Kvalita vzduchu a tepelná pohoda při podlahovém větrání, vytěsňování a směšování
V zařízené místnosti jsme proměřovali obrazy proudění (koncentrace znečišťujících látek, teploty a rychlosti vzduchu) při přívodu vzduchu podlahovými výustěmi a porovnali je s obrazy proudění při větrání směšováním a vytěsňováním. Výsledky ukazují na přímou závislost mezi dosahem proudu z podlahových výustí a distribucí znečištění vydechovaného osobami v místnosti (tabákový kouř nebo infekce dýchacích cest). Dosah proudu neměl vliv na znečištění uvolněné z podlahové krytiny. Podlahové větrání s krátkým dosahem proudu zajistilo kvalitu vzduchu srovnatelnou s vytěsňováním při nižším riziku tepelné nepohody.
ÚVOD
Směšování a vytěsňování jsou v současné době nejpoužívanějšími principy distribuce vzduchu v klimatizovaných prostorách. Pro vytěsňování je charakteristické dvouvrstvé rozložení znečišťujících látek uvolněných z teplých zdrojů. Kvalita nadechovaného vzduchu tak může být lepší než při větrání směšováním [1]. Závisí to na výšce vrstvy, která odděluje čistější vzduch ve spodních oblastech místnosti a znečištěný vzduch ve vyšších oblastech místnosti. Přívod vzduchu v blízkosti podlahy (při vytěsňování) však zvyšuje riziko průvanu [2].
V kancelářských budovách se stále častěji setkáváme s distribucí vzduchu podlahovými výustěmi. Nejčastěji se používají vířivé výustě s vysokým objemem přisávaného okolního vzduchu. Udává se, že přívod vzduchu podlahovými výustěmi přináší vyšší čistotu vzduchu ve srovnání se směšováním. O skutečné distribuci látek uvolněných různými zdroji znečištění a rozložení teploty se však ví jen málo.
Yamanaka a kol. [3] ukázali měřením na modelu větrané místnosti, že koncentrace znečištění v místnostech větraných podlahovými výustěmi závisí na vzájemné poloze dělící vrstvy koncentrací a dosahu přiváděného proudu vzduchu (obr. P1). Dosah proudu se definuje jako výška nad podlahou, kde rychlost přiváděného vzduchu klesne pod 0,25 m/s. Pokud byl dosah proudu vyšší než zmíněná dělící vrstva, koncentrace znečišťujících látek v pobytové zóně osob vzrůstala a naopak.
Abychom ověřili zmíněná tvrzení a objektivně posoudili účinnost podlahového větrání, navrhli jsme a proměřili větrací systémy s přívodem vzduchu (1) několika podlahovými výustěmi, (2) velkoplošnou stěnovou výustí a (3) stropní vířivou výustí. Systémy byly hodnoceny podle rozložení teplot a rychlostí vzduchu v místnosti, ale hlavně podle rozložení koncentrací dvou častých znečišťujících látek v místnostech, jmenovitě částice ve vydechovaném vzduchu, které můžou přenášet onemocnění dýchacích cest a těkavé organické sloučeniny, uvolněné z povrchu podlahové krytiny. Výsledky byly mj. použity jako reference v rozsáhlé studii o využití osobního větrání [4].
METODA
Měřilo se v klimatické komoře o rozměrech 4,8 x 5,2 x 2,6 m3 (š x h x v) zařízené jako kancelář pro dvě osoby (obr. 1). Každé pracovní místo se skládalo ze stolu, osobního počítače a lampy. Pracovníci byli simulováni dvěma dýchajícími figurínami s řízenou teplotou povrchu (obr. 2). Oblečení odpovídalo letnímu období (0,5 clo). Figuríny seděly vzpřímeně s dýchací oblastí ve výšce 1,1 m nad podlahou. Celková tepelná zátěž místnosti včetně osvětlení byla 22,5 W/m2.
Obr. 1 - Půdorys místnosti (1) vyhřívaná figurína A, (2) vyhřívaná figurína B, (3) stěnová velkoplošná výusť, (4) podlahová vířivá výusť, (5) monitor počítače 17" - 70 W, (6) počítač - 75 W, (7) stolní lampa - 55 W, (A-B) měřicí místo. |
Obr. 2 - Detail vyhřívané figuríny u stolu |
Pro směšování byla vířivá výusť umístěna ve středu stropu (není zobrazena v obr. 1). Vytěsňování bylo zajištěno polokruhovou výustí s rádiusem 0,25 m a výškou 1 m. Pro přívod z podlahy byly použity čtyři vířivé podlahové výustě. Každá obsahovala lopatky, které umožňovaly nastavení směru proudění buď podél podlahy nebo svisle. V tomto příspěvku jsou uvedeny výsledky pouze pro svislý směr. Vzduch odváděly čtyři stropní výustě v rozích místnosti.
Větrací systémy byly navrženy pro shodné parametry přiváděného vzduchu. Teplota přiváděného vzduchu byla 20 °C. Průtok vzduchu byl určen výpočtem na 290 m3/h (odpovídá 4,3 výměnám za hodinu) za předpokladu teploty odváděného vzduchu 26 °C a dokonalého míšení. U podlahového větrání se proměřovaly dva různé dosahy proudu: 0,3 a 1,0 m (obr. 3). Protože se geometrie výustí (průtočná plocha, nastavení lopatek) neměnila, kratšího dosahu se dosáhlo snížením průtoku na 180 m3/h při současném snížení teploty přiváděného vzduchu na 16,4 °C. Teplota vně klimatické komory byla 25 °C, aby se omezil teplený tok stěnami. Měření probíhala za ustálených podmínek.
Obr. 3 - Zviditelnění výstupního proudu z podlahových výustí
Vlevo: dosah proudu 0,3 m.
Vpravo: dosah proudu 1,0 m (dosah proudu byl definován poklesem rychlosti proudu na 0,25 m/s)
VÝSLEDKY A DISKUSE
Na obr. 4 vlevo jsou porovnány koncentrace vydechovaných znečišťujících látek ve vzduchu nadechnutém figurínou B pro různé větrací systémy. Výsledky pro vytěsňování byly srovnatelné s výsledky pro podlahové větrání s krátkým dosahem proudu. Koncentrace byly v obou případech 5 až 6x nižší než při směšování. Prodloužení dosahu proudu u podlahového větrání na 1,0 m vedlo ke zvýšení koncentrací v nadechovaném vzduchu. Ty však byly stále dvakrát nižší než při směšování. Koncentrace při směšování byly srovnatelné s koncentracemi v odváděném vzduchu.
Obr. 4 Vlevo: Koncentrace znečišťujících látek vydechovaných figurínou A
ve vzduchu nadechovaném figurínou B.
Vpravo: koncentrace znečišťujících
látek z podlahy ve vzduchu nadechovaném oběma figurínami (aritmetický
průměr). Úsečky znázorňují nejistotu střední hodnoty s hladinou jistoty 95 %.
Také v místnosti bylo rozložení koncentrací vydechovaných látek srovnatelné pro vytěsňování a podlahové větrání s krátkým dosahem. Jak je vidět na obr. 5 vlevo, místnost byla rozdělena na čistější oblast u podlahy a více znečištěnou oblast u stropu. Hranice mezi oblastmi byla ve výšce zhruba 1,1 až 1,4 m. Skutečnost, že koncentrace v nadechnutém vzduchu byly nižší, než koncentrace ve stejné výšce v místnosti, ukazuje na důležitost volného konvektivního proudění kolem lidského těla pro kvalitu nadechovaného vzduchu. Rozdíl v průtoku přiváděného vzduchu (290 m3/h při vytěsňování a 180 m3/h při podlahovém větrání) nemělo pozorovatelný vliv na výšku koncentračního přechodu. Při dosahu proudu 1,0 m větrací vzduch zasáhl hranici mezi oblastmi, což vedlo k vytěsnění znečišťujících látek z horní oblasti do dolní oblasti. Koncentrace v pobytové zóně tím vzrostly na přibližně polovinu koncentrace v odváděném vzduchu. Výpočet rozložení koncentrací v pobytové zóně je podle modelu navrženém Yamanakou a kol. [3] ukázal dobrou shodu s měřením za předpokladu, že dosah proudu byl definován poklesem rychlosti na 0,1 m/s (viz. Příloha).
Obr. 5 - Aritmetický průměr z obou měřicích míst. Vlevo: koncentrace vydechovaných
znečišťujících látek, vpravo: koncentrace znečišťujících látek z podlahy
Často se uvádí, že proudění vzduchu při vytěsňování dopravuje znečištění uvolněné z podlahy do dýchací oblasti, tj. kvalita nadechovaného vzduchu je nižší než kvalita vzduchu v místnosti. Naše měření ukazují, že v případě chladného zdroje pokrývajícího celou plochu podlahy, toto tvrzení neplatí (např. koberec, PVC nebo linoleum). V proudu vzduchu z velkoplošné výustě ve skutečnosti koncentrace znečišťujících látek vzrůstá podél podlahy se vzdáleností od výustě. Nejvyšší koncentrace se dosahuje u protilehlé stěny. Proud vzduchu se potom odkloní od stěny [1] a ztrácí kontakt s podlahou, tj. zdrojem znečištění. Jestliže se osoby nacházejí mezi výustí a protilehlou stěnou, vzduch u podlahy ještě není zcela znečištěn. Kvalita vzduchu se však dále snižuje ve volném konvektivním proudu kolem lidského těla díky přisávání vzduchu z místnosti. To má za následek, jak potvrzují výsledky měření v obr. 4 vpravo, že koncentrace látek uvolněných z podlahy jsou v nadechnutém vzduchu pro všechny větrací systémy prakticky shodné.
Nízká koncentrace látek uvolněných z podlahy v blízkosti podlahy při vytěsňování je patrná také z obr. 5 vpravo, kde jsou ukázány svislé koncentrační profily znečištění z podlahy. Je zřejmé, že ve výškách nad cca. 0,6 m je rozložení koncentrací rovnoměrné a shodné pro všechny měřené větrací systémy.
Rozložení teplot, znázorněné v obr. 6 vlevo, bylo odlišné od rozložení koncentrací. V důsledku rozdílného proudění vzduchu v dolní části pobytové oblasti nebyly teplotní gradienty při vytěsňování a podlahovém větrání srovnatelné. Vířivé proudy z podlahových výustí způsobily větší míšení, které ovlivnilo konvektivní proudy kolem zdrojů tepla. To vedlo ke zvýšení teploty v blízkosti podlahy. Bezrozměrná teplota byla 0,7, což je ve shodě s výsledky měření teplotních gradientů při podlahovém větrání uvedených Baumanem a Daly [5].
Obr. 6 - Aritmetický průměr z obou měřicích míst. Vlevo: teplota vzduchu.
Vpravo: střední rychlost vzduchu
Střední rychlosti vzduchu (obr. 6, vpravo) byly nejvyšší v blízkosti podlahy a postupně klesaly směrem ke stropu. Rychlosti vzduchu byly obecně velmi nízké. Nejvyšší hodnoty byly měřeny při směšování. Pokud by se měřilo v těsné blízkosti výustí, rychlosti vzduchu by byly zřejmě vyšší.
Hlavním úkolem projektanta je zajistit vysokou kvalitu vzduchu a tepelnou pohodu prostředí. Měření ukázala, že větrání vytěsňováním a podlahové větrání s krátkým dosahem proudu jsou schopna zajistit vysokou a vzájemně srovnatelnou kvalitu vzduchu pro sedící osoby. Podlahové větrání je však výhodnější díky nižším rychlostem proudění a vyšším teplotám vzduchu v pobytové zóně, tzn. představuje nižší riziko tepelné nepohody. Z pohledu kvality vzduchu bylo druhým nejlepším systémem podlahové větrání s dlouhým dosahem proudu. Nejhorší kvalita vzduchu byla při míšení.
Různé dosahy proudu při podlahovém větrání byly dosaženy změnou průtoku přiváděného vzduchu. Aby se zajistil přívod stejného množství chladu, teplota přiváděného vzduchu byla rozdílná (20 a 16,4 °C při průtoku respektive 280 a 190 m3/h). Důsledkem bylo to, že při krátkém dosahu proudu byla teplota vzduchu v pobytové oblasti o několik stupňů nižší, než u ostatních systémů. Takto nízká teplota by však byla v praxi nepřípustná. Aby se zachoval krátký dosah proudu při vyšší teplotě a průtoku vzduchu, bylo by nutné použít většího počtu výustí (stávající konstrukce) za současného zvýšení ceny instalace. Pro zajištění vysoké kvality prostředí je tak zapotřebí výustí, které by dosahovaly krátkého dosahu proudu při vysokém průtoku. Podlahové výustě stávající konstrukce se směrem proudu rovnoběžným s podlahou nejsou vhodné, protože významně zvyšují rychlost proudění u podlahy.
Potvrdilo se, že koncentrace znečišťujících látek uvolněných z teplých zdrojů závisí na vzájemné poloze dosahu proudu a dělicí vrstvy mezi čistou a znečištěnou oblastí (obr. P1). Podlahové větrání s dosahem proudu kratším, než hranice oblastí se chovalo podobně jako větrání vytěsňováním. Pokud hranice mezi oblastmi poklesne pod úroveň dosahu proudu, znečištění s horní oblasti je vytěsněno do oblasti dolní. Potom se podlahové větrání a větrání vytěsňováním chová odlišně. Z toho vyplývá, že hlavním požadavkem pro zajištění vysoké kvality vzduchu při podlahovém větrání je navrhnout dosah proudu kratší než je hranice nárůstu koncentrací, ne absolutní hodnota dosahu, jako např. 0,3 m použitá v této práci.
Zatímco nízké koncentrace znečištění v blízkosti podlahy jsou žádoucí, nízké teploty a vysoké rychlosti v blízkosti podlahy zvyšují riziko tepelné nepohody. Z tohoto pohledu je nejvhodnějším systémem směšování. Velká hustota zdrojů tepla při podlaze způsobila, že teplotní gradienty při vytěsňování a podlahovém větrání byly v blízkosti podlahy strmé [1]. Různé teploty vzduchu ve spodní části pobytové zóny byly způsobeny rozdíly v proudění v blízkosti podlahy (zaplavování versus vířivé proudy). Pokud by se však většina zdrojů tepla vyskytovala ve vyšších polohách, rozdíly mezi vytěsňováním a podlahovým větráním s krátkým dosahem proudu by pravděpodobně zanikly.
ZÁVĚR
- Podlahové větrání s dosahem proudu kratším než hranice nárůstu koncentrací dosáhlo kvality vzduchu srovnatelné s větráním vytěsňováním, představuje však nižší riziko tepelné nepohody. Prodloužení proudu vedlo k poklesu kvality vzduchu.
- Nadechované koncentrace znečišťujících látek uvolněných z podlahy byly srovnatelné pro vytěsňování, směšování a podlahové větrání. Zmíněné koncentrace byly zároveň srovnatelné s koncentracemi v odváděném vzduchu.
- Vířivé proudy podlahového větrání ovlivnily konvektivní proudy kolem zdrojů tepla při podlaze a vedly ke zvýšení teploty vzduchu v pobytové oblasti ve srovnání s vytěsňováním.
Poděkování
Tato práce vznikla za podpory Dánské technické vědecké rady (STVF). Autoři by rádi poděkovali Ing. Luboši Forejtovi a Ing. Oldřichu Kolářovi, kteří se podíleli na přípravě a průběhu měření.
Spojení na autora: radim.cermak@eu.irco.com, www.ie.dtu.dk
Použité zdroje:
[1] REHVA: Guidebook: Displacement ventilation in non-industrial premises. Federation of European Heating and Air-conditioning Associations, 2002, ISBN 82-594-2369-3, 95 s.
[2] Melikov, A.K., Pitchurov, G., Naidenov, K., Langkilde, G.: Field study of occupants thermal comfort in rooms with displacement ventilation. Indoor Air 15, 3, s. 205-214, červen 2005.
[3] Yamanaka, T., Satoh, R., Kotani, H.: Vertical distribution of contaminant concentration in rooms with floor-supply displacement ventilation. Proc. of Roomvent 2002, 8-11 September, Copenhagen, Denmark, s. 213-216.
[4] Čermák, R.: Design strategies for personalized ventilation. Ph.D. Thesis, Technical University of Denmark, 2004, ISBN 87-7475-318-5,136 s.
[5] Bauman, F.S., Daly, A.: Underfloor air distribution design guide. American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers, 2003, ISBN/ISSN 1-931862-21-4, 250 s.
[6] Nielsen, P.V.: Displacement ventilation - theory and design, Aalborg University, 1993, ISSN 0902-8002 U9306.
PŘÍLOHA
Rozložení znečišťujících látek z teplých zdrojů při podlahovém větrání
Yamanaka a kol. [3] navrhli jednoduchý model předpovědi koncentračních profilů znečišťujících látek emitovaných teplými zdroji při podlahovém větrání. Typický koncentrační profil můžeme rozdělit na tři oblasti - dolní, přechodovou a horní, viz. obr. P1. Výpočet je založen na rovnováze hmotnostních toků mezi oblastmi.
Obr. P1 - Model proudění vzduchu a znečištění při podlahovém větrání
Pokud má přívod větracího vzduchu jen malý vliv na obraz proudění (jako např. při větrání vytěsňováním), v místnosti se vytvoří oblast s nízkou koncentrací znečištění při podlaze a oblast s vyšší koncentrací znečištění při stropu. Hranice mezi oblastmi se vytvoří ve výšce, kde je celkový objemový tok konvektivních proudů roven průtoku větracího vzduchu. Při podlahovém větrání je však dosah proudu často vyšší než hranice mezi oblastmi. Potom je část znečišťujících látek vytěsňována z horní oblasti směrem k podlaze. Přestože je část znečištění přisávána do stoupajících konvektivních proudů a tak opět vynášena ke stropu, dochází ke kontaminaci původně čisté oblasti při podlaze. Původně téměř skoková změna koncentrací se roztáhne a vytvoří přechodovou oblast. Rovnováhu hmotnostních toků přechodové oblasti můžeme zapsat jako:
(1) |
VU | je objemový tok vzduchu z horní oblasti směrem k podlaze, |
cU | je koncentrace znečištění v horní oblasti, |
VPE | je objemový tok vzduchu přisávaný do stoupavých konvektivních proudů, |
cPE | je koncentrace znečištění v přechodové oblasti, přisávaná do stoupavých konvektivních proudů, |
VL | je objemový tok vzduchu do dolní oblasti, |
cL | je koncentrace znečištění v dolní oblasti. |
Podle Yamanaky a kol. [3] je horní hrana přechodové oblasti shodná s maximálním dosahem proudu z podlahových výustí. Dosah proudu byl definován jako výška nad podlahou, kde rychlost poklesla na nulu. Dále byl definován objemový tok z horní oblasti směrem k podlaze jako rozdíl průtoku větracího vzduchu a objemového toku ve stoupavých konvektivních proudech na úrovni dosahu proudu:
(2) |
VMT | je objemový tok ve stoupavých konvekčních proudech na úrovni dosahu proudu z podlahových výustí, |
V | je průtok větracího vzduchu z podlahových výustí. |
Objemový tok přisátý do stoupavých konvektivních proudů (VPE) je rovný objemovému toku ve stoupavých konvektivních proudech v úrovni dosahu proudu z podlahových výustí (VMT) mínus objemový tok ve stoupavých konvektivních proudech na spodní hraně přechodové oblasti (VINT). Předpokládá se, že objemový tok do dolní oblasti je shodný s objemovým tokem ve stoupavých konvektivních proudech na úrovni spodní hrany přechodové oblasti, tj. VL = VINT. Přisávání vzduchu do proudu z podlahových výustí se v původním modelu neuvažuje. Koncentrace znečišťujících látek v horní oblasti je shodná s koncentracemi v odváděném vzduchu, tj. cu = 1. Koncentrace znečišťujících látek přisávaných z přechodové oblasti do stoupavých konvektivních proudů se vypočte jako aritmetický průměr z koncentrací v horní a dolní oblasti. V souhrnu to znamená, že koncentraci znečišťujících látek v dolní oblasti můžeme z rovnice (1) vyjádřit jako:
(3) |
Yamanaka a kol. [3] výpočet ověřili experimentálně na modelu místnosti o rozměrech 4,0 x 3,9 x 1,9 m3 (š x h x v). Větrací vzduch byl přiváděn z podlahy šestnácti kruhovými otvory. Zdroji tepla a znečištění byly čtyři vyhřívané válce představující osoby - značkovací plyn byl přiváděn na vrcholu válců. Proměřovaly se dvě intenzity větrání a tři dosahy proudu (dosažené změnou průměru přiváděcích otvorů). Šířka přechodové oblasti (W, v metrech), jejíž znalost je nutná pro určení spodní hrany přechodové oblasti při známém dosahu proudu, byla stanovena experimentálně:
(4) |
VU je objemový tok vzduchu z horní oblasti směrem k podlaze, v m3/h.
Použití
Popsaný model byl použit k výpočtu koncentračních profilů znečišťujících látek produkovaných lidmi. Protože ve skutečných místnostech vždy existuje nenulové proudění vzduchu, dosah proudu z podlahových výustí byl definován poklesem rychlosti proudu na 0,1 m/s. Při průtoku 280 m3/h a 190 m3/h byl dosah proudu respektive 1,5 a 0,8 m. V tab. P1 jsou shrnuty objemové toky stoupavých konvektivních proudů na úrovni dosahu proudu a na spodní hraně přechodové oblasti. Objemové toky byly odhadnuty z diagramů podle Nielsena [6], uvedených též v průvodci REHVA [1]. Výška přechodové oblasti byla vypočtena pro výše zmíněné případy podle rovnic (2) a (4) jako 0,35 m a 0 m.
Obr. P2 - Porovnání naměřených a vypočtených koncentračních profilů
V obr. P2 jsou porovnány výsledky výpočtu a výsledky měření. Zdrojem znečištění byl vzduch vydechovaný oběma tepelnými figurínami. Koncentrační profily byly určeny jako aritmetický průměr znečištění z obou figuríny a dvě měřicí místa v blízkosti pracovišť. Ukazuje se, že výpočet a měření jsou v dobré shodě. Vezmeme-li však v úvahu množství předpokladů, které bylo nutné učinit, pro spolehlivé ověření modelu by byla zapotřebí ještě další měření.
Původní výpočtový model bychom mohli zpřesnit zohledněním schopnosti proudů z podlahových výustí přisávat a vynášet znečištění z dolní oblasti do přechodové oblasti. Pokud bychom to udělali, objemový tok z přechodové oblasti do dolní oblasti by byl rovný součtu objemového toku ve stoupavém konvektivním proudu na úrovni spodní hrany přechodové oblasti a objemového toku přisávaného do proudu z podlahových výustí, tj. VL = VINT + VUE. Shoda měření a výpočtu při použití původního modelu však byla uspokojivá. Důvodem může být skutečnost, že podlahové větrání vynášelo do přechodové oblasti jen relativně malé množství znečišťujících látek. V obecných případech však může být vliv přisávání do proudu z podlahových výustí významný.
Zdroj tepla | Dosah proudu 1,5 m | Dosah proudu 0,8 m | ||
---|---|---|---|---|
Spodní hrana přechodu 0,8 až 0 m |
Horní hrana přechodu 1,5 m |
Spodní hrana přechodu 1,5 až 0,35 m |
Horní hrana přechodu 0,8 m |
|
Osoba | 8,3 | 5,6 | 4,2 | 4,2 |
Počítač (0,3 m) | 8,3 | 5,6 | 4,2 | 4,2 |
Monitor (0,8 m) | 6,9 | 2,8 | 0 | 0 |
Stolní lampa (1 m) | 1,4 | 0 | 0 | 0 |
Celkem | 24,9 | 14,0 | 8,4 | 8,4 |
Tab. P1 - Objemový tok nad zdroji tepla připadající na jedno pracovní místo (m3/h).
Výška předmětů nad podlahou je uvedena v závorce.