Stratifikační nebo směšovací ventilace?

Datum: 19.6.2017  |  Autor: Dipl. Ing. Jürgen Dorenburg  |  Organizace: Hoval spol. s r.o.  |  Firemní článek

Volba ventilačních a klimatizačních systémů pro výrobní haly s rozsáhlými tepelnými zátěžemi je vždy náročnou součástí plánování a projektování. Pokud jste projektant TZB, tento průvodce vám pomůže najít nejlepší řešení pro váš projekt.

Hoval spol. s r.o.
Republikánská 45
31204 Plzeň

tel.:+420 377 261 002
e-mail:
web:www.hoval.cz

Prvním úkolem je určit aktuální zátěž. Pokusy určit zatížení z připojených elektrických spotřebičů, mají často za následek výsledky, které jsou nejen nereálně vysoké, ale také sporné – v závislosti na konkrétní aplikaci. Až 86 % elektrické připojené zátěže může být rozptýleno do chladicího maziva a hoblin, které vznikají při mechanickém zpracování, takže není nutná žádná přímá ventilace.

Obvyklý způsob výpočtu tepelných výkonů uvažuje se směšovací ventilací (Obrázek 1). Požadovaný objem přiváděného vzduchu pro stanovenou celkovou tepelnou zátěž se určuje pomocí korelace.

Q = c · m · Δt
m = ρ · V

Proto pro požadovaný průtok přiváděného vzduchu platí následující: V ~ Q. Pokud se uvolňují znečišťující látky, použije se ke stanovení potřebného průtoku přiváděného vzduchu další výpočet, aby se zajistila shoda s požadovanou koncentrací MAK (maximum allowable concentration maximální přípustná koncentrace), ARW (workplace reference concentration referenční koncentrace na pracovišti) nebo TRK (technical standard concentration koncentrace podle technických norem).

Za hlavní faktor pro návrh se považuje to množství přiváděného vzduchu z obou výpočtů, které je vyšší. V praxi je to obvykle hodnota z výpočtu tepelného zatížení.

Obrázek 1: Směšovací ventilace s decentralizovanými střešními ventilačními jednotkami
Obrázek 1: Směšovací ventilace s decentralizovanými střešními ventilačními jednotkami
Obrázek 2: Stratifikační ventilace s decentralizovanými střešními ventilačními jednotkami
Obrázek 2: Stratifikační ventilace s decentralizovanými střešními ventilačními jednotkami

Je zřejmé, že přímá úměrnost mezi hodnotami V a Q pro vysoké vnitřní tepelné zátěže má rychle za následek velmi vysoké hodnoty objemu přiváděného vzduchu. To často znamená, že pro vysokou tepelnou zátěž je požadovaný přívod vzduchu neúnosně vysoký. Při dodržení rychlosti vzduchu v souladu s příslušnými pravidly a předpisy DIN 1946, ASR 5 a ZU 11 140 je velmi obtížné distribuovat požadovaný objem přiváděného vzduchu uvnitř haly. Otázkou je, zda bude účinnější upravený koncept pohybu vzduchu, který je popsán níže, nebo dodatečné opatření jiné než ventilace.

Stratifikační ventilace

Stratifikační ventilace je efektivní koncept proudění vzduchu, který funguje účinně na velkých plochách. Odstraňuje teplo a škodliviny z pracovní oblasti pomocí tepelných vzdušných proudů.

Obrázek 3: Funkční schéma pro stratifikační ventilaci
Obrázek 3: Funkční schéma pro stratifikační ventilaci

Základní myšlenkový postup za tímto konceptem začíná vytvořením dvou oblastí s různou kvalitou ovzduší ve stejné výrobní hale. Kvalita vzduchu spodní vrstvy včetně pracovní plochy je zhruba na úrovni přiváděného vzduchu, a vrstva je v ideálním případě vysoká asi 2,5 m. Vzestupné tepelné proudění vzduchu od teplého strojního zařízení zvedá uvolněnou tepelnou a znečišťující zátěž do vyšší úrovně a vytváří druhou, znečištěnou vrstvu. Ustálená tvorba spodní vrstvy vzduchu, dále označovaná jako vrstva přiváděného vzduchu, je zajištěna tím, že množství přiváděného vzduchu z chladiče je stejné, jako množství teplého vzduchu stoupajícího do horní oblasti haly. Aby se zabránilo recirkulaci znečištěného vzduchu, musí být odpovídající proudění odváděno z haly jako odpadní vzduch, a pokud je to vhodné, mělo by být zajištěno odvětrávání přímo ze strojů. Vhodné měření těchto proudů vzduchu umožňuje specificky upravit výšku vrstvy přiváděného vzduchu (Obrázek 2, Obrázek 3).

Výpočet

Stanovení tepelných proudů vzduchu se provádí pomocí polo-empirických rovnic, které jsou založeny na Prandtlově hypotéze hraniční vrstvy a turbulence, a na Reichardtově teorii otevřených trysek. Tyto rovnice se částečně vracejí zpět ke studiím, které byly zahájeny v roce 1930. Tepelný proud přes jeden stroj a tím i velikost následně přiváděného vzduchu závisí do značné míry na geometrii a teplotě povrchu. Výpočty pro vodorovné a svislé plochy se provádějí odděleně.

Obrázek 4: Vzestupný tepelný proud z více než jednoho zdroje tepla
Obrázek 4: Vzestupný tepelný proud z více než jednoho zdroje tepla

Tyto dvě níže uvedené úměrnosti se používají pro oblasti horizontálních strojů, v závislosti na uvolněném teple Q a výšce z nad oblastmi (Obrázek 4):

Vh ~ Q1/3
andVh ~ z5/3
withQ = α · A · Δt
andΔT = Tsurface − Tsurroudings
Vv(z) = 0,104 · ν(Tsurface) · b · Gr(z)2/5

Určení podílu svislých ploch pro obvyklé rozměry strojů, výhradně pro oblasti turbulentního proudění, lze provést pomocí hodnoty Gr, představující Grasshofovo číslo a b, což je šířka svislých oblastí. (Obrázek č.4) Předpokládá se, že tepelný podíl svislých ploch je zcela indukován do horizontálních ploch. Na základě zkušeností poskytují horizontální oblasti množství vzduchu potřebné k výpočtu.

Kritéria pro použití

Úspěšné využití stratifikační ventilace vyžaduje dodržování určitých aplikačních omezení, která popíšeme dále.

1. Požadovaná výška haly

Základní myšlenkový postup za touto metodou vypočtu výkonu předpokládá prostor nad rozvrstveným (stratifikovaným) tokem pracovní oblasti, do kterého musí nejprve dorazit vzestupné proudění z tepelné zátěže. To znamená, že fungování tohoto konceptu vyžaduje vhodnou výšku haly. Ale co je to vhodná výška?

Je třeba mít na paměti, že horní vrstva představuje oblast smíšených proudů. Budeme-li předpokládat, že výška haly je nastavena tak, aby byla stejná jako výška vrstvy přiváděného vzduchu, vznikne v této oblasti smíšený proud. Zákony tím ztrácejí svoji platnost. Výška musí být taková, aby impuls vzestupného proudění mohl být při recirkulací snížen do té míry, že nedojde k smíšení se spodní vrstvou.

Pro oblast s výškou vrstvy přiváděného vzduchu mezi minimální hodnotou 2,0 m a doporučenou hodnotou 2,5 m znamená, že předpokladem pro použití tohoto konceptu je požadovaná výška haly 6,0 m až 7,5 m.

Polo-empirické rovnice nejsou vhodné pro zvážení hranic při stanovení minimální výšky haly, protože neodrážejí skutečný fyzikální vztah. Používají se Navierovi-Stokesovy rovnice, které však nemají konzistentní řešení pro tuto aplikaci. Výše zmíněná reference tedy slouží jako užitečné vodítko při navrhování systému.

2. Velmi velké tepelné vzduchové průtoky
Obrázek 5: Příruba pro snížení tepelného proudění vzduchu
Obrázek 5: Příruba pro snížení tepelného proudění vzduchu

Jak již bylo řečeno, tepelné vzduchové toky vznikají především v důsledku nadměrné teploty vodorovných ploch stroje. Pokud jsou tyto hodnoty velmi vysoké, je nutno kontrolovat následující:

  • zda lze část vodorovných ploch umístit nahoru, tudíž mimo vrstvu přiváděného vzduchu prostřednictvím vhodného výběru výšky vrstvy,
  • zda je možné připevněním obvodových přírub kolem příslušných ploch až do stanovené výšky vrstvy vyjmout toto množství vzduchu z rovnice objemu vzduchu (Obrázek 5),
  • zda je možné uspořádat požadovaný počet výstupů přiváděného vzduchu v oblasti haly tak, aby dodávané množství přiváděného vzduchu bylo přesně stejné, jak místní tepelný objemový tok od strojů. Když jsou zapotřebí velmi velké objemy přiváděného vzduchu, může být přizpůsobení požadovaného množství na pracovišti nemožné.

Pokud výše uvedená opatření nefungují, je třeba připustit, že problém nemusí být řešitelný jen pomocí ventilace.

3. Velmi malé tepelné vzduchové proudění

Když jsou tepelné vzduchové toky stále menší, je třeba mít na paměti dvě situace:

  • Vrstva přiváděného vzduchu klesne pod doporučené rozmezí výšky 2,0 až 2,5 m. Stratifikační ventilace se změní na zdrojovou ventilaci. To znamená, že osoby v pracovním prostoru dýchají vzduch z více zatížené horní vrstvy a vrstva přívodu čistého vzduchu není pro použití tohoto konceptu distribuce vzduchu efektivní. Zvýšení toku přiváděného vzduchu za účelem úplného nahrazení vzestupného tepelného proudu bude mít skutečně za následek zvětšení výšky vrstvy přiváděného vzduchu, ale nebude mít za následek stabilní, statické podmínky. Nadbytečný přívod vzduchu v dlouhodobém horizontu nebude efektivní z důvodu vyrovnávání teplot.
  • Povrchová plocha zóny teoreticky vytvořené kolem výrobní jednotky je v poměru k rozměrům jednotky podstatně větší. Na okrajích vypočtené vrstvy přiváděného vzduchu nebude mít vzestupný tepelný proud výrobní jednotky žádný vliv, takže dojde k interakci s prostředím, tedy k úpravě teploty. To má za následek situaci, kdy stabilita vrstvy přiváděného vzduchu již není možná a opět funguje zdrojová ventilace. Přizpůsobené řešení lze najít pouze pomocí jiného způsobu distribuce vzduchu, jako je například směšovací ventilace.

Na tomto místě bychom chtěli stručně probrat dva principy distribuce vzduchu: stratifikační proudění a zdrojovou ventilaci. Jejich provozní režimy jsou sice podobné, ale jsou založeny na různých definicích. Bohužel, různé termíny často nejsou navzájem jasně odlišeny. Podstatné rozdíly lze vidět ve výšce vrstvy, která je 0,3 m až 1,0 m pro zdrojovou ventilaci, a mezi 2,0 m a 2,5 m pro stratifikační proudění. Dále je rozdíl mezi nízkou teplotou přívodního vzduchu ve srovnání s teplotou místnosti, který by pro zdrojovou ventilaci neměl překročit 3 K. Kromě toho má zdrojová ventilace značně vyšší impuls a indukci přiváděného vzduchu. Proto se jedná o dva různé koncepty ventilace, a ne o dva termíny pro stejný jev.

4. Zvážení nestability tepelného proudění vzduchu

Z hlediska dynamiky kapalin se tepelné proudění vzduchu považuje za nestabilní. To znamená, že může být snadno narušeno křižujícími proudy. Studie ukázaly, že příčné proudy s rychlostí menší než 0,1 m/s jsou za slabých tepelných podmínek pro takové přerušení dostatečné. Aby se této situaci zabránilo, je třeba věnovat zvláštní pozornost následujícím bodům:

  • Je třeba upravit rovnováhu objemu vzduchu v jednotlivých oblastech haly. Totéž platí i pro sousední uličky haly, které jsou navzájem propojeny pomocí otvorů. Velké dveře v halách musí být opatřeny vzduchovými clonami, aby se zabránilo příčným proudům v důsledku vstupu studeného vzduchu.
  • Je nutno matematicky vyhodnotit možný vliv obvodových ploch haly. Tento matematický výpočet je v každém případě nutný při sledování procesů znečišťujících a čisticích toků haly a obsahuje podrobné posouzení vlivu.
  1. Stěny: Pokud mají stěny nižší teplotu, než je teplota místnosti, dojde k poklesu studeného vzduchu. To není nic nového. Tento jev byl odstraněn již dávno, a to použitím topných zařízení na špatně izolovaných stěnách, jako jsou například velké okenní plochy. Vznikající proudy studeného vzduchu mohou v tomto případě dosáhnout značných rozměrů. Například stěna, která je 40 m dlouhá a 7 m vysoká, s teplotou o 10 K nižší, než je teplota místnosti, vytváří proud studeného vzduchu asi 4300 m3/h. Pokud nejsou provedena výše uvedená opatření, může to snadno způsobit přerušení tepelného toku.
  2. Stropy, zejména plechové střechy: Pro aplikace, ve kterých je tepelná ztráta přenosem skrz střechu větší než tepelné zisky ze strojního zařízení, se použití rozvrstveného proudění z důvodu vznikajícího klesání studeného vzduchu nedoporučuje. Je třeba zkontrolovat reakci střech v období nízkých venkovních teplot, aby se zajistilo, že zvolená koncepce vedení vzduchu si může uchovat svou funkčnost po celý rok. Chcete-li získat představu o rozsahu proudění chladného vzduchu, které se může rozvinout, představte si typický oddíl strmé střechy, který je 20 m dlouhý a 2 m vysoký, a má teplotu o 10 K nižší, než je teplota v místnosti. Za takových podmínek vzniká studený proud vzduchu o něco více než 500 m3/h. Vezměme v úvahu průměrnou délku haly 40 m, s osmi řadami pilové stěny. Vzniká chladný proud vzduchu 4000 m3/h, což vzhledem k jeho opačnému směru udržitelným způsobem naruší vzestupné tepelné proudy, zejména slabé. V závislosti na síle proudu může být použití stratifikační ventilace pochybné.
  • Hnací silou stratifikačního toku je teplotní rozdíl mezi plochami strojů a vzduchem v místnosti. Tento efekt se vyskytuje u každého rozdílu teplot, a to i u velmi malých rozdílů. Tendence k nestabilitě vzestupného tepelného proudu se zvyšuje tím více, čím jsou teplotní rozdíly menší. Samozřejmě, že limit pro praktičnost rozvrstveného proudění za těchto podmínek závisí také na příslušných okolních podmínkách, a nelze jej určit obecně. V tomto případě, stejně jako u jiných výše uvedených případů, potřebuje vedoucí projektu dovednost a jistý instinkt, aby mohl rozhodnout, kdy bude použití jednoho nebo druhého systému vedení vzduchu efektivnější.
5. Vzájemná závislost několika oblastí haly

Pro výpočet rozvrstveného toku je nutno rozdělit halu na několik oblastí, a to v závislosti na typu a obsazenosti výrobních závodů. Cílem je určit požadovaný objem vzduchu v jednotlivých případech, a tím počet potřebných vzduchových výstupů pro danou oblast. Vedlejší podmínky vrstvy přiváděného vzduchu na dělicích plochách hraničících regionů musí být z důvodu kontinuity stejné. To znamená:

  • že všechny regiony haly musí být uspořádány se stejnou výškou vrstvy. Rozdílné výšky vrstvy by se mohly vyrovnávat. To by mělo za následek odchylky od vypočtené výšky.
  • že vedle sebe lze uspořádat pouze regiony se stejným způsobem vedení vzduchu. Oblasti se stratifikační ventilací a oblasti se směšovací ventilací tedy nemohou existovat vedle sebe, pokud nejsou přijata zvláštní opatření.

Požadavky na ventilaci výrobní haly mohou být takové, že optimální řešení vyžaduje použití více než jednoho konceptu distribuce vzduchu. Jak je možné realizovat různé metody vedení vzduchu v sousedících regionech, aniž by došlo ke vzájemnému ovlivnění? V praktických aplikacích, kde jsou plochy odděleny plastovými závěsy, bylo dosaženo dobrých výsledků. Tyto závěsy visí ze stropu k vrstvě přiváděného vzduchu. Samozřejmě, že sousedící regiony nebudou splňovat veškeré podmínky konkrétních principů vedení vzduchu, jak jsou popsány v definicích, ale celkových výsledků je dosaženo. Toto opatření nelze použít vždy. Je třeba zvažovat konkrétní požadavky týkající se interní logistiky, stejně jako nastavenou rovnováhu množství vzduchu mezi příslušnými dvěma regiony.

6. "Požadavky" na znečišťující látky
  • Při použití stratifikační ventilace se předpokládá, že znečišťující látky se přemísťují do horní oblasti haly s tepelnými vzdušnými toky. Tento proces zahrnuje určité charakteristiky a požadavky, které musí znečišťující látky splňovat, aby tento proces mohl účinně fungovat. Jedná se o následující:
  • hustota znečišťující látky musí být menší nebo stejná, jako hustota vzduchu. Výrazně vyšší úrovně hustoty mají za následek intenzivnější zaplavování ve vrstvě přiváděného vzduchu, a to jak ve vzestupném tepelném proudu, tak v horní, znečištěné vrstvě.
  • znečišťující látky ve stroji se musí uvolňovat bez impulzu, aby nemigrovaly mimo oblast vzestupného tepelného proudu.
  • je třeba zajistit, aby se nevyskytovaly žádné zdroje znečištění mimo oblast vzestupných tepelných proudů.

Dodržování výše uvedených ustanovení zajistí, že nedojde k neúmyslnému zvýšení koncentrace znečišťujících látek ve vrstvě přiváděného vzduchu. Tomu je třeba se za každou cenu vyhnout, protože rychlost přiváděného vzduchu je ze své podstaty tak pomalá, že prakticky nedochází k indukci, a mísení proto není možné. Pokud tyto požadavky nelze dodržet, pak je třeba zvážit použití alternativního principu distribuce vzduchu.

Kromě toho je třeba dodržovat ustanovení uvedená v sekci "Úvahy o nestabilitě tepelného proudění vzduchu". Přitom je třeba dbát zejména na dodržování následujících položek:

  • Aby se zabránilo příčným proudům, rychlost přívodu vzduchu na výstupu nesmí překročit požadovanou hodnotu 0,5 m/s, v souladu s normou VDI 3802. Pokud to u výstupů vzduchu uspořádaných ve vrstvě přiváděného vzduchu nelze splnit, situaci lze napravit jejich umístěním na úrovni kolem 3 m. Větší rychlosti přívodu vzduchu se zde nejprve sníží. Potom proud přiváděného vzduchu klesá díky své nízké teplotě k vrstvě přiváděného vzduchu pracovní oblasti. Stále zde však platí: Žádná ztráta žádný zisk. Na jedné straně přiváděný vzduch proudí přes část zatížené horní vrstvy, zatímco na druhé straně nesmí být jeho nízká teplota příliš vysoká, aby se proud přiváděného vzduchu příliš nezrychloval, a tím nenarušoval tepelné proudění jako příčný proud.
  • že vzestupný tepelný proud vykazuje dostatečný impuls směrem nahoru, takže znečišťující látky mohou být také spolehlivě odváděny do horní části haly. V zásadě se potvrzuje podezření z počátečního pohledu. Nestabilita vzestupného tepelného proudění, a tedy i odvádění škodlivin klesá s rostoucí teplotou povrchu stroje.

Shrnutí

Matematický algoritmus pro stratifikační ventilaci z VDI 3802 poskytuje projektantům velmi účinný nástroj pro plánování ventilace haly. Nelze jej však použít slepě pro každou aplikaci. Nejzákladnějším požadavkem je existence podmínek, které vedou ke vzniku dvou vzduchových vrstev s různou hustotou. Toho lze dosáhnout pomocí protikladů chladu – tepla, stejně jako sucha – vlhkosti. Postupy, ve kterých se uvolňují znečišťující látky bez vzniku tepla, nelze tímto způsobem realizovat, např.

Výška vrstvy přiváděného vzduchu by se neměla podstatně odchylovat od doporučených hodnot. Jak můžeme vidět z korelace, zdvojnásobení výšky vede ke ztrojnásobení průtoku přiváděného vzduchu, tj. extrémní výšky vrstvy nelze smysluplně použít. Tento princip vedení vzduchu představuje efektivní rozšíření stávajících metod, při kterých je třeba věnovat zvláštní pozornost požadavkům a limitům.

Značení

bŠířka vertikálních povrchů
cMěrná tepelná kapacita
GrGrasshofovo číslo
mHmotnostní průtok
QTepelný výkon
Δt, TΔTeplotní rozdíl
VObjemový průtok
HhTepelný objemový průtok horizontálních povrchů
VvTepelný objemový průtok vertikálních povrchů
z Referenční výška nad horizontálním povrchem
αKoeficient přestupu tepla
ρHustota
νViskozita
 

Datum: 19.6.2017
Autor: Dipl. Ing. Jürgen Dorenburg
Organizace: Hoval spol. s r.o.



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcích 


Projekty 2017

Partneři - Větrání a klimatizace

logo AHI-CARRIER
logo Ziehl-Abegg
logo ATREA
logo ZEHNDER
logo ebm-papst
logo JANKA ENGINEERING
 
 

Aktuální články na ESTAV.czNovinka Liapor Mix final – skvělý systém pro rekonstrukce podlahKdy uvažovat o vytápění bytového domu tepelným čerpadlem?Malý dům poskytuje velký komfortCreative Office Awards - nová soutěž pro studenty architektury