wentylacja i klimatyzacja - fluid.itcmp.pwr.wroc.plfluid.itcmp.pwr.wroc.pl/~kasper/klimatyzacja/wik...

materiały dla studentów | mgr inż. Bartosz Gil

WENTYLACJA I KLIMATYZACJA

Rok akademicki 2013/2014

Wentylacja i Klimatyzacja mgr inż. Bartosz Gil

1

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:

(gdy i );

b) Gęstość wody:

(gdy ) i

(gdy );

c) Ciśnienie barometryczne: .

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.


2

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.


3

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]

(I.6)

wg [2]

(I.7)

b) krzywa ciśnienia sublimacji:

wg [1]

(I.8)

wg [2]

(I.9)


4

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)


5

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)


6

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) [1].

Graficznie punkt charakteryzujący powietrze zmieszane (M) leży na prostej

łączącej punkty (1) i (2), a położenie punktu jest takie, że odcinek jest podzielony


7

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 [1].

Tab.1. Zestawienie zmian parametrów powietrza wilgotnego podczas jego ogrzewania.

Parametr Oznaczenie Zmiana

Temperatura (wg termometru suchego) ts 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


8

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) [1].

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


9

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)


10

Rys. 5. Ochładzanie powietrza bez wykraplania wilgoci [1].

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 [2].

Obszar I – nawilżanie i ogrzewanie powietrza – proces charakteryzuje się jednoczesnym

wzrostem temperatury, zawartości wilgoci i entalpii powietrza. Warunkiem jego


11

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


12

(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 [1].

W przypadku nawilżania powietrza parą przegrzaną uzyskuje się jednoczesne

ogrzewanie powietrza. Temperaturę końcową procesu można wyznaczyć ze wzoru

(II.16)


13

III. Bilansowanie układów klimatyzacyjnych i wentylacyjnych

I. Dobór obliczeniowych parametrów wewnętrznych.

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 [3]: tw = 23–26°C (okres letni, pobyt stały) i 20–22°C (okres

zimowy)

d) PN–78/B–03421 [3]: 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 [4] 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

[5].

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) [6]

b) PN–78/B–03421 [3]: 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 [2, tab. 3.18].

2. Wyznaczyć natężenie bezpośredniego promieniowania słonecznego Ib na płaszczyznę

prostopadłą do promieni słonecznych dla danego azymutu ao.


14

(III.1)

(A = 1085 W/m2; B = 0,207) [5, tab. 7.3]

3. Określić azymut słoneczny ściany aw [2, tab. 3.17].

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 [5, tab. 7.5] (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 [5, tab. 7.7]

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.6) (III.7)

III. 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):


15

(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 [2, tab. 3.7] (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 [5, rys.

7.17] (v = 0,2, Δτ = 10 h → tz = 18°C (godz. 5.00) [2, tab. 3.3])

Akumulacja ciepła w przegrodzie.

Wg VDI 2078 przegrody budowlane dzieli się na 4 kategorie w zależności od akumulacji

ciepła:

1. Typ I (bardzo lekki) – względna masa budowli m < 150 kg/m2

2. Typ II (lekki ) - m = 150–300 kg/m2

3. Typ III (średni ) - m = 300–500 kg/m2

4. 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]


16

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] [2, tab. 3.21] lub [5, tab. 7.14]

(qc = 193 W)

φ – współczynnik jednoczesności przebywania ludzi [2, tab. 3.20] (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]


17

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 [2].

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


18

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

] [2, tab. 3.2]

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

(III.19)

VI. 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.


19

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.


20

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.

Literatura:

[1] Sadłowska-Sałęga A., Radoń J., Podstawy termodynamiki, Nauka i Technika, Warszawa

2012.

[2] Pełech A., Wentylacja i Klimatyzacja – Podstawy, Oficyna Wyd. PWr, Wrocław 2008. [3] PN-B-03421:1978 - Wentylacja i klimatyzacja -- Parametry obliczeniowe powietrza

wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi. [4] Recknagel, Sprenger, Schramek, Kompendium wiedzy OGRZEWNICTWO,

KLIMATYZACJA, CIEPŁA WODA, CHŁODNICTWO 2008/2009, Omni-Scala 2008.

[5] Jones W.P., Klimatyzacja, Arkady, Warszawa 2001.

[6] Steimle F.: Kurs klimatyzacji. Arkady Warszawa 1979

wentylacja i klimatyzacja - fluid.itcmp.pwr.wroc.plfluid.itcmp.pwr.wroc.pl/~kasper/klimatyzacja/wik...

Documents