Wentylacja i klimatyzacja systemy i urządzenia

Energetyka komunalna (En-TiPE), Gliwice 2008

Dr inŜ. Krzysztof Banasiak; e-mail: [email protected]

Wykład 5: Wentylacja i klimatyzacja – systemy i

urządzenia

PLAN WYKŁADU

1. Klasyfikacja urządzeń techniki powietrza pomieszczeń

2. Wentylacja

• Wentylacja naturalna

• Wentylacja mechaniczna

3. Klimatyzacja

• Systemy

• Urządzenia

KLASYFIKACJA URZĄDZEŃ TECHNIKI POWIETRZA POMIESZCZEŃ

Instalacje wentylacyjne, a w szczególności klimatyzacyjne, słuŜą do obróbki powietrza w pomieszczeniach, umoŜliwiającej osiągnięcie parametrów komfortu cieplnego, chemicznego, zapachowego, etc.

W technice obróbki powietrza pomieszczeń wyróŜnia się:• Mechaniczne instalacje powietrzne:

– Instalacje o funkcji wentylacyjnej: [i] instalacje wentylacyjne,[ii] instalacje częściowo klimatyzacyjne, [iii] instalacje klimatyzacyjne.

– Instalacje bez funkcji wentylacyjnej: [i] recyrkulacyjne instalacje wentylacyjne, [ii] recyrkulacyjne instalacje częściowo klimatyzacyjne, [iii] recyrkulacyjne instalacje klimatyzacyjne.

• Systemy wentylacji naturalnej:– Wentylacja poprzez przegrody okienne.– Wentylacja szybami.– Wentylacja wywietrznikami dachowymi.

WENTYLACJAWentylacja naturalna

Systemy wentylacyjne zapewniają wyłącznie komfort chemiczny – wymaganą czystośćpowietrza!

W wypadku wentylacji naturalnej przepływ powietrza pomiędzy otoczeniem a pomieszczeniami następuje tylko wskutek róŜnicy ciśnienia, wywołanej działaniem wiatru i/lub róŜnicą temperatury powietrza wewnątrz i na zewnątrz pomieszczenia; regulacja strumienia powietrza wentylacyjnego moŜliwa jest jedynie w ograniczonym zakresie.

WENTYLACJAWentylacja naturalna - typy

• Wentylacja szczelinowa – napływ świeŜego powietrza z otoczenia poprzez nieszczelności drzwi i okien.

• Wentylacja okienna – wymiana powietrza przez otwieranie okien, lufcików lub szczelin.

• Wentylacja szybami – wymiana powietrza wskutek działania efektu kominowego szybu wentylacyjnego.

• Wentylacja wywietrznikami dachowymi – wymiana powietrza poprzez działanie ciągu i wiatru w otworach, nasadkach, krótkich szybach wentylacyjnych, etc., umieszczonych na dachach pomieszczeń.

WENTYLACJAWentylacja naturalna – wentylacja szczelinowa

Warunkiem przenikania do wnętrza pomieszczenia powietrza świeŜego przez szczeliny jest róŜnica ciśnienia spowodowana działaniem wiatru i/lub uderzenia wiatru pomiędzy stronę nawietrzną i zawietrznąbudynku.

Rozkład ciśnienia w nagrzanym pomieszczeniu zimą.a) Rozkład ciśnienia wzdłuŜ wysokości ściany.b) Kierunek przepływu powietrza przez otwory okienne.

Wg poradnika „Ogrzewanie i klimatyzacja”, Recknagel H., Sprenger E., Honmann W.

Rozkład ciśnienia w duŜym budynku zimą.

WENTYLACJAWentylacja naturalna – wentylacja okienna

Wentylacja okienna polega na wymianie powietrza przez otwarcie okien.

Zimą napływ powietrza wywołany jest głównie róŜnicątemperatury pomiędzy pomieszczeniem a środowiskiem zewnętrznym (powietrze świeŜe wpływa w dolnej części okna, wypływa u góry); latem o natęŜeniu przepływu decyduje głównie wiatr.

Do wstępnych obliczeń projektowych najczęściej przyjmuje się następujące ilości wymian powietrza:

• Okno zamknięte, drzwi zamknięte: 0-0,5 1/h.• Okno odchylone (brak Ŝaluzji): 0,3-1,5 1/h.• Okno półotwarte: 5-10 1/h.• Okno całkowicie otwarte: 10-15 1/h.• Okna otwarte, drzwi otwarte i połoŜone naprzeciw

siebie: do 40 1/h.

WENTYLACJAWentylacja naturalna – wentylacja szybowa

Warunkiem poprawnego działania wentylacji szybowej jest odpowiednia róŜnica temperatury pomiędzy pomieszczeniem a otoczeniem (ciąg kominowy skierowany na zewnątrz pomieszczenia); w celu wytworzenia ciągu w okresach letnich na końcu szybu instaluje się nasadki przewietrzające (deflektory), które przy oddziaływaniu wiatru zwiększają ciąg (dodatkowa strefa podciśnienia wytworzona przez strumienicę).

Zastosowanie wentylacji szybowej zazwyczaj ogranicza się do budynków inwentarskich, toalet, małych kuchni, etc.

Wg poradnika „Ogrzewanie i klimatyzacja”, RecknagelH., Sprenger E., HonmannW.

Deflektorya) Wirnikowyb) Walcowyc) Kołpak ssącyd) Stała głowica ssącae) Obrotowa głowica

ssącaf) Deflektor gwiaździstyg) Deflektor Ŝaluzjowy

Schemat wentylacji szybowej oraz prędkość ciągu w kwadratowych szybach przy napędowej róŜnicy temperatury ∆T = 1 K (dla innych wartości ∆T wartości prędkości naleŜy pomnoŜyć przez ∆T 0,5)

WENTYLACJAWentylacja naturalna – wentylacja wywietrznikami dachowymi

Wywietrzniki dachowe występują w formie nasadek, krótkich szybów lub otworów umieszczonych na dachach budynków, głównie hal przemysłowych i innych obiektów wielkopowierzchniowych.

W celu regulacji strumienia powietrza wywietrzniki wyposaŜa się w klapy nastawne i urządzenia nastawcze. Powietrze zewnętrzne doprowadzane jest do pomieszczeń głównie poprzez uchylone okna i drzwi.

Prędkość ciągu dla wentylacji hali wywietrznikami dachowymi moŜna oszacować następująco:

2dol

2wyl

1wyl

1A

A

T

TgH

w

+

∆

=

wwyl – prędkość powietrza na wylocie (w górnym otworze), m/sg – przyspieszenie ziemskie, m/s2

H – wysokość hali, m∆T – róŜnica temperatury, KT1 – temperatura powietrza zasysanego, KAwyl – pole powierzchni otworów wylotowych (górnych), m2

Adol – pole powierzchni otworów dolotowych (dolnych), m2

WENTYLACJAWentylacja mechaniczna – wentylacja wywiewna

Instalacje wywiewne zasysają powietrze z pomieszczenia za pośrednictwem wentylatora ssącego i wydmuchująje na zewnątrz, podczas gdy powietrze dopływa przez otwory z sąsiednich pomieszczeń lub z zewnątrz budynku.

Wewnątrz wentylowanych pomieszczeń panuje podciśnienie, instalacje takie nadają się więc szczególnie do zapobiegania rozprzestrzenianiu siępowietrza zuŜytego (kuchnie, toalety, garderoby, laboratoria, etc.).

Podstawowymi elementami instalacji wywiewnych sąwentylatory wyciągowe z silnikami, przewody powietrza wywiewanego i odprowadzanego.

WENTYLACJAWentylacja mechaniczna – wentylacja nawiewna

Instalacje nawiewne zasysają powietrze z zewnątrz i tłocząje do wentylowanych pomieszczeń, podczas gdy nadmiar powietrza odpływa przez drzwi, okna i inne otwory do pomieszczeń otaczających i na zewnątrz budynku.

Wewnątrz wentylowanych pomieszczeń panuje nadciśnienie, uniemoŜliwiony jest więc niepoŜądany dopływ powietrza infiltracyjnego.

Instalacje nawiewne muszą współpracować z nagrzewnicąpowietrza w celu ogrzania powietrza doprowadzanego w okresie grzewczym.

Główne elementy wentylacji nawiewnej stanowią: wentylator tłoczący, nagrzewnica powietrza, filtr pyłowy, przewody powietrzne.

Stosuje się powszechnie jednoczesną wentylację nawiewnąi wywiewną – w zaleŜności od wydajności wentylatorów wytwarza się podciśnienie lub nadciśnienie.

KLIMATYZACJAProcesy klimatyzacyjne

Urządzenia klimatyzacyjne mają za zadanie utrzymywanie w określonych granicach stałej temperatury, wilgoci i czystości chemicznej powietrza. Łączą w sobie 4 termodynamiczne sposoby obróbki powietrza (grzanie, chłodzenie, nawilŜanie, osuszanie) oraz obróbkę chemiczną (usuwanie zanieczyszczeństałych, ciekłych i gazowych). Sąnajdoskonalszą, choć najbardziej skomplikowaną metodą technicznej obróbki powietrza. Kompletna instalacja klimatyzacyjna moŜe w pełni przejąć funkcje grzewcze, chłodnicze i wentylacyjne.

KLIMATYZACJAZastosowanie

• Urządzenia zapewniające komfort bytowy (głównie komfort cieplny i chemiczny) – utrzymywanie parametrów komfortu wewnątrz klimatyzowanych pomieszczeń (domy mieszkalne, biura, urzędy, pojazdy, etc.) niezaleŜnie od warunków zewnętrznych.

• Urządzenia klimatyzacji przemysłowej – utrzymywanie parametrów termicznych powietrza (temperatura, wilgotność) na poziomie wymaganym przez technologie procesu produkcyjnego, np.:

Piekarnictwo → magazyn mąki → t = 15-25 ºC; φ = 50-60%

Browarnictwo → pom. fermentacji → t = 4-8 ºC; φ = 60-70%

Przemysł tekstylny → przędnie jedwabiu → t = 24-27 ºC; φ = 65-70%

KLIMATYZACJASposób działania

Główną częścią instalacji klimatyzacyjnej jest agregat klimatyzacyjny, w którym następuje obróbka powietrza.

Powietrze zewnętrzne zostaje zassane z zewnątrz, wstępnie obrobione przez odzyskanie ciepła z powietrza wylotowego lub mieszanie w komorze mieszania, a następnie oczyszczone w filtrze.

Wstępnie przygotowane powietrze zostaje następnie ogrzane lub ochłodzone w nagrzewnicy/chłodnicy (w zaleŜności od parametrów komfortu w pomieszczeniu i parametrów zewnętrznych).

Ochłodzone/ogrzane powietrze w razie potrzeby zostaje nawilŜone wodą lub parą w komorze zraszania za pośrednictwem dysz rozpylających.

Końcowym etapem obróbki powietrza jest dogrzanie w nagrzewnicy końcowej.

Powietrze poprzez wentylator tłoczący kierowane jest do klimatyzowanego pomieszczenia; powietrze wywiewane jest z pomieszczenia poprzez wentylator ssący, częściowo do otoczenia, a częściowo z powrotem do agregatu klimatyzacyjnego (recyrkulacja powietrza).

KLIMATYZACJASposób działania c.d.


Schematyczny układ centralnego urządzenia klimatyzacyjnegoA – wentylator powietrza wyciąganegoB- komora zraszaniaF – filtrM – komora mieszaniaN – nagrzewnica wtórnaV – nagrzewnica wstępnaZ – wentylator nawiewnyW – wymiennik do odzysku ciepła

KLIMATYZACJASposób działania c.d.


Wykres entalpia właściwa –masowy stopień zawilŜenia z zaznaczonymi przemianami powietrza w urządzeniu klimatyzacyjnym.R – powietrze w pomieszczeniuT – punkt rosienia powietrza w pomieszczeniuA – powietrze zewnętrzneM – powietrze po zmieszaniu0 – temperatura termometru mokrego dla powietrza po zmieszaniuV – wylot z nagrzewnicy wstępnejN – temperatura termometru mokrego dla powietrza za nagrzewnica wstępnąK – powietrze na wylocie z chłodnicyB – powietrze na wyjściu z komory zraszaniaE – powietrze nawiewane do pomieszczenia

KLIMATYZACJAPowietrzne instalacje klimatyzacyjne

W powietrznych systemach klimatyzacji powietrze zostaje przygotowane w centralach i tłoczone jest kanałami do pomieszczeń, bez Ŝadnej dodatkowej obróbki; w podłączonych pomieszczeniach nie są wymagane Ŝadne wtórne instalacje grzejne lub chłodzące (choćmoŜliwa jest współpraca ze zwykłymi grzejnikami).WyróŜnia się następujące systemy:•Instalacje jednoprzewodowe o stałym przepływie objętościowym,•Instalacje jednoprzewodowe o zmiennym natęŜeniu przepływu,•Dwuprzewodowe instalacje klimatyzacyjne.

KLIMATYZACJAPowietrzne instalacje klimatyzacyjne – instalacje

jednoprzewodowe o stałym przepływie objętościowym

Powietrze zostaje obrobione w urządzeniu centralnym, a następnie doprowadzane jest jednym przewodem do jednego lub wielu pomieszczeń, przy czym wszystkie pomieszczenia otrzymują powietrze o jednakowych parametrach. System stosowany do duŜych pomieszczeń.


Jednoprzewodowa instalacja klimatyzacyjna o duŜej prędkości powietrza, z jedna strefą.1 – komora mieszania2 – nawilŜacz3 - wentylator doprowadzający powietrze4 – zawory regulacyjne5 – pomieszczenia6 - klapy


jednoprzewodowe o stałym przepływie objętościowym c.d.


Jednoprzewodowa instalacja klimatyzacyjna z nagrzewnicami wielostrefowymi1 – czujnik temperatury2 – komora ciśnieniowa3 – wentylator nawiewowy4 – nawilŜacz5 – filtr6 – komora mieszania

Wielostrefowe urządzenie klimatyzacyjne z klapami przestawnymi1 – wentylator nawiewowy2 – komora ciśnieniowa3 - czujnik zimnego powietrza4 – czujnik ciepłego powietrza5 – filtr6 – komora mieszania


jednoprzewodowe o zmiennym natęŜeniu przepływu

Cechy charakterystyczne: [i] stały poziom temperatury powietrza a zmienny strumień powietrza; [ii] brak recyrkulacji powietrza; [iii] dwustopniowa regulacja strumienia powietrza (wentylator nawiewowy + indywidualne regulatory natęŜenia przepływu w pomieszczeniach); [iv] konieczność współpracy z systemem grzewczym.


Schemat jednoprzewodowej instalacji klimatyzacyjnej o zmiennym natęŜeniu przepływu.


dwuprzewodowe

Instalacje jednoprzewodowe nie nadają się do klimatyzacji budynków o wielu pomieszczeniach o zróŜnicowanych obciąŜeniach cieplnych i chłodniczych, wymagających odmiennych parametrów powietrza na nawiewie.

W instalacjach dwuprzewodowych powietrze zewnętrzne po zassaniu poddawane jest obróbce wstępnej (w tym zmieszaniu z powietrzem recyrkulacyjnym), a następnie wentylatorem nawiewowym tłoczone jest do dwóch kanałów – kanału powietrza ciepłego (wyposaŜonego w nagrzewnicę) i kanału powietrza chłodnego (wyposaŜonego w chłodnicę). Typowe wartości temperatury w przewodach zasilających: powietrze ciepłe 40-50 ºC,powietrze zimne 12-15 ºC.

KaŜdy indywidualny nawiewnik w pomieszczeniu podłączony jest do obydwu kanałów poprzez specjalne skrzynki mieszalnikowe, sterowane pneumatycznymi sterownikami.


dwuprzewodowe c.d.


Schemat prowadzenia powietrza i regulacji w dwuprzewodowych instalacjach klimatyzacyjnych wysokociśnieniowych1 – czujnik ciepłego powietrza2 – czujnik powietrza zewnętrznego3 – czujnik zimnego powietrza4 – czujnik powietrza mieszanego5 – termostat pokojowy

Typowy wykres temperaturowy dwuprzewodowej instalacji klimatyzacyjnej


dwuprzewodowe c.d.


Schemat dwuprzewodowej instalacji klimatyzacyjnej z dodatkową nagrzewnicąpowietrza i chłodnicąpowietrza w minimalnym kanale powietrza zewnętrznego.

Schemat dwuprzewodowej instalacji klimatyzacyjnej z chłodnicą powietrza po stronie ssącej i komorązraszania.

KLIMATYZACJAPowietrzno-wodne instalacje klimatyzacyjne

W instalacjach powietrzno-wodnych obróbka powietrza zostaje podzielona na dwa etapy: etap wstępny odbywa się w centrali klimatyzacyjnej, natomiast obróbka końcowa zachodzi juŜ w klimatyzowanym pomieszczeniu. W tym celu końcowe elementy instalacji, tzw. szafki nawiewne, wyposaŜa się w wodne nagrzewnice i chłodnice końcowe (czasami jeden wymiennik o temperaturze wody zasilającej uzaleŜnionej od warunków pogodowych).Powietrze pierwotne jest zazwyczaj czystym powietrzem atmosferycznym; powietrze recyrkulacyjne pobierane jest wprost z pomieszczenia jako powietrze wtórne.W okresach letnich wymagane jest zbieranie kondensatu.

KLIMATYZACJAPowietrzno-wodne instalacje klimatyzacyjne c.d.

Wg poradnika „Ogrzewanie i klimatyzacja”, RecknagelH., Sprenger E., HonmannW.

Schemat powietrzno-wodnej indukcyjnej instalacji klimatyzacyjnej.1 – klapa Ŝaluzjowa2 – odzysk ciepła3 – wentylator4 – nagrzewnica wstępna5 – filtr6 – chłodnica7 – nawilŜacz8 – nagrzewnica wtórna9 – tłumik hałasu10 – szafka nawiewna11 – kanał powietrza pierwotnego12 – powietrze wtórneGH – przeciwprądowy wymiennik ciepła do grzaniaHK – kocioł grzejnyKS – wytwornica wody zimnejWW – sieć wody ciepłejKW – sieć wody zimnej

Indukcyjne szafki nawiewne z regulacją zaworową.D – dyszaP – powietrze pierwotneS – powietrze wtórneW – wymiennik ciepła

KLIMATYZACJAWentylatory

Wentylatory są maszynami przepływowymi słuŜącymi do transportu gazów, pracującymi w warunkach przyrostu ciśnienia (spiętrzenia) nie większego od 30 kPa (pow. dmuchawy i spręŜarki).

RozróŜnia się następujące typy wentylatorów:

• Osiowe – zasysające i tłoczące powietrze w kierunku osiowym.

• Promieniowe – zasysające powietrze w kierunku osiowym, a tłoczące w kierunku promieniowym.

• Diagonalne – konstrukcja pośrednia pomiędzy wentylatorami osiowymi a promieniowymi.

• Poprzeczne - zasysające i tłoczące powietrze w kierunku promieniowym.

KLIMATYZACJAWentylatory – parametry charakterystyczne

Charakterystyczne parametry pracy wentylatorów

∆p – spiętrzenie wentylatora, PaV – wydajność objętościowa, m3/sNi – moc napędowa wewnętrzna, Wηi – sprawność energetyczna wewnętrznad – średnica zewnętrznego koła wirnikowego, mu – prędkość obwodowa, m/sρ – gęstość, kg/m3

ii

V p

Nη ∆=

φ – wyróŜnik wydatkuψ – wyróŜnik ciśnieniaλ – wyróŜnik mocy

2

4

V

du

ϕπ

=20,5

p

uψ

ρ∆=

i

ϕ ψλη⋅=

KLIMATYZACJAWentylatory – konstrukcje; charakterystyki


Konstrukcje wentylatorów oraz typowe bezwymiarowe charakterystyki wentylatorów promieniowych

KLIMATYZACJAWentylatory – sposób montaŜu w sieci

Sposób montaŜu wentylatora i jego wpływ na rozkład ciśnienia.

a) Rozkład ciśnienia w wentylatorze o swobodnym wydmuchu z przewodem ssawnym.

b) Rozkład ciśnienia w wentylatorze swobodnie zasysającym z przewodem tłocznym.

c) Rozkład ciśnienia w wentylatorze z przewodami ssawnym i tłocznym.


a)

b)

c) Rozkład ciśnienia w instalacji klimatyzacyjnej.

KLIMATYZACJAWentylatory – sposoby regulacji

Dostosowanie parametrów pracy wentylatora do aktualnych wymagań sieci moŜna uzyskać na następujące sposoby:•Regulacja przez dławienie przestawną przepustnicą przy stałej prędkości obrotowej wentylatora – duŜe straty energii; zakres regulacji wydajnościowej od 50 do 100%.•Regulacja bocznikowa za pomocą kanału łączącego stronę ssącąze stroną tłoczną z zastosowaniem przepustnicy - zakres regulacji wydajnościowej od 85 do 100%.•Regulacja wirem przy stałej prędkości obrotowej wentylatora –strumieniowi powietrza na wlocie do wirnika nadaje się wstępne zawirowanie za pomocą przestawnych kierownic; zakres regulacji wydajnościowej od 65 do 100%.•Regulacja prędkości obrotowej wirnika za pomocą róŜnych napędów elektrycznych – zakres regulacji wydajnościowej od 0 do 100%.•Regulacja za pomocą równoległej pracy układu kilku mniejszych wentylatorów.

KLIMATYZACJAFiltry powietrza

Filtry powietrza słuŜą do usuwania z powietrza nawiewanego do pomieszczeń stałych, ciekłych i gazowych.Zjawiska wykorzystywane w technice filtracji:•Zjawisko dyfuzji – cząstka zanieczyszczenia osiada na filtrze w wyniku ruchów molekularnych Browna.•Zjawisko bezwładności – cząstka zanieczyszczenia osadza się na filtrze gdy ma określone wymiary i nie moŜe się z tego powodu poruszać wzdłuŜ linii przepływu.•Zjawisko bariery – cząstka osadza się na filtrze gdy porusza się wzdłuŜlinii przepływu, której odległość od włókna filtru jest mniejsza niŜ półśrednicy cząstki zanieczyszczenia.•Zjawisko sita – cząstka zanieczyszczenia osadza się na filtrze gdy jej średnica jest większa niŜ swobodny przekrój między włóknami filtru.Stopień odpylenia filtru (sprawność) bada się poprzez pomiar stęŜenia pyłu probierczego w strumieniu powietrza przed i za filtrem. Sprawność filtrów rośnie wraz ze stopniem zabrudzenia (kosztem zwiększenia strat ciśnienia).

KLIMATYZACJAFiltry powietrza - systematyka

Podział filtrów

•Ze względu na materiał: [i] metalowe, [ii] włókninowe, [iii] z węglem aktywowanym, [iv] z kąpielą olejową, [v] z elektrowłóknami.•Ze względu na sposób zabudowy: [i] pionowe, [ii] kanałowe, [iii] ścienne, [iv] sufitowe.•Ze względu na sposób uŜytkowania: [i] jednorazowe, [ii] regenerowane.•Ze względu na klasy odpylania: [i] zgrubne, [ii] dokładne, [iii] bardzo dokładne, [iv] zawiesinowe.•Ze względu na rodzaj pracy: [i] stacjonarne, [ii] obiegowe, [iii] taśmowe, [iv] elektrofiltry, [v] filtry automatyczne.•Ze względu na konstrukcję: [i] o strumieniu skośnym, [ii] o strumieniu kolistym, [iii] bębnowe, [iv] obiegowe, [v] kotłowe, [vi] workowe.

LITERATURA

1. Recknagel H., Sprenger E., Honmann W.: Poradnik „Ogrzewanie i klimatyzacja”, EWFE –wydanie 1, Gdańsk 1994.

Wentylacja i klimatyzacja systemy i urządzenia

Documents

Transcript of Wentylacja i klimatyzacja systemy i urządzenia