Wspomaganie pracy wentylacji grawitacyjnej metodami kinetycznymi jest konieczne dla osiągnięcia prawidłowych warunków działania tej wentylacji w ściśle określonych sytuacjach.


Wprowadzenie urządzeń wspomagających
ruch powietrza (metodami
kinetycznymi) musi być poprzedzone
szczegółowym rozpoznaniem warunków
działania układów wentylacji
na drodze analizy przewidywanych,
ściśle określonych przepływów strumieni
powietrza i konstrukcji przewodów
w całym obiekcie. Należy
przy tym uwzględnić występujące
różne warianty ich wyposażenia
technicznego, różnych stanów atmosferycznych
powietrza zewnętrznego
i innych uwarunkowań mających
wpływ na jej działanie.
Mechanizmem napędowym grawitacyjnego
ruchu powietrza w kanale
jest ciśnienie grawitacyjne wywołane
różnicą gęstości powietrza zewnętrznego Υo
i gęstości powietrza znajdującego
się w kanale wentylacyjnym Υw.
Czym większa różnica gęstości powietrza
i czym większy tzw. słup ciepłego
powietrza (różnica wysokości
między wlotem a wylotem H, to ciśnienie
grawitacyjne jest większe i rośnie
zdolność przewodu do odprowadzenia
zużytego powietrza z pomieszczenia
(tzn. ciąg kominowy jest większy).
Siła napędowa w stanie ustalonym
równoważona jest oporami przepływu.
Dla prostych pionowych kanałów wentylacyjnych opory miejscowe,
czyli strata wlotowa i wylotowa jest na
tym samym poziomie i całkowity opór
jest zależny wyłącznie od długości kanału,
powierzchni przekroju i jego
chropowatości. Czym większa różnica
wysokości między wlotem i wylotem
to ciśnienie jest większe i tym samym
większy strumień powietrza usuwanego
z pomieszczenia. Siła napędowa
grawitacji maleje proporcjonalnie ze
zmniejszaniem się długości kanału.
Tym samym maleje zdolność kanału
do usuwania zużytego powietrza z pomieszczenia,
które ten kanał obsługuje.
Dla krótkich kanałów grawitacyjnych
o małym przekroju poprzecznym
jego zdolność wentylacyjna może
być niewystarczająca i w praktyce inżynierskiej zachodzi konieczność rozważenia sytuacji zastosowania rozwiązań
technicznych wspomagających
wentylację grawitacyjną urządzeniami
kinetycznymi w postaci specjalnie
skonstruowanych nasad kominowych
czy też ostatecznie wentylatorów
wspomagających.
Stan ustalony przepływu powietrza
dla niezmiennych parametrów fizycznych
jest najłatwiejszy do analizy i
służy jako narzędzie inżynierskie do
wymiarowania wentylacji. Dla stanu
rzeczywistego eksploatacji mamy do
czynienia z występującą dynamiką
procesu przepływu i wielkość przepływu
powietrza w określonych przedziałach czasowych jest również funkcją
zmiennych wchodzących w skład zakłóceń
i zaburzeń procesu ustalonego.
Do czynników i zjawisk powodujących
odejście od realizacji procesów
ustalonych jest:
- brak trwałej stabilności atmosfery
w okresach dobowych i sezonowych,
którego skutkiem jest wywoływanie
ruchu pionowego wstecznego w kanale
(inwersję) i ruch poziomy mas powietrza
wywołujący zmienne warunki
wietrzności przez wzmożenie naporu
dynamicznego na kanały wentylacyjne
usytuowane po stronie nawietrznej
lub powodujący zjawisko odsysania
podciśnieniowego przez zamianę ciśnienia
statycznego na ciśnienie dynamiczne
z obniżeniem ciśnienia statycznego
po stronie zawietrznej podczas
omywania budynku;
- postępujący, narastająco sukcesywnie
w trakcie eksploatacji obiektu -
nieskompensowany odpowiednimi
rozwiązaniami technicznymi - proces
hermetyzacji pomieszczeń i mieszkań,
wyrażający się wzrostem oporów
hydraulicznych w swobodnym przepływie
powietrza w ciągu grawitacyjnym
tworząc niewłaściwy podwyższony poziom podciśnienia powietrza
w wentylowanym pomieszczeniu
czyli u wlotu do kanału.
Inwersja w atmosferze występuje
wówczas gdy wraz z wysokością wzrasta
temperatura powietrza i mamy zastój
w ruchu pionowym mas powietrza,
a inwersja na obiekcie budowlanym
- przejawia się jako ruch wsteczny
powietrza w kanałach grawitacyjnych
powodujących napływ powietrza
z przewodu wentylacyjnego grawitacyjnego
zamiast realizacji zakładanego
odsysania powietrza z pomieszczenia
na zewnątrz. Do zjawiska tego dochodzi
wówczas gdy gęstość powietrza zewnętrznego Υo jest mniejsza od gęstości
powietrza w pomieszczeniach i kanale
grawitacyjnym Υw, zjawiska zachodzącego
głównie w okresie letnim dla
temperatur powietrza zewnętrznego
wyższych od temperatur powietrza w
pomieszczeniach. Ruch wsteczny w
kanale pojawia się również wówczas
gdy ciąg grawitacyjny jest niższy co do
wartości bezwzględnej od ciśnienia
statycznego u wylotu kanału grawitacyjnego
wywołanego naporem wiatru
dla kanałów z wylotem usytuowanym
poniżej poziomu kalenicy dachu budynku
od strony nawietrznej lub poprzez
intensywne działanie urządzeń
wyposażenia technicznego wyciągającego
powietrze z pomieszczenia,
(wentylatory wyciągowe, kuchenki gazowe
piecyki grzewcze c.w.u. i centralnego
ogrzewania) przy braku lub
źle działających układach nawiewnych
kompensacyjnych dla tych urządzeń.
Wzrost hermetyczności - mieszkania
i jego poszczególnych pomieszczeń
prowadzi do ograniczenia ruchu
grawitacyjnego powietrza w kanałach
doprowadzając nawet w skrajnych
przypadkach do jego całkowitego zaniku.
W tym przypadku jedynie korzystnym
zjawiskiem jest pojawienie
się wymiany powietrza w wyniku narastającego
zjawiska pompowania powietrza
z pomieszczenia i do pomieszczenia
przez kanał wentylacyjny grawitacyjny
jako wynik otwierania i zamykania
wejściowych drzwi typu
uchylnego do pomieszczeń. Użytkowe
częste zamykanie i otwieranie drzwi
wzmaga przepływ powietrza w przyporządkowanym
mu kanale grawitacyjnym
i powoduje tym samym wzrost
wymiany powietrza w pomieszczeniu
o podniesionej hermetyczności.
Minimalna wysokość kanału grawitacyjnego
Praktycznie dla celów inżynierskich
jako punkt wyjściowy analizy,
można w sposób wystarczający szacunkowo
określić krańcowe warunki
i parametry fizyczne stosowania
przewodów grawitacyjnych nieuzbrojonych,
uwarunkowanych jako obowiązek
do stosowania w obiektach
mieszkaniowych przepisami prawa
budowlanego i warunków technicznych
jakim powinny odpowiadać budynki
i ich usytuowanie.
Minimalną wysokość pionowego
kanału wentylacyjnego grawitacyjnego
nieuzbrojonego można określić po
przekształceniu z zależności na wartość
ciśnienia grawitacyjnego lub
tzw. ciągu kominowego
Hmin >= os/(Υo - Υw) [1], gdzie:
Hmin - minimalna długość kanału
PSs - miarodajna wartość ciśnienia
grawitacyjnego równoważona stratami
na przepływie
Υo - gęstość powietrza w otoczeniu
Υo = 1,2 kG/m3 dla tz = 20°C
Υw - gęstość powietrza wywiewanego
Υw = 1,17 kG/m3 dla tw = 24°C.
Natomiast straty ciśnienia na
przepływie w tym kanale można wyliczyć
z zależności, wychodząc z wystarczającą
dokładnością z założenia,
że opory miejscowe stanowią 1/3 całkowitych oporów przepływu:
Ps = 3 * Σζ * (vmaxm³ * Υw/2g) [2]
Dla celów inżynierskich można
przyjąć, że:
Σζ = 2,5 - przeciętny współczynnik
strat ciśnienia uwzględniający
stratę wlotową i wylotową
Υw = 1,17 kG/m³ - gęstość powietrza
wywiewanego dla tw=24°C
vmax= 0,5 m/s - miarodajna prędkość
przepływu powietrza w kanale
g= 9,81 m/m³ - przyśpieszenie
ziemskie.
Dla tych wartości otrzymujemy następujący poziom strat na przepływie
Ps = 3 * 2,5 * (0,52 * 1,17/2 * 9,81) = 0,112 kG/m2
Wstawiając wyznaczoną z wzoru
[2] wartość strat ciśnienia do wzoru
[1] na minimalną długość kanału grawitacyjnego
otrzymujemy:
Hmin >= 0,112/(1,2 - 1,17) = 3,73 m
Oznacza to, że praktyczna minimalna
długość kanału pracującego jako
grawitacyjny dla warunków termicznych
i gęstości powietrza normalnych
nie może być mniejsza od
około 4 m. Warunki takie dla pomieszczeń
ostatniej kondygnacji występują jedynie w budynkach ze stromymi
dachami i wysokim poddaszem
lecz nie występują w budynkach o dachach płaskich ze stropodachami.
Z warunku tego wynika również fakt, że każdy kanał dłuższy od wyznaczonej
minimalnej długości będzie pracował
w sposób prawidłowy jako kanał
grawitacyjny i stosowanie na tych
kanałach wspomagających urządzeń
kinetycznych wskazane jest wyłącznie
wówczas, gdy zachodzi obawa wystąpienia
znacznych zakłóceń w procesie
grawitacji, o których wcześniej
wspomniano - inwersja czy też nieskompensowany
rozwiązaniami technicznymi
wzrost hermetyczności
wentylowanych pomieszczeń itd.
W szczególności w wyżej opisanych
ustalonych warunkach, wydajność
nominalna kanału o wymiarach
14 x14 cm i minimalnej wysokości H = 4 m wynosi:
Vkmin= Fk * v = 0,14 x 0,14 x 0,5 = 36 m³/h
Oznacza to, że kanał murowany o
przekroju 14 x 14 cm i wysokości H=4 m w warunkach normalnego stanu
atmosfery zapewnia ca 2 krotną wymianę powietrza na godzinę dla pomieszczenia
o kubaturze 18 m³. W
stosowanym budownictwie mieszkaniowym
obiektów nowych niskometrażowych lub średniometrażowych,
warunek ten dotyczy znaczącej części pomieszczeń kuchennych i łazienek.
Podwyższenie ilości wymian
można uzyskać na drodze wzrostu
wysokości kanału grawitacyjnego lub
wzrostu powierzchni jego przekroju
poprzecznego lub zastosowania urządzeń
wspomagających kinetycznych.
Urządzenia wspomagające grawitację
W sytuacji gdy na obiekcie budowlanym
występują rozwiązania przewodów
wentylacyjnych działających
wyłącznie w oparciu o mechanizm
wyporu grawitacyjnego a długości
tych przewodów są na granicy minimalnej
wysokości kanału Hmin lub
wyloty kanałów są usytuowane w takich
miejscach w odniesieniu do sąsiadujących
obiektów i przeszkód terenowych,
że z dużym prawdopodobieństwem
wystąpią zakłócenia w
działaniu ciągu grawitacyjnego należy zastosować urządzenia wspomagania
ciągu grawitacyjnego w postaci
nasad kominowych kinetycznych lub
wentylatorów mechanicznych u wlotu
do kanału w postaci wentylatorów
ściennych, u wylotu z kanału w postaci
wentylatorów dachowych lub w
środku kanału w postaci wentylatorów
kanałowych.
Zasadą działania stosowanych nasad
kinetycznych jest poprzez odpowiednie
konstrukcyjne ukształtowanie
odcinka wylotowego kanału wentylacyjnego
tak aby w wyniku działania
wiatru następowało obniżenie
wartości ciśnienia statycznego powietrza
omywającego wylot na ciśnienie
dynamiczne strugi powietrza
wylot kanału omywającej.
Rozróżnić należy trzy grupy urządzeń
nasad kinetycznych wiatrowych
wspomagających wentylację grawitacyjną:
- stacjonarne, do których należą wywietrzaki
dachowe i deflektory rurowe,
- rotacyjne obrotowe,
- rotacyjne strumieniowe.
Urządzenia stacjonarne - wywietrzaki
i deflektory rurowe wykorzystują
zasadę zwężki Venturiego zamieniając
w wartości ciśnienia całkowitego
powietrza u wylotu urządzenia
część jego ciśnienia statycznego
na ciśnienie dynamiczne strugi powietrza
omywającej nasadę. Analogiczne
zjawisko zachodzi w urządzeniach
rotacyjnych strumieniowych,
nastawianych samoczynnie kierunkowo
do wiejącego wiatru tak aby wylot
znajdował się zawsze po stronie zawietrznej.
Przyrost prędkości powietrza
na krawędzi bocznej nasady powoduje
wzrost ciśnienia dynamicznego
a tym samym obniżenie wartości
ciśnienia statycznego powietrza u
wylotu intensyfikując tym samym
ciąg kominowy w kanale wylotowym.
W przypadku urządzeń rotacyjnych
obrotowych mechanizmem wspomagającym
ciąg kominowy jest ruch obrotowy
wielopłaszczyznowej sferycznej
lub walcowej kocówki nasady,
której krawędzie płycin są tak
ukształtowane by po jednej stronie
rotora na kierunku napływu wiatru
ustawiona była krawędź ostra płyciny
a po przeciwnej stronie znajdowała
się krawędź gładka, co w konsekwencji
naporu wiatru wytwarza moment
obrotowy wprawiający w ruch wirowy
całą nasadę pracującą w efekcie jak
sferyczny czy też walcowy wirnik
wentylatora napędzanego wiatrem.
Cenną zaletą niektórych spotykanych
w sprzedaży nasadach tego typu jest
zabudowany na wałku elementu rotorowego
wirnik wentylatora osiowego
sprzężony na stałe z kopułą, który w
wyniku wspólnego z kopułą ruchu
obrotowego dodatkowo intensyfikuje
ruch powietrza w kanale wentylacyjnym
w kierunku jego wylotu.

Podsumowanie

Stosowanie nasad kominowych kinetycznych
i wentylatorów wyciągowych
w wentylacji grawitacyjnej na
konkretnym obiekcie musi być poprzedzone
szczegółową analizą układu
przewodów i analizą wyposażenia
technicznego zastosowanego w pomieszczeniach
obsługiwanych układem
wentylacji. Proces intensyfikacji
przewietrzania tych pomieszczeń
musi być tak zorganizowany aby nie
zakłócić prawidłowej pracy urządzeń
technicznych w tych pomieszczeniach
zainstalowanych, np. właściwego
odprowadzenia spalin z piecyków
gazowych z otwartą komorą spalania.
Właściwa praca nasad kinetycznych
wykorzystujących do intensyfikacji
energię wiatru jest uwarunkowana od
jego występowania a siła oddziaływania
zależy od prędkości wiatru. W czasie
ciszy i w warunkach inwersji atmosferycznej
możliwość wspomagania
wentylacji grawitacyjnej tymi nasadami
jest ograniczone z uwagi na brak siły napędowej czyli wiatru. Dla kanałów grawitacyjnych dłuższych od minimalnej
wymaganej długości kanału
Hmin zastosowana nasada spełnia rolę stabilizatora przepływu i w tym przypadku
nie należy oczekiwać korzyści z
tytułu spodziewanego wzrostu intensywności
przewietrzania pomieszczeń.
Szczególną uwagę należy zwrócić
na ograniczoną możliwość stosowania
w układach grawitacyjnych urządzeń
kinetycznych wspomagających w
postaci wentylatorów dachowych zabudowanych
na wylotach przewodów
grawitacyjnych w tych rozwiązaniach
gdzie w obsługiwanych przez nie pomieszczeniach
znajdują się urządzenia
gazowe z otwartą komorą spalania. Siła ciągu kanału wentylacyjnego wraz z
urządzeniem wspomagającym kinetycznym
nie może być większa od siły
ciągu kanału spalinowego tego urządzenia
by nie spowodować zawracania
spalin do pomieszczenia.
Autor: Jan Chochla
Źródło: INSTALATOR - Miesięcznik iIformacyjno-Techniczny nr 12 (112), grudzień 2007 www.instalator.pl