Klimatyzacja audytoriów i sal widowiskowych (na przykładzie audytorium Politechniki Gdańskiej)

1. Wprowadzenie Użytkowanie dużych audytoriów czy aren widowiskowych jest tak stare jak ludzkość i kultura. W starożytności były to głównie amfiteatry, w których widzowie jak byśmy to dziś powiedzieli byli uzależnieni w zakresie komfortu cieplno-wilgotnościowego wyłącznie od aury. Gwałtowna urbanizacja miast oraz rozwój architektury, kultury, sportów halowych postawiły ludzkość przed koniecznością rozwiązywania nieznanych dotąd problemów technicznych. Duże zagęszczenie osób w budynkach bez okien, uprowadzenie wysokich standardów życia, masowość imprez, spowodowały, że niezbędnym elementem, instalacji większości obiektów stała się wentylacji mechaniczna i klimatyzacja.

2. Specyfika klimatyzacji sal audytoryjnych
Specyfika klimatyzacji sal widowiskowych i audytoryjnych polega na tym, że:
• istnieje bardzo duże zagęszczenie ludzi na 7m2,
• występuje duża emisja zysków wewnętrznych przy małych zewnętrznych,
• widownia rozmieszczona jest amfiteatralnie,
• bardzo często istnieją duże wymagania odnośnie niskiego poziomu hałasu.
Dla skutecznego działania klimatyzacji i wentylacji tych pomieszczeń najważniejsze są: ilość świeżego powietrza częstotliwość wymiany, sposób rozdziału powietrza oraz jego temperatura i prędkość powietrza.
Aby zapewnić w strefie przebywania ludzi odpowiednią czystość i odczuwaną korzystnie temperaturę powietrza, należy mieć możność oddziaływania za pośrednictwem urządzeń klimatyzacyjnych na rozkład parametrów powietrza w przestrzeni pomieszczenia. Rozkład ten związany jest z ruchami powietrza w pomieszczeniu, wywołanymi nie tylko działaniem urządzeń wentylacyjnych, ale również lokalnymi wpływami źródeł ciepła, chłodnych powierzchni przegród, infiltracją powietrza zewnętrznego itd. Jednak rola urządzeń klimatyzacyjnych musi być tu dominująca.
3. Dotychczasowe tendencje w klimatyzacji sal widowiskowych
Klasyczne rozwiązanie klimatyzacji tych sal przedstawiono poniżej.
Ze względu na znaczną odległość centrali nawiewnej i wentylatora wyciągowego nie stosowano zwykle odzysku ciepła, a dla oszczędności energii wykorzystywano recyrkulację. System oparty był o strumieniowy nawiew powietrza za pomocą dysz usytuowanych pod stropem z przedniej ścianie sali nad otworem sceny. Wyciąg następował głównie w stopniach amfiteatru oraz częściowo w stropie.
Schemat instalacji przedstawiono na rys. 1
Badania modelowe wentylacji audytorów (warunków cieplnych i rozdziału powietrza) oraz pomiary w zrealizowanych obiektach (1) pozwalają stwierdzić, że:


• nie uzyskano zamierzonego rozdziała powietrza,
• strumienie powietrza nawiewanego nie dochodziły bezpośrednio do strefy przebywania ludzi,
• istniał duży gradient temperatur pomiędzy niskimi i wysokimi rzędami.
4. Klimatyzacja audytoriów i sal widowiskowych
Czołowe firmy europejskie produkujące elementy dystrybucji powietrza jak TROX, KRANTZ,SCHAKO, PANOL zaczęły lansować nowy sposób klimatyzacji i produkować elementy dla sal widowiskowych do systemu nawiewu dolnego. Podstawowa cecha tego systemu polega na nawiewaniu klimatyzowanego powietrza bezpośrednio w strefę przebywania ludzi. Zalety takiej dystrybucji powietrza są oczywiste. Powietrze docierające do ludzi to świeże powietrze zewnętrzne, w odróżnieniu od powietrza w systemie nawiewu górnego, które zapina dotrze do strefy ludzi, ulega mieszaniec z powietrzem wewnętrznym. Druga podstawowa zaleta polega na niewrażliwości strumienia nawiewanego powietrza na zakłócenia wynikające z prądów konwekcyjnych, jakie powstają nad siedzącymi ludźmi. Te silne prądy konwekcyjne powodują niemożliwe do przewidzenia zakłócenia przepływu przy nawiewie górnym. Jest to szczególnie zauważalne przy pracy w trybie ogrzewania, gdy prądy konwekcyjne odchylają strumień powietrza ku górze, powodując niedogrzanie dolnych partii sali z jednoczesnym przegrzaniem strefy górnej. Przy nawiewie dolnym, różnica temperatur pomiędzy powietrzem wewnętrznym a nawiewanym jest znacznie mniejsza, stąd też strumień powietrza jest stabilny z minimalnym odchyleniem. Jednak nawiew dolny wymaga bardzo starannego doboru nawiewników, co wynika z faktu, że są one zamontowane w odległości kilkudziesięciu centymetrów od ludzi. Praktycznie jedynie nawiewniki z silnie zawirowanym strumieniem zapewniają wysoką indukcję powietrza i szybki zanik gradientu temperatury.
W celu przybliżenia aktualnych tendencji w klimatyzacji sal widowiskowych zostanie omówiona realizacja instalacji w budynku byłej kotłowni Politechniki Gdańskiej adaptowanej na audytorium NOVUM.
Głównym pomieszczeniem zlokalizowanym na I piętrze jest sala audytorium mieszcząca ok. 470 osób.
Sala audytorium posiadaszczególną charakterystykę obciążenia cieplnego, w niedużym stopniu zależną od parametrów termicznych powietrza zewnętrznego. Wynika to z faktu, że podstawowe zyski ciepła pochodzą od przebywających w sali ludzi, a zyski od nasłonecznienia i temperatury zewnętrznej ze względu na brak okien są bardzo małe.
W związku z tym również w okresie zimowym przy pełnym obciążeniu audytorium istnieje konieczność odprowadzania zysków ciepła i nawiewania powietrza o temperaturze niższej niż panująca w sali. W okresie zimowym przy częściowym zapełnieniu sali istnieje z kolei konieczność dogrzewania sali nawiewanym powietrzem.
W związku z powyższym zaprojektowano układ klimatyzacji centralnej z ogrzewaniem powietrznym o symbolu 1K/IW. Projekt branżowy powstał w firmie KLIMASTER s.c. przy współpracy z pracownią architektoniczną ANKO. Podstawowy układ to zblokowany zespół nawiewno-wyciągowy z regeneratorem ciepła. Ze względu na dużą ilość powietrza nawiewanego i konieczność oszczędności energii cieplnej i chłodniczej przewidziano regenerator obrotowy o wysokiej sprawności odzysku ciepła.
Również ze względu na oszczędność energii elektrycznej do napędu zaprojektowano dwubiegowe silniki elektryczne wentylatorów, co w okresie zmniejszonego obciążenia audytorium pozwala na pracę central klimatyzacyjnych ze zredukowaną wydajnością.
Nawilżanie powietrza w okresie zimowym zapewnia elektryczna wytwornica pary.
W okresie postoju klimatyzacji, temperatura dyżurna w sali utrzymywana jest poprzez instalację ogrzewania konwekcyjnego. Taki system powoduje, że nie istnieje konieczność pracy ogrzewania powietrznego w okresie przerwy w użytkowaniu audytorium a uzyskanie temperatury komfortu cieplnego dla ludzi po włączeniu klimatyzacji następuje bardzo szybko.
Ze względu na bardzo dużą wysokość audytorium i trudności z uzyskaniem równomiernego rozkładu temperatur w strefie przebywania ludzi przy chłodzeniu i ogrzewaniu powietrznym zaprojektowano nawiew powietrza poprzez specjalne nawiewniki podłogowe a wyciąg wywiewnikami pod stropem pomieszczenia, co znacznie ogranicza emisję ciepła od oświetlenia elektrycznego.
Nawiewniki podłogowe z wirowym kierunkiem wypływu powietrza charakteryzują się znacznym stopniem indukcji powietrza i równomiernym rozkładem temperatury w strefie przebywania ludzi. Są one zamontowane w posadzce pod fotelami. Pod posadzką wykonano ciśnieniową komorę rozprężną, do której doprowadza się powietrze klimatyzowane. Dla sceny przewidziano nawiewniki dyszowe umieszczone pod sufitem i kierujące świeże powietrze bezpośrednio w ten rejon.
Gorąca woda do nagrzewnic powietrza dostarczana jest z centralnego węzła cieplnego. Chłodzenie powietrza w układzie centralnym IK odbywa się z agregatu skraplającego posadowionego na dachu.
Maszynownia klimatyzacyjna zlokalizowana jest nad ll piętrem w wydzielonym pomieszczeniu.
Centrale nawiewna-wyciągowe produkcji VBW CLIMA ENGINEERING przygotowujące klimatyzowane powietrze dla sali i pozostałych pomieszczeń posiadają bloki: recyrkulacji, filtracji, odzysku ciepła, nagrzewania, ochładzania i nawilżania (IK) oraz przetłaczania powietrza.
Wszystkie układy posiadają mikroprocesorowe systemy automatycznej regulacji i sterowania.
Poniżej przedstawiono podstawowe wskaźniki techniczne dla zespołu IK/IW:
• ilość powietrza dla sali 30 310 m3/h,
• ilość powietrza dla sceny 7 5 4 0 m 3 / h ,
• wydajność chłodnicy centrali 284 kW,
• wydajność nagrzewnicy centrali 145 kW,
• jednostkowa ilość powietrza świeżego 80 m3 / h l osobę.
Schemat układu klimatyzacji audytorium przedstawiono na rys. 2
5. Wnioski z eksploatacji układu klimatyzacji
Zaprojektowana instalacji klimatyzacyjna została zrealizowana w czerwca 1999 roku. Przebieg montażu przebiegał z pewnymi trudnościami wynikającymi z charakteru modernizowanego obiektu, którym była nieczynna kotłownia. Względy konstrukcyjne spowodowały, że pewne istotne fragmenty instalacji kanałowej musiały być wykonane nie całkiem zgodnie z wymaganiami projektowymi. Nie miało to wpływu na samą zasadę działania systemu dolnego nawiewu powietrza, jednak spowodowało podniesienie ogólnego poziomu dźwięku w sali przy pracy klimatyzacji z maksymalną wydajnością. W rezultacie na wysokim biegu poziom hałasu w sali kształtuje się na poziomie ok. 39 db(A) a przy pracy na biegu niskim wynosi 31 dB(A).
Przy eksploatacji sali z częściowym zapełnieniem instalacja pracuje na obniżonej wydajności, co rzecz jasna przynosi wymierne oszczędności w zużyciu energii. Przy pełnej obsadzie sali i wysokiej temperaturze zewnętrznej, jaka występowała w miesiącu czerwcu i lipcu, instalacja pracowała z pełną wydajnością, bez problemów osiągając wewnętrzną temperaturę nawet 22°C.
Bardzo wysoka jednostkowa ilość powietrza zewnętrznego oraz jego dystrybucja bezpośrednio w strefę przebywania ludzi, daje odczucie wyjątkowej świeżości powietrza.
Ze względu na dużą globalną ilość powietrza, bezwładność cieplna pomieszczenia jest bardzo mała, co pozwala w bardzo krótkim czasie ochłodzić lub ogrzać salę po okresie przerwy w użytkowaniu.
Źródła:
1. Nowa technika w inżynierii sanitarnej. Zeszyt 6. Ogrzewanie i wentylacja. Projektowanie wentylacji audytoriów i sal widowiskowych . ARKADY 1976.
2. Poradnik Recknagel, Sprenger. EWFE 1994.
3. Materiały techniczne firm 7ROX i SCHAKO.
4. Materiały archiwalne,firmy KLIMASTER s.c.
5. Materiały techniczne VBW Clima Engineering
Jerzy Bystrzyński, Tomasz Mróz „Klimaster” Gdańsk