Stratifikačná alebo zmiešavacia ventilácia? Sprievodca pre projektantov vzduchotechniky

Prvou úlohou je určiť aktuálnu záťaž. Pokusy určiť zaťaženie z pripojených elektrických spotrebičov majú často za následok výsledky, ktoré sú nielen nereálne vysoké, ale taktiež sporné – v závislosti na konkrétnej aplikácii. Až 86 % elektrickej pripojenej záťaže môže byť rozptýlené do chladiaceho maziva a hoblín, ktoré vznikajú pri mechanickom spracovaní, takže nie je nutná žiadna priama ventilácia.

Štandardný spôsob výpočtu tepelných výkonov uvažuje so zmiešavacou ventiláciou (Obrázok 1).

Požadovaný objem privádzaného vzduchu pre stanovenú celkovú tepelnú záťaž sa určuje pomocou korelácie

Q = c · m · Δt
m = ρ · V

Preto pre požadovaný prietok privádzaného vzduchu platí nasledujúce: V ~ Q. Pokiaľ sa uvoľňujú znečisťujúce látky, použije sa pre stanovenie potrebného prietoku privádzaného vzduchu ďalší výpočet, aby sa zaistila zhoda s požadovanou koncentráciou MAK (maximum allowable concentration → maximálna prípustná koncentrácia), ARW (workplace reference concentration → referenčna koncentrácia na pracovisku) nebo TRK (technical standard concentration → koncentrácia podľa technických noriem).

Za hlavný faktor pre návrh sa považuje to množstvo privádzaného vzduchu z oboch výpočtov, ktoré je vyššie. V praxi je to obyčajne hodnota z výpočtu tepelného zaťaženia.

Je zrejmé, že priama úmernosť medzi hodnotami V a Q pre vysoké vnútorné tepelné záťaže má rýchlo za následok veľmi vysoké hodnoty objemu privádzaného vzduchu. To často znamená, že pre vysokú teplotnú záťaž je požadovaný prívod vzduchu neúnosne vysoký. Pri dodržaní rýchlosti vzduchu v súlade s príslušnými pravidlami a predpismi DIN 1946, ASR 5 a ZU 11 140 je veľmi náročné distribuovať požadovaný objem privádzaného vzduchu v hale. Otázkou je, či bude účinnejší upravený koncept pohybu vzduchu, ktorý je popísaný nižšie alebo dodatočné opatrenia iné ako ventilácia.

Stratifikačná ventilácia

Stratifikačná ventilácia je efektívny koncept prúdenia vzduchu, ktorý funguje účinne na veľkých plochách. Odstraňuje teplo a škodliviny z pracovnej oblasti pomocou tepelných vzdušných prúdov.

Základný myšlienkový postup za týmto konceptom začína vytvorením dvoch oblastí s rôznou kvalitou ovzdušia v rovnakej výrobnej hale. Kvalita vzduchu spodnej vrstvy vrátane pracovnej plochy je zhruba na úrovni privádzaného vzduchu a vrstva je v ideálnom prípade vysoká asi 2,5 m. Vzostupné tepelné prúdenie vzduchu od teplého strojného zariadenia zdvíha uvoľnenú tepelnú a znečisťujúcu záťaž do vyššej úrovne a vytvára druhú, znečistenú vrstvu. Ustálená tvorba spodnej vrstvy vzduchu, ďalej označovaná ako vrstva privádzaného vzduchu, je zaistená tým, že množstvo privádzaného vzduchu z chladiča je rovnaké, ako množstvo teplého vzduchu stúpajúceho do hornej oblasti haly. Aby sa zabránilo recirkulácii znečisteného vzduchu, musí byť odpovedajúce prúdenie odvádzané z haly ako odpadový vzduch a ak je to vhodné, malo by byť zaistené odvetrávanie priamo od strojov. Vhodné meranie týchto prúdov vzduchu umožňuje špecificky upraviť výšku vrstvy privádzaného vzduchu (Obrázok 2, Obrázok 3).

Výpočet

Stanovenie tepelných prúdov vzduchu sa vykonáva pomocou polo-empirických rovníc, ktoré sú založené na Prandtlovej hypotéze hraničnej vrstvy a turbulencie, a na Reichardtovej teórii otvorených trysiek. Tieto rovnice sa čiastočne vracajú späť k štúdiám, ktoré boli zahájené v roku 1930. Tepelný prúd cez jeden stroj a tým aj veľkosť následne privádzaného vzduchu závisí do značnej miery na geometrii a teplote povrchu. Výpočty pre vodorovné a zvislé plochy sa vykonávajú oddelene.

Tieto dve nižšie uvedené úmernosti sa používajú pre oblasti horizontálnych strojov, v závislosti na uvoľnenom teple Q a výške z nad oblasťami (Obrázok 4):

	Vh ~ Q1/3
and	Vh ~ z5/3
with	Q = α · A · Δt
and	ΔT = Tsurface − Tsurroudings
	Vv(z) = 0,104 · ν(Tsurface) · b · Gr(z)2/5

Určenie podielov zvislých plôch pre obvyklé rozmery strojov, výhradne pre oblasti turbulentného prúdenia je možné vykonať pomocou hodnoty Gr, predstavujúcou Grasshofove číslo a b, čo je šírka zvislých oblastí (Obrázok č. 5). Predpokladá sa, že tepelný podiel zvislých plôch je plne indukovaný do horizontálnych plôch. Na základe skúseností poskytujú horizontálne oblasti množstvo vzduchu potrebné k výpočtu.

Kritéria pre použitie

Úspešné využitie stratifikačnej ventilácie vyžaduje dodržovanie určitých aplikačných obmedzení, ktoré popíšeme ďalej.

1. Požadovaná výška haly

Základný myšlienkový postup za touto metódou výpočtu výkonu predpokladá priestor nad rozvrstveným (stratifikovaným) tokom pracovnej oblasti, do ktorého musí najskôr doraziť vzostupné prúdenie z tepelnej záťaže. To znamená, že fungovanie tohto konceptu vyžaduje vhodnú výšku haly. Ale čo je to vhodná výška?

Je potrebné mať na pamäti, že horná vrstva predstavuje oblasť zmiešaných prúdov. Ak budeme predpokladať, že výška haly je nastavená tak, aby bola rovnaká ako výška vrstvy privádzaného vzduchu, vznikne v tejto oblasti zmiešaný prúd. Zákony tým strácajú svoju platnosť. Výška musí byť taká, aby impulz vzostupného prúdenia mohol byť pri recirkulácii znížený do takej miery, že nedôjde k zmiešaniu so spodnou vrstvou.

Pre oblasť s výškou vrstvy privádzaného vzduchu medzi minimálnou hodnotou 2,0 m a doporučenou hodnotou 2,5 m znamená, že predpokladom pre použitie tohto konceptu je požadovaná výška haly 6,0 m až 7,5 m.

Polo-empirické rovnice nie sú vhodné pre zváženie hraníc pri stanovení minimálnej výšky haly, pretože neodrážajú skutočný fyzikálny vzťah. Používajú sa Navierove-Stokesove rovnice, ktoré však nemajú konzistentné riešenie pre túto aplikáciu. Vyššie zmienená referencia teda slúži ako užitočné vodítko pri navrhovaní systému.

2. Veľmi veľké tepelné vzduchové prietoky

Ako už bolo spomenuté, tepelné vzduchové toky vznikajú predovšetkým v dôsledku nadmernej teploty vodorovných plôch stroja. Pokiaľ sú tieto hodnoty veľmi vysoké, je nutné kontrolovať nasledujúce:

• či je možné časť vodorovných plôch umiestniť hore, teda mimo vrstvu privádzaného vzduchu prostredníctvom vhodného výberu výšky vrstvy
• či je možné pripevnením obvodových prírub okolo príslušných plôch až do stanovenej výšky vrstvy vyňať toto množstvo vzduchu z rovnice objemu vzduchu (Obrázok 5),
• či je možné usporiadať požadovaný počet výstupov privádzaného vzduchu v oblasti haly tak, aby dodávané množstvo privádzaného vzduchu bolo presne rovnaké ako miestny tepelný objemový tok od strojov. Keď sú potrebné veľmi veľké objemy privádzaného vzduchu, môže byť prispôsobenie požadovaného množstva na pracovisku nemožné.

Ak vyššie uvedené opatrenia nefungujú, je potrebné pripustiť, že problém nemusí byť riešiteľný len pomocou ventilácie

3. Veľmi malé tepelné vzduchové prúdenie

Keď sú tepelné vzduchové toky stále menšie, je potrebné mať na pamäti dve situácie:

• Vrstva privádzaného vzduchu klesne pod doporučené rozmedzie výšky 2,0 až 2,5 m.
  Stratifikačná ventilácia sa zmení na zdrojovú ventiláciu. To znamená, že osoby v pracovnom priestore dýchajú vzduch z viac zaťaženej hornej vrstvy a vrstva prívodu čistého vzduchu nie je pre použitie tohto konceptu distribúcie vzduchu efektívna. Zvýšenie toku privádzaného vzduchu za účelom úplného nahradenia vzostupného tepelného prúdu bude mať skutočne za následok zväčšenie výšky vrstvy privádzaného vzduchu, ale nebude mať za následok stabilné, statické podmienky. Nadbytočný prívod vzduchu v dlhodobom horizonte nebude efektívny z dôvodu vyrovnávania teplôt.
• Povrchová plocha zóny teoreticky vytvorenej okolo výrobnej jednotky je v pomere k rozmerom jednotky podstatne väčšia. Na okrajoch vypočítanej vrstvy privádzaného vzduchu nebude mať vzostupný tepelný prúd výrobnej jednotky žiadny vplyv, takže dôjde k interakcii s prostredím, teda k úprave teploty. To má za následok situáciu, kedy stabilita vrstvy privádzaného vzduchu už nie je možná a opäť funguje zdrojová ventilácia. Prispôsobené riešenie je možné nájsť iba pomocou iného spôsobu distribúcie vzduchu, ako je napríklad zmiešavacia ventilácia. Na tomto mieste by sme chceli určite prebrať dva princípy distribúcie vzduchu: stratifikačné prúdenie a zdrojovú ventiláciu. Ich prevádzkové režimy sú síce podobné, ale sú založené na rôznych definíciách. Bohužiaľ, rôzne termíny často nie sú navzájom jasne odlíšené. Podstatné rozdiely je možné vidieť vo výške vrstvy, ktorá je 0,3 m až 1,0 m pre zdrojovú ventiláciu a medzí 2,0 až 2,5 m pre stratifikačné prúdenie. Ďalej je rozdiel medzi nízkou teplotou prívodného vzduchu v porovnaní s teplotou miestnosti, ktorý by pre zdrojovú ventiláciu nemal prekročiť 3K. Okrem toho má zdrojová ventilácia značne vyšší impulz a indukciu privádzaného vzduchu. Preto sa jedná o rôzne koncepty ventilácie a nie o dva termíny pre rovnaký jav.

4. Zváženie nestability tepelného prúdenia vzduchu

Z hľadiska dynamiky kvapalín sa tepelné prúdenie vzduchu považuje za nestabilné. To znamená, že môže byť ľahko narušené križujúcimi prúdmi. Štúdie ukázali, že priečne prúdy s rýchlosťou menšou ako 0,1 m/s sú za slabých tepelných podmienok pre také prerušenie dostatočné. Aby sa tejto situácii zabránilo, je potrebné venovať zvláštnu pozornosť nasledujúcim bodom:

• Je potrebné upraviť rovnováhu objemu vzduchu v jednotlivých oblastiach haly. To platí i pre susedné uličky haly, ktoré sú navzájom prepojené pomocou otvorov. Veľké dvere v halách musia byť opatrené vzduchovými clonami, aby sa zabránilo priečnym prúdom v dôsledku vstupu studeného vzduchu.
• Je potrebné matematicky vyhodnotiť možný vplyv obvodových plôch haly. Tento matematický výpočet je v každom prípade nutný pri sledovaní procesu znečisťujúcich a čistiacich tokoch haly a obsahuje podrobné posúdenie vplyvu.

1. Steny: Ak majú steny nižšiu teplotu, než je teplota miestnosti, dôjde k poklesu studeného vzduchu. To nie je nič nové. Tento jav bol odstránený už dávno a to použitím vykurovacích zariadení na zle izolovaných stenách, ako sú napríklad veľké okenné plochy. Vznikajúce prúdy studeného vzduchu môžu v tomto prípade dosiahnuť značné rozmery. Napríklad stena, ktorá je 40 m dlhá a 7 m vysoká s teplotou o 10 K nižšou, než je teplota miestnosti, vytvára prúd studeného vzduchu asi 4 300 m³/h. Ak nie sú vykonané hore uvedené opatrenia, môže to ľahko spôsobiť prerušenie tepelného toku.
2. Stropy, najmä plechové strechy: Pre aplikácie, v ktorých je tepelná strata prenosom cez strechu väčšia, než tepelné zisky zo strojného zariadenia, sa použitie rozvrsveného prúdenia z dôvodu vznikajúceho klesania studeného vzduchu neodporúča. Je potrebné skontrolovať reakciu striech v období nízkych vonkajších teplôt, aby sa zaistilo, že zvolená koncepcia vedenia vzduchu si môže uchovať svoju funkčnosť po celý rok. Ak chcete získať predstavu o rozsahu prúdenia chladného vzduchu, ktoré sa môže rozvinúť, predstavte si typický oddiel strmej strechy, ktorý je 20 m dlhý a 2 m vysoký a má teplotu o 10 K nižšiu ako je teplota v miestnosti. Pri takých podmienkach vzniká studený prúd vzduchu o niečo viac ako 500 m³/h. Zoberme do úvahy priemernú dĺžku haly 40 m s ôsmimi radami pilovej steny. Vzniká chladný prúd vzduchu 4 000 m³/h, čo vzhľadom k jeho opačnému smeru udržateľným spôsobom naruší vzostupné tepelné prúdy, najmä tie slabé. V závislosti na sile prúdu môže byť použitie stratifikačnej ventilácie pochybné.

• Hnacou silou stratifikačného toku je teplotný rozdiel medzi plochami strojov a vzduchom v miestnosti. Tento efekt sa vyskytuje pri každom rozdiele teplôt a to aj pri veľmi malých rozdieloch. Tendencia k nestabilite vzostupného tepelného prúdu sa nepriamoúmerne zvyšuje s teplotnými rozdielmi. Samozrejme, že limit pre praktickosť rozvrstveného prúdenia za týchto podmienok závisí aj na príslušných okolitých podmienkach, ale nie je možné to určiť všeobecne. V tomto prípade, rovnako ako pri iných vyššie uvedených prípadoch potrebuje vedúci projektu zručnosť a istý inštinkt, aby mohol rozhodnúť, kedy bude použitie jedného alebo druhého systému vedenia vzduchu efektívnejšie.

5. Vzájomná závislosť niekoľkých oblastí haly

Pre výpočet rozvrstveného toku je nutné rozdeliť halu na niekoľko oblastí a to v závislosti na type a obsadenosti výrobných závodov. Cieľom je určiť požadovaný objem vzduchu v jednotlivých prípadoch a tým počet potrebných vzduchových výstupov pre danú oblasť. Vedľajšie podmienky vrstvy privádzaného vzduchu na deliacich plochách hraničiacich regiónov musia byť z dôvodu kontinuity rovnaké. To znamená:

• že všetky regióny haly musia byť usporiadané s rovnakou výškou vrstvy. Rozdielne výšky vrstvy by sa mohli vyrovnávať. To by malo za následok odchýlky od vypočítanej výšky.
• že vedľa seba je možné usporiadať iba regióny s rovnakým spôsobom vedenia vzduchu

Oblasti so stratifikačnou ventiláciou a oblasti so zmiešavacou ventiláciou teda nemôžu existovať vedľa seba, ak nie sú prijaté a zvláštne opatrenia. Pre výpočet rozvrstveného toku je nutné rozdeliť halu na niekoľko oblastí a to v závislosti na type a obsadenosti výrobných závodov. Cieľom je určiť požadovaný objem vzduchu v jednotlivých prípadoch a tým aj počet potrebných vzduchových výstupov pre danú oblasť.

Požiadavky na ventiláciu výrobnej haly (http://www.hoval.sk/riesenie/nebytove/vrobn-haly) môžu byť také, že optimálne riešenie vyžaduje použitie viac ako jedného konceptu distribúcie vzduchu. Ako je možné realizovať rôzne metódy vedenia vzduchu v susediacich regiónoch, aby nedochádzalo ku vzájomnému ovplyvňovaniu? V praktických aplikáciách, kde sú tieto plochy oddelené plastovými závesmi, boli dosiahnuté dobré výsledky. Tieto závesy visia zo stropu k vrstve privádzaného vzduchu. Samozrejme, že susediace regióny nebudú spĺňať všetky podmienky konkrétnych princípov vedenia vzduchu, ako sú popísané v definíciách, ale celkový výsledok je dosiahnutý. Toto opatrenie nie je možné použiť vždy. Je potrebné zvažovať konkrétne požiadavky týkajúce sa internej logistiky, rovnako ako nastavenú rovnováhu množstva vzduchu medzi príslušnými dvoma regiónmi.

6. „Požiadavky“ na znečisťujúce látky

• Pri použití stratifikačnej ventilácie sa predpokladá, že znečisťujúce látky sa premiestňujú do hornej oblasti haly s tepelnými vzdušnými tokmi. Tento proces zahŕňa určité charakteristiky a požiadavky, ktoré musia znečisťujúce látky spĺňať, aby tento proces mohol účinne fungovať. Jedná sa o nasledujúce:
• hustota znečisťujúcej látky musí byť menšia alebo rovnaká ako hustota vzduchu. Výrazne vyššie úrovne hustoty majú za následok intenzívnejšie zaplavovanie vo vrstve privádzaného vzduchu a to ako vo vzostupnom tepelnom prúde, tak v hornej znečistenej vrstve.
• znečisťujúce látky v stroji sa musia uvoľniť bez impulzu, aby nemigrovali mimo oblasť vzostupného tepelného prúdu
• je potrebné zaistiť, aby sa nevyskytovali žiadne zdroje znečistenia mimo oblasť vzostupných tepelných prúdov

Dodržiavanie vyššie uvedených ustanovení zaistí, že nedôjde k neúmyselnému zvýšeniu koncentrácie znečisťujúcich látok vo vrstve privádzaného vzduchu. Tomu je potrebné sa za každu cenu vyhnúť, pretože rýchlosť privádzaného vzduchu je vo svojej podstate tak pomalá, že prakticky nedochádza k indukcii a miešanie preto nie je možné. Ak nie je možné tieto požiadavky dodržať, potom je potrebné zvážiť použitie alternatívneho princípu distribúcie vzduchu.

Okrem toho je potrebné dodržať ustanovenie uvedené v sekcii „Úvahy o nestabilite tepelného prúdenia vzduchu“. Pritom je treba dbať najmä na dodržiavanie nasledujúcich položiek:

• Aby sa zabránilo priečnym prúdom, rýchlosť prívodu vzduchu na výstupe nesmie prekročiť požadovanú hodnotu 0,5 m/s, v súlade s normou VDI 3802. Ak to pri výstupoch vzduchu usporiadaných vo vrstve privádzaného vzduchu nie je možné splniť, situácia sa dá napraviť ich umiestnením na úrovni okolo 3 m. Väčšie rýchlosti prívodu vzduchu sa tu najskôr znížia. Potom prúd privádzaného vzduchu klesá vďaka svojej nízkej teplote k vrstve privádzaného vzduchu pracovnej oblasti. Stále však platí: Žiadna strata / Žiadny zisk. Na jednej strane privádzaný vzduch prúdi cez časť zaťaženej hornej vrstvy, pričom na druhej strane nesmie byť jeho nízka teplota príliš vysoká, aby sa prúd privádzaného vzduchu príliš nezrýchľoval a tým nenarušoval tepelné prúdenie ako priečny prúd.
• Že vzostupný tepelný prúd vykazuje dostatočný impulz smerom nahor, takže znečisťujúce látky môžu byť aj spoľahlivo odvádzané do hornej časti haly. V zásade sa potvrdzuje podozrenie z počiatočného pohľadu. Nestabilita vzostupného tepelného prúdenia a teda aj odvádzanie škodlivín klesá s rastúcou teplotou povrchu stroja.

Zhrnutie

Matematický algoritmus pre stratifikačnú ventiláciu z VDI 3802 poskytuje projektantom veľmi účinný nástroj pre plánovanú ventiláciu haly. Nedá sa však použiť slepo pre každú aplikáciu. Najzákladnejšou požiadavkou je existencia podmienok, ktoré vedú k vzniku dvoch vzduchových vrstiev s rôznou hustotou. To je možné dosiahnuť pomocou protikladu chladu – tepla, rovnako ako sucha – vlhkosti. Postupy, v ktorých sa uvoľňujú znečisťujúce látky bez vzniku tepla, nie je možné týmto spôsobom realizovať.

Výška vrstvy privádzaného vzduchu by sa nemala podstatne odchyľovať od doporučených hodnôt. Jak môžeme vidieť z korelácie, zdvojnásobenie výšky vedie k strojnásobeniu prietoku privádzaného vzduchu, tj. extrémne výšky vrstvy nie je možné zmysluplne použiť. Tento princíp vedenia vzduchu predstavuje efektívne rozšírenie existujúcich metód, pri ktorých je potrebné venovať zvláštnu pozornosť požiadavkám a limitom.

Viac o riešeniach na www.hoval.sk

Značenie

b	Šírka vertikálnych povrchov
c	Merná tepelná kapacita
Gr	Grasshofovo číslo
m	Hmotnostný prietok
Q	Tepelný výkon
Δt, TΔ	Teplotný rozdiel
V	Objemový prietok
Hh	Tepelný objemový prietok horizontálnych povrchov
Vv	Tepelný objemový prietok vertikálnych povrchov
z	Referenčná výška nad horizontálnym povrchom
α	Koeficient prestupu tepla
ρ	Hustota
ν	Viskozita