach cieplnych zależy od zagęszczenia źródeł oddających ciepło. Jeżeli powierzchnia źródeł ciepła zajmuje ok. 0,6 powierzchni podłogi pomieszczenia, to temperatura powietrza w strefie pracy może być równa temperaturze powietrza wywiewanego.
Dalsze badania, polegające na zmianie wysokości położenia otworów nawiewu powietrza zewnętrznego i pomiarach temperatury w strefie pracy, wykazały, że przy nawiewie powietrza na wysokościach 1,2; 3,2; 5,2 i 11,2 m od podłogi otrzymano odpowiednio przyrosty temperatury 3; 6; 9 i 14,5stC.
Stąd można wyciągnąć wniosek, że w lecie dla utrzymania odpowiedniej temperatury powietrza w strefie pracy, nie jest obojętna wysokość umieszczenia otworów doprowadzających powietrze zewnętrzne.
Podobne badania przy ustalaniu temperatury powietrza wywiewanego w zakładach hutniczych, stalowniach, odlewniach i kuźniach zostały przeprowadzone przez innych uczonych w Instytucie Higieny Pracy i Chorób Zawodowych w Pradze.

Temperatura powietrza nawiewanego

Z punktu widzenia ekonomicznej pracy urządzenia wentylacyjnego korzystne jest stosowanie jak najniższej temperatury powietrza nawiewanego, ponieważ uzyskuje się w efekcie mniejszą ilość powietrza wentylacyjnego oraz oszczędność ciepła do podgrzania tego powietrza w okresie zimowym.
Temperatura powietrza nawiewanego nie może być jednak ustalana w sposób dowolny, gdyż przy wentylacji jest w pewnym okresie roku zależna od temperatury powietrza zewnętrznego, a przy klimatyzacji — od rodzaju nawiewników, ich umieszczenia i sposobu przygotowania powietrza.
Sprawa utrzymania warunków komfortu w pomieszczeniach klimatyzowanych w dużym stopniu jednak ogranicza nas w doborze temperatury powietrza nawiewanego. Nawiewanie powietrza zbyt zimnego jest ryzykowne ze względu na osoby przebywające w pomieszczeniu, jak i z obawy przed wywołaniem przeciągów przy niewłaściwym usytuowaniu wylotów nawiewnych i wywiewnych. Można jednak przyjąć jako zasadę, że powietrze nawiewane przez wentylatory może być tym zimniejsze, im wyloty nawiewne są umieszczone dalej i wyżej od strefy przebywania ludzi.

Obliczanie ilości powietrza wentylacyjnego na podstawie zanieczyszczeń gazowych występujących w pomieszczeniu

Jeżeli głównym zadaniem wentylacji ogólnej jest usuwanie szkodliwych zanieczyszczeń w postaci gazów i par poprzez wentylator lub inne urządzenie wentylacyjne wówczas ilość powietrza wentylacyjnego może być określona z odpowiednich zależności.
Mniejsze zapotrzebowanie powietrza wentylacyjnego można uzyskać drogą ograniczenia ilości wydzielanych zanieczyszczeń przez zastosowanie hermetyzacji procesów produkcyjnych i zapewnienie czystości pobieranego powietrza zewnętrznego przez właściwe usytuowanie czerpni.
O ile powietrze zewnętrzne nie jest zanieczyszczone, zdolność asymilacji powietrza nawiewanego nie zmienia się w ciągu roku, tak że zapotrzebowanie powietrza wentylacyjnego jest zawsze stałe. Dużą rolę przy określaniu wymaganej ilości powietrza odgrywa właściwy wybór wielkości współczynnika korygującego.
Ze względu na szkodliwość wydzielanych zanieczyszczeń ważne jest, żeby w żadnym miejscu strefy pracy koncentracja nie była większa od dopuszczalnej. Jeżeli przy równomiernym przepływie powietrza przez pomieszczenie, zanieczyszczenia wydzielają się w sposób nierównomierny, oznacza to, że ta sama jednostkowa ilość powietrza w różnych punktach pomieszczenia może wchłonąć różne ilości zanieczyszczeń. W związku z tym w niektórych miejscach uzyska się końcową koncentrację wyższą od dopuszczalnej, w innych niższą, mimo że średnia wartość koncentracji będzie zgodna z projektowaną. Przyjęcie współczynnika y większego od 1 oznacza takie zwiększenie ilości powietrza nawiewanego, przy równomiernym jego rozdziale, żeby w żądanym punkcie pomieszczenia koncentracja nie przekroczyła dopuszczalnej. Przyjmowanie dla całego pomieszczenia równomiernego rozdziału powietrza oraz maksymalnej wartości współczynnika prowadzi do nieefektywnego zwiększenia ilości powietrza. W związku z tym należy tam, gdzie to jest możliwe, stosować strefowy nawiew powietrza o zróżnicowanej wydajności w stosunku do 1 m2 podłogi i usuwać powietrze możliwie blisko źródeł powstawania zanieczyszczeń. Przy zanieczyszczeniach bardzo szkodliwych dla zdrowia nie należy stosować wentylacji ogólnej.
Przy jednoczesnym występowaniu kilku par i gazów, z wyjątkiem rozpuszczalników i gazów drażniących, należy obliczyć ilość powietrza wentylacyjnego dla każdego z nich i przyjąć do projektu wartość maksymalną.
W przypadku jednoczesnego wydzielania się par kilku rozpuszczalników, jak aceton, alkohol, estry kwasu octowego i inne, oraz takich gazów drażniących, jak bezwodnik kwasu siarkowego, chlorowodoru, fluorowodoru i inne lub też tlenków azotu z tlenkami węgla, obliczanie ilości powietrza wentylacyjnego musi być wykonane drogą zsumowania ilości powietrza potrzebnego dla każdego rodzaju wymienionego zanieczyszczenia oddzielnie.

Obliczanie ilości powietrza wentylacyjnego w zależności od ilości powietrza przypadającego na jedną osobę

W pomieszczeniach użyteczności publicznej, w których głównym źródłem zmiany stanu powietrza jest człowiek i nie są uwzględniane zyski ciepła od nasłonecznienia oraz o ile nie występują inne źródła zanieczyszczenia, można obliczyć ilość powietrza wentylacyjnego opierając się na liczbie osób przebywających w pomieszczeniu.

Obliczanie ilości powietrza wentylacyjnego w oparciu o krotność wymiany powietrza

Jeżeli niemożliwe jest ustalenie ilości wydzielających się zanieczyszczeń, lecz znany jest ich rodzaj i jakość, dopuszczalne jest obliczanie ilości powietrza wentylacyjnego na podstawie krotności wymiany. Krotność wymiany jest to stosunek powietrza wentylacyjnego do wewnętrznej kubatury pomieszczenia. Należy zaznaczyć, że obliczając ilość powietrza wentylacyjnego według krotności wymiany, należy ustosunkowywać się bardzo krytycznie do podanych w literaturze wartości.
Przede wszystkim należy zwrócić uwagę na warunki wydzielania się zanieczyszczeń i sposób rozwiązania wentylacji nawiewnej i wywiewnej. Następnie konieczne jest przy wyborze krotności wymiany zwrócenie uwagi na wymiary pomieszczenia, a szczególnie na jego wysokość, od której zależna jest kubatura (rozróżnia się wysokość normalną, mniejszą lub większą od normalnej). Tylko po wszechstronnej analizie możliwe jest ustalenie prawidłowej wartości krotności wymiany. Dla pomieszczeń o kubaturze ok. 5000 m3 i wysokości do 5 m, przy wydzielaniu się gazów i par nieszkodliwych dla zdrowia, krotność wymiany nie może być mniejsza niż 5/h Natomiast przy wydzielaniu się gazów i par szkodliwych dla zdrowia, krotność wymiany nie może być mniejsza niż 10 - 12/h W pomieszczeniach niskich do 4 m i małych, z aparaturą będącą pod znacznym ciśnieniem (np. pompy) krotność wymiany nie może być mniejsza niż 20/h.
Stopień trudności projektowania rozdziału powietrza wentylacyjnego w pomieszczeniu wskazuje nam wynikowa krotność wymiany. Przy 3 - 5/h — nie występują trudności przy opracowywaniu rozdziału powietrza. Układ wylotów nawiewnych i dobór ich rodzaju powinny zapewnić równomierne przewietrzenie pomieszczenia. Przy 5/h - dobierając rodzaj nawiewników i rozmieszczając je, należy zwracać uwagę na ich właściwe usytuowanie. Konstrukcja nawiewników powinna zapewnić odpowiedni stopień indukcji i rozproszenia. Przy większym od 10/h - uzyskanie właściwego rozdziału powietrza będzie wymagało bardzo starannego obliczenia strumienia powietrza i właściwej koncepcji doboru nawiewników i ich usytuowania.