Osobista wentylacja miejscowa: ocena różnych nawiewników

Nawiewnik jest zasadniczą częścią każdego systemu wentylacji indywidualnej PV (z ang. personalized ventilation). Odgrywa on w ażną rolę w procesie rozdziału powietrza wokół ciała człowieka, dlatego wpływa na komfort cieplny użytkownika i jego odczucia jakości powietrza.

W ramach niniejszej pracy wykonano badania eksplatacyjne różnego rodzaju nawiewników z uwagi na komfort cieplny człowieka i jakość wdychanego powietrza.

Zaprezentowano wyniki porównania pięciu nawiewników, z punktu widzenia jakości powietrza wdychanego przez użytkowników i ich ogólnego komfortu cieplnego.

Badania eksperymentalne - warunki prowadzenia badań

W komorze klimatycznej o wymiarach 5><6X2,5 m było modelowane typowe, biurowe miejsce pracy, składające się z biurka z komputerem osobistym. Nawiewniki wentylacji indywidualnej zamontowano na biurku. Temperatura i wilgotność względna powietrza wewnętrznego były utrzymywane na stałym poziomie, z wysokim stopniem dokładności.

Prędkość ruchu powietrza generowanego przez system wentylacji komory klimatycznej była niższa od 0,06 m/s (Kjerluf-Jensen i in.1975).

Obecność człowieka była symulowana poprzez oddychającego manekina cieplnego, którego ciało składało się z 16 części. Manekin siedział na krześle biurowym na wprost komputera. Temperatura powierzchni manekina była utrzymywana na poziomie temperatury ciała przeciętnego człowieka, odczuwającego komfort cieplny. Mierzono straty ciepła każdej z 16 części ciała. Ubiór manekina będzie opisany w dalszej części tego rozdziału.

Manekin wyposażony był w sztuczne płuca, które naśladowały proces oddychania człowieka. Kontrolowano proces oddychania (wdech, wydech i przerwa) oraz ilość powietrza zużywanego do oddychania, jak i temperaturę i wilgotność powietrza wydychanego. Sztuczne płuca dostosowane były do naśladowania oddychania przeciętnej osoby wykonującej lekką pracę fizyczną tj.: częstość oddychania - 10 razy na minutę, objętość zużywanego powietrza - 6 l/min, cykl oddychania złożony z 2,5 s wdechu, 2,5 s wydechu i 1,0 s przerwy, temperatura wydychanego powietrza: 34°C, wilgotność względna: 95%. Powietrze wdychane było ustami, a wydychane nosem. Oddychający manekin opisany jest szczegółowo przez Melikova i in.2000.

Zaprojektowano i przetestowano pięć różnych rodzajów nawiewników. Nawiewniki te (ATD) przedstawiono rys. 5.1. Ruchomy panel MP (z ang. movable panel) pozwala na zmiany kierunku powietrza nawiewanego w szerokim zakresie. Powietrze nawiewane było poprzez nawiewnik komputerowy CMP (z ang. computer monitor panel), montowany na monitorze, którego położenie może być zmieniane w płaszczyźnie pionowej. Pionowy nawiewnik biurkowy VDG (z ang. vertical desk grill) i poziomy nawiewnik biurkowy HDG (z ang. horizontal desk grill), montowane przy krawędzi biurka kierują odpowiednio pionową i poziomą, indywidualną strugę powietrza bezpośrednio do strefy oddychania użytkownika lub na ciało użytkownika. Podczas badań dwa spośród nawiewników, mianowicie CMP i VDG, były testowane również w zmodyfikowanych wersjach, CMP mod. i VDG mod., o zmniejszonej o 50 % powierzchni wypływu. Ostatni z nawiewników,

’autorzy: Melikov A K tłum. Blaszczok M red. Trzeciakiewicz Z

154 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

moduł środowiska® osobistego PEM (z ang. personal environments® module), składa się z dwóch dysz zamontowanych w dwóch narożnikach biurka. Pozwalają one na zmiany

producentów.

W komorze klimatycznej modelowane były warunki letnie i zimowe, z temperaturą operacyjną odpowiednio 26°C i 20°C (temperatura powietrza w pomieszczeniu była równa średniej temperaturze promieniowania). Eksperyment przeprowadzono dla trzech temperatur strug nawiewanych indywidualnie: 20°C, 23°C i 26°C i ilości powietrza wentylacyjnego od mniej niż 5 l/s do 23 l/s. Podczas pomiarowego „lata” manekin był ubrany w bieliznę, koszulkę z krótkim rękawem, spodnie, skarpetki i buty, co dało sumaryczną wartość izolacyjności cieplnej odzieży rów ną 0,4 clo (ISO1994). Podczas pomiarowej „zimy” na garderobę manekina składały się: bielizna, koszulka z krótkim rękawem, koszula z długim rękawem, bluza, spodnie, skarpetki i buty, co odpowiadało wartości izolacyjności odzieży równej 1,0 clo. W obu przypadkach manekin siedział na krześle biurowym, które stanowiło dodatkową izolacyjność cieplną rzędu 0,15 clo.

Aparatura i metodyka badań

Powietrze nawiewane do komory klimatycznej było oznaczane poprzez stałe dozowanie znacznika gazowego, sześciofluorku siarki (SF6). Powietrze nawiewane przez system wentylacji indywidualnej było pozbawione znacznika.

Rys. 5.1 Analizowane nawiewniki wentylacji indywidualnej: MP (ruchomy panel), CMP (nawiewnik komputerowy), VDG (pionowy nawiewnik biurkowy), HDG (poziomy nawiewnik biurkowy), P E M (moduł środowiska® osobistego)

Pomiar stężenia znacznika gazowego (SF$) był wykonywany w powietrzu nawiewanym do komory klimatycznej, w powietrzu nawiewanym za pom ocą systemu wentylacji indywidualnej i w powietrzu wdychanym przez oddychającego manekina cieplnego. W komorze istniały warunki całkowitego mieszania powietrza. Prowadzono ciągłe pomiary stężenia SFć za pom ocą urządzenia, którego metoda pomiarowa oparta była kierunku nawiewanego powietrza w

szczegółowo przez Tsuzuki i in.

na foto-akustycznej detekcji, wykorzystującej promieniowanie podczerwone. Stężenie, mierzone w warunkach stanu ustalonego podczas 30 ostatnich minut każdego pomiaru, było uśredniane i analizowane.

Kryteria oceny

Użyto różnych wskaźników do oceny przepływu powietrza wokół użytkowników (Brohus i N ielsen1 96; Faulkner i in.1999). Dla oceny nawiewników, wprowadzono nowy wskaźnik skuteczności indywidualnej ekspozycji ep, wyrażony jako udział powietrza nawiewanego indywidualnie w powietrzu wdychanym.

^ I 0 ^ I

(5.1) ci. o CPV

gdzie:

cl0 - stężenie zanieczyszczeń w powietrzu wdychanym, bez działania wentylacji indywidualnej,

c, - stężenie zanieczyszczeń w powietrzu wdychanym, cpv - stężenie zanieczyszczeń w powietrzu indywidualnym.

Wskaźnik ten jest równy jedności, jeśli wdychane powietrze jest w 100% powietrzem pochodzącym od nawiewu indywidualnego i równy zero, jeśli powietrze nawiewu indywidualnego nie jest wdychane.

Parametr cIi0 reprezentuje stężenie zanieczyszczeń w powietrzu wdychanym przed uruchomieniem wentylacji indywidualnej. Starannie zaprojektowany i właściwe działający system PV powinien dostarczać czyste powietrze pozbawione zanieczyszczeń. Dla takich warunków można równanie 5.1 uprościć:

C i o Ci

s p = - ^ (5.2)

c i,o

W przypadku braku wentylacji indywidualnej stężenie SF$ w komorze klimatycznej jest jednolite, a stężenie SFg w powietrzu wdychanym jest równe stężeniu SF^ w powietrzu nawiewanym do komory. Dlatego wskaźnik ten został zmodyfikowany:

(53)

c R , s ą ~ c p v,s f b

gdzie:

cR,SFg ~ stężenie SF<; w powietrzu nawiewanym do komory klimatycznej, ppm, cpv.sf6- stężenie zanieczyszczeń w powietrzu wdychanym

c/,Sfj ~ stężenie zanieczyszczeń w powietrzu nawiewu indywidualnego.

W skaźnik, jakim je st temperatura równoważna oparta na pomiarach z wykorzystaniem manekina, teg, użyty był dla oceny osiągów testowanych nawiewników w odniesieniu do komfortu cieplnego użytkowników (Tanabe i in.1994). Temperatura równoważna je st definiowana jako temperatura jednorodnego pomieszczenia, przy której manekin termiczny z rzeczywistą temperaturą powierzchni skóry odda tyle samo ciepła do otoczenia jak w warunkach w jakich aktualnie przebywa. W omawianych badaniach, temperatura równoważna była wyznaczana w następujący sposób:

156 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

/ „ = 3 6 , 4 - C . Q, (5.4)

gdzie:

36,4 - temperatura wewnętrzna ciała, °C, Q, - zmierzone, wyczuwalne straty ciepła, W/m2,

C - opór ciepiny zestawu systemu kontroli temperatury skóry manekina termicznego, równy 0.054 m 2K/W

W yniki b ad ań i dyskusja

Celem wentylacji indywidualnej je st osiągnięcie możliwie najwyższej jakości powietrza wdychanego przez użytkowników poprzez doprowadzenie do strefy oddychania czystego powietrza. Dlatego jakość powietrza wdychanego w przypadku stosowania wentylacji indywidualnej musi być wyższa niż w przypadku wentylacji ogólnej (mieszającej i wyporowej). W idealnych warunkach powietrze wdychane powinno zawierać 100%

powietrza nawiewu indywidualnego.

Porównanie skuteczności indywidualnej ekspozycji testowanych nawiewników przedstawiono na rys. 5.2 — dla warunków izotermicznych i rys. 5.3 - dla warunków nieizotermicznych. N a rysunkach tych skuteczność indywidualnej ekspozycji jest przedstawiona jako funkcja ilości powietrza wentylacyjnego. Istniała możliwość zidentyfikowania wspólnych charakterystyk dla testowanych nawiewników. Wyniki wskazują, że wzrost ilości powietrza wentylacyjnego od zera nie ma natychmiastowego wpływu na skuteczność indywidualnej ekspozycji. Dopiero kiedy osiągnięta zostanie pewna początkowa ilość powietrza wentylacyjnego, skuteczność indywidualnej ekspozycji dla większości badanych nawiewników zaczyna wzrastać gwałtownie wraz ze wzrostem ilości powietrza wentylacyjnego, tj. struga nawiewu indywidualnego dociera do twarzy manekina. Początkowa ilość powietrza wentylacyjnego, dla której skuteczność indywidualnej ekspozycji zaczyna wzrastać, zależy zarówno od odległości nawiewnika od użytkownika, jak i jego typu i wielkości. Widoczne jest również na rysunku, że wzrost skuteczności indywidualnej ekspozycji jest gwałtowny do pewnej ilości powietrza wentylacyjnego, aż do osiągnięcia maksymalnych wartości w stanie ustalonym.

Maksymalne skuteczności indywidualnej ekspozycji s ą różne dla różnych typów badanych nawiewników.

Rezultaty badań w skazują że dla analizowanych ilości powietrza wentylacyjnego (do 23 l/s) i wszystkich rodzajów nawiewników nie zdołano doprowadzić do sytuacji, w której byłoby wdychane 100% powietrza nawiewanego indywidualnie. Osiągi nawiewników zmieniały się, kiedy ilość powietrza wentylacyjnego wzrastała. Zależały one również od warunków panujących w pomieszczeniu: izotermicznych (równość temperatur powietrza nawiewu indywidualnego i w pomieszczeniu) i nieizotermicznych (powietrze nawiewane indywidualnie chłodniejsze od powietrza w pomieszczeniu). W warunkach izotermicznych (rys. 5.2 ) najwyższa skuteczność indywidualnej ekspozycji tj. największa ilość powietrza nawiewanego indywidualnie w powietrzu wdychanym, była osiągana przez CMP - 0,75 dla 21 l/s. Osiągi VDG, VDG mod. i MP były wysokie w stosunkowo szerokim zakresie ilości powietrza wentylacyjnego. Te trzy nawiewniki, a w szczególności VDG, wypadają najlepiej w warunkach nieizotermicznych.

Rys. 5.2 i 5.3 w skazują że maksymalna skuteczność indywidualnej ekspozycji 0,6 była osiągana przez VDG przy minimalnej ilości powietrza wentylacyjnego 7 l/s.

Minimalne ilości powietrza wentylacyjnego potrzebne do osiągnięcia maksymalnych

skuteczności indywidualnej ekspozycji dla pozostałych nawiewników to: 7 l/s dla VDG mod, 10 l/s dla HDG i VDG, 15 l/s dla PEM i 20 l/s dla CMP, CMP mod i MP.

Ilość powietrza wentylacyjnego, l/s

Rys. 5.2 Skuteczność indywidualnej ekspozycji ja ko funkcja ilości powietrza wentylacyjnego. Warunki zimowe (izotermiczne): temperatura powietrza w pomieszczeniu 20X2, temperatura powietrza nawiewu indywidualnego 20X2. HDG (Poziomy nawiewnik biurkowy), VDG (pionowy nawiewnik biurkowy), P E M (moduł środowiska® osobistego), CMP (nawiewnik komputerowy) CMP m od (nawiewnik komputerowy zmodyfikowany), MP (ruchomy panel)

Obecne normy i wytyczne zalecają przyjmowanie ilości powietrza wentylacyjnego w granicach 4+10 l/s os w biurach, gdzie obowiązuje zakaz palenia i do 30 l/s osobę, kiedy palenie jest dozwolone (ASHRAE 989; CR 1998). Nawiewniki o dużej powierzchni wypływu, generujące lam inam y ruch powietrza z niską prędkością, które nie pow odują odczucia dyskomfortu u użytkowników spowodowanego przeciągiem, były wcześniej proponowane przez M elikova' 99 jako jedne z projektowych zaleceń dla systemu indywidualnej wentylacji. Taki nawiewnik m a możliwość doprowadzenia dużych ilości powietrza rzędu 30 l/s osobę, jak sugerują wytyczne CR 8, bez ryzyka lokalnego dyskomfortu.

W praktyce jednakże, częściej wymagane jest 10 l/s osobę. Wyniki badań wskazują, że w tych warunkach będzie dość trudno używać dużych nawiewników. Lepsze rezultaty będą osiągane przez stosunkowo małe nawiewniki, takie jak VDG, pod warunkiem obniżenia jakości powietrza wdychanego.

Jakość powietrza wdychanego jest najważniejszym kryterium oceny osiągów systemu wentylacji indywidualnej. Jednakże, jest również ważne, żeby przy temperaturze komfortu wentylacja indywidualna nie pogarszała warunków komfortu cieplnego i aby w gorącym środowisku powodowała chłodzenie ciała. Jak ju ż wspomniano, temperaturą równoważną posługiwano się dla oceny osiągów nawiewników w odniesieniu do komfortu cieplnego użytkowników. Zdolność wpływu badanych nawiewników na straty ciepła całego ciała była oceniana za pom ocą obliczenia zmiany wartości temperatury

158 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

równoważnej spowodowanej działaniem wentylacji indywidualnej, w stosunku do temperatury równoważnej mierzonej bez działania PV,

Ilość powietrza wentylacyjnego, l/s

Rys. 5.3 Skuteczność indywidualnej ekspozycji ja k o funkcja ilości powietrza wentylacyjnego nawiewnego przez nawiewnik ATD. Warunki letnie (nieizotermiczne): temperatura powietrza w pomieszczeniu 26 °C, temperatura powietrza nawiewu indywidualnego 20 °C. HDG (Poziomy nawiewnik biurkowy), VDG (pionowy nawiewnik biurkowy), P E M (moduł środowiska®

osobistego), CMP (nawiewnik komputerowy) CMP mod (nawiewnik komputerowy zmodyfikowany), MP (ruchomy panel)

Wyniki tych badań przedstawiono na rys. 5.4. Osiągi badanych nawiewników w odniesieniu do odczuć cieplnych użytkowników są porównywane dla minimalnych ilości powietrza wentylacyjnego niezbędnego do osiągnięcia maksymalnej skuteczności indywidualnej ekspozycji.

Analiza rys. 5.4 wykazała, że w warunkach zimowych efekt chłodzący jest bardzo mały dla CMP, CMP mod, VDG, mały dla MP i VDG, oraz umiarkowany dla HDG i PEM. Tak więc użytkownicy m ogą odczuwać chłód, gdy zastosowane zostaną HDG i PEM. M ogą one zmniejszyć ilość powietrza wypływającego z nawiewników, co poprawi ich odczucia cieplne, ale obniży też skuteczność indywidualnej ekspozycji tj. jakość powietrza wdychanego.

W warunkach letnich, umiarkowany efekt chłodzący był notowany dla HDG, MP, CMP i PEM, a mały dla VDG i CMP mod. Wysoka zdolność chłodzenia wentylacji indywidualnej jest wymagana latem, aby zapewnić komfort cieplny każdemu z użytkowników, mając na uwadze różnice w ich preferencjach. Duży efekt chłodzący może być uzyskiwany poprzez zwiększenie ilości powietrza nawiewanego.

Na rys. 5.5 porównano zdolności chłodzące badanych nawiewników przy ilości powietrza wentylacyjnego równej 20 l/s. Wyniki w skazują że dla tej ilości powietrza w e n t y la c y jn e g o

największy efekt chłodzący (dla całej powierzchni ciała manekina) był osiągnięty przy użyciu nawiewnika HDG.

HDG 10 l/s

VDG 10 l/s

VDG mod 7 l/s

PEM 15 l/s

CMP CMP mod. 20 20 l/s l/s

Rys. 5.4 Różnica pom iędzy temperaturą równoważną mierzoną w warunkach P V a temperaturą równoważną mierzoną w warunkach bez P V w odniesieniu do całej powierzchni ciała. Porównania dokonano dla minimalnej ilości powietrza (pokazana na rysunku) niezbędnej dla osiągnięcia maksymalnej skuteczności indywidualnej ekspozycji. Porównanie warunków zimowych (temperatura powietrza nawiewu indywidualnego i powietrza w pomieszczeniu 20 X ) i letnich (temperatura powietrza w pomieszczeniu 26 X , temperatura pow ietrza nawiewu indywidualnego 20 XI i 23 X )

Zatem ten nawiewnik, w połączeniu z VDG, może być użyty w celu zapewnienia zarówno komfortu cieplnego, jak i wysokiego poziomu jakości wdychanego powietrza w warunkach wysokich temperatur powietrza w pomieszczeniu. Również może być stosowanych wiele innych połączeń nawiewników wentylacji indywidualnej.

Najmniejszy wpływ na komfort cieplny zanotowano dla nawiewnika CMP mod.

W tym przypadku, z powodu wysokiej wartości pędu początkowego, powietrze przepływa ponad głow ą manekina, powodując bardzo małe straty ciepła. W praktyce jednak, istnieje możliwość regulacji kierunku nawiewu z takiego nawiewnika, co pozwoli osiągnąć duży efekt chłodzący. Spadek temperatury powietrza nawiewu indywidualnego (jeśli to możliwe) może wywołać dalszy wzrost efektu chłodzącego, spowodowanego działaniem systemu wentylacji indywidualnej.

Części ciała bezpośrednio wystawione na działanie nawiewu indywidualnego m ogą być nadmiernie chłodzone. N a przykład, jeśli ramiona i ręce użytkownika będą narażone na zimny nawiew powietrza w górę z krawędzi biurka, użytkownik może odczuwać dyskomfort, może nawet obniżyć się jego produktywność, w stosunku do warunków odpowiadających warunkom komfortu cieplnego. Rozpoznany został wpływ wentylacji indywidualnej na lokalny dyskomfort cieplny.

160 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

CMP

Rys. 5.5 Różnica pom iędzy temperaturą równoważną mierzoną w warunkach PV a temperaturą równoważną mierzoną w warunkach bez PV, w odniesieniu do całej powierzchni ciała, dla ilości powietrza wentylacyjnego 20 l/s. Warunki zimowe 20/20 °C, warunki letnie 26/20 °C i 26/23 °C

Przeanalizowano wyniki badań pięciu nawiewników wentylacji indywidualnej w odniesieniu do komfortu cieplnego użytkowników i jakości powietrza wdychanego.

Badania przeprowadzono zarówno dla warunków letnich jak i zimowych.

W celu oceny osiągów badanych nawiewników został wprowadzony nowy wskaźnik skuteczność indywidualnej ekspozycji, wyrażony jako udział powietrza nawiewu indywidualnego w powietrzu wdychanym.

Skuteczność indywidualnej ekspozycji wzrasta wraz ze wzrostem ilości powietrza nawiewanego do pewnych stałych wartości maksymalnych, niezależnych od dalszego wzrostu ilości powietrza nawiewanego.

Zarówno w warunkach izotermicznych jak i nieizotermicznych, dla ilości powietrza wentylacyjnego poniżej 15 l/s najwyższa skuteczność indywidualnej ekspozycji - 0,6 jest osiągana przez pionowy nawiewnik biurkowy VDG kierujący powietrze indywidualnego nawiewu w górę ku twarzy użytkownika. Panel ruchomy MV pozwalający na zmiany kierunku nawiewu powietrza posiada również wysokie osiągi.

Pionowy nawiewnik biurkowy VDG i ruchomy panel MP generalnie nie wpływają znacząco na odczucia cieplne użytkowników i są polecane do użytku w temperaturach komfortu pomieszczenia. Te dwa nawiewniki, w połączeniu z innymi nawiewnikami wentylacji indywidualnej, m ogą być używane dla poprawy odczuć cieplnych użytkowników i jakości powietrza wdychanego w gorącym środowisku.