Wywietrzniki grawitacyjne i ich właściwy dobór dla poprawnej wentylacji naturalnej w budynkach

Do wentylacji pomieszczeń w budynkach mieszkalnych oraz pomieszczeń przemysłowych stosowane są nie tylko wentylatory ale również wywietrzniki, bez elementów wirujących. Ruch powietrza wewnątrz kanału grawitacyjnego zależny jest od dwóch czynników: różnicy temperatur pomiędzy pomieszczeniem wentylowanym a atmosferą oraz od siły wiatru, który opływając wywietrznik wytwarza w nim podciśnienie.

Efektywnym wykorzystaniem siły wiatru w wywietrznikach, zajęliśmy się badając typoszereg naszych produktów, posiłkując się (z braku występowania polskiego odpowiednika) francuską normą P50-413 pt. „Przewody wentylacji naturalnej i przewody dymowe”.
W zależności od prędkości i kąta padania wiatru, wywietrznik wytwarza większe lub mniejsze podciśnienie. To podciśnienie warunkuje ilość przepływającego powietrza przez wywietrznik, a tym samym ilość odciąganego powietrza z instalacji (pomieszczenia). Na ilość odciąganego powietrza przez wywietrznik ma wpływ również jego własny opór, przedstawiany za pomocą współczynnika „ ”. W zależności od prędkości czynnika odciąganego w kanale podciśnienie wywietrznika się zmienia. Im wyższa prędkość tym podciśnienie mniejsze i ilość odciąganego powietrzna mniejsza. Istnieją zatem trzy podstawowe parametry charakteryzujące wywietrznik:
• wielkość podciśnienia w zależności od prędkości wiatru;
• wielkość współczynnika oporu;
• wielkość podciśnienia w zależności od prędkości czynnika w kanale i prędkości wiatru.
Te trzy parametry charakteryzuje, definiuje i określa sposób pomiaru cytowana wcześniej norma Współczynnikiem Cb norma określa stosunek podciśnienia wywietrznika, bez przepływu w kanale, do ciśnienia dynamicznego wiatru, współczynnikiem - określa stosunek straty ciśnienia wywietrznika do ciśnienia dynamicznego przepływającego czynnika w kanale, a współczynnikiem Cw – określa stosunek podciśnienia wywietrznika, przy przepływie w kanale do ciśnienia dynamicznego wiatru. Za pomocą tych parametrów można porównywać między sobą wywietrzniki. Im wartość Cb i Cw są wyższe, a jest mniejsze, tym wywietrznik jest lepszy. W tym istotne jest, aby krzywa Cw w funkcji prędkości w kanale była płaska, co zapewnia w miarę wysokie podciśnienie wywietrznika przy większej prędkości w kanale, co w konsekwencji powoduje większą wydajność odciąganego powietrza. Współczynnik Cb przedstawia się w funkcji kąta padania wiatru od –60o do +60o. Wartości współczynnika Cw przedstawia się przy kącie padania wiatru - 0o.

Opis badań i wyniki
Zaprojektowaliśmy i wykonaliśmy stanowisko do badania wywietrzników, w którym do symulacji ruchu powietrza zastosowano wentylator promieniowy z tyrystorową regulacją obrotów, co umożliwia płynną regulację prędkości wiatru w kanale symulacyjnym. Celem wyrównania strugi w kanale zabudowano dwie kratki wyrównawcze, a na wylocie zastosowano dyszę zwężającą. Na tej dyszy rozpięto siatkę z cienkiego drutu, dla ułatwienia dokładnego sondowania rozkładu prędkości na całym przekroju. Celem badania podciśnienia wywietrznika z przepływem w kanale i wietrze omywającym wywietrznik oraz strat wywietrznika, zbudowano kanał pomocniczy z wentylatorem nadmuchowym, który również posiadał płynną regulację obrotów. Za pomocą tego wentylatora nadmuchiwano powietrze do wywietrznika i mierzono wielkość podciśnienia, przy zerowym ustawieniu wywietrznika do wektora prędkości wiatru oraz mierzono straty wywietrznika przy „wyłączonym” wietrze. Prędkości w kanale mierzono sondując ciśnienia za pomocą rurki Prandtl’a, a wielkości podciśnień odczytywano z otworów impulsowych wykonanych w kanale i podłączonych do zbiornika wyrównawczego. Do odczytu ciśnień stosowano mikromanometr bateryjny. Parametry otoczenia mierzono elektronicznym termometrem i higroskopem. Ciśnienie otoczenia mierzono barometrem. Zmierzone wartości zostały przeliczone, w opracowanym specjalnie programem komputerowym, na wartości porównawcze Cb, Cw i . W oparciu o te wartości opracowano zależności Cb=f(kąta wiatru) i Cw=f(prędkości w kanale).

Sposób obliczenia podciśnienia wywietrznika
Dane:
• prędkość wiatru
• prędkość w kanale kominowym
• średnica kanału
Obliczenia:
Do średnicy kanału należy wybrać typ wywietrznika. Następnie dla założonej prędkości wiatru i prędkości w kanale należy wykonać następujące obliczenia:
Z wykresu Cw=f(ck) dla założonej prędkości Ck należy odczytać wartość Cw. Podciśnienie wytwarzane przez wywietrznik wylicza się następująco:

Pwst = Cw x ρ w²/2
gdzie:
w – prędkość wiatru
ρ - gęstość powietrza
Ck - prędkość w kanale
Jeżeli wyliczone podciśnienie jest niewystarczające do pokonania oporów instalacji to należy przyjąć inny typ wywietrznika lub zmienić wymiary instalacji i ponownie wykonać obliczenia. Współczynnik strat wywietrznika „ w” podano dla poszczególnych wywietrzników na wykresach.
Wykres Cb = f(kąta padania wiatru) informuje w jakim zakresie zmienia się podciśnienie wywietrznika od kierunku wiatru. Wartości ujemne kątów na wykresie odnoszą się do ustawienia wywietrznika pod wiatr, a dodatnie kąty odnoszą się do ustawienia wywietrznika za wiatrem. Wartość tego podciśnienia oblicza się następująco:

Pbst = Cb x ρ w²/2

Gdzie: wartość Cb odczytuje się z wykresów dla przyjętego kąta padanie wiatru na wywietrznik.


Znając wartość współczynnika oporu oraz powyższe zależności opracowano w firmie UNIWERSAL program obliczeń i doboru wywietrzników.
Mając do dyspozycji stanowisko oraz programy obliczeniowe, zbadano wszystkie produkowane w przez nas wywietrzniki od wielkości ø100 do ø400. Wyniki zostały opracowane w postaci tabelarycznej oraz w postaci wykresów i zebrane w programie obliczeń i doboru wywietrzników. Program ten umożliwia dobór wywietrznika i obliczenie ilości odciąganego powietrza dla typowych instalacji mieszkalnych i przemysłowych. Pozwala również ocenić efektywność odciąganego czynnika przez poszczególne wywietrzniki. Wykresy na rysunkach przedstawiają dla przykładowych instalacji ilości odciąganego powietrza przez poszczególne wywietrzniki. Przedstawiają one przykłady obliczeń dla budynku 5-cio kondygnacyjnego, dla 3-kondygnacyjnego i dla wyciągu z hali. Jak z tych przykładów wynika poszczególne typy wywietrzników odciągają różne ilości powietrza. Jednak każdy z nich, pomimo zróżnicowania efektów odciągowych, znajduje zastosowanie ze względu na inną konstrukcję i inne możliwości zastosowania. Z wykresów wynika również to, że zastosowanie większych kratek umożliwia odciąganie większych ilości powietrza. Przy stosowaniu przewodów indywidualnych, jak przewiduje zmiana A1 do normy PN-B-03430:1983, należy stosować przekroje kratek równe w przybliżeniu przekrojowi przewodu kominowego.


Zdajemy sobie sprawę, że tak szeroki materiał badawczy nie w sposób streścić w postaci zwięzłego artykułu technicznego, dlatego wszystkich zainteresowanych tematem prosimy o kontakt celem uzyskania pełniejszych informacji, w których postaramy się wyczerpująco odpowiadać na wszystkie nasuwające się pytania.

Autorzy:
dr inż. Justyn Polok
mgr inż. Andrzej Wajsprych
mgr inż. Krzysztof Nowak
UNIWERSAL Sp z o.o.