Facebook






Kinetyczne wspomaganie wentylacji grawitacyjnej Kogut na kominie

  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 γo i gęstości powietrza znajdującego się w kanale wentylacyjnym γw.

Czym większa różnica gęstości powietrza i czym   artykuł w wersji pdf pdfpdfpdf

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 po mieszczenia, 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: G 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; G 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 γo jest mniejsza od gęstości powietrza w pomieszczeniach i kanale grawitacyjnym γw, 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 śle 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 >= Ps/(γo γw) [1], gdzie: Hmin minimalna długość kanału Ps miarodajna wartość ciśnienia grawitacyjnego równoważona stratami na przepływie γo gęstość powietrza w otoczeniu γo = 1,2 kG/m3 dla tz = 20°C γw
gęstość powietrza wywiewanego γw = 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 * (vmax2 * γw/2g) [2]
Dla celów inżynierskich można przyjąć, że: 
Σζ= 2,5 przeciętny współczynnik strat ciśnienia uwzględniający stratę wlotową i wylotową γw = 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/s2 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 końcówki 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 siłą 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. 
Jan Chochla

Share

 

© Wszystkie prawa zastrzeżone