Reklama

Personalizované vetranie

Ing. Miroslava Kmecová, doc. Ing. Michal Krajčík, Ph.D., doc. Ing. Ondřej Šikula, Ph.D.

Recenzovaný

Perzonalizované větrání je jednou z možností jak řešit individuální požadavky na dodávku čerstvého vzduchu k různým pracovištím. Zejména administrativa s prací u stolu k uplatnění perzonalizovaného větrání vytváří dobré předpoklady. Využití tohoto způsobu větrání není běžné, je předmětem výzkumů a hledání optimálních řešení. Nicméně má řadu předností.

Reklama

Úvod

Prvým a najdôležitejším krokom pri zlepšovaní kvality ovzdušia v interiéri je odstránenie alebo obmedzenie zdrojov znečistenia na minimum [1]. To možno dosiahnuť používaním materiálov s nízkymi emisiami. Nie je však možné odstrániť všetky zdroje znečistenia, a preto ďalším krokom musí byť návrh prirodzeného alebo núteného vetrania. Pri súčasnom trende extrémne vzduchotesných nových a obnovených budov je čoraz častejšie potrebné aspoň časť roka prevádzkovať nútené vetranie. Tradičné systémy, zmiešavacie a vztlakové vetranie, sa zameriavajú na vetranie celého objemu miestnosti. Čistý chladný vzduch sa dodáva ďaleko od inhalačnej zóny užívateľov, a kým dosiahne dýchaciu zónu, zmieša sa so znečisteným vzduchom v miestnosti. Preto je vdychovaný vzduch čiastočne znečistený a teplý. Okrem toho treba dodať energiu na vetranie celého objemu miestnosti, vrátane priestorov, ktoré nie sú obsadené, čím sa zvyšujú náklady na prevádzku [2]. Alternatívou k tradičným systémom sa stáva personalizované vetranie, ktoré umožňuje dodať čerstvý vzduch priamo do inhalačnej zóny užívateľov [3]. Vedecké štúdie preukázali, že tento spôsob vetrania má potenciál zlepšiť pociťovanú kvalitu vzduchu a tepelnú pohodu užívateľov, a tým aj ich výkonnosť [3-5]. Zároveň cielené dodávanie vzduchu do inhalačnej zóny môže znížiť spotrebu energie na vetranie a chladenie [6, 7] a účinne chrániť ľudí pred krížovou infekciou [4, 8, 9]. Nevýhodu tohto systému sú vyššie investičné náklady ako pre centrálne vetranie. Náklady sa ešte zvýšia v prípadoch, keď sa personalizovaný systém kombinuje s centrálnym zmiešavacím alebo vztlakovým systémom. Napriek tomu môže byť personalizované vetranie výhodnou alternatívou, pretože vyššia investícia je kompenzovaná úsporou energie na chladenie v lete, vyššou účinnosťou vetrania a najmä zvýšenou výkonnosťou zamestnancov [5, 7, 10, 11]. V jednej zo štúdií [12] napríklad systém personalizovaného vetrania na pracovnom mieste v spojení so zmiešavacím vetraním na reguláciu teploty okolia na 26 °C ušetril 27 % elektrickej energie v porovnaní s klasickým zmiešavacím vetraním pri teplote vzduchu v miestnosti 23 °C. V tropických krajinách môže personalizované vetranie v porovnaní so zmiešavacím vetraním ušetriť dokonca až 50 % energie. Podmienkou úspory však je precízny návrh a regulácia prívodného vzduchu. V opačnom prípade sa spotreba energie na personalizované vetranie môže zvýšiť o desiatky až stovky percent [6].

Princíp a návrh personalizovaného vetrania

Obr. 1 Personalizované vetranie pomocou dýzy [15]

Personalizovaný vetrací systém je vhodný najmä do kancelárskych priestorov tam, kde sa užívatelia zdržiavajú väčšinu času na svojom pracovnom mieste. Umožňuje individuálne nastavenie preferovanej teploty, miestnej rýchlosti prúdenia vzduchu, prípadne smeru prúdenia vzduchu, čo zvyšuje spokojnosť užívateľov s ich pracovným prostredím. Distribučný prvok, ktorý je pod kontrolou používateľa, je umiestnený blízko tváre. Čistý vzduch smeruje do tváre, takže osoba môže vdychovať vzduch v neznečistenom jadre prívodného prúdu. V ideálnom prípade by mal distribučný prvok umožniť zmenu smeru prúdenia vzduchu, aby sa zohľadnili účinky vztlaku a preferencie užívateľov [13]. Zároveň prúd vzduchu dokáže ochladiť hlavu a zvýšiť tepelnú pohodu v lete [12]. Príklad personalizovaného vetrania je na obr. 1, ktorý znázorňuje typický profil rýchlosti pre voľný prúd vychádzajúci z kruhovej dýzy. Hlavný prúd čerstvého vzduchu so sebou strháva znečistený okolitý vzduch a následne sa s ním zmiešava. Strhávaniu teplého a znečisteného okolitého vzduchu je potrebné v maximálnej možnej miere eliminovať, aby sa zabezpečil prívod čerstvého nezmiešaného vzduchu priamo do dýchacej zóny. To možno dosiahnuť precíznym návrhom výustky.

Výustky pre personalizované vetranie môžu mať rôzny dizajn. Obvykle umožňujú riadenie prietoku vzduchu a niektoré aj kontrolu smeru prúdenia. Na obr. 2 sú znázornené príklady výustiek pre personalizované vetranie: dve malé výustky umiestnené v zadných rohoch stola (PEM), dve lineárne mriežky umiestnené na okraji pracovného stola (HDG), vertikálna mriežka smerujúca na užívateľa (VDG), výustka s obdĺžnikovým alebo kruhovým otvorom namontovaným na pohyblivom ramene (MP), plochý distribučný prvok namontovaný na vrchu počítačového monitora umožňujúci zmenu prúdenia vzduchu vo vertikálnej rovine (CMP) [13]. Pri výustkách s veľkou výstupnou plochou sa ukázalo, že obdĺžnikový tvar je vhodnejší ako kruhový. Pre výustky so strednými a malými výstupnými plochami sú kruhové výustky efektívnejšie ako obdĺžnikové [12].

Obr. 2 Personalizované vetranie na pracovnom mieste: b) príklad výustky [16]

Obr. 2 Personalizované vetranie na pracovnom mieste: a) možné tvary a umiestnenie výustiek [13], b) príklad výustky [16]

Personalizované vetranie vedie k zvýšenej rýchlosti prúdenia vzduchu v oblasti tváre. Aby všetok čerstvý vzduch prenikol do tvárovej časti, Melikov [13] odporúča priemernú rýchlosť 0,3 m/s. Novšia štúdia uvádza, že na preniknutie chladného vzduchu cez tepelnú hraničnú vrstvu v okolí ľudského tela do inhalačnej zóny postačuje rýchlosť prúdenia len 0,175 m/s [14]. Podľa ďalšej štúdie [11] je rozsah vhodných rýchlostí na základe osobných preferencií užívateľov medzi 0,1 a 1,3 m/s, no v praxi môžu ľudia najmä v letných mesiacoch uprednostniť aj vyššiu rýchlosť. Spočiatku sa vedci domnievali, že vyššia rýchlosť prúdenia by mohla spôsobovať suchosť očí, pier, či nosa [12]. Zistilo sa, že zvýšená frekvencia žmurkania v súvislosti s použitím personalizovaného vetrania vzniká pri rýchlosti nad 1 m/s z dôvodu, aby sa zachovala rovnováha pri zvlhčení rohovky počas očnej aktivity. Tento vplyv sa však považuje za zanedbateľný pri vizuálne náročných úlohách, ako je počítačová práca. Okrem toho bola zmena vo frekvencii žmurkania a prípadný pocit suchosti očí pripísaný očnej aktivite aj použitiu počítačového monitora. Naopak, chladný personalizovaný prúd čistého vzduchu zlepšil stabilitu slzného filmu pri vysokej teplote vzduchu v miestnosti 28 °C [17].

Dôležitú úlohu pri účinnosti vetrania zohráva tvar a plocha perforácie distribučného elementu (obr. 3). Lepší chladiaci účinok možno dosiahnuť použitím perforácie s väčším priemerom, čo je tiež spojené s menším znížením rýchlosti prúdenia. Pomer perforácie je veľmi dôležitý pri nízkych hodnotách napr. 10 %. Pri hodnotách vyšších ako 30–50 % je vplyv pomeru perforácie zanedbateľný. Dôležitejší ako samotné percento perforácie je tvar a priemer otvoru perforácie. Okrúhla perforácia dosahuje pri podobnom pomere perforácie väčšiu chladiacu kapacitu (obr. 3 b, c) v porovnaní s obdĺžnikovým, krížikovým alebo hviezdicovým tvarom (obr. 3 f, g, h) [19].

Obr. 3 Rôzne tvary a pomery perforácie distribučných elementov [19]

Z laboratórnych štúdií a praktických aplikácií možno odvodiť niekoľko odporúčaní na návrh personalizovaného vetracieho systému:

Mal by sa privádzať vzduch s nízkou turbulenciou, preto koncové distribučné prvky majú generovať prietok s rovnomerným rýchlostným profilom a nízkou počiatočnou mierou turbulencie.
Koncový distribučný prvok by mal mať čo najširší kruhový alebo štvorcový prierez.
Koncový distribučný prvok by mal umožňovať riadenie rýchlosti a smeru personalizovaného prietoku. Preferuje sa prietok vzduchu z čelnej strany proti čelnej ploche.
Aby sa dosiahla vysoká účinnosť, hybnosť toku privádzaného vzduchu musí byť dostatočná na zabezpečenie prieniku čerstvého privádzaného vzduchu cez voľný konvekčný tok vzduchu okolo ľudského tela. To znamená, že minimálna rýchlosť v oblasti tváre by nemala byť nižšia ako 0,175 m/s, pričom maximálna rýchlosť preferovaná jednotlivcami môže byť až 1,5 m/s, najmä pri teplotách vzduchu v miestnosti nad 26 °C.
Na dosiahnutie vyššieho chladiaceho účinku v letnom období je vhodnejšie použiť okrúhly tvar perforácie.
Personalizované vetranie kombinované so zmiešavacím systémom vetrania je výhodnejšie ako samotný zmiešavací systém vetrania vzhľadom na pohodlie užívateľov a ochranu pred infekciami [13].

Príklady personalizovaného vetrania

Obr. 4 LVPV personalizovaný vetrací systém s nízkou rýchlosťou prúdenia [8]

Medzi zaujímavé aplikácie personalizovaného vetrania patrí systém LVPV s nízkou rýchlosťou prúdenia (obr. 4). Je navrhnutý tak, aby využíval polohu, v ktorej hlava alebo telo je v prirodzenom kontakte s povrchmi ako sú podhlavníky, opierky hlavy, vankúše. Vetrací systém je navrhnutý ako vankúš na podporu krku, čím poskytuje vysokú ochranu pred krížovou infekciou. Takýto dizajn sa uplatní najmä v lietadle alebo iných dopravných prostriedkoch [8].

Obr. 5 Kombinované prívodné a odvodné personalizované vetranie [20]
Legenda: 1 – voľný konvekčný tok; 2 – vzduch vydychovaný infikovanou osobou; 3 – personalizovaný prívod vzduchu; 4 – personalizovaný odvod vzduchu; 5 – klasický zmiešavací vetrací systém

Obr. 5 znázorňuje využitie personalizovaného prívodu a odvodu vzduchu v zdravotníckych zaradeniach, keď počas vyšetrenia prichádza infikovaná osoba do kontaktu so zdravou. Kombinovaný systém prívodného a odvodného vetrania je schopný chrániť zdravú osobu dodávaním čistého vzduchu do dýchacej zóny, pričom sa zároveň odsáva vzduch v oblasti ramien infikovanej osoby. Takýmto návrhom možno dosiahnuť zníženie expozície škodlivinám v porovnaní s klasickým zmiešavacím vetraním až o 81% [20].

Obr. 6 znázorňuje kancelársky stôl s integrovaným personalizovaným vetraním, ktorý umožňuje zmenu smeru prúdenia vzduchu počas prevádzky s časovou frekvenciou podľa preferencie užívateľa. Stôl s integrovanými vzduchovodmi a ovládaním umožňuje vetranie so 100 % vonkajším vzduchom, 100% recirkulovaným vzduchom, alebo zmesou vonkajšieho a recirkulovaného vzduchu v pomere nastavenom užívateľom [18].

Obr. 6 Pracovný stôl s integrovaným personalizovaným vetraním: a) prvky, b) usporiadanie vzduchových kanálov (pripojenie k hlavnému vetraciemu systému) [18]
Legenda: 1 – pracovný stôl; 2 – polica; 3 – stolové nohy; 4 – stredná polica; 5 – horná polica; 6 – vertikálna mriežka; 7 – podpora; 8 – ovládací panel; 9 – koleno; 10 – koncový distribučný prvok

Obr. 7 zobrazuje koaxiálnu personalizovanú výustku. Táto výustka obsahuje primárnu dýzu dodávajúcu čerstvý čistý vzduch, obklopenú prstencovou sekundárnou dýzou dodávajúcou recirkulovaný vzduch pri rovnakej rýchlosti. Rovnaká rýchlosť dodávaného vzduchu z primárnej a sekundárnej dýzy pomáha znižovať strihové napätie na hranici primárneho prúdu, a tým predlžuje oblasť čistého vzduchu. Pomocou systému s primárnou a sekundárnou výustkou možno zvýšiť kvalitu vzduchu v inhalačnej zóne až o 80 % v porovnaní so systémom bez sekundárnej výustky [21].

Obr. 7 Koaxiálna personalizovaná výustka: a) konštrukcia, b) prúdenie vzduchu výustkou [21]

Na obr. 8 je znázornený systém so stropnou koaxiálnou výustkou. Systém rozvodu vzduchu je zložený z primárnej dýzy, ktorá dodáva čistý vzduch, sekundárnej dýzy, ktorá dodáva recirkulovaný vzduch, a z periférneho šikmého difúzora, ktorý dodáva vzduch pod uhlom 45 ° na vytvorenie vzduchového kužeľa okolo užívateľa. Kombináciou stropnej koaxiálnej výustky s ventilátorom umiestneným pod stolom možno regulovať tok prúdenia vzduchu, ktorý je výsledkom stúpajúcich tepelných prúdov vytváraných ľudským telom, a zvýšiť účinnosť vetrania až o 33 %. Tým sa dosiahne vyššia výkonnosť koaxiálnej výustky pri prijateľnej rýchlosti prúdenia vzduchu. Pre dosiahnutie čo najvyššej efektívnosti vetrania je potrebné, aby užívateľ bol čo najbližšie k pracovnému stolu. Toto obmedzenie rieši alternatívny systém, v ktorom sú na kancelárskej stoličke namontované štyri ventilátory so smerom prúdenia nadol [22].

Obr. 8 Stropná koaxiálna personalizovaná výustka: a) konštrukcia, b) umiestnenie prídavného ventilátora pod stolom [22]

Najnovšia vedecká štúdia predstavuje cieľový personalizovaný systém vetrania tvorený multi-výustkou, ktorá sa skladá z 12 malých výustiek (obr. 9a). Koncept tohto typu vetrania bol inšpirovaný streľbou na terč (obr. 9b). Strelec, ktorý zasiahne cieľ, dostane skóre, strelec, ktorý minie cieľ nedostáva žiadne skóre. 12 malých výustiek bolo podľa tohto princípu nastavených tak, aby čo najefektívnejšie privádzali vzduch do zóny ramien a hlavy a zároveň, aby čo najmenej vzduchu smerovalo mimo túto oblasť (obr. 9c). Prívod vzduchu cez takúto multi-výustku má za následok rovnomerné prietokové pole s rýchlosťou vzduchu 0,3 m/s. V porovnaní s inými personalizovanými systémami je potenciál úspory energie až 53 %.

Obr. 9 Koncept cieľového personalizovaného vetrania: a) výustky; b) strelecký terč; c) cielená zóna dodávania vzduchu [23]

Obr. 10 zobrazuje rýchlosť prúdenia vzduchu z novej multi-výustky v porovnaní s tradičnými výustkami. V prípade tradičných výustiek (a), (b) a (c) je prietokové pole nerovnomerné a osová rýchlosť je pomerne vysoká. V prípadoch (d) a (e) prúd vzduchu pokrýva väčšiu plochu, no nerovnomernosti v prietokovom poli a vyššia osová rýchlosť zostali. V prípade novej výustky (f) je prietokové pole rovnomernejšie a prúd vzduchu pokryje väčšiu oblasť ľudského tela, v dôsledku čoho má tento systém potenciál zabezpečiť vyšší komfort a úsporu energie [23].

Obr. 10 Porovnanie rýchlostí rôznych personalizovaných výustiek [23]

Záver

Personalizovaný vetrací systém je príležitosťou na zlepšenie kvality vzduchu, a to najmä v kancelárskych priestoroch. Môže zvýšiť spokojnosť používateľov s okolitým prostredím, čo vedie k vyššej produktivite zamestnancov. Zníženie prietoku vzduchu vďaka vyššej účinnosti vetrania priaznivo ovplyvňuje spotrebu energie, keď čerstvý chladný vzduch sa dodáva priamo do pracovnej zóny užívateľa. Otázkou zostáva, či sa má personalizované vetranie používať ako jediný systém vetrania v miestnosti, alebo ho treba kombinovať so zmiešavacím či vztlakovým vetraním. V súčasnosti personalizované vetranie zvyčajne slúži ako doplnkový systém s cieľom zvýšenia komfortu užívateľa a kombinuje sa s klasickými vetracími systémami. Takéto spojenie dvoch systémov tvorí kompromis medzi úsporou energie a investičnými nákladmi na jednej strane a komfortom a kvalitou privádzaného vzduchu na strane druhej. Výskum však naznačuje, že personalizované vetranie môže úspešne fungovať aj samostatne [24], a preto sa v budúcnosti možno bude viac využívať aj ako samostatný systém vetrania v priestore.

Poďakovanie

Táto práca bola podporovaná Vyšehradským fondom (V4EAP), Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. DS-2016-0030 a Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantu VEGA 1/0807/17. Tento článok vznikol vďaka podpore v rámci OP Výskum a vývoj pre projekt: Kompetenčné centrum inteligentných technológií pre elektronizáciu a informatizáciu systémov a služieb, ITMS: 26240220072 spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Pozn.: Tento článek je mírně upravenou a doplněnou verzí článku, který vyšel v časopise TZB Haustechnik.

Použitá literatúra

MELIKOV, A. et al. Personal Ventilation: from research to practical use. In: Proceedings of Clima 2007 WellBeing Indoors. Helsinki, 2007.
CONCEICAO, Z. et al. Evaluation of comfort level in desks equipped with two personalized ventilation systems in slightly warm environments. Building and Environment. 2010, 45, 601–609. ISSN 0360-1323.
KACZMARCZYK, J. et al. Human response to personalized ventilation and mixing ventilation. Indoor Air. 2004, 14, 250–263. ISSN 1600-0668.
ŚCISŁO, N. et al. Personal Ventilation Modeling Using a CFD Analysis. World scientific News. 2016, 57, 426–435. EISSN 2392-2192.
KACZMARCZYK, J. et al. The effect of a personalized ventilation system on perceived air quality and SBS symptoms. In: Proceedings: Indoor Air 2002. Monterey, 2002.
SCHIAVON, S. et al. Energy-saving strategies with personalized ventilation in cold climates, Energy and Buildings. 2009, 41, 543–550. ISSN 0378-7788.
KRAJČÍK, M. et al. Energy Saving Potential of Personalized Ventilation Applied in an Open Space Office under Winter Conditions, Applied Mechanics and Materials. 2017, 861, 417–424. ISSN 1660-9336.
NIELSEN, P. V. et al. The influence of draught on a seat with integrated personalized ventilation. In: Indoor Air 2008. Copenhagen, 2008.
PANTELIC, J. et al. Effectiveness of a personalized ventilation system in reducing personal exposure against directly released simulated cough droplets. Indoor Air. 2015, 25(6), 683–693. ISSN 1600-0668.
MAZANEC, V. a et al. The Personal Ventilation System with Air Temperature Customization Using a Peltier Effect. In: CLIMA 2016 – proceedings of the 12^th REHVA World Congress. Aalborg, 2016.
MELIKOV, A. et al. Use of personalized ventilation for improving health, comfort, and performance at high room temperature and humidity. Indoor Air. 2012, 23, 250–263. ISSN 1600-0668.
NIU, J. et al. Experimental study on a chair-based personalized ventilation system. Building and Environment. 2007, 42, 913–925. ISSN 0360-1323.
MELIKOV, A. K. et al. Personalized ventilation. Indoor Air. 2004, 14(7), 157–167. ISSN 1600-0668.
XU, CH. et al. Impacts of airflow interactions with thermal boundary layer on performance of personalized ventilation. Building and Environment. 2018, 135, 31–41. ISSN 0360-1323.
KHALIFA, H. E. et al. Experimental investigation of reduced-mixing personal ventilation jets. Building and Environment. 2009, 44, 1551–1558. ISSN 0360-1323.
https://www.isiaq.org
LIPCZYNSKA, A. et al. Impact of personalized ventilation combined with chilled ceiling on eye irritation symptoms. In: Proceedings of the 13^th International Conference on Air Distribution in Rooms: Roomvent 2014. Sao Paulo, 2014.
KALMÁR, F. Innovative method and equipment for personalized ventilation. Indoor Air. 2015, 25, 297–306. ISSN 1600-0668.
CHLUDZIŃSKA, M. et al. The role of the front pattern shape in modelling personalized airflow and its capacity to affect human thermal comfort. Building and Environment. 2017, 126, 373–381. ISSN 0360-1323.
YANG, J. et al. Performance evaluation of a novel personalized ventilation–personalized exhaust system for airborne infection control. Indoor Air. 2014, 25(2), 176–187. ISSN 1600-0668.
KHALIFA, H. et al. Experimental investigation of reduced-mixing personal ventilation jets. Building and Environment. 2009, 44, 1551–1558. ISSN 0360-1323.
HABCHI, C. et al. Effect of shifts from occupant design position on performance of ceiling personalized ventilation assisted with desk fan or chair fans. Building and Environment. 2016, 117, 20–32. ISSN 0378-7788.
GAO, R. et al. A novel targeted personalized ventilation system based on the shooting concept. Building and Environment. 2018, 135, 269–279. ISSN 0360-1323.
LIPCZYNSKA, A. et al. Performance of personalized ventilation combined with chilled ceiling in an office room: inhaled air quality and contaminant distribution. In: Proceedings of Indoor Air, 2014.

English Synopsis

Personalized ventilation

Personalized ventilation is one of the options to address individual requirements for the supply of fresh air to various workplaces. In particular, desk administration for the use of personalized ventilation creates good assumptions. Applying this method of ventilation is not common, it is the subject of research and the search for optimal solutions. However, as the article shows, it has a number of advantages.